矿物掺合料对轻集料混凝土工作性能的影响
徐世钦 刘娟红 张永恒 田晓霞
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2010-01-15 00:00
摘要：为了改善轻集料混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能，需要在配合比设计中掺入适量的矿物掺和料以改善其性能。本文针对轻集料易上浮导致混凝土分层的问题，研究矿物掺和料对新拌轻集料混凝土工作性能的影响。结果表明，矿物掺和料的掺量存在一个最优值：掺入15%的粉煤灰可以增大混凝土的坍落度和扩展度，减小混凝土的分层度；掺入15%的矿粉可以增大混凝土的粘度，防止轻集料上浮，改善混凝土的匀质性，提高轻集料混凝土的工作性能。
关键词：轻集料混凝土；矿物掺和料；分层度；匀质性
引言
轻集料混凝土是一种具有轻质、高强、保温、隔热、耐火、抗震等性能优良的新型建筑材料。由于其具有显著的经济效益和社会效益，近年来在大跨度桥梁、高层建筑、海上石油平台及复杂结构工程中广泛应用。但是，轻集料混凝土工作性能差且轻集料容易上浮，导致新拌混凝土分层，离析和泌水。因此，控制轻集料上浮是实现轻集料混凝土结构与功能一体化的必要措施。
从集料的颗粒运动方程来看，控制轻集料的最大粒径，控制水泥浆体与轻集料颗粒的密度差、提高混凝土的粘度将有利于控制轻集料上浮，改善轻集料混凝土的匀质性能。本文重点研究在选定轻集料粒径为5-16mm的条件下，矿物掺和料对轻集料混凝土工作性能的影响。
1 原材料
水泥：广州珠江水泥厂生产的粤秀牌P.O42.5水泥
粉煤灰：I级灰，45μm方孔筛筛余10.8%,需水量比94%
矿粉：S95级，密度2.90g/cm3,比表面积450m2/kg
粗集料：湖北宜昌光大碎石型页岩陶粒，密度等级为800级，粒径5-16mm,其具体参数见表1.
细集料：普通河砂，细度模数2.60,Ⅱ区中砂，级配良好
外加剂：聚羧酸高效缓凝减水剂（固含量30%），减水率27%
2 试验方法
2.1 试验设备与操作
通过测定坍落度、扩展度和分层度来综合评价新拌轻集料混凝土的工作性能。坍落度、扩展度的测定方法按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；轻集料上浮的程度用分层度大小来评价。分层度采用自行制作的分层度仪，该仪器由3个薄壁圆柱筒组成，每个尺寸为φ120mmX200mm（如图1所示）。分层度试验参考王志伟的试验操作方法。
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2.2 数据处理
在分层移取上、中、下三层混凝土拌合物时，不同操作者会影响每层混凝土和陶粒的质量。为了减小试验所造成的误差，按以下公式计算混凝土分层度：
3 试验结果与分析
3.1 试验配合比
试验基准配合比采用有效W/B=0.28,胶凝材料总量为480kg/m3,选用聚羧酸高效减水剂，掺量为0.9%,体积砂率40%,其具体参数详见表2.
3.2 粉煤灰对轻集料混凝土工作性能的影响
由表3和图2可见，随着粉煤灰掺量的增大，新拌轻集料混凝土的坍落度和扩展度都增大，且混凝土坍落度损失也有所改善。当粉煤灰掺量由0增大到15%时，虽然混凝土的坍落度和扩展度增大并不是很明显，但是1h后混凝土的坍落度损失却由原来的9cm降至2.5cm,混凝土分层度由原来的5.9%降至3.1%;当粉煤灰掺量由15%增大到25%时，混凝土坍落度和扩展度反弹增大，1h坍落度损失在3cm左右，混凝土分层度随着粉煤灰掺量的增大而增大。
粉煤灰对轻集料混凝土的工作性能有很大的影响。首先，I级粉煤灰在某种意义上就是一种矿物减水剂，表面光滑且为球形颗粒，具有良好的“滚珠效应”,能有效降低粉体颗粒之间的摩擦阻力，同时将混凝土中的自由水释放出来。所以，随着粉煤灰掺量的增大，自由水量的增多降低了混凝土的粘度，轻集料在重力作用下克服浆体的阻力降低，增强了混凝土的流动性能。
其次，粉煤灰颗粒的活性比较低，有效地降低了水泥的水化进程，同时延缓了水化反应对减水剂的消耗，使得混凝土坍落度损失随着粉煤灰掺量的增大而减小。[Page]
最后，粉煤灰颗粒密度比水泥颗粒密度要小得多，粉煤灰等量替代部分水泥后使得水泥浆体与轻集料颗粒之间的密度差值变小，减小了轻集料上浮的现象，降低了混凝土的分层度，提高了混凝土的匀质性能；但当粉煤灰掺量超过15%后，混凝土的分层度又开始反弹变大。根据集料速度运动公式ν=2R2Δρg/9η可知，轻集料的运动速率与混凝土的粘度成反比。当粉煤灰的掺量超过一定值时，轻集料的颗粒密度与水泥浆体的差值Δρ和水泥浆体的粘度η都在减小，但是Δρ比刀下降得慢，使得Δρ/η值变大，增大了混凝土的分层度。因此，只有掺入适量的粉煤灰，才有利于改善轻集料混凝土的工作性能。
3.3 矿粉对轻集料混凝土的工作性能影响
由表4和图3可见，随着矿粉掺量的增大，新拌轻集料混凝土的坍落度和扩展度都有所降低，但混凝土坍落度损失和分层度却有所改善。掺矿粉的轻集料混凝土初始坍落度比未掺矿粉的小15%~30%,但1h后掺入矿粉的混凝土坍落度损失平均只有2cm,而未掺矿粉的混凝土坍落度损失却有9cm;轻集料混凝土分层度随着矿粉掺量的增大出现先减小而后增大的现象，当矿粉掺量超过15%后，混凝土分层度急剧上升。
虽然矿粉对混凝土的和易性贡献不如粉煤灰大，但适量的掺入矿粉可以改善混凝土的坍落度损失和降低混凝土分层度。这是由于矿粉颗粒表面粗糙，比表面积和需水量比较大，粉体单位面积上需要的水分子和减水剂增多，使得掺矿粉的混凝土流动性能比未掺矿粉的混凝土流动性能小；掺入适量的矿粉，用其替代水泥将可以减缓水泥的水化速度，从而延缓钙矾石的生成，减少混凝土坍落度损失；而且矿粉的掺入将增大水泥浆体的粘度η，降低集料的运动速率，减小混凝土的分层度。因此，适量的掺入矿粉可以改善混凝土坍落度损失，增大混凝土的粘度，防止轻集料上浮，降低混凝土的分层度，提高混凝土的匀质性。
4 结论
（1）矿粉对轻集料混凝土的流动性能不如粉煤灰好。粉煤灰的掺入增大了混凝土的坍落度和扩展度，而矿粉的掺入减小了混凝土的坍落度和扩展度；但用两者替代部分的水泥用量，均延缓了胶凝体系的凝聚速率，减少了混凝土坍落度损失，使1h混凝土坍落度损失控制在10%以内。
（2）粉煤灰的掺量存在一个最优值15%.当粉煤灰掺量由0增大到15%时，轻集料混凝土的分层度由原来的5.9%降至3.1%;但当粉煤灰掺量超过15%后，混凝土的分层度将反弹增大，轻集料上浮明显，混凝土的匀质性能变差。
（3）轻集料混凝土分层度随着矿粉掺量的增大出现先减小而后增大的现象，但当矿粉掺量超过15%后，混凝土分层度急剧上升。
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