轻集料混凝土配合比及其影响因素研究进展

王佳敏，张凯峰，路飞，王晓峰，陈良

（中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710063）

在各种类型的混凝土中，轻集料混凝土具有轻质、高强及良好的保温隔热性能和抗震性等特点，越来越多的研究者开始着重研究其配合比和其在工程上的特性[1,2]。美国和日本是世界上研究轻集料混凝土较早的国家，生产的轻集料强度高、密度小、质量较好且具有低吸水率[3-5]。国内轻集料混凝土起步较晚，虽发展较快，也成功将轻集料混凝土应用于超高层建筑和桥梁中，但研究不够全面[6]。因此开展轻集料混凝土配合比和其高强泵送的研究，对提高轻集料混凝土在土木工程中的广泛应用具有重要的意义[7]。

1 轻集料混凝土的配合比

轻集料混凝土以其优异的性能逐渐被应用于超高层建筑中，然而由于轻集料本身的不稳定性，导致其配制较普通混凝土困难。只有充分考虑不同颗粒间的相互作用、不同尺寸范围孔隙间的填充方法、混凝土界面和过渡区的相互作用，继而建立起多尺寸范围颗粒堆积体的科学模型和分析方法后，才能真正用于轻集料混凝土的配合比设计和孔结构分析。

胡曙光[8]、王发洲[9]等人总结了两种轻集料混凝土配合比的设计方法——绝对体积法和松散体积法。松散堆积体积法通过标准中提供的粗、细集料总的松散堆积体积参考值来确定集料的用量；而绝对体积法则是利用混凝土的体积减去水泥浆所占体积后，结合所选择的砂率计算出粗、细集料的体积用量。这两种方法的重点只是关心水泥的用量和水灰比的研究，无法判断轻粗集料的多项性能指标对轻集料混凝土强度是否有影响，无法判断配合比的砂率是否合理，且设计方法参数较多，不易被掌握。

轻粗集料的用量及自身性能是影响轻集料混凝土的重要因素之一。崔宁[10]等人在总结绝对体积法和松散体积法的优缺点后，提出富余填充配合比设计理论。根据轻集料自身的性能指标，通过调整轻集料的用量控制混凝土的强度。他们在混凝土中砂浆密度配合比的基础之上，用砂浆的影响合理替代砂率、水泥用量以及水灰比对轻集料混凝土性能的影响。结果表明：富余填充配合比设计方法是可行和更易掌握的，它更能反映出轻集料性能、用量等的变化对轻集料混凝土性能的影响，并且为研究轻集料中各种原材料的变化对轻集料混凝土性能的影响提供了便利的途径以及理论依据。但是，这种方法没有全面考虑砂浆的颗粒尺寸。

为了更进一步研究其配合比，综合考虑了不同颗粒间的相互作用，不同尺寸范围孔隙间的填充方法后，顾馨允[11]等人采用 PFC3D 软件模拟颗粒堆积体，计算其孔隙率。结果表明：具有相对低的孔隙率一般为符合Fuller 粒径分布曲线的颗粒堆积体，且颗粒的形状对堆积体系的孔隙率有很大的影响。

2 轻集料配合比的影响因素

2.1 矿物掺合料

随着技术的发展，水泥熟料在轻集料混凝土中所占的平均百分比从 2003 年的 85% 下降 2010 年的 77%，预计未来将进一步降至 71%[12]，现代混凝土已经不再单独使用硅酸盐水泥，而是将硅酸盐水泥和多种矿物掺合料复合在一起组成复合胶凝材料。在美国，目前有超过60% 的预拌混合物含有胶凝材料[13]。在国内，以磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土等为原料，经激发剂激发形成的胶凝材料不仅可以改善混凝土的强度、耐久性和抗渗性，同时还可以降低混凝土的成本，节约能源，改善环境，并可预防钢筋锈蚀和碱—骨料反应[14-18]。

矿物掺合料的反应活性直接影响了混凝土的强度、力学性能和耐久性能。马骁[19]等人通过对比矿渣、高岭土、粉煤灰的活性，发现矿渣被激发后的活性最强，高岭土其次，粉煤灰的活性最低。在水泥—粉煤灰体系中，水泥本身的胶结能力和粉煤灰的活化生成的胶凝性水化产物会提高轻集料混凝土的强度。

当矿物掺合料的含量过大时，因为掺入的矿粉密度大于水泥的密度，使得混凝土的密度增大，性能降低。张亚涛[20]发现砂浆和混凝土的抗压强度随着粉煤灰的掺量增大，出现先增大后减小的现象，在粉煤灰掺量20% 时具有最大抗压强度。张树忠[17]等人将矿物掺合料硅灰和陶粒添加入轻集料混凝土中，在增大混凝土强度的同时，小密度的硅灰会代替部分水泥来减轻轻集料混凝土的密度，达到轻质高强的效果，且具有优异的保温性能。钱慧丽[21]、张旭贤[22]和王彦君[23]等人将粉煤灰加入到轻集料混凝土中，发现由于粉煤灰良好的润滑作用，填充骨料间的间隙，同时改变轻集料混凝土的坍落度、可塑性和粘聚性。

此外，Juenger[24]也从氯离子渗透性、硫酸盐腐蚀等方面总结了近年来有关偏高岭土、粉煤灰、矿渣、稻壳灰等矿物掺合料对混凝土耐久性的影响。空气中存在的硫酸根离子和氯离子会侵蚀混凝土，大大降低混凝土使用的安全性。在硫酸根离子和氯离子共同侵蚀轻集料混凝土时，硫酸盐和氯盐的存在对轻集料混凝土侵蚀破坏会相互影响[25]。

2.2 外加剂的影响

轻集料混凝土的外加剂对其性能的改进有着非常重要的意义。在实际应用的过程中，合理的外加剂加入，可以大大改善混凝土性能，提高效率，节约资源[26]。

刘登宇[27]等人证明，加入的减水剂可以大大提高混凝土的流动性，进而改善轻集料混凝土的泵送性能。

Kim[28]等人在已有的减水剂的基础上，将物理发泡剂和化学发泡剂加入轻集料混凝土的拌合物中，制备出的轻集料混凝土具有优异的特性，包括非常高的可加工性、低密度和适当的强度。与传统的轻骨料混凝土相比，这种材料具有更高的强度和隔热性。肖力光[29]等人发现掺入适量的泡沫剂可以使火山渣轻集料混凝土的和易性得到改善，抗压强度和抗折强度升高；当掺入0.1‰ 的泡沫剂时，轻集料混凝土的抗渗性和抗冻性变好，吸水率下降。

2.3 体积砂率的影响

在配合比一定的条件下，砂率的变动会影响混凝土的工程性，对其强度也有一定的影响，且目前专门研究砂率的文献很少。

时建刚[30]等人研究发现如果要保持轻集料混凝土的流动性和匀质性，轻集料混凝土的体积砂率应为 40%左右。张明聚[31]等人研究证明当体积砂率为 47% 时，可制备出具有轻质、微膨胀和自密实性能的高强填充轻集料混凝土。

2.4 筒压强度的影响

筒压强度是反应轻集料力学性能的一项重要指标。与同等强度的普通混凝土相比，轻集料混凝土虽然优点很多，但较高的脆性和较低的机械性能使其无法在建筑工业中广泛使用，这严重制约了高强轻集料混凝土的进一步发展。研究表明，在轻集料中添加纤维可以适当的解决这些问题[32]。

据报道混凝土中钢纤维掺量从 1% 增加到 1.5%时，可将抗拉强度提高至 100%，抗弯强度从 100% 提高至 150%～200%，抗压强度从 10% 增加至 25%。纤维在混凝土中引起均匀的应力分布，从而更好地利用高强度基体。此外，添加钢纤维可提高冲击强度和韧性，并将混凝土从脆性材料转变为更具延展性的材料[33,34]。

刘增晨[35]等人发现在轻集料混凝土里掺加一定量的聚丙烯纤维和橡胶微粒可以有效地降低轻集料混凝土的脆性，提高混凝土的韧性。一般条件下轻集料混凝土的密度也与其强度相关，一般轻集料混凝土的堆积密度越高，其强度也就越大。胡忠楠[36]等人发现加入的聚丙烯纤维掺量达到 1.2kg/m3后，可显著改善次轻混凝土的干燥收缩和吸水率，同时聚丙烯纤维对轻集料混凝土的强度具有显著的效果。

3 轻集料混凝土配合比的调整及泵送施工中工艺的控制

因轻集料混凝土自重轻，常常用来以减轻高层、超高层、大跨度建筑的自重。在调配轻集料混凝土及在泵送施工的过程中，应注意以下问题：

（1）控制轻集料混凝土的配合比，严格控制水的含量，同时应对砂的含水率进行准确测定。一般在水泥强度确定的条件下，轻集料混凝土的水灰比越小，其强度越高。同时应大力提倡固体废弃物的再利用，将石材尾矿、建筑垃圾应用到轻骨料混凝土中，有效地缓解环境压力。如专利 CN109053109A 提供一种高强轻骨料混凝土的制备方法，将石材尾矿、建筑垃圾、城市污泥和陶瓷废渣添加到凝胶材料和骨料中，在大大改善混凝土的力学性能和稳定性的基础上，为固态废弃物再利用提供了新途径[37]。

（2）应对轻粗集料配合比的各种含量准确计量。施工开始后应严格控制物料比例与加料顺序，注意外加剂必须与水泥或粉煤灰同时加入，减水剂的掺入必须严格控制。

（3）正常泵送时，必须保证混凝土浇筑施工的连续性，设计合理的施工工序，防止因施工时间过长引起的堵泵。如专利 CN105888254A 提供一种轻集料混凝土高层泵送施工方法，在根据设计要求配制好轻集料混凝土后，采用两种不同的泵车进行两种不同规格的轻集料混凝土的泵送施工，从而完成整个高层建筑的轻集料混凝土的泵送施工[38]。

4 展望

轻集料混凝土作为一种可持续发展的绿色建筑材料，在现代的超高层、大跨度建筑中起着不可忽视的重要作用。以往的研究者主要集中在轻集料混凝土配合比设计方面，缺乏轻集料及轻集料混凝土性能系统的研究。因此，应加强对轻集料混凝土以下方面的研究与探讨：首先，对配合比影响因素研究，尤其是对混凝土抗硫酸根离子侵蚀、抗氯离子侵蚀的方法等方面的研究。再者，对泵送轻集料混凝土不同时间段及其泵送中随高度变化其性能变化的研究。第三，应加强轻集料混凝土泵送外加剂的研究。第四，应大大提高固体废弃物的再利用，石材尾矿、合金尾矿、建筑垃圾、城市污泥合理的加入，不仅提高环保效率，也使得超高层泵送轻集料混凝土具有广阔的应用前景。