免烧轻骨料在城市轻轨站台工程中的应用研究

邱月梅，洪金荣，庞超明，秦鸿根

（1.芜湖三岩建材实业有限责任公司，安徽 芜湖 241000；2.东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189；3.江苏智晟节能科技股份有限公司，江苏 镇江 212416)

1 前言

芜湖轨道交通1号线和2号线采用全国首创跨座式单轨形式，共设车站36座。其中1号线为南北干线，北起保顺路站，南至白马山站，全长31.8km，设25座高架车站；2号线一期为东西主干线，西起北京路站，东至万春湖站，全长16.52km，设高架站10座，地下站1座。其中梦溪路站为全国首座独柱式钢混路中高架站，站台分为三层，第一层地面汽车通行道路层，第二层售票、检票、进出站大厅，第三层为列车停靠和乘客候车区域（见图1）。站厅、站台层地面夹层设计要求采用LC7.5轻骨料混凝土,干表观密度不超过1600kg/m，站厅层为中间层，隔间较多，施工难度较大，轻骨料混凝土既要满足施工要求，又要保温隔热和抗震等功能性要求。

图1 芜湖轨道交通高架车站

2 轻骨料混凝土配合比设计

对轻骨料混凝土配合比的设计，大多是参考普通混凝土配合比的设计方法，并结合轻骨料混凝土的特点进行，更多的是依靠经验和通过试验、试配来确定。

2.1 配合比设计的基本要求

轻骨料混凝土配合比设计的基本要求，除了考虑和易性、强度、耐久性和经济性这四方面以外，还应满足表观密度的要求。在满足强度和耐久性的前提下，应尽量减少胶凝材料使用量，胶凝材料用量增加，不但使成本提高，而且使混凝土的表观密度显著增大。

2.2 轻骨料的选用

轻骨料是配制轻骨料混凝土的主要原材料，应根据轻骨料混凝土的强度等级和表观密度的要求来选用，同时要使得制备的轻骨料混凝土满足泵送施工要求。本工程配制LC7.5保温轻骨料混凝土，且浇筑厚度不超过100mm，所用轻骨料最大粒径要求不大于20mm。常用轻骨料有烧结陶粒和免烧轻骨料（也称免烧陶粒），前者堆积密度较轻、强度低，其密度等级、强度等级和颗粒级配单一，配制的轻骨料混凝土易分层，难以泵送施工；后者（以核壳型为例）堆积密度相对较大，强度较高，其颗粒粒径、密度等级、强度等级均可根据需要生产，最大的特点是配制的轻骨料混凝土骨料不上浮，均匀性好和可泵性好。方便屋面、楼面和其他高层结构的泵送施工。

芜湖轻轨车站站台用轻骨料混凝土采用江苏智晟节能科技股份有限公司生产的核壳结构免烧轻骨料，颗粒呈球形（见图2），通过内核大小与功能的改变、壳层厚度和配方的调整，可用于制备集高比强、保温隔热、隔音防火于一体的自保温建筑材料。其性能满足GB/T17431.1-2010标准指标，主要特性如下：

图2 轻轨站工程用免烧轻骨料

①密度等级有600、700和800级，可配制LC5～LC20的保温轻骨料混凝土，也可以配制LC20～LC50的结构轻骨料混凝土；

②有粒径为5～10mm、5～16mm、10～16mm和5～20mm的轻粗骨料，还有粒径小于5mm的轻砂；本工程所用核壳型免烧轻骨料粒径为5～16mm，干堆积密度为650kg/m；

③比强度高，耐高温，预湿时间快（15min即可），属于水泥基材料，与砂浆的相容性好。配制的轻骨料混凝土和易性好，特别适合泵送施工。

2.3 轻骨料混凝土配合比设计方法

轻骨料混凝土配合比设计依据JGJ51-2002进行，具体步骤如下。

2.3.1 确定配制强度

轻骨料混凝土设计抗压强度标准值f，则95%保证率的轻骨料混凝土配制强度为：

f=f+1.645σ

式中：强度标准差σ分别取4（＜LC20）、5（LC20～LC35）、6（＞LC35），单位为MPa。

2.3.2 胶凝材料用量的确定

胶凝材料用量与轻骨料密度等级有关。水泥宜采用42.5级以上的P O或P II，因轻骨料强度较低，故胶凝材料用量比普通混凝土相对要高一些（见表1）。矿物掺合料在轻骨料混凝土中的最大掺量，采用普通硅酸盐水泥时，粉煤灰最大掺量不大于35%，粒化高炉矿渣粉最大掺量不大于55%，双掺时总掺量不大于50%。

2.3.3 水胶比的确定

在胶凝材料和矿物掺合料确定后，水胶比的大小是决定轻骨料混凝土抗压强度的关键参数，根据配制强度确定初步水胶比并经试验验证，同时最大水胶比和最小胶凝材料用量应满足标准规定的耐久性要求。可采用掺高效减水剂，减小水胶比，提高轻骨料混凝土的强度。

2.3.4 用水量确定

混凝土的总用水量中被轻骨料吸收的那部分水称为“附加水量”，其余部分则称为“净用水量”。附加水量应根据轻骨料用量乘以轻骨料1h吸水率求得。当采用预湿饱和轻骨料时，则可不考虑附加水量。净用水量由确定的水胶比与胶凝材料用量的乘积来确定，并根据混凝土稠度要求和减水剂掺量进行适当调整，一般轻骨料混凝土的净用水量120～180 kg/m。

2.3.5 砂率的确定

轻骨料混凝土的配合比设计中所使用的砂率是指体积砂率，砂率对轻骨料混凝土的表观密度、和易性和密实性影响显著，一般细骨料为轻砂时砂率取35%～50%，为普通砂时取30%～45%。

2.3.6 粗、细骨料用量的确定

轻骨料混凝土粗、细骨料用量的计算有绝对体积法和松散体积法两种。本文按松散体积法计算：先确定1m混凝土的粗、细骨料总体积V（自然状态下轻粗骨料和细骨料的松散体积之和）。采用普通砂作细骨料时，1m混凝土中粗、细骨料的总体积可取1.20～1.40m；采用轻砂时可取1.25～1.50m。然后再按体积砂率求得粗骨料和细骨料的松散体积，再根据各自的堆积密度求得其用量。

已知粗、细骨料的堆积密度分别为ρ和 ρ，松散体积分别为 V、V。体积砂率为 S=V/V，粗骨料体积 V=V+V，由此求得粗、细骨料的用量：m=Vxρ，m=Vρ。轻骨料混凝土的干表观密度为粗、细骨料用量与硬化浆体三者干质量之和，由此关系式验算轻骨料混凝土干表观密度，即ρ=1.15m+m+m。

2.4 轻骨料混凝土配合比与性能

按照2.3节的设计步骤，并参照相关文献计算出配制强度为14.1MPa的LC7.5的轻骨料混凝土试验配合比，列于表2中。

轻骨料混凝土的胶凝材料用量/（kg/m3） 表1

轻骨料混凝土试验配合比（kg/m3） 表2

按计算配合比进行试配和调整，进行轻骨料混凝土和易性、抗压强度试验和干表观密度测定，测得实测轻骨料混凝土坍落度为220mm，28d抗压强度为25.5MPa，干表观密度1570 kg/m。均满足设计与施工要求。轻骨料混凝土拌合物和易性好（如图3），采用泵送施工（如图4），可泵性良好。

图3 生产的预拌轻骨料混凝土

图4 轻轨站轻骨料混凝土泵送施工

由于抗压强度比较富裕，还可采用引气技术，在满足LC7.5配制强度的条件下，将轻骨料混凝土的表观密度降低至1450 kg/m以下。

2.5 轻骨料混凝土配制技术

总结轻骨料混凝土配制技术如下：

①根据轻骨料混凝土的强度和表观密度要求选用合适的轻粗骨料，选择粒型接近球形、密度较轻和筒压强度较高的轻骨料；

②根据需要选择普通砂配制砂轻混凝土，或全部轻砂配制全轻混凝土，还可以掺部分轻砂配制混合砂轻骨料混凝土；

③在强度满足设计要求的前提下，可掺入适量引气剂以降低混凝土的表观密度，改善和易性；

④如需要LC25及以上的结构轻骨料混凝土，保证混凝土流动性、便于泵送施工，可选择密度较大、筒压强度较高的轻骨料，适当增加减水剂掺量，增大减水率，减小水胶比以提高抗压强度。

3 免烧轻骨料混凝土在预拌混凝土厂中控制

3.1 配合比控制

轻骨料混凝土配合比计算采用松散体积法，选取适宜的体积砂率，然后按设计要求的混凝土干表观密度为依据进行校核，最后通过试验调整出配合比。轻骨料混凝土拌制前，试验室对骨料的含水率和堆积密度进行测定，并转换成施工配合比。

3.2 生产过程控制

①免烧轻骨料的堆放。轻骨料按不同品种规格分开堆放，避免混杂，并保持颗粒混合均匀；采用连续级配时，堆放高度不宜过高，一般不宜大于2m；同时防止树叶、泥土和其他有害物质混入。

②使用前湿润。轻骨料使用前，应提前2小时洒水湿润，洒水湿润时应边洒水边翻动，保证均匀湿润且不积水。

③免烧轻骨料的输送。轻骨料使用铲车直接上到料仓，经过准确计量，通过皮带运输机到主机。由于预湿处理的轻骨料湿表观密度比水重（1400kg/m左右），在运送过程中不容易散落，尤其通过斜皮带时比传统的陶粒有明显优势。

⑤免烧轻骨料混凝土的搅拌。轻骨料混凝土的搅拌时间要适当延长，每盘的搅拌时间不少于2 min；搅拌顺序设定为先加入骨料和胶凝材料预先搅拌，之后加入水和引气型减水剂进行搅拌，直至搅拌均匀。

⑥免烧轻骨料混凝土的运输。在运输过程中，应减少坍落度损失和防止轻骨料混凝土拌合物分层离析；卸料前要用快挡旋转搅拌罐不少于20s。

3.3 出厂控制

轻骨料混凝土在搅拌过程中，试验员要密切观测出厂混凝土的工作性能，严格控制好搅拌时间。混凝土出厂之前，试验员除要进行坍落度、强度、氯离子含量检验外，还要检验轻骨料混凝土拌合物的表观密度。

4 免烧轻骨料混凝土在施工中控制

免烧轻骨料混凝土既适用于工厂生产预制内外保温墙板，也适用于现场浇筑的泵送施工。轻骨料混凝土的现场控制要从以下几个方面进行控制。

4.1 轻骨料混凝土工作性控制

轻骨料混凝土用于轻轨站台二层、三层楼面保温层，必须采用泵送浇注施工。二层的设备夹层，管线较多，空间狭小，给混凝土施工带来不少困难。泵车输送管长度远远不够，只能通过翻斗车进行二次运送，施工时间长。要求到现场的混凝土坍落度220±20mm，半小时零损失，1h损失不大于20mm，对轻骨料混凝土的泵送要求也较高。由于芜湖地区属于亚热带湿润季风气候，极端最高气温接近40℃，冬季最低气温为-10℃，自然环境对坍落度的影响非常大，特别是高温下混凝土的损失很快，加上距离搅拌站比较远，因此要求预拌混凝土厂试验人员要根据集料的含水分布情况、混凝土凝结时间长短、外加剂匀质性变化及时调整好混凝土的坍落度。

由于轻骨料强度等级低、胶凝材料用量不高，混凝土流动性大，必须通过调整砂率、用水量和减水剂用量来提高其保水性和粘聚性，采用适当引气对改善工作性有利。

4.2 轻骨料混凝土的浇筑成型

①轻骨料混凝土的布料。轻轨站台楼面轻骨料混凝土的设计厚度要求不一样，根据不同结构功能、装饰面砖材料而定，最薄处55mm，施工采用分段流水作业摊铺轻骨料混凝土。为防止混凝土离析，泵管口距离浇筑楼面的高度要控制在1.5m以内，够不到的地方采用人工翻斗车运送轻骨料混凝土。

②轻骨料混凝土的捣实。轻骨料混凝土拌合物的内摩擦力比普通混凝土要大，因此采用插入振捣器进行振捣。这种免烧轻骨料拌制的混凝土粘聚性好，不分散，振捣过程中不上浮，与胶凝材料结合紧密，密实度高，收面简单，表面平整。而传统的陶粒混凝土特别分散，陶粒容易上浮，不容易压入混凝土内，振捣要快，还要进行二次收浆，浇筑成型的混凝土表面经常要进行修补。

4.3 轻骨料混凝土养护

免烧轻骨料本身具有内养护作用，28d混凝土干燥收缩降低40%～60%，抗裂性大大提高，面层浇筑成型后只需要进行简单覆盖和间断地洒水养护，并保持混凝土表面湿润状态即可。

5 工程应用效果

考虑到轻轨站台结构的复杂性和安全性，以及耐久性的要求，采用免烧轻骨料配制的混凝土在芜湖轻轨工程中的优势非常明显。表现效果如下：

①工作性能良好。核壳型免烧轻骨料颗粒小、导热系数小、吸水率低，可制备大流动性高比强微孔轻集料混凝土，现场混凝土粘聚性和保水性好，坍落度损失小。混凝土施工过程中经常超过3h。现场可采用加减水剂方法进行调整，工作性能仍然满足施工要求。

②施工可泵性好。免烧轻骨料比烧结陶粒密度稍大，解决了施工过程中出现的混凝土分层离析、上浮现象，并克服因泵压作用前冲至泵管前端或弯管处堵塞现象，可以像普通混凝土一样轻松泵送。

③强度高。由于免烧轻骨料为在水泥-粉煤灰体系并加入激发剂，筒压强度高且高比强。芜湖轻轨LC7.5轻骨料混凝土28d抗压强度普遍达到25～30MPa，干表观密度低于1600kg/m。

④混凝土成型质量好。芜湖轻轨站台的施工已经接近尾声，实地回访轻骨料混凝土的外观质量。浇筑表面光滑、平整，不起壳，内部结构密实，与上部装饰瓷砖面结合牢固，无空鼓（见图5），完全满足设计要求。

图5 现场浇筑的轻骨料混凝土