高强自密实轻骨料混凝土配合比设计

王 慧

自密实轻骨料混凝土(SCLC)是将普通自密实混凝土(SCC)的骨料用轻骨料代替而得到的一种高性能混凝土，兼有自密实混凝土和轻骨料混凝土的特性，在自身重力作用下不需要振捣即可在狭窄或密集钢筋结构里填充成型，且不发生离析。

SCLC配合比设计与普通轻骨料混凝土及普通自密实混凝土不同，配合比设计关键在于既要满足拌和物具有足够的流动性以保证能够自密实成型，又要满足拌和物具有足够的粘性，防止在大流动性条件下，轻骨料因自重小而上浮、漂移，对自密实混凝土，胶凝基体的屈服应力τy越大、骨料与基体的密度差Δρ越小、骨料颗粒越小，则骨料颗粒越不容易出现下沉或者上浮的分离现象。

1 配合比设计原理

目前自密实混凝土配合比的设计方法主要有固定砂石体积法[1，2]，全计算法[3]，经验推导法[4]，试验优选法[5]及骨料最大密实体积方法[6]等。本文结合日本预拌混凝土协会推荐的普通自密实混凝土固定砂石体积法与陈建奎提出的全计算法进行配合比设计，基本思路是先确定粗细骨料的体积，提出自密实混凝土中粗骨料的堆积体积系数(骨料体积/混凝土体积)为 0.5～0.53，以此确定粗骨料和砂浆的体积;提出砂浆中砂体积系数为 0.41～0.43，以确定砂的用量。

本文在作自密实轻骨料混凝土配合比设计时先确定粗骨料的体积系数α=0.5及砂体积系数β=0.41，则轻骨料用量为:

砂用量为:

其中，ρLca，ρca分别为轻骨料的堆积密度和表观密度;ρfa为砂的表观密度。

水胶比按传统水胶比定则计算:

其中，M(w)为水的质量;M(c+f)为粉煤灰和水泥总的质量; fcu，p为自密实轻骨料混凝土的设计抗压强度;fce为水泥的标准抗压强度;A，B均为回归系数，对于碎石型骨料取A=0.48，B=0.52。

根据全计算法的体积累加原则，得到水的体积如式(4):

其中，Vcp为浆体体积;Va为空气体积;φ为粉煤灰取代水泥的取代率;ρc，ρf分别为水泥和粉煤灰的密度。

考虑轻骨料的吸水性能，轻骨料的附加吸水量为:

其中，e为轻骨料的24 h吸水率。

总的用水量:

水泥的用量为:

粉煤灰用量为:

高效减水剂的用量根据减水剂出厂参数，掺量为胶凝材料用量的 1%～2%，具体用量根据工作性能进行调节。

2 实验材料及配合比

水泥采用普通硅酸盐42.5R水泥，其物理力学性能试验结果见表1;低碱活性的中砂，细度模数2.8，堆积密度1 600 kg/m3，表观密度2 650 kg/m3;西卡公司ViscoCrete 3350减水剂，减水率可达37%;普通自来水，密度为 1 000 kg/m3;粉煤灰采用原状Ⅰ级粉煤灰，烧失量2.5%，表观密度2.3g/cm3;轻骨料采用碎石型高性能轻骨料，为 800级陶粒，测得其性能指标见表 2。

表1 实验用水泥的物理性能

表2 页岩陶粒的主要性能

SCLC60自密实轻骨料混凝土中所有材料的用量按以上公式计算出后，再经过多次试配如表 3所示。

表3 SCLC 60自密实混凝土配合比 kg/m3

3 工作性能试验

自密实混凝土的工作性能分为动态稳定性和静态稳定性。动态稳定性是指自密实混凝土在搅拌、运输包括浇筑过程中所表现出来的性能;静态稳定性指混凝土浇筑完成至初凝前静止状态下的性质。

3.1 动态稳定性

用SCLC60流动扩展直径扩展到500mm的时间T500和流过V形漏斗的时间TV来评价SCLC60的粘聚性和流动性，用SCLC60通过L槽后两边的高度比值h2/h1和通过 U形槽后两边的高度差Δh来检验SCLC60的流动性和通过能力。流动扩展度随时间变化见表4。结果表明:配制的SCLC60有很高的流动扩展能力。随着时间的增长，T500的时间有所增加、扩展直径减小，但仍具有较高的自密实性能。

表4 流动扩展度随时间变化表

SCLC60通过V形漏斗的时间为16.3 s;SCLC60通过L槽后，两边的高度比h2/h1=0.95;SCLC 60通过U形槽后，U形槽两边的高度差为 5mm，以上指标均满足自密实混凝土的要求。

3.2 静态稳定性

静态稳定性试验包括湿筛分化试验、表面沉降试验和粗骨料均匀性试验。湿筛分法是量化混凝土抗离析性能的一种有效的方法，具体是将新拌的10 L混凝土稳定15 min后，通过500mm高度倒入孔径为 5 mm的冲压方孔筛 5 kg，筛规格应该满足ISO 3301-2的要求，待2m in后，测量透过筛子的砂浆的质量占总的混凝土量的百分比，比值越小越好，说明混凝土的抗离析性能好。采用这种筛分试验测得SCLC60筛分分离系数分别为5.9%。

表面沉降试验主要试验指标是测量试验装置顶部表面混凝土在塑性阶段的沉降量，目的是评价自密实轻骨料混凝土体积稳定性。用直径为200mm、高700mm的PVC管，顶部采用LVDT连接一个聚丙烯树脂板，以此来量测混凝土高度的变化，通过表面沉降试验测得的SCLC60自密实轻骨料混凝土5 h后的最大表面沉降率为0.16%，满足Joseph Assaad建议的自密实混凝土最大表面沉降小于 0.5%的要求，说明具有良好的体积稳定性。

检验粗骨料分布均匀度通常采用粗骨料柱分层试验。将直径为200mm，高度为660mm的钢管沿高度方向分为4段165mm高的钢管。将轻骨料混凝土在钢管中放置30m in，待骨料分布稳定后取下每一段装置，用直径5mm的筛子筛出粗骨料，待饱和面干后称量每层粗骨料质量，用每层骨料占总骨料质量的比率及其变异系数作为评价轻骨料分布均匀性的标准，该变异系数称为骨料分离系数Iseg。采用这种粗骨料分层试验，测得SCLC 60分离系数为4.5%;SCLC60粗骨料分布率最大值为26%，最小值24.5%，说明自密实轻骨料混凝土并没有出现明显的分层现象。

4 结语

从以上SCLC60的动态、静态稳定性试验指标来看，所配制的SCLC 60具有良好的流动性、变形性和对钢筋的通过能力，满足自密实混凝土工作性能的要求。

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

[2] Japanese Ready-Mixed Concrete Association.Manual of producinghigh fluidity(Self-Compacting)concrete[M].Tokyo:Japanese Ready-Mixed Concrete Association，1998.

[3] 陈建奎，王栋民.高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J].硅酸盐学报，2000，28(2):194-198.

[4] 俞然刚，陈金平，肖光辉.自密实混凝土配合比设计及其正交试验[J].工业建筑，2005，35(S1):691-694.

[5] 何廷树，王振军.自密实轻骨料混凝土工作性能研究[J].西安科技学院学报，2004，24(4):422-425.

[6] Caijun Shi，Xiaohong Yang.Design and application of self-consolidating lightweight concretes[A].Edited by Zhiwu Yu，Caijun Shi et al.1st International Symposium on Design，Performance and Use of Self-Consolidating Concrete[C].Bagneux: RILEM Publications S.A.R.L.，2005:55-65.