120MPa轻质高强混凝土的配制技术

引言现代混凝土作为人造建筑材料已有170多年的历史。但随着科学技术水平的提高、经济社会发展的要求，普通混凝土自重占建筑物总荷载比重过大的弊端凸显，工程领域希望未来的混凝土质量轻、强度高。为此，技术人员开发出了轻质高强混凝土（HSLC）。轻质高强混凝土是当前混凝土技术的发展方向之一，它具有强度高、质量轻、耐久性好、无碱骨料反应、体积稳定性好、保温隔热性能良好等优点。在世界各地，特别在北欧等国被广泛应用于超高层建筑、大跨度桥梁、城市立交桥及海洋工程中。由于其具有很好的技术和经济价值，自上世纪60年代以来在世界各地获得了长足发展和广泛应用，成为建筑材料工业中发展最快的新型建材之一。第十届全国混凝土设计大赛要求，在使用粗骨料的前提下，试配出体积密度不大于1900kg/m3，强度不低于70MPa的轻质高强混凝土。基于此，本研究一方面从轻质角度考虑，多掺加密度较低的轻骨料，而减少密度相对较高的浆体（由胶凝材料、水及外加剂构成）用量，能有效实现轻质效果，但是轻骨料本身的特性及生产工艺又成为制约混凝土强度的短板；另一方面从高强的角度来看，为弥补轻骨料的强度短板，必须提升浆体的强度、浆骨交界面的强度，但是又会造成混凝土质量偏重。“轻质”“高强”两条路线矛盾突出，但是二者必然存在最佳结合点。通过研究，在使用常规胶凝材料的前提下，找到了一条实现路径，成功配制出表观密度1810kg/m3，强度120MPa的轻质高强混凝土，并以总成绩第三荣获当年该项赛事企业组二等奖。1、配制思路

在轻质高强混凝土配合比设计中，我们参考GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》相关设计规程，依靠浆体提升强度，采用浆体相为主要承重体系[1]，即提高浆体用量，降低轻骨料强度对混凝土强度的影响，轻骨料主要起填充和降低表观密度作用。经试验，在相同骨料材质条件下，降低骨料最大粒径有助于提高混凝土强度，轻质细骨料的选用对骨料填充体系、降低表观密度至关重要。选用高强水泥、矿渣粉、硅灰等来提升强度，选用页岩破碎砂、粉煤灰陶粒和空心玻璃微珠等降低表观密度[2]。同时降低轻骨料最大粒径、减少粗骨料比例。综合考虑上述因素，采用水胶比和浆骨比的双因素试验方法，总体依据JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》用绝对体积法进行配合比设计、试配及试验。同时，参考JGJ/T221—2010《纤维混凝土应用技术规程》加入适量合成纤维，以增强混凝土韧性，延缓混凝土试块的破坏进程。2、原材料

粉体材料：所使用的胶凝材料有邯郸金隅太行水泥公司试验室磨制的P·I42.5水泥；金泰成公司生产的S105级矿渣粉；艾肯公司生产的925#硅灰；并选用义翔公司生产的N60空心玻璃微珠作为惰性胶凝材料，其表观密度650kg/m3，恒等静压强度82.0MPa。各项粉体材料主要物理性能指标见表1～表3。表1

水泥主要物理性能指标表2矿渣粉主要物理性能指标表3

硅灰主要物理性能指标粗骨料：选用粉煤灰陶粒，其性能指标见表4、表5。表4

粉煤灰陶粒的物理性能表5

粉煤灰陶粒的颗粒级配细骨料：由10～20mm页岩石子破碎成页岩砂，再将经过筛分的颗粒按Ⅱ区中砂级配，去除筛底和5mm以上石子配制而成，细度模数2.8，具体物理性能指标见表6，级配情况见表7。表6

页岩陶砂的物理性能表7

陶砂的颗粒级配减水剂：使用金隅科技（邯郸）公司制备的聚羧酸高性能减水剂，其主要性能指标见表8。表8

减水剂主要性能指标聚丙烯合成纤维：为增强混凝土的韧性，延缓高强混凝土试块破坏过程中的脆性断裂，加入聚丙烯合成纤维。其具体性能指标见表9。表9

聚丙烯合成纤维性能指标3、配合比计算

3.1水胶比的选取双因素试配的第1个因素是水胶比的选取。配合比设计按绝对体积法设计，因轻质高强混凝土采用浆体相为主要承重体系，所以要提高胶凝材料和水的用量。结合GB/T31387—2015中不同强度推荐的水胶比（见表10）依次进行试配。表10

GB/T31387—2015推荐的水胶比、胶凝材料用量及钢纤维掺量表10中给定的参考水胶比为不添加任何骨料的活性粉末混凝土，在本研究中添加轻骨料必然会降低混凝土的配制强度。因此，采用穷举法进行试配，具体试验中分别选取水胶比为0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20并与下文的浆骨比依次进行双因素试配，观察混凝土和易性能，检测表观密度及3d强度，最终确认水胶比为0.15时，表观密度相对最小、强度相对最高。所以水胶比为0.15的试配为最终确认的配合比。3.2骨料体积及净浆体积的选取双因素试配的第2个因素是浆骨比的选取。因本次设计大赛规定在试块破型后必须有可见的粗骨料存在，本项目小组分别选取浆骨比9∶1、8∶2、7∶3，与3.1节的水胶比的7个选取数值进行双因素试配，观察各组试配的骨料分布、表观密度以及3d强度，最终确认浆骨比为8∶2时，混凝土各项性能相对最优，即每立方米混凝土中浆体（胶凝材料、水和外加剂）体积vp为0.80m3，总骨料体积（页岩砂和陶粒）为0.2m3，即：3.3确定粉体材料的占比通过激光粒度分析仪检测各粉料粒度分布范围，参考富勒级配曲线，确定各粉体材料占比。各粉料激光粒度分布如图1～图4所示。图1水泥激光粒度分布图2矿渣粉激光粒度分布图3空心玻璃微珠激光粒度分布图4硅灰激光粒度分布通过图1～图4各粉体材料激光粒度分布以及富勒级配曲线要求，并考虑强度因素，计算出水泥占粉体材料50%、矿渣粉占粉体材料30%、空心玻璃微珠和硅灰各占10%时组成的粉体材料级配最接近富勒级配曲线。各粉体材料按上述比例混合后对其进行级配分析，结果见表11。表11

胶凝材料级配表3.4确定配合比各组分的质量胶凝材料的密度计算见式（4）：4、轻质高强混凝土配合比确定及配制

通过以上计算结果，确定轻质高强混凝土的配比，见表12。混凝土拌合物性能指标的测试结果见表13，混凝土试件的抗压破坏形态如图5所示。由表13和图5可知，本次试验成功试配出了表观密度为1810kg/m3，28d抗压强度达到121.3MPa的轻质高强混凝土，满足设计大赛的要求。表12

轻质高强混凝土配合比kg/m3表13

混凝土拌合物性能测试结果图5混凝土试件抗压破坏形态结论

根据第十届设计大赛的要求，本研究采用双因素的试验思路进行配合比计算，降低表观密度、提升整体强度是配合比设计的两条主线。采用浆体相为承重体系来提高轻质高强混凝土强度；掺入空心玻璃微珠来降低浆体项的密度；综合添加粉煤灰陶粒和页岩砂降低轻质高强混凝土表观密度；利用空心玻璃微珠和筒压强度高的粉煤灰陶粒；采用低水胶比、掺入硅灰和S105级矿渣粉取代部分水泥，降