粘度改性劑對(duì)LC30輕集料混凝土性能的影響研究

  1 引言

  用輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的輕集料混凝土具有重量輕、比強(qiáng)度高及無堿集料反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景^[1]。結(jié)構(gòu)輕集料混凝土是指容重為1400~1900kg/m³，抗壓強(qiáng)度為15.0~60.0Mpa，主要用于澆筑承重的構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件或構(gòu)筑物的輕集料混凝土^[2]。其中，結(jié)構(gòu)用砂輕混凝土可以用普通河砂進(jìn)行配制，從而避免了輕砂在生產(chǎn)過程中需要均勻預(yù)濕、投料困難等問題，但同時(shí)也進(jìn)一步增大了砂漿與輕粗集料之間的密度差，導(dǎo)致混凝土中的砂漿和輕粗集料之間更易出現(xiàn)分層。不良的勻質(zhì)性會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)輕集料混凝土的泵送、澆筑施工，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全造成危害。加入粘度改性劑是改善砂輕混凝土勻質(zhì)性的有效辦法^[3~5]，然而不同的粘度改性劑由于其自身特性及作用機(jī)理的不同必然會(huì)對(duì)砂輕混凝土的勻質(zhì)性、容重、強(qiáng)度等其它性能產(chǎn)生不同影響。

  本文就羥丙基甲基纖維素（HPMC）、巴斯夫RHEOPLUS 420型高性能粘度改性劑、無機(jī)礦物增粘劑NZ這三種粘度改性劑對(duì)LC30砂輕混凝土的工作性、勻質(zhì)性、表觀密度、強(qiáng)度等性能的影響進(jìn)行了研究。

  2 試驗(yàn)原材料

  2.1 水泥及粉煤灰

  試驗(yàn)中使用的水泥為華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示：

  表1  P·O 42.5水泥技術(shù)性能指標(biāo)

  試驗(yàn)中使用麻城I級(jí)粉煤灰，45μm篩余為3%，需水量比為86%。

  2.2細(xì)集料

  試驗(yàn)所用細(xì)集料為湖南岳陽河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，屬于2區(qū)中砂。

  2.3 粗輕集料

  試驗(yàn)所用輕集料為宜昌光大陶粒制品有限公司生產(chǎn)的700級(jí)碎石型頁巖陶粒，粒徑范圍為5~16mm，連續(xù)級(jí)配，堆積密度為689kg/m³，表觀干密度1185 kg/m³，筒壓強(qiáng)度7.2MPa。

  2.4粘度改性劑

  試驗(yàn)中使用三種粘度改性劑，分別為：山東光大科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素（HPMC）、巴斯夫股份公司提供的RHEOPLUS 420型高性能粘度改性劑（BSF420）及中建商品混凝土有限公司自主開發(fā)的一種無機(jī)礦物粘度改性劑（NZ），該礦物改性劑為一種淡黃色粉體，具有多孔隙、絮狀微觀結(jié)構(gòu)（見圖1），其化學(xué)成分見表2，，在使用時(shí)可等量替代部分礦物摻合料。

  表2無機(jī)礦物改性劑的化學(xué)成分

  圖1無機(jī)礦物粘度改性劑（NZ）的微觀結(jié)構(gòu)

  2.5 水和外加劑

  試驗(yàn)中使用普通自來水；使用中建聚羧酸高效減水劑，含固量為10%，減水率為13.3%。

  3 試驗(yàn)方法

  3.1 試驗(yàn)配合比

  試驗(yàn)中的配合比如表3所示。配制混凝土前將陶粒預(yù)濕至飽和面干狀態(tài)，表中輕集料質(zhì)量為絕干狀態(tài)下的質(zhì)量，用水量為有效用水量（即不含輕集料內(nèi)部吸收的水分）。羥丙基甲基纖維素和巴斯夫股份公司提供的RHEOPLUS 420型高性能粘度改性劑均為廠家推薦的最優(yōu)摻量，無機(jī)粘度改性劑NZ的摻量為經(jīng)驗(yàn)值。

  表3 試驗(yàn)配合比（kg/m³）

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  3.2輕集料混凝土性能表征及測(cè)試評(píng)價(jià)方法

  采用中國(guó)專利201310642486.4中的方法用混凝土勻質(zhì)性系數(shù)Cv來表征混凝土勻質(zhì)性^[6]，該方法的主要原理是：對(duì)于密度均勻、形狀規(guī)則的物體而言，它的重心和形狀的中心應(yīng)該重合，當(dāng)將輕集料混凝土置于形狀規(guī)則的容器中時(shí)，如果輕集料混凝土中各組分分布均勻，未出現(xiàn)分層，則輕集料混凝土的重心應(yīng)與容器重心重合，若輕集料混凝土的重心與容器重心偏離越大，則說明輕集料混凝土中各組分的分層現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)被測(cè)輕集料混凝土各部分組分均勻，在料筒中受到重力、振動(dòng)或其它影響時(shí)未發(fā)生分層，勻質(zhì)性良好時(shí)，料筒中混凝土的重心應(yīng)該與料筒的中心重合，Cv數(shù)值應(yīng)等于1；當(dāng)被測(cè)混凝土勻質(zhì)性不良，在料筒中發(fā)生組分分層時(shí)，料筒中的輕集料混凝土的重心會(huì)發(fā)生偏移，Cv數(shù)值也會(huì)發(fā)生改變，輕集料混凝土分層越明顯，重心偏移就越多，輕集料混凝土的勻質(zhì)性越差， Cv數(shù)值也與1相差越大。本次試驗(yàn)中使用兩端帶蓋，內(nèi)徑16cm的PVC管作為料筒（如圖2所示），將被測(cè)輕集料混凝土裝滿料筒并在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)60s后進(jìn)行測(cè)試，裝填混凝土?xí)r向下的一端置于安放在電子秤的短支架上。

  圖2  混凝土勻質(zhì)性測(cè)試裝置

  按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試評(píng)價(jià)各組混凝土的工作性和表觀密度；按照GB/T 50087-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》測(cè)試評(píng)價(jià)各組混凝土抗壓強(qiáng)度。

  4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

  各組混凝土測(cè)得的各項(xiàng)性能如表4所示：

  表4 測(cè)試結(jié)果

  根據(jù)表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)沒有摻入任何一種粘度改性劑時(shí)（0組），LC30輕集料混凝土的勻質(zhì)性較差，輕集料上浮嚴(yán)重，而當(dāng)摻入任一種粘度改性劑時(shí)（1~3組），輕集料上浮現(xiàn)象都有所緩解，混凝土勻質(zhì)性都有一定改善。其中，無機(jī)礦物粘度改性劑NZ對(duì)輕集料混凝土勻質(zhì)性的改善最為明顯，混凝土勻質(zhì)性系數(shù)達(dá)到了0.93；HPMC對(duì)輕集料混凝土勻質(zhì)性的改善效果次之，混凝土勻質(zhì)性系數(shù)達(dá)到了0.91。通過摻入粘度改性劑在改善LC30輕集料混凝土勻質(zhì)性的同時(shí)，也可以改善混凝土的工作性，1、3組混凝土的擴(kuò)展度都超過了650mm，這說明合理搭配使用高效減水劑和粘度改性劑可以配制出勻質(zhì)性和流動(dòng)性俱佳的輕集料混凝土。然而，摻入HPMC的輕集料混凝土在4組混凝土中表觀密度最低，這是由于當(dāng)拌制混凝土?xí)r，HPMC會(huì)向混凝土中引入大量微小氣泡，這些微小氣泡粘附在集料表面，增大了集料、漿體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)難度，降低了輕集料和砂漿之間的密度差，這是HPMC能夠改善輕集料混凝土粘聚性和勻質(zhì)性的主要原因，但是同時(shí)也會(huì)增大輕集料混凝土的含氣量，降低混凝土的表觀密度和強(qiáng)度，從強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來看，摻入HPMC的輕集料混凝土強(qiáng)度甚至還低于明顯離析的基準(zhǔn)組。摻入巴斯夫420粘度改性劑和無機(jī)礦物粘度改性劑的混凝土強(qiáng)度都高于基準(zhǔn)組，無機(jī)礦物粘度改性劑對(duì)輕集料混凝土強(qiáng)度的提升最大，這是因?yàn)闊o機(jī)礦物粘度改性劑在起到增粘效果的同時(shí)，也能被視為一種混凝土礦物摻合料。HPMC是一種有機(jī)增粘劑，一方面混凝土中的有機(jī)物會(huì)影響混凝土耐久性，一方面過高的含氣量會(huì)增加混凝土徐變、收縮，這些都不利于混凝土結(jié)構(gòu)的安全，因此，不論從混凝土勻質(zhì)性改善效果還是混凝土結(jié)構(gòu)安全來說，使用無機(jī)粘度改性劑都是更好的選擇，而巴斯夫420粘度改性劑在各方面表現(xiàn)比較中庸，可以通過與無機(jī)粘度改性劑搭配使用，從而進(jìn)一步改善輕集料混凝土的工作性、勻質(zhì)性和強(qiáng)度。

  5 結(jié)論

  （1）通過摻入粘度改性劑可提高輕集料混凝土的勻質(zhì)性，其中摻入無機(jī)粘度改性劑的輕集料混凝土勻質(zhì)性系數(shù)達(dá)到0.93，對(duì)輕集料混凝土勻質(zhì)性改善最為明顯，而且還能提高輕集料混凝土強(qiáng)度。

  （2）羥丙基甲基纖維素（HPMC）雖然能夠明顯改善輕集料混凝土的勻質(zhì)性，但會(huì)降低輕集料混凝土表觀密度和強(qiáng)度。

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