不同外掺物对轻质高强混凝土的性能影响研究

石振庆 赵 炜

（滁州学院土木与建筑工程学院 安徽滁州 239000)

不同外掺物对轻质高强混凝土的轻质高强混凝土是由高强轻集料、普通砂、水泥和水配制而成，干容重小于1950kg/m³，强度等级LC30以上。相比于普通混凝土，其具有自重轻、强度高、耐久性佳、体积稳定性好等优点。我国对轻质高强混凝土的研究虽起步较晚，但近年来已展开系统的研究，取得了一定的研究成果。

一、钢纤维掺入对性能的影响

当前国内轻质高强混凝土多用在桥梁和高层建筑，部分也使用于超高层建筑，因此增强混凝土的抗压强度和抗弯强度及耐高温性就显得极为重要。

研究发现，掺入不同轻质骨料的钢管混凝土在不同火灾温度的影响下所产生的力学性能的差异较为明显，掺入钢纤维轻质骨料试件的轴向压力强度随火灾温度呈先增后减趋势，其结果表明，掺入钢纤维可提供一定的耐高温性能[1]。钢纤维的掺入亦可提高轻质高强混凝土的韧性和劈裂抗拉强度，其中，微细型钢纤维增韧效果最好，对劈裂抗拉效果也较明显[2]。钢纤维的掺入亦可在一定程度上影响混凝土的收缩性能，研究表明，当提高混凝土中钢纤维的掺量，可明显降低混凝土的收缩[3]。

除此之外，在高强度陶粒混凝土短柱初始裂缝抑制方面，钢纤维的掺入也会对其有一定的改善。研究发现，随着钢纤维体积率的提高，高强陶粒混凝土短柱试件的抗剪承载力有明显增强，在实际施工中适量增加钢纤维，可提高结构的抗剪承载力[4]。

有研究认为，通过振动搅拌机制备的轻质高强混凝土抗压强度随钢纤维的掺入持续增长。其原因为振动搅拌会改善絮凝结构，使水化速率加快，增加混凝土的密实度，在一定程度上可有效解决轻集料上浮的问题[5]。搅拌方式亦会对混凝土的抗渗性和耐久度产生较大的影响，当采用不同的搅拌工艺制得的轻质高强混凝土在28d的抗压强度及抗渗性能有明显不同[6]。

钢纤维的掺入将直接对轻质高强混凝土的性能产生影响。在一定范围内合理的在混凝土中掺入钢纤维可对轻质高强混凝土的抗弯性能和抗压性能有促进作用。

二、不同骨料掺入对性能的影响

骨料种类或粒径的不同，均会影响轻质高强混凝土的性能。研究发现，当采用镁矿石或不同粒径的浮石时，均可达到普通混凝土的抗压强度。不同浮石粒径对混凝土抗压强度值影响较为明显，在进行强化处理后，浮石粒径越小，其混凝土抗压强度就越高[7-8]。也有研究发现，在标准养护条件下，黏土陶粒混凝土和页岩陶粒混凝土试件的3d、7d、28d强度均高于自然养护试件[9]。试件的破坏模式以脆性破坏为主，其应力-应变曲线与普通混凝土相似。在其他骨料保持不变的条件下，适当的增加陶粒含量可使混凝土的弹性模量得到降低[10]。

聚合物的加入，除在很大程度上改变混凝土的韧性外也可明显的增强混凝土的相关性能。研究发现，当使用改性聚乙烯醇类聚合物（P-A）掺入时，抗拉强度会明显提升，与添加入PVA纤维相同的是所制备的混凝土的抗压强度增强并不明显,但聚乙烯醇纤维可明显的提高混凝土的韧性[11-12]。有研究指出，适量的增加玻璃微珠的颗粒数，将显著影响混凝土的性能，但随着玻璃微珠数目的增加，反而会降低混凝土的抗压强度[13-15]。PVA纤维和玻璃微珠混掺拌制轻质高强混凝土时，若PVA纤维含量恒定，随着玻璃微珠掺量的增加，混凝土的抗拉强度和抗压强度均呈现先大后小变化趋势，在60-80目时性能最优[12]。

三、无机掺合料对性能的影响

国内学者通过掺入无机掺合料来改变混凝土的性能，研究不同的无机掺合料也将带来轻质高强混凝土在绿色环保方面的提高。

当掺入锰渣粉、粉煤灰、硅灰等控制在一定的比例内时，抗压强度会有所上升。硅灰和锰渣粉可明显提高轻质高强混凝土的抗压强度[16-17]。除此之外，硅灰和二氧化硅无机掺合物的添加会增强混凝土的密实度[17-18]，曾维等人研究发现，当纳米SiO2掺量处于0%—2%区间逐渐增大时，混凝土抗压、抗折强度变化均呈现先增后减的现象，在掺量0.5%时达到顶峰；纳米二氧化硅的微集料填充会增加其折压比，在较大程度上改善轻质高强混凝土的断裂韧性[18]。研究表明，粉煤灰显著影响轻质高强混凝土的抗压强度，随粉煤灰掺入量的增加抗压强度呈先增后减小趋势，主要原因考虑为超细粉煤灰含量较多，比表面积较大，水化反应更快，改变了其内部的微观机构[18-19]；但粉煤灰含量不宜过多，会导致其流动性较差，进而影响混凝土的抗压强度[20-21]。

在无机添加物中，烧结粘土亦可作为一种材料来制备轻质高强混凝土。研究表明，烧结粘土的微观结构疏松多孔，会吸收部分水分，导致混凝土的工作性能降低。烧结粘土掺量越高，作用越明显，但其力学性能会明显的提高抗压强度，也可很好的提高混凝土的体积稳定性[22]。

无机掺合料的增加会对轻质高强混凝土的性能产生一定改变，其中抗压强度的改变最为明显，当掺入硅灰或粉煤灰时，抗压性能会因为内部骨料微观结构的改变而改变，其分子承载力效果不同，将直接影响轻质高强混凝土的抗压性能。

四、不同环境对性能的影响

研究不同环境对轻质高强混凝土性能的影响也反映了该类混凝土是否能够在复杂环境下保证工作性能，减少因环境带来对建筑物的不利影响。

在抗震设防区，高强轻质混凝土的使用可有效缩短桥梁的高阶自振周期，降低结构对地震内力和位移的响应[23]。胡珥珥等人发现，轻质高强混凝土的材料密度和弹性模量对桥梁结构的高阶振型影响很大，而同种强度的普通轻质混凝土对振动周期影响较小[24]。

对于常年遭受液体浸泡或侵蚀的建筑物而言，抗渗性能和吸水率就显得尤为重要。研究发现，预湿状态的陶粒混凝土其强度会随着预湿时间的增加而增加[25]。在氯离子等离子浓度较大区域，结构的抗渗能力的强弱直接影响建筑物的耐久性，混凝土抗氯离子渗透能力随干湿循环频率的增大而减小；混凝土氯离子渗透性随矿物含量的增加而增大；掺硅灰时混凝土的抗渗性较好，其中，掺入量为20%时混凝土的抗渗透性能最好[26]。

除此以外，同一种轻质高强混凝土并不能经受住各个地区气候条件的考验。在干旱地区，其恶劣的环境对混凝土的力学性能造成很大影响。在湿热环境下，混凝土结构温湿度均会较高，其力学性能也将很受影响。研究发现，CFRP加固高强混凝土开裂荷载会随着预应力的等级增加而提高，而在湿热环境下，荷载极限也会逐渐增高，这也为将来湿热地区混凝土结构的发展提供了依据[27]。火灾情况下的混凝土的性能也将直接影响的人们的生命财产安全，有研究发现随着温度的升高，高强混凝土的高温力学性能逐渐下降，下降速率大于普通混凝土，但掺入钢纤维的高强混凝土会显著改善高温下的力学性能[28]。

五、结语

轻质高强混凝土的不断发展与完善标志着我国在此领域的不断发展与突破。无论是采用钢纤维掺合料还是无机掺合料，对轻质高强混凝土性能的提高均较明显，相较于普通混凝土，轻质高强混凝土需要较为复杂的制作工艺和施工技术，不同外掺物对混凝土的影响均不一，外掺物加入后，其强度会有明显的提高。通过改变轻质高强混凝土的内部组成结构，扩大其应用范围，将对节能减排、绿色建筑的推广产生一定助推作用。