粗骨料對高強自密實輕骨料混凝土性能的影響

李書明 曾志 劉競 鄭新國 謝永江

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

自密實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，自密實輕骨料混凝土具有輕質高強、隔熱保溫、抗震性好等特點［2］，能夠減輕建筑結構物的重量，優化結構斷面設計，已經應用于國內外多個大跨橋梁、高聳建筑中［3-4］。

自密實輕骨料混凝土于1991 年由日本學者提出［5］，隨后國內外學者相繼對其進行了研究。張云國等［6］研究了自密實輕骨料混凝土的工作性能，發現輕骨料混凝土隨著拌和時間的延長流動擴展度逐漸減小，隨著剪切流動速度的增大抗離析性逐漸降低。郭瑞等［7］研究發現，隨著陶粒摻量的增加，不同強度等級混凝土抗壓強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］研究了不同強度等級高強輕骨料混凝土配制技術，發現碎石型陶粒是最優骨料，水膠比為0.26可使混凝土抗壓強度達到70 MPa。陳萌等［9］研究了頁巖陶粒輕骨料混凝土梁的受剪承載力，并提出了相應的計算公式。

粗骨料作為自密實混凝土的主要組成材料之一，顯著影響自密實混凝土的性能。國內外的研究主要集中在輕骨料混凝土配制技術、工作性能、力學性能、耐久性能等方面，對于配制不同強度等級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的頁巖陶粒以及堆積密度為1 600 kg/m3的碎石，在相同配合比時，研究粗骨料對自密實混凝土和自密實輕骨料混凝土性能的影響，并采用光學顯微鏡觀察混凝土的微觀結構，揭示粗骨料影響混凝土耐久性能的原因。

1 試驗概況

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 連續級配的頁巖陶粒和碎石，主要技術參數見表1。砂為天然中砂，細度模數為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 粗骨料主要技術參數

1.2 配合比

根據JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》中松散體積法設計輕骨料混凝土，通過調整減水劑控制混凝土的坍落擴展度為600～630 mm，含氣量為3.0%～4.0%。混凝土的配合比見表2，3 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 試驗方法

抗壓強度、彈性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試，測試抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測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、氯離子擴散系數和電通量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》測試，其中抗凍性能采用快凍法測得。

微觀形貌采用上海研潤科技公司生產的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 試驗結果與分析

2.1 粗骨料對混凝土力學性能的影響

采用不同堆積密度粗骨料配制的混凝土，其密度、抗壓強度和彈性模量見圖1。

圖1 粗骨料對混凝土力學性能的影響

由圖1（a）可知：隨著養護時間的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增大，在28 d 以前混凝土抗壓強度增長趨勢比較顯著，28 d之后增長趨勢變緩；相同養護時間條件下，隨著粗骨料堆積密度的增大，混凝土抗壓強度逐漸增大。當養護時間分別為3，7，28，56，90 d時，500LC 輕骨料混凝土的抗壓強度分別為32.7，40.8，52.6，54.7，58.1 MPa，養護28 d混凝土強度等級達到LC40級；800LC 輕骨料混凝土的抗壓強度分別為45.4，49.6，71.7，72.3，75.6 MPa，養護28 d 混凝土強度等級達到LC60 級；1600C 普通碎石混凝土的抗壓強度分別為49.0，61.7，78.3，80.2，82.8 MPa，養護28 d混凝土強度等級達到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。當粗骨料堆積密度分別為500，800，1 600 kg/m3時，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。這是因為，隨著粗骨料堆積密度的增大，粗骨料的強度增大，造成混凝土的密度、抗壓強度和彈性模量也逐漸增大。因此，配制不同強度等級的輕骨料混凝土應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，在結構中應用輕骨料混凝土時，除了利用輕骨料混凝土帶來的重量降低之外，還需要關注彈性模量降低引起的結構剛度變化。

2.2 粗骨料對收縮性能的影響

按照養護時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的頁巖陶粒配制的輕骨料混凝土的塑性收縮基本相當。普通混凝土和輕骨料混凝土塑性收縮隨養護時間的變化規律顯著不同，普通混凝土塑性收縮曲線呈現兩個階段的變化規律：在養護時間為0～6 h 時，塑性收縮隨著養護時間的延長迅速增大，之后增長趨勢逐漸變緩。輕骨料混凝土的塑性收縮曲線呈現出三個階段的變化規律：第一階段對應養護時間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；第二階段對應養護時間6～12 h，塑性收縮進入緩沖區，在此階段，隨著養護時間的延長，塑性收縮略有降低；第三階段為12 h以后，塑性收縮又隨著養護時間的延長而逐漸增大。

圖2 粗骨料對混凝土收縮性能的影響

輕骨料是一種多孔材料，拌和時一部分水儲存其中，這部分水在水泥水化早期逐步釋放出來，供水泥水化使用，起到內養護的作用，造成輕骨料混凝土塑性收縮較小。但是輕骨料所儲存的水不會完全釋放出來，相當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，塑性收縮相對較大。因此輕骨料混凝土在凝結硬化的早期塑性階段具有較好的抗開裂性能，不易出現塑性裂縫。

由圖2（b）可知，粗骨料對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混凝土養護28 d的干燥收縮分別為247.5×10-6，264.2×10-6，302.8×10-6，養護 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，水泥漿體強度逐漸升高，粗骨料約束漿體變形的作用占主導地位。頁巖陶粒彈性模量較低，對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生的收縮應力大小，而收縮應力除了與收縮大小有關之外，還與混凝土的彈性模量有關，為二者的乘積［10］。粗骨料對混凝土干燥收縮應力的影響見圖3。普通混凝土的干燥收縮較小但是彈性模量很大，所以干燥收縮應力更大，開裂風險也更大。

圖3 粗骨料對混凝土收縮應力的影響

2.3 粗骨料對耐久性能的影響

抗凍性是評價混凝土耐久性的重要指標之一。粗骨料對混凝土抗凍性能的影響見圖4。

圖4 粗骨料對混凝土抗凍性能的影響

由圖4 可知，粗骨料對混凝土的相對動彈性模量影響顯著，輕骨料混凝土的相對動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動彈性模量損失低于800LC 輕骨料混凝土的。普通混凝土在凍融循環125次以后相對動彈性模量顯著降低，凍融循環175 次時相對動彈性模量僅為41.2%。800LC 輕骨料混凝土在凍融循環175 次之后相對動彈性模量才顯著降低，凍融循環250 次時相對動彈性模量為59.5%。500LC 輕骨料混凝土在凍融循環250 次之后相對動彈性模量才逐漸降低，凍融循環300次時相對動彈性模量為61.8%。這說明輕骨料混凝土具有較好的抗凍性能，適用于寒冷地區應用環境。

氯離子擴散系數和電通量主要反映混凝土的密實性，粗骨料對混凝土氯離子擴散系數和電通量的影響見圖5。可知，普通混凝土的氯離子擴散系數與輕骨料混凝土的相當，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構。

圖5 粗骨料對混凝土擴散系數和電通量的影響

2.4 粗骨料對微觀結構的影響

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，碎石結構比較致密，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構，造成輕骨料混凝土強度低且抗凍性好。普通混凝土中骨料與漿體的界面處呈細小的裂縫狀，界面過渡區較寬，且比較疏松；輕骨料混凝土中輕骨料與漿體界面處結合緊密，未見界面裂縫，界面過渡區比較致密。界面過渡區是混凝土的薄弱環節［11］，由此可知，輕骨料混凝土中界面過渡區引起的薄弱環節較少，因此輕骨料混凝土的耐久性優于普通混凝土的。

3 結論

在相同配合比時，改變粗骨料對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，抗壓強度和彈性模量也逐漸增大；配制LC60級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 以前增長較快，6 h之后增長緩慢。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于普通混凝土的。

3）輕骨料混凝土的抗凍性能顯著優于普通混凝土的；普通混凝土在凍融循環175次后，相對動彈性模量僅為41.2%。800LC 輕骨料混凝土在凍融循環250 次時，相對動彈性模量為59.5%；500LC 輕骨料混凝土在凍融循環300次時，相對動彈性模量為61.8%。輕骨料混凝土的密實性與普通混凝土的相當。

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