高水灰比轻集料混凝土的制备与基本性能

陈 伟， 钱觉时， 刘 军， 汪宏涛， 贾兴文

（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2.后勤工程学院化学与材料工程系，重庆400016）

体积密度在1 000kg／m3以下的超轻混凝土具有较好的保温性能，是建筑节能中用量较大的建筑材料，主要有加气混凝土和泡沫混凝土.加气混凝土由于需要蒸压养护，主要作为砌块或条板用于建筑工程.泡沫混凝土可以现场浇筑，但外加气泡工艺复杂，而且竖向尺度也有所限制.采用普通陶粒、陶砂降低混凝土密度的范围极为有限，采用膨胀聚苯乙烯（EPS）、珍珠岩等轻集料，混凝土密度虽然有较大降低，但其强度下降非常明显.陈兵等[1]采用EPS，通过掺入硅灰和捣实方式控制EPS上浮，混凝土密度约为900kg／m3，强度可达到10MPa左右.姜德明等[2]配制的EPS混凝土，密度约为800kg／m3时其强度只有6MPa左右.冯乃谦等[3]采用引气方法配制了全轻混凝土，其干密度为800kg／m3左右，强度只能达到4MPa.从目前报道的结果来看，即使采用特殊轻集料或者特殊工艺降低混凝土密度，但强度明显偏低，而且，如果要满足预拌、泵送的工作性要求，还面临轻集料上浮和坍落度损失过大等问题.

现代混凝土技术发展的主要特征是有效降低水灰比，在获得高工作性的同时提高混凝土强度.然而，由于轻集料强度明显低于砂浆或者水泥浆基体，通过降低水灰比来提高混凝土强度非常有限[4].如果采用高水灰比，不仅可以降低轻集料吸水作用对混凝土工作性能的不利影响，还能减少轻集料上浮分层，另外，水分在水泥石中形成的孔隙尺寸较小，分散程度更好，在水泥石基体密度降低程度相同时，混凝土强度降低程度相对较低.

本文尝试采用陶粒和陶砂在高水灰比下配制轻集料混凝土的可能性，研究不同水灰比、不同密度轻集料配制的轻集料混凝土工作性能和强度的变化，并对混凝土微观结构进行分析.

1 试验

1.1 试验材料

采用重庆拉法基P·O 42.5R普通硅酸盐水泥；轻集料分为两类，一类为表观密度较小的陶粒（LC）及其破碎得到的陶砂（LP），另一类为普通陶粒（OC）和普通陶砂（OP），轻集料的基本物理性能见表1.减水剂采用聚羧酸高效减水剂，其减水率（质量分数）为31%.保水剂采用羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），其黏度为2×105MPa·s.

表1 轻集料的基本物理性能Table 1 Main properties of lightweight aggregates

1.2 混凝土配合比

由于2种陶砂细度模数约为3.7，为使混凝土具有较好的初始流动性，在配合比中适当提高了水泥浆体的比例和砂率，水泥浆体的体积分数为40%，砂率（体积分数）为45%.采用低水灰比（mW／mC＝0.30，0.40）时，通过减水剂来调整混凝土的坍落度，采用高水灰比时，通过HPMC来控制混凝土的泌水.当水灰比分别为0.50，0.60，0.75，1.00时，HPMC的掺量（质量分数）分别为0.25%，0.35%，0.50%，0.75%.

1.3 试验方法

混凝土抗压强度参照GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行试验；收缩试验参照GB／T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，试件尺寸为100mm× 100mm×515mm.将28d龄期试件烘干后浸入水中，一定时间后取出擦拭至面干，然后称重.混凝土拌和物的体积密度采用5L密度测试桶测量，水泥净浆密度采用2L密度测试桶测量.采用砂浆分层度测定桶，根据文献[5]测试混凝土的分层度（体积分数）.试件压碎后，选取所需观察位置的部分样品，真空干燥后镀金，采用菲利浦公司生产的XL－30型环境扫描电镜（ESEM）进行形貌观察.

2 结果与讨论

2.1 高水灰比轻集料混凝土的工作性能

2.1.1 坍落度损失

当水灰比较低（mW／mC＝0.30，0.40）时，掺减水剂将混凝土的初始坍落度调整为200mm左右.图1为轻集料混凝土的坍落度损失测试结果.

图1显示，低水灰比轻集料混凝土的坍落度损失非常明显，集料越轻，其坍落度损失也越大；高水灰比时，轻集料混凝土坍落度损失相对较小，当水灰比为0.75时，2h坍落度仍能保持在200mm左右.图1还表明，在高水灰比时，虽然轻集料吸入了比较多的水分，但在总用水量很高的情况下，水泥浆体中的剩余水分仍能保持混凝土具有较高的坍落度，因此提高水灰比，可以在不预湿轻集料的情况下，使混凝土的坍落度损失仍能满足实际工程要求.

2.1.2 分层性

轻集料的密度越小，与水泥浆体的密度差就越大，上浮分层也越明显.图2为不同水灰比水泥浆体密度变化情况及其与不同轻集料的密度差.图3为不同陶粒、陶砂的分层度测试结果.

图1 轻集料混凝土的坍落度Fig.1 Slump loss of lightweight aggregate concrete with different mW／mC

图2 不同水灰比的水泥浆密度以及与轻集料的密度差Fig.2 Density of cement pastes with different mW／mC and difference between cement paste and lightweight aggregate

图3 不同水灰比轻集料混凝土中轻集料的上浮分层度Fig.3 Segregation degree of lightweight aggregate in concrete with different mW／mC

图2显示，水灰比为1.00时，陶粒与水泥浆体的密度差最大只有640kg／m3，陶粒吸水后密度差还会减小，这与普通混凝土中天然砂石集料（密度约2 700kg／m3）和水泥浆体的密度差基本接近，表明轻集料在水泥浆体的黏滞阻力下，不会出现明显的上浮分层现象.图3显示，水灰比0.30时，陶粒上浮分层度接近45%，即有超过70%的陶粒分布在上层；水灰比1.00时，轻集料上浮分层度＜10%.可见，水灰比越低，尺寸较大、密度较低的陶粒越容易上浮.但是，随着水灰比的提高，这种变化规律越来越不明显.当水灰比＞0.75时，水泥浆体的密度降低幅度＞500kg／m3，这可减小轻集料与水泥浆体的密度差，从而有效降低轻集料的上浮分层.另外，在较高水灰比时，由于采用的HPMC具有增黏作用，且轻集料吸水后密度也会增加，这对降低轻集料上浮分层也有一定的作用.

2.2 高水灰比轻集料混凝土抗压强度与密度

水灰比增加会使水泥石强度降低，但对降低混凝土密度有很大的贡献，而且有利于轻集料混凝土工作性能的改善.图4为不同水灰比、不同密度陶粒和陶砂轻集料混凝土抗压强度与密度的变化情况.

从图4可以看出，水灰比从0.25提高到0.50时，普通陶粒与陶砂搭配的轻集料混凝土抗压强度降低并不明显，但密度降幅较大；水灰比为0.60～0.75时，超轻陶粒和陶砂搭配的轻集料混凝土密度降幅较大，但抗压强度降幅较小.这说明采用轻集料配制混凝土时，应适当提高水灰比，不仅可以明显降低密度，维持较高强度，而且有利于改善轻集料混凝土的工作性能，集料越轻，水灰比提高幅度可越大.研究表明[6－8]，在集料强度较低的情况下，采用低水灰比并不能有效提高混凝土强度，而且还在一定程度上增加了混凝土密度.因此，在降低轻集料混凝土密度时，应提高水灰比.

2.3 高水灰比轻集料混凝土的收缩和吸水性能

图5，6分别为高水灰比轻集料混凝土收缩量和吸水率随时间的变化情况，其中700－AC，C30分别为加气混凝土和普通混凝土.

图4 不同水灰比轻集料混凝土28d龄期的抗压强度与密度变化Fig.4 Variation of compressive strength and density of lightweight aggregate concrete with different mW／mCat 28d

图5 高水灰比轻集料混凝土的收缩量Fig.5 Shrinkage of lightweight aggregate concrete with higher mW／mC

图6 高水灰比轻集料混凝土、加气混凝土和普通混凝土的吸水率Fig.6 Water absorption of lightweight aggregate concrete with higher mW／mC

图5显示，随着水灰比的提高，轻集料混凝土的收缩量有一定程度的增加，但增加幅度较小，小于聚氨酯泡沫轻集料混凝土[9].研究表明[10]，当水灰比较高时，虽然干燥条件下会蒸发更多的自由水，但由于毛细管应力增幅较小，使轻集料混凝土收缩量的增幅度并不大.当然，高水灰比轻集料混凝土的收缩量明显大于普通混凝土或高性能混凝土，在实际应用中仍存在较大的收缩开裂风险.从图5还可以看出，高水灰比轻集料混凝土早期收缩量的增长速度相对较低，这可能是由于早期消耗的多是较大孔隙中的水分，毛细管收缩较小，而后期消耗的主要是较小孔隙的水分，会产生较大毛细管应力，因此收缩量的增加速度较快.早期收缩量较小有利于降低高水灰比轻集料混凝土的早期开裂风险.

图6显示，随着水灰比的提高，轻集料混凝土的吸水率有所增加，但吸水总量明显小于加气混凝土.这可能是由于轻集料混凝土中轻集料的釉质表面对水分传输有一定的阻隔作用，而且轻集料内部多为封闭孔隙.

2.4 高水灰比轻集料混凝土的微观结构

图7为不同水灰比轻集料混凝土的SEM照片.由图7可见，当水灰比为0.30时，水泥石结构致密；当水灰比＞0.50时，水泥石中水化产物尺寸粗大，结构疏松，孔隙增多.从图7也可以看出，水灰比越高，生成的氢氧化钙晶体越完整，其尺寸也越粗大，在大幅度降低轻集料混凝土密度的情况下，有利于保持其强度.图8为不同水灰比轻集料混凝土中水泥石－轻集料界面形貌的SEM照片，其中HCP为水泥石.图8显示，水灰比为0.50，0.75时，水泥石与轻集料界面的水化产物致密；水灰比为1.00时，水泥石－轻集料结合仍比较紧密.研究表明[11]，轻集料中吸收的水分会在后期逐渐释放出来，可有效提高界面的密实度；当水灰比较高时，轻集料的吸水作用还能降低界面区域的水灰比，从而减少界面区域的孔隙.

图7 不同水灰比的轻集料混凝土中水泥石的SEM照片Fig.7 SEM photos of hardened cement paste in lightweight aggregate concrete with different mW／mC

图8 不同水灰比轻集料混凝土中水泥石－轻集料界面的SEM照片Fig.8 SEM photos of interface between hardened cement paste and lightweight aggregate in lightweight aggregate concrete with different mW／mC

3 结论

（1）采用高水灰比配制轻集料混凝土，不仅可以显著降低坍落度损失和轻集料上浮分层，还能在大幅度降低密度的情况下使轻集料混凝土具有较高强度.

（2）采用表观密度为738kg／m3的陶粒及其陶砂，可配制水灰比为0.75，密度约850kg／m3，抗压强度约14MPa的轻集料混凝土；采用表观密度为936kg／m3陶粒和表观密度为1 032kg／m3陶砂，可配制水灰比为0.50，密度＜1 100kg／m3，抗压强度为25MPa的轻集料混凝土.

（3）随着水灰比的提高，轻集料混凝土收缩量和吸水率有一定程度增加，但增幅相对较小，收缩量和吸水量也比相同密度的泡沫混凝土小.

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