LC30 轻骨料混凝土工作性影响因素的研究

孙礼程，王宪国，项旺保，韩宇，刘成

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 433000）

0 引言

轻骨料混凝土是用轻粗骨料、轻砂( 或普通砂)、水泥和水配制成的干表观密度≤1950kg/m3的混凝土[1]，具有质量轻、功能可设计性强、强度高等优点。据统计，轻骨料混凝土可减轻结构自重的 30%～40%，降低工程造价的 10%[2,3]。轻骨料混凝土轻质高强的特点将使其具有更加广阔的应用前景。然而，由于轻骨料自身重量较轻，使得轻骨料与水泥浆体的密度差距较大，易产生轻骨料产生上浮的现象。配制的混凝土极易产生离析、分层，在泵送施工中易造成堵泵，硬化后的混凝土匀质性不良，从而影响混凝土力学性能及耐久性能等。本文通过试验主要从粉煤灰掺量、砂率、增粘剂掺量这三个因素来研究其对 LC30 轻骨料混凝土工作性的影响。

1 试验材料与试验过程

1.1 试验材料

水泥：湖北荆门葛洲坝水泥有限公司生产的 P·O42.5 级水泥。密度为 3.14g/cm³，实测 28d 抗压强度 48.1MPa。

粉煤灰：岳阳电厂Ⅰ级粉煤灰。密度为 2.47 g/cm³，细度为 6.7%，烧失量为 2.1%，需水量比为 91%。

河砂：岳阳河砂，密度为 2.57 g/cm³，细度模数为 2.6，含泥量为 0.8%。

陶粒：湖北宜昌宝珠陶粒公司生产的 5～20mm 连续级配700 级碎石型页岩陶粒。具体检验数据见表 1。

减水剂：山西凯迪生产的聚羧酸系高效外加剂。固含量为 21.7%，减水率为 28.8%，掺量为胶凝材料总用量的1.2%。

增粘剂：湖北某厂生产的聚丙烯酰胺混凝土增粘剂（PAM）。呈白色粉末状，推荐掺量为胶凝材料总用量的0.01%～0.05%。

1.2 试验方法

1.2.1 确定基准配合比

本试验以配制 LC30 等级轻骨料混凝土为参考，依据JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》规定，结合以上原材料各项技术指标（陶粒预先润湿 1h），确定初始配合比，见表 2。

表 2 初始配合比 kg/m3

1.2.2 工作性测试方法

由于轻骨料的密度小于砂浆密度，在振捣作用下，轻骨料相对砂浆向上浮动，这样会导致上层拌合物轻集料较多，而下半层拌合物的轻集料相对较少[4]，从而导致混凝土匀质性变差，影响工作性。

本试验采用坍落度试验、分层度试验并目测混凝土离析、泌水情况来综合评定混凝土工作性的好坏。其中分层度试验模具为自制上、中、下三层圆柱筒，直径及高均为200mm，圆柱筒底部相互连通。将混凝土装入试模后，在振动台上振动 20s，表面用抹刀抹平。静置 1min 后将上下两层混凝土分别取出，用水洗除水泥砂浆，留取轻骨料颗粒称重，并以下列公式来计算轻骨料质量分层度。

轻骨料质量分层度=(G上-G下)/(G上+G下)×100%

其中，G上和 G下——分别为上层及下层混凝土中大于5mm 烘干后的轻集料质量（g）。分层度越小，则表明混凝土匀质性越好。

2 试验结果及分析

2.1 粉煤灰掺量对工作性的影响

表 1 陶粒主要检验指标

粉煤灰掺量按 0%、10%、20%、30%、40% 进行对比试验，粉煤灰取代水泥量按照等量取代法。通过坍落度试验、分层度试验并目测混凝土离析、泌水情况来综合评定混凝土工作性的好坏，并留取一组试块观测其 28d 强度情况。由于粉煤灰颗粒形状对混凝土起到的形态效应，在混凝土中掺入少量Ⅰ级粉煤灰可以起到减水效果[5]。因此在此对比试验中的用水量，在混凝土不离析、不泌水的前提下进行适当增减。具体试验配合比及试验结果如表 3、表 4 所示。

表 3 不同粉煤灰掺量的试验配合比 kg/m3

表 4 不同粉煤灰掺量对混凝土工作性影响试验结果

由表 4 试验数据及目测混凝土外观结果表明，粉煤灰掺量在 0%～20% 时，混凝土坍落度、扩展度及轻骨料质量分层度均有较大的改观，且由于粉煤灰的减少，用水量有所减少，28d 抗压强度与不掺粉煤灰时未有明显变化；当粉煤灰掺量从 20% 提高到 40% 时，混凝土流动性更大，表面泛灰严重，混凝土 28d 抗压强度也有了较大幅度的降低。因此，在保证 LC30 混凝土强度的前提下，当粉煤灰在 20%～30% 时为最佳掺量。

2.2 砂率对混凝土工作性的影响

由于轻骨料与普通砂的表观密度差别较大，因此轻骨料混凝土的砂率应为体积砂率，体积砂率即为细骨料体积与骨料总体积之比。根据 JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》规定，轻骨料混凝土体积砂率应为 35%～45%。当砂率较小时，砂的填充作用是主要的，增加砂的含量，集料的比表面积增加不大。因此，随着砂率的增大，水泥浆膜层增厚，新拌混凝土的流动性提高，当砂率过大时，砂的填充作用丧失，集料的空隙率反而随着砂率的增加而增加，同时，砂的增加使集料的表面积增加。由于这两个作用，砂率的增加使得水泥浆膜层变薄，新拌混凝土的流动性降低[6]。因此，砂率也是影响轻骨料混凝土工作性的一个重要因素。试验按粉煤灰掺量为 20% 时的配合比为基准配合比，体积砂率按30%、35%、40%、45%、50% 五个变量进行对比试验，试验结果如表 5 所示。

由表 5 试验数据及目测混凝土外观结果表明，砂率从30% 增大到 40% 时，混凝土离析、泌水及石子裸露现象有明显改善，坍落度及扩展度也有较大提高。由于砂率的提高使水泥浆体粘度增大，因此砂率从 30% 增大到 40% 时，分层度有所降低。砂率从 40% 增大到 50% 时，砂率过大，导致混凝土干缩性增大，因此扩展度明显降低。砂率过大，粗骨料在混凝土中的骨架作用有所降低，因此混凝土抗压强度也有了明显降低。综合以上几个因素，此轻骨料混凝土的最佳砂率为 40%。

表 5 砂率对轻骨料混凝土工作性影响试验结果

2.3 增粘剂对轻骨料混凝土工作性的影响

增粘剂是一种长链的高分子表面活性剂，加入后可增加新拌混凝土的粘度。由于增粘剂能与拌合物中的极性水分子吸附在亲水基团上，使水泥颗粒周围的溶剂化膜显著增厚，增大了水泥颗粒的滑动能力，从而改善混凝土流动性。且增粘剂可减缓水泥水化速度，使水泥颗粒周围溶液中的水化硅酸钙等水化产物的分布更加均匀，有利于水泥颗粒充分水化。但增粘剂掺量过大，混凝土长时间不凝结硬化，会造成内部水分过量蒸发和散失，使水泥水化过缓甚至停止，水化程度低，从而影响混凝土力学性能[7]。试验以粉煤灰掺量为 20%、砂率为 40% 时的配合比为基准配合比，增粘剂掺量按胶凝材料总量的 0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05% 进行对比试验。试验结果如表 6 所示。

表 6 不同增粘剂掺量对混凝土工作性影响试验结果

表 6 试验结果表明，随着增粘剂掺量的增大，混凝土匀质性有了明显改善，坍落度及扩展度均有所提高，分层度明显降低。主要原因是由于增粘剂与混凝土中极性水分子结合并依附在亲水基团上，使水泥浆体显著增厚，增加了混凝土粘度，增大了水泥颗粒的滑动能力，从而改善了混凝土的工作性能。但当增粘剂掺量从 0.03% 提高到 0.05% 时，混凝土28d 抗压强度有了明显降低，甚至低于不掺增粘剂时的强度。引起这种现象的主要原因是增粘剂可减缓水泥水化反应，增粘剂中大量极性基团的掺入，使水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，阻止水泥颗粒与水直接接触，从而阻碍水化反应的进行。从试验结果综合考虑，当增粘剂掺量为胶凝材料总用量的 0.02%～0.03% 时为最佳掺量。

3 结论

（1）本试验研究的 LC30 轻骨料混凝土的最佳配合比设计参数为：胶凝材料总用量为 400kg/m³；粉煤灰掺量为20%～30%；体积砂率为 40%；增粘剂掺量 0.02%～0.03%。

（2）轻骨料混凝土中掺入粉煤灰等密度较小的矿物掺合料可有效改善混凝土匀质性及工作性。

（3）适当的体积砂率对轻骨料混凝土工作性起着关键性作用。

（4）在轻骨料混凝土中掺入适当的增粘剂（本试验为0.02%～0.03%），既可大大改善轻骨料混凝土匀质性及大流动性，又可轻微提高混凝土的力学性能。

[1] JGJ51-2002.轻骨料混凝土技术规程[S].

[2] 范金生.国外人造轻骨料生产工艺及发展趋势[J].吉林建筑，1996(2): 2-5.

[3] 中国建筑科学研究院建筑结构研究所.轻骨料混凝土的研究和应用文集[M].北京：中国建筑工业出版社，1981.

[4] 李进辉，李北斗等.LC50 大流动性高性能轻集料混凝土匀质性影响因素的研究[J]..混凝土，2007,7: 65-68.

[5] 吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[6] 张承志.商品混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006.

[7] 王振军，何廷树.增粘剂对大流动性轻骨料混凝土性能影响研究[J].公路，2008,3: 168-172.