LC60轻骨料混凝土配合比设计

GXF360 2017-10-22

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LC60轻骨料混凝土配合比设计

冯晓科，徐宝华

（北京住总实业投资控股有限公司，北京住总商品混凝土中心，北京 100101）

［摘要］本文以 LC60 轻骨料混凝土为目标，根据绝对体积法，采用多级配粗、细集料最紧密堆积，提高轻骨料混凝土中水泥石与轻集料的粘接强度；利用硅粉的内掺替代部分水泥以及玻璃微珠替代部分轻集料，有效地改善了混凝土的孔隙结构，降低高强度混凝土的粘性，增加混凝土的流动性，有利于混凝土的强度、耐久性与施工性。同时利用外加剂与掺合料“双掺”技术，尽可能降低水胶比，提高混凝土的强度，设计出强度大于 60MPa 的轻骨料混凝土，从而达到轻质高强的目的。最终确定的轻骨料混凝土配合比设计，实际干表观密度为 1640kg/m3，28 天强度达到 67.6MPa，实现了轻质高强的设计目标。

［关键词］配合比设计；紧密堆积；轻骨料混凝土；轻质高强；多级配

0 引言

混凝土是土木工程中最广泛使用的建筑材料。近年来，随着建筑业的急速发展，超高层、大跨度、建筑节能等要求不断提高。工程对材料的性能有了更高的要求，轻骨料混凝土也得到了很大的发展，高性能轻骨料混凝土与传统混凝土相比，强度高、质量轻、而且耐久性好。在建造大跨度桥梁和超高层建筑时，结构自重会大幅度减轻，相应的钢筋密度会减少，基础荷载也会降低，因而其应用越来越广泛。

利用轻骨料配制混凝土，其抗震性、抗裂性、耐久性、耐火性等一系列性能比普通混凝土都有所增强。单从经济性能角度看，尽管轻骨料自身的价格比普通砂石贵，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[1]。

基于轻骨料混凝土的一系列优异性能，轻质高强混凝土具有广阔的发展前景和应用价值，本文进行LC60轻骨料混凝土的配合比设计，旨在探索配制轻质高强混凝土的材料和方法。

1 原材料

（1）水泥：P·O42.5，比表面体积 325m2/kg，初凝时间 189min，终凝时间 238min，28 天抗压强度52.4MPa。

（2）细骨料：陶砂，900 级，1h 吸水率为 3.5%。

（3）粗骨料：5～16mm 碎石，含泥量 0.5%，泥块含量 0.1%。

（4）玻璃微珠：密度 600㎏/m3。

（5）掺合料：硅粉，活性指数 115%。

（6）外加剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率32%。

（7）水：饮用水。

2 配合比设计

轻骨料混凝土配合比设计，关键在于确定胶凝材料用量、砂率和水胶比这三个最重要的设计参数。

2.1 设计试配强度

式中：

ƒcu,o——试配强度，MPa；

ƒcu,k——设计强度，MPa；

σ——轻骨料混凝土强度标准差，MPa。

2.2 设计参数的确定

2.2.1 胶凝材料用量的确定

依据 JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》行业标准中表 5.2.1 选取水泥用量[2]。当混凝土强度确定在69.9MPa 时，选定胶凝材料的用量为 B=540kg/m3。

2.2.2 水泥用量及掺合料用量的确定

硅粉掺入量：掺入适量硅粉，可以有效的提高混凝土的强度。根据前期试验结果，硅粉掺量在 15% 时具有较好的效果。因此，确定硅粉的掺量为 15%，硅粉的用量为：

水泥用量的确定：

2.2.3 外加剂用量的确定

混凝土外加剂的掺入量：外加剂的使用能够降低混凝土用水量，有利于混凝土达到设计强度。外加剂的掺量为 2.3%，用量为：

2.2.4 净用水量的确定

当混凝土坍落度设计在 (160±20)mm 的时候，依据 JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》行业标准中表 5.2.3 与设计坍落度确定水的净用量。

选取水的净用量为 200kg/m3，由于外加剂的减水率为 32%，所以混凝土的净用水量为：

2.2.5 粗细骨料用量的确定

基于紧密堆积理论，采用多级配，多粒径的骨料，通过体积砂率的不同进行粗、细骨料的空隙率试验，以最小空隙率配制混凝土。根据《轻骨料混凝土技术规程》中表 5.2.4 对 30%～45% 体积砂率进行最小空隙率试验，见表 1。

表 1 不同体积砂率下的粗细骨料堆积下的空隙率 %

体积砂率 30313233343536373839404142434445空隙率 35353433323133333233333233333232

由表 1 中可以看出，体积砂率在 35% 时的骨料空隙率是最小的，在空隙率小的情况下，胶凝材料与水混合的浆体能够充分的填充空隙，并且多出来的浆体起到增加混凝土的流动性和提高混凝土强度的作用。因此，确定混凝土体积砂率为 Sβ=35%。

计算细骨料总体积用量：

计算粗骨料总体积用量

式中：

Vg——每立方米混凝土的细骨料绝对体积，m3；

mc——每立方米混凝上的水泥用量，kg；

ρc——水泥的相对密度，可取 2.9～3.1g/cm3；

ρw——水的密度，可取 1.0g/cm3；

Vg——每立方米混凝土的轻粗骨料绝对体积，m3；

ρsi——细骨料密度，采用普通砂时，为砂的相对密度，可取=2.6；若采用轻砂时，为轻砂的颗粒表观密度，g/cm3。

轻骨料混凝土设计中，利用陶砂能够降低细骨料的总质量；玻璃微珠粒径较小，可以起到填充空隙的作用，达到内部密实，同时使得轻骨料混凝土的包裹性良好。但是由于玻璃微珠的加入会使得混凝土的比强度降低[3]，所以在达到设计密度等级的时候需要控制玻璃微珠的用量，经过前期试验，选取每立方米玻璃微珠用量60kg。

则玻璃微珠的绝对体积为：

陶砂的绝对体积为：

为了达到轻骨料混凝土的高强度，单一的使用轻粗骨料难以实现，因为轻粗骨料的筒压强度有限，使用到混凝土中，起骨架作用的粗骨料如果先被破坏，混凝土的强度将直接受到影响，因此，在使用轻质陶粒的同时，掺入了少量的山碎石，提高混凝土的抗压强度。粗骨料各组分计算如下：

碎石的绝对体积占粗骨料体积的 10%，体积为：

陶粒的绝对体积占粗骨料体积的 90%，体积为：

以上各骨料的绝对体积已经得出，根据各个材料的表观密度计算其重量：

式中：

ρs1——玻璃微珠表观密度，kg/m3；

ρs2——淘砂的表观密度，kg/m3；

ρg1——碎石的表观密度，kg/m3；

ρg2——陶粒的表观密度，kg/m3。

计算所得的干表观密度为：

与设计要求的 1600kg/m3误差为 1.5%，因此不必调整和重新计算配合比。初步确定轻骨料混凝土配合比见表 2。

表 2 初步确定配合比 kg/m3

水胶比砂率(%) 水水泥玻璃微珠陶砂碎石陶粒外加剂硅粉0.25 35 136 459 60 191 112 599 12.4 81

3 配合比的调整

（1）依据 JGJ 51—2002，通过试配对初步计算确定的轻骨料混凝土配合比进行调整，分别调整±10% 的胶凝材料用量，±1% 的体积砂率，调整见表 3。

对表 3 中的 3 个系列配合比进行试拌，测得其新拌出机性能及 28d 强度见表 4。

根据强度与水胶比关系曲线绘制图表，选择水胶比介于序号 1 和 3 之间作为最终的轻骨料混凝土配合比，水胶比为 0.24。

（2）通过以上试验选择调整后的配合比，确定LC60 配合比为见表 5。

使用表 5 的混凝土配合比进行试拌，测得拌合物出机性能：实测湿表观密度 1635kg/m3，实测拌合物坍落度180mm。

进行重量校正，η=1，确定最终配合比见表 6。

表 3 调整配合比 kg/m3

序号水胶比砂率(%)计算干表观密度(m2/kg) 水泥水玻璃微珠陶砂碎石陶粒外加剂硅粉1 0.25 35 1583 459 136 60 191 109 599 12.4 81 2 0.28 36 1519 413 136 60 201 110 589 11.2 73 3 0.23 34 1647 505 136 60 183 114 607 13.7 89

表 4 混凝土出机状态

序号坍落度(mm) 28d 干表观密度(kg/m3)28d 强度(MPa) 1 180 1605 63.5 2 200 1550 56.3 3 170 1668 69.5

图 1 强度—水胶比关系曲线图

表 5 确定配合比 kg/m3

水胶比砂率(%) 水泥水玻璃微珠陶砂碎石陶粒外加剂硅粉0.24 35 482 136 60 191 112 599 13 85

表 6 确定最终配合比 kg/m3

强度水胶比砂率(%)水泥水玻璃微珠陶砂碎石陶粒外加剂硅粉LC60 0.24 35 482136 60 191 112 599 13 85

实测混凝土的干表观密度为 1640kg/m3，28d 强度为 67.6MPa。