林志平 楊 楓 張 杰

（1.福建省高速公路建設(shè)總指揮部，福建 福州 350011； 2.福建工程學(xué)院，福建 福州 350011 3.福建工大巖土工程研究所有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

自2012年江蘇省在京臺高速公路推廣小型預(yù)制構(gòu)件以來，小型預(yù)制構(gòu)件發(fā)揮了巨大的作用，解決了因砌石工人短缺，砌筑水平不高導(dǎo)致邊坡拱形骨架等工程施工質(zhì)量下降問題。經(jīng)過幾年發(fā)展，小型預(yù)制構(gòu)件總體實現(xiàn)了室內(nèi)生產(chǎn)，并且一些項目還著手開展工廠化、流水線標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)小型預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量過重，不便于現(xiàn)場安裝砌筑等，影響流水化、工廠化生產(chǎn)。以莆炎三明段YA7標(biāo)段為例，據(jù)統(tǒng)計，目前使用的小型預(yù)制構(gòu)件最重的是深挖路塹D（拱形骨架）111kg，最輕的是護(hù)腳六棱塊（半塊底寬34.6）8.4kg。在35種小型預(yù)制構(gòu)件中，有24種質(zhì)量在50kg以上，造成現(xiàn)場施工搬運困難。

陶粒是在一定的生產(chǎn)工藝以及1000℃左右高溫作用下，黏土類礦物因排除氣體，產(chǎn)生膨脹而形成的內(nèi)部具有灰黑色蜂窩狀結(jié)構(gòu)，表面包裹一層斑化殼的一種堅硬、輕質(zhì)圓形或橢圓形顆粒，其表面具有大量的溝紋和凹槽，因而與水泥砂漿之間能產(chǎn)生非常好的結(jié)合性[1]。陶粒作為人造輕集料，其堆積密度一般在300～1000kg/m3，與同等級的普通混凝土相比，陶?；炷辆哂薪Y(jié)構(gòu)自重輕和改善構(gòu)筑物功能等特點，被大量應(yīng)用于高層建筑、水工建筑等的建設(shè)中[2]。

可再分散性乳膠粉產(chǎn)品是由高分子聚合物乳液經(jīng)噴霧干燥和后續(xù)處理等工序制備而成的粉狀熱塑性樹脂，通常為水溶性白色粉末。由于可再分散乳膠粉具有高粘結(jié)能力和獨特的性能，通過在水泥基中添加可再分散乳膠粉，可以改善混凝土漿料的各種性能[3-4]。

聚丙烯纖維原材料從單體C3H6中得到，是一種高分子碳?xì)浠衔铮哂斜砻媸杷?，不會被水泥漿浸濕，其化學(xué)性質(zhì)也非常穩(wěn)定，同混凝土中的水泥、外加劑、摻合料都不會發(fā)生任何化學(xué)作用，因而與混凝土材料有良好的親和性[5-6]。

引氣劑的作用是在混凝土攪拌過程中引入了大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，從而降低了混凝土漿體表面張力，可以有效地改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減少砂漿混凝土拌合物的泌水離析。引入細(xì)微而穩(wěn)定的空氣泡也可提高混凝土的施工性能[7-8]。

本文通過配合比設(shè)計優(yōu)化，在滿足使用性能的情況下，減少材料使用量，減輕小型構(gòu)件質(zhì)量，進(jìn)行混凝土構(gòu)件輕質(zhì)化配合比優(yōu)化設(shè)計，開展替代材料的研究，尋找取材容易、綠色環(huán)保的輕質(zhì)替代材料，另外通過外加劑劑量和摻和料種類的調(diào)整，預(yù)計減輕預(yù)制構(gòu)件重量10%～25%，使預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量低于50kg，同時提高構(gòu)件早期強度和混凝土抗彎性能以解決混凝土小型預(yù)制構(gòu)件脫模、搬運易損問題?？紤]現(xiàn)場實際施工條件，優(yōu)化施工工序，盡量減少為減輕小型構(gòu)件重量而添加的摻加料（劑）的種類。對輕質(zhì)混凝土材料及其試件進(jìn)行物理、力學(xué)性能試驗，其試驗指標(biāo)除滿足工程需求外，還應(yīng)滿足JTGD30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》，JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范的各項要求。

1 設(shè)計坍落度

坍落度通?？刂圃?50±20mm（可根據(jù)施工要求適當(dāng)調(diào)整，或為維勃稠度指標(biāo)進(jìn)行控制）。

2 原材料

水泥：采用福建省永安萬年水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥。

細(xì)骨料：南豐縣石背采砂場生產(chǎn)的中砂和寧化縣安遠(yuǎn)鄉(xiāng)中坑山石料場生產(chǎn)的機制砂。

碎石：寧化縣安遠(yuǎn)鄉(xiāng)中坑山石料場生產(chǎn)的4.75～9.5mm和9.5～19mm集料。

粗骨料：陶粒（≤10mm）。

外加劑：引氣劑、高效減水劑（早強）。

膠粉：可再分散性乳膠粉。

纖維：聚丙烯纖維。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55-2011）的有關(guān)規(guī)定對混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計混凝土坍落度為150±20mm，計算配制強度為38.2MPa，依據(jù)施工經(jīng)驗水膠比選擇0.42。

為研究不同陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響，選取摻量分別為10%、20%、30%、40%和50%的陶粒加入水泥混凝土中，并制作一組不添加陶粒、膠粉、纖維和引氣劑的對比樣，依據(jù)試驗規(guī)程進(jìn)行配合比試拌及比對（見表1），并測試水泥混凝土的表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28天軸心抗壓強度、28天彈性模量、凝結(jié)時間、坍落度、混凝土質(zhì)量等參數(shù)（見表2），評估不同陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響。

表1 不同陶粒摻量水泥混凝土配合比

表2 陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響

由表2可知，隨著陶粒摻量的增加水泥混凝土的表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28天彈性模量、混凝土質(zhì)量均呈現(xiàn)不同程度的降低，含氣量增大，坍落度變化不明顯。綜合考慮水泥混凝土的性能，初定陶粒最佳摻量為20%，相較于對比樣，20%摻量陶?；炷临|(zhì)量降低了7.8%。

3.2 膠粉用量對水泥混凝土性能的影響

選定陶粒的摻量為20%，調(diào)整膠粉用量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%），研究不同膠粉用量對水泥混凝土性能的影響，20%陶粒+膠粉水泥混凝土配合比見表3。

表3 不同膠粉摻量水泥混凝土配合比

由表4可知，隨著膠粉用量的增加，混凝土實測表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28d軸心抗壓強度、28d彈性模量和質(zhì)量均呈下降趨勢，但是質(zhì)量減輕幅度并不明顯，而含氣量、凝結(jié)時間和坍落度均不斷增加，尤其是坍落度增加明顯，施工和易性明顯提高，但與僅摻入20%陶粒水泥混凝土相比，20%陶粒+膠粉水泥混凝土的下降明顯，由7717g下降至7505g及以下，但是繼續(xù)摻入更多的膠粉對水泥混凝土質(zhì)量影響不大，考慮經(jīng)濟性和混凝土綜合性能，膠粉選取最優(yōu)質(zhì)量比0.4%，20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土質(zhì)量（7448g）相較于對比樣（8200g）減輕9.2%。

表4 膠粉用量對水泥混凝土性能的影響

3.3 纖維用量對水泥混凝土性能的影響

選定陶粒的摻量為20%，膠粉用量為0.4%，調(diào)整纖維用量（0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%），研究不同纖維用量對水泥混凝土性能的影響，20%陶粒+0.4%膠粉+纖維水泥混凝土配合比見表5。

表5 不同纖維摻量水泥混凝土配合比

由表6可知，隨著纖維用量的增加，混凝土實測表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28d軸心抗壓強度、28d彈性模量均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，纖維的加入對混凝土含氣量影響很小，混凝土的初凝時間和終凝時間變化幅度較小，坍落度先減小再增高。20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土的28的抗壓強度為32.4MPa，纖維用量為0.8%時，水泥混凝土28d抗壓強度增高至33.3MPa，繼續(xù)摻入纖維，水泥混凝土28d抗壓強度降低，未達(dá)到預(yù)期效果。7d和28d抗折強度相較于未加纖維的混凝土有所提高，當(dāng)纖維含量大于1.2%時，水泥混凝土抗折強度小于20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土，故纖維含量應(yīng)控制在1.2%以內(nèi)。纖維含量為1%和1.2%時，水泥混凝土質(zhì)量基本無變化，為減少材料成本，故選取纖維最優(yōu)質(zhì)量1%，相較對比樣水泥混凝土質(zhì)量減輕12.2%。

表6 纖維用量對水泥混凝土性能的影響

3.4 引氣劑用量對水泥混凝土性能的影響

選定陶粒的摻量為20%，膠粉用量為0.40%，纖維用量為1%，在混凝土中分別加入1.2%、1.4%的引氣劑，為較少添加劑的種類，本文選取的是早強減水引氣劑，研究引氣劑摻量對混凝土性能的影響。

表7 不同引氣劑含量水泥混凝土配合比

表8 引氣劑對水泥混凝土性能的影響

由表4可知，加入引氣劑后，水泥混凝土28的抗壓強度由31.1MPa下降至27.6MPa（引氣劑摻量1.2%）和26.2MPa（引氣劑摻量1.4%），分別下降了11%和16%，坍落度由180mm分別提高至195mm和230mm，水泥混凝土質(zhì)量進(jìn)一步下降，引氣劑最優(yōu)質(zhì)量比為1.2%，相較于對比樣20%陶粒+0.4%膠粉+1%纖維+1.2%引氣劑水泥混凝土質(zhì)量減少15.4%。

4 結(jié)束語

（1）在水泥混凝土中加入陶?？娠@著降低水泥混凝土的質(zhì)量，根據(jù)水泥混凝土的性能變化情況，優(yōu)選陶粒的最優(yōu)質(zhì)量比為20%，水泥混凝土質(zhì)量降低7.8%。

（2）膠粉對水泥混凝土的和易性有顯著的改善作用，加入膠粉后水泥混凝土的坍落度大幅提高，經(jīng)性能綜合比對，膠粉選取最優(yōu)質(zhì)量比0.4%，相較于20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土質(zhì)量對比樣減少9.2%。

（3）加入纖維后，水泥混凝土28d抗壓強度由32.4MPa增加至33.3MPa，隨著纖維含量的提高，水泥混凝土抗壓強度和抗折強度均出現(xiàn)了下降趨勢，經(jīng)性能綜合分析，確定纖維最優(yōu)摻量為1%，且20%陶粒+0.4%膠粉+1%纖維水泥混凝土質(zhì)量相較于對比樣減少12.2%。

（4）加入引氣劑后，對混凝土含氣量的影響較大，從而影響輕質(zhì)混凝土小型構(gòu)件容重、抗壓強度、抗彎強度和開裂性能等，在滿足工程需要的前提下，選取最優(yōu)摻量比為1.2%。