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摘要：在高性能轻骨料混凝土的研究中，我们不仅与高强混凝土的研究紧密结合起来，而且也吸取普通高性能混凝土中有益的经验教训。为做好技术储备工作，我们采用“四掺法”配制高性能轻骨料混凝土。
关键词：高性能轻骨料混凝土；抗渗性能试验；四掺法
高性能轻骨料混凝土是21世纪混凝土的发展方向，和其他任何新生事物的发展规律一样，都要经历一个漫长而又曲折的发展过程，但目前人们对轻集料使用有保守、片面的认识，导致轻骨料混凝土的发展缓慢，据有关专家统计在高层、大跨度的工程中，采用轻骨料混凝土可使工程造价降低10%～20%，即使国产的高强陶粒一时供不上，使用进口的陶粒时，也可降低造价5%～10%，这样的经济效益十分巨大。在高性能轻骨料混凝土的研究中，我们不仅与高强混凝土的研究紧密结合起来，而且也吸取普通高性能混凝土中有益的经验教训。为做好技术储备工作，我们采用“四掺法”配制高性能轻骨料混凝土。
一、试验方案
（一）原材料
水泥：河北太行山42.5级普通硅酸盐水泥。
陶粒：选用天津红星福利新型建材制品厂生产的普通圆球形粘土陶粒。密度等级为600级，筒压强度为3.0MPa，粒径为5～16mm。
砂子：通过中砂和细砂复配而成的。
粉煤灰：衡水衡冠Ⅰ级粉煤灰。
外加剂：自制ZYM复合型“引气增稠自密实泵送剂”，减水率为18%～22%，主要作用为引气、增稠、保水、密实和减水。
矿粉：邢台S95级矿粉。
硅粉：含硅量≥82%。
水：饮用水。
（二）配合比设计及试验
1．配合比。采用体积法进行配合比设计，设计强度为LC40，在满足配合比设计的前提下，我们选定以下几个配合比，通过试拌和试泵进行比较。配合比见表1：
注：为接近实际，我们用搅拌站的设备进行生产。
2．拌合物性能试验见表2：
以上生产的混凝土，做完检测后，留够足量的抗压、抗渗试块后，在厂内存放90分钟后开始模拟生产施工，用37m泵车做泵送试验。结果表明，汽车泵则能够顺利泵送，没有出现堵管现象。
（三）试验结果及其分析
1．抗渗性能试验。使用北京HS40型混凝土渗透仪，试验每隔8小时加压0.1MPa，试验中当压力表度读数至3.8MPa，稳定8h后停止试验，所测试件全部完好，无一渗漏。
（1）陶粒粗糙的外表面和轻质多孔，使陶粒混凝土在搅拌时吸水，在轻骨料吸水时，内部产生空气密闭现象，在混凝土中形成储备孔，产生的大量微小气泡占据着混凝土的自由空间，切断了毛细管的通道，堵塞了混凝土的空隙，降低了轻骨料混凝土的局部水灰比，减少了体积内游离水，降低了混凝土的泌水率；陶粒在混凝土中具有吸水和供水的“双重”作用，它为集料和胶结材料的湿度平衡起了一定作用，并增加了骨料表面附近水泥的密实性，改善了集料周围界面区的结构，使轻骨料与水泥石界面粘结牢固，从而形成了阻止水流的有效屏障，提高混凝土的抗渗性能。
（2）粉煤灰、矿粉和硅粉的三重加入，改善混凝土的内部结构。具体表现为：形态效应，多种胶凝材料的良好级配，降低了空隙率，增加了反应表面积，促进了水化反应，增加了混凝土的密实度；多种微小颗粒的叠加作用，使火山灰反应更为明显，增加了C-S-H凝胶（水化硅酸钙）的数量，阻塞了毛细管作用，使轻骨料与水泥界面过渡区得到了进一步强化，提高了混凝土的密实度和后期强度。以上两个方面可以看出，胶凝材料良好的级配，使混凝土的空隙率大幅度降低，结构更加密实，抗渗性能也显著提高。
（3）在高性能轻骨料混凝土的试验中我们采用自制的ZYM型“引气增稠自密实泵送剂”，这种高性能混凝土专用外加剂的加入使拌合物的塑化性提高，泌水和离析现象显著减轻，降低了水灰比，减少了混凝土中游离水的存在，增强了密实度，提高了混凝土的抗渗透性。
（4）中砂和细砂良好的级配，降低了空隙率和总表面积，在水泥用量一定的情况下，改善拌合物工作性能，提高混凝土的密实性、强度和抗渗性能。
2．抗冻性能试验。采用慢冻法，其重量及强度损失见表3。
表3 抗冻性能试验结果
注：3号为C60高强混凝土。
抗冻性是反映混凝土耐久性的主要指标之一。表3可以看出本技术配制的轻骨料混凝土的抗冻性能好于普通混凝土，其原因分析如下：
（1）普通骨料混凝土受冻破坏时，破坏往往发生在粗骨料与水泥石接触的界面上。而轻骨料混凝土受冻时，由于轻骨料表面粗糙多孔，且具有一定火山灰活性，再加上轻骨料本身的吸水作用，能较多地吸取水泥浆中的水分，提高水泥浆与骨料间粘结强度及水泥浆在混凝土中的骨架作用，改善了界面过渡区的结构，从而增强了混凝土的抗冻性能。
（2）由于普通骨料混凝土中的碎石与水泥浆的弹性模量相差悬殊，其结构是一种弹性极不协调、不均质的材料；而轻骨料本身弹性模量与砂浆的弹性模量比较接近，陶粒与水泥砂浆则为一种弹性较协调、较匀质的材料。因此，在凍融循环作用下，混凝土内部不易产生较大的应力集中，从而具有较强的抗冻能力。
（3）从表3的试验结果来看，3组混凝土试样的抗冻性能均达到300次抗冻循环要求，掺入硅粉的试样2，混凝土抗冻性能最高。其原因在于矿粉、硅粉的颗粒很小，比水泥颗粒小20-100倍，可以充填水泥颗粒之间的空隙，使混凝土密实，大大提高了混凝土的抗渗性能，很大程度上减少了造成冻害的毛细孔水的数量。
二、总结
1．中砂和细砂的合理复配，在水泥用量一定的情况下，能够改善拌合物工作性能，提高混凝土的密实性、强度；
2．矿物掺合料多重效应的共同作用，不仅改善了拌合物的工作性能，还使高性能轻骨料混凝土空隙率降低，结构更加密实；
3．通过矿物掺合料的加入和外加剂的改进，即“四掺法”的应用技术，在保证新拌混凝土不离析分层的情况下，具有良好的施工性能，较高的力学性能，同时抗冻、抗渗性能和收缩性能也得到了较好的发挥。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：高性能轻骨料混凝土；抗渗性能试验；四掺法
高性能轻骨料混凝土是21世纪混凝土的发展方向，和其他任何新生事物的发展规律一样，都要经历一个漫长而又曲折的发展过程，但目前人们对轻集料使用有保守、片面的认识，导致轻骨料混凝土的发展缓慢，据有关专家统计在高层、大跨度的工程中，采用轻骨料混凝土可使工程造价降低10%～20%，即使国产的高强陶粒一时供不上，使用进口的陶粒时，也可降低造价5%～10%，这样的经济效益十分巨大。在高性能轻骨料混凝土的研究中，我们不仅与高强混凝土的研究紧密结合起来，而且也吸取普通高性能混凝土中有益的经验教训。为做好技术储备工作，我们采用“四掺法”配制高性能轻骨料混凝土。
一、试验方案
（一）原材料
水泥：河北太行山42.5级普通硅酸盐水泥。
陶粒：选用天津红星福利新型建材制品厂生产的普通圆球形粘土陶粒。密度等级为600级，筒压强度为3.0MPa，粒径为5～16mm。
砂子：通过中砂和细砂复配而成的。
粉煤灰：衡水衡冠Ⅰ级粉煤灰。
外加剂：自制ZYM复合型“引气增稠自密实泵送剂”，减水率为18%～22%，主要作用为引气、增稠、保水、密实和减水。
矿粉：邢台S95级矿粉。
硅粉：含硅量≥82%。
水：饮用水。
（二）配合比设计及试验
1．配合比。采用体积法进行配合比设计，设计强度为LC40，在满足配合比设计的前提下，我们选定以下几个配合比，通过试拌和试泵进行比较。配合比见表1：
注：为接近实际，我们用搅拌站的设备进行生产。
2．拌合物性能试验见表2：
以上生产的混凝土，做完检测后，留够足量的抗压、抗渗试块后，在厂内存放90分钟后开始模拟生产施工，用37m泵车做泵送试验。结果表明，汽车泵则能够顺利泵送，没有出现堵管现象。
（三）试验结果及其分析
1．抗渗性能试验。使用北京HS40型混凝土渗透仪，试验每隔8小时加压0.1MPa，试验中当压力表度读数至3.8MPa，稳定8h后停止试验，所测试件全部完好，无一渗漏。
（1）陶粒粗糙的外表面和轻质多孔，使陶粒混凝土在搅拌时吸水，在轻骨料吸水时，内部产生空气密闭现象，在混凝土中形成储备孔，产生的大量微小气泡占据着混凝土的自由空间，切断了毛细管的通道，堵塞了混凝土的空隙，降低了轻骨料混凝土的局部水灰比，减少了体积内游离水，降低了混凝土的泌水率；陶粒在混凝土中具有吸水和供水的“双重”作用，它为集料和胶结材料的湿度平衡起了一定作用，并增加了骨料表面附近水泥的密实性，改善了集料周围界面区的结构，使轻骨料与水泥石界面粘结牢固，从而形成了阻止水流的有效屏障，提高混凝土的抗渗性能。
（2）粉煤灰、矿粉和硅粉的三重加入，改善混凝土的内部结构。具体表现为：形态效应，多种胶凝材料的良好级配，降低了空隙率，增加了反应表面积，促进了水化反应，增加了混凝土的密实度；多种微小颗粒的叠加作用，使火山灰反应更为明显，增加了C-S-H凝胶（水化硅酸钙）的数量，阻塞了毛细管作用，使轻骨料与水泥界面过渡区得到了进一步强化，提高了混凝土的密实度和后期强度。以上两个方面可以看出，胶凝材料良好的级配，使混凝土的空隙率大幅度降低，结构更加密实，抗渗性能也显著提高。
（3）在高性能轻骨料混凝土的试验中我们采用自制的ZYM型“引气增稠自密实泵送剂”，这种高性能混凝土专用外加剂的加入使拌合物的塑化性提高，泌水和离析现象显著减轻，降低了水灰比，减少了混凝土中游离水的存在，增强了密实度，提高了混凝土的抗渗透性。
（4）中砂和细砂良好的级配，降低了空隙率和总表面积，在水泥用量一定的情况下，改善拌合物工作性能，提高混凝土的密实性、强度和抗渗性能。
2．抗冻性能试验。采用慢冻法，其重量及强度损失见表3。
表3 抗冻性能试验结果
注：3号为C60高强混凝土。
抗冻性是反映混凝土耐久性的主要指标之一。表3可以看出本技术配制的轻骨料混凝土的抗冻性能好于普通混凝土，其原因分析如下：
（1）普通骨料混凝土受冻破坏时，破坏往往发生在粗骨料与水泥石接触的界面上。而轻骨料混凝土受冻时，由于轻骨料表面粗糙多孔，且具有一定火山灰活性，再加上轻骨料本身的吸水作用，能较多地吸取水泥浆中的水分，提高水泥浆与骨料间粘结强度及水泥浆在混凝土中的骨架作用，改善了界面过渡区的结构，从而增强了混凝土的抗冻性能。
（2）由于普通骨料混凝土中的碎石与水泥浆的弹性模量相差悬殊，其结构是一种弹性极不协调、不均质的材料；而轻骨料本身弹性模量与砂浆的弹性模量比较接近，陶粒与水泥砂浆则为一种弹性较协调、较匀质的材料。因此，在凍融循环作用下，混凝土内部不易产生较大的应力集中，从而具有较强的抗冻能力。
（3）从表3的试验结果来看，3组混凝土试样的抗冻性能均达到300次抗冻循环要求，掺入硅粉的试样2，混凝土抗冻性能最高。其原因在于矿粉、硅粉的颗粒很小，比水泥颗粒小20-100倍，可以充填水泥颗粒之间的空隙，使混凝土密实，大大提高了混凝土的抗渗性能，很大程度上减少了造成冻害的毛细孔水的数量。
二、总结
1．中砂和细砂的合理复配，在水泥用量一定的情况下，能够改善拌合物工作性能，提高混凝土的密实性、强度；
2．矿物掺合料多重效应的共同作用，不仅改善了拌合物的工作性能，还使高性能轻骨料混凝土空隙率降低，结构更加密实；
3．通过矿物掺合料的加入和外加剂的改进，即“四掺法”的应用技术，在保证新拌混凝土不离析分层的情况下，具有良好的施工性能，较高的力学性能，同时抗冻、抗渗性能和收缩性能也得到了较好的发挥。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看