粘度改性剂对LC30轻集料混凝土性能的影响研究

  1 引言

  用轻粗骨料、轻砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的轻集料混凝土具有重量轻、比强度高及无碱集料反应等优点，有着广阔的应用前景^[1]。结构轻集料混凝土是指容重为1400~1900kg/m³，抗压强度为15.0~60.0Mpa，主要用于浇筑承重的构件、预应力构件或构筑物的轻集料混凝土^[2]。其中，结构用砂轻混凝土可以用普通河砂进行配制，从而避免了轻砂在生产过程中需要均匀预湿、投料困难等问题，但同时也进一步增大了砂浆与轻粗集料之间的密度差，导致混凝土中的砂浆和轻粗集料之间更易出现分层。不良的匀质性会严重影响结构轻集料混凝土的泵送、浇筑施工，也会对结构强度和安全造成危害。加入粘度改性剂是改善砂轻混凝土匀质性的有效办法^[3~5]，然而不同的粘度改性剂由于其自身特性及作用机理的不同必然会对砂轻混凝土的匀质性、容重、强度等其它性能产生不同影响。

  本文就羟丙基甲基纤维素（HPMC）、巴斯夫RHEOPLUS 420型高性能粘度改性剂、无机矿物增粘剂NZ这三种粘度改性剂对LC30砂轻混凝土的工作性、匀质性、表观密度、强度等性能的影响进行了研究。

  2 试验原材料

  2.1 水泥及粉煤灰

  试验中使用的水泥为华新P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其技术性能指标如表1所示：

  表1  P·O 42.5水泥技术性能指标

  试验中使用麻城I级粉煤灰，45μm筛余为3%，需水量比为86%。

  2.2细集料

  试验所用细集料为湖南岳阳河砂，细度模数为2.7，属于2区中砂。

  2.3 粗轻集料

  试验所用轻集料为宜昌光大陶粒制品有限公司生产的700级碎石型页岩陶粒，粒径范围为5~16mm，连续级配，堆积密度为689kg/m³，表观干密度1185 kg/m³，筒压强度7.2MPa。

  2.4粘度改性剂

  试验中使用三种粘度改性剂，分别为：山东光大科技发展有限公司生产的羟丙基甲基纤维素（HPMC）、巴斯夫股份公司提供的RHEOPLUS 420型高性能粘度改性剂（BSF420）及中建商品混凝土有限公司自主开发的一种无机矿物粘度改性剂（NZ），该矿物改性剂为一种淡黄色粉体，具有多孔隙、絮状微观结构（见图1），其化学成分见表2，，在使用时可等量替代部分矿物掺合料。

  表2无机矿物改性剂的化学成分

  图1无机矿物粘度改性剂（NZ）的微观结构

  2.5 水和外加剂

  试验中使用普通自来水；使用中建聚羧酸高效减水剂，含固量为10%，减水率为13.3%。

  3 试验方法

  3.1 试验配合比

  试验中的配合比如表3所示。配制混凝土前将陶粒预湿至饱和面干状态，表中轻集料质量为绝干状态下的质量，用水量为有效用水量（即不含轻集料内部吸收的水分）。羟丙基甲基纤维素和巴斯夫股份公司提供的RHEOPLUS 420型高性能粘度改性剂均为厂家推荐的最优掺量，无机粘度改性剂NZ的掺量为经验值。

  表3 试验配合比（kg/m³）

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  3.2轻集料混凝土性能表征及测试评价方法

  采用中国专利201310642486.4中的方法用混凝土匀质性系数Cv来表征混凝土匀质性^[6]，该方法的主要原理是：对于密度均匀、形状规则的物体而言，它的重心和形状的中心应该重合，当将轻集料混凝土置于形状规则的容器中时，如果轻集料混凝土中各组分分布均匀，未出现分层，则轻集料混凝土的重心应与容器重心重合，若轻集料混凝土的重心与容器重心偏离越大，则说明轻集料混凝土中各组分的分层现象越严重。当被测轻集料混凝土各部分组分均匀，在料筒中受到重力、振动或其它影响时未发生分层，匀质性良好时，料筒中混凝土的重心应该与料筒的中心重合，Cv数值应等于1；当被测混凝土匀质性不良，在料筒中发生组分分层时，料筒中的轻集料混凝土的重心会发生偏移，Cv数值也会发生改变，轻集料混凝土分层越明显，重心偏移就越多，轻集料混凝土的匀质性越差， Cv数值也与1相差越大。本次试验中使用两端带盖，内径16cm的PVC管作为料筒（如图2所示），将被测轻集料混凝土装满料筒并在振动台上振动60s后进行测试，装填混凝土时向下的一端置于安放在电子秤的短支架上。

  图2  混凝土匀质性测试装置

  按照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试评价各组混凝土的工作性和表观密度；按照GB/T 50087-2002《普通混凝土力学性能试验方法》测试评价各组混凝土抗压强度。

  4 试验结果及分析

  各组混凝土测得的各项性能如表4所示：

  表4 测试结果

  根据表4中的实验数据可知，当没有掺入任何一种粘度改性剂时（0组），LC30轻集料混凝土的匀质性较差，轻集料上浮严重，而当掺入任一种粘度改性剂时（1~3组），轻集料上浮现象都有所缓解，混凝土匀质性都有一定改善。其中，无机矿物粘度改性剂NZ对轻集料混凝土匀质性的改善最为明显，混凝土匀质性系数达到了0.93；HPMC对轻集料混凝土匀质性的改善效果次之，混凝土匀质性系数达到了0.91。通过掺入粘度改性剂在改善LC30轻集料混凝土匀质性的同时，也可以改善混凝土的工作性，1、3组混凝土的扩展度都超过了650mm，这说明合理搭配使用高效减水剂和粘度改性剂可以配制出匀质性和流动性俱佳的轻集料混凝土。然而，掺入HPMC的轻集料混凝土在4组混凝土中表观密度最低，这是由于当拌制混凝土时，HPMC会向混凝土中引入大量微小气泡，这些微小气泡粘附在集料表面，增大了集料、浆体之间的相对运动难度，降低了轻集料和砂浆之间的密度差，这是HPMC能够改善轻集料混凝土粘聚性和匀质性的主要原因，但是同时也会增大轻集料混凝土的含气量，降低混凝土的表观密度和强度，从强度测试结果来看，掺入HPMC的轻集料混凝土强度甚至还低于明显离析的基准组。掺入巴斯夫420粘度改性剂和无机矿物粘度改性剂的混凝土强度都高于基准组，无机矿物粘度改性剂对轻集料混凝土强度的提升最大，这是因为无机矿物粘度改性剂在起到增粘效果的同时，也能被视为一种混凝土矿物掺合料。HPMC是一种有机增粘剂，一方面混凝土中的有机物会影响混凝土耐久性，一方面过高的含气量会增加混凝土徐变、收缩，这些都不利于混凝土结构的安全，因此，不论从混凝土匀质性改善效果还是混凝土结构安全来说，使用无机粘度改性剂都是更好的选择，而巴斯夫420粘度改性剂在各方面表现比较中庸，可以通过与无机粘度改性剂搭配使用，从而进一步改善轻集料混凝土的工作性、匀质性和强度。

  5 结论

  （1）通过掺入粘度改性剂可提高轻集料混凝土的匀质性，其中掺入无机粘度改性剂的轻集料混凝土匀质性系数达到0.93，对轻集料混凝土匀质性改善最为明显，而且还能提高轻集料混凝土强度。

  （2）羟丙基甲基纤维素（HPMC）虽然能够明显改善轻集料混凝土的匀质性，但会降低轻集料混凝土表观密度和强度。

  参考文献：

  [1]孙礼程，王宪国，项旺保，韩宇，刘成。 LC30 轻骨料混凝土工作性影响因素的研究[J]。商品混凝土，2012，12：42~44.

  [2]王振军，何廷树。增粘剂对大流动性轻骨料混凝土性能影响研究[J]。公路，2008，3：163~165。

  [3]李进辉， 李北星，张国志，周明凯。 LC50大流动性高性能轻集料混凝土匀质性影响因素的研究[J]。 混凝土，2007，7：65~68。

  [4]丁庆军，张勇。高强轻集料混凝土分层离析控制技术的研究[J]。 武汉大学学报(工学版)，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。 一种混凝土匀质性测试方法：中国，201310642486.4 [P]. 2015-04-15。