120MPa輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的配制技術(shù)

引言現(xiàn)代混凝土作為人造建筑材料已有170多年的歷史。但隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求，普通混凝土自重占建筑物總荷載比重過大的弊端凸顯，工程領(lǐng)域希望未來(lái)的混凝土質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。為此，技術(shù)人員開發(fā)出了輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土（HSLC）。輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土是當(dāng)前混凝土技術(shù)的發(fā)展方向之一，它具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性好、無(wú)堿骨料反應(yīng)、體積穩(wěn)定性好、保溫隔熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)。在世界各地，特別在北歐等國(guó)被廣泛應(yīng)用于超高層建筑、大跨度橋梁、城市立交橋及海洋工程中。由于其具有很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，自上世紀(jì)60年代以來(lái)在世界各地獲得了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為建筑材料工業(yè)中發(fā)展最快的新型建材之一。第十屆全國(guó)混凝土設(shè)計(jì)大賽要求，在使用粗骨料的前提下，試配出體積密度不大于1900kg/m3，強(qiáng)度不低于70MPa的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土。基于此，本研究一方面從輕質(zhì)角度考慮，多摻加密度較低的輕骨料，而減少密度相對(duì)較高的漿體（由膠凝材料、水及外加劑構(gòu)成）用量，能有效實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)效果，但是輕骨料本身的特性及生產(chǎn)工藝又成為制約混凝土強(qiáng)度的短板；另一方面從高強(qiáng)的角度來(lái)看，為彌補(bǔ)輕骨料的強(qiáng)度短板，必須提升漿體的強(qiáng)度、漿骨交界面的強(qiáng)度，但是又會(huì)造成混凝土質(zhì)量偏重?！拜p質(zhì)”“高強(qiáng)”兩條路線矛盾突出，但是二者必然存在最佳結(jié)合點(diǎn)。通過研究，在使用常規(guī)膠凝材料的前提下，找到了一條實(shí)現(xiàn)路徑，成功配制出表觀密度1810kg/m3，強(qiáng)度120MPa的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，并以總成績(jī)第三榮獲當(dāng)年該項(xiàng)賽事企業(yè)組二等獎(jiǎng)。1、配制思路

在輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中，我們參考GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程，依靠漿體提升強(qiáng)度，采用漿體相為主要承重體系[1]，即提高漿體用量，降低輕骨料強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，輕骨料主要起填充和降低表觀密度作用。經(jīng)試驗(yàn)，在相同骨料材質(zhì)條件下，降低骨料最大粒徑有助于提高混凝土強(qiáng)度，輕質(zhì)細(xì)骨料的選用對(duì)骨料填充體系、降低表觀密度至關(guān)重要。選用高強(qiáng)水泥、礦渣粉、硅灰等來(lái)提升強(qiáng)度，選用頁(yè)巖破碎砂、粉煤灰陶粒和空心玻璃微珠等降低表觀密度[2]。同時(shí)降低輕骨料最大粒徑、減少粗骨料比例。綜合考慮上述因素，采用水膠比和漿骨比的雙因素試驗(yàn)方法，總體依據(jù)JGJ51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》用絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、試配及試驗(yàn)。同時(shí)，參考JGJ/T221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》加入適量合成纖維，以增強(qiáng)混凝土韌性，延緩混凝土試塊的破壞進(jìn)程。2、原材料

粉體材料：所使用的膠凝材料有邯鄲金隅太行水泥公司試驗(yàn)室磨制的P·I42.5水泥；金泰成公司生產(chǎn)的S105級(jí)礦渣粉；艾肯公司生產(chǎn)的925#硅灰；并選用義翔公司生產(chǎn)的N60空心玻璃微珠作為惰性膠凝材料，其表觀密度650kg/m3，恒等靜壓強(qiáng)度82.0MPa。各項(xiàng)粉體材料主要物理性能指標(biāo)見表1～表3。表1

水泥主要物理性能指標(biāo)表2礦渣粉主要物理性能指標(biāo)表3

硅灰主要物理性能指標(biāo)粗骨料：選用粉煤灰陶粒，其性能指標(biāo)見表4、表5。表4

粉煤灰陶粒的物理性能表5

粉煤灰陶粒的顆粒級(jí)配細(xì)骨料：由10～20mm頁(yè)巖石子破碎成頁(yè)巖砂，再將經(jīng)過篩分的顆粒按Ⅱ區(qū)中砂級(jí)配，去除篩底和5mm以上石子配制而成，細(xì)度模數(shù)2.8，具體物理性能指標(biāo)見表6，級(jí)配情況見表7。表6

頁(yè)巖陶砂的物理性能表7

陶砂的顆粒級(jí)配減水劑：使用金隅科技（邯鄲）公司制備的聚羧酸高性能減水劑，其主要性能指標(biāo)見表8。表8

減水劑主要性能指標(biāo)聚丙烯合成纖維：為增強(qiáng)混凝土的韌性，延緩高強(qiáng)混凝土試塊破壞過程中的脆性斷裂，加入聚丙烯合成纖維。其具體性能指標(biāo)見表9。表9

聚丙烯合成纖維性能指標(biāo)3、配合比計(jì)算

3.1水膠比的選取雙因素試配的第1個(gè)因素是水膠比的選取。配合比設(shè)計(jì)按絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)，因輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土采用漿體相為主要承重體系，所以要提高膠凝材料和水的用量。結(jié)合GB/T31387—2015中不同強(qiáng)度推薦的水膠比（見表10）依次進(jìn)行試配。表10

GB/T31387—2015推薦的水膠比、膠凝材料用量及鋼纖維摻量表10中給定的參考水膠比為不添加任何骨料的活性粉末混凝土，在本研究中添加輕骨料必然會(huì)降低混凝土的配制強(qiáng)度。因此，采用窮舉法進(jìn)行試配，具體試驗(yàn)中分別選取水膠比為0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20并與下文的漿骨比依次進(jìn)行雙因素試配，觀察混凝土和易性能，檢測(cè)表觀密度及3d強(qiáng)度，最終確認(rèn)水膠比為0.15時(shí)，表觀密度相對(duì)最小、強(qiáng)度相對(duì)最高。所以水膠比為0.15的試配為最終確認(rèn)的配合比。3.2骨料體積及凈漿體積的選取雙因素試配的第2個(gè)因素是漿骨比的選取。因本次設(shè)計(jì)大賽規(guī)定在試塊破型后必須有可見的粗骨料存在，本項(xiàng)目小組分別選取漿骨比9∶1、8∶2、7∶3，與3.1節(jié)的水膠比的7個(gè)選取數(shù)值進(jìn)行雙因素試配，觀察各組試配的骨料分布、表觀密度以及3d強(qiáng)度，最終確認(rèn)漿骨比為8∶2時(shí)，混凝土各項(xiàng)性能相對(duì)最優(yōu)，即每立方米混凝土中漿體（膠凝材料、水和外加劑）體積vp為0.80m3，總骨料體積（頁(yè)巖砂和陶粒）為0.2m3，即：3.3確定粉體材料的占比通過激光粒度分析儀檢測(cè)各粉料粒度分布范圍，參考富勒級(jí)配曲線，確定各粉體材料占比。各粉料激光粒度分布如圖1～圖4所示。圖1水泥激光粒度分布圖2礦渣粉激光粒度分布圖3空心玻璃微珠激光粒度分布圖4硅灰激光粒度分布通過圖1～圖4各粉體材料激光粒度分布以及富勒級(jí)配曲線要求，并考慮強(qiáng)度因素，計(jì)算出水泥占粉體材料50%、礦渣粉占粉體材料30%、空心玻璃微珠和硅灰各占10%時(shí)組成的粉體材料級(jí)配最接近富勒級(jí)配曲線。各粉體材料按上述比例混合后對(duì)其進(jìn)行級(jí)配分析，結(jié)果見表11。表11

膠凝材料級(jí)配表3.4確定配合比各組分的質(zhì)量膠凝材料的密度計(jì)算見式（4）：4、輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土配合比確定及配制

通過以上計(jì)算結(jié)果，確定輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的配比，見表12。混凝土拌合物性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果見表13，混凝土試件的抗壓破壞形態(tài)如圖5所示。由表13和圖5可知，本次試驗(yàn)成功試配出了表觀密度為1810kg/m3，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到121.3MPa的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，滿足設(shè)計(jì)大賽的要求。表12

輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土配合比kg/m3表13

混凝土拌合物性能測(cè)試結(jié)果圖5混凝土試件抗壓破壞形態(tài)結(jié)論

根據(jù)第十屆設(shè)計(jì)大賽的要求，本研究采用雙因素的試驗(yàn)思路進(jìn)行配合比計(jì)算，降低表觀密度、提升整體強(qiáng)度是配合比設(shè)計(jì)的兩條主線。采用漿體相為承重體系來(lái)提高輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度；摻入空心玻璃微珠來(lái)降低漿體項(xiàng)的密度；綜合添加粉煤灰陶粒和頁(yè)巖砂降低輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土表觀密度；利用空心玻璃微珠和筒壓強(qiáng)度高的粉煤灰陶粒；采用低水膠比、摻入硅灰和S105級(jí)礦渣粉取代部分水泥，降