高强轻质混凝土

轻骨料混凝土姓名：吕浩阳学号：g201409106系别：建筑工程学院轻骨料混凝土1前言混凝土是现代工程结构中最大宗的建筑材料之一。全世界混凝土年产量约90亿吨，我国占40%以上，这样每年要用掉20亿吨以上的天然骨料。对骨料等资源的大量开采已造成了很多地方出现资源匾乏、耕地破坏、山林遭毁等问题。利用天然轻骨料、工业废料轻骨料、人造轻骨料等制成的轻骨料混凝上(LWAC)具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性能好等优点，降低结构自重，同时也在很大程度上节约水泥、钢筋等建筑材料，具有明显技术经济优势。利用工业固体废弃物如粉煤灰、锅炉煤渣、煤矸石等制备轻质混凝土，可降低混凝上的生产成本，废物利用，减少城市或厂区的污染，减少堆积废料占用的土地，有效地利用资源和保护环境[1]。轻骨料混凝土问世以来，在工程应用中表现出了很多优点:性能优良(在隔热保温、耐火、抗震、耐久抗冻、抗渗等方面均表现出较好的性能)、经济效益好、节能效果显著、施工适应性强和应用范围广等。特别是随着高强轻骨料混凝土的开发，等级为LC30-40的高强轻骨料混凝土目前已在城市立交桥、高层建筑、大跨度桥梁及海工等建筑物中得到应用，而在实验室中LC100以上的超高强轻骨料混凝土已经研制成功[2]。2轻骨料混凝土基木定义我国《轻骨料混凝土技术规程(JGJ51-2002)》中对轻骨料混凝土的定义为:“用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土”。由普通砂或部分轻砂做细骨料的称为砂轻混凝土，全部由轻砂做细骨料的称为全轻混凝土。轻骨料可以使用天然轻骨料(如浮石、凝灰岩等)、工业废料轻骨料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等)、人造轻骨料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等)等。目前使用的轻骨料主要是陶粒，与普通骨料(天然密实石子)相比，陶粒的密度小、强度低且弹性模量小[3]。表观密度大于2600kg/m3的混凝土是重混凝土，表观密度在1950-2500kg/m3的是普通混凝土。表1列出了一些国外规范对轻骨料混凝土的定义。规范名称定义AC1318-95(美国)使用轻骨料并且干密度不超过1840kg/m3，不使用普通砂的称为“全轻混凝土”，全部细骨料采用普通砂的称为“砂轻混凝土”ACI213-87(美国)结构轻骨料混凝土的最小28天圆柱体抗压强度为17.24MPa，干密度不超过1850kg/m'，全部或部分骨料采用轻骨料。UNI7548-part(意大利)轻骨料混凝土是由轻骨料代替部分或全部普通骨料，轻骨料混凝土的密度不大于1850kg/m3。PN-91/B-06263〔波兰)由水泥、轻骨料、水、矿物添加剂和化学外加剂配制而成的干表观密度不大于2000kg/m3的混凝土。关于高强轻骨料混凝土的划分标准，国内外略有区别。我们认为强度等级达到LC30及以上者称为高强轻骨料混凝土。3国内外的应用研究现状美国早在1913年就研制成功了页岩陶粒(国外又称膨胀页岩)，很快就用它配制成抗压强度为30MPa-35MPa的轻集料混凝土，并应用在了房屋建筑、船舶制造和桥梁工程中。20世纪60年代中期，美国采用轻骨料混凝土取代普通混凝土，修建了52层218米高的休斯顿贝壳广场大厦，所用轻骨料混凝土的干表观密度为1840kg/m3，抗压强度32-42MPa，取得了显著的技术经济效。2001美国在California用轻骨料混凝土建成的Benicia-Martinez桥，该桥总长2716米，最大跨度200米，所用轻骨料混凝土28天抗压强度为45MPa，干表观密度1920kg/m3。1993年以来美国每年轻骨料使用量都在350415万m3，其中用于结构混凝土部分在80万m3左右。20世纪90年代初期，挪威、日本等国家研究了高性能轻骨料混凝土的配方、生产工艺、高性能轻骨料等，重点在于改善混凝土的工作性和耐久性，并取得了一定的成果。例如，英国采用高强轻骨料混凝土建造了北海石油平台；挪威已成功应用CL60级轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥；日本则在1998年成立了一个由18家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会，专门研究粉煤灰轻骨料混凝土。如今，国外发达国家高性能轻骨料混凝土的应用已取得了丰富的经验。CL50-CL60轻骨料混凝土已在工程中大量使用结构轻骨料混凝土的抗压强度最高为80MPa，其表观密度在1800-2000kg/m3之间。我国的轻骨料混凝土的研究始于20世纪50年代，以陶粒混凝土的研制居多，沸石和煤矸石等轻骨料混凝土产量较少。先后研制成粘土陶粒、页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒等人造轻骨料。我国轻骨料混凝土在承重结构中的应用与发展始于60年代初期；1960年在河南平顶山建成了第一座轻骨料混凝土大桥一洛河大桥，此后在其他桥梁上也部分应用了轻骨料混凝土。到了90年代初期，由于我国的轻骨料质量较差以粉煤灰为主的其它品种陶粒的质量不尽人意，所配制的结构用轻骨料混凝土的表观密度一般为1800-1950kg/m3，抗压强度为5.0-25MPa，即密度较大，而强度偏低，轻骨料混凝土主要用作一些非承重结构，而很少用于结构工程。同时由于造价原因，在非结构工程中的应用经济效益不显著，使其应用和发展受到一定的限制。直到20世纪90年代中后期，在国内外轻骨料混凝土技术迅速发展的推动下，我国高强轻骨料混凝土的研究和应用开始出现了新的转机，高强轻骨料的生产已形成一定的规模。在此背景下，轻骨料混凝土又开始在高层建筑和桥梁工程中获得应用。如珠海国际会议中心采用了LC30泵送轻骨料混凝土，武汉证券大厦64-68层楼板使用了LC35轻骨料混凝土，云南建工医院主体结构使用LC40轻骨料混凝土，天津永定新河大桥引桥应用了预应力LC40高强轻骨料混凝土，京珠高速公路湖北段蔡甸汉江大桥桥而使用了LC40泵送纤维增强轻骨料混凝土。目前，我国轻集料混凝土的应用仍主要用于低强度的非承重结构，如生产小砌块。在高层建筑和大跨度的桥梁中应用与国外相比还很少，虽然现在也能配制出抗压强度达70MPa的结构轻集料混凝土，但在工程中实际只用到LC40。在桥梁工程中的应用近几年虽有所突破，但最大跨度仅达35m。全用轻集料混凝土的工程(包括桥梁、桥而板、承台、桥墩、基础)和在旧桥改造(修复、加固、加宽等)中应用仍然很少。在采油平台、水上漂浮物、船坞等特殊工程中应用更未见报导。高强轻集料新品种、高性能轻集料的研制和应用进展缓慢。在工程施工中，混凝土的浇灌技术，南京等地成功的尝试泵送施工，但大量轻集料混凝土仍采用常规的方法，泵送混凝土技术应用很少，尚未能适应现代化施工的要求，与发达国家仍有不小的差距[4]。4轻骨料混凝土的特点4.1轻骨料混凝土组成结构特点轻集料混凝土的组成除用轻集料代替普通混凝土的天然岩石集料外，其余材料组成与普通混凝土基本相同。而轻集料对混凝土主要性能的影响与普通集料对混凝土主要性能的影响有许多相同之处，但轻集料与普通集料的不同点主要是质轻、内部具有高度的多孔性、在水泥浆中具有吸水放水的作用，本身强度低，弹性模量低。轻集料多孔性使轻集料混凝土内部结构发生了以下变化:(1)轻集料与水泥石界面层致密，缺陷减少:轻集料吸收水泥中水分，使界而区水灰比降低，硬化水泥石密实度增加；轻集料中预湿吸收的水随水泥水化进程不断释放出来，补充水泥水化用水，进一步提高了界而区结构密实性；轻集料早期吸水，使普通集料表而常见的水囊在轻集料混凝土中消失，减少了界而缺陷；吸入轻集料表面开放孔中的水泥浆的锚固作用，提高了界而强度。(2)轻集料混凝土中孔含量增加:轻集料中孔的存在，可以有效的缓解冻涨、碱集料反应等膨胀作用。(3)水泥石内受返水的养护作用，使水泥水化度提高，水泥石孔隙率降低、孔径小:返水作用减少早期的开裂，且随轻集料预湿程度的提高，养护龄期延长，水泥石结构变化愈明显。4.2轻骨料混凝土的性能特点与普通混凝土比较轻集料混凝土具有如下独特的性能特点:(1)比强度高:40MPa-50MPa的轻集料混凝土体积密度可保持在1700kg/m3-1900kg/m3，比普通混凝土轻1/5左右。(2)具有隔热、保温、保湿功能:体积密度为1750kg/m3的轻集料混凝土的导热系数大大低于普通密度混凝土的导热系数，因此从建筑节能方而考虑，采用轻集料混凝土作墙体材料，较传统的实心粘士砖或普通混凝土可节能约30%-50%。(3)耐火性好:耐火能力是普通混凝土的4倍。在650℃高温下，轻集料混凝土能维持室温时强度的85%，而普通混凝土只能维持35%-75%。(4)抗震性能好:其构筑物在地震荷载下对冲击波能量吸收快，减震效果好。陶粒混凝土相对抗震系数为109，普通混凝土为84，砖砌体为64。(5)耐久性好:HPLC具有与高性能普通密度混凝土相当的耐久性。如50MPa-100MP。的高强轻集料混凝土具有非常低的渗透性和良好的抗冻性。Holm等人把轻集料混凝土的高抗渗性归结于轻集料与水泥石之间优良的界而以及混凝土整体结构更加均匀等原因；同时，轻集料的多孔性可以缓解水结冰而产生的膨胀应力，使得HPLC具有良好的抗冻性。(6)抗裂性好:同普通混凝土相比，轻集料混凝土的热膨胀系数和弹性模量小，使得由于冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小；同时，轻集料具有自养护作用，可减少轻集料混凝土的开裂，这对改善结构的耐久性是十分有利的。(7)无碱一集料效应:轻集料中虽然都含有活性成分，但至今尚未见到有关轻集料混凝土由于碱集料反应造成破坏的报道。(8)综合经济效益好:尽管轻骨料自身的价格比普通石子贵，导致轻骨料混凝土的单方造价高于同强度等级的普通混凝土，但是由于其减轻了结构自重，缩小断面尺寸，增加使用面积，降低基础荷载而具有显著的综合经济效益。采用陶粒混凝土建造高楼，可降低建筑物自重30%-40%，减少劳动强度20%，减少材料运输重量30%-40%，降低工程造价10%。尤其用于桥梁及高层、大跨结构或旧桥的维修加固工程会产生更大的经济效益[4]。5高强轻骨料陶粒混凝土轻骨料混凝土的应用特点由其力学性能决定，而轻骨料强度决定着其力学性能。轻骨料的强度既是轻骨料混凝土的重要性能指标，也是保证轻骨料混凝土耐久性的前提。因此，合理选择轻骨料和高强混凝土最佳配合比设计方案尤为关键。本文采用不同类别轻骨料陶粒进行陶粒混凝土试验。采用三种不同强度轻骨料陶粒，三种水胶比，三种粉煤灰掺合量设计了27组共243个试件，重点对制备的轻骨料混凝土的立方体抗压强度随龄期发展，以及轻骨料种类、水胶比大小、粉煤灰掺量对立方体抗压强度影响进行对比分析。最终，得出最优骨料和最佳配合比方案，为高强轻骨料混凝土的配置提供依据。5.1试验5.1.1原材料试验使用秦岭牌普通硅酸盐水泥P·O42.5，拌合用水为普通自来水，粉煤灰掺合料使用渭河电厂2级粉煤灰。粗骨料采用甘肃白银津川陶粒厂的粘土陶粒(N)、天津宝通陶粒厂的粉煤灰陶粒(F)和湖北宜昌宝珠陶粒厂的页岩陶粒(Y)三种不同强度的陶粒，陶粒形状及表面状态见图1,陶粒的各项物理力学性能见表1。细骨料采用质量比为3:1的河砂与陶砂混合，河砂为渭河中砂，细度模数为2.5，含泥量2%，堆积密度1565kg/m3，表观密度2650kg/m3，颗粒级配良好。陶砂选用甘肃白银津川陶粒厂的粘土陶粒，堆积密度749kg/m3，表观密度1510kg/m3，细度模数为4.79。外加剂选用JKPCA-02聚羧酸高性能减水剂。5.2配合比设计高强轻质混凝土的配合比设计更大程度上依赖于经验积累和试验试配。使用国产3种陶粒为轻骨料，通过掺入活性矿物掺合料(粉煤灰)与高效减水剂复掺技术，采用“绝对体积法”设计了三种陶粒混凝土的配合比。设计中，参照《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002)规定，首先确定三个重要的设计参数，即水泥用量、水胶比和砂率，然后利用绝对体积法计算细骨料和粗骨料用量。按式(1)至(4)进行计算。式中:Vs：每立方米混凝土的细骨料绝对体积，m3；M：每立方细骨料用量，kg；mc：每立方米混凝土的水泥用量，kg；c：水泥的相对密度c=2.9-3.1；mwn每立方的净用水量，kg；