结构用轻质泵送混凝土的性能研究

吴金国 徐 强 余火胜

（江西省建筑材料工业科学研究设计院，南昌 330001）

前言

轻质混凝土是用轻骨料、轻砂（或普通砂）、水泥、外加剂和水配制而成的表观密度低于1950kg/m3的混凝土[1]。结构轻质混凝土因为具有轻质、高强、隔热等优点，有着巨大的经济和技术优势，特别是在不良地基上建造高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程和隧道等需要降低建筑物自重的工程中应用广泛[2]。比如，南京太阳宫广场混凝土工程采用了CL50高强轻质混凝土；铁道部大桥局将CL40高强陶粒混凝土应用子啊金山公路跨度为22m的桥梁上[3]。页岩陶粒由于吸水率大、堆积密度小等特性使混凝土在振捣、运输和施工过程中很容易出现陶粒上浮、分层、泌水和离析等有害现象，这使页岩陶粒混凝土均质性下降并很难做到高强度和可泵性的统一，给工程施工和泵送带来了很大困难，制约了其在工程上的应用。为满足泵送施工的要求，需要系统研究页岩陶粒混凝土泵送性能的各种影响因素，对促进页岩陶粒混凝土在工程中的推广和应用具有重要现实意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验用水泥为江西万年青P·O 42.5级水泥，其化学组成见表1，矿物组成见图1。粉煤灰为江西中业兴达电力实业有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，其化学组成见表1。细骨料为赣江河砂，细度模数2.7，级配Ⅱ区，表观密度2610kg/m3，堆积密度1440kg/m3，泥块含量0%，含泥量0.9%。粗骨料为800级碎石形高性能页岩，基本性能指标见表2。外加剂使用江西迪特科技有限公司生产的聚羧酸系缓凝高性能减水剂。混凝土拌合用水为符合国家现行标准JGJ 63-2006《混凝土用水标准》的自来水。

表1 水泥和粉煤灰的化学组成（w t %）

表2 页岩陶粒基本性能指标

1.2 试验方法

配合比设计参考JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》，基准配合比的坍落度设计为180mm、强度等级为LC35，见表3。研究页岩陶粒的粒型、密度等级、预湿处理时间、颗粒级配、粉煤灰取代率、体积砂率等因素对页岩陶粒混凝土泵送性能的影响。本文采用坍落度与扩展度及比值K[4]评价页岩陶粒混凝土可泵性。

2 试验结果与分析

2.1 陶粒的预湿处理时间对泵送性能和抗压强度的影响

图1 水泥的XRD图谱

表4为对页岩陶粒进行不同的预湿处理，得到陶粒混凝土的泵送性能和力学性能指标。从表4中可以看出，随着预湿处理时间的增加，K值在降低，常压浸水24h与48h对应的K值相等。1h坍落度损失随着预湿处理时间的增加明显减小，这主要是因为陶粒预湿处理时间越长，陶粒的吸水率越大，加入的拌合水相对减少，所以出机坍落度略有减小。由于陶粒吸水后存在微泵效应，使常压浸水处理时吸收的部分水，随着时间的推移释放出来，保持混凝土较长时间的可塑性；陶粒的预湿处理时间对其后期抗压强度影响并不大。比较各试验结果，推荐浸水处理时间为24h。

2.2 陶粒的粒型对泵送性能和抗压强度的影响

表5为采用圆球形和碎石形两种粒型的陶粒配制混凝土后的泵送性能比较。本试验采用基准配合比，使用800级的圆球形页岩陶粒和碎石形页岩陶粒，浸水时间均为24h。由表5可知，采用圆球形页岩陶粒配制的混凝土的出机坍落度和1h坍落度经时损失比采用碎石形页岩陶粒配制的混凝土均要大。而且在试验过程中发现，圆球形页岩陶粒所配制的混凝土有轻微的离析现象。这主要是因为圆球形陶粒表面光滑、粒型规则，在混凝土拌和物中近似滚珠流动，所以圆球形页岩陶粒比碎石形页岩陶粒的流动性能好，圆球形颗粒与水泥浆的粘结力较弱，因而其抗离析的能力比碎石形颗粒弱。碎石形陶粒配制的混凝土的28d抗压强度比圆球形陶粒配制的混凝土的抗压强度高。综合比较，碎石形页岩陶粒有利于泵送和保证强度。

表3 基准配合比（干燥）

表4 预湿时间对页岩陶粒混凝土工作性能的影响

2.3 页岩陶粒的密度等级对可泵性的影响

轻骨料的密度等级可分为14个等级，陶粒的轻重决定着与水泥浆体的密度差，势必影响到其在水泥浆中的上浮速率，从而进一步影响到陶粒混凝土的均质性和力学性能。本试验采用基准配合比，相同体积掺量，研究粒径相似的700级、800级和900级陶粒在浸水时间均为24h下制备的混凝土性能的变化见表6。

从表6可知，页岩陶粒的密度等级对混凝土泵送性能的影响很小；28d抗压强度随着陶粒的密度等级的提高有一定的提高。

2.4 页岩陶粒的颗粒级配对泵送性能和抗压强度的影响

表7为不同颗粒级配陶粒对混凝土泵送性能和28d抗压强度的影响。由表7可以看出，连续级配比不连续级配和单级配的保坍性能好，28d抗压强度高。这是因为水泥浆不仅需要包裹陶粒表面，还需要填充陶粒间的空隙。级配较好时，大颗粒之间的空隙可以由小颗粒和细骨料填充，在相同水泥浆用量的情况下，有足够的水泥浆在陶粒之间起到润滑作用，使混凝土具有较好的工作性能。骨料级配良好的混凝土结构更密实，强度也相应更高。

2.5 体积砂率对泵送性能和抗压强度的影响

本试验采用基准配合比，骨料的总体积固定，图2是体积砂率对混凝土坍落度的影响，图3是体积砂率对陶粒混凝土强度的影响。

由图2可知，砂率较小时，增大砂率增加了包裹骨料的砂浆，提高了陶粒混凝土的坍落度和流动性；但体积砂率过大，骨料的比表面积增大，水泥浆不足，混凝土拌合物的流动性降低。由图3可知，随着体积砂率的增加陶粒混凝土28d抗压强度先增后减，这是由于体积砂率的增加改善了拌和物的粘聚性和匀质性，混凝土中陶粒所占的比例越小，混凝土的强度越高；而当砂率过大，混凝土容易分层离析，导致混凝土形成不均匀的结构，强度反而会降低。

2.6 粉煤灰掺量对泵送性能和抗压强度的影响

表8为粉煤灰的不同掺量对混凝土泵送性能和抗压强度的影响。本试验采用基准配合比，粉煤灰以1.2的超掺系数以0%、10%、15%、20%、25%、30%取代部分水泥。

由表8可得，在一定范围内，随着粉煤灰的掺量增大，28d强度略有降低，提高了混凝土的泵送性能。这是因为粉煤灰具有形态效应、活性效应和填充效应等物理活性，其玻璃微珠体呈光滑球形，在水泥浆体中起到润滑作用，既改善了拌和物的流动性，又增加了保水性和匀质性；采用部分粉煤灰替代水泥可以减小水泥浆体的密度，从而减小了陶粒与水泥石之间的密度差，可以起到减轻陶粒上浮的作用。但是当掺量超过20%以后，在提高拌合物的流动性的同时也加快了陶粒的上浮。因此单掺粉煤灰时存在一个较佳值，能够实现陶粒混凝土的流动性和抗分层离析性之间的协调。

表5 不同密度等级陶粒对混凝土性能的影响

表6 不同密度等级陶粒对混凝土性能的影响

表7 不同密度等级陶粒对混凝土性能的影响

图2 体积砂率对坍落度的影响

图3 体积砂率对28d抗压强度的影响

表8 粉煤灰的掺量对混凝土性能的影响

结论

（1）对陶粒进行预湿处理有利于混凝土的泵送性能的改善，解决了陶粒在混凝土中的吸水与放水过程对陶粒凝土的泵送性能影响。

（2）碎石形页岩陶粒相比圆球形页岩陶粒更有利于泵送，且对强度有增强作用。陶粒的密度等级对混凝土的泵送性能影响不大，高密度等级陶粒对混凝土的均质性与强度有利。

（3）陶粒连续级配有利于提高混凝土的泵送性能和强度；体积砂率的大小受陶粒空隙率的影响，还需综合考虑对强度和流动性的影响；粉煤灰的掺入有益于混凝土的可泵性的改善，但掺量不宜过大。

[1] 轻集料混凝土技术规程[S]。 JGJ51-2002

[2] Euro Light Con project“B E96-3942/R11,Pumping of lightweight aggregate concrete based on expanded clay in Europe”,http://www.sintef. No/units/civil.bygg/sement/elcon/list-r.htm,December 1998,P29.

[3] 曹永民, 宋宏伟, 王立久。免振自流平高性能轻集料混凝土和高性能轻集料混凝土的研究[J]。混凝土。2002.11.P36

[4] 陈晓芳，田晓霞。陶粒性能对LC40轻骨料混凝土工作性和均质性的影响［J］。桥隧工程，2010（5）：195-198。