輕骨料混凝土自密實(shí)性能研究進(jìn)展

繆金良，朱炎寧，史澤波，魯萬卿

（1. 中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830000；2. 中建科技河南有限公司，河南　鄭州　450000）

輕骨料混凝土自密實(shí)性能研究進(jìn)展

繆金良1,2，朱炎寧1，史澤波2，魯萬卿2

（1. 中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆烏魯木齊830000；2. 中建科技河南有限公司，河南鄭州450000）

本文從配合比設(shè)計(jì)方法、工作性能、力學(xué)性能、耐久性能和高溫性能等方面對自密實(shí)輕骨料混凝土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

輕骨料；自密實(shí)；混凝土；研究現(xiàn)狀

0　前言

混凝土是當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的建筑材料，隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步，各個(gè)國家對建筑物的品質(zhì)和安全性能要求也越來越高。因此，高性能混凝土隨之出現(xiàn)。自密實(shí)輕骨料混凝土（Self-Compacting Lightweight Concrete, SCLC）是在自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型高性能混凝土。它不僅具有自密實(shí)混凝土澆筑免振搗的優(yōu)點(diǎn)，能較好的解決配筋較為密集部位施工不便的問題；又有自重輕，可以降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)[1]，并能夠同時(shí)兼具較好的耐久性、耐高溫性、抗震性和抗裂性。所以，自密實(shí)輕骨料混凝土在高層建筑、抗震防火設(shè)計(jì)、大跨結(jié)構(gòu)、橋梁隧道等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景、顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

目前關(guān)于 SCLC 的研究主要集中在配合比設(shè)計(jì)、工作性能、力學(xué)性能、耐久性能和高溫性能等方面[2]。本文將以以上5個(gè)方面為基礎(chǔ)，對過往國內(nèi)外論文進(jìn)行分析總結(jié)。

1　配合比設(shè)計(jì)方法

配合比設(shè)計(jì)是混凝土工程學(xué)中最基本而又最重要的一個(gè)問題，配制 SCLC 的關(guān)鍵問題在于使混凝土具有非常好的流動性、自密實(shí)性和抗離析性，同時(shí)又在骨料自重較輕的情況下能夠均勻地分布于漿體之中，并且不會出現(xiàn)上浮和漂移。

SCLC 從根本上來說還是自密實(shí)混凝土的一種，其主要是由砂漿和骨料組成。張?jiān)茋萚3]依據(jù)此原則，采用體積累加法先配制自密實(shí)砂漿，然后采用砂漿超量取代輕骨料空隙體積的20%，可以快速得到 SCLC 的配合比，減少了試配次數(shù)，提高了配合比設(shè)計(jì)效率。但這種方法較為復(fù)雜，對于大量生產(chǎn)具有相應(yīng)的局限性。因此根據(jù)配制自密實(shí)混凝土的固定砂石體積法，結(jié)合陳建奎教授提出的全計(jì)算法[4]，成為目前配合比設(shè)計(jì)的常用方法[5]，其主要設(shè)計(jì)過程如下：

式中：fcu,o——混凝土配制強(qiáng)度，MPa；

fcu,k——混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；

σ ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

式中：MLα——輕粗骨料用量，kg/m3；

α ——輕粗骨料用量堆積系數(shù)，0.50～0.60；

ρLα——輕粗骨料的堆積密度，kg/m3。

式中：Ms——砂用量，kg/m3；

β——漿體中砂的體積系數(shù)，0.43～0.50；

Vm——漿體體積，m3；

ρα——輕骨料的表觀密度，kg/m3；

Va——空氣體積，m3。

（4）根據(jù)混凝土水膠比定則，計(jì)算水膠比：

式中：fcu,o——配制強(qiáng)度，MPa；

m(w)——水的質(zhì)量，kg/m3；

m(c+f)——膠凝材料質(zhì)量，kg/m3；

fce——水泥實(shí)際強(qiáng)度，MPa；

A, B——回歸系數(shù)，按 JGJ55—2011取值。

（5）根據(jù)全計(jì)算法體積累加原則，計(jì)算用水體積：

式中：Vep——漿體體積，m3；

ρc——水泥密度，kg/m3；

ρf——摻合料密度，kg/m3；

φ——摻合料取代水泥體積摻量。

（6）若不對輕骨料進(jìn)行預(yù)濕，考慮輕骨料吸水性，計(jì)算輕骨料吸水質(zhì)量為：

式中：ωe——輕骨料24h 吸水率，%。

（8）計(jì)算膠凝材料用量：

依據(jù)以上全計(jì)算方法，整理得出部分以此為基礎(chǔ)計(jì)算得到的配合比[5-8]，并對相應(yīng)的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對比，得到如表1的結(jié)果。

影響自密實(shí)混凝土工作性的因素除了添加礦物摻合料的種類和摻量之外，投料的順序和方式也有著顯著的影響，普通方法拌制混凝土通常是將膠凝材料、骨料一次性投料，接著加入定量的外加劑和水，這種方法適用于一般混凝土，但對于 SCLC 來說，稍顯不足。麻建鎖等[9]以粉煤灰和硅灰為摻合料，先預(yù)拌膠凝材料砂漿90s，然后再與輕骨料共同拌制60s 的投料方式，得到和易性較好，無離析、泌水，輕骨料不上浮的 SCLC，28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到52.6MPa，干表觀密度為1740kg/m3。同時(shí)，采用預(yù)濕輕骨料的方法能夠改善和易性、減少骨料上浮和經(jīng)時(shí)損失問題，1h 坍落度經(jīng)時(shí)損失僅15mm。楊樹桐等[10]以2～3.5mm 改性聚丙烯塑料顆粒等體積替代細(xì)骨料制備 SCLC，結(jié)果表明：隨著塑料顆粒的增加（0～15%），擴(kuò)展度增加，且經(jīng)時(shí)損失均小于不摻時(shí)的情況，但對混凝土的抗離析性影響不明顯。

2　自密實(shí)輕骨料混凝土性能研究

2.1工作性能研究

陶粒輕骨料由于自重較小，在膠凝基體中很容易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。若輕骨料上浮，則無法保證其工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。影響輕骨料上浮的主要因素有骨料的顆粒粒徑、骨料密度與膠凝基體密度的差值、膠凝基體的粘性和膠凝基體材料的剪切屈服應(yīng)力。骨料顆粒粒徑越小，骨料與膠凝基體材料的密度差值越小，則越不容易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

李曉斌[11]以1h 坍落擴(kuò)展度損失率為考察指標(biāo)，分別研究了水膠比、水泥用量、陶粒性能對 SCLC 力學(xué)性能的影響。采用 Design-Expert 軟件，以陶粒吸水率 A、預(yù)濕時(shí)間為因變量，以1h 坍落擴(kuò)展度損失率 Y 為響應(yīng)值，做方差分析得出線性模型表明：陶粒吸水率對混凝土的工作性能影響最大；結(jié)合對自密實(shí)混凝土工作性能的要求，制備 SCLC 所選用的陶粒24h 吸水率宜小于10%，預(yù)濕時(shí)間可控制在1h 左右。力學(xué)性能試驗(yàn) SEM 圖片表明，表面多孔的圓形淤泥顆粒比少孔的圓形海泥顆粒具有更好的粘結(jié)性能。陶粒表面的多孔性，有利于減少陶粒表面處水膜厚度和降低界面過渡區(qū)的水灰比。此外，潤濕陶粒有利于增強(qiáng)過渡區(qū)的密實(shí)度和改善過渡區(qū)結(jié)構(gòu)。

王超凡[12]采用圓度較好，筒壓強(qiáng)度高，級配合理且表面麻澀的粉煤灰陶粒，設(shè)計(jì)試配出 C40、C50、C60的自密實(shí)輕骨料混凝土，并且用粉煤灰陶砂部分取代普通砂制備出的試塊，其強(qiáng)度不降反升，且耐久性能也得到了明顯的提高，考慮其原因主要是因?yàn)椴捎梅勖夯姨樟：吞丈皽p少了混凝土中的堿量且又摻入了礦粉等低堿摻合料。王振軍[13]等研究了輕骨料預(yù)處理對混凝土工作性能的影響，結(jié)果表明水泥裹漿法能夠明顯減小拌合物坍落度損失，增加擴(kuò)展度，減少流動時(shí)間，從而改善了其工作性能。

2.2力學(xué)性能研究

SCLC 的力學(xué)性能研究主要包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量等。

Choi 等[14]研究了 SCLC 抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律，同時(shí)做了彈性模量試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)等，所配制的混凝土最高強(qiáng)度達(dá)到69MPa，其研究結(jié)果表明與普通骨料自密實(shí)混凝土相比，SCLC 抗壓強(qiáng)度與密度的比值明顯提高，尤其是隨著輕細(xì)骨料的增加這個(gè)規(guī)律更加明顯，同時(shí)彈性模量也隨著輕骨料用量的增加而減小。Hwang 等[15]所配制的 SCLC28天抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)51MPa，其研究結(jié)果表明 SCLC 的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而顯著增加。水膠比是控制混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素。隨著粉煤灰用量的增加，SCLC 的后期強(qiáng)度增加幅度很大。王振軍[13]對 SCLC 的抗壓、抗折強(qiáng)度及彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)，其最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到58.2MPa。通過與同強(qiáng)度等級的普通混凝土對比表明，SCLC 的折壓比小于普通混凝土，抗折性能略差，彈性模量為普通混凝土的6%～80%。

目前國內(nèi)外所研究的 SCLC 的抗壓強(qiáng)度主要集中在20～70MPa 之間，劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量均略低于同等級的普通混凝土。

表1　配合比設(shè)計(jì)及性能統(tǒng)計(jì)表

2.3耐久性能研究

以現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，SCLC 的耐久性能和普通混凝土以及自密實(shí)混凝土的研究也基本一致，其主要包括抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化和收縮性能，目前國內(nèi)外對于 SCLC 的耐久性研究較少。

何廷樹、王振軍等[13]對 SCLC 進(jìn)行了抗凍、抗?jié)B、抗碳化以及干縮試驗(yàn)。其研究結(jié)果表明，SCLC 的抗?jié)B性能和抗碳化性能相較于普通混凝土均有較大幅度的提高。這可能是因?yàn)?SCLC 水灰比較小并且粉煤灰等礦物摻合料用量較大。由于自密實(shí)混凝土中的水泥用量較高，水泥自身的干縮等因素導(dǎo)致 SCLC60天齡期內(nèi)的收縮性能要略高于普通混凝土。

陳月順等人[16]主要研究了 SCLC 抗?jié)B性能和干縮性能，結(jié)果表明干縮性能隨著 UEA 和聚丙烯纖維的加入而減小，說明這二者對 SCLC 的干縮具有一定的抑制作用。

2.4高溫性能研究

由于輕骨料的高吸濕性和自密實(shí)混凝土的密實(shí)性，輕骨料混凝土和自密實(shí)混凝土的高溫爆裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重[17]，但和普通混凝土相比，高溫后，輕骨料混凝土的力學(xué)性能雖有降低，但降低幅度比普通混凝土略低。吳熙等[18]通過測定SCLC 高溫試驗(yàn)前后的質(zhì)量、相對超聲波速、相對抗壓強(qiáng)度和相對抗折強(qiáng)度，研究了 SCLC 的爆裂性能和高溫后殘余強(qiáng)度規(guī)律，結(jié)果表明：自密實(shí)混凝土由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，高溫下產(chǎn)生的水蒸氣更難以逸出，從而導(dǎo)致較高的蒸汽壓，產(chǎn)生爆裂。SCLC 在高溫下的質(zhì)量損失較大，400℃ 之前混凝土的質(zhì)量損失比較明顯，這部分損失主要來源于自由水和結(jié)合水[19]，400℃ 之后混凝土的質(zhì)量損失率略微波動，變化速率減小，這部分的損失來自于混凝土中化合物例如 Ca(OH)2的分解。SCLC 的殘余強(qiáng)度在發(fā)生爆裂前僅下降到70% 左右，略大于普通混凝土。

3　總結(jié)與展望

綜上所述，近年來國內(nèi)外學(xué)者對 SCLC 相繼做了一定的研究，但多數(shù)是依托自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土進(jìn)行的，對于自密實(shí)輕骨料混凝土尚未有相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，這就相應(yīng)限制了 SCLC 的推廣和應(yīng)用。在 SCLC 的研究中，有以下幾個(gè)方向可供探索：

（1）雖然國內(nèi)外有較多關(guān)于 SCLC 工作性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但并不統(tǒng)一，而且對于抗離析性能和輕骨料勻質(zhì)性研究有待加強(qiáng)。

（2）輕骨料吸水率很大，尤其在壓力作用下會進(jìn)一步吸水，影響其工作性能。這將嚴(yán)重制約技術(shù)的推廣和工程應(yīng)用。

（3）SCLC 力學(xué)性能的研究主要集中在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和收縮性能等方面，而對其徐變性能、耐火性能、溫脹系數(shù)和節(jié)點(diǎn)抗剪能力的研究還很缺乏。

（4）如何能夠在提高 SCLC 抗爆裂性能的同時(shí)，又能保證較高的殘余力學(xué)性能，是混凝土高溫性能研究的一個(gè)方向。

（5）對于 SCLC 應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中的抗震性能，以及自密實(shí)混凝土剪力墻和板的研究還很少，也是目前 SCLC 研究中的一個(gè)不足之處。

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［通訊地址］河南省鄭州市鞏義市小關(guān)鎮(zhèn)鋼構(gòu)公司院內(nèi)

（450000）

Research status of light aggregate self-compaction concrete

Miao Jinliang1,2, Zhu Yanning1, Shi Zebo2, Lu Wanqing2
(1. China West Construction Group Company, Xinjiang Urumqi830000;2. China Construction Science & Techonoly Henan Co., Ltd., Henan Zhengzhou450000)

In this paper, research status of the method of mixtureratiodesign, work performance, mechanical property, durability and high temperature property of light self-compaction concrete will be report.

light aggregate; self-compaction; concrete; research status

繆金良（1988—），男，漢族，碩士，現(xiàn)任中建科技河南有限公司質(zhì)量檢驗(yàn)部業(yè)務(wù)經(jīng)理，工程師，主要從事混凝土及其預(yù)制構(gòu)件等新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)與研究。