LC25輕骨料混凝土的配制技術
2006-07-12 00:00
1 引言
輕骨料混凝土具有輕質、高強、保溫和耐火等優(yōu)點，并且變形性能良好。輕骨料混凝土應用于建筑工程中在滿足強度及其它性能要求的同時可大幅度減輕結構物的自重，利用這一特性，在一些特殊的結構中輕骨料混凝土有非常重要的應用價值。
在北京市輕骨料混凝土已逐漸應用于高層建筑結構中，并發(fā)揮其優(yōu)良的作用。為滿足一些工程的特殊要求，經過大量的試驗研究，并在科研、設計單位的大力協助下，我們成功配制出密度等級1400 kg/m3，強度等級LC25的預拌輕骨料混凝土，并被成功應用于高層建筑結構施工中。為使輕骨料混凝土技術得到進一步的總結和推廣，產生更大效益，特撰寫本文對該技術的的研究及施工應用情況作一介紹。
2 原材料
2.1 輕粗集料
陶粒采用天津武清生產的粘土陶粒，其性能指標見表1。
表1 粘土陶粒的性能指標
|
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 輕細集料
輕細集料采用天津武清生產的粘土陶砂，其性能指標見表2。
表2 陶砂的性能指標
|
公稱粒徑
(mm) |
密度等級 |
細度模數 |
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
選用永定河水系質量合格，級配合理的中砂。其表觀密度2680kg/m3，容重1510kg/m3，細度模數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的盾石牌P.O42.5R低堿水泥，其主要物理化學性能見表3。
表3 水泥的主要物理化學性能
|
細度
(%)
(R+80µm) |
比表
面積
(cm2/g) |
密度
(g/cm3) |
MgO
(%) |
SO3
(%) |
堿含量
(%) |
抗壓強度
(MPa)
3d 28d |
抗折強度
(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信公司生產的優(yōu)質Ⅱ級磨細粉煤灰，其密度2.42g/cm3，需水量比98%，45µm方孔篩篩余9.9%，粉煤灰的化學成分見表4。
表4 粉煤灰的化學成分
|
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的復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抗壓強度比156%，28d抗壓強度比137%。
3 正交試驗及結果分析
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 |
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 試驗結果討論
由表6的試驗結果可以看出，對干表觀密度的影響順序為：A＞C＞B＞D，其中A和C是關鍵影響因素；對于28天強度的影響順序為：B＞A＞D＞C，其中A和B是關鍵影響因素；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，混凝土能實現的比強度（強度/密度）總有一定的限度，在此限度以內，比強度越高，實現的難度越大，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盡可能選擇較低容重的輕骨料。但為了使混凝土強度、干表觀密度及其彈性模量有良好的協調性，不宜選擇密度等級太小（600）的陶粒。另一方面，陶粒密度增加的同時帶來骨料強度的提高，但對于混凝土強度的增加幅度卻很緩慢，所以應選用700密度等級的陶粒為宜。
輕骨料混凝土的強度等級主要與水泥砂漿和骨料的強度有關。砂漿強度對混凝土強度有較大的貢獻，一方面，混凝土的強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強度，所以，提高砂漿強度對提高混凝土強度有明顯的作用，而且，在一定的范圍內幾乎呈遞增。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，強度值逐漸降低。當水灰比保持不變，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，而且在經濟上也不適宜。
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度降低。其原因一部分是由于骨料強度較低，一部分是因為圍繞骨料的砂漿網架變弱所致，所以最大粒徑應限制在25mm以下，考慮到工程設計強度等級及配筋間距，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度及干表觀密度有關，而且對密度變化的敏感度高于強度。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。由直觀的分析結果可以看出適當調節(jié)砂率，對混凝土強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)護的條件下，對混凝土28天強度并無顯著影響。
3.5 配合比的確定
根據正交試驗結果并綜合考慮經濟等各方面的因素最后的優(yōu)選結果為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性，經過對該配合比在基本相同試驗條件下所做的重復驗證，由表9可見，該配合比具有很好的重現性，可以作為工程施工時較理想的配合比。
表9 試驗結果
|
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 其他物理力學性能
4.1 混凝土的其它力學性能見表10
表10 混凝土的其他力學性能
|
項目
齡期 |
抗壓強度
(MPa) |
劈拉強度
(MPa) |
軸心抗壓強度
(MPa) |
抗折強度
(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 量 損 失 （%）
25次 50次 75次 100次 150次 200次 | |||||
|
1 |
先預濕 |
0.07 |
0.43 |
0.85 |
1.96 |
2.37 |
3.82 |
|
2 |
不預濕 |
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姸群兔軐嵍?，陶粒中的空隙可對混凝土中的水分結冰膨脹起緩沖作用，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，應對輕骨料進行淋水預濕處理。在攪拌前1小時停止淋水，經充分瀝水之后測定其含水率，以控制攪拌時的用水量。輕骨料上料時應去除骨料中的集水。輕骨料混凝土在攪拌時的投料次序對混凝土拌和物的性能影響很大。經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
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?；炷练謱诱駬v，每層控制在30cm以內，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生露面現象，當出現露面現象時，可用木拍及時將浮在表層的輕粗骨料顆粒壓入混凝土內。若顆粒上浮面積較大，可采用表面振動器復振，使砂漿返上，再做抹面。
⑶．混凝土澆筑成型后應及時覆蓋和噴水養(yǎng)護，
⑷. 嚴格控制拆模時間，保證24小時后拆除模板，拆模后也應加強養(yǎng)護，濕養(yǎng)護時間不應少于14天。
6 結語
⑴.通過科學合理的配合比設計加上精心的施工，使用現有的原材料完全可以配制出符合密度等級要求的更高強度的輕骨料混凝土。但由于對輕骨料混凝土彈性模量的試驗數量有限，也不能得出關于輕骨料混凝土彈性模量與其抗壓強度與干表觀密度的線性關系，而且許多數據僅停留在試驗室研究階段，不能反映工程應用中的實際情況。因此筆者建議在使用輕骨料混凝土的過程中應根據設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、抗壓強度與干表觀密度值三者的協調，只有這樣才能真正提高輕骨料混凝土的應用水平。
⑵.輕骨料混凝土在高層建筑中的成功應用，為北京市房屋建筑的設計施工積累了經驗，獲得明顯的技術和經濟效益；
⑶.我們相信輕骨料混凝土必將成為混凝土技術發(fā)展的另一重要方向，尤其是高強輕骨料混凝土的研究和應用將成為新的研究熱點；
⑷.輕骨料混凝土對泵送技術及混凝土輸送泵的要求更加嚴格，所以盡管我們設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用于工程施工中。
參 考 文 獻
1．馮乃謙. 混凝土技術大全，中國建筑工業(yè)出版社 2001
2．輕骨料混凝土技術規(guī)程（JGJ51-2002）. 中國建筑科學研究院 2002
3．楊伯科. 混凝土實用新技術，吉林科學技術出版社，1998
本文摘自：中國混凝土網
編輯：
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