輕質(zhì)混凝土概述

劉凱 陶德輝 張玉華 張寶峰

【摘要】由于混凝土主要材料的地方化、配置的質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性受制于施工單位的技術(shù)和管理水平，使混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)都有較大的離散度。本文主要介紹的一種混凝土是輕質(zhì)混凝土，就輕質(zhì)混凝土的分類(lèi)、力學(xué)性能理論分析和探討輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用。在工程中應(yīng)用已有80余年的歷史，國(guó)內(nèi)外在各類(lèi)結(jié)構(gòu)中已廣為應(yīng)用，高層建筑中使用更有特殊的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】輕質(zhì)混凝土；普通混凝土；泊松比；力學(xué)性能

引言：

對(duì)常用的普通結(jié)構(gòu)混凝土而言，單位密度強(qiáng)度值（ ）遠(yuǎn)低于鋼、木等結(jié)構(gòu)材料，故用以制造相同承載力的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)必定比鋼、木等結(jié)構(gòu)材料更重。結(jié)構(gòu)的自重大，增加了支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的負(fù)重，縮減了結(jié)構(gòu)的有效空間和凈空，限制了向更大跨度和高聳結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在地震區(qū)還加大了慣性力和結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，成為混凝土的一大缺點(diǎn)。此外，混凝土的質(zhì)脆和抗拉強(qiáng)度低，易于開(kāi)裂，降低了結(jié)構(gòu)的使用期性能和耐久性能，這也是其弱點(diǎn)。

隨著混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，規(guī)模的增大，使結(jié)構(gòu)工程向更高、跨度更大、荷載更重的方向發(fā)展，對(duì)其性能的要求也更高了，因而混凝土材料的弱勢(shì)更顯突出，阻礙了它在這些工程中的應(yīng)用。為了適應(yīng)發(fā)展的要求，勢(shì)必要對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土材料加以改善，以提高性能指標(biāo)和減輕自重。經(jīng)過(guò)多年的研究、開(kāi)發(fā)和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，已經(jīng)成功地研制了高強(qiáng)混凝土（ ）、輕質(zhì)混凝土（ ）和纖維混凝土等多種結(jié)構(gòu)混凝土。在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，獲得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，并進(jìn)一步推動(dòng)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

一、輕質(zhì)混凝土的分類(lèi)

采用輕質(zhì)混凝土（密度 ）替代普通混凝土是減輕結(jié)構(gòu)自重的最直接、有效地措施，在承載力相同的條件下可減輕重量20%～40%。輕質(zhì)混凝土都是多孔性材料，導(dǎo)熱系數(shù) 和線膨脹系數(shù) 都小于普通混凝土，熱工性能較好，所建造結(jié)構(gòu)保溫、抗高溫和耐火極限等性能均明顯超過(guò)普通混凝土結(jié)構(gòu)，這是應(yīng)用輕質(zhì)混凝土的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。工程中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土分兩大類(lèi)：

1、“均質(zhì)”多孔性混凝土（ ）

如加氣混凝土，以水泥或石灰、粉煤灰作為主要膠結(jié)材料，摻入細(xì)砂或礦渣，加水后拌成料漿，同時(shí)摻入發(fā)氣劑，在料漿內(nèi)產(chǎn)生大量均勻、穩(wěn)定的氣孔（直徑1～2mm），經(jīng)過(guò)靜停和高溫高壓蒸養(yǎng)后定型，成為一種密布?xì)饪椎暮暧^均勻材料。在工廠中將加氣混凝土配筋構(gòu)件制造成各種規(guī)格的制品，用作建筑物的屋面板、樓板和墻板，無(wú)筋塊體可以砌筑墻體，質(zhì)輕、兼?zhèn)涑兄睾捅刈饔?，便于現(xiàn)場(chǎng)加工。

2、輕骨料混凝土（ ）

采用輕質(zhì)多孔粗骨料替代普通粗骨料（碎石或卵石），與普通砂、水泥和水配合而成砂輕混凝土。若還使用輕砂，則稱(chēng)全輕混凝土。用作結(jié)構(gòu)混凝土的輕（粗）骨料，按其來(lái)源和成分有三類(lèi)：

天然生成——如浮石、火山渣等多孔巖石，經(jīng)破碎、篩選而成；

工業(yè)廢料——如自然煤矸石、煤渣等，以及經(jīng)燒制的粉煤灰陶粒；

人造材料——如經(jīng)煅燒制成的頁(yè)巖或粘土陶粒、膨脹珍珠巖等。

粗骨料的形狀因其來(lái)源不同而有不規(guī)則的碎石狀、圓球狀、長(zhǎng)橢圓（球）狀等。粗骨料本身的強(qiáng)度不高，用于結(jié)構(gòu)工程的骨料最大粒徑不宜大于20mm，其顆粒密度為 ，堆積密度為 。材料和制作工藝相同的細(xì)輕骨料（或稱(chēng)輕砂），粒徑≤5mm，堆積密度為 。

根據(jù)結(jié)構(gòu)工程的要求和材料供應(yīng)情況，選用不同種類(lèi)和密度的粗、細(xì)輕骨料，可配置成不同密度和強(qiáng)度等級(jí)的輕質(zhì)混凝土。輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)與普通混凝土的相似，也是用邊長(zhǎng)150mm的立方體試件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定其抗壓強(qiáng)度而加以劃分。按照我國(guó)規(guī)定，用于結(jié)構(gòu)工程的輕質(zhì)混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為CL15～CL50，級(jí)差 ；預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中使用≥CL25。輕質(zhì)混凝土的密度為 ，密度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系因骨料種類(lèi)不用而有一定變化范圍。

二、輕質(zhì)骨料力學(xué)性能

輕骨料混凝土在受壓狀態(tài)下的主要性能，同樣用應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€來(lái)說(shuō)明。以陶?；炷翞槔淙€（如下）的總體形狀與普通混凝土無(wú)異，但曲線上特征點(diǎn)的應(yīng)力和變形值有所區(qū)別。

試件開(kāi)始受壓后，應(yīng)力與應(yīng)變約成比例增長(zhǎng)，至彈性極限（A點(diǎn)）的應(yīng)力為 取決于骨料的種類(lèi)和強(qiáng)度等級(jí)。其后，出現(xiàn)塑性變形，并加快發(fā)展，曲線凸向縱坐標(biāo)。當(dāng)應(yīng)力達(dá) ，應(yīng)變?yōu)?時(shí)，曲線的切線泊松比 （B點(diǎn)），內(nèi)部裂縫開(kāi)展，而試件表面仍未見(jiàn)裂縫。不久，試件即達(dá)最大應(yīng)力，即輕質(zhì)混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度 ，相應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?（C點(diǎn)）。

隨后，曲線進(jìn)入下降段。在 時(shí)，試件表面第一條裂縫（D點(diǎn)， =0.5）。裂縫一出現(xiàn)就比較長(zhǎng)，方向陡。繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，此裂縫沿斜向發(fā)展，發(fā)出劈裂聲響，試件承載力很快下降，但很少出現(xiàn)新裂縫。當(dāng)形成貫通試件全截面的斜裂縫（E點(diǎn)）時(shí)，承載力已經(jīng)下降過(guò)半，應(yīng)變約為1.8 。此后，試件靠殘存的強(qiáng)度和縫隙間摩阻力支持，承載力趨于穩(wěn)定下降，時(shí)而從主裂縫上分出幾條縱向或略斜的裂縫。當(dāng)應(yīng)變達(dá)3 時(shí)，試件的殘余強(qiáng)度約 .繼續(xù)增大變形，殘余強(qiáng)度緩慢下降。

陶?；炷猎嚰钠茐闹餍绷芽p與荷載垂線的夾角為 ，明顯大于普通混凝土的夾角。試件破壞面的斷口整齊，有劈裂碎片，許多陶粒粗骨料被劈成兩半。

輕骨料混凝土與普通混凝土的基本區(qū)別在于粗骨料。普通混凝土是網(wǎng)狀的水泥砂漿包圍、粘結(jié)著更強(qiáng)、更硬、更實(shí)的粗骨料，成為構(gòu)造的薄弱部位；而輕骨料混凝土恰好相反，水泥砂漿包圍、粘結(jié)著的是更弱、更軟、多孔的輕骨料，薄弱部位轉(zhuǎn)移為輕骨料，因此引發(fā)了混凝土性能的差別。

輕骨料一般都是多孔、脆性材料，其抗壓、抗拉強(qiáng)度和變形模量值都低，甚至低于其周?chē)乃嗌皾{相應(yīng)值。輕質(zhì)混凝土受力后，粗骨料和水泥砂漿之間的應(yīng)力分布與普通混凝土的不同，粗骨料的應(yīng)力較低，而水泥砂漿承受更大的力，形成近似于以骨料作填充、以水泥砂漿作骨架的受力模型。

三、總結(jié)

綜合觀察輕質(zhì)混凝土的主要力學(xué)性能，總體上與普通混凝土相似，但是質(zhì)更“脆”，性能指標(biāo)有差異。隨之，輕質(zhì)混凝土的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)性能也與普通混凝土的相似而更脆。如果將普通混凝土構(gòu)件的計(jì)算公式、參數(shù)值、設(shè)計(jì)和構(gòu)造方法直接地轉(zhuǎn)用于輕質(zhì)混凝土構(gòu)件，例如極限狀態(tài)的截面等效矩形應(yīng)力圖、大小偏心受壓破壞的界限、抗剪承載力、錨固長(zhǎng)度、構(gòu)件延性等，也會(huì)引起不安全后果。

四、參考文獻(xiàn)

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