重慶地區高強陶粒混凝土設計與制備技術研究

楊再富，范英儒，石從黎，陳偉，劉軍

（1重慶建工新型建材有限公司，重慶 401122；2重慶大學，重慶 400045；3重慶市建筑科學研究院，重慶 400020）

0 引言

與普通混凝土相比，高強陶粒混凝土不僅能減少建筑結構的自重（在保持較高強度的基礎上，可使混凝土的自重降低20%以上），而且還具有良好力學性、耐久性、保溫隔熱性和抗震性。因此，對于高層建筑、海洋工程、大跨度橋梁等大型工程而言，高強陶粒混凝土具有很強的競爭力[1]。

可是，在超高層建筑和大跨度橋梁迅速發展的重慶地區，高強陶粒混凝土卻至今未有規模化應用，這是因為我國在高強陶粒混凝土材料設計與制備方面的研究較為薄弱，尤其是基于重慶地材的高強陶粒混凝土制備技術幾乎為空白[2]。為此，本文擬通過分析陶粒混凝土的破壞特征和高強化技術途徑，提出高強陶粒混凝土的組成與配合比設計方法，探討高強混凝土的制備技術，研究高強陶粒混凝土的性能，為促進高強陶粒混凝土在重慶地區的推廣應用提供技術基礎。

1 高強陶粒混凝土的設計

1.1 陶粒混凝土的高強化技術途徑

高強陶粒混凝土是輕質多孔性集料（陶粒）顆粒被水泥砂漿膠結而成的堆聚結構[3]，由于陶粒的材料強度遠低于水泥砂漿，陶粒混凝土的斷裂是通過(較軟的)陶粒顆粒而不是通過(較硬的)水泥砂漿，破壞特征見圖1。

圖1 陶粒混凝土的破壞特征

基于上述特征，對于陶粒混凝土的高強化，提高陶粒的材料強度是關鍵，其次是砂漿強度以及陶粒－水泥砂漿界面強度。此外由于陶粒與水泥砂漿之間存在較大的密度差，如何保證陶粒混凝土的勻質性也是決定其高強化的重要因素。

1.2 高強陶粒混凝土的組成設計

根據重慶地區的地材特點，選擇混合砂作為高強陶粒混凝土的細集料組成。然后根據陶粒混凝土的高強化技術途徑對其他組成材料進行選擇，即：采用高強陶粒，以提高集料的承載能力；選擇質量穩定和強度等級高的普通硅酸鹽水泥，以提高水泥砂漿的強度；使用優質粉煤灰部分替代水泥，以提高混凝土的流動性、粘聚性，以及基體與陶粒集料之間的界面強度；摻入高性能減水劑在顯著提高基體（砂漿）強度的同時，改善混凝土的工作性滿足施工要求；使用一定量的聚丙烯纖維以保證陶粒混凝土的勻質性，高強陶粒混凝土的主要組成材料和技術指標要求見表1。

表1 高強陶粒混凝土的主要組成及技術指標要求

1.3 配合比的設計

陶粒混凝土由于其所用集料的多孔性及其形成條件差異很大，不同陶粒的孔結構和組成變化很大，因此，不可能像普通混凝土那樣，用一個較公認的強度公式來作為混凝土配合比設計的基礎和依據。本文參照行業標準《輕骨料混凝土技術規程》[4-5]，并結合高強陶粒混凝土的制備技術特點提出高強陶粒混凝土的配合比設計方法，該方法以工作性、抗壓強度和表觀密度為設計目標，同時考慮了陶粒的預濕處理因素，陶粒質量以濕陶粒表示，具體設計步驟如下：

⑴計算陶粒混凝土的試配強度。

⑵根據陶粒的堆積密度確定陶粒的用量 （陶粒堆積填滿單位體積的質量），再根據陶粒預濕24h的含水率計算出濕陶粒的質量，并結合濕陶粒的表觀密度計算出陶粒的體積用量Vt。

⑶根據混凝土用途和細集料品種確定體積砂率S。

⑷根據所確定的陶粒的體積用量及砂率，求出每立方米混凝土細集料的用量。

⑸摻合料以等量取代水泥計算。

⑹外加劑按推薦摻量計算。

⑺最后，根據混凝土設計表觀密度，計算出陶粒混凝土的用水量。

⑻根據以上計算數據進行試配試驗，測試試配混凝土的工作性、抗壓強度和表觀密度，再根據測試結果進行調整。

2 高強陶粒混凝土的制備

2.1 預處理工藝

現有研究和應用實踐表明[6-7]，陶粒吸水性對混凝土工作性的不利影響是制約陶粒混凝土實現預拌和泵送施工的瓶頸問題。為此，本文基于高強陶粒混凝土生產的易操作性和經濟性，提出采用預濕方法對陶粒進行預處理以改善混凝土的工作性能，其主要工藝參數為預濕時間。通過試驗確定（結果見圖2），配制高強陶粒混凝土的陶粒預濕時間應在24h以上。

圖2 陶粒預濕時間對混凝土坍落度及其經時損失的影響

2.2 攪拌成型工藝

由于各組成的密度大小相差較大，陶粒混凝土不易被攪拌均勻，經試驗確定陶粒混凝土的攪拌時間應較普通混凝土延長，一般不宜小于3min。而投料順序也有相應的要求，見圖3。

圖3 高強陶粒混凝土的投料順序

3 高強陶粒混凝土性能的研究

3.1 坍落度及抗壓強度

試驗測試了LC30和LC40混凝土的坍落度和抗壓強度，結果見表2和圖4。

表2 高強預拌陶粒混凝土的性能指標

圖4 高強陶粒混凝土的工作性能

對于陶粒混凝土的坍落度，由于在材料組成設計時選擇了優質粉煤灰和高性能減水劑，在制備方法上采用了預處理工藝，使得配制的高強陶粒混凝土具有大坍落度(220mm)及小經時損失(≤30mm)的特征，完全可滿足預拌生產和泵送施工的要求。

而對于陶粒混凝土的抗壓強度，一方面，由于同強度等級的陶粒混凝土的砂漿強度顯著高于普通混凝土造成陶粒混凝土的早期強度發展較快；另一方面，由于預濕陶粒具有內養護功能，可使水泥水化更充分而提高陶粒混凝土的后期強度。

3.2 干燥收縮

圖5 LC40高強陶粒混凝土的干燥收縮

圖5的結果表明，由于采用了預處理工藝，陶粒的含水狀態使其在混凝土硬化過程中具有內養護功能而減少了陶粒混凝土的干燥收縮，使得配制的高強陶粒混凝土的收縮低于普通混凝土。

3.3 滲水高度

試驗比較了高強陶粒混凝土（LC30和LC40）和普通混凝土的壓力滲水性能，結果表明高強陶粒混凝土的滲水高度小于同強度等級的普通混凝土（見表3），說明高強陶粒混凝土具有良好的抗滲性能。

表3 高強陶粒混凝土抗滲性

4 高強陶粒混凝土的應用

4.1 工程概括

“解放碑金鷹財富中心”工程位于重慶渝中區解放碑旁，系揚子島大廈部分裙樓，屬大修解危工程。為了滿足大型奢侈品商場的功能要求，該工程新建建筑對原有框架柱網進行了調整，加大了柱距與結構荷載。因此，如果采用普通混凝土框架結構，原有基礎就不能承受改建后的荷載，必須拆除負一層、負二層后對基礎進行重建，不僅施工成本高，而且還影響周邊環境。

于是，經過多方案比選，決定保留原建筑地下結構及功能不變，地上建筑采用高強陶粒混凝土重新澆筑。主要技術參數為：陶粒混凝土強度等級設計為LC30（梁、板），LC40（框架柱），混凝土密度等級為1800kg/m3，混凝土采用商品混凝土泵送澆筑。

4.2 應用效果

經檢驗，高強陶粒混凝土結構表面平整、色澤均勻、無明顯缺陷（見圖6），干表觀密度和強度均滿足設計要求。

圖6 工程效果

5 結論

⑴根據重慶地區的地材特點和陶粒混凝土的高強化技術途徑，對其他組成材料進行選擇，采用預濕陶粒配制混凝土可以顯著提高混凝土的工作性能和力學性能，可配制出初始坍落度達到200mm以上，強度等級為LC30~LC40的高強陶粒混凝土。

⑵預處理和混凝土攪拌是高強陶粒混凝土的重要制備工藝，其關鍵工藝參數預濕時間應根據陶粒的性能指標經試驗確定（該項目大于24h），攪拌時間應不低于3min。

⑶ 配制的LC30和LC40高強陶粒混凝土的坍落度和抗壓強度滿足預拌生產和泵送施工的要求，收縮和抗滲性能優于同強度等級的普通混凝土。

[1]石從黎，范英儒，羅杰，等.破碎處理對陶粒及其混凝土性能的影響[C].2011年混凝土與水泥制品學術討論會論文集，2011:74-79.

[2]胡曙光，王發洲.陶粒混凝土[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3]唐笑.大流動性結構輕集料混凝土性能研究[D].重慶：重慶大學，2003.

[4]JGJ51-2002輕骨料混凝土技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[5]JGJ12-2006輕骨料混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[6]錢覺時，盧浩，張智強.陶粒憎水處理對新拌陶粒混凝土工作性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2002(2):12-14.

[7]錢覺時，盧浩，張智強.表面憎水處理改善陶粒吸水性能的研究[J].建筑材料學報，2002，5(2):181-184.