自密實(shí)高性能輕骨料混凝土的研究

吳　濤，岳志豪，王　潔，劉　喜

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安　710061)

?

自密實(shí)高性能輕骨料混凝土的研究

吳濤，岳志豪，王潔，劉喜

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安710061)

自密實(shí)輕骨料混凝土兼有自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土特性，應(yīng)用前景廣闊。針對其工作性能和力學(xué)性能，系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外已有研究成果，采用不同水膠比、礦物摻合料進(jìn)行了強(qiáng)度等級為LC50的配合比方案研究，對抗壓強(qiáng)度、坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、V型漏斗試驗(yàn)、L型槽試驗(yàn)及U型槽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究。研究表明：在水膠比為0.3，體積砂率為49%，Ⅰ級粉煤灰、硅灰的替代率(占水泥質(zhì)量百分比)分別為30%、4%，聚羧酸高性能減水劑為膠凝材料質(zhì)量的1.1%條件下，能夠滿足強(qiáng)度等級為C50的自密實(shí)高性能輕骨料混凝土的要求，工作性能良好，為實(shí)際工程提供了應(yīng)用基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

高性能輕骨料混凝土； 自密實(shí)； 配合比； 工作性能

1　引　言

自密實(shí)輕骨料混凝土(SCLC)是在自密實(shí)混凝土(SCC)和輕骨料混凝土(LWAC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型高性能混凝土[1]，兼具二者的優(yōu)勢，依靠自身重力無需外力振搗便可自動填充成型，減輕構(gòu)件自重、降低結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)，提高抗凍抗?jié)B，保溫隔熱及耐久性能。國內(nèi)外學(xué)者針對其配合比設(shè)計(jì)、工作性能、力學(xué)性能及耐久性等方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究與理論分析，本文在對自密實(shí)高性能輕骨料混凝土的最新研究進(jìn)展的討論基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)來優(yōu)化配合比中各參數(shù)的含量，獲得了具有良好力學(xué)性能及工作性能的自密實(shí)高性能輕骨料混凝土，為工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)。

2　自密實(shí)輕骨料混凝土研究概況

目前，國內(nèi)外學(xué)者在自密實(shí)輕骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)、工作性能、力學(xué)性能及耐久性等方面開展了研究，具體見表1。

表1　試驗(yàn)研究進(jìn)展

續(xù)表

注：(1)dmax：輕骨料最大直徑。密度：第一行為輕骨料表觀密度值，()內(nèi)為其堆積密度值。

(2)FA:粉煤灰。S：礦渣。GP：玻璃粉。LF：石灰石。SP：超塑化劑。VMA：粘度改性劑。HRWR：高性能減水劑。AE：增氣劑。STBLZR：穩(wěn)定劑。SF：流動擴(kuò)展度。

(3)T500：流動擴(kuò)展度試驗(yàn)時(shí)，混凝土流動半徑到達(dá)500 mm時(shí)的時(shí)間。tV：混凝土在V型漏斗中流完時(shí)間。U-box：試驗(yàn)中兩側(cè)混凝土的高度差。L-box：試驗(yàn)中兩端混凝土高度的比值。T400：L型槽試驗(yàn)中，混凝土流動到距離流下端400 mm時(shí)的時(shí)間。Orimet：混凝土穿過設(shè)備的時(shí)間。J-ring：流動擴(kuò)張度試驗(yàn)時(shí)，通過J環(huán)時(shí)與不通過J環(huán)時(shí)的擴(kuò)展度差值。Iseg：分層筒試驗(yàn)時(shí)，混凝土中輕骨料的離析指標(biāo)值。規(guī)范要求：550 mm≤SF≤850 mm，3 s≤tV≤25 s，L-box≥0.8，2 s≤T500≤5 s，U-box≤30 mm，J-ring≤10 mm

2.1配合比設(shè)計(jì)

粗骨料的種類在配合比設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，常用的有膨脹頁巖、黏土陶粒，浮石等，外加物主要有粉煤灰、礦渣、硅灰及高性能減水劑。通過改變水膠比及不同外加物的摻量，來進(jìn)行配合比的設(shè)計(jì)。 Yanai[2]等人研究了不同類別的輕骨料(不同密度的人造珍珠巖及粉煤灰輕骨料)、不同水膠比對自密實(shí)輕骨料混凝土強(qiáng)度、自密實(shí)性能及耐久性(凍融條件下)的影響。當(dāng)采用密度等級較高的輕骨料時(shí)，通過調(diào)整輕骨料的用量及選擇正確的水膠比，可以使SCLC獲得良好的流動性能、自動填充能力、抗離析性能及較高的抗壓強(qiáng)度。Müller和Haist[3]的試驗(yàn)以人造膨脹粘土陶粒為粗骨料，設(shè)計(jì)了密度等級在1500～2000 kg/m3之間的SCLC，同時(shí)用膨脹黏土和粉煤灰來代替部分砂子質(zhì)量，得到了密度等級更低的SCLC。

2.2工作性能

自密實(shí)輕骨料混凝土的工作性能主要是指其自動填充及通過鋼筋密集區(qū)而不發(fā)生堵塞的能力，國內(nèi)外一般采用V型漏斗試驗(yàn)、流動擴(kuò)展度試驗(yàn)、L型槽試驗(yàn)及U型槽試驗(yàn)來對其進(jìn)行評價(jià)。

Mechtcherine[4]等人以膨脹頁巖、黏土陶粒為粗骨料，普通河沙和輕砂(膨脹黏土砂和磨細(xì)礦渣)為細(xì)骨料，基于SCLC混合物工作性能的變化過程，共設(shè)計(jì)了五種不同配合比的密度在1440～1880 kg/m3之間的自密實(shí)輕骨料混凝土，為防止其表面的大孔隙在反應(yīng)中吸取額外的水，輕骨料提前預(yù)濕。研究了不同水膠比對凈漿(膠凝材料+粉體+水+高效減水劑)和砂漿(凈漿+砂子+增稠劑)流變性能(屈服強(qiáng)度和粘度系數(shù))的影響，同時(shí)研究了凈漿在砂漿中的含量對SCLC混合物流變性能的影響。結(jié)果表明：自密實(shí)輕骨料混凝土的流動擴(kuò)展度與普通自密實(shí)混凝土的流動擴(kuò)展度相同，但是T500和V型漏斗試驗(yàn)值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自密實(shí)混凝土的平均值。

Choi[5]等人重點(diǎn)研究了不同比例分?jǐn)?shù)的人造粗、細(xì)輕骨料(流紋巖)分別代替普通粗、細(xì)骨料時(shí)，自密實(shí)輕骨料混凝土流變性能的變化過程。發(fā)現(xiàn)自密實(shí)輕骨料混凝土的流動擴(kuò)展度和T500試驗(yàn)值都滿足自密實(shí)混凝土規(guī)范要求，但是當(dāng)砂子全部采用輕砂時(shí)，V型漏斗試驗(yàn)值及U型槽試驗(yàn)值不滿足日本規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)值。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了Yanai等人在1999年提出的當(dāng)骨料和凈漿的密度差增加時(shí)，SCLC的流變性能會降低的結(jié)論。

Müller和Haist[3]在試驗(yàn)中著重強(qiáng)調(diào)了粉體和砂漿的流變性能模型對于發(fā)展高質(zhì)量的自密實(shí)輕骨料混凝土的重要性，指出只是單純的減小砂漿和輕骨料之間的密度差并不能完全保證SCLC良好的自密實(shí)性能，并認(rèn)為粉體和砂漿的流變性能應(yīng)以優(yōu)化整體混合物的流變性能為目的，即要求混合物的屈服強(qiáng)度和粘性系數(shù)既能保證其高流動性、排氣性又可以阻止骨料上浮和集中堵塞。

Lo[6]等人在試驗(yàn)中保證普通自密實(shí)混凝土(NWSCC)和自密實(shí)輕骨料混凝土(SCLC)具有相同的抗壓強(qiáng)度和總的膠凝材料(水泥+粉煤灰)質(zhì)量，其中SCLC有更高的水泥含量和更低的水膠比，系統(tǒng)比較了這兩種混凝土之間工作性能的不同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SCLC的密度比NWSCC的密度低約25%；抗壓強(qiáng)度相等時(shí)，自密實(shí)輕骨料混凝土可以獲得和普通自密實(shí)混凝土相同能力的工作性能，同時(shí)SCLC的彈性模量比NWSCC低約15%。

Hubertova和Hela[7]研究了在自密實(shí)輕骨料混凝土中摻加硅灰時(shí)對其工作性能的影響。考慮到SCLC在60 min和90 min后工作性能的試驗(yàn)測試結(jié)果及普通自密實(shí)混凝土與自密實(shí)輕骨料混凝土之間動能的不同，建議規(guī)范中T500試驗(yàn)值由2～5 s修改為5～10 s，Orimet現(xiàn)場試驗(yàn)值由1～5 s改為4～10 s。

Wu[8]等人對自密實(shí)輕骨料混凝土的工作性能開展了流動擴(kuò)展度試驗(yàn)、L型槽試驗(yàn)及U型槽試驗(yàn)。研究表明：各項(xiàng)指標(biāo)值都滿足自密實(shí)混凝土規(guī)范要求，其中需要指出的是V型漏斗試驗(yàn)值超過了18 s；采用濕篩法、表面沉降觀測法及體積分層法等定量分析方法，可得出自密實(shí)輕骨料混凝土擁有很高的抗離析能力。

Wang[9]研究了以不同密度等級(800～1100 kg/m3)的干淤泥作為輕骨料配制的自密實(shí)輕骨料混凝土的工作性能。結(jié)果得出不同配合比的自密實(shí)輕骨料混凝土的流動擴(kuò)展度試驗(yàn)值在510～580 mm之間，其它試驗(yàn)值都滿足規(guī)范要求。Kim等[10]研究了半輕自密實(shí)混凝土(密度在2000～2300 kg/m3之間)的工作性能，發(fā)現(xiàn)隨著輕骨料密度等級的增加，混凝土混合物的流動性能得到了改善，但是其抗離析能力有一定程度的下降。

何廷樹、王振軍等[11]系統(tǒng)研究了粉煤灰摻量、砂率大小、減水劑含量及硅灰摻量對自密實(shí)輕骨料混凝土工作性能的影響。當(dāng)粉煤灰摻量在30%左右，砂率為50%左右，硅灰摻量為膠凝材料質(zhì)量的2%～6%時(shí)，SCLC可以獲得良好的工作性能。

2.3力學(xué)性能和耐久性

Shi和Wu[12]研究了在自密實(shí)輕骨料混凝土(膨脹頁巖陶粒、天然石英砂為粗、細(xì)骨料)中加入粉煤灰和玻璃粉時(shí)，其力學(xué)性能指標(biāo)及耐久性。研究表明：粗、細(xì)骨料的最優(yōu)比例為1∶1，試驗(yàn)中選擇了3∶2的比例配制出了更小密度等級的自密實(shí)輕骨料混凝土，其力學(xué)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求同時(shí)具有良好的耐久性。

Hwang和Hung[13]研究了不同水膠比、水泥漿含量及燒結(jié)的人造粉煤灰輕骨料對自密實(shí)輕骨料混凝土耐久性能的影響，其中膠凝材料由水泥、粉煤灰及礦渣混合而成。基于以下兩種設(shè)計(jì)方法：(1)以密度最大時(shí)混合物的物理性能最優(yōu)為假定的致密配合比設(shè)計(jì)算法(DMDA)(2)ACI211.2中關(guān)于選擇輕骨料混凝土中各摻量的標(biāo)準(zhǔn)。研究表明：當(dāng)水泥漿足夠多時(shí)，混合物中漿體和輕骨料的空隙體積達(dá)到最小，28d齡期后的SCLC將具有更高的結(jié)構(gòu)效率、電阻性能和抗氯離子侵蝕能力。

Hubertova和Hela[7]在試驗(yàn)中研究了骨料預(yù)濕后對自密實(shí)輕骨料混凝土性能的影響。骨料預(yù)濕后，SCLC可以獲得更好的工作性能、更高的抗壓強(qiáng)度、更優(yōu)的抗凍融能力；當(dāng)加入水泥質(zhì)量10%的硅灰時(shí)，SCLC的28d抗壓強(qiáng)度值比不摻加硅灰時(shí)高出15%到30%，抗凍融能力也有了一定程度的提高。

Papanicolaou和Kaffetzakis[14]研究了粗、細(xì)骨料的比例不同時(shí)，對強(qiáng)度等級為LC20/22、密度等級為D1.4(歐洲規(guī)范206-1)的天然浮石自密實(shí)輕骨料混凝土流變性能和力學(xué)性能的影響。Uygunoglu等[15]研究了不同類型的天然輕骨料(浮石、火山凝灰?guī)r、硅藻土)對SCLC力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：由硅藻土配制的SCLC流動性能最優(yōu)；含有天然浮石的自密實(shí)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，通過顯微鏡觀察其界面過渡區(qū)可以發(fā)現(xiàn)浮石和水泥漿體之間存在特殊的連接。

自密實(shí)高性能輕骨料混凝土的制備關(guān)鍵在于增大砂漿量的同時(shí)提高其粘性系數(shù)，采取較大的砂率來使?jié){體可以充分包裹骨料，添加化學(xué)外加劑(穩(wěn)定劑、增稠劑等)來增加漿體的粘性保證其可以包裹骨料一起運(yùn)動而不發(fā)生離析現(xiàn)象。由于混凝土材料的差異性，其配合比的設(shè)計(jì)需要在理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)室試配，才能得出其最優(yōu)的配合比參數(shù)值。

3　試　驗(yàn)

3.1原材料

輕骨料采用宜昌產(chǎn)碎石型膨脹頁巖陶粒，其顆粒大小為5～16 mm連續(xù)級配，主要技術(shù)指標(biāo)如下表2所示；水泥采用海螺牌P·O42.5水泥，實(shí)測28 d抗壓強(qiáng)度為49.1 MPa；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，SiO2和AI2O3含量分別為56.8%，26.2%；外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%，摻量為膠凝材料總質(zhì)量的1.0%；硅灰中SiO2含量為91.1%，燒失量為2.99。

表2　輕骨料的主要技術(shù)指標(biāo)

3.2攪拌工藝

為了制備出工作性能良好的自密實(shí)高性能輕骨料混凝土，投料順序如下：將砂子和粗骨料一同放入強(qiáng)制攪拌機(jī)中拌合30 s，然后加入總水量的75%攪拌30 s，再加入水泥、粉煤灰、硅灰攪拌60 s，最后加入剩下的水和減水劑，攪拌180 s。對拌好的混凝土進(jìn)行工作性能的檢測，然后將混凝土倒入強(qiáng)制攪拌機(jī)中攪拌120 s，最后澆筑試件[15]。

4　結(jié)果與討論

4.1配合比

采用固定砂石法[16]和全計(jì)算法[17]，外摻粉煤灰、硅灰及聚羧酸高性能減水劑，提出了三次試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比。試驗(yàn)混凝土配合比參數(shù)見下表3。

表3　試驗(yàn)混凝土配合比參數(shù)

4.2力學(xué)性能及工作性能試驗(yàn)結(jié)果

對設(shè)計(jì)的三種配合比的混凝土SCLC1、SCLC2和SCLC3測試其3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度，試件規(guī)格為100×100×100 mm立方體試塊，每組3塊，其抗壓強(qiáng)度值見下表4。同時(shí)開展了新拌自密實(shí)輕骨料混凝土坍落擴(kuò)展度、T500、V型漏斗試驗(yàn)、L型槽試驗(yàn)及U型槽試驗(yàn)[18]，來評價(jià)其工作性能，試驗(yàn)結(jié)果見下表5。

表4　試驗(yàn)混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

表5　試驗(yàn)混凝土工作性能指標(biāo)

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

由表4可知：自密實(shí)輕骨料混凝土SCLC3的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別為28 d抗壓強(qiáng)度的46.4%與68.7%，與普通混凝土相比，由于自密實(shí)輕骨料混凝土中摻加了大量的粉煤灰，而粉煤灰對混凝土后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)值較大，導(dǎo)致自密實(shí)輕骨料混凝土前期強(qiáng)度增加較慢，后期強(qiáng)度提高較多，同時(shí)摻加一定質(zhì)量的硅灰可以明顯的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

由表5可知：隨著自密實(shí)輕骨料混凝土工作性能的改善，流動擴(kuò)展度會有一定程度的降低，通過V型漏斗的時(shí)間逐漸增加，L型槽試驗(yàn)值(兩端混凝土高度的比值)由0.76上升到0.85，U型槽試驗(yàn)的高差逐漸減小，這是自密實(shí)輕骨料混凝土大流動性和抗離析性之間保持平衡的結(jié)果，砂漿包裹骨料一起運(yùn)動，減緩了流動速率，同時(shí)漿體包裹能力增強(qiáng)，黏聚性增加，骨料通過鋼筋能力增強(qiáng)，骨料在鋼筋密集處沒有發(fā)生集中堵塞現(xiàn)象。SCLC3的各項(xiàng)工作性能指標(biāo)均符合歐洲規(guī)范[18]。

5　結(jié)　論

(1)自密實(shí)高性能輕骨料混凝土的配合比難點(diǎn)在于解決大流動性和抗離析能力的矛盾，通過較大的砂漿量來保證其流動性，同時(shí)通過摻加化學(xué)外加劑來增加新拌混凝土的粘性系數(shù)，防止產(chǎn)生離析；

(2)設(shè)計(jì)并制備出干表觀密度為1832 kg/m3，強(qiáng)度等級為C50的自密實(shí)高性能輕骨料混凝土。水膠比為0.3，體積砂率為49%，粉煤灰摻量為30%，硅灰的摻量為4%。

[1] 張?jiān)茋?自密實(shí)輕骨料混凝土性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

[2] Yanai S,Sakata N,Nobuta Y,et al. Study on mix proportion for self-compacting high performance lightweight aggregate concrete[J].In:S.Helland,I.HolandandS.Smeplass,Eds. 2ndInternationalSymposiumonStructuralLightweightAggregateConcrete, Kristiansand, 18-22 June 2000. Norwegian Concrete Association 705-716.

[3] Muller,S,H,Haist,M. Self-compacting lightweight concrete[J].BetonwerkandFertigteilTechnik, 2004, 12:8-17.

[4] Mechtcherine,V Haist,M Hewener,et al.Self-compacting lightweight concrete-A new high-performance building material[J].In:K.OzawaandM.OuchiEds.2ndInternationalSymposiumonSelf-CompactingConcrete, 23-25 October 2001.COMS Engineering Corporation,21-28.

[5] Choi Y,W,Kim Y,J,Shin,Moon,H,Y. An experimental research on the fluidity and mechanical properties of high-strength lightweight self-compacting concrete[J].CementandConcreteResearch, 36:1596-1602.

[6] Lo T,Y,Tang P,W,C,Cui,et al. Comparison of workability and mechanical properties of self-compacting lightweight concrete and normal self-compacting concrete[J].MaterialsResearchInnovations,2007,11(1):45-50.

[7] Hubertova,M,Hela,R. The effect of metakaolin and silica fume on the properties of lightweight self-consolidating concrete[J].In:V.M.MalhotraEd. 9thACIInternationalConferenceonRecentAdvancesinConcreteTechnology,Warsaw 20-25 May 2007. SP-243, American Concrete Institute, 2007:35-48.

[8] Wu,Z Zhang,Y Zheng,J,et al. An experimental study on the workability of self-compacting lightweight concrete[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2009, 23:2087-2092.

[9] Wang,H,Y. Durability of self-consolidating lightweight aggregate concrete using dredged silt[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2009, 23:2332-2337.

[10] Kim, Y,J,Choi,Lachemi,M. Characteristics of self-consolidating concrete using two types of lightweight coarse aggregate[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2010, 24:11-16.

[11] 何廷樹，王振軍等. 自密實(shí)輕骨料混凝土工作性能的研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,(4):422-426.

[12] Shi,C. , Wu,Y. Mixture proportioning and properties of self-consolidating lightweight concrete containing glass powder[J].ACIMaterialsJournal, 2005, 102(5):355-363.

[13] Hwang,C,L , Hung,M,F. Durability design and performance of self-consolidating lightweight concrete[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2005, 19:619-626.

[14] Papanicolaou,C,Kaffetzakis,M. Pumice aggregate self-compacting concrete (PASCC)[J].In: 16thConferenceonConcrete,Paphos 21-23 October,2009.

[15] M,Lachemi,S,M,Sahmaran. Steel-concrete bond strength of lightweight self-consolidating concrete[J].MaterialsandStructures, 2009, 42:1015-102.

[16] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院. 自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國計(jì)劃出版社，2006.

[17] 陳建奎，王棟民. 高性能混凝土(HPC)配合比設(shè)計(jì)新法-全計(jì)算法[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2000，28(2):194-198.

[18] 歐盟專業(yè)建筑化學(xué)品和混凝土系統(tǒng). 歐洲自密實(shí)混凝土規(guī)程[S].2002.

Development of Self-compacting High Performance Lightweight Aggregate Concrete

WUTao,YUEZhi-hao,WANGJie,LIUXi

(School of Civil Engineering, Chang'an University,Xi'an 710061,China)

Self-compacting lightweight aggregate concrete, which has broad application prospects, has the characteristics of self-compacting concrete and lightweight aggregate concrete.According to the performance and mechanical properties, this paper introduced the existing research results both in china and abroad, mix proportions program research of LC50 strength class using different water-cement ratio and mineral admixtures was studied, the results of compressive strength ,slump flow test, V-funnel test, L-slot test and U-groove test were analyzed.The tests results shows: when the water-binder ratio was 0.3, the volume of sand rate was 49%, replacement rate of first class fly ash and silica fume (percentage of cement quality) was respectively 30% and 4%, 11% of the cementitious material quality was polycarboxylate superplasticizer, then self-compacting high performance lightweight aggregate concrete can meet the requirement of strength grade C50, which provides application foundation and theoretical basis for the actual project.

high strength lightweight concrete;self-compacting;mix design;workability

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578072,51578077)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2015KTZDSF03-04)；中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)(310828163410,310828161006)

吳濤(1976-)，男，教授，工學(xué)博士.主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究

劉喜，講師.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2224-06