公路桥梁高强轻质混凝土配合比研究

一、前 言
现代混凝土作为人造建筑材料已有170多年的历史。在生产实践过程中，随着技术水平的提高，为了解决普通混凝土质量大的缺点，人们逐渐开发出了混凝土的新品种一一轻质混凝土。1913年美国首先用回旋窑烧制了页岩陶粒，为轻质混凝土的发展迈出了可喜的第一步。由于轻质混凝土是一种比强度高，保温耐火，抗震性能好，无碱集料反应等新型混凝土，可广泛应用在各种工业与民用建筑等构筑物上，具有很好的技术经济价值，所以自上世纪60年代以来在世界各国获得了长足的发展和应用，成为建筑材料工业中发展最快的轻质高强的新型建筑材料之一。
在轻质混凝土的发展初期，由于其强度较低且人们对其力学性质研究较少，使其应用的范围有所局限。随着研究的深入、高强轻集料即高强陶粒的问世。人们利用高强陶粒配制出了密度等级为1600～1900，强度等级在LC30以上的，广泛用于结构的高强轻集料混凝土。它以优良的力学性能和潜在的好处，在世界各国，特别是在北欧等国被广泛地应用于高层、超高层建筑结构，大跨度桥梁和城市立交桥及海洋工程中。而在我国，由于对轻质高强混凝土的研究还不十分系统，其用于承重结构的还不多。
二、HSLC基本概念及优势
1. 高强轻质混凝土的定义
高强轻质混凝土(High-Strength Light Weight Concrete，以下简称HSLC)是指利用高强轻粗集料(在我国通常称它为高强陶粒)、普通砂、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3，强度等级为LC30以上的结构用轻质混凝土。从HSLC的定义我们可以看出，它除了和普通混凝土一样牵涉到粗、细集料、水泥和水以外，所不同的是还涉及到表观密度(原称容重)的最大限值和最小的强度等级限值。
2. HSLC在公路桥梁中的优势
随着科学技术的发展，桥梁逐渐向大跨度发展，这也使混凝土自重大的缺点更加突出，限制了桥梁跨度的进一步提高。HSLC以其高强、轻质的特点，显然能够克服普通混凝土无法克服的自重过大的缺陷，实现桥梁跨度的进一步提高。因此，在桥梁结构向大跨、重载、轻质、耐久方向发展的今天，HSLC当是今后桥梁建设上主要使用的材料之一。HSLC在桥梁工程中的优势主要体现在以下几个方面：
(1)减轻梁体自重，增大桥梁的跨越能力；
(2)减低梁高；
(3)提高桥梁的耐久性，延长桥梁的使用寿命；
(4)抗震能力好；
(5)降低工程造价。
三、 HSLC配合比设计
HSLC配合比设计的任务在于确定能获得预期性能而又最经济的混凝土各组成材料的用量，它和普通混凝土配合比设计的目的是相同的，即在保证结构安全使用的前提下，力求达到便于施工和经济节约的要求。由于HSLC所使用高强陶粒的特性，它还不能像普通混凝土那样，用一个较公认的强度公式作为混凝土配合比设计的基础。虽然，国内外都有不少研究者提出了各种各样的强度公式，但都存在很大局限性，离实际应用还有很大差距。所以，现阶段，主要还是通过参数的选择和简单经验公式的计算，最终经过试验的方法来确定各组分材料的用量。
1. 确定试配强度。根据我国《轻集料混凝土技术规程》(JGJ51-90)的规定，HSLC的试配强度可由公式确定。
其中，
———试配强度，MPa；
———设计强度，MPa；
——— HSLC强度的总体标准差，MPa。
2. 选择水泥品种和标号
一般为325以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
3. 选择水泥用量
水泥用量是影响棍凝土强度及其它性能最主要的参数之一，对HSLC来说，水泥用量的选择尤为重要，增加水泥用量固然可以使HSLC的强度提高，但也会使其密度增加。总的来讲，HSLC的最大水泥用量不宜超过550kg/m3，当采用泵送施工时，最小水泥用量不宜少于350kg/m3。
4． 选择高强陶粒
HSLC一般要选择密度等级>700、筒压强度>5.0MPa、强度标号>30MPa的圆球型高强陶粒，且其各项指标应满足《轻骨料》GB/T17431.1有关要求的人造高强轻集料。
5． 选择用水量和水灰比
HSLC的用水量和水灰比，分净用水量和净水灰比及总用水量和总水灰比，所谓净用水量系指不包括高强陶粒1h吸水率在内的混凝土用水量，其相应的水灰比则为净水灰比，在HSLC配合比设计中，一般用净用水量和净水灰比表示。HSLC的用水量(或水灰比)不仅对硬化混凝土的性能有很大影响，而且还直接影响拌合物的和易性。
6． 砂率的选择
HSLC的砂率是以体积比来表示的，即以砂的体积与粗细集料总体积的百分比来表示的。砂率的提高，是HSLC文献认为在一定的砂率范围内：18%～60%强度提高的一个主要因素(但有关。砂率对HSLC的强度影响不大)，且其弹性模量也有所提高。但随着砂率的提高，HSLC的表观密度也逐渐增加.当HSLC的强度等级为LC40-LC60，砂率为40%左右时，混凝土拌合物的和易性最好。
7． 粗细集料用量
它是指配制1m3HSLC所需的高强陶粒和普通砂的密实体积，可参考《轻集料混凝土技术规程》(JGJ51-90)，用绝对体积法求出。
8． 掺和料等外加剂
由于HSLC的水泥用量与同强度等级的普通混凝土偏多，实践证明，为减少水泥用量，改善和易性和其他一系列的物理力学性能，在HSLC中加入适量的掺和剂，如硅灰、优质粉煤灰、磨细高炉矿碴、F矿粉等，可获得很好的技术经济效益。一般在配制LC50及以下的HSLC时，掺加粉煤灰即可，当配制LC50以上的HSLC则需掺加硅粉等。在使用掺合料的同时，必须使用高效减水剂，以减小用水量，降低水灰比。粉煤灰的掺加采用“超量取代法”，且在预应力HSLC中其取代水泥率不宜大于10%～15%，而对于硅粉的最大掺加量，根据ACI213委员会报告《硅粉用于混凝土》的观点，“1kg硅粉可取代3～4kg水泥而不导致强度的降低。”
从目前的研究来看，改良HSLC的配合比，采用“双掺”或“多掺”及复合掺加技术，即在加入高效减水剂的同时，根据混凝土性能的要求加入一种或几种(复合化)超细活性矿物材料，并加大掺入的比例，可以大幅度提高拌合料的工作性能，并对其物理力学特性有较显著的改善作用。
四、结 论
从本文可知，HSLC的施工条件要求较高，质量不容易控制。施工时必须对HSLC采用“双掺”或“多掺”等方法进行改性，以提高拌合料的工作性能，保证HSLC的施工质量。另外，我国应加大高强陶粒的研究工作，尽快生产出高性能高强陶粒，从根本上改变HSLC的力学性能，为HSLC在公路桥梁上的广泛使用铺平道路。

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