重庆地区高强陶粒混凝土设计与制备技术研究

2012-06-13杨再富范英儒石从黎陈伟刘军

重庆建筑 2012年8期

杨再富，范英儒，石从黎，陈伟，刘军

（1重庆建工新型建材有限公司，重庆 401122；2重庆大学，重庆 400045；3重庆市建筑科学研究院，重庆 400020）

0 引言

与普通混凝土相比，高强陶粒混凝土不仅能减少建筑结构的自重（在保持较高强度的基础上，可使混凝土的自重降低20%以上），而且还具有良好力学性、耐久性、保温隔热性和抗震性。因此，对于高层建筑、海洋工程、大跨度桥梁等大型工程而言，高强陶粒混凝土具有很强的竞争力[1]。

可是，在超高层建筑和大跨度桥梁迅速发展的重庆地区，高强陶粒混凝土却至今未有规模化应用，这是因为我国在高强陶粒混凝土材料设计与制备方面的研究较为薄弱，尤其是基于重庆地材的高强陶粒混凝土制备技术几乎为空白[2]。为此，本文拟通过分析陶粒混凝土的破坏特征和高强化技术途径，提出高强陶粒混凝土的组成与配合比设计方法，探讨高强混凝土的制备技术，研究高强陶粒混凝土的性能，为促进高强陶粒混凝土在重庆地区的推广应用提供技术基础。

1 高强陶粒混凝土的设计

1.1 陶粒混凝土的高强化技术途径

高强陶粒混凝土是轻质多孔性集料（陶粒）颗粒被水泥砂浆胶结而成的堆聚结构[3]，由于陶粒的材料强度远低于水泥砂浆，陶粒混凝土的断裂是通过(较软的)陶粒颗粒而不是通过(较硬的)水泥砂浆，破坏特征见图1。

图1 陶粒混凝土的破坏特征

基于上述特征，对于陶粒混凝土的高强化，提高陶粒的材料强度是关键，其次是砂浆强度以及陶粒－水泥砂浆界面强度。此外由于陶粒与水泥砂浆之间存在较大的密度差，如何保证陶粒混凝土的匀质性也是决定其高强化的重要因素。

1.2 高强陶粒混凝土的组成设计

根据重庆地区的地材特点，选择混合砂作为高强陶粒混凝土的细集料组成。然后根据陶粒混凝土的高强化技术途径对其他组成材料进行选择，即：采用高强陶粒，以提高集料的承载能力；选择质量稳定和强度等级高的普通硅酸盐水泥，以提高水泥砂浆的强度；使用优质粉煤灰部分替代水泥，以提高混凝土的流动性、粘聚性，以及基体与陶粒集料之间的界面强度；掺入高性能减水剂在显著提高基体（砂浆）强度的同时，改善混凝土的工作性满足施工要求；使用一定量的聚丙烯纤维以保证陶粒混凝土的匀质性，高强陶粒混凝土的主要组成材料和技术指标要求见表1。

表1 高强陶粒混凝土的主要组成及技术指标要求

1.3 配合比的设计

陶粒混凝土由于其所用集料的多孔性及其形成条件差异很大，不同陶粒的孔结构和组成变化很大，因此，不可能像普通混凝土那样，用一个较公认的强度公式来作为混凝土配合比设计的基础和依据。本文参照行业标准《轻骨料混凝土技术规程》[4-5]，并结合高强陶粒混凝土的制备技术特点提出高强陶粒混凝土的配合比设计方法，该方法以工作性、抗压强度和表观密度为设计目标，同时考虑了陶粒的预湿处理因素，陶粒质量以湿陶粒表示，具体设计步骤如下：

⑴计算陶粒混凝土的试配强度。

⑵根据陶粒的堆积密度确定陶粒的用量（陶粒堆积填满单位体积的质量），再根据陶粒预湿24h的含水率计算出湿陶粒的质量，并结合湿陶粒的表观密度计算出陶粒的体积用量Vt。

⑶根据混凝土用途和细集料品种确定体积砂率S。

⑷根据所确定的陶粒的体积用量及砂率，求出每立方米混凝土细集料的用量。

⑸掺合料以等量取代水泥计算。

⑹外加剂按推荐掺量计算。

⑺最后，根据混凝土设计表观密度，计算出陶粒混凝土的用水量。

⑻根据以上计算数据进行试配试验，测试试配混凝土的工作性、抗压强度和表观密度，再根据测试结果进行调整。

2 高强陶粒混凝土的制备

2.1 预处理工艺

现有研究和应用实践表明[6-7]，陶粒吸水性对混凝土工作性的不利影响是制约陶粒混凝土实现预拌和泵送施工的瓶颈问题。为此，本文基于高强陶粒混凝土生产的易操作性和经济性，提出采用预湿方法对陶粒进行预处理以改善混凝土的工作性能，其主要工艺参数为预湿时间。通过试验确定（结果见图2），配制高强陶粒混凝土的陶粒预湿时间应在24h以上。

图2 陶粒预湿时间对混凝土坍落度及其经时损失的影响

2.2 搅拌成型工艺

由于各组成的密度大小相差较大，陶粒混凝土不易被搅拌均匀，经试验确定陶粒混凝土的搅拌时间应较普通混凝土延长，一般不宜小于3min。而投料顺序也有相应的要求，见图3。

图3 高强陶粒混凝土的投料顺序

3 高强陶粒混凝土性能的研究

3.1 坍落度及抗压强度

试验测试了LC30和LC40混凝土的坍落度和抗压强度，结果见表2和图4。

表2 高强预拌陶粒混凝土的性能指标

图4 高强陶粒混凝土的工作性能

对于陶粒混凝土的坍落度，由于在材料组成设计时选择了优质粉煤灰和高性能减水剂，在制备方法上采用了预处理工艺，使得配制的高强陶粒混凝土具有大坍落度(220mm)及小经时损失(≤30mm)的特征，完全可满足预拌生产和泵送施工的要求。

而对于陶粒混凝土的抗压强度，一方面，由于同强度等级的陶粒混凝土的砂浆强度显著高于普通混凝土造成陶粒混凝土的早期强度发展较快；另一方面，由于预湿陶粒具有内养护功能，可使水泥水化更充分而提高陶粒混凝土的后期强度。

3.2 干燥收缩

图5 LC40高强陶粒混凝土的干燥收缩

图5的结果表明，由于采用了预处理工艺，陶粒的含水状态使其在混凝土硬化过程中具有内养护功能而减少了陶粒混凝土的干燥收缩，使得配制的高强陶粒混凝土的收缩低于普通混凝土。

3.3 渗水高度

试验比较了高强陶粒混凝土（LC30和LC40）和普通混凝土的压力渗水性能，结果表明高强陶粒混凝土的渗水高度小于同强度等级的普通混凝土（见表3），说明高强陶粒混凝土具有良好的抗渗性能。

表3 高强陶粒混凝土抗渗性

4 高强陶粒混凝土的应用

4.1 工程概括

“解放碑金鹰财富中心”工程位于重庆渝中区解放碑旁，系扬子岛大厦部分裙楼，属大修解危工程。为了满足大型奢侈品商场的功能要求，该工程新建建筑对原有框架柱网进行了调整，加大了柱距与结构荷载。因此，如果采用普通混凝土框架结构，原有基础就不能承受改建后的荷载，必须拆除负一层、负二层后对基础进行重建，不仅施工成本高，而且还影响周边环境。

于是，经过多方案比选，决定保留原建筑地下结构及功能不变，地上建筑采用高强陶粒混凝土重新浇筑。主要技术参数为：陶粒混凝土强度等级设计为LC30（梁、板），LC40（框架柱），混凝土密度等级为1800kg/m3，混凝土采用商品混凝土泵送浇筑。