C50轻集料混凝土配合比课程设计.docx

LC50轻集料砼
1.轻集料砼概述
1.1定义
我国轻集料混凝土技术规程(JGJ-51-2002)规定，轻集料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥、和水配制而成的表观密度不大于1950kg/m³的混凝土。轻骨料混凝土按其轻粗集料的种类可分为：天然轻集料混凝土、工业废料轻集料混凝土和人造轻集料混凝土三大类。按用途可分为: 保温轻集料混凝土、结构保温轻集料混凝土、结构轻集料混凝土[1]。轻骨料混凝土具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性能好等优点，降低结构自重，具有技术经济优势。
1.2研究现状
澳大利亚新南威尔士大学 O Kayali 和 M N Haque（1999）对 LC60 级轻骨料混凝土进行试验研究发现[2]，其弹性模量为21 GPa，长期干燥收缩值约为普通混凝土的2 倍，干燥收缩率100 d 龄期内保持不变，而普通混凝土56 d 龄期后收缩率明显减慢。
巴西圣保罗大学 Marcos V.C Agnesini 和 Joao A Rossignolo （2002[3]，2004[4]）研究了 LC30~LC50 级苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）改性轻骨料的混凝土的性能，发现 SBR 乳液降低了轻骨料混凝土的吸水率，提高了其拉伸强度、弯曲强度、抗化学侵蚀性和耐腐蚀性。
澳大利亚新南威尔士大学 O Kayali 和 M.N Haque （2003）研究了聚丙烯纤维和钢纤维对烧结粉煤灰轻骨料混凝土的增强效果[5]，分析聚丙烯纤维和钢纤维对轻骨料混凝土抗压强度、 抗拉强度、 断裂指数、 弹性模量、 应力-应变关系和压缩韧性的影响。 加入0.56% （体积分数）聚丙烯纤维的轻骨料混凝土，相比普通烧结粉煤灰轻骨料混凝土，其拉伸强度提高20%，断裂指数增加90%。 掺入1.7% （体积分数）钢纤维的轻骨料混凝土，其拉伸强度提高了约118%，断裂指数增加了约80%。
土耳其阿塔图尔克大学 Oguz Akin Duzgun 和 Rustem Gul（2005）研究了钢纤维对浮石骨料混凝土的力学性能效果[6]，试验结果表明，随着钢纤维掺量的增加，浮石骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度都有所提高，当钢纤维体积率是2.5%时，三者分别提高了8.5%，21.1%，61.2%。
土耳其 Eski ehir Osmangazi 大学 ilker Bekir Topcu 和Anadolu 大学 Burak Is覦kdag（2008）研究了膨胀珍珠岩轻骨料混凝土的性能[7]，用膨胀珍珠岩替代粗骨料的比例为0、15%，30%，45%和60%；制备出抗压强度为20 ~30 MPa的轻骨料混凝土。
澳大利亚国防军学院 O Kayali（2008）制备出粉煤灰轻骨料混凝土，其密度比普通混凝土轻22%，强度提高20%左右，干燥收缩率减少33%，具有较好的耐久性能；此外，该轻骨料混凝土在不降低强度的情况下，可以减少20%的水泥用量[8]。
印度马德拉斯技术学院 K Ramamurthy 和 E K Kunhanandan Nambiar （2009）研究了泡沫轻骨料混凝土组成材料、配合比和生产方式，开发出性价比高的发泡剂和泡沫发生器，研究了发泡剂和化学外加剂、纤维、轻骨料和钢筋之间的相容性[9]。
土耳其伊斯坦布尔技术大学 Ozkan Sengul 和 SenemAzizi（2011）研究了膨胀珍珠岩对轻骨料混凝土的机械性能和热导率的影响[10]，试验结果表明： 随着珍珠岩掺量的增加，混凝土的抗压强度和弹性模量随之减小，而吸水率和吸着力系数随之增加，热导率显著提高。
美国密歇根州立大学 Nicolas Ali Libre 和 MohammadShekarchi（2011）为了改善浮石轻骨料混凝土的力学性能和延性性能，在混凝土中加入了钢纤维和聚丙烯纤维，研究了该混凝土的容重、和易性、抗压强度、抗拉强度和韧性，测试了九个不同体积分数的钢纤维和聚丙烯纤维的混凝土试块的相关性能。 试验表明：钢纤维和聚丙烯纤维使混凝土的抗压强度、抗拉强度和韧性得到提高，密度降低[11]。
伊朗伊斯法罕科技大学 Maryam Mortazavi 和 MojtabaMajlessi（2012）研究了硅粉对轻骨料混凝土的影响[12]，测试结果表明：硅粉能够大幅度地提高轻骨料混凝土的抗压强度，但硅粉掺量较高时，混凝土强度增加的速率则减慢。
沙特阿拉伯达曼大学 IARAl-Hashmi 和 SAhmad（2013）采用粉煤灰和膨润土制成陶粒，配制成轻骨料混凝土，研究表明：粉煤灰陶粒能降低混凝土的密度，随着粉煤灰陶粒掺量的增加，混凝土拌合物的和易性降低[13]。
1.2 国内研究现状
清华大学丁建彤和王贤磊等（2002）试验结果表明[14]，钢纤维可明显提高轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能；钢纤维对拉压比和折压比随基体抗压强度的增加而下降的趋势基本无影响，但在同样的基体强度等级下，钢纤维可以显著提高轻骨料混凝土的拉压比和折压比，可稍微减小轻骨料混凝土的后期收缩。
清华大学宋培晶和丁建彤等（2004）采用低吸水率（2.5%）的轻骨料制备出抗压强度为 55~65 MPa 的轻骨料混凝土[15]，测出其180 d 龄期时的收缩率值范围是 5.2×10-4~7.7×10-4，该收缩率统计值比 JGJ 51-2002 规程的限值大0.7×10-4~2.8×10-4。
东南大学高建明和南京工程学院董祥（2005）研究了钢纤维和有机合成纤维对轻骨料混凝土的增强增韧效果[16]，结果表明：掺入钢纤维具有较好的增强增韧效果、弯曲韧度系数最高可提高14倍，但表观密度相应增大；掺入有机合成纤维可以在不增加轻骨料混凝土表观密度、保证其高强度的基础上，有效地改善轻骨料混凝土的韧性。
内蒙古工业大学霍俊芳和内蒙古农业大学申向东（2008）利用浮石轻骨料、 钢纤维、聚丙烯纤维及硅灰配制纤维轻骨料混凝土，研究在水中冻融作用及硫酸钠溶液中冻融作用下纤维轻骨料混凝土的抗冻耐久性能[17]，研究表明：轻骨料混凝土在硫酸钠溶液中冻融损伤明显大于水冻环境；掺入两种纤维后，轻骨料混凝土的强度损失率降低，而掺有粉煤灰和硅灰的纤维轻骨料混凝土的强度损失率和质量损失率均显著降低。
解放军理工大学严少华和郭志昆（2008）采用 SHPB（split Hopkinson pressure bar ）装置，对聚丙烯纤维增强轻骨料混凝土进行了冲击试验[18]，得到了 60~110s1应变速率下的应力-应变曲线，分析了该材料力学性能指标与应变速率的关系，对其静力与动力状态下的性能作了比较。试验结果表明，聚丙烯纤维增强轻骨料混凝土是良好的抗冲击材料。总参工程兵第四设计研究院吴平安和刘宜平等（2010）对混杂纤维轻骨料混凝土进行了冲击试验[19]，研究该材料受一次、重复多次冲击后的破坏现象和受力特点。结果表明：混杂纤维轻骨料混凝土是一种应变速率敏感材料，其应变速率效应高于普通混凝土。
福州大学梁咏宁和陈永波等（2011）对不同类型陶粒轻骨料混凝土试验研究表明[20]：陶粒经过预湿处理后，吸水率大的陶粒在陶粒混凝土中的返水能力比吸水率小的陶粒强；普通混凝土的有效水灰比和内部相对湿度最小，吸水率小的陶粒轻骨料混凝土居中，吸水率大的陶粒轻骨料混凝土最大；对于经过 24 h 预湿处理的粗骨料，在水泥石中孔径小于 50 hm 的累计孔径方面，吸水率大的陶粒轻骨料混凝土最小，吸水率小的陶粒轻骨料混凝土居中，普通混凝土最大；混凝土自收缩是有效水灰比和粗骨料约束程度共同作用的结果，吸水率大的陶粒轻骨料混凝土自收缩最小，普通混凝土的居中，吸水率小的陶粒轻骨料混凝土自收缩最大。
沈阳建筑大学徐长伟和张阳等（2012）研究不同种类矿物掺合料单掺、复掺时，掺合料掺量对轻骨料混凝土力学性能及均质性的影响[21]，结果表明：单掺时，在30%掺量范围内，随着矿渣粉掺量的增加，轻骨料混凝土拌合物的黏聚性增强，拌合物流动性变好，早期和后期强度增加；在20%掺量范围内，随着粉煤灰掺量的增加，轻骨料混凝土拌合物的流动性变好，泌水减小，拌合物均质性变好；当粉煤灰和矿渣粉掺量均为10%时，复合掺加矿渣粉和粉煤灰对配制大流动性高强轻骨料混凝土效果理想，抗离析性优异。
长沙理工大学高英力和程领等（2012）采用碳化试验和干燥收缩试验相结合，研究了轻骨料混凝土在碳化作用下的干缩变形发展规律及其影响因素[22]。结果表明：加速碳化作用下，轻骨料混凝土的干缩变形显著增长，而随着矿物掺合料的掺入，干缩率得到一定程度的抑制，其中掺超细粉煤灰轻骨料混凝土碳化干缩率最小；骨料预湿完全条件下轻骨料混凝土水胶比越大，碳化干缩变形越大； 轻骨料混凝土在高浓度 CO2 加速碳化作用下干缩变形显著高于自然碳化混凝土；而在相对湿度50%条件下碳化时，其干缩率要大于其他湿度条件下的试样。
河南工业大学静行和庞瑞（2013）研究了橡胶改性轻骨料混凝土的强度、耐磨性、干缩性等指标，并考虑了羧基丁苯聚合物对橡胶颗粒改性效果的影响[23]，结果表明：橡胶改性轻骨料混凝土的强度降低较多，干缩率增大，但韧性、密实性、界面黏结强度、密实度、耐磨性均获提高。
1.3技术路径
1.3.1传荷路径
在荷载作用下，轻骨料混凝土与普通混凝土的荷载传递路径明显不同，其主要原因在于粗骨料。普通混凝土是网状的水泥砂浆包围着较高强度的粗骨料，界面成为构造的薄弱部位；而轻骨料混凝土恰好相反，水泥砂浆包围着相对较低强度的轻骨料，薄弱部位从界面转移为轻骨料本身。
在普通混凝土中，粗骨料的强度超过骨料-砂浆界面的强度，裂缝延伸过程中遇到粗骨料时，将绕过其周界继续在水泥砂浆内发展，粗骨料有阻滞裂缝发展的作用。混凝土的破坏发生在水泥砂浆内，而粗骨料一般保持完整。
轻骨料混凝土受力后，粗骨料的受力较小，水泥砂浆受力较大，形成近似于以骨料作填充、以水泥砂浆作骨架的受力模型。此外，轻骨料颗粒的表面粗糙，与水泥砂浆的黏结良好。因此，当水泥砂浆中出现裂缝后，轻骨料难以阻滞裂缝的开展，裂缝将穿过粗骨料延伸。
1.3.2 技术性能
13.2.1 一般规定
1）轻骨料混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。
2）轻骨料混凝土的强度等级应划分为：LC5.0；LC7.5；LC10；LC15；LC20；LC25；LC30；LC35；LC40；LC45；LC50；IC55；LC60。
3）轻骨料混凝土按其干表观密度可分为十四个等级（表1.1）。某一密度等级轻骨料混凝土的密度标准值，可取该密度等级干表观密度变化范围的上限值
表1.1 轻骨料混凝土密度等级

4）轻骨料混凝土根据其用途可按表1.2分为三大类。
表1.2 轻骨料混凝土按用途分类

1.3.2.2 技术性能
1）结构轻骨料混凝土的强度标准值应按表1.3采用。
表1.3 结构轻骨料混凝土的强度标准值（Mpa）

2）结构轻骨料混凝土弹性模量应通过试验确定。在缺乏试验资料时，可按表1.4取值。
表1.4 轻骨料混凝土的弹性模量 ELC（×102Mpa）

3）结构用砂轻混凝土的收缩值可按下列公式计算，且计算后取值和实测值不应大于表1.6的规定值。

表1.5 收缩值与徐变系数的修正系数

表1.6 不同龄期的收缩值

4）结构用砂轻混凝土的徐变系数可按下列公式计算，且计算后取值和实测值不应大于表1.7的规定值。

表1.7 不同龄期的徐变系数

5）轻骨料混凝土的泊松比可取0.2。
6）轻骨料混凝土温度线膨胀系数，当温度为0～100oC范围时可取7×10-6/oC～10×10-6/oC 。低密度等级者可取下限值，高密度等级者可取上限值。
7）轻骨料混凝土在干燥条件下和在平衡含水率条件下的各种热物理系数应符合表1.8的要求。
表1.8 轻骨料混凝土的各种热物理系数

8）轻骨料混凝土不同使用条件的抗冻性应符合表1.9的要求。
表1.9 不同使用条件的抗冻性

9）结构用砂轻混凝土的抗碳化耐久性应按快速碳化标准试验方法检验，其28d的碳化深度值应符合表1.10的要求。
表1.10 砂轻混凝土的碳化深度值

10）结构用砂轻混凝土的抗渗性应满足工程设计抗渗等级和有关标准的要求。
11）次轻混凝土的强度标准值、弹性模量、收缩、徐变等有关性能，应通过试验确定。
2.设计目标
设计配制全轻骨料混凝土预制构件，其轻粗骨料为圆球型，混凝土强度为LC50，干表观密度为1600 kg /m3，坍落度为80mm。
3.原材料及性能
3.1 水泥
P.I 42.5，此等级水泥的技术指标见表3.1。
表3.1 P.I 42.5 技术指标
强度等级
抗压强度MPa
抗折强度MPa
凝结时间
不溶物
烧失量
氧化镁
三氧化硫
细度
安全性
碱含量
3d

28d
3d
28d
42.5
17.0
42.5
3.5
6.5
初凝≥45min
终凝≤6.5h
≤0.75
≤3.0%
≤
5.0%
≤
3.5%
比表
面积＞300m2/kg
用沸渣法检验必须合格
用NaO＋0.658k2O计算值表示；≤0.60%时供需双方确定
依据国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）.
3.2 轻骨料
轻骨料混凝土所用轻骨料应符合国家现行标准《轻集料及其试验方法第1部分： 轻集料》（GB/T 17431-1）和《膨胀珍珠岩》（JC 209）的要求；膨胀珍珠岩的堆积密度应大于80kg/m3。依据GB/T 17431-1规程选取轻粗集料为密度等级为800的粘土陶粒，最大粒径不大于19mm，其性能见表3.1。
表3.1 粘土陶粒物理力学性能

轻细集料选择细骨料: 球型破碎细骨料Mx= 3.6%,ρ1s=842kg /m3。
3.3 拌合用水
混凝土拌和用水应符合国家现行标准《混凝土拌和用水标准》（JGJ 63）的要求。本配合比采用自来水。
3.4 减水剂
本设计根据《混凝土外加剂》（GB 8076-2008中表1 “受检混凝土性能指标”选择标准型萘系高效减水剂（HWR-S），减水率18%。
3.5 矿物掺和料
本设计粉煤灰选取按照《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB 8076）、《混凝土外加剂》(GB 8076)相关规定执行。可根据表3.5选择Ⅰ级粉煤灰：
表3.5 Ⅰ级粉煤灰参数要求：

4.配合比设计
本配合比设计依据《JGJ 51-2002 轻骨料混凝土技术规程》采用松散体积法进行配合比计算。配合比计算中粗细骨料用量均应以干燥状态为基准。
4.1 试配强度
依据《JGJ 51-2002 轻骨料混凝土技术规程》，全轻混凝土试配强度由式4-1确定：
（4-1）

标准差σ按表4.1取值：
表4.1 轻集料混凝土强度标准差取值标准
混凝土强度等级
≤LC20
LC20-LC35
≥LC35
σ/MPa
4.0
5.0
6.0
本配合比配制强度等级为C50，标准差σ取6.0，故试配强度为：
fcu,0≥50+1.645×6.0=59.87MPa
4.2 水泥用量
水泥用量应符合表4.2相关规定：
表4.2 选用轻集料混凝土水泥用量/（kg/m³）
混凝土试配强度/MPa
轻集料密度等级
700
800
900
1000
30-40
420-500
390-490
380-480
370-470
40-50

430-530
420-520
410-510
50-60

450-550
440-540
430-530
注：表中的水泥用量下限值适用于圆球型(如粉煤灰陶粒、粘土陶粒等)，普通型 (如页岩陶粒 、膨胀珍珠岩陶粒)的粗集料，上限值适用于碎石型(如浮石、膨胀矿渣等)的粗集料，采用轻砂时，水泥用量宜采用表中的上限值；轻集料混凝土的最大水泥用量不宜超过 550Kg/m³ ，最小水泥用量不得低于 200kg/m³。
故选择水泥用量为：
mc=550 kg/m³
4.3 松散体积砂率
松散体积砂率由表4.3选取：
表 4.3 轻骨料混凝土的砂率

本配合比设计全轻混凝土预制构件，故砂率选择：
Sp=35%
4.4 每立方米混凝土粗细骨料用量
粗细集料总体积由表4.4确定：
表4.4 粗细集料总体积

本配合比轻粗骨料粒型为圆球型，细骨料品种为圆球型轻砂，故选择粗细骨料总体积为：
Vt=1.30 m3
按下列公式计算每立方米混凝土的粗细骨料用量：

其中Sp=35%，Vt=1.30 m3，ρ1a=720 kg/m3, ρ1s=842kg/m3,故每立方米粗细骨料用量分别为：
ms=383.11kg
ma=608.4kg
4.5 总用水量
总用水量由净用水量和附加水量组成。
4.5.1净用水量由表4.5.1确定：
表4.5.1 轻骨料混凝土的净用水量

结合上表选择净用水量为：
mwn=165kg/m³
4.5.2 附加水量
附加水量由表4.5.2计算：
表4.5.2 附加水量的计算

本配合比粗骨料不预湿，细骨料为轻砂，故附加水量为：
mwa=ma*ωa+ms*ωs
=44.82 kg/m3
总用水量由下式计算：

故总用水量为：
mwt=209.82 kg/m3
4.6 干表观密度
混凝土干表观密度按下式计算：

本次配合比干表观密度为：
ρcd=1612.51 kg/m3
和设计混凝土配合比相差0.78%，小于2.0%，符合规范要求。
因此，通过松散体积法设计的1600级LC50轻集料混凝土基准配合比如表4.6所示:
表4.6 1600级LC50轻集料混凝土基准配合比（kg/m3）
水泥
陶粒
砂子
水
540
608.4
383.11
209.82
即W∶C∶S∶G=209.82∶540∶383.11∶ 608.4

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