轻质超高强混凝土的配合比设计研究

邓怡帆，冷政，曾维，陈谦，周薪茗

（中建西部建设湖南有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

国家经济社会的持续发展对建筑工程提出了越来越高的质量要求，现今建筑高度不断提高，结构跨度不断增大。传统混凝土自重大，结构相对笨重，增大了施工难度和成本，混凝土质轻高强的需求愈发明显。而我国轻骨料质量普遍偏低，用以生产的轻质混凝土强度受限，混凝土容重在 2000kg/m3以下，强度难以突破70MPa[1]。

中空玻璃微珠具有质轻高强的优点，主要成分为硼硅酸盐，SiO2含量占 80% 左右。陈雪梅[2]利用高强再生骨料和中空玻璃微珠制备出了表观密度 1520kg/m3、抗压强度为 58.9MPa 的混凝土。卞立波[3]利用陶粒和中空玻璃微珠制备出 28d 抗压强度 72.0MPa、表观密度1760kg/m3的陶粒混凝土。谭林[4]利用 PVA 纤维和中空玻璃微珠配制出表观密度为 1878kg/m3，28d 抗拉强度为 6.23MPa，抗压强度为 67.022MPa，具有较好综合性能的轻质高强混凝土。利用中空玻璃微珠制备轻质高强混凝土已有部分研究，但强度仍在 100MPa 以下，对于制备 100MPa 的超高强混凝土少有研究。

本文利用中空玻璃微珠作细骨料，玄武岩作粗骨料。基于第十届全国混凝土设计大赛的要求（表观密度不大于 1900kg/m3、抗压强度不低于 70MPa），通过对各配合比参数试验并利用绝对体积法计算制备出表观密度 1880kg/m3、抗压强度 120MPa 以上的轻质超高强混凝土。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

通过前期使用页岩陶粒陶砂进行试配发现，混凝土强度受骨料强度影响严重，陶粒筒压强度为 8.1MPa，混凝土强度难以超过 70MPa。因此，选用中空玻璃微珠作为细骨料降低体系容重。同时，玻璃微珠具有强度高的优点，相较于陶粒骨料可以明显提升混凝土强度。

（1）本文所使用的粗骨料为湖南衡阳的玄武岩，其具体性能指标如表 1 所示。

（2）本文的细集料采用中空玻璃微珠代替，其具体性能指标如表 2 所示。

表 1 粗骨料主要性能指标

表 2 细骨料主要性能指标

（3）水泥：三峡牌 P·O52.5 水泥，其 28d 强度为60.2MPa，表观密度 3015kg/m3。

（4）硅灰：四川朗天的半加密硅灰，28d 活性指数为 115%，表观密度为 2174 kg/m3。

（5）中空玻璃微珠：深圳道特沉珠，28d 活性指数为 125%，表观密度 2488 kg/m3。

（6）钢纤维：镀铜钢纤维，表观密度 7600kg/m3，直径 0.2mm，长度 13mm。

（7）外加剂：中建西部建设新材料有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率 35% 以上，固含量 30%，掺量 3%～5%。

（8）拌合用水：自来水，密度 1000kg/m3。

1.2 试验方法

（1）首先按比例称取水泥、掺合料、碎石、玻璃微珠、钢纤维、水和外加剂。

（2）将称取的水泥、硅灰、粉煤灰、玻璃微珠和碎石倒入搅拌锅中，搅拌 2～3min，使其均匀混合。

（3）将称量好的钢纤维在搅拌过程中均匀地加入混合均匀的干料中，继续搅拌 2min。

（4）将外加剂倒入水中搅拌均匀，倒入搅拌锅中，搅拌 5min，搅拌均匀，得到混凝土。

2 试验结果与讨论

混凝土由骨料和胶凝材料基体组成，影响其力学强度的因素主要有骨料强度、胶凝材料基体强度以及基体与骨料之间的界面黏结强度。对于轻质高强混凝土，为减轻体系容重需要加入的轻质材料，其强度相对较低，容易成为体系破坏的薄弱点。本文选用的轻质材料为中空玻璃微珠作为细骨料。因此，拟采用浆体相作为承重相，减少骨料掺量和界面过渡区面积，降低体系薄弱结构对混凝土强度的影响。各配合比参数通过试验确定。

（1）胶凝材料体系对混凝土强度的影响

本文采用浆体相为承重体系，经过前期试配试验，胶凝材料总量选择 1300kg/m3。拟定不同胶凝材料掺量，测试胶凝材料组成对抗压强度的影响，结果见表3、图 1。

表 3 胶凝材料体系组成试验情况

图 1 胶凝材料体系组成试验结果

改变胶凝材料体系组成制作成不同配合比的胶砂试件，并测试其 7d 和 28d 抗压强度。从图 1 可知，试件早期强度受水泥掺量影响较大，7d 抗压强度随水泥掺量增加而提高。2 号试验组 7d 强度为 26.4MPa，8 号试验组 7d 强度为 37.8MPa，水泥掺量增加 20%，7d 强度可以提高 43.2%。对比其 28d 抗压强度发现，与 7d 强度影响规律不同，水泥掺量 60% 试验组，其 28d 强度相对较高。其中，水泥 : 硅灰 : 沉珠 = 60:20:20 时强度最高。这是由于所选掺合料活性较高，28d 经过二次水化反应消耗了大量的 Ca(OH)2晶体，生成水化硅酸钙，同时填充了界面过渡区的薄弱部分，从而提高了试件后期的抗压强度。因此，胶凝材料体系组成选择水泥 : 硅灰 : 沉珠 = 3:1:1。

（2）水胶比及外加剂掺量选择

为提高混凝土强度，选用低水胶比进行制备试件，设置水胶比试验范围为 0.12～0.20，根据试验（1）所确定的胶凝材料体系进行试验，外加剂掺量根据混凝土工作状态进行调整。其具体数据见表 4、图 2。

表 4 水胶比试验情况

图 2 水胶比试验结果

从图 2 可知，水胶比为 0.14 时试件强度最高。在一定范围内，降低水胶比可以明显提高试件的抗压强度，水胶比为 0.20 时试件抗压强度为 70.4MPa，水胶比 0.14 时试件抗压强度为 91.6MPa，强度提高 30.1%。而当水胶比低于 0.14 时，试件强度降低，0.12 时水胶比试件强度只有 82.5MPa，强度降低 9.9%。水胶比对抗压强度影响显著，当水胶比大于 0.14 时，胶凝材料水化产生的胶体不足以填充其颗粒间的间距，同时，水化反应剩余的水分蒸发后留下空隙影响强度。而当水胶比小于 0.14 时，部分胶凝材料难以完全水化，影响试件强度发展。同时，为保证工作性导致外加剂掺量过高，24h 后未完全硬化成型。因此，水胶比选择为0.14，外加剂掺量拟定为 3.3%。

（3）钢纤维掺量

参考 RPC 体系，掺入钢纤维可以明显提高混凝土的抗压和抗拉强度。因此，本文加入镀铜钢纤维，为确定钢纤维最佳掺量，拟定不同钢纤维体积掺量，测试其28d 抗压强度，具体数据结果见表 5、图 3。

表 5 钢纤维掺量试验情况

图 3 钢纤维掺量试验结果

从图 3 中可以看出，加入钢纤维后试件强度先升高后降低，当钢纤维体积掺量为 2.5% 时抗压强度最高为 155.7MPa，相对未加钢纤维基准组抗压强度提高70.0%。而钢纤维掺量超过 2.5% 后，抗压强度开始下降，当钢纤维掺量为 4.0% 时，其强度为 120.8MPa，抗压强度降低 25%。通过加入适量的钢纤维可以显著改善混凝土的抗拉强度和抗压韧性，钢纤维乱象均匀分布可以有效提高混凝土整体结构的均匀性，同时阻止裂缝扩展和形成，从而提高混凝土抗压强度。而钢纤维掺量过高时，用于包裹钢纤维所需的浆体过多，没有足够的浆体提供流动性，导致混凝土内部难以密实，空隙无法填充，抗压强度随之降低。同时，体系容重随钢纤维掺量增加而显著提高。因此，钢纤维体积掺量拟定为2.5%。

（4）骨料用量

基于上述试验结果选择胶凝材料体系、水胶比和钢纤维掺量，使用中空玻璃微珠作为细骨料，玄武岩作为粗骨料，为提高其比强度，设计配制表观密度为1880kg/m3左右的混凝土，通过绝对体积法计算出骨料用量：

m水泥＝780kg，则

V水泥＝m水泥/ρ水泥＝780÷3015＝0.259(m3)；

m硅灰＝260kg，则

V硅灰＝m硅灰/ρ硅灰＝260÷2174＝0.119(m3)；

m沉珠＝260kg，则

V沉珠＝ m沉珠/ρ沉珠＝260÷2488＝0.105(m3)；

用水量 mW＝1300×0.14＝182(kg)，则

VW＝mW/ρW＝182÷1000＝0.182(m3)；

外加剂掺量 m外=1300×3.5=45.5(kg)，则

V外＝m外/ρ外＝45.5÷1030＝0.044(m3)；

钢纤维用量 mcu=190kg，则

Vcu＝mcu/ρcu＝190÷7600＝0.025(m3)；

混凝土含气量约为 2%，V气=0.02m3；

总体积 V＝V水泥＋V硅灰＋V沉珠＋VW＋V外＋Vcu＋V玻＋V玄＋V气泡=1.00m3。

单方重量

m＝m胶材＋mW＋m外＋mcu＋m玻＋m玄＝1880kg。

因此，m玻=85kg，m玄=78kg。

通过上述试验，初步拟定轻质高强配合比见表 6。

表 6 轻质高强混凝土配合比 kg/m3

（5）试验验证

通过上述试验得到各配合比最佳掺量，对此配合比进行验证。设置该配合比为基准组，在确定容重为 1880kg/m3左右的前提下，改变各配合比参数，测试其 28d 强度，并比较各配合比的比强度值，比强度值计算方法为（混凝土抗压强度/表观密度）÷（70MPa/1800kg/m3）。具体试验结果见表 7。

从表 7 中可知，在拟定的最优配合比的基础上改变各配合比参数，并保持混凝土容重在 1880kg/m3左右时，配合比参数的变化均会引起混凝土抗压强度和比强度的降低。对比基准组与 2 号和 3 号试验组发现，胶材掺量在基准组基础上改变，混凝土抗压强度会不同程度降低。与基准组相比，2 号试验组强度降低 9.5%，3 号试验组强度降低 23.5%。改变水胶比同样会影响混凝土抗压强度，水胶比在 0.14 的基础上增加或降低都会导致抗压强度降低。对比基准组与 6 号试验组发现，降低钢纤维掺量会极大影响混凝土抗压强度，虽然增加了胶凝材料用量，但 28d 强度降低 35.8%，可知钢纤维对该混凝土体系抗压强度贡献显著。而对比基准组与 7 号试验组和 8 号试验组，钢纤维掺量超过 190kg/m3而继续增加会导致抗压强度降低，当钢纤维增加至 480kg/m3，强度降低 29.0%，验证试验结论与各配合比参数试验结果相吻合。因此，选择基准组 1 号为轻质高强混凝土最佳配合比。

（6）养护方式选择

按最终确定的配合比制备混凝土试件，经 24h 后脱模分别按不同养护方式进行养护，并测试其抗压强度数据，养护方式对比如表 8 所示。

表 7 验证试验结果统计

表 8 养护方式对比

从表 8 中可知，通过高温水养可以快速提高混凝土强度，继续标准养护强度基本不改变。90℃ 水养 3d后强度可以达到 128.5MPa，相对于标准养护 28d 强度提高 5.1%，若进行 185℃ 蒸压养护后强度可以提高至135.9MPa，而继续标准养护至 28d 以后强度基本无变化。这是由于高温养护虽然加快了水化速率，使混凝土快速达到高强度，但胶凝材料颗粒上过早的形成了水化硅酸钙膜层，抑制了水分进入胶材内部，阻碍胶材的水化过程。因此，经过高温水养后混凝土抗压强度难以持续增长。通过 200℃ 烘箱养护 3d 后，混凝土强度可以达到 140.9MPa，相对标准养护 28d 强度提高 15.2%。而继续标准养护至 28d 发现强度出现严重倒缩现象，抗压强度降低至 114.6MPa，强度降低 18.7%。对 6 号试件进行破碎后发现，试件内部有较多微裂纹，这是由于在高温烘箱中混凝土快速失水导致干缩开裂，同时水份蒸发后留下部分毛细管通道，继续养护微裂纹扩展导致内部出现破坏，强度出现倒缩。

对比不同养护方式发现，混凝土经 24h 脱模后，使用 90℃ 水养 3d＋185℃ 蒸压养护 8h 可以得到最高强度。因此，选取其为轻质高强混凝土养护方式。

3 总结

（1）使用中空玻璃微珠作为轻质高强混凝土骨料可以制备出强度达到 135MPa，而容重为 1900kg/m3以下的轻质超高强混凝土，突破传统陶粒混凝土中骨料强度对混凝土体系强度的限制。

（2）使用硅灰和沉珠作为掺合料，掺合料掺量为40% 时可保证试件强度最高。在一定范围内降低水胶比可以有效提升抗压强度，但水胶比不宜低于 0.14。钢纤维掺入可以明显提高试件抗压强度，当钢纤维体积掺量为 2.5% 时，抗压强度相对基准组提高 70.0%。

（3）使用高温水养对混凝土进行养护可以促进混凝土强度快速发展，3d 强度可以达到 128.5MPa，相对标准养护 28d 强度提高 5.1%。185℃ 蒸压养护可继续提升混凝土强度至 135MPa，但后期强度失去增长。使用烘箱进行 200℃ 高温养护可显著提高混凝土抗压强度，但内部易产生微裂纹，继续标养后强度出现倒缩。养护方式选择高温水养与蒸压养护的组合最佳。