高速公路改擴建工程陶粒混凝土制備及應用研究

王祖堅 李盈富 蔣子杰

摘要：針對目前改擴建工程項目中拼接涵洞的基底換填小面積基坑無法碾壓的施工工藝難題，文章通過室內試驗完成自密實陶粒混凝土配合比設計，選出滿足涵洞基底換填材料所需的強度及輕質要求的最佳配合比，并應用于改擴建工程涵洞基底換填中。

關鍵詞：陶粒混凝土;改擴建工程;基底換填;應用

中圖分類號：U412.36+6A080274

0 引言

陶粒混凝土是一種表觀密度小于1 950 kg/m3的混凝土，它由陶粒、水泥、輕砂和水配制而成[1]。目前，相對于普通混凝土來說，陶粒混凝土在我國是一種相對比較新的品種，其影響力僅次于普通混凝土。

陶粒混凝土的應用領域非常廣泛，它具備強度可設計、輕質且耐久等性能優點，除了可以用于主要承重結構，還可以用于非承重結構。所以陶粒混凝土的發展途徑主要為減輕結構自重，向輕質、高強方向發展[2-3]。隨著我國經濟建設的不斷發展，帶來能源需求的不斷擴增，使得綠色能源的開發突飛猛進，成為建筑材料行業的新經濟增長點。在20世紀90年代初，陶粒混凝土開始陸續在建筑工程及公路橋梁施工中出現，隨著我國經濟、國力的不斷增強，交通運輸需求增長，輕質陶粒混凝土在公路工程應用日漸廣泛。國內外已對輕質陶粒混凝土結構進行了較為系統的研究[4-7] ，我國已頒布了相應的行業標準[8-9]。但是在涵洞基底換填領域，對輕質陶粒混凝土結構的研究很少，許多方面甚至是空白，更無相應的設計標準可循。

基于陶粒混凝土在國內外研究成果，針對目前改擴建工程中拼接涵洞的基底換填，小面積基坑無法碾壓的施工工藝難題，本文采用普通硅酸鹽水泥，摻加輕質陶粒材料的方法以改善陶粒混凝土的工作性和力學性能，從而改善其耐久性，增強陶粒混凝土強度，以配制出滿足涵洞基底換填性能要求的陶粒混凝土。

1 試驗部分

1.1 原材料

膠凝材料：選用廣西魚峰水泥股份有限公司普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。

粗集料：級配采用5～10 mm、10～20 mm和20～31.5 mm按三級摻配。

細集料：選用柳州陽陽砂場機制砂生產加工的河卵石及來賓市良信礦業有限公司生產加工的石灰巖。

外摻料：普通輕質陶粒，規格為5～10 mm。

水：潔凈水。

1.2 試驗方法

（1）根據原材料性能和陶粒混凝土的設計強度和容重要求，參照相關參數（水泥的用量、確定總用水量、砂率或有效用水量）。

（2）配制材料。按照比例來稱取各個物料。

（3）攪拌與成型。首先將陶粒放入攪拌機，攪拌機采用小型臥式進行拌和，隨后加入水泥并進行攪拌，使陶粒表面形成一層水泥裹層。接著放入粗細集料和摻合料干攪拌3 min后，再均勻加水濕攪拌3 min，最后卸出所有物料并振動成型。

1.3 配合比設計

1.3.1 設計依據

《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2000）;

《水泥混凝土及公路工程水泥試驗規程》（JTG E30-2005）;

《輕骨料混凝土及輕骨料技術規定和試驗方法》（J78-2）;

《柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程結構物基底換填方案討論會議紀要桂海紀要》〔2016〕16號文。

1.3.2 配合比設計要求

配合比設計不但要滿足涵洞基底換填所需的強度和容重要求，還要在獲得預期性能的情況下，以求混凝土各組成材料用量下最經濟的配合比，其設計目的與普通混凝土是一樣的。在最經濟的狀態下既保證了涵洞基底換填結構的安全，也能帶來較為理想的技術經濟指標，滿足施工要求，并節約水泥，合理降低成本。基底換填陶粒混凝土配合比設計要求7 d強度達到7.5 MPa以上，同時混凝土容重為1 300～1 900 kg/m3。

2 混凝土配合比設計試驗結果

通過室內試驗完成配合比設計，確定該配合比的材料和最佳配合比例滿足技術要求，考查對性能指標影響程度的各個影響因素，以便找出有利于陶粒混凝土強度的各組分的摻量，查找各個影響因素對性能指標的影響程度。在這基礎上，進行下一步的試驗論證，通過驗證坍落度、容重、3 d和7 d的抗壓強度等性能，配制出滿足涵洞基底換填施工工作性及力學性能要求的陶粒混凝土。

2.1 材料比例（見表1）

2.2 坍落度試驗結果（見表2）

由表2可知，配比1坍落度過低，不利于施工，配比2、配比3和配比4坍落度偏低，配比5的坍落度滿足施工和易性要求。

2.3 容重試驗結果（見表3）

由表3可知，5個配比試驗結果容重均滿足要求，配比1、配比4及配比5的容重效果好，可極大減少涵洞基底承載力。

2.4 抗壓強度試驗結果（見表4）

從表4可見，試件的力學抗壓強度都比較高，7 d的強度均達到所定C15陶粒混凝土要求的技術指標，尤其配比2和配比4的強度較高。

2.5 混凝土試驗后效果

通過選用不同的配比進行設計試驗，驗證坍落度、容重、3 d和7 d的抗壓強度等性能，綜合以上各項指標試驗結果推薦陶粒混凝土配合比：配比4及配比5滿足涵洞基底換填施工工作性及力學性能要求，結合混凝土7 d強度已>7.5 MPa的結果，陶粒混凝土配合比可采用以下比例進行施工：

水泥∶砂（河卵石機制砂）∶粗集料（5～10）mm∶粗集料（10～20）mm∶粗集料（20～31.5）mm∶陶粒∶水法的參配比例為：1∶2.81∶0.32∶0.65∶1.94∶0.97∶0.80;

每立方用量（設1 700 kg/m3）：200∶562.8∶64.8∶129.5∶388.6∶194.3∶160

水泥∶砂（石灰巖機制砂）∶粗集料（5～10）mm∶粗集料（10～20）mm∶粗集料（20～31.5）mm∶陶粒∶水的參配比例為：1∶2.82∶0.33∶0.65∶1.95∶0.97∶0.78;

每立方用量（設1 700 kg/m3）：200∶564.5∶65.0∶129.9∶389.8∶194.9∶156。

3 陶粒混凝土工程應用

本文對柳南改擴建工程項目涵洞基底換填進行了現場調研，通過調研發現改擴建工程項目中許多拼接涵洞存在基底換填面積小的問題，不利于機械設備施工及碾壓，所以選用了陶粒混凝土來進行基底換填。因為陶粒的堆積密度較小且具備多孔結構的吸水特性，即使陶粒混凝土的施工工藝與普通混凝土基本相似，但在工程實際應用過程中還是要注意混凝土配料、設備、運輸、成型及養護，才能保證工程質量。

3.1 陶粒混凝土配料生產設計

陶粒混凝土在進行大量施工前，要先通過試拌試驗確定用水量，在施工的過程當中應及時調整相應的用水量并經常性地檢測粗細骨料中的含水量。因為陶粒的空隙具有吸水性，所以在攪拌前先對陶粒混凝土浸水半小時左右，有利于增加混凝土強度。

3.2 陶粒混凝土的生產設備和運輸

在陶粒混凝土的生產過程中，為避免混凝土出現離析的現象，優選低頻低幅度的混凝土振搗器。同時宜選用泵送混凝土運輸車運送混凝土，且為避免混凝土在澆筑之前出現初凝現象，應盡可能地減少其倒運時間。

經攪拌過后的陶粒混凝土，應盡快運到施工現場并澆注入模。在運輸或停放的過程中，若出現了混凝土的和易性損失，為恢復其和易性，宜在澆注前進行機械或人工的二次攪拌。

3.3 涵洞基底換填的澆注與成型

陶粒混凝土的澆注方法采用分層振搗來進行填筑，振搗的時間比普通混凝土的振搗時間少。在沒有使用緩凝劑的情況下，為避免混凝土過度振搗出現離析現象，混凝土從卸出到澆注的時間不宜超過1 h。

3.4 陶粒混凝土的養護

陶粒的孔隙使其吸收水分，伴隨混凝土水分的蒸發，陶粒內部吸收的水分不斷向灰漿中轉移。在一定時間內，具有自動供給水泥水化用水的特點，形成良好的養護條件。在比較潮濕的氣候，無須進行灑水和覆蓋養護，陶粒混凝土中的水分就可以提供水泥的水化用水。但在炎熱干燥的夏季，就要進行覆蓋、噴水養護，避免混凝土出現表面干燥、收縮等現象。由于陶粒混凝土具有堆密度小、導熱系數低等特點，再加上混凝土中水泥的用量較大，在夏季高溫季節，應更注意混凝土的養護方法以免出現溫度裂縫。陶粒混凝土的養生期一般>3 d，直至強度達到設計強度的70%，才能開放交通。

4 結語

在高速公路改擴建工程中，用于涵洞基底換填的陶粒混凝土最突出的優點為強度高、質量輕，與常規涵洞基底換填級配碎石填料相比，可大大降低涵洞基底填料自重，減輕了結構的荷載，提高了涵洞基底的強度及耐久性。陶粒混凝土與普通混凝土相比，還具有自抗滲能力強、抗水沖刷能力強等特點。作為涵洞基底換填的材料，陶粒混凝土既滿足結構承載力的要求，還可節約大量資金，對施工機械設備要求低，對涵洞小面積基坑施工便利，陶粒混合料直接填筑自密實，大大減少了施工工藝環節，其社會效益非常明顯。在今后的改擴建工程中涉及拼接涵洞基底換填，陶粒混凝土提供了一個經濟可靠的技術措施，為公路改擴建工程提供一個良好的思路。

參考文獻：

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[8]JGJ51-2002，輕骨料混凝土技術規程[S].

[9]JGJ12-2006，輕骨料混凝土結構技術規程[S].

收稿日期：2020-04-09