轻质高强混凝土制备与性能分析

文摘 2024-11-18 07:04 河南

0　引言

轻质混凝土具有容重低、隔热性能好和耐高温的优点，被广泛应用于建筑结构中分隔墙体的建造，发挥其低自重、保温、防火、隔声等性能优势；这得益于轻质混凝土中轻质骨料颗粒内部包含的大量封闭气孔，以及轻骨料颗粒本身在成岩或制备过程中经历的高温煅烧过程，涉及来自火成岩的浮石颗粒，来自回转窑的黏土陶粒、粉煤灰陶粒或页岩颗粒等，如图1所示。

提升轻骨料和/或砂浆基体的品质，可使得轻质混凝土的抗压强度达到40MPa及以上，同时，其体积密度不大于1950kg/m³，从而制得轻质高强混凝土。轻质高强混凝土在低容重、隔热、耐高温的基础上，进一步提升了荷载能力、抗渗透能力和抗开裂能力。工程建造方面，轻质高强混凝土可用于制作建筑的梁板柱等承重构件，相比普通混凝土具有更高的结构效率(强度容重比)，使得建筑结构具有更大的跨度(降低钢筋混凝土梁或面板的自重)和抗震能力(降低地震惯性力)，提升了建筑的空间利用率和抗震安全度。

20世纪90年代以来，世界范围内，轻质高强混凝土已被广泛应用于建筑、交通、海洋等工程建造中，如表1所示。

基于轻质高强混凝土的工程应用和工程效果实证，以及混凝土材料开发和制备技术的进步，轻质高强混凝土材料性能的优化和提升，再次被土木工程行业关注并实践。

2022年和2023年，中国混凝土和水泥制品协会连续两年在全国范围内进行设定主题的轻质高强混凝土竞赛，以调研和展示当前我国土木工程行业轻质高强混凝土材料的制备和应用水平。来自全国各地的46家企业和19家高校参与两届竞赛。

两个年度竞赛设定的主题为混凝土的气干体积密度不大于1500kg/m³，抗压强度不小于40MPa，且混凝土断面上粒径大于5mm的粗骨料面积分数不小于25%。

本文围绕轻质高强混凝土竞赛，对符合三个约束条件的参赛队伍配合比、抗压强度、劈裂强度和断面粗骨料面积分数进行总结分析，阐述轻质高强混凝土的制备方法和材料性能，为轻质高强混凝土的材料开发和工程应用提供借鉴。

1　原材料和配合比

成功制备轻质高强混凝土的关键，一是在混凝土中引入大量含有内部封闭孔隙的颗粒，如微珠和轻骨料颗粒；二是降低水胶比，提高砂浆或净浆基体的强度；三是提升微珠和轻骨料颗粒自身的强度以及它们与基体之间的结合强度；四是通过适宜的颗粒级配降低胶凝材料的用量并提升轻质高强混凝土的体积稳定性。

依据上述原则，参赛队伍采用多种胶凝材料、细骨料和粗骨料进行轻质高强混凝土的配合比设计和混凝土制备。其中，绝大多数参赛队伍使用微珠作为胶凝材料，利用其中空的球形构造，降低混凝土的容重并提升混凝土的新拌工作性。除微珠之外，使用的胶凝材料还包括硅酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰和硅灰等。胶凝材料的表观密度和微观形貌如表2和图2所示。

针对轻质粗骨料颗粒，参赛队伍利用当地的地材条件，通过自制和购置的方式，开发和利用了多种轻质粗骨料颗粒，如自制的UHPC(超高性能混凝土)颗粒、煅烧粉煤灰陶粒、煅烧页岩陶粒、煅烧黏土陶粒、免烧陶粒等。轻质高强混凝土的劈裂断面上，这些轻质粗骨料颗粒的形貌如图3所示。

图3中各种轻质粗骨料颗粒的表观密度和筒压强度，如表3所示。由表3可见，这些轻质粗骨料的表观密度低且筒压强度高，有利于轻质高强混凝土性能的提升。

46支企业参赛队伍、19支高校队伍，制备轻质高强混凝土所用的配合比如表4所示，其中明确了单方轻质高强混凝土胶凝材料的组成和质量比例，拌和水、细骨料和粗骨料的质量，以及粗骨料的类型。细骨料含量数据旁边的星号，表示该细骨料类型为轻质细骨料(主要是破碎后的煅烧页岩陶粒)，未标注的细骨料含量数据说明所使用的细骨料为天然河砂或机制砂。

2　力学性能测试方法

轻质高强混凝土力学性能测试方法如图4所示，采用100mm立方体试样，刚性试验机，0.75MPa/s的加载速率，进行混凝土抗压强度测试；采用100mm立方体试样和自制夹具(夹具的制作参照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行)，0.075MPa/s的加载速率，进行混凝土劈裂强度测试。

3　劈裂断面上粗骨料面积分数分析方法

试验使用作者自主开发的图像分析程序，进行图4(b)所示的劈裂强度测试混凝土断面上粗骨料颗粒面积分数的计算。图像分析处理的步骤如图5所示，其中包括骨料颗粒识别、滤波、颗粒筛选和面积分数计算四大步骤。混凝土中骨料颗粒相对净浆具有更高的体积稳定性，因此，在满足新拌混凝土流动性、通过性和匀质性、硬化混凝土强度和抗渗透能力的同时，提升混凝土中骨料的体积分数(对于二维截面而言为面分数)，对提高混凝土的抗收缩能力、抗开裂能力、耐久性和经济性有利，因此，竞赛的主题要求混凝土断面上粗骨料面积分数不小于25%。

4　测试结果和分析

满足体积密度不大于1500kg/m³，抗压强度不小于40MPa，断面上粗骨料面积分数不小于25%的轻质高强混凝土配合比如表4所示；对应的混凝土体积密度、抗压强度、劈裂强度、劈裂抗压强度比、断面上粗骨料面积分数测试结果如表5所示，其中，每个数据是三个试样测试结果的平均值。

表5中的水胶比是配合比中水与(水泥+矿渣粉+粉煤灰+硅灰+微珠)的质量比。

由表5可见，LT1-LT65的65个轻质高强混凝土，其体积密度、抗压强度和断面上粗骨料的面积分数均满足设定的指标要求(其中，体积密度可接受5%的正偏差)。

水胶比是影响混凝土强度的关键因素，决定了混凝土硬化体中毛细孔的孔径和含量，一般而言，随着水胶比的增大，混凝土的强度降低。图6展示了轻质高强混凝土的水胶比与抗压强度的关系，并根据混凝土所使用的轻质粗骨料类型进行了分类。

由图6可知，随着水胶比降低，轻质高强混凝土的抗压强度增大。同时，轻质粗骨料的种类对轻质高强混凝土的抗压强度有至关重要的影响，例如，图6中，水胶比为0.15～0.20，使用UHPC类型粗骨料的混凝土可获得最高的强度，而使用煅烧页岩陶粒粗骨料的混凝土所得强度最低，使用煅烧粉煤灰陶粒和免烧陶粒做粗骨料的混凝土，其强度介于上述两者之间。由于0.15～0.20是制备混凝土中UHPC型基体的水胶比范围，可见，对于轻质高强混凝土而言，UHPC基体配合UHPC骨料可获得最佳的强度。而使用强度较低的骨料，如煅烧页岩陶粒(参见表3所列举的各种轻骨料筒压强度)，相当于在轻质高强混凝土中造成较大尺寸的薄弱环节或缺陷，会阻碍轻质高强混凝土中UHPC基体强度的发挥。

图7展示了轻质高强混凝土劈裂强度与抗压强度的关系，以及劈裂抗压强度比与抗压强度的关系。由图7(a)可见，随着抗压强度增大，轻质高强混凝土的劈裂强度增大，同时，五种轻质粗骨料相比，使用UHPC类型的粗骨料可获得最高的劈裂强度。由图7(b)可见，随着抗压强度增大，轻质高强混凝土的劈裂抗压强度比降低，从LC40的7%左右降至LC120的4%左右。

图8在图7(a)的基础上，增加了ACI模型预测的劈裂强度与抗压强度的关系，如式(1)所示。

f_t=0.53f_c^0.5(1)

式中，f_t为混凝土劈裂强度(MPa)，f_c为混凝土抗压强度(MPa)。

由图8可见，在参加竞赛的轻质高强混凝土中，劈裂强度优良的混凝土，其劈裂强度与抗压强度的关系符合ACI模型。

图9展示了本文论述的65个轻质高强混凝土的结构效率系数，即抗压强度与体积密度的比值。由图9可见，本文所论述的65个轻质高强混凝土，在40～120MPa的抗压强度范围内，在体积密度不大于1500kg/m3及粗骨料面积分数不小于25%的双重约束下，所制备的轻质高强混凝土，其结构效率系数可达83.2kPa/(kg∙m^-3)。

世界范围内，文献报道的轻质高强混凝土结构效率通常不大于50kPa/(kg∙m^-3)。因此，图9以50kPa/(kg∙m^-3)为界，将本文所论述的65个轻质高强混凝土的结构效率系数划分为#1和#2两个区域，其中，#1为常规区域，#2为技术领先区域。由图9可见，半数轻质高强混凝土的结构效率系数落在#2区域之内，这说明参与竞赛的高水平队伍所开发轻的质高强混凝土，其结构效率系数处于世界领先水平。

5　结论

为充分发挥和提升我国企业和高校研发利用轻质高强混凝土的能力和水平，全国范围内进行了两个轮次的轻质高强混凝土竞赛。竞赛要求参赛队伍制备的轻质高强混凝土，其气干体积密度不大于1500kg/m³，抗压强度不小于40MPa，断面上粗骨料的面积分数不小于25%。经过参赛队伍开创性的材料设计和制备，如自制了轻质高强的UHPC粗骨料，使得所制备的轻质高强混凝土具备优异的力学性能和结构效率系数。

(1)开创性的轻质UHPC粗骨料制备，充分发挥了UHPC基体与UHPC骨料颗粒之间良好的结合强度，体积密度1500kg/m³的轻质高强混凝土可获得120MPa的抗压强度。

(2)轻质高强混凝土的劈裂强度与抗压强度呈正相关关系，劈裂抗压强度比与抗压强度呈负相关关系，在40～120MPa的抗压强度范围内，劈裂抗压强度比由LC40所对应的7%下降至LC120所对应的4%。

(3)劈裂强度良好的轻质高强混凝土，其劈裂强度与抗压强度关系符合ACI模型。

(4)在体积密度不大于1500kg/m³和粗骨料面积分数不小于25%的双重约束下，参与竞赛的高水平队伍所制备的轻质高强混凝土，其结构效率系数可达83.2kPa/(kg∙m^-3)。

(5)世界范围内，轻质高强混凝土的结构效率系数通常不大于50kPa/(kg∙m^-3)；本文论述的65个轻质高强混凝土，半数的结构效率系数大于50kPa/(kg∙m^-3)。因此可以说，通过开创性的轻质UHPC粗骨料制备、合理的配合比设计、微珠等新型胶凝材料的利用,参与竞赛的高水平队伍制备的轻质高强混凝土性能世界领先,尤其在结构效率系数方面。（来源：《江西建材》2024.增刊）

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