粘度改性劑對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、比強度高及無堿集料反應等優(yōu)點，有著廣闊的應用前景^[1]。結構輕集料混凝土是指容重為1400~1900kg/m³，抗壓強度為15.0~60.0Mpa，主要用于澆筑承重的構件、預應力構件或構筑物的輕集料混凝土^[2]。其中，結構用砂輕混凝土可以用普通河砂進行配制，從而避免了輕砂在生產過程中需要均勻預濕、投料困難等問題，但同時也進一步增大了砂漿與輕粗集料之間的密度差，導致混凝土中的砂漿和輕粗集料之間更易出現(xiàn)分層。不良的勻質性會嚴重影響結構輕集料混凝土的泵送、澆筑施工，也會對結構強度和安全造成危害。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理的不同必然會對砂輕混凝土的勻質性、容重、強度等其它性能產生不同影響。

  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、無機礦物增粘劑NZ這三種粘度改性劑對LC30砂輕混凝土的工作性、勻質性、表觀密度、強度等性能的影響進行了研究。

  2 試驗原材料

  2.1 水泥及粉煤灰

  試驗中使用的水泥為華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術性能指標如表1所示：

  表1  P·O 42.5水泥技術性能指標

  試驗中使用麻城I級粉煤灰，45μm篩余為3%，需水量比為86%。

  2.2細集料

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

  2.3 粗輕集料

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

  2.4粘度改性劑

  試驗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、絮狀微觀結構（見圖1），其化學成分見表2，，在使用時可等量替代部分礦物摻合料。

  表2無機礦物改性劑的化學成分

  圖1無機礦物粘度改性劑（NZ）的微觀結構

  2.5 水和外加劑

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

  3 試驗方法

  3.1 試驗配合比

  試驗中的配合比如表3所示。配制混凝土前將陶粒預濕至飽和面干狀態(tài)，表中輕集料質量為絕干狀態(tài)下的質量，用水量為有效用水量（即不含輕集料內部吸收的水分）。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，無機粘度改性劑NZ的摻量為經驗值。

  表3 試驗配合比（kg/m³）

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  3.2輕集料混凝土性能表征及測試評價方法

  采用中國專利201310642486.4中的方法用混凝土勻質性系數(shù)Cv來表征混凝土勻質性^[6]，該方法的主要原理是：對于密度均勻、形狀規(guī)則的物體而言，它的重心和形狀的中心應該重合，當將輕集料混凝土置于形狀規(guī)則的容器中時，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)象越嚴重。當被測輕集料混凝土各部分組分均勻，在料筒中受到重力、振動或其它影響時未發(fā)生分層，勻質性良好時，料筒中混凝土的重心應該與料筒的中心重合，Cv數(shù)值應等于1；當被測混凝土勻質性不良，在料筒中發(fā)生組分分層時，料筒中的輕集料混凝土的重心會發(fā)生偏移，Cv數(shù)值也會發(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性越差， Cv數(shù)值也與1相差越大。本次試驗中使用兩端帶蓋，內徑16cm的PVC管作為料筒（如圖2所示），將被測輕集料混凝土裝滿料筒并在振動臺上振動60s后進行測試，裝填混凝土時向下的一端置于安放在電子秤的短支架上。

  圖2  混凝土勻質性測試裝置

  按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試評價各組混凝土的工作性和表觀密度；按照GB/T 50087-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》測試評價各組混凝土抗壓強度。

  4 試驗結果及分析

  各組混凝土測得的各項性能如表4所示：

  表4 測試結果

  根據(jù)表4中的實驗數(shù)據(jù)可知，當沒有摻入任何一種粘度改性劑時（0組），LC30輕集料混凝土的勻質性較差，輕集料上浮嚴重，而當摻入任一種粘度改性劑時（1~3組），輕集料上浮現(xiàn)象都有所緩解，混凝土勻質性都有一定改善。其中，無機礦物粘度改性劑NZ對輕集料混凝土勻質性的改善最為明顯，混凝土勻質性系數(shù)達到了0.93；HPMC對輕集料混凝土勻質性的改善效果次之，混凝土勻質性系數(shù)達到了0.91。通過摻入粘度改性劑在改善LC30輕集料混凝土勻質性的同時，也可以改善混凝土的工作性，1、3組混凝土的擴展度都超過了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性和流動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，這是由于當拌制混凝土時，HPMC會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、漿體之間的相對運動難度，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性的主要原因，但是同時也會增大輕集料混凝土的含氣量，降低混凝土的表觀密度和強度，從強度測試結果來看，摻入HPMC的輕集料混凝土強度甚至還低于明顯離析的基準組。摻入巴斯夫420粘度改性劑和無機礦物粘度改性劑的混凝土強度都高于基準組，無機礦物粘度改性劑對輕集料混凝土強度的提升最大，這是因為無機礦物粘度改性劑在起到增粘效果的同時，也能被視為一種混凝土礦物摻合料。HPMC是一種有機增粘劑，一方面混凝土中的有機物會影響混凝土耐久性，一方面過高的含氣量會增加混凝土徐變、收縮，這些都不利于混凝土結構的安全，因此，不論從混凝土勻質性改善效果還是混凝土結構安全來說，使用無機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，可以通過與無機粘度改性劑搭配使用，從而進一步改善輕集料混凝土的工作性、勻質性和強度。

  5 結論

  （1）通過摻入粘度改性劑可提高輕集料混凝土的勻質性，其中摻入無機粘度改性劑的輕集料混凝土勻質性系數(shù)達到0.93，對輕集料混凝土勻質性改善最為明顯，而且還能提高輕集料混凝土強度。

  （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性，但會降低輕集料混凝土表觀密度和強度。

  參考文獻：

  [1]孫禮程，王憲國，項旺保，韓宇，劉成。 LC30 輕骨料混凝土工作性影響因素的研究[J]。商品混凝土，2012，12：42~44.

  [2]王振軍，何廷樹。增粘劑對大流動性輕骨料混凝土性能影響研究[J]。公路，2008，3：163~165。

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  [4]丁慶軍，張勇。高強輕集料混凝土分層離析控制技術的研究[J]。 武漢大學學報(工學版)，2002，35(3)：59~62。

  [5]Kobayashi K。 Characteristics of Self-Compacting Concrete in Fresh State with Artificial Lightweight Aggregate[J]。 Journal of the Society of Material Science， 2001，50(9)，17-20。

  [6]中建商品混凝土有限公司。 一種混凝土勻質性測試方法：中國，201310642486.4 [P]. 2015-04-15。