自密實(shí)輕骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

聶 旭，劉錫軍

（湖南科技大學(xué) 土木工程施工過(guò)程與質(zhì)量安全控制湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201）

0 前 言

混凝土是目前土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最多的建筑材料，自水泥和普通混凝土發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的新型高性能、復(fù)合型混凝土不斷出現(xiàn).混凝土向高強(qiáng)度、低密度、環(huán)境污染小、施工方便的方向發(fā)展，更多地體現(xiàn)了混凝土“綠色、可持續(xù)”發(fā)展的理念.其中自密實(shí)輕骨料混凝土（SCLC）就是其中近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種，它是在自密實(shí)混凝土（SCC）和輕骨料混凝土（LAC）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型高性能混凝土，其密度小于1950kg／m3，既有輕骨料混凝土自重輕又有自密實(shí)混凝土自動(dòng)填充成型的特點(diǎn).同時(shí)SCLC又具備SCC和LAC不具有的性能，開(kāi)拓了混凝土發(fā)展的新領(lǐng)域.輕質(zhì)高強(qiáng)的自密實(shí)輕骨料混凝土，能夠減輕建筑物的自重，降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用，縮小結(jié)構(gòu)斷面和增加使用面積，可降低工程造價(jià)5%～10%，同時(shí)還具有良好的耐久性、耐火性、抗震性和抗裂性能，因而具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益.目前關(guān)于SCLC研究較少，關(guān)于SCLC的資料還很有限，這對(duì)它的推廣應(yīng)用有著很大的限制作用.因此，開(kāi)展對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土的研究工作是研究工作者面對(duì)的一個(gè)重大而有意義的課題.

1 SCLC研究的發(fā)展及現(xiàn)狀

上個(gè)世紀(jì)九十年代，日本福岡懸索大橋建設(shè)過(guò)程中就提出自密實(shí)輕骨料混凝土 的概念并逐漸應(yīng)用，之后在日本有一些研究和應(yīng)用［1－3］，以后德國(guó)、加拿大、韓國(guó)、臺(tái)灣等學(xué)者［4－9］等對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土相繼開(kāi)展了研究，我國(guó)一些學(xué)者在自密實(shí)輕骨料混凝土領(lǐng)域也作了一些研究工作［10－14］

盡管自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了很多的研究，但是關(guān)于自密實(shí)輕骨料混凝土的研究卻非常少.目前，國(guó)內(nèi)外研究自密實(shí)輕骨料混凝土的方法通常采用研究自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土相結(jié)合的方法，并采用自密實(shí)混凝土、輕骨料混凝土和普通混凝土性能的試驗(yàn)方法對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)將自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土的研究成果應(yīng)用到自密實(shí)輕骨料混凝土中，也就是說(shuō)目前研究者基本上都是將普通自密實(shí)混凝土中的骨料用輕骨料替代，用自密實(shí)混凝土的研究方法對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土的性能進(jìn)行評(píng)價(jià).

從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，SCLC的研究?jī)?nèi)容主要集中在物理力學(xué)性能研究、工作性能研究、和耐久性研究、配合比設(shè)計(jì)研究等幾個(gè)方面.

2 SCLC研究的內(nèi)容

2.1 物理力學(xué)性能研究

自密實(shí)輕骨料混凝土的主要物理力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、劈裂拉抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及靜彈性模量等.王振軍等人人為，表面較為粗糙的輕骨料，可以增加其與水泥漿體的粘結(jié)性，從而增強(qiáng)混凝土的整體強(qiáng)度和流動(dòng)性；自密實(shí)輕骨料混凝土的拉壓比要小于同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土，其脆性大于普通混凝土，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中要注意輕骨料混凝土特別是具有較高強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)輕骨料混凝土的脆性對(duì)工程的影響；自密實(shí)輕骨料混凝土的靜彈性模量比同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土普遍偏低，約為同等級(jí)普通混凝土的67%～68%.

大連理工大學(xué)建筑工程專(zhuān)業(yè)的張?jiān)茋?guó)［15］等人對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土高溫性能研究認(rèn)為，高溫后自密實(shí)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度損失和抗折強(qiáng)度損失小于普通自密實(shí)混凝土和普通混凝土，圖1、圖2呈現(xiàn)了這種現(xiàn)象.圖1是混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，其抗壓強(qiáng)度逐漸減小.圖2是抗壓強(qiáng)度損失率隨溫度的變化曲線(xiàn)，該圖顯示了抗壓強(qiáng)度損失率隨溫度升高而增大的趨勢(shì)，高溫下的自密實(shí)輕骨料混凝土彈性模量的降低略低于普通骨料自密實(shí)混凝土和普通混凝土.其中，當(dāng)溫度為450℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度的衰減幅度陡然增大.

圖1 抗壓強(qiáng)度隨溫度變化

自密實(shí)輕骨料混凝土 作為一種新型的高性能混凝土 ，它的筒壓強(qiáng)度較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用SCLC強(qiáng)度等級(jí)也較低，多在LC30以下，而且國(guó)內(nèi)外對(duì)于其力學(xué)性能研究涉及不多［16－17］.如何突破現(xiàn)有局限，掌握較高強(qiáng)度等級(jí)SCLC的力學(xué)性能特點(diǎn)，并將其應(yīng)用到大跨橋梁、高層建筑、海上石油平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物中，充分發(fā)揮其輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫耐火、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)［18－19］，是當(dāng)前眾多科研單位孜孜以求的目標(biāo).

圖2 抗壓強(qiáng)度損失率

2.2 工作性能研究

影響自密實(shí)輕骨料混凝土工作性能的主要因素是水膠比和高效減水劑的使用.在低水膠比情況下，要獲得較高的流動(dòng)性，主要依靠高效減水劑來(lái)實(shí)現(xiàn).

張?jiān)茋?guó)等人通過(guò)V型漏斗、流動(dòng)擴(kuò)展度、L槽、U型槽、篩分、柱分層及表面沉降試驗(yàn)對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土的流動(dòng)性、變形性、填充性和抗離析性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，采用全計(jì)算法與固定砂石體積法相結(jié)合的方法，同時(shí)考慮輕骨料吸水特性可配制出工作性能良好、具有較高強(qiáng)度等級(jí)的SCLC.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，SCLC的流動(dòng)擴(kuò)展度減小.隨著SCLC剪切流動(dòng)速度的增加，其抗離析性逐漸降低.

何廷樹(shù)等人采用改進(jìn)的L－800自密實(shí)混凝土拌合物流變性能測(cè)定儀，通過(guò)測(cè)定混凝土拌合物流過(guò)40cm時(shí)的時(shí)間t40，同時(shí)結(jié)合擴(kuò)展度值、坍落度值及1h坍落度、擴(kuò)展度損失情況，介紹了粉煤灰摻量、砂率大小、外加劑品種和硅灰摻量對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土拌合物工作性能的如下影響.

（1）Ⅰ級(jí)粉煤灰摻量對(duì)SCLC拌合物流動(dòng)性影響較大，表1是不同粉煤灰摻量下對(duì)SCLC的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，從表中可以看出，SCLC拌合物較為合適的粉煤灰摻量為30%左右.

（2）環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測(cè)工作隊(duì)伍建設(shè)落后。在縣級(jí)市，地方政府環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測(cè)隊(duì)伍建設(shè)存在落后性，這主要體現(xiàn)在：首先，隊(duì)伍文化水平不高[2]。其次，執(zhí)法技術(shù)簡(jiǎn)陋。在當(dāng)前，大多數(shù)縣級(jí)環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測(cè)隊(duì)伍并未采用高新科技工具檢查，并且管理方式仍以人力管理為主，尚未建成集成式系統(tǒng)，無(wú)法保證執(zhí)法檢測(cè)的工作質(zhì)量。

（2）砂率大小對(duì)SCLC拌合物工作性能和表觀密度影響較大，SCLC的一般砂率為50%.

（3）摻有粘塑組分的復(fù)合高效減水劑是配制自密實(shí)輕骨料高性能混凝土必不可少的.單一高效減水劑或純復(fù)合高效減水劑不滿(mǎn)足SCLC拌合物中輕骨料不上浮、不漂移、均勻成型的要求.

（4）CLC合理的硅灰摻量為膠凝材料用量的2%～6%.

表1 粉煤灰摻量對(duì)SCLC工作性能的影響

2.3 耐久性能研究

混凝土的耐久性是指其暴露在使用環(huán)境下抵抗各種物理和化學(xué)作用破壞的能力.耐久性強(qiáng)的混凝土暴露在一定使用環(huán)境中應(yīng)能保持其形態(tài)、質(zhì)量和使用功能，提高混凝土的耐久性是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的基礎(chǔ).混凝土耐久性破壞的主要形式有：凍融作用、硫酸鹽、氯鹽、酸、堿等侵蝕性介質(zhì)的化學(xué)侵蝕；碳化；鋼筋的銹蝕和堿－集料的反應(yīng)等.因此，混凝土工程耐久性破壞往往是幾種因素綜合作用的結(jié)果［20］.

目前，自密實(shí)輕骨料混凝土耐久性能的研究開(kāi)展的較少，而自密實(shí)輕骨料混凝土作為混凝土的一種，研究混凝土的一些學(xué)者關(guān)于混凝土耐久性的結(jié)論可以提供一定的參考.

混凝土凍融破壞［21－23］.

混凝土化學(xué)腐蝕破壞［24－28］中，以硫酸鹽為主要破壞物質(zhì)，尤以硫酸鈉最為典型.

混凝土碳化過(guò)程中，主要影響因素有相對(duì)濕度和溫度.相對(duì)濕度為50%～70%時(shí)，碳化速率很快，而相對(duì)濕度為0%～45%和75%～100%時(shí)，碳化速率較慢.溫度高時(shí)，混凝土碳化反應(yīng)速率較快.

鋼筋銹蝕引起混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，繁永森通過(guò)理論模擬方法，淡丹輝應(yīng)用基于斷裂力學(xué)虛擬裂縫模型的非線(xiàn)性有限元方法，分別給出了確定鋼筋混凝土構(gòu)件開(kāi)裂時(shí)鋼筋銹蝕量的計(jì)算公式［29］.

2.4 配比優(yōu)化研究

很多研究者［30－31］做了大量關(guān)于自密實(shí)輕骨料混凝土配比優(yōu)化的方案，并對(duì)每一種方案下的混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)，找到了不同強(qiáng)度等級(jí)下的最佳的配比.其中比較好的配置方案有辛全倉(cāng)等人采用絕對(duì)體積法成功配制出工作性好、質(zhì)量均勻、強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C40、干表觀密度為1762kg／m3的自密實(shí)輕骨料混凝土，配置方案如表2所示.

表2 LC40SCLC最優(yōu)配合比及部分性能指標(biāo)

3 總結(jié)與展望

本文介紹了自密實(shí)混凝土研究發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其主要性能，包括物理力學(xué)性能、工作性能、耐久性能等幾個(gè)方面的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀做了闡述.可以看出自密實(shí)輕骨料混凝土 的國(guó)內(nèi)外研究雖然已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是仍有許多問(wèn)題需要作進(jìn)一步的研究工作，主要有以下幾個(gè)方面.

（1）現(xiàn)有的關(guān)于自密實(shí)輕骨料混凝土 的研究工作中，幾乎是基于實(shí)驗(yàn)室條件下或者室外自然條件比較好的情況下進(jìn)行的，但是當(dāng)外界溫度、風(fēng)力或者是濕度有較大變化的情況下，自密實(shí)輕骨料混凝土的工作性能的變化規(guī)律尚未涉及.

（2）自密實(shí)輕骨料混凝土的爆裂溫度比普通混凝土低將近100℃，關(guān)于如何防范和控制其因?yàn)闇囟雀叨鴮?dǎo)致爆裂的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外所作的研究很少，需要相關(guān)學(xué)科的與自密實(shí)輕骨料混凝土 研究的交叉配合，才能在這里解決好高溫爆裂問(wèn)題.

（3）自密實(shí)混凝土對(duì)原材料質(zhì)量波動(dòng)敏感性強(qiáng)，為了確保自密實(shí)混凝土的質(zhì)量，在這方面仍需進(jìn)一步研究.

（4）自密實(shí)輕骨料混凝土與鋼筋共同工作時(shí)的粘結(jié)性能還有待研究.

（5）關(guān)于自密實(shí)輕骨料的耐久性研究開(kāi)展還很少，這是今后一個(gè)較為重大的研究課題.

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