自制輕骨料制備超高性能輕質(zhì)混凝土的試驗(yàn)研究

陳 敬 李 城 石從黎

（重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122）

0 引言

輕質(zhì)高強(qiáng)化一直是混凝土發(fā)展及研究的重要方向，輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土在降低工程自身荷載方面具有重要作用[1-2]。目前，采用陶粒陶砂作為輕質(zhì)骨料降低混凝土密度的措施較為成熟和普遍，由于陶?；炷两?jīng)濟(jì)性良好，是應(yīng)用最為廣泛的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土；然而，采用陶粒制備輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土也存在一定的局限性：陶粒的筒壓強(qiáng)度有限，通常在10MPa 以內(nèi)，所配制的混凝土強(qiáng)度有限；陶粒內(nèi)部有害孔隙缺陷普遍，從而影響混凝土的力學(xué)性能；陶粒密度相對(duì)固定，在配制不同密度等級(jí)混凝土?xí)r存在與基體協(xié)調(diào)性的問(wèn)題，陶粒上浮會(huì)影響混凝土的勻質(zhì)性，很難實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)體系的勻質(zhì)化要求[3]。

基于陶?；炷恋木窒扌?，本文結(jié)合超高性能混凝土（簡(jiǎn)稱UHPC）的設(shè)計(jì)思路，采用玻璃微珠作為輕質(zhì)材料，通過(guò)纖維增強(qiáng)，并利用自制輕骨料“兩步成型法”降低混凝土成型的膠凝材料用量，將體系有害缺陷降至最低，可制備出1800密度等級(jí)、120MPa 以上超高抗壓強(qiáng)度的輕質(zhì)混凝土。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)選用的原材料及其主要性能見(jiàn)表1。

表1 材料及主要技術(shù)性能

1.2 設(shè)計(jì)思路

1）混凝土內(nèi)部缺陷控制

（1）采用兩步成型法，第一步自制輕質(zhì)骨料，第二步混凝土成型，與一次成型法相比，大幅降低水泥用量，減少混凝土內(nèi)部的溫度裂縫缺陷。

（2）選用級(jí)配合理的膠凝材料組合及細(xì)骨料，促使膠凝體系更加致密，同時(shí)控制粗骨料的最大粒徑，減小界面區(qū)域?qū)?qiáng)度的不利影響。

（3）采用玻璃微珠取代陶粒多孔材料，降低有害孔缺陷的影響。

（4）采用超高減水率減水劑，最大程度降低水膠比，同時(shí)添加消泡組分，降低混凝土內(nèi)部孔隙缺陷。

2）骨料與基體協(xié)同性控制

采用與混凝土密度等級(jí)相同的輕質(zhì)砂漿制備骨料，避免骨料與基體密度差異導(dǎo)致骨料上浮，提高混凝土勻質(zhì)性，提高界面粘結(jié)性能。

3）纖維增強(qiáng)

研究表明[4]，UHPC 的抗壓強(qiáng)度受纖維摻量、類型和形狀的影響，纖維在混凝土中三維亂向分布形成纖維網(wǎng)骨架，橋接可能出現(xiàn)微裂縫的部位，限制微裂縫的發(fā)展和宏觀裂縫的形成。非金屬纖維由于其變形能力強(qiáng)，對(duì)微裂縫的抑制效果不明顯，但對(duì)較大裂縫能起到很好的限制作用；而鋼纖維由于其變形能力弱且與基體間存在很高的機(jī)械咬合力，能有效抑制微裂縫的延展[5]。本文通過(guò)鋼纖維和高強(qiáng)非金屬纖維的混雜，形成更完善的纖維增強(qiáng)體系，從而提高混凝土的力學(xué)性能。

4）養(yǎng)護(hù)增強(qiáng)

對(duì)于水膠比低于0.20 的混凝土，在傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)條件下內(nèi)部水泥顆粒水化并不充分，需進(jìn)行特殊養(yǎng)護(hù)。其中，熱水養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)等熱養(yǎng)護(hù)措施是超高性能混凝土強(qiáng)度提升的重要手段[6-7]。本文采用高溫組合養(yǎng)護(hù)的方式對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土作進(jìn)一步增強(qiáng)。

1.3 試驗(yàn)方法

1）粗骨料制備

采用52.5 水泥、硅灰和Ⅰ級(jí)粉煤灰作為膠凝材料，首先通過(guò)試驗(yàn)確定膠凝材料各組分的最優(yōu)比例，然后以石英砂為骨料進(jìn)行漿骨體積比試驗(yàn)，確定最優(yōu)漿骨體積比，最后以玻璃微珠作為輕質(zhì)材料替代部分石英砂降低砂漿基體密度，并調(diào)整密度至相應(yīng)混凝土密度。按調(diào)整好的配合比制備砂漿，采用VDF-1200 型制丸機(jī)進(jìn)行骨料成型，制備圓球形顆粒，調(diào)整下料速度控制骨料粒徑為5～10mm。骨料成型后，在成型室環(huán)境下放置1d，然后置于20℃水中養(yǎng)護(hù)7d，最后放置在95℃熱水中養(yǎng)護(hù)2d，取出放置在空氣中自然冷卻，備用。本文以1800 為目標(biāo)密度等級(jí)，圖1所示即為自制粗骨料，自制骨料的配合比和性能分別見(jiàn)表2，表3。

表2 自制粗骨料配合比

表3 自制粗骨料技術(shù)性能

2）成型與試驗(yàn)

UHPC 的成型過(guò)程中，易產(chǎn)生細(xì)鋼纖維團(tuán)聚不易分散的情形，本文經(jīng)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整攪拌制度，能較大程度改善細(xì)鋼纖維的團(tuán)聚。具體攪拌制度為：投入水泥、硅灰、微珠、自制骨料、石英砂、PVA 纖維→攪拌1min→加水和減水劑→攪拌5min，至拌合物具有一定流動(dòng)性→保持?jǐn)嚢铏C(jī)運(yùn)行，同時(shí)均勻投入鋼纖維→繼續(xù)攪拌3min，至鋼纖維分散均勻。攪拌完成后，采用尺寸為100×100×100mm 試模成型抗壓強(qiáng)度試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 配合比參數(shù)試驗(yàn)

1）膠凝體系材料比例

采用水泥、硅灰（S）和粉煤灰（F）組成膠凝體系，通過(guò)膠砂試驗(yàn)確定材料最佳用量，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。可以看出，膠砂抗壓強(qiáng)度受水泥用量影響較大，隨水泥用量的增加而升高；水泥用量一定時(shí)，硅灰與粉煤灰的比例對(duì)膠砂強(qiáng)度呈規(guī)律性影響，即硅灰比例越高，強(qiáng)度越高，當(dāng)水泥用量為60%時(shí)，S：F 為1:1 時(shí)強(qiáng)度相對(duì)較高。綜合考慮粉煤灰的二次水化反應(yīng)，以及水泥用量越大內(nèi)部缺陷風(fēng)險(xiǎn)越高的因素，本文最終采用了水泥用量60%，S：F 為1:1 的膠凝體系。

圖2 不同膠凝材料比例的膠砂抗壓強(qiáng)度

2）漿體骨料體積比

UHPC 通常由漿體、石英砂骨料及一定體積的纖維組成。漿體與骨料的體積比對(duì)UHPC 的強(qiáng)度有較大影響，本文在固定膠凝材料用量和水膠比的情況下使?jié){體體積保持不變，不摻纖維，通過(guò)改變石英砂用量調(diào)整漿骨比在1.00～2.00 范圍，探索漿骨比對(duì)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3?？梢钥闯觯炷恋目箟簭?qiáng)度隨漿骨比的增加呈先增后減的趨勢(shì)，漿骨比為1.50～1.75 時(shí)相對(duì)較高。

圖3 漿骨比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

3）纖維種類與摻量

表4所示為纖維種類及摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。其中，為比較兩種規(guī)格的鋼纖維對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的影響，保持鋼纖維體積摻量為2%，改變兩種鋼纖維的比例，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響如圖4；可以看出，UHPC 的28d 抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維2 摻量的增加逐漸升高，隨鋼纖維1 摻量的增加則逐漸降低，表明當(dāng)鋼纖維摻量在某個(gè)范圍并保持一定時(shí)，鋼纖維2 對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更明顯。本文選擇了四種非金屬纖維與鋼纖維2 進(jìn)行了纖維混合增強(qiáng)對(duì)比試驗(yàn)，非金屬纖維與鋼纖維的體積摻量分別為1.0%和2.5%，試驗(yàn)結(jié)果如圖5，可以看出，UHPC抗壓強(qiáng)度由高到低依次為PVA 纖維、碳纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維，除PVA纖維試驗(yàn)組較基準(zhǔn)組的強(qiáng)度高以外，其余三種纖維的UHPC 均較基準(zhǔn)組強(qiáng)度低，玄武巖纖維試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度降低高達(dá)9.8%，鑒于此，本文選擇PVA 纖維進(jìn)行纖維混雜增強(qiáng)。圖6為摻1.0%PVA 纖維后UHPC 強(qiáng)度受鋼纖維2 摻量變化的影響，可以看出，UHPC 的抗壓強(qiáng)度呈先增后減趨勢(shì)，在鋼纖維2 摻量為4%時(shí)達(dá)到最高，過(guò)量的鋼纖維因易發(fā)生團(tuán)聚而無(wú)法充分發(fā)揮增強(qiáng)效果。

表4 纖維種類及摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 摻量2%時(shí)，兩種鋼纖維比例對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 幾種非金屬纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 鋼纖維2 摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 超高性能輕質(zhì)混凝土

1）表觀密度調(diào)整

采用玻璃微珠作為輕質(zhì)材料對(duì)UHPC 進(jìn)行表觀密度調(diào)整，本文以1800 作為目標(biāo)密度等級(jí)，確定配合比如表5。

表5 1800 級(jí)超高性能輕質(zhì)混凝土基體配合比

2）自制粗骨料用量

采用表3中自制粗骨料進(jìn)行第二步混凝土成型，粗骨料用量為體積用量，由于粗骨料為等體積替代，因此基體材料的實(shí)際用量等比例減小，表6所示為粗骨料用量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，可以看出，與未加粗骨料的基體強(qiáng)度相比，粗骨料的加入使混凝土的強(qiáng)度有所降低，最高降幅為7.6%，在20%～40%區(qū)間，混凝土強(qiáng)度隨粗骨料用量的增加而升高，當(dāng)粗骨料用量為50%時(shí)，混凝土強(qiáng)度有所下降。

表6 自制粗骨料用量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3）養(yǎng)護(hù)制度對(duì)性能的影響

表7所示為本文采用的幾種養(yǎng)護(hù)方式，討論幾種高溫組合養(yǎng)護(hù)制度對(duì)混凝土性能的影響，養(yǎng)護(hù)制度及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。從圖7還可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)的逐步遞進(jìn)，混凝土強(qiáng)度呈階梯增長(zhǎng)。本文經(jīng)熱水、蒸壓和干熱組合高溫養(yǎng)護(hù)后的混凝土強(qiáng)度提升較56d 標(biāo)養(yǎng)達(dá)33～46%，混凝土抗壓強(qiáng)度最高達(dá)130.7MPa，表明高溫、加壓養(yǎng)護(hù)制度是UHPC 獲得高強(qiáng)高性能的重要手段。

混凝土的表觀密度隨熱養(yǎng)護(hù)方式的逐步遞進(jìn)有降低的趨勢(shì)，如圖8，在進(jìn)行干熱養(yǎng)護(hù)前，表觀密度降低相對(duì)較小，降低最多不超過(guò)1.6%，說(shuō)明在混凝土外部水分充足條件下，混凝土表觀密度能保持相對(duì)穩(wěn)定，但經(jīng)干熱養(yǎng)護(hù)后，混凝土失水及脫水明顯，表觀密度降至1700kg/m3 以下，降幅均超過(guò)8.0%。此外，隨著養(yǎng)護(hù)方式的逐步遞進(jìn)，混凝土的比強(qiáng)度逐漸升高，如圖9所示。

表7 養(yǎng)護(hù)方式與標(biāo)記

表8 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)混凝土性能的影響

圖7 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖8 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)混凝土表觀密度的影響

圖9 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)混凝土比強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

結(jié)合超高性能混凝土的設(shè)計(jì)思路，以玻璃微珠作為輕質(zhì)材料，配合高強(qiáng)水泥、硅灰、優(yōu)質(zhì)粉煤灰和石英砂，采用0.15 超低水膠比，通過(guò)95℃熱水養(yǎng)護(hù)，制備出表觀密度1790kg/m3 、筒壓強(qiáng)度達(dá)24.4MPa 的圓球形高強(qiáng)輕質(zhì)骨料。利用自制骨料，采用“兩步成型法”，并采取內(nèi)部缺陷控制、骨料與基體協(xié)同性控制、纖維增強(qiáng)和養(yǎng)護(hù)增強(qiáng)的手段，制備出濕表觀密度1800 級(jí)、最高抗壓強(qiáng)度達(dá)130.7MPa 的超高性能輕質(zhì)混凝土，可為超高性能輕質(zhì)混凝土的研究提供參考。