轻集料混凝土

一、轻集料混凝土

用轻集料、水泥和水配制的，干表观密度不大于1950kg／m³的混凝土，称为轻集料混凝土。其中粗、细集料均为轻集料者，称为全轻混凝土；细集料全部或部分采用普通砂者，称为砂轻混凝土。轻集料混凝土常以所用集料的名称来命名，如粉煤灰陶粒混凝土、黏土陶粒混凝土、浮石混凝土、膨胀珍珠岩混凝土等。

1．轻集料

轻集料也分粗集料和细集料（又称轻砂）。凡粒径大于5mm，堆积密度小于1000kg／m³的轻质集料，称为轻粗集料；凡粒径不大于5mm，堆积密度小于1200kg／m³的轻质集料，称为轻细集料。轻集料按来源分为三类。

（1）工业废渣轻集料　以工业废料为原料，经加工而成的轻集料，如粉煤灰陶粒、自然煤矸石、膨胀矿渣珠、煤渣及其轻砂。

（2）天然轻集料　天然形成的多孔岩石，经加工形成的轻集料，如浮石、火山渣及其轻砂。

（3）人造轻集料　以地方材料为原料，经加工而成的轻集料，如页岩陶粒、黏土陶粒、膨胀珍珠岩及其轻砂。

轻粗集料又按其粒型分圆球型、普通型和碎石型三种。

轻集料的制造方法基本可分为烧胀法和烧结法两种。

烧胀法是将原料破碎、筛分后，经高温烧胀而成，如膨胀珍珠岩；或将原料加工成粒再经高温烧胀而成，如黏土陶粒和圆球型页岩陶粒。这种方法由于原料中所含水分或气体在高温下发生膨胀，形成内部具备微细气孔结构和表面由一层硬壳包裹的陶粒。

烧结法是将原料加入一定量胶结剂和水，经加工成粒，在高温下烧至部分熔融而成的多孔结构的陶粒，如粉煤灰陶粒。轻集料按其堆积密度（kg／m³）划分为8个密度等级，见表3－15。

表3－15　轻集料密度等级

轻粗集料的强度对混凝土强度影响很大，所以对它有一定的要求。国家标准GB 2842—1981规定，采用“筒压法”测定轻粗集料的强度。它是将轻集料装入一标准带底圆筒内，上加压模（如图3－6），置于压力试验机上加压至深度为20mm时的压力值，除以承压面积，即为筒压强度。各密度等级的轻粗集料，其筒压强度不得低于表3－16的规定。

表3－16　轻粗集料的筒压强度及强度标号

图3－6　筒压强度试验装置

轻粗集料筒压强度比较低，但都能配制出强度比它自身高好几倍的混凝土来，原因是筒压法测定轻粗集料强度时，荷载传递是通过颗粒间接触点传递，应力集中，强度就比较低。而在混凝土中，集料被砂浆包裹，混凝土受压时，集料处于三向应力状态，加上轻粗集料周围水泥砂浆外壳能起拱架作用，所以混凝土中的轻粗集料强度要比筒压强度高，而且随水泥砂浆强度的提高而提高。然而轻集料混凝土强度最终还是受轻集料本身强度影响。也就是说，当混凝土强度提高到某一极限值后，即使再增大水泥砂浆强度，混凝土强度也只能稍有提高。这个极限值即为“合理强度值”，它主要决定于轻粗集料的强度。所以GB　2842—1981中，推荐用轻粗集料拌制混凝土，并以混凝土“合理强度值”作为轻粗集料的强度标号（见表3－16）。轻粗集料的“强度标号”和筒压强度一样，可作为配制轻集料混凝土时合理选用轻粗集料的依据。

2．轻集料混凝土的技术性质

轻集料混凝土的强度等级，与普通混凝土相似，按边长150mm立方体试件，标准养护28d龄期测得的，具有95％保证率的抗压强度（MPa）确定，分为CL5、CL7．5、CL10、CL15、CL20、CL25、CL30、CL35、CL40、CL45及CL50等。

轻集料混凝土按其干表观密度分为12个等级，各等级轻集料混凝土在干燥条件下的导热系数见表3－17。

表3－17　轻集料混凝土密度等级和导热系数

轻集料混凝土按用途分为三大类，其相应的强度等级和密度等级见表3－18。

表3－18　轻集料混凝土按用途分类

3．轻集料混凝土的配合比设计

轻集料混凝土配合比设计的原则和方法与普通混凝土相似，也是先计算初步配合比，再进行试拌调整，满足和易性要求，最后校核强度及干表观密度等。与普通混凝土不同的是，在配合比设计中增加密度等级的要求，同时必须考虑轻集料品种、性能对混凝土性能的影响。由于轻集料对混凝土性能影响较大，可是二者间没有相关的强度计算公式，所以在配制轻集料混凝土时，多依靠经验及试验进行。

（1）配制强度确定　轻集料混凝土的配制强度按下式确定：

式中　f′_cu——施工配制强度，MPa；

　　　f_cu，k——设计要求的混凝土强度等级，MPa；σ₀——混凝土强度的总体标准差，MPa。

当生产单位无强度试验资料时，按表3－19取用。

表3－19　σ₀取值表

（2）原材料选择　轻集料密度等级的选择，应根据轻集料混凝土强度等级及密度等级来进行。设计强度较高且表观密度较大的混凝土时，常采用密度等级较大的轻粗集料及天然河沙作细集料，设计强度较低且表观密度较小的混凝土时，宜采用密度等级小的全轻集料。

轻集料混凝土所用水泥的标号，应根据轻集料混凝土强度等级来选择。当配制低强度等级混凝土采用高标号水泥时，可通过试验加入适量活性混合材料，以保证其稠度符合要求。

（3）配合比参数选择

1）轻集料混凝土用水量　轻集料混凝土用水量分为使混凝土获得施工要求的和易性所需用水量（称净用水量）和被集料吸收的水量（称为附加用水量）两部分，即总用水量W₀为：

式中　W₀——轻集料混凝土总用水量，k／m³；

　　　W——轻集料混凝土净用水量，k／m³；

　　　W_G——轻粗集料附加用水量，k／m³；

　　　W_S——轻砂的附加用水量，k／m³。

轻集料混凝土的净用量W，按表3－20选取。

表3－20　轻集料混凝土用水量

注：①表中数值适用于圆球型和普通型轻粗骨料，对于碎石型轻粗集料，需增加10kg／m³左右的净用水量。

②表中数值适用于砂轻混凝土，若为全轻混凝土，可适当增加用水量。

轻粗集料附加用水量（W_G），由轻粗集料1h吸水率决定。如果试配前对轻粗集料进行过预湿处理（试拌前浸水1h）时，取WC＝0；轻砂的附加用水量（W_S），也由轻砂1h吸水率决定，对于普通砂，则取W_S＝0。

2）水泥用量（m_C）选择　轻集混凝土的水泥用量应根据混凝土的配制强度及耐久性要求来选择，可参考表3－21数值选用。为了满足混凝土耐久性要求，轻集料混凝土最小水泥用量及最大水灰比应符合表3－22的规定。

表3－21　轻集料混凝土的水泥用量（kg／m³）

续　表

注：①表中下限值适用于圆球型及普通轻粗集料；上限值适用于碎石型轻粗集料及全轻混凝土。

②最高水泥用量不宜超过550kg／m³。

表3－22　轻集料混凝土的最大水灰比和最小水泥用量

注：①严寒地区指最寒冷月份的月平均温度低于－15℃；寒冷地区指寒冷月份的月平均温度处于－5～15℃者。

②水泥不包括掺和料。

3）轻集料混凝土的含砂率（S_p）选择　轻集混凝土的砂率常以体积砂率表示，即细集料体积与粗细集料总体积之比。轻集料混凝土的砂率常较普通混凝土的大。不同用途的混凝土的砂率，可参照表3－23选取。

表3－23　轻集料混凝土的砂率

注：①当采用圆球型轻粗集料时，宜取表中下限值；当采用碎石型轻集料时，宜选上限值。

②当细集料采用轻砂与普通砂混合使用时，可按混合比例进行内插计算取值。

（4）配合比计算　轻集料混凝土配合比计算方法有绝对体积法和松散体积法两种。全轻混凝土宜采用松散体积法，砂轻混凝土两种方法均可采用。绝对体积法的计算方法与普通混凝土相似。松散体积法的计算方法比较简便，现介绍如下：

1）初步估计1m³混凝土中粗、细集料松散状态的总体积（V_t）　不同类型集料的混凝土粗、细集料总体积可参照表3－24取用。

表3－24　粗细集料总体积（V_t）

注：①采用膨胀珍珠岩砂时，宜取上限值。

②混凝土强度等级较高时，宜取下限值。

2）1m³混凝土粗细集用量计算　已知（或测出）粗集料松散堆积密度ρ′_OG和细集料松散堆积密度ρ′_OS时，粗集料用量（m_G）为：

细集料用量（ms）为：

3）1m³混凝土总用水量计算　按公式（3－19）计算1m³混凝土总用水量（W₀）。

4）混凝土干表观密度验算　根据计算出的各项材料用量，按下式计算混凝土干表观密度（ρ′_OG），即

式中　m_C——1m³混凝土水泥用量，kg／m³；

　　　1．15——考虑水泥水化后水泥石质量较水泥质量增加的系数。

混凝土干表观密度与设计要求的混凝土密度等级进行对比，其差值不应大于3％，否则应调整配合比参数并重新计算配合比。

4．轻混凝土的施工

轻集料混凝土因其集料表观密度小，吸水性强，为保证混凝土质量，施工时应注意：集料用量是以干燥状态为基准的，当轻集料含水时，必须在附加水量中扣除其自然含水量；混凝土搅拌时间应适当延长（最好用强制式搅拌机）；和易性相同的混凝土，其坍落度比普通混凝土略小，外观上也显得较为干稠，此时应防止判断上的失误而随意改变加水量；振捣时应防止集料上浮；应注意洒水养护，以防止干缩裂缝；采用蒸汽养护时，应适当延长静停时间，以防升温太快。