钢结构楼板泵送轻骨料混凝土优化配比研究

0 前言

轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、普通砂或陶砂、胶凝材料和水，必要时加入外加剂配制而成的，且在标准养护条件下，28d龄期干表观密度不大于1950kg/m³的混凝土。轻骨料混凝土可减轻结构自重20%以上，且具有保温、保湿、节能、隔声、抗震、耐火性好等优点， 广泛地应用于国内外的各类保温结构、高层建筑及大跨径桥梁工程中。1969年建成的美国休斯敦贝壳广场大厦^[1]采用了抗压强度32~42MPa， 干表观密度为1840kg/m³的轻骨料混凝土；1998年挪威成功应用LC60轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥^[2]。国内轻骨料混凝土的生产和应用经历了漫长又曲折的过程，直到上世纪90年代中后期，随着宜昌、上海等地高强、高性能轻骨料的规模化生产，轻骨料混凝土在我国开始应用于高层建筑和桥梁工程中。如珠河国际会议中心采用了LC30泵送轻骨料混凝土； 武汉证券大厦64~68层楼板使用了LC35轻骨料混凝土； 天津永定新河大桥引桥应用了预应力LC40高强轻骨料混凝土等等。轻骨料混凝土越来越多地应用于高层建筑、大跨径结构和桥梁工程中。

为了将轻骨料混凝土应用于高层钢结构楼板中， 本文对LC25轻骨料混凝土进行了大量的配合比优化试验研究，得到了满足工程要求的轻骨料混凝土配合比，并对试验结果进行了试泵验证，研究结果可为同类工程提供参考和借签。

1已有轻骨料混凝土的配比分析

       表1 给出了几个国内典型建筑所用的轻骨料混凝土的配合比，由表1 不难发现，对于高层建筑中所使用的中高强度等级的轻骨料混凝土，其干表观密度几乎都在1800kg/m³以上， 如果低于1800kg/m³，则混凝土强度明显偏低，对于轻骨料混凝土来说，其强度、密度和可泵性之间存在着极大的矛盾，如何兼顾这三者，实现配合比的优化，值得进一步研究。

2 轻骨料混凝土配比的改进与优化

2.1 工程概况及轻骨料混凝土配比的设计难点

本工程为地下4层，地上27层的钢结构工程，地上工程采用轻骨料混凝土， 混凝土强度等级为C25，干表观密度1500kg/m³，采用泵送施工。本工程的泵送轻骨料混凝土要求混凝土强度等级高，密度等级低。本工程混凝土的设计难点为：①轻骨料混凝土密度等级与强度等级之间的矛盾。为达到轻骨料混凝土的干表观密度要求，需采用较少的水泥用量和低密度等级的轻骨料， 低密度的轻骨料强度低，吸水率高，在压力作用下，混凝土基体中的轻骨料首先会遭到破坏， 从而影响混凝土的力学性能；②轻骨料混凝土低密度等级与可泵性之间的矛盾。轻骨料强度低，吸水率高，在泵压下进一步吸水，混凝土失水过快，失去流动性，从而影响混凝土的可泵性。

2.2 泵送轻骨料混凝土的优化配比分析

2.2.1 原材料选择

本工程在选材时，需要全盘考虑混凝土密度等级、强度等级与可泵送三者之间关系，为此需要选择合适的轻骨料。轻骨料表面特性对混凝土的可泵性影响显著，圆球形轻骨料虽然可提高混凝土流动性，但其表面光滑，与水泥浆体的黏结力较弱，因而其抗离析性较差。而表面多孔且粗糙或呈碎石型轻骨料抗离析性较好，应优先选用。依据相关标准要求，采用泵送施工时，轻粗骨料不应小于600级。根据以往工程经验及工程特点， 本工程选用强度较高、吸水率低的湖北宜昌页岩600级5~20mm陶粒（碎石型）、湖北宜昌700级0~3mm陶砂。页岩陶粒、陶砂样品见图1、图2，性能指标见表2和表3。

     其它材料选用公司现用的普通混凝土用材料，具体材料如下：

水泥： P·O42.5级，3d抗压强度30.2MPa，28d抗压强度54.9MPa，标准稠度用水量135g，比表面积350m²/kg。该水泥早期强度高，产品质量稳定，与外加剂适应性好。

粉煤灰：Ⅰ级灰，细度10.5%，需水量比92%。该粉煤灰需水量低，与外加剂适应性好，能有效提高浆体的和易性。

砂：河砂，为Ⅱ区中砂，细度模数2.6，含泥量2.0%，泥块含量0.1%，堆积密度为1450kg/m³。

高性能减水剂：北京某企业生产的高性能减水剂，减水率30%。质量稳定，与水泥的适应性较好。

2.2.2 配合比设计及优化

轻骨料混凝土所用骨料具有多孔性特点，强度和弹性模量较低，不同轻骨料的孔结构形成条件差异很大，这些因素使配合比设计非常复杂。由于轻骨料具有与普通砂石骨料不同的物理、力学性能特点，流态轻骨料混凝土存在骨料上浮、分层离析、匀质性差等缺点，胡曙光教授等人根据液体力学原理总结得出了轻骨料运动的方程式^[7]：

由式（1）可以看出，轻粗骨料的粒径、水泥浆体的黏度、轻骨料与水泥浆体之间的密度差均影响轻骨料混凝土的匀质性，从而影响轻骨料混凝土的泵送性能。进行配合比设计时，在满足相关标准要求的前提下，需要提高混凝土的匀质性，需考虑流动性与稳定性的协调统一。提高可泵性的措施主要有：①优选原材料；②对轻骨料进行预湿处理。在配合比设计方面，单位用水量、浆集比和砂率等，都会影响轻骨料混凝土的可泵性。

在参考文献^[8-9]及相关工程案例的基础上，依据JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》、JGJ12-2006《轻骨料混凝土结构设计规程》和JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，LC25轻骨料混凝土配合比设计中采用松散体积法进行计算，确定参数为：配制强度≥33.2MPa，净用水量160kg/m³，胶材用量450kg/m³，砂率45%，骨料总体积率1.35，减水剂掺量1.8%。陶砂与河砂的比例5:5，初步试配的基准配合比见表4。

      按表4配合比进行试拌前，首先对陶粒及陶砂进行24小时饱和吸水的预湿处理，搅拌顺序为：将粗骨料和胶凝材料投入后搅拌0.5min，然后将水和外加剂投入后搅拌2.5min。试验结果见表5。

   从表5可以看出，28d强度达到设计强度的174%，但混凝土和易性较差，拌合物湿表观密度较大，采用调整水泥与粉煤灰的用量来增加混凝土的和易性，调整河砂与陶砂的混合比例来降低混凝土的密度，并微调砂率及用水量。调整后的配合比见表6。

    按表6配合比进行试拌试验，结果见表7。

       表7试验结果表明，水泥用量降低，粉煤灰用量提高后，混凝土和易性得到了很大改善，但混凝土的抗压强度下降。随着陶砂用量的增加，河砂用量的减少，混凝土的密度有所下降，但密度值仍然不满足设计要求。根据设计要求，L4、L5号配合比的和易性及抗压强度良好， 满足强度及可泵性要求，但密度仍然不满足设计要求。为了降低混凝土的密度，外加剂厂专门配置了掺量为1%的泵送剂，泵送剂由减水组分、少量的增黏组分、引气组分组成，引气组分将混凝土的含气量控制在4%~5%之间，这样既可改善混凝土和易性，又可降低混凝土的表观密度。性能优良的引气组分不仅能引入一定量的气体，还能实现较小的含气量经时损失。增黏组分可有效地改善混凝土的保水性，解决混凝土的泌水问题。另外，可将河砂的使用比例进一步降低，来降低混凝土的密度。调整后的配合比见表8。

      根据表8配合比进行试拌试验，试验结果见图3、图4和表9。

       试验结果分析：①掺加泵送剂后，拌合物的和易性有了很大改善，拌合物流动性好， 1h后，拌合物的坍落度损失很小，在10~20mm之间，混凝土保坍功能良好。但L10、L1号配合比混凝土的保水性差，混凝土出机10min后，混凝土表层出现了清水，可能是由于天然砂用量减少， 陶砂的保水性差所致，泵送剂中的引气组分和增黏组分也没有起到作用； ② L8~L11号拌合物出机含气量在5%左右，加入引气组分后， 有效地解决了混凝土密度大的问题，除L8号外，混凝土的干表观密度均满足设计要求；③掺加泵送剂后，L8、L9号混凝土与未掺加泵送剂相比，其28d抗压强度降低了3~4MPa，该现象主要是由于混凝土中引入了5%的空气， 从而导致了混凝土强度降低。L10、L11号混凝土的抗压强度达不到配制强度值， 一方面是由于添加了引气剂，另一方面是由于陶砂的用量增加所致。

综合以上分析， L9号混凝土的拌合物性能、强度、干表观密度最优，完全满足设计要求。

2.3 收缩试验

轻骨料是一种多孔材料，其强度和弹性模量都远低于普通粗骨料，因而对水泥石收缩变形的抵抗能力明显低于普通碎石。文献^[10]和文献^[11]研究结果表明，轻骨料的吸水率对混凝土干缩具有较大影响，吸水率较大的轻骨料配制得到的混凝土早期收缩率较低。本次试验将骨料不预湿及分别预湿30min、1h、24h、48h， 然后用L9号配合比成型试样（试样分别为A、B、C、D、E。A试样未经预湿处理，初凝前试件表面已经出现裂缝， 经过二次抹面后，混凝土又开始出现了裂缝，故试件作废），测量不同龄期混凝土的收缩。采用标准尺寸试件（100mm×100mm×515mm），每组3块，24h后拆模，并立即放入收缩室内进行测量，试验结果见图5。

      试验结果表明，陶粒的不同含水率对混凝土的收缩性具有十分明显的影响。混凝土的收缩随着轻骨料的含水率的增大而减小。在混凝土水化过程中，随着结构内部的水分越来越少，混凝土内部的温度不断降低，并产生湿度差，陶粒中的孔尺寸远大于水泥基体形成的毛细孔尺寸，陶粒中的水分将向水泥基体迁移，可供迁移的水分越多，对水泥基体收缩的补偿作用越大， 混凝土的收缩值也就越小。因此，充分预湿不仅可以显著降低轻骨料混凝土的收缩率，而且能够进一步影响轻骨料混凝土的可泵性和体积稳定性。

根据JGJ51-2002，对轻骨料混凝土的收缩进行计算，计算公式为：

     式中：

ε（t）——轻骨料混凝土的收缩值，mm/m；

ε（t）0——轻骨料混凝土随龄期变化的收缩值，mm/m；

β₁、 β₂、 β₃、 β₅——轻骨料混凝土的收缩值修正系数；

a、b——计算参数，当取 3d初始测试龄期时，a=78.69，b=1.20；当取28d初始测试龄期时，a=120.23，b=2.26。

经计算：

ε（3）=0.11mm/m；

ε（28）=0.31mm/m。

从上述分析可以看出，无论是理论值还是实测值，均低于JGJ51-2002中规定的轻骨料混凝土收缩值。

3 轻骨料混凝土的试泵

3.1 轻骨料混凝土泵送困难原因分析及主要措施轻骨料混凝土泵送难点主要有：①由于轻骨料吸水率大，密度小，在混凝土中易漂浮，使混凝土离析，难以泵达；②轻骨料在输送泵管压力作用下，轻骨料吸水量比自然状态的吸水量大，尽管压力消除后会释放出一部分水分，但仍会造成混凝土拌合物坍落度减小的情况， 使混凝土拌合物流动阻力增大，造成堵泵^[12]。

针对以上两点，需要采取以下措施来解决泵送难的问题： ①必须使轻骨料吸足水分处于饱水状态，使混凝土拌合物在输送泵管的压力下，轻骨料尽量少吸水分； ②轻骨料拌合物的和易性一定要好，尤其是包裹性，使混凝土中的轻骨料不漂浮，且不易发生压力泌水现象。

3.2 试泵试验

轻骨料混凝土的工作性能对单位用水量的变化很敏感，尤其是大流动性、泵送轻骨料混凝土，因此， 试验过程中对单位用水量一定要严格控制，否则极易出现分层离析，并且在生产前，必须进行洒水预湿处理6h，然后取样进行吸水率试验，吸水率在24h吸水率的±0.5%之间。如果吸水率低，说明预湿不够充分，不能进行搅拌生产。投料顺序与试配投料顺序相同，搅拌时间及投料顺序对混凝土的含气量影响显著，搅拌时间长，引气组分完全发挥作用，将最大量的空气带入混凝土。搅拌时间不得低于150s。搅拌完后，立即取样，出机状态见图6。将样品送检进行系列试验，并模拟样品抵达工程项目路线所用的时间（路途8.7km， 耗时约为30min），在站内等待1h后进行泵送试验。试验泵为48m泵车，试验泵压为6~10MPa，泵送量为6m³。泵送至罐车后，再次取样，样品状态见图7，试验结果见表10。

      在配制干表观密度小于1500kg/m³的C25配合比设计中，轻骨料的密度等级、陶砂与河砂的比例是控制轻骨料混凝土密度的关键因素。

（2）在初步配合比试拌的基础上，陶砂与河砂的比例由5∶5调整至8∶2，有效地降低了轻骨料混凝土的密度，另外掺加具有引气作用、少量增黏作用的泵送剂是改善轻骨料混凝土密度及可泵性的有效措施。

（3）轻骨料含水率对混凝土的收缩影响很大，尤其是早期收缩。轻骨料的吸水率越大，混凝土的收缩越小。因此，轻骨料混凝土在生产前，需对轻骨料进行饱和吸水处理。

（4）轻骨料混凝土的饱和吸水预湿环节非常重要，可以使混凝土拌合物在泵送压力下尽可能少地吸入水分，从而提高轻骨料混凝土的泵送性能。（参考文献略）