LC60級(jí)高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土配制技術(shù)

李書明 曾志 劉競(jìng) 謝永江 鄭新國(guó)

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

輕骨料混凝土是一種由輕粗骨料、輕砂或普通砂、水泥和水配制而成的混凝土。通常稱濕表觀密度小于1 950 kg/m3且28 d 抗壓強(qiáng)度大于40 MPa 混凝土為高強(qiáng)輕骨料混凝土［1］。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫、耐火抗凍等優(yōu)點(diǎn)，可減輕結(jié)構(gòu)自重、減小基礎(chǔ)荷載幾何尺寸，表現(xiàn)出良好的抗震性能［2］，其已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)大跨橋梁、高層建筑中應(yīng)用［3-4］。

國(guó)內(nèi)關(guān)于輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用較多，且主要集中在 LC40 級(jí)及以下［5］，對(duì)于 LC60 級(jí)及以上的高強(qiáng)度自密實(shí)輕骨料混凝土的研究相對(duì)較少。隨著我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)的發(fā)展，在復(fù)雜環(huán)境下修建大跨橋梁、高層建筑等結(jié)構(gòu)已在所難免，如穿越艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)的川藏鐵路，根據(jù)地形地勢(shì)的需要部分工程不得不采用大跨橋梁。高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土要求同時(shí)具有高強(qiáng)度和低密度，但是通常輕骨料混凝土密度越低，強(qiáng)度也越低［6～7］。另外，高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土還要求具有較高的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，但是輕骨料混凝土流動(dòng)性越大，輕骨料上浮的風(fēng)險(xiǎn)越大，穩(wěn)定性越差，因此需要協(xié)調(diào)各項(xiàng)配制參數(shù)才能確保各種性能同時(shí)滿足要求。

通常輕骨料混凝土的強(qiáng)度與輕骨料密度有關(guān)，采用低密度的輕骨料配制高強(qiáng)度的輕骨料混凝土是技術(shù)人員追求的目標(biāo)。本文以濕表觀密度為1 900 kg/m3的LC60 級(jí)輕骨料混凝土為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別選用堆積密度為500，600，700，800 kg/m3的頁巖陶粒作為輕骨料，通過調(diào)整水膠比控制漿體強(qiáng)度，預(yù)濕骨料確?；炷凉ぷ餍阅埽砑痈叻肿釉龀韯┰黾虞p骨料的穩(wěn)定性，配制出LC60 級(jí)高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土，并觀察輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)試其界面過渡區(qū)的顯微硬度。以期研究成果能為高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)所用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的主要性能參數(shù)見表1。粗骨料為頁巖陶粒和碎石，陶粒和碎石粒徑均為5～20 mm 連續(xù)級(jí)配，粗骨料主要性能參數(shù)見表2。細(xì)骨料為天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5。減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為29%。高分子增稠劑為多糖類。礦物摻和料為超細(xì)礦粉和硅灰，其主要性能參數(shù)見表3。

根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》按照松散體積法配制濕表觀密度為1 900 kg/m3的輕骨料混凝土。通過調(diào)節(jié)陶粒與碎石含量配制出4種相同濕表觀密度的混凝土。通過調(diào)整減水劑含量控制混凝土的坍落擴(kuò)展度，擴(kuò)展度控制在600～650 mm，混凝土含氣量為3.0%～4.0%。輕骨料混凝土的配合比見表4。

表1 水泥主要性能參數(shù)

表2 粗骨料主要性能參數(shù)

表3 礦物摻和料主要性能參數(shù)

表4 輕骨料混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗(yàn)方法

1）攪拌工藝

粗骨料未預(yù)濕時(shí)攪拌工藝為：將干粗骨料、細(xì)砂、摻和料、1/2用量的水加入攪拌機(jī)中拌和1 min，再將水泥、減水劑、剩余水加入攪拌機(jī)中拌和2 min后出機(jī)。

粗骨料預(yù)濕時(shí)攪拌工藝為：先將陶粒浸水預(yù)濕，稱取浸水前后的重量，再將預(yù)濕粗骨料與細(xì)砂、摻和料一起加入攪拌機(jī)中拌和30 s，最后將水泥、減水劑、剩余水加入攪拌機(jī)中拌和2.5 min后出機(jī)。

2）工作性能測(cè)試

坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)障礙高度、輕骨料上浮率按照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測(cè)試；L型儀充填比按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土》測(cè)試；流變性能采用Brookfield公司生產(chǎn)的RS-SST型砂漿流變儀測(cè)試。

3）力學(xué)性能測(cè)試

輕骨料混凝土成型之后，在溫度（20±2）℃，濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)至3，7，28，56 d時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試?？箟簭?qiáng)度和彈性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。

4）顯微硬度

待試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)取出，用切割機(jī)切割成60 mm（長(zhǎng)）×60 mm（寬）×30 mm（高）的試樣，然后采用PG-2A型拋光機(jī)拋光，接著用1.5 W 金剛石噴霧拋光劑將試樣表面打磨平整，采用上海研潤(rùn)科技公司生產(chǎn)的HMAS-D1000 維氏顯微硬度儀測(cè)試試樣的顯微硬度，見圖1。

圖1 顯微硬度測(cè)試

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輕骨料混凝土力學(xué)性能

1）陶粒的堆積密度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

不同堆積密度的陶粒配制出的不同配合比輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度及破壞形式見圖2。

圖2 不同配合比輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度及破壞形式

由圖2可以看出：①隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，各配合比輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸增加，28 d 之后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。②不同堆積密度陶粒配制出的相同密度輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度存在較大差異。當(dāng)陶粒堆積密度較小時(shí)，輕骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度略高，但后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢；隨著陶粒堆積密度的增加，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度早期雖有降低，但后期增長(zhǎng)較快；當(dāng)齡期超過28 d 后，隨著陶粒堆積密度的增加，相同齡期輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)陶粒堆積密度為800 kg/m3時(shí)，輕骨料混凝土56 d 抗壓強(qiáng)度高于65 MPa，達(dá)到LC60 級(jí)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度要求。這是因?yàn)槎逊e密度越大的陶粒，其筒壓強(qiáng)度越高，造成輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨陶粒堆積密度增大而增大。③輕骨料混凝土破壞界面均穿越陶粒，這說明輕骨料混凝土中陶粒處是混凝土的薄弱部位，輕骨料混凝土破壞最先從此處發(fā)生。

不同配合比輕骨料混凝土的彈性模量見表5?？梢钥闯觯S著陶粒堆積密度的提高，輕骨料混凝土彈性模量有所增加。通常C60 普通混凝土彈性模量在38 GPa 左右［8］。與相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土相比，輕骨料混凝土彈性模量有所降低。因此在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用輕骨料混凝土?xí)r，須考慮彈性模量降低對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。

表5 輕骨料混凝土彈性模量

綜合考慮輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，LC60級(jí)輕骨料混凝土宜選用800LC配方。

2）水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

在輕骨料混凝土配制中，除輕骨料外水膠比也是影響其強(qiáng)度的重要參數(shù)。選用800LC 作為基礎(chǔ)配合比，調(diào)整水膠比。不同水膠比時(shí)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖3。

圖3 不同水膠比時(shí)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖3可以看出：①隨著水膠比的增大，不同齡期輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，其中28 d 和56 d 抗壓強(qiáng)度降低尤為顯著。②當(dāng)水膠比小于0.29時(shí)，輕骨料混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度大于65 MPa，這說明配制高強(qiáng)輕骨料混凝土?xí)r應(yīng)采用較低的水膠比，LC60級(jí)高強(qiáng)輕骨料混凝土水膠比不宜超過0.29。

3）骨料預(yù)濕時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

為減少拌和后陶粒吸水對(duì)輕骨料混凝土工作性能的影響，通常采用水中浸泡的方式對(duì)陶粒進(jìn)行預(yù)濕［9］。選用800LC 作為基礎(chǔ)配合比，調(diào)整陶粒預(yù)濕時(shí)間。不同預(yù)濕時(shí)間陶粒筒壓強(qiáng)度見圖4，不同預(yù)濕時(shí)間陶粒所配制的輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖5。

圖4 預(yù)濕時(shí)間對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度的影響

圖5 陶粒預(yù)濕時(shí)間對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4 和圖5 可以看出，預(yù)濕時(shí)間對(duì)陶粒的筒壓強(qiáng)度和輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度具有重要影響。與未預(yù)濕和預(yù)濕24 h相比，預(yù)濕1 h時(shí)輕骨料混凝土28 d及56 d 的抗壓強(qiáng)度均最高。這主要是因?yàn)椋c未預(yù)濕陶粒相比，預(yù)濕1 h 時(shí)陶粒僅表面被濕潤(rùn)，內(nèi)部仍是干燥狀態(tài)，陶粒筒壓強(qiáng)度未降低，但是預(yù)濕后能夠?yàn)楣橇吓c漿體界面處水泥水化提供水分，起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，增強(qiáng)了陶粒與漿體界面過渡區(qū)的密實(shí)性，進(jìn)而提高了輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度；預(yù)濕24 h 時(shí)水浸入陶粒內(nèi)部造成陶粒筒壓強(qiáng)度降低，進(jìn)而造成輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度降低。說明通過陶粒預(yù)濕能夠改善輕骨料混凝土的工作性能，提高混凝土的強(qiáng)度，但是陶粒預(yù)濕時(shí)間不能太長(zhǎng)。

2.2 輕骨料混凝土工作性能

1）流變性能

塑性黏度和屈服應(yīng)力是新拌混凝土的2個(gè)關(guān)鍵流變參數(shù)［10］。增稠劑通常能夠改變新拌混凝土的流變參數(shù)，進(jìn)而避免輕骨料上浮。采用與輕骨料混凝土同配比的砂漿，用流變儀測(cè)試摻入多糖類高分子增稠劑砂漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力，結(jié)果見圖6。

圖6 增稠劑對(duì)砂漿流變性能的影響

由圖6 可以看出，多糖類高分子增稠劑對(duì)砂漿流變性能具有重要影響。摻入增稠劑后砂漿的塑性黏度有所降低，且隨著剪切速率的提高砂漿的屈服應(yīng)力逐漸增大，而未摻入增稠劑時(shí)隨著剪切速率的提高屈服應(yīng)力基本不變。摻入增稠劑后，砂漿的黏度降低對(duì)于確保輕骨料混凝土的和易性和易施工性十分有利，且隨著剪切速率的提高，屈服應(yīng)力的提升對(duì)于增加輕骨料混凝土的穩(wěn)定性，抑制輕骨料上浮具有顯著效果。摻入增稠劑后，輕骨料混凝土坍落擴(kuò)展度為620 mm時(shí)，陶?；緹o上浮，輕骨料上浮率也較未摻入增稠劑時(shí)大大降低，見圖7。

圖7 增稠劑對(duì)輕骨料上浮率的影響

2）流動(dòng)性能

選用800LC 作為基礎(chǔ)配合比，水膠比為0.28，摻入增稠劑后LC60 級(jí)輕骨料混凝土流動(dòng)性能參數(shù)見表6。

表6 LC60級(jí)輕骨料混凝土流動(dòng)性能參數(shù)

由表6 可以看出：輕骨料混凝土含氣量、坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)障礙高差、L型儀充填比和流動(dòng)時(shí)間均適宜，各項(xiàng)參數(shù)均能夠滿足JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中相應(yīng)要求。

2.3 輕骨料混凝土微觀性能

采用顯微硬度儀測(cè)試了C60普通混凝土和配合比為800LC 的LC60 級(jí)輕骨料混凝土中骨料與漿體界面過渡區(qū)的顯微硬度。微觀形貌及其硬度見圖8。

圖8 界面過渡區(qū)微觀形貌及其顯微硬度

由圖8 可以看出：①普通混凝土中碎石與漿體界面過渡區(qū)較為疏松，沿碎石與漿體界面呈現(xiàn)一條細(xì)縫，而輕骨料混凝土中陶粒與漿體界面過渡區(qū)相對(duì)較為密實(shí)，未見明顯裂縫。②輕骨料混凝土中陶粒與漿體的界面過渡區(qū)與同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土中碎石與漿體界面的顯微硬度也存在較大差異。這主要是因?yàn)樘樟?nèi)預(yù)儲(chǔ)的水分不斷地放出來，促進(jìn)輕骨料與漿體界面處水泥充分水化，界面處更加致密，減少了輕骨料與漿體界面裂縫發(fā)生的概率，致使界面過渡區(qū)強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

1）陶粒堆積密度越大，其筒壓強(qiáng)度越高，配制的輕骨料混凝土28 d 后抗壓強(qiáng)度和彈性模量越大。配制LC60 級(jí)高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土宜選用800 kg/m3的頁巖陶粒。陶粒預(yù)濕時(shí)間越長(zhǎng)，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度越低，預(yù)濕時(shí)間宜在1 h左右。

2）隨著水膠比的降低，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。配制LC60 級(jí)高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土的水膠比不宜高于0.29。

3）摻入高分子增稠劑會(huì)降低漿體塑性黏度，提高漿體的屈服應(yīng)力，抑制輕骨料的上浮。摻入高分子增稠劑配制的800LC 高強(qiáng)輕骨料混凝土的工作性能滿足JGJ/T 283—2012中相應(yīng)要求。

4）與相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土相比，輕骨料混凝土中界面過渡區(qū)更加密實(shí)，缺陷較少，界面過渡區(qū)顯微硬度明顯高于相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土。