大流动性轻集料混凝土的研究

1、大流动性轻集料混凝土的研究 大流动性轻集料混凝土的研究定义：轻集料混凝土是用轻粗集料、轻砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的混凝土，其干表观密度在1950kg/m3以下。其中，与普通混凝土不同，轻集料混凝土的干表观密度是指在最高温度为105110的条件下烘干至恒重时混凝土的表观密度，而不是气干表观密度。因为轻集料混凝土受其轻集料的多孔性和吸水性的影响，在常温条件下，混凝土下水分蒸发慢，在很长一段时间内，气干表观密度是一个变数，不能确切表示其密度。2、分类：轻集料混凝土的类别可按其集料种类和用途来划分：（一）按其集料种类分类（1）工业废渣轻集料以工业废料为原料，经加工而成的轻集料，如粉煤灰陶粒和陶

2、砂、自燃煤矸石、膨胀矿渣珠、煤渣等。（2）天然轻集料天然形成的多孔岩石，经加工而成的轻集料，如浮石、火山渣等。（3）人造轻集料以地方材料为原料，经加工而成的轻集料，如页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩及其轻砂。（二）按混凝土用途分类（1）保温轻集料混凝土：主要用于保温的围护结构或热工构筑物。（2）结构保温轻集料混凝土：主要用于既承重又保温的围护结构。（3）结构轻集料混凝土：主要用于承重构件或构筑物3、轻集料混凝土在我国的应用现状与发展趋势我国各种轻集料资源非常丰富，天然轻集料、人造轻集料和工业废料轻集料的原材料比比皆是。在20世纪80年代以前，我国着重于天然和工业废料轻集料的开发和应用，随着资金投

3、入的增加和技术条件的改善，而今我国已基本形成以地方资源（页岩、粘土、膨胀珍珠岩等）及某些工业废料（如粉煤灰）为主要原材料，以回转窑为主要生产设备的人造轻集料生产体系，使轻集料在过程中的应用水平日益提高。1998年我国轻集料年产量达到300万m3，目前仍处在上升发展阶段，其中大部分是普通型和超轻型轻集料。这种轻集料具有较好保温隔热和耐火性能，但力学性能较差，吸水率较大，多用于保温隔热用的混凝土砌块和板材等对力学性能要求不高的墙体材料。其实，轻集料混凝土除了具有良好的热工性能外，它最突出的性能优势是质轻，能够在保持具有较高强度和耐久性的基础上，使混凝土的自重显著下降（下降幅度在20以上）。对于结构

4、恒载占有较大比例，且对材料性能具有较高要求的高层建筑、大跨度桥梁和隧道、海洋平台等工程而言，这种优势具有很强的市场竞争力。目前我国的轻集料生产水平已经能够满足该类工程的需求，研制出与国外轻集料相媲美，甚至性能更优异的高强度、低吸水率（5%）的高性能轻集料。目前，轻集料在混凝土配制过程中存在如下问题为降低轻集料的吸水率，改善新拌轻集料混凝土的工作性，普遍在其表面涂蜡、聚乙烯乳液等防水材料或施工前预湿轻集料。这种做法会降低轻集料混凝土的力学性能和抗冻耐久性，并使施工工艺变得复杂。由于轻集料相对密度小，与水泥砂浆的密度相差悬殊，因此在混凝土拌和物初始坍落度较大时，轻集料易上浮离析，采用振捣施工时尤为

5、突出，使硬化后混凝土的匀质性差，耐久性下降，力学性能降低。（3）轻集料表面粗糙，有大量开口孔隙，在配制混凝土时会增大水泥用量，保证有足够的水泥浆润滑集料界面、填充集料间空隙，以改善新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的性能，但水泥掺量的提高也会增大轻集料混凝土因收缩裂缝和温度裂缝引起的危害，降低混凝土的耐久性，同时又增加工程造价。（4）轻集料颗粒强度低使得轻集料混凝土的强度发展受到限制。因此，在轻集料生产过程中选择良好的焙烧制度以减少开口孔隙的数量，制备出强度高、吸水率小、粒型好、表面光滑坚硬的轻集料，才能适应轻集料混凝土高性能化的发展要求。5、轻集料混凝土的泵送施工我国在轻集料混凝土的泵送施工上还

6、存在技术与经验上的不足。当采用泵送施工时，轻集料混凝土由于轻集料的轻质多孔性易发生分层离析、坍落度损失快以及轻集料在压力情况下会吸收混凝土中的水分而导致堵泵等问题。当前泵送轻集料混凝土的三个主要问题是：（1）降低工作性。泵送时，一部分水泥浆中的水在压力作用下渗入轻集料，降低了混凝土的工作性。（2）当水分由水泥浆渗入轻集料中时，混凝土的体积将轻微降低。因此，泵送轻集料混凝土具有可压缩性和泵压下表现为塑性。（3）当增加泵压时，混凝土中的空气被压缩到轻集料中，这也是泵送轻集料混凝土具有可压缩性的原因。然而，当泵压降低和消逝后，存在于轻集料孔中的被压缩空气又会将轻集料孔中的水分挤出。如果这种情况发生在

7、泵管中，会导致混凝土拌合物泌水并会堵塞泵管，如果压力释放发生在浇注现场，挤出的水分会包裹在轻集料表面，影响集料与水泥石的界面，并破坏水泥石和集料的粘结，从而影响混凝土的性能，甚至引起混凝土的强度损失和耐久性变差等问题。因此，了解轻集料的吸水特性，特别是在压力下的吸水规律是改善轻集料混凝土泵送性能的技术手段必不可少的基础性研究。6、大流动性轻集料混凝土研究的意义主要有三方面的意义：（一）研究高强陶粒常压与压力吸水的情况，为轻集料混凝土的泵送施工提供可行性参考；（二）研究大流动性轻集料混凝土拌和物的匀质性，提出解决轻集料混凝土分层离析的措施；（三）配制强度在CL40级以上，工作性好，各项性能符合结

8、构混凝土要求的大流动性轻集料混凝土。如前所述，轻集料混凝土用于结构工程有其独到的优越性，带来可观的经济效益，已成为现代混凝土技术发展的重要趋势之一。但由于轻集料自身性质的局限性，使得配制强度高、性能稳定且适合泵送施工的大流动性结构轻集料混凝土成为工程应用中的技术难点。目前，我国大流动性结构轻集料混凝土技术的科研、设计及标准化工作还有待进一步深化，特别是轻集料混凝土泵送技术尚不成熟，施工技术难度大。本论文旨在通过对高强陶粒常压和压力吸水性质以及结构轻集料混凝土相关性能的试验研究，揭示大流动性轻集料混凝土制备及施工控制的相关规律。7、大流动性轻集料混凝土匀质性的改善半干硬性或低流动性轻集料混凝土拌

9、和物存在如下特点：集料颗粒表面粗糙，拌和物内摩擦力大；集料毛细管压力产生“自真空”效应，滑移阻力较大；集料密度小，拌和物自致密速度小。因此轻集料混凝土在低塑性的情况下，密实性较差，所以常常希望轻集料混凝土具有较大的流动性，以减小拌和物的内聚力。但在大流动性轻集料混凝土拌和物中，由于轻集料颗粒质轻，其颗粒容易上浮，使混凝土产生分层、离析，匀质性下降。匀质性下降会给轻集料混凝土的强度、耐久性等性能带来不利的影响，在工程中也比较难以控制。改善大流动性轻集料混凝土的匀质性，需要了解混凝土各组分对陶粒在拌和物中分布情况的影响，以及外力作用与陶粒在拌和物中运动速度的关系。工作性良好的混凝土拌和物就是要具有

10、大流动性、高抗分离稳定性（粘聚性）、间隙通过性和填充性。而大流动性和抗分离稳定性恰恰是一对矛盾，流动性过大，必然有离析的倾向。对于轻集料混凝土来说，这种矛盾可能更加突出，在实际工程中，大流动性轻集料混凝土的均匀稳定性往往较难控制。本论文在了解其拌和物内部结构的基础上，运用轻集料混凝土的匀质性机理，通过试验，对大流动性轻集料混凝土的匀质性影响因素进行了研究，提出了控制大流动性轻集料混凝土匀质性的有效措施。匀质性一直以来都是轻集料混凝土拌和物中存在的一大问题。由于轻集料的密度小于水泥砂浆的密度，在重力的作用下它在拌和物中有上浮的趋势，其上浮的速度与混凝土拌和物中各种颗粒（水泥颗粒、细集料颗粒、轻粗

11、集料颗粒）的密度差成反比、与拌和物的粘度成反比，与轻集料的粒径的平方成正比。轻集料的上浮是轻集料混凝土离析的特点，其势必造成混凝土匀质性变差，强度、耐久性等性能下降。对轻集料混凝土匀质性影响比较明显的几大因素有轻集料的最大粒径、水泥用量、拌和物的稠度以及振动时间等。综合来看，获得良好匀质性的轻集料混凝土拌和物，要采用较小粒径的轻集料，其最大粒径不宜超过20mm。水泥用量也不宜过大，超过500kg/m3，就易出现陶粒与砂浆分层的现象。拌和物的稠度与匀质性之间关系密切，且与振动时间相互作用。在不振动的情况下，随着拌和物稠度的减小，轻集料混凝土逐渐出现分层现象。但稠度也不宜过大。稠度过大，拌和物自密

12、实能力差，需要较长的振动时间使混凝土达到密实的结构，但振动时间越长，陶粒上浮的可能性就越大。因此，适当减小拌和物的稠度，再配合恰当的振捣制度（尤其是振动时间），就能获得匀质性较好的轻集料混凝土。8、矿物细掺料对大流动性结构轻集料混凝土强度与工作性的影响活性矿物掺料是含有大量物定形态SiO2和Al2O3的一类物质。活性矿物掺料，有天然矿物质，如火山灰、浮石、硅藻土、沸石等；也有工业废料或工业副产品，如粉煤灰、矿渣、硅灰磷渣等。由于这些矿物掺料在使用时应具有一定的细度，故大多数物料都必须进行磨细处理，才能作为活性矿物掺料应用于混凝土中。活性矿物掺料对混凝土的性能存在五大效应，即增强效应、填充效应、

13、增塑效应、温峰削减效应、耐久性改善效应。在掺加高效减水剂的同时掺入活性矿物掺料，是优化混凝土性能的基本技术途径。轻集料混凝土由于其集料自身的的一些弱点，如质轻、多孔、表面粗糙等，更需要混凝土拌和物具有适宜的工作性，以便能够在施工后达到均匀的结构，获得良好的物理力学性能和耐久性能。此外，活性矿物细掺料的加入还能够改善水泥浆体硬化后水化产物的组成，提高水化胶凝物质的质量，进一步提高混凝土的强度。陶粒的颗粒级配的好坏，对以其配制的混凝土拌和物的工作性及硬化后混凝土的强度有很大的影响。陶粒级配的好坏影响着水泥浆量的多少。水泥浆不仅需要包裹陶粒颗粒表面，还需填充陶粒颗粒间的空隙。当集料颗粒级配恰当时，大

14、颗粒集料之间的空隙可以由细集料或小颗粒集料填充，从而可减少混凝土所需的水泥浆量。在相同水泥浆量的情况下，具有合理级配的轻集料混凝土拌和物，由于有足够的水泥浆在集料颗粒间起到润滑的作用，使得其具有较好的工作性。集级配好的轻集料混凝土结构更密实，强度更高。此外，陶粒的最大粒径对其混凝土的强度也有较大影响。对于烧胀生产的轻集料，粒径愈大的颗粒，烧胀程度愈大，其密度越小，强度越低，因而必然导致轻集料混凝土强度的降低。陶粒预湿程度对轻集料混凝土拌和物的流动性影响不大，但由于陶粒预吸水程度越大，它在混凝土中吸水就越少，因而在一定程度上可以减小拌和物因陶粒吸水导致的坍落度损失。从表中还可以看出，三种预湿程度

15、的陶粒所拌制成的混凝土，早期强度都差不多，但后期却出现了差距，预湿程度最大的HL2组混凝土强度最高，这可以看出陶粒的“微泵效应”带来的好处。陶粒在混凝土中的“微泵”作用分为两个阶段：第一阶段发生在混凝土的搅拌、运输、浇注、成型等过程中，大致在水泥浆体初凝以前，表现为陶粒从水泥浆中吸取水分，使浆体局部水灰比减小，即主要为“自真空”、“自密实”作用；第二阶段发生在混凝土凝固硬化及以后的养护、使用过程中，表现为水分从陶粒孔隙中返还给水泥浆体，以供水泥熟料颗粒深入水化之用，即主要为“自润湿”、“自养护”作用。拌和前经预先吸水的陶粒，至多是不能参与第一阶段的“微泵”作用，但在双重微孔微管系统（水泥石中的

16、微孔微管系统和多孔轻集料中的微孔微管系统的作用下，随着环境条件的变化，也能为水泥进一步水化提供条件，发挥“自润湿”、“自养护”效能。轻集料混凝土的结构具有水泥浆体和多孔轻集料中的双重微孔微管系统特征，陶粒与水泥浆体之间的界面过渡层是两种形式的孔隙结构的过渡区。因此，轻集料混凝土中的水分转移服从于毛细孔腔自的物质迁移基本定律，即向较小温度、压力和含水量的方向进行。由此可见，混凝土中的陶粒返还水分的程度取决于集料同水泥浆间的温度差、湿度差和压力差，同时也二者的孔隙结构特征。由水分返还机理可知，陶粒在混凝土中的放水是一个漫长而缓慢的过程，它将随着水泥的水化进程而进行下去。吸入更多水会带来更长的释水过

17、程，使陶粒与砂浆界面处的未水化水泥颗粒得以更持久、更充分的水化，优化了陶粒与砂浆的界面，提高了界面粘接力，使得饱水程度高的陶粒拌制的混凝土后期强度高于未预吸水和预吸水率小的陶粒拌制的混凝土。结论：1、采用高强度、低吸水率、表面致密的陶粒配制CL40级以上大流动性结构轻集料混凝土，其水泥用量宜选择在350500kg/m3，最多不超过550 kg/m3；水灰比不宜超过0.4；砂率不宜过大，太大会增加混凝土的表观密度，增大拌和物的需水性，而太小，砂浆又不能很好地包裹集料颗粒表面，导致混凝土均匀性和密实性变差，一般控制在0.350.45之间，就能够获得工作性良好的大流动性结构轻集料混凝土。2、在大流动性结构轻集料混凝土中，单单靠增加水泥用量来提高强度通常达不到普通混凝土中提高的程度，是极不经济的，且增加水泥用量也使徐变和收缩、硬化过程中的水化热和开裂的危险增大，因此提高强度最有效的途