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摘 要：本文通过掺入不同种类和掺量的粗、细页岩陶粒轻集料制备设计要求容重范围内的特定密度混凝土，采用“一般指标+特殊指标”的方式试验研究其工作、力学、体积稳定性和耐久性能，以构建科学合理的特定密度混凝土性能控制指标及其试验方法体系。
关键词：特定密度混凝土;轻集料;容重;混凝土性能
0 引言
特定密度混凝土，是指通过在普通粗、细集料中单独或复合掺入适量轻粗、细集料，使其干表观密度介于1950-2300kg/m3之间、强度介于40-80MPa之间的混凝土[1-2]。早在上世纪60年代初，德国工程师首先将混凝土应用在预应力轻集料混凝土桥梁上。最初是为了改善轻集料混凝土弹性模量低和梁式桥端的局部受压状态，用普通混凝土直接取代部分轻集料混凝土，以后才逐渐发展到普通混凝土中掺入部分轻集料配制“特定密度混凝土”[3-4]。众多研究表明，使用普通混凝土集料和轻集料复合配制特定密度混凝土，可以在满足混凝土强度和弹性模量等物理力学性能的前提下，显著减小混凝土干表观密度，降低结构自重，同时还可以利用轻集料的内养护作用减少混凝土早期自收缩，改善混凝土的体积稳定性和耐久性[5-6]。
本试验通过掺入不同种类和掺量的粗、细页岩陶粒轻集料制备设计要求容重范围内的特定密度混凝土，并分析研究其工作、力学、体积稳定性和耐久性能，为以后工程在应用特定密度混凝土材料时提供参考。
1 试验原材料与试验方法
1.1试验原材料
本项目特定密度混凝土试验用原材料包括：水泥采用华润平南P.II 42.5硅酸盐水泥;矿物掺合料采用镇江谏壁I级粉煤灰、首钢盾石S95级矿粉;细集料采用II区中砂（西江河砂），细度模数2.60;粗集料采用5-20mm连续级配石灰岩碎石（广东新会白水带石场）;外加剂采用具有超分散、长效保坍、低收缩、增稠等性能的聚羧酸系高性能减水剂，对于特定密度混凝土工作性调配及硬化性能提升具有良好效果;轻集料采用粒径为5-20 mm的轻粗集料和粒径为0-5 mm的轻细集料。轻集料来源及其性能指标参数见表1。
1.2 配合比
特定密度沉管混凝土基准配合比见表2所示，混凝土性能如表3所示。
由容重设计公式可以看出，达到设计的特定容重，轻骨料的掺量与预吸水24 h后的面干表观密度及所取代的砂石表观密度有关，在本试验中，所用的港珠澳大桥岛隧工程粗骨料表观密度为2630 kg/m3，细骨料表观密度为2600 kg/m3。
1.3试验方法
在满足设计要求容重范围前提下，对于工作性能，以混凝土坍落度、扩展度和含气量为一般控制指标，以分层度为特殊控制指标;对于力学性能，以抗压强度、劈拉强度和静力受压弹性模量为主要控制指标;对于体积稳定性能，以自收缩和干燥收缩为主要控制指标;对于耐久性能，以氯离子扩散系数为主要控制指标，试验方法如表4所示。
2结果与分析
2.1特定密度混凝土工作性能
基于以上配合比设计，考查了特定密度混凝土的出机工作性能、分层度、匀质性、含气量及新拌容重。新拌混凝土出机状态饱满，包裹性好，如图1所示。新拌混凝土工作性能指标如表5所示。
由表5试验结果可知，新拌特定密度混凝土的坍落度和扩展度达到技术要求。实测新拌混凝土容重在设计的范围内，表明特定密度混凝土容重设计方法可靠。
2.2特定密度混凝土物理力学性能
力学性能是混凝土最基本、最重要的性能，是分析、设计和计算混凝土材料或结构的重要参数和控制工程施工质量的主要指标。本小节主要研究轻骨料类型与掺量对特定密度混凝土物理力学性能的影响规律。
特定密度混凝土的物理力学试验结果如表6所示。
由表6可知，页岩陶粒的掺量在50%以内时，特定密度混凝土28d强度达到60MPa以上，弹性模量超过3.7×104MPa，均满足设计要求。掺加普通粘土陶粒的试件强度较低，原因是陶粒本身强度较低，导致试件总体强度较低。
2.3特定密度混凝土体积稳定性
特定密度混凝土体积稳定性测试结果如圖2，图3所示。自收缩测试结果表明，掺加轻骨料后，其内养护效果减少了特定密度混凝土的自收缩。干燥收缩测试结果表明，掺加轻骨料也可以降低特定密度混凝土早龄期干燥收缩，但改善幅度不及自收缩。此次结果表面，在本试验设计控制的范围内，掺加预吸水轻骨料的特定密度混凝土体积稳定性优于普通混凝土。
2.4抗氯离子渗透性能
特定密度混凝土的抗氯离子渗透试验结果如表7所示。
由表7可知，掺加页岩陶粒和普通粘土陶粒后，特定密度混凝土28d氯离子扩散系数小于6.5，达到设计要求。每组陶粒试件的28d氯离子扩散系数随着陶粒掺量增加而增大，其中掺加页岩陶粒的试件28d氯离子扩散系数小于5.0，抗氯离子渗透性能较好。
2.5特定混凝土匀质性
在特定密度混凝土成型过程中轻骨料上浮和普通骨料下沉，凝结硬化前易出现分层离析现象，引起的强度分布不均匀，大体积混凝土出现该种现象的几率更大。因此，对特定密度混凝土的匀质性研究显得尤为重要。本试验通过混凝土粗骨料质量的分层度、混凝土密度的分层度和强度的离散型三个方面研究其匀质性。
2.5.1粗骨料质量的分层度
对粗骨料质量分层度的测试采用分层度筒，分层度模具为圆柱状，分上中下三层，且相互连通。试验时，混凝土拌和物装入后，经振动台振动20s后分别取出上下层拌和物，然后再装入筛孔尺寸为5mm钢筛，用水冲刷干净水泥砂浆，挑出拌和物中的粗集料，烘干后分别测量上下层拌和物中的粗集料质量，计算粗集料质量分层度。
混凝土粗骨料质量分层度试验结果如表8所示。
由表8可知，两种集料比例相差越大，分层度越大。由于两种粗集料相对于水泥浆体的密度不同，粗集料在混凝土中的受力状态也各不相同。振捣时，两种骨料在水泥浆体中的运动方向相反，上浮的轻集料与下沉的普通集料会阻碍彼此运动，发生干涉现象，降低分层度，因此特定密度混凝土的分层度小于基准混凝土，且两种集料比例相差越大，分层度越大。粘土陶粒因其颗粒表面粗糙度较小，颗粒密度与浆体密度相差较大，故其分层度较大。 2.5.2密度分层度
新拌混凝土密度分層度试验结果如表9所示。
由表9可知，新拌混凝土密度分层度试验结果与粗骨料质量分层度变化规律一致。掺加页岩陶粒后新拌混凝土密度分层度变小，匀质性得到改善。
2.5.3混凝土强度离散性
混凝土强度离散性试验通过测试振捣后同一浇筑层上下层混凝土抗压强度来表征：试验模拟施工分层高度，高度>800mm、直径为110mm的PVC直圆筒，使用振动台，固定振动时间20s，硬化满足切割条件后从管底开始均匀切段，养护至28天后测试各段抗压强度。
由表10可知，掺加福建和湖北页岩900级陶粒后混凝土的强度匀质性明显改善。由于普通粘土陶粒表观密度小、粒型圆滑，掺加后粘土陶粒在混凝土中上浮明显，均质性变差。
2.6推荐混凝土配合比
根据试验结果，综合原材料成本因素，在满足设计要求同时降低生产成本。推荐特定密度混凝土配合比如表11所示。
（2）净水灰比为单位体积混凝土的净水量与胶材用量的比值。
3小结
根据上述试验结果分析得出如下结论：
（1）掺加粘土陶粒混凝土的强度较低，匀质性较差，建议不宜采用。
（2）掺加页岩陶粒混凝土的工作性、力学性能满足设计条件，体积稳定性、匀质性较基准混凝土有所改善。掺加页岩陶粒混凝土的抗氯离子扩散系数<5.0，满足设计要求。
（3）推荐配合比见表11。
参考文献
[1]丁庆军.高强次轻混凝土的研究与应用[D].武汉理工大学，2006.
[2]陈连发，王辰，王振雷，陆洋.高强次轻混凝土物理力学性能的研究[J].硅酸盐通报，2015，（01）：265-272.
[3]田耀刚.高强次轻混凝土的研究[D].武汉理工大学，2005.
[4]范瑛宏.次轻混凝土及预应力技术在预制装配式路面中的应用研究[D].河北工业大学，2015.
[5]吴勇.次轻混凝土工作性及物理力学性能的研究[D].重庆大学，2009.
[6]丁庆军，邹定华，王发洲，胡曙光.次轻混凝土匀质性影响因素研究[J].混凝土，2005，（08）：57-61.
（作者单位：中交武汉港湾工程设计研究院有限公司）
关键词：特定密度混凝土;轻集料;容重;混凝土性能
0 引言
特定密度混凝土，是指通过在普通粗、细集料中单独或复合掺入适量轻粗、细集料，使其干表观密度介于1950-2300kg/m3之间、强度介于40-80MPa之间的混凝土[1-2]。早在上世纪60年代初，德国工程师首先将混凝土应用在预应力轻集料混凝土桥梁上。最初是为了改善轻集料混凝土弹性模量低和梁式桥端的局部受压状态，用普通混凝土直接取代部分轻集料混凝土，以后才逐渐发展到普通混凝土中掺入部分轻集料配制“特定密度混凝土”[3-4]。众多研究表明，使用普通混凝土集料和轻集料复合配制特定密度混凝土，可以在满足混凝土强度和弹性模量等物理力学性能的前提下，显著减小混凝土干表观密度，降低结构自重，同时还可以利用轻集料的内养护作用减少混凝土早期自收缩，改善混凝土的体积稳定性和耐久性[5-6]。
本试验通过掺入不同种类和掺量的粗、细页岩陶粒轻集料制备设计要求容重范围内的特定密度混凝土，并分析研究其工作、力学、体积稳定性和耐久性能，为以后工程在应用特定密度混凝土材料时提供参考。
1 试验原材料与试验方法
1.1试验原材料
本项目特定密度混凝土试验用原材料包括：水泥采用华润平南P.II 42.5硅酸盐水泥;矿物掺合料采用镇江谏壁I级粉煤灰、首钢盾石S95级矿粉;细集料采用II区中砂（西江河砂），细度模数2.60;粗集料采用5-20mm连续级配石灰岩碎石（广东新会白水带石场）;外加剂采用具有超分散、长效保坍、低收缩、增稠等性能的聚羧酸系高性能减水剂，对于特定密度混凝土工作性调配及硬化性能提升具有良好效果;轻集料采用粒径为5-20 mm的轻粗集料和粒径为0-5 mm的轻细集料。轻集料来源及其性能指标参数见表1。
1.2 配合比
特定密度沉管混凝土基准配合比见表2所示，混凝土性能如表3所示。
由容重设计公式可以看出，达到设计的特定容重，轻骨料的掺量与预吸水24 h后的面干表观密度及所取代的砂石表观密度有关，在本试验中，所用的港珠澳大桥岛隧工程粗骨料表观密度为2630 kg/m3，细骨料表观密度为2600 kg/m3。
1.3试验方法
在满足设计要求容重范围前提下，对于工作性能，以混凝土坍落度、扩展度和含气量为一般控制指标，以分层度为特殊控制指标;对于力学性能，以抗压强度、劈拉强度和静力受压弹性模量为主要控制指标;对于体积稳定性能，以自收缩和干燥收缩为主要控制指标;对于耐久性能，以氯离子扩散系数为主要控制指标，试验方法如表4所示。
2结果与分析
2.1特定密度混凝土工作性能
基于以上配合比设计，考查了特定密度混凝土的出机工作性能、分层度、匀质性、含气量及新拌容重。新拌混凝土出机状态饱满，包裹性好，如图1所示。新拌混凝土工作性能指标如表5所示。
由表5试验结果可知，新拌特定密度混凝土的坍落度和扩展度达到技术要求。实测新拌混凝土容重在设计的范围内，表明特定密度混凝土容重设计方法可靠。
2.2特定密度混凝土物理力学性能
力学性能是混凝土最基本、最重要的性能，是分析、设计和计算混凝土材料或结构的重要参数和控制工程施工质量的主要指标。本小节主要研究轻骨料类型与掺量对特定密度混凝土物理力学性能的影响规律。
特定密度混凝土的物理力学试验结果如表6所示。
由表6可知，页岩陶粒的掺量在50%以内时，特定密度混凝土28d强度达到60MPa以上，弹性模量超过3.7×104MPa，均满足设计要求。掺加普通粘土陶粒的试件强度较低，原因是陶粒本身强度较低，导致试件总体强度较低。
2.3特定密度混凝土体积稳定性
特定密度混凝土体积稳定性测试结果如圖2，图3所示。自收缩测试结果表明，掺加轻骨料后，其内养护效果减少了特定密度混凝土的自收缩。干燥收缩测试结果表明，掺加轻骨料也可以降低特定密度混凝土早龄期干燥收缩，但改善幅度不及自收缩。此次结果表面，在本试验设计控制的范围内，掺加预吸水轻骨料的特定密度混凝土体积稳定性优于普通混凝土。
2.4抗氯离子渗透性能
特定密度混凝土的抗氯离子渗透试验结果如表7所示。
由表7可知，掺加页岩陶粒和普通粘土陶粒后，特定密度混凝土28d氯离子扩散系数小于6.5，达到设计要求。每组陶粒试件的28d氯离子扩散系数随着陶粒掺量增加而增大，其中掺加页岩陶粒的试件28d氯离子扩散系数小于5.0，抗氯离子渗透性能较好。
2.5特定混凝土匀质性
在特定密度混凝土成型过程中轻骨料上浮和普通骨料下沉，凝结硬化前易出现分层离析现象，引起的强度分布不均匀，大体积混凝土出现该种现象的几率更大。因此，对特定密度混凝土的匀质性研究显得尤为重要。本试验通过混凝土粗骨料质量的分层度、混凝土密度的分层度和强度的离散型三个方面研究其匀质性。
2.5.1粗骨料质量的分层度
对粗骨料质量分层度的测试采用分层度筒，分层度模具为圆柱状，分上中下三层，且相互连通。试验时，混凝土拌和物装入后，经振动台振动20s后分别取出上下层拌和物，然后再装入筛孔尺寸为5mm钢筛，用水冲刷干净水泥砂浆，挑出拌和物中的粗集料，烘干后分别测量上下层拌和物中的粗集料质量，计算粗集料质量分层度。
混凝土粗骨料质量分层度试验结果如表8所示。
由表8可知，两种集料比例相差越大，分层度越大。由于两种粗集料相对于水泥浆体的密度不同，粗集料在混凝土中的受力状态也各不相同。振捣时，两种骨料在水泥浆体中的运动方向相反，上浮的轻集料与下沉的普通集料会阻碍彼此运动，发生干涉现象，降低分层度，因此特定密度混凝土的分层度小于基准混凝土，且两种集料比例相差越大，分层度越大。粘土陶粒因其颗粒表面粗糙度较小，颗粒密度与浆体密度相差较大，故其分层度较大。 2.5.2密度分层度
新拌混凝土密度分層度试验结果如表9所示。
由表9可知，新拌混凝土密度分层度试验结果与粗骨料质量分层度变化规律一致。掺加页岩陶粒后新拌混凝土密度分层度变小，匀质性得到改善。
2.5.3混凝土强度离散性
混凝土强度离散性试验通过测试振捣后同一浇筑层上下层混凝土抗压强度来表征：试验模拟施工分层高度，高度>800mm、直径为110mm的PVC直圆筒，使用振动台，固定振动时间20s，硬化满足切割条件后从管底开始均匀切段，养护至28天后测试各段抗压强度。
由表10可知，掺加福建和湖北页岩900级陶粒后混凝土的强度匀质性明显改善。由于普通粘土陶粒表观密度小、粒型圆滑，掺加后粘土陶粒在混凝土中上浮明显，均质性变差。
2.6推荐混凝土配合比
根据试验结果，综合原材料成本因素，在满足设计要求同时降低生产成本。推荐特定密度混凝土配合比如表11所示。
（2）净水灰比为单位体积混凝土的净水量与胶材用量的比值。
3小结
根据上述试验结果分析得出如下结论：
（1）掺加粘土陶粒混凝土的强度较低，匀质性较差，建议不宜采用。
（2）掺加页岩陶粒混凝土的工作性、力学性能满足设计条件，体积稳定性、匀质性较基准混凝土有所改善。掺加页岩陶粒混凝土的抗氯离子扩散系数<5.0，满足设计要求。
（3）推荐配合比见表11。
参考文献
[1]丁庆军.高强次轻混凝土的研究与应用[D].武汉理工大学，2006.
[2]陈连发，王辰，王振雷，陆洋.高强次轻混凝土物理力学性能的研究[J].硅酸盐通报，2015，（01）：265-272.
[3]田耀刚.高强次轻混凝土的研究[D].武汉理工大学，2005.
[4]范瑛宏.次轻混凝土及预应力技术在预制装配式路面中的应用研究[D].河北工业大学，2015.
[5]吴勇.次轻混凝土工作性及物理力学性能的研究[D].重庆大学，2009.
[6]丁庆军，邹定华，王发洲，胡曙光.次轻混凝土匀质性影响因素研究[J].混凝土，2005，（08）：57-61.
（作者单位：中交武汉港湾工程设计研究院有限公司）