粗骨料对高强自密实轻骨料混凝土性能的影响

李书明 曾志 刘竞 郑新国 谢永江

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

自密实轻骨料混凝土是采用轻粗骨料配制而成的密度小于1 950 kg/m3的一类混凝土，兼具自密实混凝土和轻骨料混凝土的特性［1］。与普通混凝土相比，自密实轻骨料混凝土具有轻质高强、隔热保温、抗震性好等特点［2］，能够减轻建筑结构物的重量，优化结构断面设计，已经应用于国内外多个大跨桥梁、高耸建筑中［3-4］。

自密实轻骨料混凝土于1991 年由日本学者提出［5］，随后国内外学者相继对其进行了研究。张云国等［6］研究了自密实轻骨料混凝土的工作性能，发现轻骨料混凝土随着拌和时间的延长流动扩展度逐渐减小，随着剪切流动速度的增大抗离析性逐渐降低。郭瑞等［7］研究发现，随着陶粒掺量的增加，不同强度等级混凝土抗压强度和弹性模量有所降低，抗氯离子渗透性明显提高，抗早期开裂性能提高。张玉等［8］研究了不同强度等级高强轻骨料混凝土配制技术，发现碎石型陶粒是最优骨料，水胶比为0.26可使混凝土抗压强度达到70 MPa。陈萌等［9］研究了页岩陶粒轻骨料混凝土梁的受剪承载力，并提出了相应的计算公式。

粗骨料作为自密实混凝土的主要组成材料之一，显著影响自密实混凝土的性能。国内外的研究主要集中在轻骨料混凝土配制技术、工作性能、力学性能、耐久性能等方面，对于配制不同强度等级轻骨料混凝土需要选择什么类型的粗骨料研究较少。本文选用堆积密度分别为500，800 kg/m3的页岩陶粒以及堆积密度为1 600 kg/m3的碎石，在相同配合比时，研究粗骨料对自密实混凝土和自密实轻骨料混凝土性能的影响，并采用光学显微镜观察混凝土的微观结构，揭示粗骨料影响混凝土耐久性能的原因。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其他胶凝材料有Ⅰ级粉煤灰和比表面积为23 000 m2/kg 的硅灰。粗骨料采用粒径为5～20 mm 连续级配的页岩陶粒和碎石，主要技术参数见表1。砂为天然中砂，细度模数为2.5。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为29%。高分子增稠剂为多糖类。水为自来水。

表1 粗骨料主要技术参数

1.2 配合比

根据JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中松散体积法设计轻骨料混凝土，通过调整减水剂控制混凝土的坍落扩展度为600～630 mm，含气量为3.0%～4.0%。混凝土的配合比见表2，3 组混凝土分别采用堆积密度为500，800，1 600 kg/m3的粗骨料配制而成，配合比编码分别为500LC，800LC和1600C。

表2 混凝土的配合比 （kg·m-3）

1.3 试验方法

抗压强度、弹性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试，测试抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，测试弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。

塑性收缩、干燥收缩、抗冻性能、氯离子扩散系数和电通量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》测试，其中抗冻性能采用快冻法测得。

微观形貌采用上海研润科技公司生产的HMASD1000 维氏显微硬度仪观察。试件尺寸为60 mm×60 mm×30 mm，由100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件切割而成。

2 试验结果与分析

2.1 粗骨料对混凝土力学性能的影响

采用不同堆积密度粗骨料配制的混凝土，其密度、抗压强度和弹性模量见图1。

图1 粗骨料对混凝土力学性能的影响

由图1（a）可知：随着养护时间的增加，混凝土的抗压强度逐渐增大，在28 d 以前混凝土抗压强度增长趋势比较显著，28 d之后增长趋势变缓；相同养护时间条件下，随着粗骨料堆积密度的增大，混凝土抗压强度逐渐增大。当养护时间分别为3，7，28，56，90 d时，500LC 轻骨料混凝土的抗压强度分别为32.7，40.8，52.6，54.7，58.1 MPa，养护28 d混凝土强度等级达到LC40级；800LC 轻骨料混凝土的抗压强度分别为45.4，49.6，71.7，72.3，75.6 MPa，养护28 d 混凝土强度等级达到LC60 级；1600C 普通碎石混凝土的抗压强度分别为49.0，61.7，78.3，80.2，82.8 MPa，养护28 d混凝土强度等级达到C70。

由图1（b）可知，随着粗骨料堆积密度的增大，混凝土的密度和弹性模量均逐渐增大。当粗骨料堆积密度分别为500，800，1 600 kg/m3时，混凝土的密度分别为1 824，1 940，2 436 kg/m3，弹性模量分别为27.5，30.4，40.0 GPa。这是因为，随着粗骨料堆积密度的增大，粗骨料的强度增大，造成混凝土的密度、抗压强度和弹性模量也逐渐增大。因此，配制不同强度等级的轻骨料混凝土应选用不同堆积密度的粗骨料，选用800 kg/m3的粗骨料配制的LC60 级轻骨料混凝土，与同配比的普通混凝土相比，密度降低20.4%，弹性模量降低24%；选用500 kg/m3的粗骨料配制的LC40 级轻骨料混凝土，与同配比的普通混凝土相比，密度降低25.1%，弹性模量降低31.3%。这表明，在结构中应用轻骨料混凝土时，除了利用轻骨料混凝土带来的重量降低之外，还需要关注弹性模量降低引起的结构刚度变化。

2.2 粗骨料对收缩性能的影响

按照养护时间可以将混凝土收缩分为早期塑性收缩和后期干燥收缩，收缩大小直接影响混凝土的抗开裂性能。采用不同堆积密度粗骨料配制的混凝土，其塑性收缩和干燥收缩见图2。

由图2（a）可知，粗骨料对混凝土塑性收缩的影响较大，采用普通碎石混凝土的塑性收缩显著大于轻骨料混凝土的，而采用堆积密度分别为500，800 kg/m3的页岩陶粒配制的轻骨料混凝土的塑性收缩基本相当。普通混凝土和轻骨料混凝土塑性收缩随养护时间的变化规律显著不同，普通混凝土塑性收缩曲线呈现两个阶段的变化规律：在养护时间为0～6 h 时，塑性收缩随着养护时间的延长迅速增大，之后增长趋势逐渐变缓。轻骨料混凝土的塑性收缩曲线呈现出三个阶段的变化规律：第一阶段对应养护时间0～6 h，塑性收缩逐渐增大，并且500LC 轻骨料混凝土此阶段的塑性收缩略小于800LC 轻骨料混凝土；第二阶段对应养护时间6～12 h，塑性收缩进入缓冲区，在此阶段，随着养护时间的延长，塑性收缩略有降低；第三阶段为12 h以后，塑性收缩又随着养护时间的延长而逐渐增大。

图2 粗骨料对混凝土收缩性能的影响

轻骨料是一种多孔材料，拌和时一部分水储存其中，这部分水在水泥水化早期逐步释放出来，供水泥水化使用，起到内养护的作用，造成轻骨料混凝土塑性收缩较小。但是轻骨料所储存的水不会完全释放出来，相当于降低了混凝土的单方用水量，这也是轻骨料混凝土塑性收缩小的原因。普通碎石没有蓄水功能，塑性收缩相对较大。因此轻骨料混凝土在凝结硬化的早期塑性阶段具有较好的抗开裂性能，不易出现塑性裂缝。

由图2（b）可知，粗骨料对混凝土干燥收缩的影响较大，普通混凝土的干燥收缩小于轻骨料混凝土的，800LC 轻骨料混凝土的干燥收缩略大于500LC 轻骨料混凝土的。500LC，800LC和1600C混凝土养护28 d的干燥收缩分别为247.5×10-6，264.2×10-6，302.8×10-6，养护 90 d 的干燥收缩分别为 305.8×10-6，319.2×10-6，362.2×10-6。干燥收缩主要发生在 28 d 以前，28 d 之后干燥收缩趋缓。

在干燥收缩阶段，水泥浆体强度逐渐升高，粗骨料约束浆体变形的作用占主导地位。页岩陶粒弹性模量较低，对水泥浆体的收缩变形约束较小，而碎石弹性模量较高，可以较好地抑制水泥浆体的收缩变形。收缩变形大小是否引起开裂取决于产生的收缩应力大小，而收缩应力除了与收缩大小有关之外，还与混凝土的弹性模量有关，为二者的乘积［10］。粗骨料对混凝土干燥收缩应力的影响见图3。普通混凝土的干燥收缩较小但是弹性模量很大，所以干燥收缩应力更大，开裂风险也更大。

图3 粗骨料对混凝土收缩应力的影响

2.3 粗骨料对耐久性能的影响

抗冻性是评价混凝土耐久性的重要指标之一。粗骨料对混凝土抗冻性能的影响见图4。

图4 粗骨料对混凝土抗冻性能的影响

由图4 可知，粗骨料对混凝土的相对动弹性模量影响显著，轻骨料混凝土的相对动弹性模量损失显著低于普通混凝土的；在轻骨料混凝土中，500LC轻骨料混凝土的相对动弹性模量损失低于800LC 轻骨料混凝土的。普通混凝土在冻融循环125次以后相对动弹性模量显著降低，冻融循环175 次时相对动弹性模量仅为41.2%。800LC 轻骨料混凝土在冻融循环175 次之后相对动弹性模量才显著降低，冻融循环250 次时相对动弹性模量为59.5%。500LC 轻骨料混凝土在冻融循环250 次之后相对动弹性模量才逐渐降低，冻融循环300次时相对动弹性模量为61.8%。这说明轻骨料混凝土具有较好的抗冻性能，适用于寒冷地区应用环境。

氯离子扩散系数和电通量主要反映混凝土的密实性，粗骨料对混凝土氯离子扩散系数和电通量的影响见图5。可知，普通混凝土的氯离子扩散系数与轻骨料混凝土的相当，800LC 轻骨料混凝土的电通量略低于普通混凝土的及500LC 轻骨料混凝土的。这表明轻骨料混凝土与普通混凝土一样，具有较高的密实性，能够阻止氯离子等腐蚀性离子渗透，适用于钢筋混凝土结构。

图5 粗骨料对混凝土扩散系数和电通量的影响

2.4 粗骨料对微观结构的影响

普通混凝土的微观形貌与轻骨料混凝土的微观形貌如图6所示。

图6 混凝土的微观形貌

由图6 可知：在普通混凝土中，碎石结构比较致密，孔洞较少；在轻骨料混凝土中，轻骨料含有大量类似圆形的孔洞，并且这些孔洞多为封闭结构，造成轻骨料混凝土强度低且抗冻性好。普通混凝土中骨料与浆体的界面处呈细小的裂缝状，界面过渡区较宽，且比较疏松；轻骨料混凝土中轻骨料与浆体界面处结合紧密，未见界面裂缝，界面过渡区比较致密。界面过渡区是混凝土的薄弱环节［11］，由此可知，轻骨料混凝土中界面过渡区引起的薄弱环节较少，因此轻骨料混凝土的耐久性优于普通混凝土的。

3 结论

在相同配合比时，改变粗骨料对混凝土性能的影响如下：

1）随着粗骨料堆积密度的增大，混凝土的密度逐渐增大，抗压强度和弹性模量也逐渐增大；配制LC60级轻骨料混凝土宜选用堆积密度为800 kg/m3的粗骨料，配制LC40 级轻骨料混凝土宜选用堆积密度为500 kg/m3的粗骨料。

2）轻骨料混凝土的塑性收缩显著小于普通混凝土的。普通混凝土的塑性收缩在6 h 以前增长较快，6 h之后增长缓慢。轻骨料混凝土的塑性收缩在6 h以前逐渐增大，6～12 h 时略有减小，之后又缓慢增大。轻骨料混凝土的干燥收缩略大于普通混凝土的。轻骨料混凝土的抗开裂性能优于普通混凝土的。

3）轻骨料混凝土的抗冻性能显著优于普通混凝土的；普通混凝土在冻融循环175次后，相对动弹性模量仅为41.2%。800LC 轻骨料混凝土在冻融循环250 次时，相对动弹性模量为59.5%；500LC 轻骨料混凝土在冻融循环300次时，相对动弹性模量为61.8%。轻骨料混凝土的密实性与普通混凝土的相当。

4）轻骨料混凝土中轻骨料与浆体界面处结合紧密，未见界面裂缝，界面过渡区比较致密，因此轻骨料混凝土的耐久性能优于普通混凝土的。