摘要: 通过对LC45 高性能轻集料混凝土的研究, 在现有的2 种配合比设计理论的基础上提出富余填充配合比设计理论, 并对其进行了较为系统的研究和确定了富余填充系数等参数的合理取值范围, 以达到对高性能轻集料混凝土在实际应用中配合比的确定提供参考依据的目的。
关键词: 富余填充; 轻集料; 配合比
中图分类号: TU528.2 文献标识码: A
高性能轻集料混凝土以其轻质高强和良好的工作性能逐渐被人们所认可并应用于大量工程之中, 然而由于轻集料本身性能的不稳定性, 导致其配制较普通混凝土要困难。尽管很多专家试验研究总结出了2 种较为合理的配合比设计方法, 但仍存在很多问题。为此, 本文在原有方法的基础上提出了富余填充配合比设计方法, 将轻集料混凝土配合比设计方法进一步优化。
1 现有轻集料混凝土配合比设计方法及其缺点
1. 1 常用的计算公式及方法
目前常用的计算轻集料混凝土的强度公式有2 种形式[1], 即:
R28=b1c/w+b2 rk+b3VQ+a; ( 1)
式中: R28 为轻集料混凝土28 d 抗压强度, MPa; c/w为轻集料混凝土的有效水灰比; rk 为轻集料的颗粒密度; VQ 为轻集料实际用量; b1、b2、b3、a 为试验参数。
R28=b1Rc+b2c/w+b3RT- a。( 2)
式中: Rc 为水泥实际强度, MPa; RT 为轻集料筒压强度, MPa; 其他符号同前。
由公式可以看出, 其表达方式仅能反映通过正交试验所确定的各因素对强度的影响, 而且这2 种公式从量纲分析来看是不一致的, 应用起来也不方便。为此一些专家对此进行了进一步研究, 确定了现在正在采用的2 种轻集料混凝土配合比设计方法, 即: 松散堆积体积法; 绝对体积法。
1. 2 松散堆积体积法与绝对体积法的缺点
其设计步骤按《轻集料混凝土技术规程》JGJ51-2002 操作。
绝对体积法与松散堆积体积法的区别在于对集料用量计算方法上有所不同。松散堆积体积法通过标准中提供的粗细集料总的松散堆积体积参考值来确定集料的用量, 而绝对体积法则是利用混凝土的体积减去水泥浆所占体积后, 结合所选择的砂率计算出粗、细集料的体积用量。然而, 这2 种方法都存在着缺点:
(1) 把影响轻集料混凝土强度的重点放在了水泥用量及水灰比上, 忽视了轻粗集料对轻集料混凝土的重要影响, 而在实际应用中, 轻集料自身的性能及用量是制约轻集料混凝土强度变化的重要因素;
(2) 无法使轻粗集料多项性能指标对轻集料混凝土强度造成的影响进行准确的评估, 如轻粗集料的密度、空隙率、粒径大小、级配以及用量等因素对轻集料强度以及密度影响;
(3) 普通混凝土配合比设计中, 合理砂率可以使砂石达到最紧密堆积, 有利于强度增长, 所以砂率为重要参数之一; 轻集料混凝土中砂浆用量大, 粗集料间隙大, 混凝土强度取决于砂浆强度及用量, 砂率不适于作为其配合比设计的重要参数;
(4) 配合比中参数较多, 取值范围较大, 选取不同的参数值会导致结果差异较大, 设计方法不易被掌握。
2 富余填充法
由式(1) 、(2) 可以看出, 轻集料混凝土中轻粗集料的用量及其强度选择是影响混凝土强度的重要因素。基于对以上2 种配合比设计理论缺点的探讨, 提出了富余填充配合比设计理论, 其原理是根据轻集料自身的性能指标, 通过调整轻集料的用量控制混凝土的强度。另外, 我们通过大量试验得出: 填充于混凝土中的砂浆密度变化范围较小, 一般在2 100～2 250 kg/m3, 为配合比设计提供了基础数据, 同时将砂率、水泥用量以及水灰比对轻集料混凝土性能的影响合理转变为砂浆对其性能的影响, 改善了上述2 种配合比设计方法的不足。
2. 1 富余填充法优点
(1) 无论从理论还是试验室研究以及工程实践中都可以看出, 对于轻集料混凝土而言, 轻粗集料的用量及性能指标都是影响轻集料混凝土的重要因素之一, 所以通过累计的富余填充系数确定轻集料的用量是较为合理的配合比设计方法。其原理是通过富余填充系数将混凝土配合比设计中的各项参数联系起来,简化了参数选取的程序, 降低了由于多参数而导致的设计结果差别较大并且性能不稳定等问题。
(2) 轻集料混凝土的密度还可以通过选取适当的ε值, 来简单地估算出预配制的轻集料混凝土的密度范围。计算方法如下:
ρh=(Vj ×ρj+Vg ×ρg)/V。
(3) 目前在轻集料的应用中, 往往需要在规定的密度等级下配制具有一定强度及工作性能的轻集料混凝土, 所以往往需要通过估算来确定混凝土中原材料的强度和轻集料混凝土的密度。为了达到较好的工作性和选取较为合理的富余填充系数, 通过以上的分析可以看出, 当轻集料混凝土的富余填充系数确定以后, 混凝土的基本材料用量即可以确定在一定的合理范围内, 并通过公式推算出所需轻集料的密度等级范围。由此可知, 富余填充系数法对混凝土的选材具有很好的指导意义。
(4) 配合比设计中表干密度值与实测值更接近,并且在设计值与实测值有偏差时, 其调整方法更直观、更合理。
2. 2 富余填充配合比设计方法
富余填充理论模型见图1。
通过大量试验证实, 可以把混凝土的结构模型简化为图1(a) 所示, 则混凝土结构可视为轻粗集料分布于水泥砂浆中或水泥砂浆填充于轻粗集料的间隙中。从理论上分析, 我们可以将图1(a) 结构做进一步排列, 则在保持各物质量不变的条件下将轻粗集料堆积在一起, 就可以将砂浆视为2 部分, 即: 一部分用于填充轻集料堆积的空隙, 另一部分则为富余填充的砂浆量[2], 其结果如图1(b) 所示。
本文提出的配合比设计方法是通过确定“富余填充系数”来计算轻粗集料的用量, 同时将砂浆密度视为一个定值, 以确定砂浆的总体积并计算出砂浆填充质量, 然后选择合理的水泥用量, 确定水灰比, 计算出砂用量。
为了确定水泥砂浆的强度、密度、工作性等性能及水泥砂浆在混凝土中所起的作用, 我们还对不同砂浆配合比进行了试验研究。无论是通过实际测试还是理论计算, 都能得出这样的结论: 水泥砂浆的密度会随砂用量的增加而略有增加, 但变化范围比较小。所以, 为了方便计算, 将其初步视为定值( 通过实际应用也可以看出, 这种假定是可行的) 。
为了以后计算及公式运用方便, 这里给出各量之间的关系式:
V=V1+V2=1; ( 3)
Vj=V2+V2′; ( 4)
式中: V 为混凝土总体积, 设为1 m3; V1 为粗集料的堆积体积, m3; V2 为富余的砂浆体积, m3; V2′为填充在粗集料空隙内的砂浆体积, m3; Vj 为单位混凝土中总的砂浆体积用量, m3; V1′为单位混凝土中粗集料的实体体积用量, m3; P 空为粗集料的空隙率; ε为富余填充系数;ρh为所配制的混凝土的密度, kg/m3; ρj为砂浆的密度, kg/m3; ρg为粗集料的表观密度, kg/m3。
2. 3 配合比设计步骤
(1) 粗集料基本性能试验项目为: 轻集料的堆积密度、表观密度、空隙率、1 h 吸水率、筒压强度等主要性能指标。
(2) 确定砂浆的富余填充系数, 用公式( 3) 、( 6) 、(8) 组成方程组计算V1、V2、V2′, 由式( 5) 可计算出V1′;
(3) 用公式( 4) 计算砂浆用量;砂浆的密度ρj
可以在2 100～2 250 kg/m3 范围内选取适当值, 水泥用量较少时, 可取较大值, 反之取小
值。计算水泥砂浆的用量mj=Vj×ρj。
(4) 可按照松散堆积体积法选取水泥用量, 确定水灰比计算用水量, 或通过大量的砂浆试验, 选择合理的砂浆配合比。
(5) 去除砂浆中的水泥及水的质量即为砂用量ms=mj- mc- mw( 还可以计算出混凝土的砂率与其他2 种方法所取得砂率进行对比) 。
(6) 根据实际混凝土密度对混凝土配合比设计进行调整。
3 用试验结果对不同配合比设计方法做对比
3. 1 试验基本情况
预配制高性能轻集料混凝土, 强度等级为LC45。原材料中: 页岩陶粒900 级, 表观密度为920 kg/m3,吸水率6.8%, 空隙率0.42, 筒压强度10.1 MPa; 水泥P.O 42.5; 普通砂, 堆积密度1 550 kg/m3。
3. 2 配合比设计对比分析( 见表1)
以上内容只是部分试验数据, 另外, 还利用富余填充系数法做了大量试验配合比设计工作, 经过试验证明, 富余填充系数法不但与实测值最为接近, 而且富余填充系数与轻集料混凝土的性能有着密切联系。
4 对轻集料混凝土中水泥石(即水泥砂浆)的研究
在上一节介绍的配合比设计理论中, 是将混凝土视为由高性能轻集料与水泥砂浆两部分组成, 并对水泥砂浆部分作了大量试验研究, 当选择合适水泥砂浆配合比后, 再将部分适当的配合比砂浆用于高性能轻集料混凝土中。这样, 就可以在砂浆配合比强度不变的条件下调整高性能轻集料的用量, 并为研究用量变化而引起混凝土各种性能变化做好铺垫。研究内容见表2。
对表2 数据进行分析, 可以得出以下结论:
(1) 配合比变化对水泥砂浆表观密度等的影响见图2。
由图2 可知:①水泥砂浆的密度波动范围较小, 一般在2 100～2 250 kg/m3 之间, 随着用砂量的增加, 密度逐渐增大;表2 单方混凝土中用于填充轻粗集料空隙的水泥
备注: 1.除S1 采用聚羧酸外加剂外, 其他均采用氨基磺酸盐类高效减水剂;
2.密度为水泥砂浆块从养护间取出表面水分风干后所测得, 其所测值略大于混凝土的表干密度。②增加混凝土中粉煤灰的取代量会降低砂浆的密度;③矿粉的取代量对水泥砂浆的密度影响不大;
④砂的用量在655～782 kg/m3 范围内变化时, 对水泥砂浆密度的影响不明显( 由S3 和S5 对比可知) ;⑤外加剂的种类、减水效果对水泥砂浆密度的影响较为明显( S1 与其他对比, 由于S1 选用了聚羧酸高效减水剂, 其密度明显高于其他密度) 。
(2) 配合比变化对水泥砂浆强度的影响见表3、图3。
由表3、图3 可以看出:①矿粉的掺入对水泥砂浆的强度影响较小, 其掺
量宜在20%;②粉煤灰的掺入明显降低了水泥砂浆的强度, 随着其取代量的增加, 强度降低增大;③当粉煤灰和矿粉的取代量均为10%时, 水泥砂浆与矿粉取代量为20%时的强度相比较, 基本没有较大幅度的降低, 而10%粉煤灰的掺入不但可以降低造价, 同时还可以减轻水泥砂浆的表干密度, 有利于克服轻集料中轻粗集料的上浮, 所以这种取代方式较为合理( 后面还将这一结果在混凝土中的应用做进一步验证) ;④聚羧酸减水剂减水效果优于氨基环酸盐类高效减水剂, 且用量少、强度高, 但由于增加了水泥砂浆的密度, 对轻集料克服上浮性能不利。
5 富余填充系数( 即轻粗集料用量) 对混凝土强度的影响
研究依据是用混凝土富余填充设计理论进行不同富余填充系数( 不同轻粗集料用量) 的配合比设计。该配合比中混凝土性能与轻集料混凝土配合比设计中重要参数富余填充之间的关系见表4、图4。
备注: 表中轻集料用量为该料1 h 吸水后的质量, 其空隙率为0.40。
由表4 及图4 可以看出: 随着富余填充系数的增加, 轻集料用量的逐渐减少, 混凝土的强度会发生明显变化, 这与理论设计过程所预期的结果相吻合。但富余填充系数的选取也受到一定限制, 随着富余填充系数的增加, 轻集料的用量逐渐减少, 则增加了水泥砂浆的用量, 提高了单位混凝土中水泥的用量。而水泥砂浆用量的增加势必造成轻集料混凝土密度的增加, 同时也增加了混凝土的单方造价。另外, 如果富余填充系数取值过小, 则单位轻集料混凝土中轻集料用量增加, 不但会降低混凝土的强度, 同时由于砂浆量的减少而导致混凝土的工作性不良。
通过对G- 2、G- 4 的对比可以看出: 在粗集料用量不变的条件下, 水泥砂浆的调整对混凝土的强度有
一定影响, 但与混凝土中轻集料的用量变化而引起的混凝土强度的变化相比, 砂浆配比变化的影响作用要小得多。这里也充分证实了在假设条件下, 轻集料的变化对轻集料混凝土的强度、密度等性能的影响起主导作用。
6 结论
通过理论研究与试验验证, 富余填充配合比设计方法是可行和更易掌握的, 它更能反映出轻集料性能、用量等的变化对轻集料混凝土性能的影响, 并且为研究轻集料中各种原材料的变化对轻集料混凝土性能的影响提供了便利的途径以及理论依据。
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