輕質(zhì)超高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)研究

鄧怡帆，冷政，曾維，陳謙，周薪茗

（中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展對(duì)建筑工程提出了越來(lái)越高的質(zhì)量要求，現(xiàn)今建筑高度不斷提高，結(jié)構(gòu)跨度不斷增大。傳統(tǒng)混凝土自重大，結(jié)構(gòu)相對(duì)笨重，增大了施工難度和成本，混凝土質(zhì)輕高強(qiáng)的需求愈發(fā)明顯。而我國(guó)輕骨料質(zhì)量普遍偏低，用以生產(chǎn)的輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度受限，混凝土容重在 2000kg/m3以下，強(qiáng)度難以突破70MPa[1]。

中空玻璃微珠具有質(zhì)輕高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，主要成分為硼硅酸鹽，SiO2含量占 80% 左右。陳雪梅[2]利用高強(qiáng)再生骨料和中空玻璃微珠制備出了表觀密度 1520kg/m3、抗壓強(qiáng)度為 58.9MPa 的混凝土。卞立波[3]利用陶粒和中空玻璃微珠制備出 28d 抗壓強(qiáng)度 72.0MPa、表觀密度1760kg/m3的陶?；炷痢ＷT林[4]利用 PVA 纖維和中空玻璃微珠配制出表觀密度為 1878kg/m3，28d 抗拉強(qiáng)度為 6.23MPa，抗壓強(qiáng)度為 67.022MPa，具有較好綜合性能的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土。利用中空玻璃微珠制備輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土已有部分研究，但強(qiáng)度仍在 100MPa 以下，對(duì)于制備 100MPa 的超高強(qiáng)混凝土少有研究。

本文利用中空玻璃微珠作細(xì)骨料，玄武巖作粗骨料?；诘谑畬萌珖?guó)混凝土設(shè)計(jì)大賽的要求（表觀密度不大于 1900kg/m3、抗壓強(qiáng)度不低于 70MPa），通過對(duì)各配合比參數(shù)試驗(yàn)并利用絕對(duì)體積法計(jì)算制備出表觀密度 1880kg/m3、抗壓強(qiáng)度 120MPa 以上的輕質(zhì)超高強(qiáng)混凝土。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

通過前期使用頁(yè)巖陶粒陶砂進(jìn)行試配發(fā)現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度受骨料強(qiáng)度影響嚴(yán)重，陶粒筒壓強(qiáng)度為 8.1MPa，混凝土強(qiáng)度難以超過 70MPa。因此，選用中空玻璃微珠作為細(xì)骨料降低體系容重。同時(shí)，玻璃微珠具有強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，相較于陶粒骨料可以明顯提升混凝土強(qiáng)度。

（1）本文所使用的粗骨料為湖南衡陽(yáng)的玄武巖，其具體性能指標(biāo)如表 1 所示。

（2）本文的細(xì)集料采用中空玻璃微珠代替，其具體性能指標(biāo)如表 2 所示。

表 1 粗骨料主要性能指標(biāo)

表 2 細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

（3）水泥：三峽牌 P·O52.5 水泥，其 28d 強(qiáng)度為60.2MPa，表觀密度 3015kg/m3。

（4）硅灰：四川朗天的半加密硅灰，28d 活性指數(shù)為 115%，表觀密度為 2174 kg/m3。

（5）中空玻璃微珠：深圳道特沉珠，28d 活性指數(shù)為 125%，表觀密度 2488 kg/m3。

（6）鋼纖維：鍍銅鋼纖維，表觀密度 7600kg/m3，直徑 0.2mm，長(zhǎng)度 13mm。

（7）外加劑：中建西部建設(shè)新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率 35% 以上，固含量 30%，摻量 3%～5%。

（8）拌合用水：自來(lái)水，密度 1000kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）首先按比例稱取水泥、摻合料、碎石、玻璃微珠、鋼纖維、水和外加劑。

（2）將稱取的水泥、硅灰、粉煤灰、玻璃微珠和碎石倒入攪拌鍋中，攪拌 2～3min，使其均勻混合。

（3）將稱量好的鋼纖維在攪拌過程中均勻地加入混合均勻的干料中，繼續(xù)攪拌 2min。

（4）將外加劑倒入水中攪拌均勻，倒入攪拌鍋中，攪拌 5min，攪拌均勻，得到混凝土。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

混凝土由骨料和膠凝材料基體組成，影響其力學(xué)強(qiáng)度的因素主要有骨料強(qiáng)度、膠凝材料基體強(qiáng)度以及基體與骨料之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度。對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，為減輕體系容重需要加入的輕質(zhì)材料，其強(qiáng)度相對(duì)較低，容易成為體系破壞的薄弱點(diǎn)。本文選用的輕質(zhì)材料為中空玻璃微珠作為細(xì)骨料。因此，擬采用漿體相作為承重相，減少骨料摻量和界面過渡區(qū)面積，降低體系薄弱結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。各配合比參數(shù)通過試驗(yàn)確定。

（1）膠凝材料體系對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

本文采用漿體相為承重體系，經(jīng)過前期試配試驗(yàn)，膠凝材料總量選擇 1300kg/m3。擬定不同膠凝材料摻量，測(cè)試膠凝材料組成對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表3、圖 1。

表 3 膠凝材料體系組成試驗(yàn)情況

圖 1 膠凝材料體系組成試驗(yàn)結(jié)果

改變膠凝材料體系組成制作成不同配合比的膠砂試件，并測(cè)試其 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度。從圖 1 可知，試件早期強(qiáng)度受水泥摻量影響較大，7d 抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而提高。2 號(hào)試驗(yàn)組 7d 強(qiáng)度為 26.4MPa，8 號(hào)試驗(yàn)組 7d 強(qiáng)度為 37.8MPa，水泥摻量增加 20%，7d 強(qiáng)度可以提高 43.2%。對(duì)比其 28d 抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，與 7d 強(qiáng)度影響規(guī)律不同，水泥摻量 60% 試驗(yàn)組，其 28d 強(qiáng)度相對(duì)較高。其中，水泥 : 硅灰 : 沉珠 = 60:20:20 時(shí)強(qiáng)度最高。這是由于所選摻合料活性較高，28d 經(jīng)過二次水化反應(yīng)消耗了大量的 Ca(OH)2晶體，生成水化硅酸鈣，同時(shí)填充了界面過渡區(qū)的薄弱部分，從而提高了試件后期的抗壓強(qiáng)度。因此，膠凝材料體系組成選擇水泥 : 硅灰 : 沉珠 = 3:1:1。

（2）水膠比及外加劑摻量選擇

為提高混凝土強(qiáng)度，選用低水膠比進(jìn)行制備試件，設(shè)置水膠比試驗(yàn)范圍為 0.12～0.20，根據(jù)試驗(yàn)（1）所確定的膠凝材料體系進(jìn)行試驗(yàn)，外加劑摻量根據(jù)混凝土工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。其具體數(shù)據(jù)見表 4、圖 2。

表 4 水膠比試驗(yàn)情況

圖 2 水膠比試驗(yàn)結(jié)果

從圖 2 可知，水膠比為 0.14 時(shí)試件強(qiáng)度最高。在一定范圍內(nèi)，降低水膠比可以明顯提高試件的抗壓強(qiáng)度，水膠比為 0.20 時(shí)試件抗壓強(qiáng)度為 70.4MPa，水膠比 0.14 時(shí)試件抗壓強(qiáng)度為 91.6MPa，強(qiáng)度提高 30.1%。而當(dāng)水膠比低于 0.14 時(shí)，試件強(qiáng)度降低，0.12 時(shí)水膠比試件強(qiáng)度只有 82.5MPa，強(qiáng)度降低 9.9%。水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響顯著，當(dāng)水膠比大于 0.14 時(shí)，膠凝材料水化產(chǎn)生的膠體不足以填充其顆粒間的間距，同時(shí)，水化反應(yīng)剩余的水分蒸發(fā)后留下空隙影響強(qiáng)度。而當(dāng)水膠比小于 0.14 時(shí)，部分膠凝材料難以完全水化，影響試件強(qiáng)度發(fā)展。同時(shí)，為保證工作性導(dǎo)致外加劑摻量過高，24h 后未完全硬化成型。因此，水膠比選擇為0.14，外加劑摻量擬定為 3.3%。

（3）鋼纖維摻量

參考 RPC 體系，摻入鋼纖維可以明顯提高混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。因此，本文加入鍍銅鋼纖維，為確定鋼纖維最佳摻量，擬定不同鋼纖維體積摻量，測(cè)試其28d 抗壓強(qiáng)度，具體數(shù)據(jù)結(jié)果見表 5、圖 3。

表 5 鋼纖維摻量試驗(yàn)情況

圖 3 鋼纖維摻量試驗(yàn)結(jié)果

從圖 3 中可以看出，加入鋼纖維后試件強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)鋼纖維體積摻量為 2.5% 時(shí)抗壓強(qiáng)度最高為 155.7MPa，相對(duì)未加鋼纖維基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度提高70.0%。而鋼纖維摻量超過 2.5% 后，抗壓強(qiáng)度開始下降，當(dāng)鋼纖維摻量為 4.0% 時(shí)，其強(qiáng)度為 120.8MPa，抗壓強(qiáng)度降低 25%。通過加入適量的鋼纖維可以顯著改善混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓韌性，鋼纖維亂象均勻分布可以有效提高混凝土整體結(jié)構(gòu)的均勻性，同時(shí)阻止裂縫擴(kuò)展和形成，從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度。而鋼纖維摻量過高時(shí)，用于包裹鋼纖維所需的漿體過多，沒有足夠的漿體提供流動(dòng)性，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部難以密實(shí)，空隙無(wú)法填充，抗壓強(qiáng)度隨之降低。同時(shí)，體系容重隨鋼纖維摻量增加而顯著提高。因此，鋼纖維體積摻量擬定為2.5%。

（4）骨料用量

基于上述試驗(yàn)結(jié)果選擇膠凝材料體系、水膠比和鋼纖維摻量，使用中空玻璃微珠作為細(xì)骨料，玄武巖作為粗骨料，為提高其比強(qiáng)度，設(shè)計(jì)配制表觀密度為1880kg/m3左右的混凝土，通過絕對(duì)體積法計(jì)算出骨料用量：

m水泥＝780kg，則

V水泥＝m水泥/ρ水泥＝780÷3015＝0.259(m3)；

m硅灰＝260kg，則

V硅灰＝m硅灰/ρ硅灰＝260÷2174＝0.119(m3)；

m沉珠＝260kg，則

V沉珠＝ m沉珠/ρ沉珠＝260÷2488＝0.105(m3)；

用水量 mW＝1300×0.14＝182(kg)，則

VW＝mW/ρW＝182÷1000＝0.182(m3)；

外加劑摻量 m外=1300×3.5=45.5(kg)，則

V外＝m外/ρ外＝45.5÷1030＝0.044(m3)；

鋼纖維用量 mcu=190kg，則

Vcu＝mcu/ρcu＝190÷7600＝0.025(m3)；

混凝土含氣量約為 2%，V氣=0.02m3；

總體積 V＝V水泥＋V硅灰＋V沉珠＋VW＋V外＋Vcu＋V玻＋V玄＋V氣泡=1.00m3。

單方重量

m＝m膠材＋mW＋m外＋mcu＋m玻＋m玄＝1880kg。

因此，m玻=85kg，m玄=78kg。

通過上述試驗(yàn)，初步擬定輕質(zhì)高強(qiáng)配合比見表 6。

表 6 輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土配合比 kg/m3

（5）試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述試驗(yàn)得到各配合比最佳摻量，對(duì)此配合比進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置該配合比為基準(zhǔn)組，在確定容重為 1880kg/m3左右的前提下，改變各配合比參數(shù)，測(cè)試其 28d 強(qiáng)度，并比較各配合比的比強(qiáng)度值，比強(qiáng)度值計(jì)算方法為（混凝土抗壓強(qiáng)度/表觀密度）÷（70MPa/1800kg/m3）。具體試驗(yàn)結(jié)果見表 7。

從表 7 中可知，在擬定的最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上改變各配合比參數(shù)，并保持混凝土容重在 1880kg/m3左右時(shí)，配合比參數(shù)的變化均會(huì)引起混凝土抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度的降低。對(duì)比基準(zhǔn)組與 2 號(hào)和 3 號(hào)試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)，膠材摻量在基準(zhǔn)組基礎(chǔ)上改變，混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)不同程度降低。與基準(zhǔn)組相比，2 號(hào)試驗(yàn)組強(qiáng)度降低 9.5%，3 號(hào)試驗(yàn)組強(qiáng)度降低 23.5%。改變水膠比同樣會(huì)影響混凝土抗壓強(qiáng)度，水膠比在 0.14 的基礎(chǔ)上增加或降低都會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)比基準(zhǔn)組與 6 號(hào)試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)，降低鋼纖維摻量會(huì)極大影響混凝土抗壓強(qiáng)度，雖然增加了膠凝材料用量，但 28d 強(qiáng)度降低 35.8%，可知鋼纖維對(duì)該混凝土體系抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)顯著。而對(duì)比基準(zhǔn)組與 7 號(hào)試驗(yàn)組和 8 號(hào)試驗(yàn)組，鋼纖維摻量超過 190kg/m3而繼續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)鋼纖維增加至 480kg/m3，強(qiáng)度降低 29.0%，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)論與各配合比參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。因此，選擇基準(zhǔn)組 1 號(hào)為輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土最佳配合比。

（6）養(yǎng)護(hù)方式選擇

按最終確定的配合比制備混凝土試件，經(jīng) 24h 后脫模分別按不同養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并測(cè)試其抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，養(yǎng)護(hù)方式對(duì)比如表 8 所示。

表 7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表 8 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)比

從表 8 中可知，通過高溫水養(yǎng)可以快速提高混凝土強(qiáng)度，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度基本不改變。90℃ 水養(yǎng) 3d后強(qiáng)度可以達(dá)到 128.5MPa，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 強(qiáng)度提高 5.1%，若進(jìn)行 185℃ 蒸壓養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度可以提高至135.9MPa，而繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 28d 以后強(qiáng)度基本無(wú)變化。這是由于高溫養(yǎng)護(hù)雖然加快了水化速率，使混凝土快速達(dá)到高強(qiáng)度，但膠凝材料顆粒上過早的形成了水化硅酸鈣膜層，抑制了水分進(jìn)入膠材內(nèi)部，阻礙膠材的水化過程。因此，經(jīng)過高溫水養(yǎng)后混凝土抗壓強(qiáng)度難以持續(xù)增長(zhǎng)。通過 200℃ 烘箱養(yǎng)護(hù) 3d 后，混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到 140.9MPa，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 強(qiáng)度提高 15.2%。而繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 28d 發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度出現(xiàn)嚴(yán)重倒縮現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度降低至 114.6MPa，強(qiáng)度降低 18.7%。對(duì) 6 號(hào)試件進(jìn)行破碎后發(fā)現(xiàn)，試件內(nèi)部有較多微裂紋，這是由于在高溫烘箱中混凝土快速失水導(dǎo)致干縮開裂，同時(shí)水份蒸發(fā)后留下部分毛細(xì)管通道，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)微裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)破壞，強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮。

對(duì)比不同養(yǎng)護(hù)方式發(fā)現(xiàn)，混凝土經(jīng) 24h 脫模后，使用 90℃ 水養(yǎng) 3d＋185℃ 蒸壓養(yǎng)護(hù) 8h 可以得到最高強(qiáng)度。因此，選取其為輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)方式。

3 總結(jié)

（1）使用中空玻璃微珠作為輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土骨料可以制備出強(qiáng)度達(dá)到 135MPa，而容重為 1900kg/m3以下的輕質(zhì)超高強(qiáng)混凝土，突破傳統(tǒng)陶粒混凝土中骨料強(qiáng)度對(duì)混凝土體系強(qiáng)度的限制。

（2）使用硅灰和沉珠作為摻合料，摻合料摻量為40% 時(shí)可保證試件強(qiáng)度最高。在一定范圍內(nèi)降低水膠比可以有效提升抗壓強(qiáng)度，但水膠比不宜低于 0.14。鋼纖維摻入可以明顯提高試件抗壓強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維體積摻量為 2.5% 時(shí)，抗壓強(qiáng)度相對(duì)基準(zhǔn)組提高 70.0%。

（3）使用高溫水養(yǎng)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)混凝土強(qiáng)度快速發(fā)展，3d 強(qiáng)度可以達(dá)到 128.5MPa，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 強(qiáng)度提高 5.1%。185℃ 蒸壓養(yǎng)護(hù)可繼續(xù)提升混凝土強(qiáng)度至 135MPa，但后期強(qiáng)度失去增長(zhǎng)。使用烘箱進(jìn)行 200℃ 高溫養(yǎng)護(hù)可顯著提高混凝土抗壓強(qiáng)度，但內(nèi)部易產(chǎn)生微裂紋，繼續(xù)標(biāo)養(yǎng)后強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮。養(yǎng)護(hù)方式選擇高溫水養(yǎng)與蒸壓養(yǎng)護(hù)的組合最佳。