高速公路改扩建工程陶粒混凝土制备及应用研究

王祖坚 李盈富 蒋子杰

摘要：针对目前改扩建工程项目中拼接涵洞的基底换填小面积基坑无法碾压的施工工艺难题，文章通过室内试验完成自密实陶粒混凝土配合比设计，选出满足涵洞基底换填材料所需的强度及轻质要求的最佳配合比，并应用于改扩建工程涵洞基底换填中。

关键词：陶粒混凝土;改扩建工程;基底换填;应用

中图分类号：U412.36+6A080274

0 引言

陶粒混凝土是一种表观密度小于1 950 kg/m3的混凝土，它由陶粒、水泥、轻砂和水配制而成[1]。目前，相对于普通混凝土来说，陶粒混凝土在我国是一种相对比较新的品种，其影响力仅次于普通混凝土。

陶粒混凝土的应用领域非常广泛，它具备强度可设计、轻质且耐久等性能优点，除了可以用于主要承重结构，还可以用于非承重结构。所以陶粒混凝土的发展途径主要为减轻结构自重，向轻质、高强方向发展[2-3]。随着我国经济建设的不断发展，带来能源需求的不断扩增，使得绿色能源的开发突飞猛进，成为建筑材料行业的新经济增长点。在20世纪90年代初，陶粒混凝土开始陆续在建筑工程及公路桥梁施工中出现，随着我国经济、国力的不断增强，交通运输需求增长，轻质陶粒混凝土在公路工程应用日渐广泛。国内外已对轻质陶粒混凝土结构进行了较为系统的研究[4-7] ，我国已颁布了相应的行业标准[8-9]。但是在涵洞基底换填领域，对轻质陶粒混凝土结构的研究很少，许多方面甚至是空白，更无相应的设计标准可循。

基于陶粒混凝土在国内外研究成果，针对目前改扩建工程中拼接涵洞的基底换填，小面积基坑无法碾压的施工工艺难题，本文采用普通硅酸盐水泥，掺加轻质陶粒材料的方法以改善陶粒混凝土的工作性和力学性能，从而改善其耐久性，增强陶粒混凝土强度，以配制出满足涵洞基底换填性能要求的陶粒混凝土。

1 试验部分

1.1 原材料

胶凝材料：选用广西鱼峰水泥股份有限公司普通硅酸盐水泥P.O 42.5。

粗集料：级配采用5～10 mm、10～20 mm和20～31.5 mm按三级掺配。

细集料：选用柳州阳阳砂场机制砂生产加工的河卵石及来宾市良信矿业有限公司生产加工的石灰岩。

外掺料：普通轻质陶粒，规格为5～10 mm。

水：洁净水。

1.2 试验方法

（1）根据原材料性能和陶粒混凝土的设计强度和容重要求，参照相关参数（水泥的用量、确定总用水量、砂率或有效用水量）。

（2）配制材料。按照比例来称取各个物料。

（3）搅拌与成型。首先将陶粒放入搅拌机，搅拌机采用小型卧式进行拌和，随后加入水泥并进行搅拌，使陶粒表面形成一层水泥裹层。接着放入粗细集料和掺合料干搅拌3 min后，再均匀加水湿搅拌3 min，最后卸出所有物料并振动成型。

1.3 配合比设计

1.3.1 设计依据

《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）;

《水泥混凝土及公路工程水泥试验规程》（JTG E30-2005）;

《轻骨料混凝土及轻骨料技术规定和试验方法》（J78-2）;

《柳州（鹿寨）至南宁高速公路改扩建工程结构物基底换填方案讨论会议纪要桂海纪要》〔2016〕16号文。

1.3.2 配合比设计要求

配合比设计不但要满足涵洞基底换填所需的强度和容重要求，还要在获得预期性能的情况下，以求混凝土各组成材料用量下最经济的配合比，其设计目的与普通混凝土是一样的。在最经济的状态下既保证了涵洞基底换填结构的安全，也能带来较为理想的技术经济指标，满足施工要求，并节约水泥，合理降低成本。基底换填陶粒混凝土配合比设计要求7 d强度达到7.5 MPa以上，同时混凝土容重为1 300～1 900 kg/m3。

2 混凝土配合比设计试验结果

通过室内试验完成配合比设计，确定该配合比的材料和最佳配合比例满足技术要求，考查对性能指标影响程度的各個影响因素，以便找出有利于陶粒混凝土强度的各组分的掺量，查找各个影响因素对性能指标的影响程度。在这基础上，进行下一步的试验论证，通过验证坍落度、容重、3 d和7 d的抗压强度等性能，配制出满足涵洞基底换填施工工作性及力学性能要求的陶粒混凝土。

2.1 材料比例（见表1）

2.2 坍落度试验结果（见表2）

由表2可知，配比1坍落度过低，不利于施工，配比2、配比3和配比4坍落度偏低，配比5的坍落度满足施工和易性要求。

2.3 容重试验结果（见表3）

由表3可知，5个配比试验结果容重均满足要求，配比1、配比4及配比5的容重效果好，可极大减少涵洞基底承载力。

2.4 抗压强度试验结果（见表4）

从表4可见，试件的力学抗压强度都比较高，7 d的强度均达到所定C15陶粒混凝土要求的技术指标，尤其配比2和配比4的强度较高。

2.5 混凝土试验后效果

通过选用不同的配比进行设计试验，验证坍落度、容重、3 d和7 d的抗压强度等性能，综合以上各项指标试验结果推荐陶粒混凝土配合比：配比4及配比5满足涵洞基底换填施工工作性及力学性能要求，结合混凝土7 d强度已>7.5 MPa的结果，陶粒混凝土配合比可采用以下比例进行施工：

水泥∶砂（河卵石机制砂）∶粗集料（5～10）mm∶粗集料（10～20）mm∶粗集料（20～31.5）mm∶陶粒∶水法的参配比例为：1∶2.81∶0.32∶0.65∶1.94∶0.97∶0.80;

每立方用量（设1 700 kg/m3）：200∶562.8∶64.8∶129.5∶388.6∶194.3∶160

水泥∶砂（石灰岩机制砂）∶粗集料（5～10）mm∶粗集料（10～20）mm∶粗集料（20～31.5）mm∶陶粒∶水的参配比例为：1∶2.82∶0.33∶0.65∶1.95∶0.97∶0.78;

每立方用量（设1 700 kg/m3）：200∶564.5∶65.0∶129.9∶389.8∶194.9∶156。

3 陶粒混凝土工程应用

本文对柳南改扩建工程项目涵洞基底换填进行了现场调研，通过调研发现改扩建工程项目中许多拼接涵洞存在基底换填面积小的问题，不利于机械设备施工及碾压，所以选用了陶粒混凝土来进行基底换填。因为陶粒的堆积密度较小且具备多孔结构的吸水特性，即使陶粒混凝土的施工工艺与普通混凝土基本相似，但在工程实际应用过程中还是要注意混凝土配料、设备、运输、成型及养护，才能保证工程质量。

3.1 陶粒混凝土配料生产设计

陶粒混凝土在进行大量施工前，要先通过试拌试验确定用水量，在施工的过程当中应及时调整相应的用水量并经常性地检测粗细骨料中的含水量。因为陶粒的空隙具有吸水性，所以在搅拌前先对陶粒混凝土浸水半小时左右，有利于增加混凝土强度。

3.2 陶粒混凝土的生产设备和运输

在陶粒混凝土的生产过程中，为避免混凝土出现离析的现象，优选低频低幅度的混凝土振捣器。同时宜选用泵送混凝土运输车运送混凝土，且为避免混凝土在浇筑之前出现初凝现象，应尽可能地减少其倒运时间。

经搅拌过后的陶粒混凝土，应尽快运到施工现场并浇注入模。在运输或停放的过程中，若出现了混凝土的和易性损失，为恢复其和易性，宜在浇注前进行机械或人工的二次搅拌。

3.3 涵洞基底换填的浇注与成型

陶粒混凝土的浇注方法采用分層振捣来进行填筑，振捣的时间比普通混凝土的振捣时间少。在没有使用缓凝剂的情况下，为避免混凝土过度振捣出现离析现象，混凝土从卸出到浇注的时间不宜超过1 h。

3.4 陶粒混凝土的养护

陶粒的孔隙使其吸收水分，伴随混凝土水分的蒸发，陶粒内部吸收的水分不断向灰浆中转移。在一定时间内，具有自动供给水泥水化用水的特点，形成良好的养护条件。在比较潮湿的气候，无须进行洒水和覆盖养护，陶粒混凝土中的水分就可以提供水泥的水化用水。但在炎热干燥的夏季，就要进行覆盖、喷水养护，避免混凝土出现表面干燥、收缩等现象。由于陶粒混凝土具有堆密度小、导热系数低等特点，再加上混凝土中水泥的用量较大，在夏季高温季节，应更注意混凝土的养护方法以免出现温度裂缝。陶粒混凝土的养生期一般>3 d，直至强度达到设计强度的70%，才能开放交通。

4 结语

在高速公路改扩建工程中，用于涵洞基底换填的陶粒混凝土最突出的优点为强度高、质量轻，与常规涵洞基底换填级配碎石填料相比，可大大降低涵洞基底填料自重，减轻了结构的荷载，提高了涵洞基底的强度及耐久性。陶粒混凝土与普通混凝土相比，还具有自抗渗能力强、抗水冲刷能力强等特点。作为涵洞基底换填的材料，陶粒混凝土既满足结构承载力的要求，还可节约大量资金，对施工机械设备要求低，对涵洞小面积基坑施工便利，陶粒混合料直接填筑自密实，大大减少了施工工艺环节，其社会效益非常明显。在今后的改扩建工程中涉及拼接涵洞基底换填，陶粒混凝土提供了一个经济可靠的技术措施，为公路改扩建工程提供一个良好的思路。

参考文献：

[1]JGJ51-2002，陶粒混凝土技术规程[S].

[2]吴中伟，廉惠珍.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[3]吴之余，郑念中.我国混凝土工程技术的现状及发展[J].混凝土，2000（11）：3-7.

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[5]Zhang M，Gjorv O.E..Mechanical properties of high-strength light weight concrete[J].ACI Materials Journal，1991，88（3）：240-247.

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[7]Hwang S.J.，Lee Y.Y.，Lee C.S..Effect of silica fume on the splice strength of deformed bars of high-performance concrete[J].ACI Structural Journal，1994，91（3）：294-302.

[8]JGJ51-2002，轻骨料混凝土技术规程[S].

[9]JGJ12-2006，轻骨料混凝土结构技术规程[S].

收稿日期：2020-04-09