輕集料混凝土配合比及其影響因素研究進(jìn)展

王佳敏，張凱峰，路飛，王曉峰，陳良

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710063）

在各種類型的混凝土中，輕集料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)及良好的保溫隔熱性能和抗震性等特點(diǎn)，越來越多的研究者開始著重研究其配合比和其在工程上的特性[1,2]。美國和日本是世界上研究輕集料混凝土較早的國家，生產(chǎn)的輕集料強(qiáng)度高、密度小、質(zhì)量較好且具有低吸水率[3-5]。國內(nèi)輕集料混凝土起步較晚，雖發(fā)展較快，也成功將輕集料混凝土應(yīng)用于超高層建筑和橋梁中，但研究不夠全面[6]。因此開展輕集料混凝土配合比和其高強(qiáng)泵送的研究，對提高輕集料混凝土在土木工程中的廣泛應(yīng)用具有重要的意義[7]。

1 輕集料混凝土的配合比

輕集料混凝土以其優(yōu)異的性能逐漸被應(yīng)用于超高層建筑中，然而由于輕集料本身的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其配制較普通混凝土困難。只有充分考慮不同顆粒間的相互作用、不同尺寸范圍孔隙間的填充方法、混凝土界面和過渡區(qū)的相互作用，繼而建立起多尺寸范圍顆粒堆積體的科學(xué)模型和分析方法后，才能真正用于輕集料混凝土的配合比設(shè)計和孔結(jié)構(gòu)分析。

胡曙光[8]、王發(fā)洲[9]等人總結(jié)了兩種輕集料混凝土配合比的設(shè)計方法——絕對體積法和松散體積法。松散堆積體積法通過標(biāo)準(zhǔn)中提供的粗、細(xì)集料總的松散堆積體積參考值來確定集料的用量；而絕對體積法則是利用混凝土的體積減去水泥漿所占體積后，結(jié)合所選擇的砂率計算出粗、細(xì)集料的體積用量。這兩種方法的重點(diǎn)只是關(guān)心水泥的用量和水灰比的研究，無法判斷輕粗集料的多項(xiàng)性能指標(biāo)對輕集料混凝土強(qiáng)度是否有影響，無法判斷配合比的砂率是否合理，且設(shè)計方法參數(shù)較多，不易被掌握。

輕粗集料的用量及自身性能是影響輕集料混凝土的重要因素之一。崔寧[10]等人在總結(jié)絕對體積法和松散體積法的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出富余填充配合比設(shè)計理論。根據(jù)輕集料自身的性能指標(biāo)，通過調(diào)整輕集料的用量控制混凝土的強(qiáng)度。他們在混凝土中砂漿密度配合比的基礎(chǔ)之上，用砂漿的影響合理替代砂率、水泥用量以及水灰比對輕集料混凝土性能的影響。結(jié)果表明：富余填充配合比設(shè)計方法是可行和更易掌握的，它更能反映出輕集料性能、用量等的變化對輕集料混凝土性能的影響，并且為研究輕集料中各種原材料的變化對輕集料混凝土性能的影響提供了便利的途徑以及理論依據(jù)。但是，這種方法沒有全面考慮砂漿的顆粒尺寸。

為了更進(jìn)一步研究其配合比，綜合考慮了不同顆粒間的相互作用，不同尺寸范圍孔隙間的填充方法后，顧馨允[11]等人采用 PFC3D 軟件模擬顆粒堆積體，計算其孔隙率。結(jié)果表明：具有相對低的孔隙率一般為符合Fuller 粒徑分布曲線的顆粒堆積體，且顆粒的形狀對堆積體系的孔隙率有很大的影響。

2 輕集料配合比的影響因素

2.1 礦物摻合料

隨著技術(shù)的發(fā)展，水泥熟料在輕集料混凝土中所占的平均百分比從 2003 年的 85% 下降 2010 年的 77%，預(yù)計未來將進(jìn)一步降至 71%[12]，現(xiàn)代混凝土已經(jīng)不再單獨(dú)使用硅酸鹽水泥，而是將硅酸鹽水泥和多種礦物摻合料復(fù)合在一起組成復(fù)合膠凝材料。在美國，目前有超過60% 的預(yù)拌混合物含有膠凝材料[13]。在國內(nèi)，以磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高嶺土等為原料，經(jīng)激發(fā)劑激發(fā)形成的膠凝材料不僅可以改善混凝土的強(qiáng)度、耐久性和抗?jié)B性，同時還可以降低混凝土的成本，節(jié)約能源，改善環(huán)境，并可預(yù)防鋼筋銹蝕和堿—骨料反應(yīng)[14-18]。

礦物摻合料的反應(yīng)活性直接影響了混凝土的強(qiáng)度、力學(xué)性能和耐久性能。馬驍[19]等人通過對比礦渣、高嶺土、粉煤灰的活性，發(fā)現(xiàn)礦渣被激發(fā)后的活性最強(qiáng)，高嶺土其次，粉煤灰的活性最低。在水泥—粉煤灰體系中，水泥本身的膠結(jié)能力和粉煤灰的活化生成的膠凝性水化產(chǎn)物會提高輕集料混凝土的強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)V物摻合料的含量過大時，因?yàn)閾饺氲牡V粉密度大于水泥的密度，使得混凝土的密度增大，性能降低。張亞濤[20]發(fā)現(xiàn)砂漿和混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量增大，出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，在粉煤灰摻量20% 時具有最大抗壓強(qiáng)度。張樹忠[17]等人將礦物摻合料硅灰和陶粒添加入輕集料混凝土中，在增大混凝土強(qiáng)度的同時，小密度的硅灰會代替部分水泥來減輕輕集料混凝土的密度，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的效果，且具有優(yōu)異的保溫性能。錢慧麗[21]、張旭賢[22]和王彥君[23]等人將粉煤灰加入到輕集料混凝土中，發(fā)現(xiàn)由于粉煤灰良好的潤滑作用，填充骨料間的間隙，同時改變輕集料混凝土的坍落度、可塑性和粘聚性。

此外，Juenger[24]也從氯離子滲透性、硫酸鹽腐蝕等方面總結(jié)了近年來有關(guān)偏高嶺土、粉煤灰、礦渣、稻殼灰等礦物摻合料對混凝土耐久性的影響?？諝庵写嬖诘牧蛩岣x子和氯離子會侵蝕混凝土，大大降低混凝土使用的安全性。在硫酸根離子和氯離子共同侵蝕輕集料混凝土?xí)r，硫酸鹽和氯鹽的存在對輕集料混凝土侵蝕破壞會相互影響[25]。

2.2 外加劑的影響

輕集料混凝土的外加劑對其性能的改進(jìn)有著非常重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，合理的外加劑加入，可以大大改善混凝土性能，提高效率，節(jié)約資源[26]。

劉登宇[27]等人證明，加入的減水劑可以大大提高混凝土的流動性，進(jìn)而改善輕集料混凝土的泵送性能。

Kim[28]等人在已有的減水劑的基礎(chǔ)上，將物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑加入輕集料混凝土的拌合物中，制備出的輕集料混凝土具有優(yōu)異的特性，包括非常高的可加工性、低密度和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。與傳統(tǒng)的輕骨料混凝土相比，這種材料具有更高的強(qiáng)度和隔熱性。肖力光[29]等人發(fā)現(xiàn)摻入適量的泡沫劑可以使火山渣輕集料混凝土的和易性得到改善，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度升高；當(dāng)摻入0.1‰ 的泡沫劑時，輕集料混凝土的抗?jié)B性和抗凍性變好，吸水率下降。

2.3 體積砂率的影響

在配合比一定的條件下，砂率的變動會影響混凝土的工程性，對其強(qiáng)度也有一定的影響，且目前專門研究砂率的文獻(xiàn)很少。

時建剛[30]等人研究發(fā)現(xiàn)如果要保持輕集料混凝土的流動性和勻質(zhì)性，輕集料混凝土的體積砂率應(yīng)為 40%左右。張明聚[31]等人研究證明當(dāng)體積砂率為 47% 時，可制備出具有輕質(zhì)、微膨脹和自密實(shí)性能的高強(qiáng)填充輕集料混凝土。

2.4 筒壓強(qiáng)度的影響

筒壓強(qiáng)度是反應(yīng)輕集料力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。與同等強(qiáng)度的普通混凝土相比，輕集料混凝土雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但較高的脆性和較低的機(jī)械性能使其無法在建筑工業(yè)中廣泛使用，這嚴(yán)重制約了高強(qiáng)輕集料混凝土的進(jìn)一步發(fā)展。研究表明，在輕集料中添加纖維可以適當(dāng)?shù)慕鉀Q這些問題[32]。

據(jù)報道混凝土中鋼纖維摻量從 1% 增加到 1.5%時，可將抗拉強(qiáng)度提高至 100%，抗彎強(qiáng)度從 100% 提高至 150%～200%，抗壓強(qiáng)度從 10% 增加至 25%。纖維在混凝土中引起均勻的應(yīng)力分布，從而更好地利用高強(qiáng)度基體。此外，添加鋼纖維可提高沖擊強(qiáng)度和韌性，并將混凝土從脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦哐诱剐缘牟牧蟍33,34]。

劉增晨[35]等人發(fā)現(xiàn)在輕集料混凝土里摻加一定量的聚丙烯纖維和橡膠微?？梢杂行У亟档洼p集料混凝土的脆性，提高混凝土的韌性。一般條件下輕集料混凝土的密度也與其強(qiáng)度相關(guān)，一般輕集料混凝土的堆積密度越高，其強(qiáng)度也就越大。胡忠楠[36]等人發(fā)現(xiàn)加入的聚丙烯纖維摻量達(dá)到 1.2kg/m3后，可顯著改善次輕混凝土的干燥收縮和吸水率，同時聚丙烯纖維對輕集料混凝土的強(qiáng)度具有顯著的效果。

3 輕集料混凝土配合比的調(diào)整及泵送施工中工藝的控制

因輕集料混凝土自重輕，常常用來以減輕高層、超高層、大跨度建筑的自重。在調(diào)配輕集料混凝土及在泵送施工的過程中，應(yīng)注意以下問題：

（1）控制輕集料混凝土的配合比，嚴(yán)格控制水的含量，同時應(yīng)對砂的含水率進(jìn)行準(zhǔn)確測定。一般在水泥強(qiáng)度確定的條件下，輕集料混凝土的水灰比越小，其強(qiáng)度越高。同時應(yīng)大力提倡固體廢棄物的再利用，將石材尾礦、建筑垃圾應(yīng)用到輕骨料混凝土中，有效地緩解環(huán)境壓力。如專利 CN109053109A 提供一種高強(qiáng)輕骨料混凝土的制備方法，將石材尾礦、建筑垃圾、城市污泥和陶瓷廢渣添加到凝膠材料和骨料中，在大大改善混凝土的力學(xué)性能和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，為固態(tài)廢棄物再利用提供了新途徑[37]。

（2）應(yīng)對輕粗集料配合比的各種含量準(zhǔn)確計量。施工開始后應(yīng)嚴(yán)格控制物料比例與加料順序，注意外加劑必須與水泥或粉煤灰同時加入，減水劑的摻入必須嚴(yán)格控制。

（3）正常泵送時，必須保證混凝土澆筑施工的連續(xù)性，設(shè)計合理的施工工序，防止因施工時間過長引起的堵泵。如專利 CN105888254A 提供一種輕集料混凝土高層泵送施工方法，在根據(jù)設(shè)計要求配制好輕集料混凝土后，采用兩種不同的泵車進(jìn)行兩種不同規(guī)格的輕集料混凝土的泵送施工，從而完成整個高層建筑的輕集料混凝土的泵送施工[38]。

4 展望

輕集料混凝土作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑材料，在現(xiàn)代的超高層、大跨度建筑中起著不可忽視的重要作用。以往的研究者主要集中在輕集料混凝土配合比設(shè)計方面，缺乏輕集料及輕集料混凝土性能系統(tǒng)的研究。因此，應(yīng)加強(qiáng)對輕集料混凝土以下方面的研究與探討：首先，對配合比影響因素研究，尤其是對混凝土抗硫酸根離子侵蝕、抗氯離子侵蝕的方法等方面的研究。再者，對泵送輕集料混凝土不同時間段及其泵送中隨高度變化其性能變化的研究。第三，應(yīng)加強(qiáng)輕集料混凝土泵送外加劑的研究。第四，應(yīng)大大提高固體廢棄物的再利用，石材尾礦、合金尾礦、建筑垃圾、城市污泥合理的加入，不僅提高環(huán)保效率，也使得超高層泵送輕集料混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景。