免燒輕骨料在城市輕軌站臺工程中的應(yīng)用研究

邱月梅，洪金榮，龐超明，秦鴻根

（1.蕪湖三巖建材實業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；3.江蘇智晟節(jié)能科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212416)

1 前言

蕪湖軌道交通1號線和2號線采用全國首創(chuàng)跨座式單軌形式，共設(shè)車站36座。其中1號線為南北干線，北起保順路站，南至白馬山站，全長31.8km，設(shè)25座高架車站；2號線一期為東西主干線，西起北京路站，東至萬春湖站，全長16.52km，設(shè)高架站10座，地下站1座。其中夢溪路站為全國首座獨柱式鋼混路中高架站，站臺分為三層，第一層地面汽車通行道路層，第二層售票、檢票、進出站大廳，第三層為列車?？亢统丝秃蜍噮^(qū)域（見圖1）。站廳、站臺層地面夾層設(shè)計要求采用LC7.5輕骨料混凝土,干表觀密度不超過1600kg/m，站廳層為中間層，隔間較多，施工難度較大，輕骨料混凝土既要滿足施工要求，又要保溫隔熱和抗震等功能性要求。

圖1 蕪湖軌道交通高架車站

2 輕骨料混凝土配合比設(shè)計

對輕骨料混凝土配合比的設(shè)計，大多是參考普通混凝土配合比的設(shè)計方法，并結(jié)合輕骨料混凝土的特點進行，更多的是依靠經(jīng)驗和通過試驗、試配來確定。

2.1 配合比設(shè)計的基本要求

輕骨料混凝土配合比設(shè)計的基本要求，除了考慮和易性、強度、耐久性和經(jīng)濟性這四方面以外，還應(yīng)滿足表觀密度的要求。在滿足強度和耐久性的前提下，應(yīng)盡量減少膠凝材料使用量，膠凝材料用量增加，不但使成本提高，而且使混凝土的表觀密度顯著增大。

2.2 輕骨料的選用

輕骨料是配制輕骨料混凝土的主要原材料，應(yīng)根據(jù)輕骨料混凝土的強度等級和表觀密度的要求來選用，同時要使得制備的輕骨料混凝土滿足泵送施工要求。本工程配制LC7.5保溫輕骨料混凝土，且澆筑厚度不超過100mm，所用輕骨料最大粒徑要求不大于20mm。常用輕骨料有燒結(jié)陶粒和免燒輕骨料（也稱免燒陶粒），前者堆積密度較輕、強度低，其密度等級、強度等級和顆粒級配單一，配制的輕骨料混凝土易分層，難以泵送施工；后者（以核殼型為例）堆積密度相對較大，強度較高，其顆粒粒徑、密度等級、強度等級均可根據(jù)需要生產(chǎn)，最大的特點是配制的輕骨料混凝土骨料不上浮，均勻性好和可泵性好。方便屋面、樓面和其他高層結(jié)構(gòu)的泵送施工。

蕪湖輕軌車站站臺用輕骨料混凝土采用江蘇智晟節(jié)能科技股份有限公司生產(chǎn)的核殼結(jié)構(gòu)免燒輕骨料，顆粒呈球形（見圖2），通過內(nèi)核大小與功能的改變、殼層厚度和配方的調(diào)整，可用于制備集高比強、保溫隔熱、隔音防火于一體的自保溫建筑材料。其性能滿足GB/T17431.1-2010標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，主要特性如下：

圖2 輕軌站工程用免燒輕骨料

①密度等級有600、700和800級，可配制LC5～LC20的保溫輕骨料混凝土，也可以配制LC20～LC50的結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土；

②有粒徑為5～10mm、5～16mm、10～16mm和5～20mm的輕粗骨料，還有粒徑小于5mm的輕砂；本工程所用核殼型免燒輕骨料粒徑為5～16mm，干堆積密度為650kg/m；

③比強度高，耐高溫，預(yù)濕時間快（15min即可），屬于水泥基材料，與砂漿的相容性好。配制的輕骨料混凝土和易性好，特別適合泵送施工。

2.3 輕骨料混凝土配合比設(shè)計方法

輕骨料混凝土配合比設(shè)計依據(jù)JGJ51-2002進行，具體步驟如下。

2.3.1 確定配制強度

輕骨料混凝土設(shè)計抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值f，則95%保證率的輕骨料混凝土配制強度為：

f=f+1.645σ

式中：強度標(biāo)準(zhǔn)差σ分別取4（＜LC20）、5（LC20～LC35）、6（＞LC35），單位為MPa。

2.3.2 膠凝材料用量的確定

膠凝材料用量與輕骨料密度等級有關(guān)。水泥宜采用42.5級以上的P O或P II，因輕骨料強度較低，故膠凝材料用量比普通混凝土相對要高一些（見表1）。礦物摻合料在輕骨料混凝土中的最大摻量，采用普通硅酸鹽水泥時，粉煤灰最大摻量不大于35%，粒化高爐礦渣粉最大摻量不大于55%，雙摻時總摻量不大于50%。

2.3.3 水膠比的確定

在膠凝材料和礦物摻合料確定后，水膠比的大小是決定輕骨料混凝土抗壓強度的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)配制強度確定初步水膠比并經(jīng)試驗驗證，同時最大水膠比和最小膠凝材料用量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐久性要求?？刹捎脫礁咝p水劑，減小水膠比，提高輕骨料混凝土的強度。

2.3.4 用水量確定

混凝土的總用水量中被輕骨料吸收的那部分水稱為“附加水量”，其余部分則稱為“凈用水量”。附加水量應(yīng)根據(jù)輕骨料用量乘以輕骨料1h吸水率求得。當(dāng)采用預(yù)濕飽和輕骨料時，則可不考慮附加水量。凈用水量由確定的水膠比與膠凝材料用量的乘積來確定，并根據(jù)混凝土稠度要求和減水劑摻量進行適當(dāng)調(diào)整，一般輕骨料混凝土的凈用水量120～180 kg/m。

2.3.5 砂率的確定

輕骨料混凝土的配合比設(shè)計中所使用的砂率是指體積砂率，砂率對輕骨料混凝土的表觀密度、和易性和密實性影響顯著，一般細(xì)骨料為輕砂時砂率取35%～50%，為普通砂時取30%～45%。

2.3.6 粗、細(xì)骨料用量的確定

輕骨料混凝土粗、細(xì)骨料用量的計算有絕對體積法和松散體積法兩種。本文按松散體積法計算：先確定1m混凝土的粗、細(xì)骨料總體積V（自然狀態(tài)下輕粗骨料和細(xì)骨料的松散體積之和）。采用普通砂作細(xì)骨料時，1m混凝土中粗、細(xì)骨料的總體積可取1.20～1.40m；采用輕砂時可取1.25～1.50m。然后再按體積砂率求得粗骨料和細(xì)骨料的松散體積，再根據(jù)各自的堆積密度求得其用量。

已知粗、細(xì)骨料的堆積密度分別為ρ和 ρ，松散體積分別為 V、V。體積砂率為 S=V/V，粗骨料體積 V=V+V，由此求得粗、細(xì)骨料的用量：m=Vxρ，m=Vρ。輕骨料混凝土的干表觀密度為粗、細(xì)骨料用量與硬化漿體三者干質(zhì)量之和，由此關(guān)系式驗算輕骨料混凝土干表觀密度，即ρ=1.15m+m+m。

2.4 輕骨料混凝土配合比與性能

按照2.3節(jié)的設(shè)計步驟，并參照相關(guān)文獻計算出配制強度為14.1MPa的LC7.5的輕骨料混凝土試驗配合比，列于表2中。

輕骨料混凝土的膠凝材料用量/（kg/m3） 表1

輕骨料混凝土試驗配合比（kg/m3） 表2

按計算配合比進行試配和調(diào)整，進行輕骨料混凝土和易性、抗壓強度試驗和干表觀密度測定，測得實測輕骨料混凝土坍落度為220mm，28d抗壓強度為25.5MPa，干表觀密度1570 kg/m。均滿足設(shè)計與施工要求。輕骨料混凝土拌合物和易性好（如圖3），采用泵送施工（如圖4），可泵性良好。

圖3 生產(chǎn)的預(yù)拌輕骨料混凝土

圖4 輕軌站輕骨料混凝土泵送施工

由于抗壓強度比較富裕，還可采用引氣技術(shù)，在滿足LC7.5配制強度的條件下，將輕骨料混凝土的表觀密度降低至1450 kg/m以下。

2.5 輕骨料混凝土配制技術(shù)

總結(jié)輕骨料混凝土配制技術(shù)如下：

①根據(jù)輕骨料混凝土的強度和表觀密度要求選用合適的輕粗骨料，選擇粒型接近球形、密度較輕和筒壓強度較高的輕骨料；

②根據(jù)需要選擇普通砂配制砂輕混凝土，或全部輕砂配制全輕混凝土，還可以摻部分輕砂配制混合砂輕骨料混凝土；

③在強度滿足設(shè)計要求的前提下，可摻入適量引氣劑以降低混凝土的表觀密度，改善和易性；

④如需要LC25及以上的結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土，保證混凝土流動性、便于泵送施工，可選擇密度較大、筒壓強度較高的輕骨料，適當(dāng)增加減水劑摻量，增大減水率，減小水膠比以提高抗壓強度。

3 免燒輕骨料混凝土在預(yù)拌混凝土廠中控制

3.1 配合比控制

輕骨料混凝土配合比計算采用松散體積法，選取適宜的體積砂率，然后按設(shè)計要求的混凝土干表觀密度為依據(jù)進行校核，最后通過試驗調(diào)整出配合比。輕骨料混凝土拌制前，試驗室對骨料的含水率和堆積密度進行測定，并轉(zhuǎn)換成施工配合比。

3.2 生產(chǎn)過程控制

①免燒輕骨料的堆放。輕骨料按不同品種規(guī)格分開堆放，避免混雜，并保持顆粒混合均勻；采用連續(xù)級配時，堆放高度不宜過高，一般不宜大于2m；同時防止樹葉、泥土和其他有害物質(zhì)混入。

②使用前濕潤。輕骨料使用前，應(yīng)提前2小時灑水濕潤，灑水濕潤時應(yīng)邊灑水邊翻動，保證均勻濕潤且不積水。

③免燒輕骨料的輸送。輕骨料使用鏟車直接上到料倉，經(jīng)過準(zhǔn)確計量，通過皮帶運輸機到主機。由于預(yù)濕處理的輕骨料濕表觀密度比水重（1400kg/m左右），在運送過程中不容易散落，尤其通過斜皮帶時比傳統(tǒng)的陶粒有明顯優(yōu)勢。

⑤免燒輕骨料混凝土的攪拌。輕骨料混凝土的攪拌時間要適當(dāng)延長，每盤的攪拌時間不少于2 min；攪拌順序設(shè)定為先加入骨料和膠凝材料預(yù)先攪拌，之后加入水和引氣型減水劑進行攪拌，直至攪拌均勻。

⑥免燒輕骨料混凝土的運輸。在運輸過程中，應(yīng)減少坍落度損失和防止輕骨料混凝土拌合物分層離析；卸料前要用快擋旋轉(zhuǎn)攪拌罐不少于20s。

3.3 出廠控制

輕骨料混凝土在攪拌過程中，試驗員要密切觀測出廠混凝土的工作性能，嚴(yán)格控制好攪拌時間?；炷脸鰪S之前，試驗員除要進行坍落度、強度、氯離子含量檢驗外，還要檢驗輕骨料混凝土拌合物的表觀密度。

4 免燒輕骨料混凝土在施工中控制

免燒輕骨料混凝土既適用于工廠生產(chǎn)預(yù)制內(nèi)外保溫墻板，也適用于現(xiàn)場澆筑的泵送施工。輕骨料混凝土的現(xiàn)場控制要從以下幾個方面進行控制。

4.1 輕骨料混凝土工作性控制

輕骨料混凝土用于輕軌站臺二層、三層樓面保溫層，必須采用泵送澆注施工。二層的設(shè)備夾層，管線較多，空間狹小，給混凝土施工帶來不少困難。泵車輸送管長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只能通過翻斗車進行二次運送，施工時間長。要求到現(xiàn)場的混凝土坍落度220±20mm，半小時零損失，1h損失不大于20mm，對輕骨料混凝土的泵送要求也較高。由于蕪湖地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，極端最高氣溫接近40℃，冬季最低氣溫為-10℃，自然環(huán)境對坍落度的影響非常大，特別是高溫下混凝土的損失很快，加上距離攪拌站比較遠(yuǎn)，因此要求預(yù)拌混凝土廠試驗人員要根據(jù)集料的含水分布情況、混凝土凝結(jié)時間長短、外加劑勻質(zhì)性變化及時調(diào)整好混凝土的坍落度。

由于輕骨料強度等級低、膠凝材料用量不高，混凝土流動性大，必須通過調(diào)整砂率、用水量和減水劑用量來提高其保水性和粘聚性，采用適當(dāng)引氣對改善工作性有利。

4.2 輕骨料混凝土的澆筑成型

①輕骨料混凝土的布料。輕軌站臺樓面輕骨料混凝土的設(shè)計厚度要求不一樣，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)功能、裝飾面磚材料而定，最薄處55mm，施工采用分段流水作業(yè)攤鋪輕骨料混凝土。為防止混凝土離析，泵管口距離澆筑樓面的高度要控制在1.5m以內(nèi)，夠不到的地方采用人工翻斗車運送輕骨料混凝土。

②輕骨料混凝土的搗實。輕骨料混凝土拌合物的內(nèi)摩擦力比普通混凝土要大，因此采用插入振搗器進行振搗。這種免燒輕骨料拌制的混凝土粘聚性好，不分散，振搗過程中不上浮，與膠凝材料結(jié)合緊密，密實度高，收面簡單，表面平整。而傳統(tǒng)的陶?；炷撂貏e分散，陶粒容易上浮，不容易壓入混凝土內(nèi)，振搗要快，還要進行二次收漿，澆筑成型的混凝土表面經(jīng)常要進行修補。

4.3 輕骨料混凝土養(yǎng)護

免燒輕骨料本身具有內(nèi)養(yǎng)護作用，28d混凝土干燥收縮降低40%～60%，抗裂性大大提高，面層澆筑成型后只需要進行簡單覆蓋和間斷地灑水養(yǎng)護，并保持混凝土表面濕潤狀態(tài)即可。

5 工程應(yīng)用效果

考慮到輕軌站臺結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和安全性，以及耐久性的要求，采用免燒輕骨料配制的混凝土在蕪湖輕軌工程中的優(yōu)勢非常明顯。表現(xiàn)效果如下：

①工作性能良好。核殼型免燒輕骨料顆粒小、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低，可制備大流動性高比強微孔輕集料混凝土，現(xiàn)場混凝土粘聚性和保水性好，坍落度損失小?；炷潦┕み^程中經(jīng)常超過3h?，F(xiàn)場可采用加減水劑方法進行調(diào)整，工作性能仍然滿足施工要求。

②施工可泵性好。免燒輕骨料比燒結(jié)陶粒密度稍大，解決了施工過程中出現(xiàn)的混凝土分層離析、上浮現(xiàn)象，并克服因泵壓作用前沖至泵管前端或彎管處堵塞現(xiàn)象，可以像普通混凝土一樣輕松泵送。

③強度高。由于免燒輕骨料為在水泥-粉煤灰體系并加入激發(fā)劑，筒壓強度高且高比強。蕪湖輕軌LC7.5輕骨料混凝土28d抗壓強度普遍達到25～30MPa，干表觀密度低于1600kg/m。

④混凝土成型質(zhì)量好。蕪湖輕軌站臺的施工已經(jīng)接近尾聲，實地回訪輕骨料混凝土的外觀質(zhì)量。澆筑表面光滑、平整，不起殼，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，與上部裝飾瓷磚面結(jié)合牢固，無空鼓（見圖5），完全滿足設(shè)計要求。

圖5 現(xiàn)場澆筑的輕骨料混凝土