粗骨料對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土性能的影響

李書明 曾志 劉競(jìng) 鄭新國(guó) 謝永江

（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）

自密實(shí)輕骨料混凝土是采用輕粗骨料配制而成的密度小于1 950 kg/m3的一類混凝土，兼具自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土的特性［1］。與普通混凝土相比，自密實(shí)輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫、抗震性好等特點(diǎn)［2］，能夠減輕建筑結(jié)構(gòu)物的重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)，已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)大跨橋梁、高聳建筑中［3-4］。

自密實(shí)輕骨料混凝土于1991 年由日本學(xué)者提出［5］，隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)其進(jìn)行了研究。張?jiān)茋?guó)等［6］研究了自密實(shí)輕骨料混凝土的工作性能，發(fā)現(xiàn)輕骨料混凝土隨著拌和時(shí)間的延長(zhǎng)流動(dòng)擴(kuò)展度逐漸減小，隨著剪切流動(dòng)速度的增大抗離析性逐漸降低。郭瑞等［7］研究發(fā)現(xiàn)，隨著陶粒摻量的增加，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量有所降低，抗氯離子滲透性明顯提高，抗早期開裂性能提高。張玉等［8］研究了不同強(qiáng)度等級(jí)高強(qiáng)輕骨料混凝土配制技術(shù)，發(fā)現(xiàn)碎石型陶粒是最優(yōu)骨料，水膠比為0.26可使混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到70 MPa。陳萌等［9］研究了頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土梁的受剪承載力，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。

粗骨料作為自密實(shí)混凝土的主要組成材料之一，顯著影響自密實(shí)混凝土的性能。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在輕骨料混凝土配制技術(shù)、工作性能、力學(xué)性能、耐久性能等方面，對(duì)于配制不同強(qiáng)度等級(jí)輕骨料混凝土需要選擇什么類型的粗骨料研究較少。本文選用堆積密度分別為500，800 kg/m3的頁(yè)巖陶粒以及堆積密度為1 600 kg/m3的碎石，在相同配合比時(shí)，研究粗骨料對(duì)自密實(shí)混凝土和自密實(shí)輕骨料混凝土性能的影響，并采用光學(xué)顯微鏡觀察混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，揭示粗骨料影響混凝土耐久性能的原因。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其他膠凝材料有Ⅰ級(jí)粉煤灰和比表面積為23 000 m2/kg 的硅灰。粗骨料采用粒徑為5～20 mm 連續(xù)級(jí)配的頁(yè)巖陶粒和碎石，主要技術(shù)參數(shù)見表1。砂為天然中砂，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。水為自來水。

表1 粗骨料主要技術(shù)參數(shù)

1.2 配合比

根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中松散體積法設(shè)計(jì)輕骨料混凝土，通過調(diào)整減水劑控制混凝土的坍落擴(kuò)展度為600～630 mm，含氣量為3.0%～4.0%?；炷恋呐浜媳纫姳?，3 組混凝土分別采用堆積密度為500，800，1 600 kg/m3的粗骨料配制而成，配合比編碼分別為500LC，800LC和1600C。

表2 混凝土的配合比 （kg·m-3）

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度、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，測(cè)試抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測(cè)試彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。

塑性收縮、干燥收縮、抗凍性能、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》測(cè)試，其中抗凍性能采用快凍法測(cè)得。

微觀形貌采用上海研潤(rùn)科技公司生產(chǎn)的HMASD1000 維氏顯微硬度儀觀察。試件尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，由100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件切割而成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

采用不同堆積密度粗骨料配制的混凝土，其密度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量見圖1。

圖1 粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由圖1（a）可知：隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，在28 d 以前混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)比較顯著，28 d之后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩；相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，隨著粗骨料堆積密度的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3，7，28，56，90 d時(shí)，500LC 輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為32.7，40.8，52.6，54.7，58.1 MPa，養(yǎng)護(hù)28 d混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC40級(jí)；800LC 輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為45.4，49.6，71.7，72.3，75.6 MPa，養(yǎng)護(hù)28 d 混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC60 級(jí)；1600C 普通碎石混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為49.0，61.7，78.3，80.2，82.8 MPa，養(yǎng)護(hù)28 d混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C70。

由圖1（b）可知，隨著粗骨料堆積密度的增大，混凝土的密度和彈性模量均逐漸增大。當(dāng)粗骨料堆積密度分別為500，800，1 600 kg/m3時(shí)，混凝土的密度分別為1 824，1 940，2 436 kg/m3，彈性模量分別為27.5，30.4，40.0 GPa。這是因?yàn)?，隨著粗骨料堆積密度的增大，粗骨料的強(qiáng)度增大，造成混凝土的密度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量也逐漸增大。因此，配制不同強(qiáng)度等級(jí)的輕骨料混凝土應(yīng)選用不同堆積密度的粗骨料，選用800 kg/m3的粗骨料配制的LC60 級(jí)輕骨料混凝土，與同配比的普通混凝土相比，密度降低20.4%，彈性模量降低24%；選用500 kg/m3的粗骨料配制的LC40 級(jí)輕骨料混凝土，與同配比的普通混凝土相比，密度降低25.1%，彈性模量降低31.3%。這表明，在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用輕骨料混凝土?xí)r，除了利用輕骨料混凝土帶來的重量降低之外，還需要關(guān)注彈性模量降低引起的結(jié)構(gòu)剛度變化。

2.2 粗骨料對(duì)收縮性能的影響

按照養(yǎng)護(hù)時(shí)間可以將混凝土收縮分為早期塑性收縮和后期干燥收縮，收縮大小直接影響混凝土的抗開裂性能。采用不同堆積密度粗骨料配制的混凝土，其塑性收縮和干燥收縮見圖2。

由圖2（a）可知，粗骨料對(duì)混凝土塑性收縮的影響較大，采用普通碎石混凝土的塑性收縮顯著大于輕骨料混凝土的，而采用堆積密度分別為500，800 kg/m3的頁(yè)巖陶粒配制的輕骨料混凝土的塑性收縮基本相當(dāng)。普通混凝土和輕骨料混凝土塑性收縮隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律顯著不同，普通混凝土塑性收縮曲線呈現(xiàn)兩個(gè)階段的變化規(guī)律：在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為0～6 h 時(shí)，塑性收縮隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)迅速增大，之后增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。輕骨料混凝土的塑性收縮曲線呈現(xiàn)出三個(gè)階段的變化規(guī)律：第一階段對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間0～6 h，塑性收縮逐漸增大，并且500LC 輕骨料混凝土此階段的塑性收縮略小于800LC 輕骨料混凝土；第二階段對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間6～12 h，塑性收縮進(jìn)入緩沖區(qū)，在此階段，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，塑性收縮略有降低；第三階段為12 h以后，塑性收縮又隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。

圖2 粗骨料對(duì)混凝土收縮性能的影響

輕骨料是一種多孔材料，拌和時(shí)一部分水儲(chǔ)存其中，這部分水在水泥水化早期逐步釋放出來，供水泥水化使用，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，造成輕骨料混凝土塑性收縮較小。但是輕骨料所儲(chǔ)存的水不會(huì)完全釋放出來，相當(dāng)于降低了混凝土的單方用水量，這也是輕骨料混凝土塑性收縮小的原因。普通碎石沒有蓄水功能，塑性收縮相對(duì)較大。因此輕骨料混凝土在凝結(jié)硬化的早期塑性階段具有較好的抗開裂性能，不易出現(xiàn)塑性裂縫。

由圖2（b）可知，粗骨料對(duì)混凝土干燥收縮的影響較大，普通混凝土的干燥收縮小于輕骨料混凝土的，800LC 輕骨料混凝土的干燥收縮略大于500LC 輕骨料混凝土的。500LC，800LC和1600C混凝土養(yǎng)護(hù)28 d的干燥收縮分別為247.5×10-6，264.2×10-6，302.8×10-6，養(yǎng)護(hù) 90 d 的干燥收縮分別為 305.8×10-6，319.2×10-6，362.2×10-6。干燥收縮主要發(fā)生在 28 d 以前，28 d 之后干燥收縮趨緩。

在干燥收縮階段，水泥漿體強(qiáng)度逐漸升高，粗骨料約束漿體變形的作用占主導(dǎo)地位。頁(yè)巖陶粒彈性模量較低，對(duì)水泥漿體的收縮變形約束較小，而碎石彈性模量較高，可以較好地抑制水泥漿體的收縮變形。收縮變形大小是否引起開裂取決于產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大小，而收縮應(yīng)力除了與收縮大小有關(guān)之外，還與混凝土的彈性模量有關(guān)，為二者的乘積［10］。粗骨料對(duì)混凝土干燥收縮應(yīng)力的影響見圖3。普通混凝土的干燥收縮較小但是彈性模量很大，所以干燥收縮應(yīng)力更大，開裂風(fēng)險(xiǎn)也更大。

圖3 粗骨料對(duì)混凝土收縮應(yīng)力的影響

2.3 粗骨料對(duì)耐久性能的影響

抗凍性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。粗骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響見圖4。

圖4 粗骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響

由圖4 可知，粗骨料對(duì)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量影響顯著，輕骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失顯著低于普通混凝土的；在輕骨料混凝土中，500LC輕骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失低于800LC 輕骨料混凝土的。普通混凝土在凍融循環(huán)125次以后相對(duì)動(dòng)彈性模量顯著降低，凍融循環(huán)175 次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為41.2%。800LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)175 次之后相對(duì)動(dòng)彈性模量才顯著降低，凍融循環(huán)250 次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量為59.5%。500LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)250 次之后相對(duì)動(dòng)彈性模量才逐漸降低，凍融循環(huán)300次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量為61.8%。這說明輕骨料混凝土具有較好的抗凍性能，適用于寒冷地區(qū)應(yīng)用環(huán)境。

氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量主要反映混凝土的密實(shí)性，粗骨料對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量的影響見圖5?？芍胀ɑ炷恋穆入x子擴(kuò)散系數(shù)與輕骨料混凝土的相當(dāng)，800LC 輕骨料混凝土的電通量略低于普通混凝土的及500LC 輕骨料混凝土的。這表明輕骨料混凝土與普通混凝土一樣，具有較高的密實(shí)性，能夠阻止氯離子等腐蝕性離子滲透，適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖5 粗骨料對(duì)混凝土擴(kuò)散系數(shù)和電通量的影響

2.4 粗骨料對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

普通混凝土的微觀形貌與輕骨料混凝土的微觀形貌如圖6所示。

圖6 混凝土的微觀形貌

由圖6 可知：在普通混凝土中，碎石結(jié)構(gòu)比較致密，孔洞較少；在輕骨料混凝土中，輕骨料含有大量類似圓形的孔洞，并且這些孔洞多為封閉結(jié)構(gòu)，造成輕骨料混凝土強(qiáng)度低且抗凍性好。普通混凝土中骨料與漿體的界面處呈細(xì)小的裂縫狀，界面過渡區(qū)較寬，且比較疏松；輕骨料混凝土中輕骨料與漿體界面處結(jié)合緊密，未見界面裂縫，界面過渡區(qū)比較致密。界面過渡區(qū)是混凝土的薄弱環(huán)節(jié)［11］，由此可知，輕骨料混凝土中界面過渡區(qū)引起的薄弱環(huán)節(jié)較少，因此輕骨料混凝土的耐久性優(yōu)于普通混凝土的。

3 結(jié)論

在相同配合比時(shí)，改變粗骨料對(duì)混凝土性能的影響如下：

1）隨著粗骨料堆積密度的增大，混凝土的密度逐漸增大，抗壓強(qiáng)度和彈性模量也逐漸增大；配制LC60級(jí)輕骨料混凝土宜選用堆積密度為800 kg/m3的粗骨料，配制LC40 級(jí)輕骨料混凝土宜選用堆積密度為500 kg/m3的粗骨料。

2）輕骨料混凝土的塑性收縮顯著小于普通混凝土的。普通混凝土的塑性收縮在6 h 以前增長(zhǎng)較快，6 h之后增長(zhǎng)緩慢。輕骨料混凝土的塑性收縮在6 h以前逐漸增大，6～12 h 時(shí)略有減小，之后又緩慢增大。輕骨料混凝土的干燥收縮略大于普通混凝土的。輕骨料混凝土的抗開裂性能優(yōu)于普通混凝土的。

3）輕骨料混凝土的抗凍性能顯著優(yōu)于普通混凝土的；普通混凝土在凍融循環(huán)175次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H為41.2%。800LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)250 次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量為59.5%；500LC 輕骨料混凝土在凍融循環(huán)300次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量為61.8%。輕骨料混凝土的密實(shí)性與普通混凝土的相當(dāng)。

4）輕骨料混凝土中輕骨料與漿體界面處結(jié)合緊密，未見界面裂縫，界面過渡區(qū)比較致密，因此輕骨料混凝土的耐久性能優(yōu)于普通混凝土的。