輕集料混凝土的研究和應(yīng)用

趙明霞

輕集料混凝土是指用輕粗集料、輕細(xì)集料 (或普通砂)、水泥和水，必要時(shí)加入化學(xué)外加劑和礦物摻合料配制成的混凝土，其表觀(guān)密度不大于1950 kg／m3。其中由輕砂作細(xì)集料配制而成的輕集料混凝土為全輕混凝土，由普通砂或部分輕砂作細(xì)集料配制而成的輕集料混凝土為砂輕混凝土。

一、輕集料混凝土的特性

與普通混凝土相比，輕集料混凝土主要有以下優(yōu)良特性：

1、輕質(zhì)高強(qiáng)

輕集料中孔隙的存在降低了集料的容重，從而降低了輕集料混凝土的容重，結(jié)構(gòu)輕集料混凝土的容重一般為1400～1900 kg／m3，比普通混凝土約小20%～40%，而其強(qiáng)度可以達(dá)到普通混凝土常用的強(qiáng)度等級(jí)，但比其強(qiáng)度高。對(duì)于結(jié)構(gòu)恒載(即自重)占有較大比例且對(duì)材料性能有較高要求的高層建筑、大跨度橋梁等工程而言，輕集料混凝土的這種特性在經(jīng)濟(jì)效益方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。特別是當(dāng)輕集料混凝土用于建造橋梁時(shí)，可使橋梁的跨度增大，減少橋墩的數(shù)量，減少上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼筋的用量，降低基礎(chǔ)處理的費(fèi)用，尤其在沿海地基上，由于基礎(chǔ)處理費(fèi)用相對(duì)較高，節(jié)省的幅度將更大，降低原材料和構(gòu)件運(yùn)輸、安裝費(fèi)用等。

2、抗震性能好

輕集料混凝土，由于自重輕、彈性模量低，因而抗震性能好。用它建造的建筑物，在地震荷載作用下，所承受的地震力小，震動(dòng)波的傳遞也較慢，且自振性能比普通混凝土要好。1976年唐山大地震時(shí)，京津地區(qū)幾十棟使用輕集料混凝土的工業(yè)與民用建筑基本上完好無(wú)損，周?chē)拇u混結(jié)構(gòu)房屋則遭受?chē)?yán)重破壞或倒塌，不少工廠(chǎng)磚砌煙囪震裂倒塌。

3、耐久性良好

輕集料的孔結(jié)構(gòu)造成了它的“微泵”效應(yīng)。在輕集料混凝土成型后，輕集料會(huì)吸收過(guò)多的水分，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土水分逐漸蒸發(fā)，輕集料又會(huì)緩慢釋放出內(nèi)部的水分，使水泥石得到充分的養(yǎng)護(hù)，從而提高水泥石的密實(shí)性和強(qiáng)度。這種效應(yīng)還改善了水泥石的孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了抗?jié)B性能，因此，輕集料混凝土抗有害介質(zhì)侵入的能力也相對(duì)較強(qiáng)。另外，使用輕集料能有效避免混凝土的堿集料反應(yīng)問(wèn)題，從而使建筑物的使用壽命延長(zhǎng)。

4、抗裂性較好

同普通混凝土相比，輕集料混凝土的熱膨脹系數(shù)和彈性模量較小，使得由于冷縮和干縮作用引起的拉應(yīng)力相對(duì)較小，表現(xiàn)為輕集料混凝土構(gòu)件的抗裂性較好，這對(duì)改善結(jié)構(gòu)的耐久性、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命是非常有利的，并有助于降低結(jié)構(gòu)在使用期間的維護(hù)費(fèi)用。

二、輕集料混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、輕集料混凝土在高層建筑中的應(yīng)用

我國(guó)進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著高強(qiáng)度、低吸水率的高強(qiáng)輕集料的研制和生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)輕集料混凝土在工程應(yīng)用中也嶄露頭角。1999年建造完成的24層的珠海國(guó)際會(huì)議中心，為滿(mǎn)足建筑功能變更的要求，在9層以上的軸線(xiàn)范圍內(nèi)采用輕集料混凝土，有效地減輕了結(jié)構(gòu)自重，共使用了約1115m3輕集料混凝土。經(jīng)估算，采用輕集料混凝土方案比采用基礎(chǔ)、梁、柱加固方案節(jié)省資金20多萬(wàn)元，縮短施工周期半年以上。2005～2006年建造的宜昌濱江國(guó)際大廈，建筑總高101.1m，大屋面高度93.6m，總建筑面積為36 197.9m2。四層以上采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)形式，全部采用陶?；炷两ㄔ欤灿肔C40輕集料混凝土2990m3，LC35輕集料混凝土3650m3。該工程首創(chuàng)了我國(guó)在結(jié)構(gòu)體系上(筒體、剪力墻、梁、柱、板)全部采用輕集料混凝土建高層的記錄，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕集料混凝土垂直高度達(dá)101m的高層高強(qiáng)泵送技術(shù)。

2、輕集料混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用

永定新河大橋是我國(guó)輕集料混凝土在橋梁工程中應(yīng)用最為成功的一個(gè)典型范例。該橋是位于唐津高速公路上的一座大型橋梁，全長(zhǎng)1565.5m。在該橋南北引橋工程的上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C40、密度等級(jí)為1900的輕集料混凝土。這是我國(guó)應(yīng)用新材料、新技術(shù)建筑現(xiàn)代輕集料混凝土橋梁的開(kāi)端。

3、輕集料混凝土在道路工程中的應(yīng)用

在美國(guó)得克薩斯州休斯敦市的一條州際公路上，有兩段沿街道路就是連續(xù)配筋的輕集料混凝土路面的一個(gè)實(shí)例。這些路段建于1963～1964年，是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上研究配筋百分率的影響，預(yù)定了裂縫的間距和骨料的種類(lèi)。路面板是150mm厚的混凝土，下面是150mm厚的由水泥穩(wěn)定的骨架路基。整體澆筑的寬度達(dá)7m。在1974年、1984年和最后的1988年，即路面開(kāi)通使用后24年，都對(duì)路面的彎沉、裂縫間距和表面情況進(jìn)行檢查。研究表明，用輕骨料混凝土澆筑的路面，同用硅質(zhì)礫石作為粗骨料的普通混凝土路段相比，前者的表面損壞較少。這表明，輕骨料混凝土路面可與現(xiàn)代的普通混凝土路面相媲美。

三、輕集料混凝土存在的主要問(wèn)題

1、輕集料混凝土的分層離析

輕集料混凝土拌和物主要是由輕集料、細(xì)集料、膠結(jié)材料和水四部分組成。這四種組成部分的比重各不相同，在混凝土拌和后會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象。一般對(duì)于普通密度混凝土，比重較小的水、水泥漿及帶有較小細(xì)集料的水泥砂漿上浮，粗集料及較大顆粒的細(xì)集料及包裹它們的水泥漿下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。但對(duì)于輕集料混凝土，則是比重較小的輕集料、水等上浮，水泥漿和細(xì)集料下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了輕集料混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。同時(shí)輕集料的上浮也容易造成輕集料混凝土的離析。這種分層離析現(xiàn)象在坍落度大的輕集料混凝土中尤為明顯。很顯然，控制輕集料混凝土分層離析的關(guān)鍵技術(shù)在于控制輕集料的上浮。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，并提出以下若干措施來(lái)控制輕集料的上浮。

(1)嚴(yán)格控制輕集料的最大粒徑。一般輕集料的最大粒徑不宜超過(guò)20mm。

(2)選擇合適的輕集料品種。配制高流動(dòng)性輕集料混凝土應(yīng)優(yōu)先選用碎石型輕集料。

(3)摻加增粘保塑的外加劑以提高水泥漿體的粘度。

(4)摻加引氣劑。在不影響混凝土強(qiáng)度的前提下，混凝土中引入3%～5%含氣量，能夠減小水泥石與輕集料之間的密度差，有助于防止輕集料上浮。

(5)在不增加混凝土容重的同時(shí)，設(shè)置能夠抑制輕集料上浮的網(wǎng)架，如摻加纖維等物質(zhì)可以抑制輕集料上浮。

(6)系統(tǒng)控制配合比參數(shù)，尤其是單位用水量、外加劑摻量和砂率，以實(shí)現(xiàn)混凝土流動(dòng)性和穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2、輕集料混凝土的泵送問(wèn)題

高層建筑和橋梁工程混凝土施工時(shí)一般采用泵送工藝，但輕集料混凝土的可泵性相對(duì)較差，主要存在三個(gè)方面的問(wèn)題：輕集料混凝土的分層離析，坍落度損失快和輕集料壓力作用下吸水。這三個(gè)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致泵送時(shí)堵泵。輕集料混凝土的分層離析的控制已有說(shuō)明。坍落度損失一直都是高性能混凝土研究中的一個(gè)重大課題，目前已經(jīng)取得了許多研究成果。在這方面，可以借鑒高性能混凝土中控制坍落度損失的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合輕集料混凝土自身的特點(diǎn)進(jìn)行研究。輕集料壓力下吸水是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。目前生產(chǎn)工藝條件下制造出來(lái)的輕集料，其孔隙結(jié)構(gòu)較差，不僅球狀孔直徑大，且開(kāi)孔率高，而又分布不均勻，裂縫等缺陷也較多，因而在壓力作用下吸水率增大，導(dǎo)致混凝土拌和物狀態(tài)惡化而影響混凝土的可泵性。這個(gè)問(wèn)題的解決有賴(lài)于輕集料生產(chǎn)技術(shù)的改善。

3、輕集料混凝土的強(qiáng)度問(wèn)題

普通混凝土的強(qiáng)度與水泥用量有很大關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，在耐久性允許的范圍內(nèi)，水泥用量越大，混凝土強(qiáng)度越高。但是，輕集料混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度以后，在繼續(xù)增加水泥用量的情況下，其強(qiáng)度增加不再明顯，還會(huì)增大輕集料混凝土的收縮裂縫和溫度裂縫引起的危害，降低混凝土的耐久性。這是因?yàn)?，普通混凝土中，石子的?qiáng)度大大超過(guò)水泥砂漿的強(qiáng)度，因此普通混凝土的薄弱部分是水泥砂漿；而在輕集料混凝土中，一般來(lái)說(shuō)，輕集料的強(qiáng)度低于水泥砂漿的強(qiáng)度，輕集料混凝土的薄弱部分是輕集料?；炷亮芽p的情況證實(shí)了這點(diǎn)?；炷翑嗔押螅胀ɑ炷恋牧芽p大部分是繞過(guò)粗集料的；而輕集料混凝土的裂縫則大部分穿過(guò)輕集料，表現(xiàn)為輕集料斷裂。因此，提高輕集料自身的強(qiáng)度是提高輕集料混凝土強(qiáng)度的最有效的辦法。

四、輕集料混凝土應(yīng)用于道路工程的可行性分析

近年來(lái)，輕集料混凝土較多地應(yīng)用于高層建筑和橋梁工程中，而應(yīng)用于道路工程則很少見(jiàn)。事實(shí)上，由于輕集料表面粗糙多孔，輕集料內(nèi)部孔洞直接吸音降噪的作用較突出，當(dāng)輕集料混凝土用于道路時(shí)能降低路面行駛噪音，并能提高路面防滑能力，提高行駛舒適性。

輕集料混凝土應(yīng)用于道路工程可能存在三個(gè)方面的問(wèn)題：

1、輕集料混凝土的分層離析問(wèn)題

輕集料混凝土坍落度較大時(shí)分層離析現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而在坍落度較小時(shí)則影響不大。道路工程由于采用滑模鋪筑、軌道鋪筑等施工方式，對(duì)混凝土的坍落度要求不大，一般只有20mm～60mm。在這樣的坍落度下，輕集料混凝土的分層離析是比較小的，不會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生影響。

2、輕集料混凝土的抗彎拉強(qiáng)度

道路工程中混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)主要是抗彎拉強(qiáng)度 (舊標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)抗折強(qiáng)度)。與普通混凝土相比，輕集料混凝土的抗彎拉強(qiáng)度有所降低。輕集料混凝土的抗彎拉強(qiáng)度與輕集料的級(jí)配以及輕集料混凝土的配合比參數(shù)有關(guān)。通過(guò)調(diào)整合理的級(jí)配和適當(dāng)?shù)呐浜媳葏?shù)能有效提高輕集料混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)28d強(qiáng)度達(dá)到4.5MPa是不成問(wèn)題的，可滿(mǎn)足中等交通等級(jí)公路的要求。

3、輕集料混凝土的耐久性

道路工程對(duì)混凝土耐久性的要求主要是抗凍性和抗腐蝕性。輕集料混凝土的抗凍性良好。田耀剛、胡曙光等人的研究表明，輕集料混凝土經(jīng)250次凍融循環(huán)后其動(dòng)彈性模量仍在90%以上，質(zhì)量損失率在1%以下。另一方面，由于輕集料的“微泵”效應(yīng)，輕集料混凝土抗有害介質(zhì)侵入的能力也相對(duì)較強(qiáng)；而且，使用輕集料能有效避免混凝土的堿集料反應(yīng)問(wèn)題。因此，道路工程中使用輕集料混凝土，其耐久性是可以得到保證的。

綜上所述，輕集料混凝土應(yīng)用于道路工程是可行的。

五、結(jié)語(yǔ)

輕集料混凝土由于其自身的優(yōu)良特性，越來(lái)越多地應(yīng)用于高層建筑和橋梁工程中，并可進(jìn)一步應(yīng)用于道路工程中，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，還可取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，利用工業(yè)廢料生產(chǎn)輕集料還可以變廢為寶，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)減少了天然資源的開(kāi)采，有利于環(huán)境保護(hù)，符合現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的要求，輕集料混凝土將大有用武之地。