水稳搅拌配合比(预制构件用LC40次轻混凝土配合比设计)

Posted 2023-05-30

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水稳搅拌配合比(预制构件用LC40次轻混凝土配合比设计)

预制构件用LC40次轻混凝土配合比设计

张鸣1,2，严帅帅2，刘雁2，钱清华2，杜保聪2，陈霓超2

（1.东南大学科学与工程学院，南京 211189；2.扬州大学建筑工程学院，绿色建筑材料研究所扬州，225127）

摘要：本文通过试验研究胶凝材料总量、陶粒体积取代率、砂率、水胶比、掺合料种与掺量对次轻混凝土工作性、力学性能、干密度的影响规律，基于试验结果确定了主要配合比参数的适宜值，并通过优化试验确定了适于预制构件用LC40次轻混凝土配合比。[1]

关键词：预制构件，次轻混凝土，配合比设计

1 前言

次轻混凝土是在普通混凝土的基础上，用适量轻骨料代替部分普通骨料，干表观密度为1950 kg/m3～2300 kg/m3的混凝土[1]，次轻混凝土兼具普通混凝土和轻骨料混凝土优点，符合目前建筑材料轻质高强的发展趋势[2]。在实际应用中，次轻混凝土自重较轻，比强度较高，可有效减少承重构件的尺寸，提高弹性模型，减少徐变。在高层结构、桥梁、海事工程等大承重、大跨度结构，具有很高经济价值和发展前景[3]。

次轻混凝土研究较多的是关于轻骨料方面的研究，Bing Han等[4]通过改变轻骨料所占比例，发现次轻混凝土轴心受压应力-应变与轻骨料比例有关。Cusson等[5]、王懿等[6]试验不同品种轻骨料时，发现次轻混凝土工作性能以及力学性能都与轻骨料品种有关。Lopez M等[7]研究了轻骨料不同预湿程度对次轻混凝土性能影响。钱伟等[3,8]选用不同粒径的陶粒对次轻混凝土性能受到影响。国内外次轻混凝土研究主要集中在轻骨料品种、粒径等对次轻混凝土的影响，而胶凝材料以及外加剂等因素对次轻混凝土性能的影响研究较少。本文通过试验研究胶凝材料质量、水胶比、外加剂等对次轻混凝土工作性、力学性能、密度的影响，设计LC40级次轻混凝土，混凝土坍落度120±20 mm、干密度≤2300 kg/m3，性能满足预制混凝土构件生产需要。

2 原材料与实验方法

2.1 原材料

（1）水泥

P·O42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度30000 kg/m3，扬州绿扬水泥厂生产。

（2）粉煤灰

Ⅰ级粉煤灰，南京共创防腐保温有限公司生产。

（3）矿渣粉

表观密度2900 kg/m3，盐城生产。

（4）砂

中粗砂，密度26500 kg/m3，扬州地区产。

（5）碎石

粒径5 mm～20 mm连续级配，表观密度2670 kg/m3，扬州地区生产。

（6）陶粒

粘土陶粒，表观密度996 kg/m3，江苏建华陶粒有限公司生产。

（7）缓凝剂

葡萄糖酸钠，试剂级，吴江市华誉化工有限公司生产，本文中掺量为胶凝材料的0.5‰固定不变。

（8）减水剂

干粉萘系减水剂，使用时提前配成含固量为30%的溶液，江苏苏博特新材料有限公司生产，本文中萘系减水剂饱和掺量点3.0%。

2.2 实验方法

次轻混凝土配合比设计参考JGJ55-2011[9]，通过在普通混凝土配合比的基础上掺加陶粒，设计次轻混凝土配合比；次轻混凝土的坍落度按GB/T 50080-2016[10]测试；混凝土力学性能按GB/T50107-2010[11]规定测试。

3 结果与讨论

3.1 胶凝材料总量

以水胶比0.32、砂率38%（陶粒部分取代碎石骨料前的普通混凝土砂率，下同）、粉煤灰掺量20%、胶凝材料总量360 kg/m3～440 kg/m3设计普通混凝土配合比，陶粒体积率20%取代碎石设计相应的次轻混凝土。

实验中发现胶凝材料低于400 kg/m3时，混凝土拌和物浆体量不足，表现为拌合物较干，骨料外露，和易性较差。当胶凝材料为400 kg/m3（ZMS1.6组）时，浆体可以很好包裹骨料，坍落度满足预制混凝土设计要求（120±20 mm）。胶凝材料超过400 kg/m3后，混凝土拌和物浆体量过剩，均质性变差。图1、图2、图3分别为不同胶凝材料总量混凝土抗压强度，由图可知，胶凝材料低于400 kg/m3时，随着胶凝材料掺量增多，混凝土抗压强度随胶凝材料的增加而提高，胶凝材料400 kg/m3时各龄期抗压强度达峰值，胶凝材料超过400 kg/m3时，由于混凝土均质性变差，混凝土各龄期抗压强度随胶凝材料掺量增加而降低。

图4是不同胶凝材料总量的混凝土干密度，由图可知，混凝土干密度的变化规律与力学性能相似。

综合以上混凝土工作性能、力学性能以及干密度，以胶凝材料400 kg/m3的配合比为后续试验用基础配比。

3.2 陶粒体积取代率

以胶凝材料总量400 kg/m3、粉煤灰掺量20%、砂率38%、水胶比0.32的普通混凝土为基础配合比（ZMS1.5组），陶粒体积取代率0%～40%取代碎石骨料设计次轻混凝土配合比，检测其坍落度、抗压强度和干密度。

由试验可知，次轻混凝土坍落度随着陶粒取代率的增加而提高。图5是陶粒取代率不同的混凝土抗压强度，由图可知，次轻混凝土抗压强度随着陶粒的增加而降低，次轻混凝土中，陶粒的强度最低，陶粒的掺量越高，则混凝土基体内薄弱区域越大，表现为强度越低。

图6是陶粒取代率不同的混凝土干密度试验结果，由图可知，随着陶粒取代率的增加，混凝土干密度呈线性降低。综合力学性能以及干密度，陶粒体积取代率20%（ZMS2.3组）时，次轻混凝土干密度2000 kg/m3、28 d抗压强度48 MPa，达到设计要求。

3.3 普通混凝土砂率

以胶凝材料总量400 kg/m3、粉煤灰掺量20%、水胶比0.32、陶粒体积取代率20%的混凝土配合比（ZMS2.3组）为基础配合比，砂率30%～38%范围内改变，测试不同砂率混凝土性能。

由试验可知，次轻混凝土坍落度随着普通混凝土的砂率增加而降低。当砂率为低于34%时，混凝土流动性高，但砂浆总量不足，不能完全包裹粗骨料，混凝土均质性差，砂率为34%时，混凝土流动性良好，浆体完全包裹骨料，混凝土拌合物均质性好，砂率超过34%时，由于砂的增加导致骨料表面积大、吸水量增加，混凝土变干，坍落度降低[12]。

图7是砂率不同时混凝土抗压强度，由图可知，整体而言砂率对次轻混凝土抗压强度影响不大，34%时次轻混凝土抗压强度达峰值。

图8是不同砂率的混凝土干密度，由图可知，30%砂率时，干密度最小2220 kg/m3，随着砂率的增加，干密度为2600 kg/m3左右，无明显变化。综合各项性能可得砂率34%（ZMS3.3组）时，混凝土综合性能最佳，以此配合比为后续实验基础配合比。

3.4 水胶比

以ZMS3.3组配比为基础，调整水胶比0.25～0.45，设计混凝土配合比，测试水胶比不同对次轻混凝土性能的影响。

由试验可知，随着水胶比的增加，次轻混凝土的拌合物坍落度增加。

图9是不同水胶比的混凝土抗压强度，由图可知，总体上，随着水胶比增大混凝土的抗压强度下降，水胶比0.28~0.30下降趋势较为缓慢，水胶比0.30以后下降幅度变大。当水泥水化后，多余拌和水挥发后，水分原来位置留下孔隙，降低了混凝土的密实度，导致力学性能降低[13]。水胶比为0.30（ZMS4.2组）时，混凝土28 d抗压强度接近设计强度。

图10是不同水胶比的混凝土干密度，由图可知，随着水胶比的增加，次轻混凝土干密度下降。当水胶比为0.30（ZMS4.2组）时，密度为2200 kg/m3，综合考虑混凝土28 d抗压强度和干密度满足设计要求，水胶比定为0.30（ZMS4.2组）。

3.5 掺合料种类与掺量

3.5.1 矿渣粉

以ZMS4.2组的配合比为基础，矿渣粉掺量0%~40%之间调整设计次轻混凝土配合比，测试矿渣粉掺量对次轻混凝土性能影响。

由试验可知，矿渣粉掺量10%时坍落度达到最大，当掺量为20%和30%时，坍落度相近，都为20 mm。

图11是不同矿渣掺量的次轻混凝土抗压强度，由图可知，在测试范围内，次轻混凝土抗压强度随着矿渣掺量的增加而增加。矿渣粉具有火山灰效应，在一定掺量范围内可改善混凝土的微观结构，减少内部的孔隙，提高力学性能。由次轻混凝土28 d抗压强度，矿渣掺量在0%~40%之间时混凝土抗压强度均达到了LC40级。图12不同矿渣掺量的混凝土干密度，由图可知，矿渣的掺入使次轻混凝土干密度略有降低。综合考虑混凝土28 d抗压强度和干密度结果，矿渣适宜掺量为30%（ZMS5.4）。

3.5.2 粉煤灰

以ZMS4.2组的配合比为基础，粉煤灰0%~40%之间调整设计次轻混凝土配合比，测试粉煤灰掺量对次轻混凝土性能影响。

由试验可知，当粉煤灰掺量为30%（ZMS6.4组）时，混凝土拌合物均质性良好。

图13是粉煤灰不同掺量的混凝土抗压强度，由图可知，对于3 d、7 d抗压强度，次轻混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量增加而下降，但28 d时，抗压强度变化不明显。图14是粉煤灰不同掺量的混凝土干密度，由图可知，随着粉煤灰掺量的增加，次轻混凝土干密度略有下降。综合考虑力学性能和坍落度，粉煤灰掺量在30%（ZMS6.4组）时，次轻混凝土力学性能接近设计要求。

3.5.3 复合掺合料

以ZMS4.2组的配合比为基础配合比，掺合料总掺量30%保持不变，调整矿渣粉与粉煤灰比例设计混凝土配合比，检测复合掺合料比例不同对次轻混凝土性能的影响。

由试验可知，试验范围内，坍落度均较大。

图15是复合掺合料不同比例次轻混凝土抗压强度，由图可知，混凝土抗压强度随复合掺合料中粉煤灰比例的增加略有下降，但影响不大。

图16复合掺合料不同比例次轻混凝土干密度，由图可知，矿渣粉:粉煤灰=15%:15%时，密度最低，为2200 kg/m3。选择矿渣粉:粉煤灰=15%:15%（ZMS7.4）作为后续实验的基础配合比。

3.6 配合比的调整与确定

为保证次轻混凝土力学性能的基础上，尽可能降低混凝土的干密度，以ZMS7.4为基础配比设计配合比，检测混凝土性能。

表1是不同陶粒体积率的次轻混凝土配合比和坍落度，由表可知，不同陶粒体积率的次轻混凝土坍落度基本都能达到目标要求。

图17是陶粒取代率不同的混凝土抗压强度，试验范围内的各次轻混凝土抗压强度基本达到LC40级。图18陶粒取代率不同的次轻混凝土干密度，由图可知，当陶粒取代率为38%（ZMS8.4）时，密度最小为2180 kg/m3，满足设计要求，详细配合比及性能如表2、表3所示。

4 结论

通过对配合比主要影响因素进行试验研究，及优化试验确定了LC40次轻混凝土，本研究范围内，结论如下：

（1）胶凝材料总量你于400 kg/m3时，次轻混凝土的力学性能和干密度随着胶凝材料总量的增加而提高，胶凝材料总量超过400 kg/m3后，浆体量过剩，混凝土均质性下降，混凝土力学性能和干密度下降。

（2）陶粒体积取代率、水胶比的增加，次轻混凝土工作性提高，力学性能与干密度下降。

（3）砂率提高使导致混凝土工作性、力学性能、干密度降低。

（4）LC40次轻混凝土优化配比为水胶比0.30、砂率34%、胶凝材料总量390 kg/m3、矿渣掺量15%、粉煤灰掺量15%。次轻混凝土主要性能为抗压强度41.9 MPa，干密度2180 kg/m3，坍落度95mm。

参考文献

[1] 张燕坤.次轻混凝土的抗折性能试验研究[J].北方工业大学学报,2016,28(3):79-80.

[2] 陈连发,王辰,王振雷,等.高强次轻混凝土物理力学性能的研究[J].硅酸盐通报,2015,34(1):265-266.

[3] 钱伟,樊传刚,等.污泥陶粒次轻混凝土的备制与性能研究[J].混凝土,2012,39(4):122-123.

[4] Bing Han, Tian Yu Xiang. Axial compressivestress-strain relation and Poisson effect of the structural lightweightaggregate concrete[J]. Construction and Building Materials. 2016, 23(46):338-343.

[5] D. Cusson, T. HoogeveenInternal curing of high-performance concrete with pre-soaked fine lightweightaggregate for prevention of autogenous shrinkage cracking[J]. Cement Concr.Res,2009, 38(6): 757-765.

[6] 王懿,丁圣果,等.初应变对现浇混凝土屋面板内力的影响[J].建筑技术开发,2010,37(2):6-10.

[7] Lopez M, Kahn L F, Kurtis K E. High-strengthself-curing and low-shrinkage concrete for pavement applications technology and development[J]. International Journal ofPavement Engineering, 2010, 11(5): 333-342.

[8] 钱伟,樊传刚,等.粉煤灰陶粒次轻混凝土的备制与性能研究[J].安徽工业大学学报,2012,29(2):157-158.

[9] JGJ55-2011,普通混凝土配合比设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011:4-12.

[10] GB/T50080-2016.普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2016:7~30.

[11] GB/T50107-2010,混凝土强度检验评定标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2010:5-6.

[12] T.Mcrikallio, R.Mannonen, V.Penttala. Dryingof lightweight concrete produce d from crushed expanded clay aggregates[J].Cem. Concr. Res, 2009, 26(9); 1423~1433.

[13] 孙彦魁,高雪超,等.水胶比对混凝土强度的影响分析[J].内蒙古水利,2013,3():16-18.

第一作者，通讯作者：张鸣(1976－)，男，内蒙古赤峰市人，博士，主要研究方向：土木工程材料，结构工程。

联系地址：江苏省扬州市扬州大学建筑科学与工程学院(225100)