LC40轻质高强混凝土在桥梁中的应用研究

摘要：南京某桥梁工程使用了550方的LC40轻质高强混凝土，本文依托该桥梁工程探讨了LC40轻质高强混凝土从陶粒选择、配比优化到施工工艺创新的研究进展，并通过一系列试配正交试验确定了最佳的LC40轻质高强混凝土配合比。结果表明：在砂率为57%，粉煤灰掺量为15%，矿粉掺量为10%时，混凝土的工作性能、湿容重和抗压强度指标符合设计要求。通过研究骨料分层度模型来评价混凝土的骨料上浮程度，并创造性地使用免烧陶粒以减少预湿工序，既节约了工期又节省了成本，为对新产品开发及同类型工程的实体应用提供有效经验与借鉴。

关键词：轻质高强；配合比设计；免烧陶粒

0 引言

普通混凝土的自重约24002500kg/m3，重量较大，由于其整体荷载，结构构件的尺寸会随之增加。轻质混凝土是一种由轻质骨料制成的混凝土，其单位重量在14002000kg/m3范围内变化，重量比普通混凝土轻18%43%。由于轻质混凝土的轻质结构特性，常被用于桥梁和高层建筑等大型结构。

目前，LC5LC60等强度的轻质高强混凝土已经在建筑工程中被广泛应用，许多国内外学者研究陶粒混凝土的均匀性、密实性、流动性，其收缩低于普通混凝土，且轻骨料与浆体界面结合紧密，界面过渡区致密，耐久性较好[1]。J.Brakel 等[2]的研究表明，采用轻骨料混凝土可以显著降低桥梁静载，且降低程度随桥梁跨度增大而增加。轻骨料混凝土可用于制作建筑的梁板柱等承重构件，相比普通混凝土具有更高的结构效率（强度容重比），使得建筑结构具有更大的跨度（降低钢筋混凝土梁或面板的自重）和抗震能力（降低地震惯性力），提升了建筑的空间利用率和抗震安全度[3]。20世纪90年代以来，轻质高强混凝土已被应用于Stolma大桥（1994年，挪威）、蔡甸汉江大桥（2002年，中国武汉市）、汾江大桥（2010年，中国佛山市）、江海大道高架桥（2013年，中国南通市）等桥梁工程建造中。

本文围绕南京某桥梁工程的实体应用，从骨料吸水、配合比、抗压强度、骨料上浮等方面进行总结分析，阐述LC40轻质高强混凝土的制备方法和施工工艺，为同类型工程应用提供案例。

1 试验概况

1.1原材料

（1）水泥：P·II 52.5水泥，比表面积为390m2/kg，标准稠度用水量27.3%；

（2）粉煤灰：使用Ⅱ级粉煤灰，细度（45μm方孔筛筛余）为5.4%，需水量比98%，强度活性指数85%；

（3）矿粉：采用S95矿粉，7d活性指数为82%，28d活性指数为103%，流动度比为98%；

（4）天然砂：选择产地固定、含泥良好、级配优异的天然中砂，表观密度为2.60kg/m3，堆积密度为1.59kg/m3，吸水率0.6%；

（5）陶粒：选择市面上的粘土陶粒、页岩陶粒、免烧陶粒做对比试验确定，其中免烧陶粒为常温下造粒的圆形颗粒，满足5mm20mm连续级配，堆积密度660750kg/m3，1h吸水率4.2%，筒压强度910MPa，空隙率40%-50%；

（6）外加剂：选择聚羧酸系高性能减水剂；

（7）拌合水：市政用水。

1.2研究目标和困难

本文研究LC40轻质高强混凝土的生产工艺和实体工程应用，通过优选原材料、优化配合比制备出可泵送、性能达标的轻质高强混凝土。工程需要的技术指标如下：

（1）拌合物性能：初始混凝土坍落度180-200mm，1h坍落度≥170mm，干容重≤1600kg/m3；

（2）上浮性能：上、中、下分层度之间相差≤10%；

（3）力学性能：28d标准养护抗压强度≥40MPa；

设计LC40轻质高强混凝土在技术上需要解决的困难如下：

（1）陶粒预湿以及预拌等工艺方法增加了施工时间，也提高了生产成本；

（2）混凝土强度与干容重指标难以兼顾；

（3）混凝土浇筑时轻骨料易上浮。

1.3陶粒选择

在轻骨料混凝土中，陶粒一直是降低混凝土容重和影响混凝土状态的重要影响因素，而陶粒种类、密度、吸水率、掺加量等都是研究的关键环节。目前市场售卖的多为粘土陶粒、页岩陶粒，本文另外加入一种新型的免烧陶粒（干密度等级700，粒径5-20mm），与传统使用的粘土陶粒（干密度等级900，粒径5-20mm）、页岩陶粒（干密度等级800，粒径5-25mm）进行对比试验，选取与外加剂相容性最好、混凝土和易性最佳、成型体强度达标的陶粒作为生产用轻骨料。

称取原材料进行试配试验，以混凝土状态和易性良好、性能满足泵送为目标要求，混凝土拌合物状态性能见表1。

从混凝土状态及性能可以看出，粘土陶粒吸水性强，生产前需要预湿处理，工艺较复杂，且粒径5-20mm更适合较厚的防水层项目；页岩陶粒具有抗压强度高的特点，适用于轻质高强混凝土；而免烧陶粒是新型筑粒陶粒，能与水泥完好混合，有流动性良好、包裹性好和泵送性好的特点，性能指标均满足本次桥梁施工需求。

经过试验结果对比，干密度等级700、粒径5-20mm的免烧陶粒满足相关技术要求，故采用免烧陶粒作为生产用陶粒。同时因为免烧陶粒的1h吸水率较低，一方面可以减少预湿工序，节省施工时间和生产成本；另一方面可以降低用水量，增加混凝土的实体强度。

1.4配合比设计

配合比设计采用松散体积法计算，参考标准JGJ/T 12-2009《轻骨料混凝土应用技术标准》和JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》。

通过三因素三水平正交试验法，确定砂率、粉煤灰和矿粉的最佳掺量组合。为避免轻骨料上浮，粉煤灰掺量不易过多，砂率也不宜过低，故设计正交试验表3，砂率控制在55%-59%，粉煤灰掺量在10%-20%之间，矿粉掺量在5%-15%之间。L9（33）正交试验测得数据见表2。

从图1中可看出，对于提高混凝土抗压强度而言，影响最大的参数为砂率，其次矿粉掺量，最后是粉煤灰掺量。当砂率为57%时较符合指标要求，考虑到流动性、可泵性和抗压强度的实际需求，采用粉煤灰15%及矿粉10%掺加量。

根据上述结果设计LC40轻质高强混凝土最终配合比：水泥：粉煤灰：矿粉：天然砂：陶粒：外加剂：水=397：80：53：666：503：10：172（质量比）。

1.5性能测试

制得的预拌混凝土进行坍落度、扩展度、表观密度测试，测试方法根据GB/T 500802016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。试块成型标准养护，28d抗压强度测试方法根据GB/T 500812019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。所拌制混凝土湿容重1700kg/m3，干容重1580kg/m3，初始坍落度200mm，1h坍落度190mm，28d抗压强度49.5MPa，所测技术指标均符合施工方要求。

1.6轻骨料上浮评价模型

利用下列公式计算轻骨料和不同粒径轻骨料的上浮分层度：

通过上述评价模型，计算得到依据最终配合比拌制混凝土的上分层度为39%，中分层度为31%，下分层度为30%，最大差值9%≤10%，满足性能指标要求。

2 LC40轻质高强混凝土施工关键工艺

本次亲水桥桥面设计为一整体平台。桥面变宽，桥面轮廓向河道中心方向呈近似椭圆状曲线变化。平台上部结构采用钢筋混凝土现浇实心整体板，跨径组合为（6.556+16.53）m，梁高70cm，桥面宽度由桥台向河道中心方向呈类似椭圆状曲线变化。桥梁工程浇筑方量约550m3，工程要求在河水上涨前做好浇筑工作，工期短。

2.1陶粒预湿

预湿处理作为轻质高强混凝土的技术工艺，增加了生产成本，而考虑到工期速度的因素，研发免预湿工艺成为轻质高强混凝土创造经济效益的首选。本文使用免烧陶粒，利用其1h吸水率低的特点不经过预湿处理直接拌料生产混凝土，可以实现泵送浇筑，解决了陶粒预湿的难题。

2.2钢筋绑扎

将钢筋有序排列并备好扎丝，在绑扎过程中，严格遵循设计图纸，细致处理主筋、分布筋及构造筋，有序地绑扎。过程中检查间隙宽度，避免绑扎过密导致的下料堵塞，影响后期强度。

2.3浇筑和振捣

由于轻骨料与砂浆组分的容重相差较大，在振捣过程中易使轻骨料上浮和砂浆下沉产生分层离析现象，所以必须防止振动过度。振捣延续时间以拌合物捣实为准，振捣时间不宜过长，以防止轻骨料出现上浮，控制在10～30s内。

2.4养护

轻骨料为孔隙率较大的材料，其内部所含的水分足以供给轻骨料混凝土养护之用。当水分从混凝土表面蒸发时，骨料内部的水分不断地向水泥砂浆中转移。水分的连续转移，在一段时间内能使水泥的水化反应正常进行，并能使混凝土达到一定的强度。采用自然养护时，湿养护时间不得少于14d。为防止混凝土表面失水太快，进行覆盖和喷水养护。

2.5现场验收

经过前期试配调整和现场勘察，制定施工方案，成功在17天内完成浇筑，实现了LC40轻质高强混凝土的生产应用，性能指标全部满足设计要求。

3 总结

本文结合南京某桥梁工程项目，对LC40轻质高强混凝土进行了配合比试验和性能影响因素，得出以下结论：

（1）免烧陶粒作为新型筑粒陶粒，不仅所拌制的混凝土出机状态、强度达到设计要求，而且其1h吸水率低，可以免预湿直接拌料生产，极大地节省了工期和综合成本，具有经济效益。

（2）设计了一个三因素（砂率、粉煤灰和矿粉）三水平的正交试验方案，试验过程中，对比分析拌合混凝土的坍落度、湿容重和强度等关键工作性能指标，并运用抗压强度的极差分析方法。实验结果显示：在砂率为57%，粉煤灰掺量为15%，矿粉掺量为10%时，混凝土的工作性能、湿容重和抗压强度指标符合设计要求。

（3）对LC40轻质高强混凝土的关键施工工艺详细说明，并介绍了关键参数，旨在指导同类混凝土工程的应用，本文设计的配合比实际效果良好，且在工期内浇筑完成。

参考文献

[1] 李书明，曾志，刘竞，等.粗骨料对高强自密实轻骨料混凝土性能的影响[J].铁道建筑，2020，60（11）：148-152.

[2] BRAKELJ，SHARPENR.应用轻混凝土的经济性[C]//国外轻骨料混凝土应用（译文集），1982.

[3] LUJX. Recent advances in high strength lightweight concrete： From development strategies to practical applications [J].Construction and Building Materials，2023（400）：132905.