LC25輕骨料混凝土的配制技術(shù)
2005-03-11 00:00
【摘 要】：本文通過大量的試驗數(shù)據(jù)，研究強(qiáng)度等級LC25的預(yù)拌輕骨料混凝土的配制技術(shù)，并簡要介紹了輕骨料混凝土的施工技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】：輕骨料混凝土 配制技術(shù) 施工技術(shù)
1 引言
輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫和耐火等優(yōu)點，并且變形性能良好。輕骨料混凝土應(yīng)用于建筑工程中在滿足強(qiáng)度及其它性能要求的同時可大幅度減輕結(jié)構(gòu)物的自重，利用這一特性，在一些特殊的結(jié)構(gòu)中輕骨料混凝土有非常重要的應(yīng)用價值。
在北京市輕骨料混凝土已逐漸應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中，并發(fā)揮其優(yōu)良的作用。為滿足一些工程的特殊要求，經(jīng)過大量的試驗研究，并在科研、設(shè)計單位的大力協(xié)助下，我們成功配制出密度等級1400 kg/m3，強(qiáng)度等級LC25的預(yù)拌輕骨料混凝土，并被成功應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)施工中。為使輕骨料混凝土技術(shù)得到進(jìn)一步的總結(jié)和推廣，產(chǎn)生更大效益，特撰寫本文對該技術(shù)的的研究及施工應(yīng)用情況作一介紹。
2 原材料
2.1 輕粗集料
陶粒采用天津武清生產(chǎn)的粘土陶粒，其性能指標(biāo)見表1。
表1 粘土陶粒的性能指標(biāo)
|
陶粒種類 |
密度等級 |
公稱粒徑
(mm) |
松散堆積密度
（kg/m3） |
顆粒表觀密度
（kg/m3） |
吸水率
(%) |
筒壓強(qiáng)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 輕細(xì)集料
輕細(xì)集料采用天津武清生產(chǎn)的粘土陶砂，其性能指標(biāo)見表2。
表2 陶砂的性能指標(biāo)
|
公稱粒徑
(mm) |
密度等級 |
細(xì)度模數(shù) |
松散堆積密度
（kg/m3） |
顆粒表觀密度
（kg/m3） |
吸水率
(%) |
|
0-5 |
800 |
3.4 |
774 |
1130 |
7.7 |
2.3 黃砂
選用永定河水系質(zhì)量合格，級配合理的中砂。其表觀密度2680kg/m3，容重1510kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量1.4%，泥塊含量0.3%。
2.4 水泥
選用唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P.O42.5R低堿水泥，其主要物理化學(xué)性能見表3。
表3 水泥的主要物理化學(xué)性能
|
細(xì)度
(%)
(R+80µm) |
比表
面積
(cm2/g) |
密度
(g/cm3) |
MgO
(%) |
SO3
(%) |
堿含量
(%) |
抗壓強(qiáng)度
(MPa)
3d 28d |
抗折強(qiáng)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
選用北京市三熱電達(dá)信公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)Ⅱ級磨細(xì)粉煤灰，其密度2.42g/cm3，需水量比98%，45µm方孔篩篩余9.9%，粉煤灰的化學(xué)成分見表4。
表4 粉煤灰的化學(xué)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 混凝土外加劑
選用北京興宏光建材廠生產(chǎn)的復(fù)合型萘系高效減水劑WDN—7。其含固量為38%，摻量2.0%～2.5%，減水率24%，7d抗壓強(qiáng)度比156%，28d抗壓強(qiáng)度比137%。
3 正交試驗及結(jié)果分析
3.1 因素水平表（表5）
表 5 因素水平表
|
因素
水平 |
A
陶粒密度等級 |
B
水膠比 |
C
砂率 (%) |
D
粉煤灰摻量（%） |
|
1 |
600 |
0.35 |
38 |
15 |
|
2 |
700 |
0.37 |
42 |
20 |
|
3 |
800 |
0.39 |
46 |
25 |
3.2 試驗方案與極差分析（表 6）
表 6 L9（34）試驗方案與極差計算結(jié)果
|
因素
編號 |
密度等級A |
水膠比
B |
砂率
C |
粉煤灰摻量D |
干表觀密度
(kg/m3)) |
彈性模量
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
觀
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 |
||||||||||||
|
|
彈性模量 |
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
|
考核指標(biāo) |
因 素 |
平方和 |
自由度 |
均方 |
F值 |
臨界值 |
|
干
表
觀
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 |
||||
|
彈
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 試驗結(jié)果討論
由表6的試驗結(jié)果可以看出，對干表觀密度的影響順序為：A＞C＞B＞D，其中A和C是關(guān)鍵影響因素；對于28天強(qiáng)度的影響順序為：B＞A＞D＞C，其中A和B是關(guān)鍵影響因素；對于彈性模量的影響順序為：A＞B＞C＞D，其中A、B和C都是顯著影響因素。
對于特定的輕骨料，混凝土能實現(xiàn)的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）總有一定的限度，在此限度以內(nèi)，比強(qiáng)度越高，實現(xiàn)的難度越大，穩(wěn)定性也越差。陶粒的密度等級對混凝土的各項考核指標(biāo)都有比較顯著的影響，輕骨料混凝土中輕骨料所占的體積較大，所以為了配制較低容重的輕骨料混凝土應(yīng)盡可能選擇較低容重的輕骨料。但為了使混凝土強(qiáng)度、干表觀密度及其彈性模量有良好的協(xié)調(diào)性，不宜選擇密度等級太?。?00）的陶粒。另一方面，陶粒密度增加的同時帶來骨料強(qiáng)度的提高，但對于混凝土強(qiáng)度的增加幅度卻很緩慢，所以應(yīng)選用700密度等級的陶粒為宜。
輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級主要與水泥砂漿和骨料的強(qiáng)度有關(guān)。砂漿強(qiáng)度對混凝土強(qiáng)度有較大的貢獻(xiàn)，一方面，混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥砂漿所形成的拱架作用； 另一方面，由于陶粒吸收水泥砂漿中的水分而引起陶粒周圍的“自真空”狀態(tài)，會提高水泥砂漿與陶粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度，所以，提高砂漿強(qiáng)度對提高混凝土強(qiáng)度有明顯的作用，而且，在一定的范圍內(nèi)幾乎呈遞增。試驗表明，與普通混凝土類似輕骨料混凝土隨著水灰比的增大，強(qiáng)度值逐漸降低。當(dāng)水灰比保持不變，水泥用量過高時，雖然和易性改善，但對混凝土的強(qiáng)度影響并不大卻使混凝土的容重增大，水化熱高，收縮大，而且在經(jīng)濟(jì)上也不適宜。
在輕骨料混凝土中，采用較大粒徑的輕骨料顆粒時會使混凝土的強(qiáng)度降低。其原因一部分是由于骨料強(qiáng)度較低，一部分是因為圍繞骨料的砂漿網(wǎng)架變?nèi)跛?，所以最大粒徑?yīng)限制在25mm以下，考慮到工程設(shè)計強(qiáng)度等級及配筋間距，選擇最大粒徑16mm的粘土陶粒。
輕骨料混凝土的彈性模量和其強(qiáng)度及干表觀密度有關(guān)，而且對密度變化的敏感度高于強(qiáng)度。用較低密度等級的陶粒配制的混凝土其彈性模量一般較低，采用陶砂和普通黃砂復(fù)合使用的方法（以30%體積的黃砂取代相同體積的陶砂）。使部分輕細(xì)骨料用級配和粒形較好的黃砂代替，可以提高混凝土的彈性模量，同時使混凝土的容重和強(qiáng)度有所提高，并可以改善輕混凝土的和易性和減少收縮。由直觀的分析結(jié)果可以看出適當(dāng)調(diào)節(jié)砂率，對混凝土強(qiáng)度的影響并不十分顯著，但由于其容重的變化，可以很顯著地提高混凝土的彈性模量，但對同等級的陶粒，過高的砂率（46%）會使混凝土的干表觀密度大大增加。
粉煤灰的摻入對改善混凝土的和易性有顯著的作用，而且在做好充分的保濕養(yǎng)護(hù)的條件下，對混凝土28天強(qiáng)度并無顯著影響。
3.5 配合比的確定
根據(jù)正交試驗結(jié)果并綜合考慮經(jīng)濟(jì)等各方面的因素最后的優(yōu)選結(jié)果為A2B1C2D3，即陶粒密度等級700,水膠比0.35，砂率42%，粉煤灰摻量25%。確定的配合比見表8。
表 8 輕骨料混凝土的配合比
|
陶粒種類 |
水膠比 |
砂率
(%) |
粉煤灰摻量
（%） |
水泥
(kg/m3)) |
粉煤灰
(kg/m3)) |
黃砂
(kg/m3)) |
陶粒
(kg/m3)) |
陶砂
(kg/m3) |
干表觀密度
(kg/m3)) |
R28
(MPa) |
|
b |
0.35 |
42 |
25 |
375 |
125 |
217 |
381 |
214 |
1420 |
34.8 |
為驗證該配合比的合理性及重現(xiàn)性，經(jīng)過對該配合比在基本相同試驗條件下所做的重復(fù)驗證，由表9可見，該配合比具有很好的重現(xiàn)性，可以作為工程施工時較理想的配合比。
表9 試驗結(jié)果
|
序號 |
水泥
(kg/m3)) |
粉煤灰
(kg/m3)) |
黃砂
(kg/m3)) |
陶粒
(kg/m3)) |
陶砂
(kg/m3) |
彈性模量
MPa×103 |
干表觀密度
(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 其他物理力學(xué)性能
4.1 混凝土的其它力學(xué)性能見表10
表10 混凝土的其他力學(xué)性能
|
項目
齡期 |
抗壓強(qiáng)度
(MPa) |
劈拉強(qiáng)度
(MPa) |
軸心抗壓強(qiáng)度
(MPa) |
抗折強(qiáng)度
(MPa) |
|
28d |
34.8 |
2.3 |
31.1 |
5.0 |
4.2 收縮（表11）
表11 混凝土的收縮試驗
|
混凝土的收縮值×10-4
7d 28d 60d 90d 180d 360d | |||||
|
0.8 |
2.5 |
4.0 |
4.5 |
5.7 |
6.6 |
4.3 抗凍性（表12）
表12 混凝土的抗凍性能
|
序號 |
攪拌方式 |
質(zhì) 量 損 失 （%）
25次 50次 75次 100次 150次 200次 | |||||
|
1 |
先預(yù)濕 |
0.07 |
0.43 |
0.85 |
1.96 |
2.37 |
3.82 |
|
2 |
不預(yù)濕 |
0 |
0.39 |
0.78 |
1.82 |
2.30 |
3.14 |
陶?；炷辆哂辛己玫目箖鲂允且驗閷箖鲂云鹬饕绊懙氖撬嗍瘡?qiáng)度和密實度，陶粒中的空隙可對混凝土中的水分結(jié)冰膨脹起緩沖作用，所以，采用干燥陶粒拌制的混凝土其抗凍性比預(yù)濕的好。
5 輕骨料混凝土的施工
5.1 混凝土的攪拌
在施工前24小時，應(yīng)對輕骨料進(jìn)行淋水預(yù)濕處理。在攪拌前1小時停止淋水，經(jīng)充分瀝水之后測定其含水率，以控制攪拌時的用水量。輕骨料上料時應(yīng)去除骨料中的集水。輕骨料混凝土在攪拌時的投料次序?qū)炷涟韬臀锏男阅苡绊懞艽?。?jīng)過試驗采用先攪拌均勻干料，再把水及外加劑同時加入的攪拌工藝，通過實踐證明，此攪拌工藝可行。
需要注意的是在用天然砂時，水泥砂漿和粗骨料的容重差值增大，陶粒的顆粒容重比水泥砂漿的容重輕，砂漿容易下沉，所以在攪拌時應(yīng)小心控制用水量，否則會引起拌和物的離析。
5.2 混凝土的澆注和養(yǎng)護(hù)
⑴．“振動時間短，振動間距短”是輕骨料混凝土振動成型時的操作原則。混凝土分層振搗，每層控制在30cm以內(nèi)，插點要均勻，振搗時間不宜過長，否則會使陶粒和砂漿分離；
⑵.在振搗時和振搗后，下層陶粒由于上部砂漿的阻擋不會浮上來，只有面層的陶粒容易產(chǎn)生露面現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)露面現(xiàn)象時，可用木拍及時將浮在表層的輕粗骨料顆粒壓入混凝土內(nèi)。若顆粒上浮面積較大，可采用表面振動器復(fù)振，使砂漿返上，再做抹面。
⑶．混凝土澆筑成型后應(yīng)及時覆蓋和噴水養(yǎng)護(hù)，
⑷. 嚴(yán)格控制拆模時間，保證24小時后拆除模板，拆模后也應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，濕養(yǎng)護(hù)時間不應(yīng)少于14天。
6 結(jié)語
⑴.通過科學(xué)合理的配合比設(shè)計加上精心的施工，使用現(xiàn)有的原材料完全可以配制出符合密度等級要求的更高強(qiáng)度的輕骨料混凝土。但由于對輕骨料混凝土彈性模量的試驗數(shù)量有限，也不能得出關(guān)于輕骨料混凝土彈性模量與其抗壓強(qiáng)度與干表觀密度的線性關(guān)系，而且許多數(shù)據(jù)僅停留在試驗室研究階段，不能反映工程應(yīng)用中的實際情況。因此筆者建議在使用輕骨料混凝土的過程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求對混凝土的彈性模量值做對比試驗，以確保輕骨料混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度與干表觀密度值三者的協(xié)調(diào)，只有這樣才能真正提高輕骨料混凝土的應(yīng)用水平。
⑵.輕骨料混凝土在高層建筑中的成功應(yīng)用，為北京市房屋建筑的設(shè)計施工積累了經(jīng)驗，獲得明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益；
⑶.我們相信輕骨料混凝土必將成為混凝土技術(shù)發(fā)展的另一重要方向，尤其是高強(qiáng)輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用將成為新的研究熱點；
⑷.輕骨料混凝土對泵送技術(shù)及混凝土輸送泵的要求更加嚴(yán)格，所以盡管我們設(shè)計的輕骨料混凝土也通過了泵送試驗，但在實際施工中施工單位還是采取了塔吊的施工方法。隨著北京市高層建筑的迅速發(fā)展，我們相信泵送輕骨料混凝土必將廣泛應(yīng)用于工程施工中。
參 考 文 獻(xiàn)
1．馮乃謙. 混凝土技術(shù)大全，中國建筑工業(yè)出版社 2001
2．輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程（JGJ51-2002）. 中國建筑科學(xué)研究院 2002
3．楊伯科. 混凝土實用新技術(shù)，吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1998
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