LC30 輕骨料混凝土工作性影響因素的研究

孫禮程，王憲國，項(xiàng)旺保，韓宇，劉成

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 433000）

0 引言

輕骨料混凝土是用輕粗骨料、輕砂( 或普通砂)、水泥和水配制成的干表觀密度≤1950kg/m3的混凝土[1]，具有質(zhì)量輕、功能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，輕骨料混凝土可減輕結(jié)構(gòu)自重的 30%～40%，降低工程造價的 10%[2,3]。輕骨料混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)將使其具有更加廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于輕骨料自身重量較輕，使得輕骨料與水泥漿體的密度差距較大，易產(chǎn)生輕骨料產(chǎn)生上浮的現(xiàn)象。配制的混凝土極易產(chǎn)生離析、分層，在泵送施工中易造成堵泵，硬化后的混凝土勻質(zhì)性不良，從而影響混凝土力學(xué)性能及耐久性能等。本文通過試驗(yàn)主要從粉煤灰摻量、砂率、增粘劑摻量這三個因素來研究其對 LC30 輕骨料混凝土工作性的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：湖北荊門葛洲壩水泥有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5 級水泥。密度為 3.14g/cm3，實(shí)測 28d 抗壓強(qiáng)度 48.1MPa。

粉煤灰：岳陽電廠Ⅰ級粉煤灰。密度為 2.47 g/cm3，細(xì)度為 6.7%，燒失量為 2.1%，需水量比為 91%。

河砂：岳陽河砂，密度為 2.57 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為 2.6，含泥量為 0.8%。

陶粒：湖北宜昌寶珠陶粒公司生產(chǎn)的 5～20mm 連續(xù)級配700 級碎石型頁巖陶粒。具體檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1。

減水劑：山西凱迪生產(chǎn)的聚羧酸系高效外加劑。固含量為 21.7%，減水率為 28.8%，摻量為膠凝材料總用量的1.2%。

增粘劑：湖北某廠生產(chǎn)的聚丙烯酰胺混凝土增粘劑（PAM）。呈白色粉末狀，推薦摻量為膠凝材料總用量的0.01%～0.05%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 確定基準(zhǔn)配合比

本試驗(yàn)以配制 LC30 等級輕骨料混凝土為參考，依據(jù)JGJ51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，結(jié)合以上原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（陶粒預(yù)先潤濕 1h），確定初始配合比，見表 2。

表 2 初始配合比 kg/m3

1.2.2 工作性測試方法

由于輕骨料的密度小于砂漿密度，在振搗作用下，輕骨料相對砂漿向上浮動，這樣會導(dǎo)致上層拌合物輕集料較多，而下半層拌合物的輕集料相對較少[4]，從而導(dǎo)致混凝土勻質(zhì)性變差，影響工作性。

本試驗(yàn)采用坍落度試驗(yàn)、分層度試驗(yàn)并目測混凝土離析、泌水情況來綜合評定混凝土工作性的好壞。其中分層度試驗(yàn)?zāi)＞邽樽灾粕?、中、下三層圓柱筒，直徑及高均為200mm，圓柱筒底部相互連通。將混凝土裝入試模后，在振動臺上振動 20s，表面用抹刀抹平。靜置 1min 后將上下兩層混凝土分別取出，用水洗除水泥砂漿，留取輕骨料顆粒稱重，并以下列公式來計(jì)算輕骨料質(zhì)量分層度。

輕骨料質(zhì)量分層度=(G上-G下)/(G上+G下)×100%

其中，G上和 G下——分別為上層及下層混凝土中大于5mm 烘干后的輕集料質(zhì)量（g）。分層度越小，則表明混凝土勻質(zhì)性越好。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粉煤灰摻量對工作性的影響

表 1 陶粒主要檢驗(yàn)指標(biāo)

粉煤灰摻量按 0%、10%、20%、30%、40% 進(jìn)行對比試驗(yàn)，粉煤灰取代水泥量按照等量取代法。通過坍落度試驗(yàn)、分層度試驗(yàn)并目測混凝土離析、泌水情況來綜合評定混凝土工作性的好壞，并留取一組試塊觀測其 28d 強(qiáng)度情況。由于粉煤灰顆粒形狀對混凝土起到的形態(tài)效應(yīng)，在混凝土中摻入少量Ⅰ級粉煤灰可以起到減水效果[5]。因此在此對比試驗(yàn)中的用水量，在混凝土不離析、不泌水的前提下進(jìn)行適當(dāng)增減。具體試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表 3、表 4 所示。

表 3 不同粉煤灰摻量的試驗(yàn)配合比 kg/m3

表 4 不同粉煤灰摻量對混凝土工作性影響試驗(yàn)結(jié)果

由表 4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及目測混凝土外觀結(jié)果表明，粉煤灰摻量在 0%～20% 時，混凝土坍落度、擴(kuò)展度及輕骨料質(zhì)量分層度均有較大的改觀，且由于粉煤灰的減少，用水量有所減少，28d 抗壓強(qiáng)度與不摻粉煤灰時未有明顯變化；當(dāng)粉煤灰摻量從 20% 提高到 40% 時，混凝土流動性更大，表面泛灰嚴(yán)重，混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度也有了較大幅度的降低。因此，在保證 LC30 混凝土強(qiáng)度的前提下，當(dāng)粉煤灰在 20%～30% 時為最佳摻量。

2.2 砂率對混凝土工作性的影響

由于輕骨料與普通砂的表觀密度差別較大，因此輕骨料混凝土的砂率應(yīng)為體積砂率，體積砂率即為細(xì)骨料體積與骨料總體積之比。根據(jù) JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，輕骨料混凝土體積砂率應(yīng)為 35%～45%。當(dāng)砂率較小時，砂的填充作用是主要的，增加砂的含量，集料的比表面積增加不大。因此，隨著砂率的增大，水泥漿膜層增厚，新拌混凝土的流動性提高，當(dāng)砂率過大時，砂的填充作用喪失，集料的空隙率反而隨著砂率的增加而增加，同時，砂的增加使集料的表面積增加。由于這兩個作用，砂率的增加使得水泥漿膜層變薄，新拌混凝土的流動性降低[6]。因此，砂率也是影響輕骨料混凝土工作性的一個重要因素。試驗(yàn)按粉煤灰摻量為 20% 時的配合比為基準(zhǔn)配合比，體積砂率按30%、35%、40%、45%、50% 五個變量進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所示。

由表 5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及目測混凝土外觀結(jié)果表明，砂率從30% 增大到 40% 時，混凝土離析、泌水及石子裸露現(xiàn)象有明顯改善，坍落度及擴(kuò)展度也有較大提高。由于砂率的提高使水泥漿體粘度增大，因此砂率從 30% 增大到 40% 時，分層度有所降低。砂率從 40% 增大到 50% 時，砂率過大，導(dǎo)致混凝土干縮性增大，因此擴(kuò)展度明顯降低。砂率過大，粗骨料在混凝土中的骨架作用有所降低，因此混凝土抗壓強(qiáng)度也有了明顯降低。綜合以上幾個因素，此輕骨料混凝土的最佳砂率為 40%。

表 5 砂率對輕骨料混凝土工作性影響試驗(yàn)結(jié)果

2.3 增粘劑對輕骨料混凝土工作性的影響

增粘劑是一種長鏈的高分子表面活性劑，加入后可增加新拌混凝土的粘度。由于增粘劑能與拌合物中的極性水分子吸附在親水基團(tuán)上，使水泥顆粒周圍的溶劑化膜顯著增厚，增大了水泥顆粒的滑動能力，從而改善混凝土流動性。且增粘劑可減緩水泥水化速度，使水泥顆粒周圍溶液中的水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物的分布更加均勻，有利于水泥顆粒充分水化。但增粘劑摻量過大，混凝土長時間不凝結(jié)硬化，會造成內(nèi)部水分過量蒸發(fā)和散失，使水泥水化過緩甚至停止，水化程度低，從而影響混凝土力學(xué)性能[7]。試驗(yàn)以粉煤灰摻量為 20%、砂率為 40% 時的配合比為基準(zhǔn)配合比，增粘劑摻量按膠凝材料總量的 0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05% 進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表 6 所示。

表 6 不同增粘劑摻量對混凝土工作性影響試驗(yàn)結(jié)果

表 6 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著增粘劑摻量的增大，混凝土勻質(zhì)性有了明顯改善，坍落度及擴(kuò)展度均有所提高，分層度明顯降低。主要原因是由于增粘劑與混凝土中極性水分子結(jié)合并依附在親水基團(tuán)上，使水泥漿體顯著增厚，增加了混凝土粘度，增大了水泥顆粒的滑動能力，從而改善了混凝土的工作性能。但當(dāng)增粘劑摻量從 0.03% 提高到 0.05% 時，混凝土28d 抗壓強(qiáng)度有了明顯降低，甚至低于不摻增粘劑時的強(qiáng)度。引起這種現(xiàn)象的主要原因是增粘劑可減緩水泥水化反應(yīng)，增粘劑中大量極性基團(tuán)的摻入，使水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，阻止水泥顆粒與水直接接觸，從而阻礙水化反應(yīng)的進(jìn)行。從試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮，當(dāng)增粘劑摻量為膠凝材料總用量的 0.02%～0.03% 時為最佳摻量。

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)研究的 LC30 輕骨料混凝土的最佳配合比設(shè)計(jì)參數(shù)為：膠凝材料總用量為 400kg/m3；粉煤灰摻量為20%～30%；體積砂率為 40%；增粘劑摻量 0.02%～0.03%。

（2）輕骨料混凝土中摻入粉煤灰等密度較小的礦物摻合料可有效改善混凝土勻質(zhì)性及工作性。

（3）適當(dāng)?shù)捏w積砂率對輕骨料混凝土工作性起著關(guān)鍵性作用。

（4）在輕骨料混凝土中摻入適當(dāng)?shù)脑稣硠ū驹囼?yàn)為0.02%～0.03%），既可大大改善輕骨料混凝土勻質(zhì)性及大流動性，又可輕微提高混凝土的力學(xué)性能。

[1] JGJ51-2002.輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 范金生.國外人造輕骨料生產(chǎn)工藝及發(fā)展趨勢[J].吉林建筑，1996(2): 2-5.

[3] 中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所.輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用文集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981.

[4] 李進(jìn)輝，李北斗等.LC50 大流動性高性能輕集料混凝土勻質(zhì)性影響因素的研究[J]..混凝土，2007,7: 65-68.

[5] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[6] 張承志.商品混凝土[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[7] 王振軍，何廷樹.增粘劑對大流動性輕骨料混凝土性能影響研究[J].公路，2008,3: 168-172.