LC60级高强自密实轻骨料混凝土配制技术

2020-11-07李书明曾志刘竞谢永江郑新国

铁道建筑 2020年10期

李书明曾志刘竞谢永江郑新国

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

轻骨料混凝土是一种由轻粗骨料、轻砂或普通砂、水泥和水配制而成的混凝土。通常称湿表观密度小于1 950 kg/m3且28 d 抗压强度大于40 MPa 混凝土为高强轻骨料混凝土［1］。与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有轻质高强、隔热保温、耐火抗冻等优点，可减轻结构自重、减小基础荷载几何尺寸，表现出良好的抗震性能［2］，其已在国内外多个大跨桥梁、高层建筑中应用［3-4］。

国内关于轻骨料混凝土的研究和应用较多，且主要集中在 LC40 级及以下［5］，对于 LC60 级及以上的高强度自密实轻骨料混凝土的研究相对较少。随着我国工程建设行业的发展，在复杂环境下修建大跨桥梁、高层建筑等结构已在所难免，如穿越艰险复杂山区的川藏铁路，根据地形地势的需要部分工程不得不采用大跨桥梁。高强自密实轻骨料混凝土要求同时具有高强度和低密度，但是通常轻骨料混凝土密度越低，强度也越低［6～7］。另外，高强自密实轻骨料混凝土还要求具有较高的流动性和稳定性，但是轻骨料混凝土流动性越大，轻骨料上浮的风险越大，稳定性越差，因此需要协调各项配制参数才能确保各种性能同时满足要求。

通常轻骨料混凝土的强度与轻骨料密度有关，采用低密度的轻骨料配制高强度的轻骨料混凝土是技术人员追求的目标。本文以湿表观密度为1 900 kg/m3的LC60 级轻骨料混凝土为设计目标，分别选用堆积密度为500，600，700，800 kg/m3的页岩陶粒作为轻骨料，通过调整水胶比控制浆体强度，预湿骨料确保混凝土工作性能，添加高分子增稠剂增加轻骨料的稳定性，配制出LC60 级高强自密实轻骨料混凝土，并观察轻骨料混凝土的微观结构，测试其界面过渡区的显微硬度。以期研究成果能为高强自密实轻骨料混凝土在铁路工程中的应用提供技术支撑。

1 试验

1.1 原材料及配合比

试验所用水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的主要性能参数见表1。粗骨料为页岩陶粒和碎石，陶粒和碎石粒径均为5～20 mm 连续级配，粗骨料主要性能参数见表2。细骨料为天然中砂，细度模数为2.5。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为29%。高分子增稠剂为多糖类。矿物掺和料为超细矿粉和硅灰，其主要性能参数见表3。

根据JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》按照松散体积法配制湿表观密度为1 900 kg/m3的轻骨料混凝土。通过调节陶粒与碎石含量配制出4种相同湿表观密度的混凝土。通过调整减水剂含量控制混凝土的坍落扩展度，扩展度控制在600～650 mm，混凝土含气量为3.0%～4.0%。轻骨料混凝土的配合比见表4。

表1 水泥主要性能参数

表2 粗骨料主要性能参数

表3 矿物掺和料主要性能参数

表4 轻骨料混凝土配合比 kg·m-3

1.2 试验方法

1）搅拌工艺

粗骨料未预湿时搅拌工艺为：将干粗骨料、细砂、掺和料、1/2用量的水加入搅拌机中拌和1 min，再将水泥、减水剂、剩余水加入搅拌机中拌和2 min后出机。

粗骨料预湿时搅拌工艺为：先将陶粒浸水预湿，称取浸水前后的重量，再将预湿粗骨料与细砂、掺和料一起加入搅拌机中拌和30 s，最后将水泥、减水剂、剩余水加入搅拌机中拌和2.5 min后出机。

2）工作性能测试

坍落扩展度、J 环障碍高度、轻骨料上浮率按照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》测试；L型仪充填比按照Q/CR 596—2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土》测试；流变性能采用Brookfield公司生产的RS-SST型砂浆流变仪测试。

3）力学性能测试

轻骨料混凝土成型之后，在温度（20±2）℃，湿度大于95%的标准养护室中分别养护至3，7，28，56 d时进行力学性能测试。抗压强度和弹性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试。

4）显微硬度

待试件养护至28 d时取出，用切割机切割成60 mm（长）×60 mm（宽）×30 mm（高）的试样，然后采用PG-2A型抛光机抛光，接着用1.5 W 金刚石喷雾抛光剂将试样表面打磨平整，采用上海研润科技公司生产的HMAS-D1000 维氏显微硬度仪测试试样的显微硬度，见图1。

图1 显微硬度测试

2 试验结果与分析

2.1 轻骨料混凝土力学性能

1）陶粒的堆积密度对抗压强度的影响

不同堆积密度的陶粒配制出的不同配合比轻骨料混凝土的抗压强度及破坏形式见图2。

图2 不同配合比轻骨料混凝土抗压强度及破坏形式

由图2可以看出：①随着养护龄期的延长，各配合比轻骨料混凝土的抗压强度均逐渐增加，28 d 之后抗压强度增长趋势变缓。②不同堆积密度陶粒配制出的相同密度轻骨料混凝土的抗压强度存在较大差异。当陶粒堆积密度较小时，轻骨料混凝土早期抗压强度略高，但后期抗压强度增长较缓慢；随着陶粒堆积密度的增加，轻骨料混凝土抗压强度早期虽有降低，但后期增长较快；当龄期超过28 d 后，随着陶粒堆积密度的增加，相同龄期轻骨料混凝土抗压强度逐渐提高。当陶粒堆积密度为800 kg/m3时，轻骨料混凝土56 d 抗压强度高于65 MPa，达到LC60 级高强轻骨料混凝土抗压强度要求。这是因为堆积密度越大的陶粒，其筒压强度越高，造成轻骨料混凝土抗压强度随陶粒堆积密度增大而增大。③轻骨料混凝土破坏界面均穿越陶粒，这说明轻骨料混凝土中陶粒处是混凝土的薄弱部位，轻骨料混凝土破坏最先从此处发生。

不同配合比轻骨料混凝土的弹性模量见表5。可以看出，随着陶粒堆积密度的提高，轻骨料混凝土弹性模量有所增加。通常C60 普通混凝土弹性模量在38 GPa 左右［8］。与相同强度等级的普通混凝土相比，轻骨料混凝土弹性模量有所降低。因此在预应力结构中应用轻骨料混凝土时，须考虑弹性模量降低对预应力损失的影响。

表5 轻骨料混凝土弹性模量

综合考虑轻骨料混凝土的抗压强度和弹性模量，LC60级轻骨料混凝土宜选用800LC配方。

2）水胶比对抗压强度的影响

在轻骨料混凝土配制中，除轻骨料外水胶比也是影响其强度的重要参数。选用800LC 作为基础配合比，调整水胶比。不同水胶比时轻骨料混凝土的抗压强度见图3。

图3 不同水胶比时轻骨料混凝土的抗压强度

由图3可以看出：①随着水胶比的增大，不同龄期轻骨料混凝土的抗压强度均逐渐降低，其中28 d 和56 d 抗压强度降低尤为显著。②当水胶比小于0.29时，轻骨料混凝土28 d 抗压强度大于65 MPa，这说明配制高强轻骨料混凝土时应采用较低的水胶比，LC60级高强轻骨料混凝土水胶比不宜超过0.29。

3）骨料预湿时间对抗压强度的影响

为减少拌和后陶粒吸水对轻骨料混凝土工作性能的影响，通常采用水中浸泡的方式对陶粒进行预湿［9］。选用800LC 作为基础配合比，调整陶粒预湿时间。不同预湿时间陶粒筒压强度见图4，不同预湿时间陶粒所配制的轻骨料混凝土的抗压强度见图5。

图4 预湿时间对陶粒筒压强度的影响

图5 陶粒预湿时间对轻骨料混凝土抗压强度的影响

由图4 和图5 可以看出，预湿时间对陶粒的筒压强度和轻骨料混凝土的抗压强度具有重要影响。与未预湿和预湿24 h相比，预湿1 h时轻骨料混凝土28 d及56 d 的抗压强度均最高。这主要是因为，与未预湿陶粒相比，预湿1 h 时陶粒仅表面被湿润，内部仍是干燥状态，陶粒筒压强度未降低，但是预湿后能够为骨料与浆体界面处水泥水化提供水分，起到了内养护的作用，增强了陶粒与浆体界面过渡区的密实性，进而提高了轻骨料混凝土抗压强度；预湿24 h 时水浸入陶粒内部造成陶粒筒压强度降低，进而造成轻骨料混凝土抗压强度降低。说明通过陶粒预湿能够改善轻骨料混凝土的工作性能，提高混凝土的强度，但是陶粒预湿时间不能太长。

2.2 轻骨料混凝土工作性能

1）流变性能

塑性黏度和屈服应力是新拌混凝土的2个关键流变参数［10］。增稠剂通常能够改变新拌混凝土的流变参数，进而避免轻骨料上浮。采用与轻骨料混凝土同配比的砂浆，用流变仪测试掺入多糖类高分子增稠剂砂浆的塑性黏度和屈服应力，结果见图6。

图6 增稠剂对砂浆流变性能的影响

由图6 可以看出，多糖类高分子增稠剂对砂浆流变性能具有重要影响。掺入增稠剂后砂浆的塑性黏度有所降低，且随着剪切速率的提高砂浆的屈服应力逐渐增大，而未掺入增稠剂时随着剪切速率的提高屈服应力基本不变。掺入增稠剂后，砂浆的黏度降低对于确保轻骨料混凝土的和易性和易施工性十分有利，且随着剪切速率的提高，屈服应力的提升对于增加轻骨料混凝土的稳定性，抑制轻骨料上浮具有显著效果。掺入增稠剂后，轻骨料混凝土坍落扩展度为620 mm时，陶粒基本无上浮，轻骨料上浮率也较未掺入增稠剂时大大降低，见图7。

图7 增稠剂对轻骨料上浮率的影响

2）流动性能

选用800LC 作为基础配合比，水胶比为0.28，掺入增稠剂后LC60 级轻骨料混凝土流动性能参数见表6。

表6 LC60级轻骨料混凝土流动性能参数

由表6 可以看出：轻骨料混凝土含气量、坍落扩展度、J 环障碍高差、L型仪充填比和流动时间均适宜，各项参数均能够满足JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》中相应要求。

2.3 轻骨料混凝土微观性能

采用显微硬度仪测试了C60普通混凝土和配合比为800LC 的LC60 级轻骨料混凝土中骨料与浆体界面过渡区的显微硬度。微观形貌及其硬度见图8。

图8 界面过渡区微观形貌及其显微硬度

由图8 可以看出：①普通混凝土中碎石与浆体界面过渡区较为疏松，沿碎石与浆体界面呈现一条细缝，而轻骨料混凝土中陶粒与浆体界面过渡区相对较为密实，未见明显裂缝。②轻骨料混凝土中陶粒与浆体的界面过渡区与同强度等级普通混凝土中碎石与浆体界面的显微硬度也存在较大差异。这主要是因为陶粒内预储的水分不断地放出来，促进轻骨料与浆体界面处水泥充分水化，界面处更加致密，减少了轻骨料与浆体界面裂缝发生的概率，致使界面过渡区强度更高。