轻骨料混凝土配合比设计与应用

轻骨料混凝土最主要的特点是能够减少混凝土自重（相比普通混凝土，其重量可减轻20%~40%），同时其保温效果、耐火和耐久性能等较好，基于这些优点，近年来轻骨料混凝土被广泛应用在结构或非结构施工部位。

目前，与人造轻骨料混凝土相比，国内外对于天然轻骨料混凝土的研究较少。天然浮石是一种很好的天然轻骨料，具有质量轻、孔隙多、强度高、耐腐蚀、热导系数小等特点，在我国具有十分丰富的储量，并且分布范围较广。

浮石混凝土作为轻骨料混凝土的一种，不仅具有质量轻、强度高、抗裂性好、耐火性好等特性，同时还具有良好的生产、施工和技术经济效益。但由于自然形成条件的差异，同粒径规格的浮石通常呈现出不同的堆积密度，当堆积密度较低时，浮石自身的强度相对不高，这不仅会直接影响到浮石混凝土的密度等级，而且会在一定程度上降低浮石混凝土的性能。若使用陶砂替代部分天然砂或机制砂，则能在使用较高堆积密度浮石的条件下，对配置的轻骨料混凝土密度进行更大范围的调整，不仅能够提高拌合物的性能，而且也能保证其力学性能和耐久性能等。

因此针对实际工程设计需求，有必要通过配合比的优化调整，探求合适的浮石类型、用量以及陶砂的用量，最大限度地做到轻骨料混凝土在较低密度等级的条件下，达到较高的性能要求。

1　试验部分

1.1　原材料

（1）水泥：选用P·O42.5水泥，比表面积349m ² /kg，密度3.17g/cm ³ ，3d和28d抗压强度分别为28.9MPa、57.5MPa。

（2）Ⅱ级粉煤灰：烧失量1.28%，细度17.9%，需水量比99%。

（3）S95级矿粉：流动度比100?%，密度2.90g/cm ³ ，烧失量0.38%，7d活性指数为90%，28d活性指数为114%。

（4）细骨料：天然砂和机制砂，天然砂细度模数2.5，含泥量1.2%；机制砂细度模数2.6，石粉含量7%。

（5）陶砂：粉煤灰陶砂，堆积和表观密度分别为780kg/m ³ 和1220kg/m ³ ，1h吸水率10.5%。

（6）AN6混凝土防冻剂：减水率27%，密度1.059g/cm ³ ，含固量20.71%，含气量3.2%。

（7）轻质粗骨料：为同一厂家两种同粒径规格但不同堆积密度的天然浮石，分别记为浮石F1和浮石F2，其物理性能指标见表1。

表1　两种浮石物理性能指标

1.2　试验方法

本试验用浮石和陶砂均不做预吸水处理。轻骨料混凝土采用单轴强制式搅拌机搅拌，在拌制过程中，依据轻骨料的用量和1h吸水率，额外补加相应的用水量（超水量）。成型试件在振动台振实时长均为10s，拆模标准养护至相应龄期进行性能试验。

1.3　试验配合比

根据实际的工程要求，设计的轻骨料混凝土坍落度为180 mm±20mm，密度等级为1600kg/m ³ ，强度等级为LC25，且具有良好的耐久性能。

试验首先确定了配合比中的用水量和胶凝材料用量，即：水175kg/m ³ 、水泥303kg/m ³ 、粉煤灰77kg/m ³ 、矿粉47kg/m ³ ，之后通过调整其他配合比参数（浮石、陶砂、天然砂和机制砂的用量以及超水量），满足工程设计的密度等级要求，并进行抗压强度试验，使轻骨料混凝土在较低密度等级条件下，其性能较高，保证硬化后的混凝土质量。

2　试验结果与分析

2.1 　使用浮石F1和陶砂的轻骨料混凝土密度

当选用浮石F1作为轻粗骨料、陶砂替代部分天然砂或机制砂时，试验配合比参数调整及相应的密度数据见表2。

表2　试验配合比参数调整及相应的密度数据

在试拌过程中发现，单独使用浮石F1时，随着浮石F1用量增加至650kg/m ³ ，轻骨料混凝土由于砂率过低，已丧失了工作性能，从表2数据可知，此时轻骨料混凝土的密度等级并未达到设计要求，可见轻骨料仅使用浮石F1并不可行。之后选择使用陶砂替代部分天然砂或机制砂，通过试验发现，当浮石F1用量降至452kg/m ³ ，并掺入400kg/m ³ 的陶砂时，普通砂无论是再使用天然砂、机制砂，还是天然砂机制砂双掺，轻骨料混凝土的密度等级均可达到工程设计要求，现场试拌显示，A–4、A–6对应的轻骨料混凝土工作性能均较好，满足泵送施工要求，A–5在2h后出现轻微泌水的现象。因此从整体来看，当使用堆积密度相对较高的浮石，并掺入适量的陶砂，可在更大范围上对轻骨料混凝土密度等级进行调整。

2.2　使用浮石F2和陶砂的轻集料混凝土密度

当选用浮石F2作为轻粗骨料、陶砂替代部分天然砂或机制砂时，试验配合比参数调整及相应的密度数据见表3。

表3　试验配合比参数调整及相应的密度数据

从表3中数据并结合现场试拌情况来看，B–1呈现出浮石掺量过多的现象，于是B–2适量降低浮石F2用量，在仅使用浮石F2一种轻骨料时，其密度等级即可满足工程设计要求。在后续配合比调整中，使用陶砂替代部分机制砂，当浮石F2用量130kg/m ³ ，陶砂用量分别100kg/m ³ 和150kg/m ³ ，轻骨料混凝土密度等级均符合要求，且工作性能比B–2要好。由此发现，在轻骨料混凝土配置中，可以使用陶砂改善拌合物的工作性能。

2.3　轻骨料混凝土抗压强度 

通过上述试验数据可知，当选用浮石F1作为轻粗骨料时，编号A–4、A–5、A–6，以及当选用浮石F2作为轻粗骨料时，编号B–2、B–5、B–6的轻骨料混凝土密度等级均可满足设计要求，对比7d和28d抗压强度数据，如图1所示。

图1　轻骨料混凝土抗压强度

相比天然砂，机制砂的颗粒级配不规则，表面棱角多且粗糙，石粉含量不一，单独使用机制砂拌制混凝土易出现泌水及粘聚性差等现象，导致混凝土的性能降低。轻骨料混凝土软化系数如图2所示。

图2　轻骨料混凝土软化系数

从图1、图2可知，A–4、A–5、A–6轻骨料混凝土7d和28d强度分别达到设计值的114%、101%、121%和155%、150%、165%。可以发现，当A–6配合比中混合使用陶砂、天然砂、机制砂时，轻骨料混凝土7d和28d强度最高，这在于砂子的颗粒级配得到了进一步优化，混凝土的工作性能较好，成型的密实度高。B–2、B–5、B–6轻骨料混凝土7d和28d抗压强度分别达到设计值的63%、60%、69%和93%、99%、106%。相比B–2，B–6配合比中使用陶砂替代部分机制砂，略微提升轻骨料混凝土的强度。一是由于砂子的颗粒级配得到优化，二是由于陶砂吸附的水，在混凝土硬化过程中被逐渐释放，促进水泥水化，使混凝土结构更加致密。

2.4　轻骨料混凝土吸水率和软化系数

吸水率和软化系数是轻骨料混凝土重要的性能指标之一。编号A–4、A–5、A–6、B–2、B–5、B–6轻骨料混凝土的吸水率试验数据见表4，软化系数试验数据如图2所示。

表4　轻骨料混凝土的吸水率

从表4数据可知，轻骨料混凝土从吸水时至12h，吸水率迅速增大，在吸水12h以后，增长率逐渐变缓。A–6轻骨料混凝土饱和吸水率比A–4、A–5分别降低了4.4%、7.7%。由于A–4、A–5、A–6这3组配合比中浮石和陶砂的用量相同，混凝土强度A–6>A–4>A–5，强度高对应混凝土结构更加密实，表现出吸水率越低的现象；B–2、B–5、B–6配合比中浮石和陶粒用量不一，B–6中浮石和陶砂用量占比大，虽然轻骨料混凝土强度高，但吸水率较高。

此外，相比使用浮石F1，使用浮石F2制备的混凝土吸水率均较小。可见轻骨料混凝土吸水率在一定程度上受轻质骨料用量的影响。

相比普通混凝土，轻骨料混凝土由于吸水率较大，其饱和吸水后的力学性能是一个值得关注的问题。软化系数是指混凝土饱水状态下与绝干状态下抗压强度的比值，一般通过软化系数表征其抵抗水破坏的能力大小，软化系数越大，说明其耐水性较强。

由图2可知，使用浮石F1时，A–6轻骨料混凝土软化系数较高为0.88，使用浮石F2时，A–5轻骨料混凝土软化系数较高为0.90，表明其耐水性较好。

2.5　轻骨料混凝土抗冻性

以试件25次冻融循环前后的抗压强度损失和质量损失表征轻骨料混凝土的抗冻性，试验数据见表5。

表5　冻融循环前后的抗压强度和质量损失

从表5可知，B–5轻骨料混凝土的强度及质量损失较小，其次是A–6。通常，混凝土的抗冻性与其内部结构存在很大关系，轻骨料是一种多孔材料，孔的形状及大小会对抗冻性造成不同程度的影响。一端开口而另一端闭口的孔，其内部的水后期释放时会起到一定的自养护作用；两端开口的孔，在孔隙充水不满时，通常能提供混凝土膨胀所需的空间，减小内部压力，降低受冻损伤；全封闭的孔，可为周围的物质膨胀提供一定的空间。

多数研究表明，相同水胶比条件下，轻骨料混凝土抗冻性要优于普通混凝土。

3　工程应用

（1）依据A–6试验配合比确定了施工配合比。按照该配合比生产的轻骨料混凝土，其具有良好的工作性能，施工现场可泵送性好，且密度等级和性能均满足工程设计要求。

（2）轻骨料混凝土在浇筑过程中，对于竖向构件，应分层浇筑，每层浇筑厚度宜控制在300~350mm；表面积较大的构件，当厚度不大于200mm，宜采用表面振动成型。

（3）在浇筑完成后，要及时进行抹面压面，并在全部表面覆盖塑料薄膜。此外，该工程施工处在冬季，应在表面覆盖棉被进行保温养护，防止产生冻结破坏。

4　结论

（1）在轻骨料混凝土配合比设计中，当使用较高堆积密度的浮石时，为降低混凝土的密度等级，可使用陶砂替代部分天然砂或机制砂。

（2）相比仅使用浮石作为轻骨料，当掺入适量陶砂时，能改善轻骨料混凝土的工作性能，且对抗压强度略有提升作用。

（3）通过配合比调整试验，当堆积密度800kg/m ³ 的浮石用量为452kg/m ³ ，陶砂用量为400kg/m ³ 时，LC25轻骨料混凝土的干表观密度为1610kg/m ³ ，28d抗压强度达到41.3MPa，吸水率为9.1%，软化系数为0.88，25次冻融循环强度损失率为7.6%。 

（4）当堆积密度为320kg/m ³ 的浮石用量150kg/m ³ ，陶砂用量0或用量取150kg/m ³ ，以及浮石用量130kg/m ³ ，陶砂用量100kg/m ³ 时，轻骨料混凝土密度等级均满足设计要求，抗压强度较低，但在第3种情况下，轻骨料混凝土软化系数较大，为0.90，吸水率和25次冻融循环强度损失率较小，分别为7.0%、6.8%。