【摘 要】：本文通过大量的试验数据，研究强度等级LC25的预拌轻骨料混凝土的配制技术，并简要介绍了轻骨料混凝土的施工技术。
【关键词】：轻骨料混凝土 配制技术 施工技术
1 引言
轻骨料混凝土具有轻质、高强、保温和耐火等优点，并且变形性能良好。轻骨料混凝土应用于建筑工程中在满足强度及其它性能要求的同时可大幅度减轻结构物的自重，利用这一特性，在一些特殊的结构中轻骨料混凝土有非常重要的应用价值。
在北京市轻骨料混凝土已逐渐应用于高层建筑结构中，并发挥其优良的作用。为满足一些工程的特殊要求，经过大量的试验研究，并在科研、设计单位的大力协助下，我们成功配制出密度等级1400 kg/m3，强度等级LC25的预拌轻骨料混凝土，并被成功应用于高层建筑结构施工中。为使轻骨料混凝土技术得到进一步的总结和推广，产生更大效益，特撰写本文对该技术的的研究及施工应用情况作一介绍。
2 原材料
2.1 轻粗集料
陶粒采用天津武清生产的粘土陶粒，其性能指标见表1。
表1 粘土陶粒的性能指标
|
陶粒种类 |
密度等级 |
公称粒径
(mm) |
松散堆积密度
（kg/m3） |
颗粒表观密度
（kg/m3） |
吸水率
(%) |
筒压强度
(MPa) |
|
a |
600 |
5-16 |
564 |
960 |
9.5 |
3.4 |
|
b |
700 |
5-16 |
628 |
1020 |
9.2 |
3.9 |
|
c |
800 |
5-16 |
785 |
1180 |
9.0 |
4.3 |
2.2 轻细集料
轻细集料采用天津武清生产的粘土陶砂，其性能指标见表2。
表2 陶砂的性能指标
|
公称粒径
(mm) |
密度等级 |
细度模数 |
松散堆积密度
（kg/m3） |
颗粒表观密度
（kg/m3） |
吸水率
(%) |
|
0-5 |
800 |
3.4 |
774 |
1130 |
7.7 |
2.3 黄砂
选用永定河水系质量合格，级配合理的中砂。其表观密度2680kg/m3，容重1510kg/m3，细度模数2.5，含泥量1.4%，泥块含量0.3%。
2.4 水泥
选用唐山冀东水泥厂生产的盾石牌P.O42.5R低碱水泥，其主要物理化学性能见表3。
表3 水泥的主要物理化学性能
|
细度
(%)
(R+80µm) |
比表
面积
(cm2/g) |
密度
(g/cm3) |
MgO
(%) |
SO3
(%) |
碱含量
(%) |
抗压强度
(MPa)
3d 28d |
抗折强度
(MPa)
3d 28d |
|
2.4 |
3650 |
3.10 |
1.45 |
2.49 |
0.49 |
27.8 59.5 |
5.6 8.8 |
2.5 粉煤灰
选用北京市三热电达信公司生产的优质Ⅱ级磨细粉煤灰，其密度2.42g/cm3，需水量比98%，45µm方孔筛筛余9.9%，粉煤灰的化学成分见表4。
表4 粉煤灰的化学成分
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SO3 |
MgO |
K2O |
Na2O |
Loss |
|
56.61 |
21.73 |
9.80 |
4.77 |
0.80 |
2.22 |
2.63 |
0.68 |
0.76 |
2.6 混凝土外加剂
选用北京兴宏光建材厂生产的复合型萘系高效减水剂WDN—7。其含固量为38%，掺量2.0%～2.5%，减水率24%，7d抗压强度比156%，28d抗压强度比137%。
3 正交试验及结果分析
3.1 因素水平表（表5）
表 5 因素水平表
|
因素
水平 |
A
陶粒密度等级 |
B
水胶比 |
C
砂率 (%) |
D
粉煤灰掺量（%） |
|
1 |
600 |
0.35 |
38 |
15 |
|
2 |
700 |
0.37 |
42 |
20 |
|
3 |
800 |
0.39 |
46 |
25 |
3.2 试验方案与极差分析（表 6）
表 6 L9（34）试验方案与极差计算结果
|
因素
编号 |
密度等级A |
水胶比
B |
砂率
C |
粉煤灰掺量D |
干表观密度
(kg/m3)) |
弹性模量
MPa×103 |
R28
(MPa) |
| |||||||||
|
1 |
1（600） |
1（0.35） |
3（46） |
2（20） |
1380 |
16.5 |
35.7 |
| |||||||||
|
2 |
2（700） |
1（0.35） |
1（38） |
1（15） |
1400 |
16.9 |
36.4 |
| |||||||||
|
3 |
3（800） |
1（0.35） |
2（42） |
3（25） |
1530 |
19.3 |
37.8 |
| |||||||||
|
4 |
1（600） |
2（0.37） |
2（42） |
1（15） |
1370 |
15.9 |
32.1 |
| |||||||||
|
5 |
2（700） |
2（0.37） |
3（46） |
3（25） |
1460 |
16.3 |
34.8 |
| |||||||||
|
6 |
3（800） |
2（0.37） |
1（38） |
2（20） |
1510 |
16.8 |
35.1 |
| |||||||||
|
7 |
1（600） |
3（0.39） |
1（38） |
3（25） |
1350 |
14.8 |
33.7 |
| |||||||||
|
8 |
2（700） |
3（0.39） |
2（42） |
2（20） |
1420 |
16.6 |
34.0 |
| |||||||||
|
9 |
3（800） |
3（0.39） |
3（46） |
1（15） |
1550 |
17.1 |
34.7 |
| |||||||||
|
|
干
表
观
密
度 |
K1 |
1367 |
1437 |
1420 |
1440 |
|||||||||||
|
|
K2 |
1427 |
1447 |
1440 |
1437 |
||||||||||||
|
|
K3 |
1530 |
1440 |
1463 |
1447 |
||||||||||||
|
|
△K |
163 |
10 |
43 |
10 |
||||||||||||
|
|
R28
|
K1 |
33.8 |
36.6 |
35.1 |
34.4 |
|||||||||||
|
|
K2 |
35.1 |
34.0 |
34.6 |
34.9 |
||||||||||||
|
|
K3 |
35.9 |
34.1 |
35.1 |
35.4 |
||||||||||||
|
|
△K |
2.1 |
2.5 |
0.5 |
1.0 |
||||||||||||
|
|
弹性模量 |
K1 |
15.8 |
17.6 |
16.2 |
16.6 |
|||||||||||
|
|
K2 |
16.6 |
16.5 |
17.3 |
16.6 |
||||||||||||
|
|
K3 |
17.9 |
16.2 |
16.6 |
16.8 |
||||||||||||
|
|
△K |
1.9 |
1.4 |
1.1 |
0.2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3 方差分析（表7）
表 7 方差分析
|
考核指标 |
因 素 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F值 |
临界值 |
|
干
表
观
密
度 |
A |
40750 |
2 |
20375 |
55.142 |
F0.01（2，18）=6.01 |
|
B |
127 |
2 |
64 |
0.172 |
F0.05（2，18）=3.55 | |
|
C |
2614 |
2 |
1307 |
3.537 |
F0.10（2，18）=2.62 | |
|
D |
164 |
2 |
82 |
0.222 |
||
|
Se |
6651 |
18 |
370 |
|||
|
Sτ |
50306 |
26 |
||||
|
R28 |
A |
6 |
2 |
3 |
6 |
F0.01（2，18）=6.01 |
|
B |
13 |
2 |
6.5 |
13 |
F0.05（2，18）=3.55 | |
|
C |
0 |
2 |
0 |
0 |
F0.10（2，18）=2.62 | |
|
D |
2 |
2 |
1 |
2 |
||
|
Se |
9 |
18 |
0.5 |
|||
|
Sτ |
30 |
26 |
||||
|
弹
性
模
量 |
A |
6 |
2 |
3 |
127.66 |
F0.01（2，18）=6.01 |
|
B |
4 |
2 |
2 |
85.11 |
F0.05（2，18）=3.55 | |
|
C |
2 |
2 |
1 |
42.55 |
F0.10（2，18）=2.62 | |
|
D |
0 |
2 |
0 |
0 |
||
|
Se |
0.423 |
18 |
0.0235 |
|||
|
Sτ |
12.423 |
26 |
3.4 试验结果讨论
由表6的试验结果可以看出，对干表观密度的影响顺序为：A＞C＞B＞D，其中A和C是关键影响因素；对于28天强度的影响顺序为：B＞A＞D＞C，其中A和B是关键影响因素；对于弹性模量的影响顺序为：A＞B＞C＞D，其中A、B和C都是显著影响因素。
对于特定的轻骨料，混凝土能实现的比强度（强度/密度）总有一定的限度，在此限度以内，比强度越高，实现的难度越大，稳定性也越差。陶粒的密度等级对混凝土的各项考核指标都有比较显著的影响，轻骨料混凝土中轻骨料所占的体积较大，所以为了配制较低容重的轻骨料混凝土应尽可能选择较低容重的轻骨料。但为了使混凝土强度、干表观密度及其弹性模量有良好的协调性，不宜选择密度等级太小（600）的陶粒。另一方面，陶粒密度增加的同时带来骨料强度的提高，但对于混凝土强度的增加幅度却很缓慢，所以应选用700密度等级的陶粒为宜。
轻骨料混凝土的强度等级主要与水泥砂浆和骨料的强度有关。砂浆强度对混凝土强度有较大的贡献，一方面，混凝土的强度主要取决于水泥砂浆所形成的拱架作用； 另一方面，由于陶粒吸收水泥砂浆中的水分而引起陶粒周围的“自真空”状态，会提高水泥砂浆与陶粒之间的粘结强度，所以，提高砂浆强度对提高混凝土强度有明显的作用，而且，在一定的范围内几乎呈递增。试验表明，与普通混凝土类似轻骨料混凝土随着水灰比的增大，强度值逐渐降低。当水灰比保持不变，水泥用量过高时，虽然和易性改善，但对混凝土的强度影响并不大却使混凝土的容重增大，水化热高，收缩大，而且在经济上也不适宜。
在轻骨料混凝土中，采用较大粒径的轻骨料颗粒时会使混凝土的强度降低。其原因一部分是由于骨料强度较低，一部分是因为围绕骨料的砂浆网架变弱所致，所以最大粒径应限制在25mm以下，考虑到工程设计强度等级及配筋间距，选择最大粒径16mm的粘土陶粒。
轻骨料混凝土的弹性模量和其强度及干表观密度有关，而且对密度变化的敏感度高于强度。用较低密度等级的陶粒配制的混凝土其弹性模量一般较低，采用陶砂和普通黄砂复合使用的方法（以30%体积的黄砂取代相同体积的陶砂）。使部分轻细骨料用级配和粒形较好的黄砂代替，可以提高混凝土的弹性模量，同时使混凝土的容重和强度有所提高，并可以改善轻混凝土的和易性和减少收缩。由直观的分析结果可以看出适当调节砂率，对混凝土强度的影响并不十分显著，但由于其容重的变化，可以很显著地提高混凝土的弹性模量，但对同等级的陶粒，过高的砂率（46%）会使混凝土的干表观密度大大增加。
粉煤灰的掺入对改善混凝土的和易性有显著的作用，而且在做好充分的保湿养护的条件下，对混凝土28天强度并无显著影响。
3.5 配合比的确定
根据正交试验结果并综合考虑经济等各方面的因素最后的优选结果为A2B1C2D3，即陶粒密度等级700,水胶比0.35，砂率42%，粉煤灰掺量25%。确定的配合比见表8。
表 8 轻骨料混凝土的配合比
|
陶粒种类 |
水胶比 |
砂率
(%) |
粉煤灰掺量
（%） |
水泥
(kg/m3)) |
粉煤灰
(kg/m3)) |
黄砂
(kg/m3)) |
陶粒
(kg/m3)) |
陶砂
(kg/m3) |
干表观密度
(kg/m3)) |
R28
(MPa) |
|
b |
0.35 |
42 |
25 |
375 |
125 |
217 |
381 |
214 |
1420 |
34.8 |
为验证该配合比的合理性及重现性，经过对该配合比在基本相同试验条件下所做的重复验证，由表9可见，该配合比具有很好的重现性，可以作为工程施工时较理想的配合比。
表9 试验结果
|
序号 |
水泥
(kg/m3)) |
粉煤灰
(kg/m3)) |
黄砂
(kg/m3)) |
陶粒
(kg/m3)) |
陶砂
(kg/m3) |
弹性模量
MPa×103 |
干表观密度
(kg/m3)) |
R28
(MPa) |
|
1 |
375 |
125 |
217 |
381 |
214 |
18.3 |
1420 |
34.3 |
|
2 |
375 |
125 |
217 |
381 |
214 |
18.5 |
1430 |
34.8 |
|
3 |
375 |
125 |
217 |
381 |
214 |
18.2 |
1400 |
33.7 |
4 其他物理力学性能
4.1 混凝土的其它力学性能见表10
表10 混凝土的其他力学性能
|
项目
龄期 |
抗压强度
(MPa) |
劈拉强度
(MPa) |
轴心抗压强度
(MPa) |
抗折强度
(MPa) |
|
28d |
34.8 |
2.3 |
31.1 |
5.0 |
4.2 收缩（表11）
表11 混凝土的收缩试验
|
混凝土的收缩值×10-4
7d 28d 60d 90d 180d 360d | |||||
|
0.8 |
2.5 |
4.0 |
4.5 |
5.7 |
6.6 |
4.3 抗冻性（表12）
表12 混凝土的抗冻性能
|
序号 |
搅拌方式 |
质 量 损 失 （%）
25次 50次 75次 100次 150次 200次 | |||||
|
1 |
先预湿 |
0.07 |
0.43 |
0.85 |
1.96 |
2.37 |
3.82 |
|
2 |
不预湿 |
0 |
0.39 |
0.78 |
1.82 |
2.30 |
3.14 |
陶粒混凝土具有良好的抗冻性是因为对抗冻性起主要影响的是水泥石强度和密实度，陶粒中的空隙可对混凝土中的水分结冰膨胀起缓冲作用，所以，采用干燥陶粒拌制的混凝土其抗冻性比预湿的好。
5 轻骨料混凝土的施工
5.1 混凝土的搅拌
在施工前24小时，应对轻骨料进行淋水预湿处理。在搅拌前1小时停止淋水，经充分沥水之后测定其含水率，以控制搅拌时的用水量。轻骨料上料时应去除骨料中的集水。轻骨料混凝土在搅拌时的投料次序对混凝土拌和物的性能影响很大。经过试验采用先搅拌均匀干料，再把水及外加剂同时加入的搅拌工艺，通过实践证明，此搅拌工艺可行。
需要注意的是在用天然砂时，水泥砂浆和粗骨料的容重差值增大，陶粒的颗粒容重比水泥砂浆的容重轻，砂浆容易下沉，所以在搅拌时应小心控制用水量，否则会引起拌和物的离析。
5.2 混凝土的浇注和养护
⑴．“振动时间短，振动间距短”是轻骨料混凝土振动成型时的操作原则。混凝土分层振捣，每层控制在30cm以内，插点要均匀，振捣时间不宜过长，否则会使陶粒和砂浆分离；
⑵.在振捣时和振捣后，下层陶粒由于上部砂浆的阻挡不会浮上来，只有面层的陶粒容易产生露面现象，当出现露面现象时，可用木拍及时将浮在表层的轻粗骨料颗粒压入混凝土内。若颗粒上浮面积较大，可采用表面振动器复振，使砂浆返上，再做抹面。
⑶．混凝土浇筑成型后应及时覆盖和喷水养护，
⑷. 严格控制拆模时间，保证24小时后拆除模板，拆模后也应加强养护，湿养护时间不应少于14天。
6 结语
⑴.通过科学合理的配合比设计加上精心的施工，使用现有的原材料完全可以配制出符合密度等级要求的更高强度的轻骨料混凝土。但由于对轻骨料混凝土弹性模量的试验数量有限，也不能得出关于轻骨料混凝土弹性模量与其抗压强度与干表观密度的线性关系，而且许多数据仅停留在试验室研究阶段，不能反映工程应用中的实际情况。因此笔者建议在使用轻骨料混凝土的过程中应根据设计要求对混凝土的弹性模量值做对比试验，以确保轻骨料混凝土的弹性模量、抗压强度与干表观密度值三者的协调，只有这样才能真正提高轻骨料混凝土的应用水平。
⑵.轻骨料混凝土在高层建筑中的成功应用，为北京市房屋建筑的设计施工积累了经验，获得明显的技术和经济效益；
⑶.我们相信轻骨料混凝土必将成为混凝土技术发展的另一重要方向，尤其是高强轻骨料混凝土的研究和应用将成为新的研究热点；
⑷.轻骨料混凝土对泵送技术及混凝土输送泵的要求更加严格，所以尽管我们设计的轻骨料混凝土也通过了泵送试验，但在实际施工中施工单位还是采取了塔吊的施工方法。随着北京市高层建筑的迅速发展，我们相信泵送轻骨料混凝土必将广泛应用于工程施工中。
参 考 文 献
1．冯乃谦. 混凝土技术大全，中国建筑工业出版社 2001
2．轻骨料混凝土技术规程（JGJ51-2002）. 中国建筑科学研究院 2002
3．杨伯科. 混凝土实用新技术，吉林科学技术出版社，1998
