陶?；炷恋难芯窟M(jìn)展

李辛庚,閆風(fēng)潔,岳雪濤,王學(xué)剛

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，電工新材料技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(山東)，濟(jì)南 250001； 2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

0 引 言

混凝土是當(dāng)今世界上用量最大的一類(lèi)建筑材料，近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類(lèi)建筑物、構(gòu)筑物、高速公路、鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)越來(lái)越多，對(duì)混凝土的需求量也越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年1月到10月，中國(guó)商品混凝土累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到20.5億m3，超過(guò)2018年全年產(chǎn)量，混凝土預(yù)制樁摻量超過(guò)3.3億m，也超過(guò)2018年全年產(chǎn)量[1]?；炷列枨罅康脑黾訋?lái)了對(duì)其性能的新要求,同時(shí)環(huán)保和節(jié)能的要求也對(duì)混凝土提出更高的要求，混凝土結(jié)構(gòu)的輕量化、性能復(fù)合化、環(huán)境友好化是其發(fā)展的重要方向[2]。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有保溫、隔熱、隔音等性能，在同等強(qiáng)度下質(zhì)量降低20%～40%[3]，工程造價(jià)降低10%～20%[4]。

輕骨料混凝土主要通過(guò)減輕骨料的體積質(zhì)量從而減混凝土整體的密度，所以輕質(zhì)混凝土一般也稱(chēng)為輕集料混凝土或輕骨料混凝土。我國(guó)《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT 12—2019)[5]對(duì)輕骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete)的定義為：用輕粗集料、輕砂或普通砂、膠凝材料、外加劑和水配制而成的干表觀(guān)密度不大于1 950 kg/m3的混凝土。根據(jù)骨料組成的不同，輕骨料混凝土又分成三類(lèi)[5]：(1)由輕砂做細(xì)骨料配制而成的輕骨料混凝土稱(chēng)為輕砂混凝土；(2)由普通砂或普通砂中摻加部分輕砂做細(xì)骨料配制而成的輕骨料混凝土稱(chēng)為砂輕混凝土；(3)用輕粗骨料、水泥、礦物摻合料、外加劑和水配制而成的無(wú)砂或少砂的混凝土。根據(jù)輕集料混凝土用途分為三種[6]：(1)保溫輕集料混凝土，專(zhuān)門(mén)用來(lái)做結(jié)構(gòu)保溫和熱工構(gòu)筑物，如非承重隔墻等；(2)保溫結(jié)構(gòu)混凝土，即作為承重結(jié)構(gòu)同時(shí)也作為保溫結(jié)構(gòu)，如房屋建筑的承重外墻、屋面等；(3)結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土，主要用于承重構(gòu)件或構(gòu)筑物的混凝土，比如建筑物或構(gòu)筑物的梁、板、柱等結(jié)構(gòu)。

1 制備方法

1.1 原材料

陶?；炷粮胀ɑ炷恋脑牧匣鞠嗤?，由膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料和外加劑構(gòu)成。膠凝材料主要是硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，輔助膠凝材料包括粉煤灰、礦粉、硅灰等一些水泥活性摻合料，粗骨料一般選用頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒等各種陶粒，細(xì)骨料選用河砂、江砂、機(jī)制砂，外加劑選用萘系減水劑、聚羧酸減水劑[7-11]。所選用的膠凝材料各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范及試驗(yàn)要求，陶粒粒徑5～25 mm，表觀(guān)密度600～1 300 kg/m3，筒壓強(qiáng)度2.5～7.6 MPa，砂為細(xì)度模數(shù)為2.5～2.8的中砂。很多學(xué)者采用《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)和《輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》(GB/T 17431.1—2010)作為輕集料性能測(cè)定和選擇的依據(jù)[12]。為了提高陶?；炷恋膹?qiáng)度，往往加入一些鋼纖維[8,10-11]、聚丙烯纖維[11,13-14]、稻草纖維[7]、玄武巖纖維[15]，甚至采用鋼筋加強(qiáng)陶粒混凝土[16-18]。

陶粒是近年來(lái)發(fā)展較快的新型建筑材料之一，外殼是陶制或者是致密的釉質(zhì)，內(nèi)部為疏松多孔結(jié)構(gòu)，因此具有較小的密度，是一種優(yōu)質(zhì)的人工輕集料。陶粒按照原材料分為粘土陶粒、頁(yè)巖陶粒、粉煤灰陶粒，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中也采用了大量的工業(yè)廢棄物作為陶粒的原料，如水利清淤的淤泥、城市建設(shè)的廢棄土、礦山開(kāi)采的尾礦渣，充分利用工業(yè)固體廢棄物成為發(fā)展焙燒陶粒的重要方向。按照陶粒粒形分為碎石形、球形、圓柱形。碎石形陶粒與普通骨料形狀接近，有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而球形陶粒有利于提高混凝土塌落度，便于施工。按照用途，陶?？煞譃楸赜玫某p陶粒、一般用途普通陶粒、結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)陶粒。近年來(lái)，隨著工程實(shí)踐的需要，產(chǎn)生了大量新型的功能性陶粒，如隔聲吸音陶粒、濾料陶粒、裝飾陶粒、綠化工程陶粒[19]。

1.2 制備方法

在進(jìn)行混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，很多學(xué)者采用《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)作為混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)[9,12,20-21]。陶?；炷恋氖褂脩?yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、和易性、耐久性等指標(biāo)，在此基礎(chǔ)之上，影響陶粒混凝土設(shè)計(jì)的參數(shù)有混凝土試配強(qiáng)度、水泥用量、水灰比、砂率、活性摻合料用量等。在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，一般把這幾個(gè)主要參數(shù)作為影響因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定最佳配比。陶?；炷恋脑嚺鋸?qiáng)度根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

fcu，O≥fcu,k+1.645σ

(1)

式中：fcu,O為陶?；炷恋脑嚺鋸?qiáng)度，MPa；fcu,k為陶?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；σ為陶?；炷翉?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

表1為混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)，按照輕粗骨料是否預(yù)濕分別采用兩種投料攪拌順序。一種是先預(yù)濕粗骨料，然后將粗細(xì)骨料、水泥、摻合料進(jìn)行預(yù)拌，最后加入外加劑和水進(jìn)行攪拌[23-25]；第二種是粗骨料不預(yù)濕，將粗細(xì)骨料、摻合料加上1/2的總用水量進(jìn)行預(yù)拌，再加入水泥、外加劑和剩余的水進(jìn)行攪拌[26]。攪拌好的混凝土拌合物裝入模具，在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，得到成型后試塊。成型好的試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，然后放入溫度20 ℃、濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

2 力學(xué)性能

標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d的陶?；炷猎噳K，基本力學(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，動(dòng)彈性模量按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)采用動(dòng)彈模量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。陶?；炷恋幕玖W(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等，通過(guò)調(diào)整水灰比、砂率、摻和料用量、陶粒體積摻量、纖維摻量，以及養(yǎng)護(hù)制度來(lái)測(cè)試其對(duì)陶?；炷翉?qiáng)度的影響。

研究表明對(duì)于摻加鋼渣、礦粉等工業(yè)廢棄物作為膠凝材料的陶?；炷?，采用高溫蒸養(yǎng)的辦法能促進(jìn)其水化，加速?gòu)?qiáng)度提升，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度考慮，應(yīng)采用蒸養(yǎng)為宜[27]。

水灰比和材料強(qiáng)度存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系，混凝土的強(qiáng)度隨著水灰比的增大逐漸降低，根據(jù)使用材料和制備方法的不同，水灰比選擇范圍為0.18～0.61，水灰比在0.32左右時(shí)，陶?；炷恋木C合性能最好[28-30]。水灰比的提高使得混凝土硬化后形成較多的毛細(xì)孔，造成混凝土密實(shí)度降低，使陶?；炷恋膹?qiáng)度降低。而水灰比過(guò)低時(shí)，和易性較差，導(dǎo)致陶?；炷粱旌喜痪鶆?，塌落度降低，粘度提高，振搗不密實(shí)，氣泡不容易排出，最終致使陶粒混凝土強(qiáng)度降低。

砂率對(duì)陶粒混凝土性能產(chǎn)生較大影響[28-30]，砂率在一定范圍內(nèi)時(shí)，陶?；炷恋乃涠入S著砂率的提高先增加后減少，表觀(guān)密度隨著砂率的提高而線(xiàn)性增長(zhǎng)，強(qiáng)度則隨著砂率提高增長(zhǎng)較大，而當(dāng)砂率過(guò)高時(shí)，水泥漿體不能充分包裹骨料，混凝土強(qiáng)度不再隨著砂率提高而增加，反而會(huì)有所下降。

水泥摻合料可以采用粉煤灰、礦粉、鋼渣、偏高嶺土。研究表明摻入一定比例的偏高嶺土和粉煤灰，陶?；炷量箟簭?qiáng)度最高能提高250%，原因在于其顆粒較小，摻入混凝土中能夠優(yōu)化陶?；炷恋奈⒂^(guān)結(jié)構(gòu)，有效改善內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)[26,31]。

作為粗骨料的陶粒相比于普通石子，具有強(qiáng)度低、重量輕、吸水率高等特點(diǎn)，用來(lái)代替普通石子，隨著陶粒體積摻加量的增加，混凝土的彈性模量逐漸降低，強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)[32]。

在陶?；炷羶?nèi)摻入稻草纖維后，如NaOH溶液處理后，其抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度均有所提高，但劈裂抗拉強(qiáng)度有所降低。鋼纖維的加入可以阻止陶粒混凝土內(nèi)部裂紋的出現(xiàn)，進(jìn)而提高其抗裂性能、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和沖擊荷載[8,23]。

3 保溫性能

建筑節(jié)能是建筑行業(yè)發(fā)展的共同目標(biāo)，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)建筑能耗處于較高水平。據(jù)測(cè)算，建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%[33]，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排，綠色環(huán)保，推動(dòng)節(jié)能生產(chǎn)在建筑工程中的應(yīng)用，加速建筑低能耗進(jìn)程是研究者努力的方向。建筑外墻在外部維護(hù)結(jié)構(gòu)中所占面積最大，是建筑物內(nèi)外能量交換的主要通道，因此需要提高外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力，外墻保溫是建筑節(jié)能的重點(diǎn)。陶?；炷辆哂斜葟?qiáng)度高、表觀(guān)密度低、保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，作為外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

研究表明采用700級(jí)陶粒等體積取代60%碎石混凝土，該配比制備的陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)比普通混凝土降低了60%，同時(shí)抗壓強(qiáng)度接近于C40混凝土強(qiáng)度等級(jí)[34]。林宗浩等[35]研究表明，控制陶粒和陶砂質(zhì)量比為2∶3，水膠比0.65，乳膠粉為水泥用量的0.8%，可制備出抗壓強(qiáng)度6.7 MPa、面密度78 kg/m2、傳熱系數(shù)為1.45 W/(m2·K)的超輕陶?；炷?。將陶粒混凝土用作結(jié)構(gòu)自保溫體系，尤其在高層住宅中，相對(duì)于傳統(tǒng)保溫體系，可降低綜合成本，優(yōu)勢(shì)明顯[36]。根據(jù)設(shè)計(jì)不同，陶?；炷量梢员恢苽涑晒?jié)能型剪力墻結(jié)構(gòu)[34]、陶?；炷凛p質(zhì)隔墻板[35]、陶?；炷翉?fù)合砌塊外墻[36]、陶?；炷翉?fù)合墻板[37]以及陶?；炷翃A芯保溫復(fù)合墻板[38]。

圖1 砂率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響[37]Fig.1 Effect of sand ratio on the thermal conductivity[37]

王海霞等[37]采用粒徑為5 mm、10 mm、14 mm，堆積密度為386 kg/m3的頁(yè)巖陶粒與粒徑小于5 mm，堆積密度631 kg/m3的陶砂制備保溫陶?；炷粒芯苛瞬煌瑴囟认律奥蕦?duì)陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)的影響，研究結(jié)果顯示導(dǎo)熱系數(shù)和砂率呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖1所示，圖中10、20、30分別是指測(cè)試溫度，單位℃。張建文等[39]用堆積密度為475 kg/m3的超輕陶粒制備LC25陶?；炷?，并按照40%的體積取代率分別用廢棄混凝土、加氣混凝土砌塊取代陶粒。研究結(jié)果顯示陶粒加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最小，陶粒廢棄混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最大。譚春雷等[40]在陶粒摻量15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土漿體中加入雙氧水，制備了輕質(zhì)多孔性陶?；炷粒瑴y(cè)試結(jié)果顯示陶?；炷恋谋碛^(guān)密度低于1 100 kg/m3，抗壓強(qiáng)度高于7 MPa，抗折強(qiáng)度高于3 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.26 W/(m·K)。穆龍飛等[41]研究了陶粒的飽水程度對(duì)混凝土熱工性能的影響，研究結(jié)果表明陶粒的飽水程度越高，28 d強(qiáng)度越高，但陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)越高。

秦程[42]的研究結(jié)果表明，對(duì)于保溫用陶粒泡沫混凝土，陶粒摻量在67～400 kg/m3時(shí)，3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，干表觀(guān)密度為790～822 kg/m3，陶粒摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度、干表觀(guān)密度和軟化系數(shù)的影響如圖2所示。對(duì)于承重用陶粒泡沫混凝土，固定每立方米混凝土摻入0.29 m3陶粒時(shí)，陶粒粒徑越小，混凝土抗壓強(qiáng)度越高，干表觀(guān)密度越大，軟化系數(shù)越高，陶粒粒徑對(duì)抗壓強(qiáng)度、干表觀(guān)密度和軟化系數(shù)的影響如圖3所示。而陶粒摻量由165 kg/m3增大到579 kg/m3時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度先增大后減小，而干表觀(guān)密度逐漸減小，陶粒摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度、干表觀(guān)密度和軟化系數(shù)的影響如圖4所示。

圖2 陶粒摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度、干表觀(guān)密度和軟化系數(shù)的影響[42]Fig.2 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

圖3 陶粒粒徑對(duì)抗壓強(qiáng)度、干表觀(guān)密度和軟化系數(shù)的影響[42]Fig.3 Effect of particle size of ceramsite on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

圖4 陶粒摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度、干表觀(guān)密度和軟化系數(shù)的影響[42]Fig.4 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

4 抗凍性能

凍融破壞是寒冷地區(qū)混凝土常見(jiàn)的破壞形式之一，因混凝土吸水量大，強(qiáng)度低，受凍后強(qiáng)度降低明顯。混凝土產(chǎn)生凍融破壞的主要原因在于混凝土內(nèi)部水產(chǎn)生的結(jié)晶壓力，當(dāng)水的結(jié)晶壓力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂，最終導(dǎo)致破壞。

肖圣哲[43]對(duì)不同溫度凍融作用的陶?；炷猎囼?yàn)進(jìn)行了動(dòng)彈性模量檢測(cè)、準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)試驗(yàn)，研究?jī)鋈跍囟葘?duì)抗壓性能的影響。研究結(jié)果表明：凍融循環(huán)周次增加，陶?；炷恋膭?dòng)彈性模量降低，抗壓強(qiáng)度降低；凍融循環(huán)溫度越低，陶?；炷恋膭?dòng)彈性模量越低，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度越低，相同陶粒含量和凍融循環(huán)周次的試樣最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力越低；陶粒體積含量越大，陶?；炷恋膭?dòng)彈性模量越低，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度越低。邱繼生等[44]研究了凍融循環(huán)作用下煤矸石陶粒混凝土受凍破壞及壽命預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在受凍破壞階段陶粒掉落明顯并形成亂向分布的裂紋(見(jiàn)圖5)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，煤矸石陶?；炷临|(zhì)量增加的原因是內(nèi)部空隙發(fā)育，吸水質(zhì)量大于混凝土剝落物質(zhì)的質(zhì)量(見(jiàn)圖6)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)由密實(shí)轉(zhuǎn)為疏松，導(dǎo)致混凝土抗凍性降低，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低(見(jiàn)圖7)[44]。

圖5 煤矸石陶?；炷帘砻媪踊痆44]Fig.5 Surface deterioration of coal gangue ceramsite concrete[44]

圖6 煤矸石陶粒混凝土質(zhì)量損失[44] (CO、COM2、COM4、COM6分別表示煤矸石陶粒 替代石子的體積分?jǐn)?shù)為0%、20%、40%、60%的混凝土)Fig.6 Mass loss of coal gangue ceramsite concrete[44] (CO, COM2, COM4, COM6 for concretes with coal gangue ceramsite volume fraction 0%, 20%, 40%, 60% instead of coarse aggregate)

圖7 煤矸石陶?；炷料鄬?duì)動(dòng)彈性模量[44] (COM2、COM4、COM6三組試塊相對(duì)動(dòng)彈 性模量分別下降56.1%、55%、51.5%)Fig.7 Relative dynamic elastic modulus of coal gangue ceramsite concrete[44] (relative dynamic elastic modulus of COM2, COM4, COM6 decreased 56.1%, 55%, 51.5%)

在嚴(yán)寒環(huán)境中孔隙率更大的陶?；炷聊軌蛭崭嗟腘a2SO4、NaCl，阻止其向混凝土內(nèi)部滲透，提高了陶粒混凝土的抗凍性。李博[45]研究了在凍融循環(huán)過(guò)程中采用介質(zhì)為水、Na2SO4溶液(見(jiàn)圖8)、NaCl溶液(見(jiàn)圖9)時(shí)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度損失，結(jié)果表明溶液中Na2SO4和NaCl可以降低抗壓強(qiáng)度損失。圖中C50-H2O是C50混凝土在水中凍融；LC50-H2O是陶?；炷猎谒袃鋈?；C50-5%Na2SO4是C50混凝土在濃度為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Na2SO4溶液中凍融；LC50-5%Na2SO4、C50-10%Na2SO4、LC50-10%Na2SO4、C50-3%NaCl、LC50-3%NaCl、C50-5%NaCl、LC50-5%NaCl以此類(lèi)推。

圖8 普通混凝土和陶?；炷猎谒蚇a2SO4溶液 中不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度損失[45]Fig.8 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with water and Na2SO4 solution[45]

圖9 普通混凝土和陶?；炷猎贜aCl溶液中不同凍 融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度損失率[45]Fig.9 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with NaCl solution[45]

方明偉等[46]研究了爐渣陶粒混凝土砌塊的抗凍性能，研究結(jié)果表明隨著膠凝材料用量的增加，爐渣陶?；炷恋目箖鲂阅芴岣?見(jiàn)圖10、圖11)，相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%時(shí)，其質(zhì)量損失率不超過(guò)5%(見(jiàn)圖12、圖13)。

圖10 爐渣陶粒取代率20%試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量[46]Fig.10 Relative dynamic elastic modulus of samples with 20% slag ceramsite[46]

圖11 爐渣取代率40%試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量[46]Fig.11 Relative dynamic elastic modulus of samples with 40% slag ceramsite[46]

圖12 爐渣取代率20%試樣質(zhì)量損失率[46]Fig.12 Mass loss rate of samples with 20% slag ceramsite[46]

圖13 爐渣取代率40%試樣質(zhì)量損失率[46]Fig.13 Mass loss rate of samples with 40% slag ceramsite[46]

加入纖維增強(qiáng)材料是陶?；炷撂岣邚?qiáng)度的一種常見(jiàn)方法，纖維材料可以在不同程度上提高混凝土的韌性，提高混凝土的抗凍性。龐家賢等[47]研究表明纖維的加入可以改善陶?；炷恋目箖鲂阅?，而受凍融影響的陶?；炷猎诮?jīng)過(guò)20～400 ℃后，無(wú)纖維陶?；炷恋臍堄嗫箟簭?qiáng)度和殘余劈裂抗拉強(qiáng)度高于摻塑鋼纖維(HPPF)和聚丙烯腈纖維(PANF)的陶?；炷?。凍融循環(huán)作用在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，影響了混凝土的吸水性，陶?；炷量紫堵瘦^高，在凍融循環(huán)作用后其吸水性也會(huì)發(fā)生變化。邱繼生等[48]研究了在凍融損傷后煤矸石陶粒混凝土的毛細(xì)吸水性能，研究表明，凍融循環(huán)次數(shù)不超過(guò)30次時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤矸石陶粒混凝土初始吸水率增加，二次吸水率總體為先下降后趨于穩(wěn)定，而普通混凝土總體呈增加趨勢(shì)。

5 纖維在陶?；炷林械膽?yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)混凝土的性能提出更高的要求，纖維材料作為混凝土的增強(qiáng)材料引起研究者的注意。在普通混凝土中加入適量的纖維材料形成纖維混凝土，其抗拉強(qiáng)度提高，抗裂性提高，韌性提高，收縮性降低，整體工作性能優(yōu)化。

張學(xué)元等[7]研究了稻草纖維長(zhǎng)度、摻量、形狀和纖維夾層對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響，圖14是經(jīng)NaOH溶液處理的不同形狀的稻草纖維。研究表明，加入較粗的稻草纖維會(huì)降低粉煤灰陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，但能提高抗沖擊強(qiáng)度，而經(jīng)過(guò)NaOH處理的稻草細(xì)纖維可以提高陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，但劈裂抗拉強(qiáng)度降低，并且纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土性能影響不顯著。

圖14 稻草秸稈纖維[7]Fig.14 Straw fiber[7]

錢(qián)元弟等[49]研究表明，在陶?；炷林屑尤胝寄z凝材料質(zhì)量0.4%的秸稈纖維時(shí)，混凝土28 d抗折強(qiáng)度可以達(dá)到4.1 MPa，同時(shí)抗壓強(qiáng)度隨著秸稈纖維含量的增加持續(xù)提高，導(dǎo)熱系數(shù)、干縮率持續(xù)下降，如圖15所示。

圖15 秸稈含量對(duì)陶粒混凝土性能的影響[49]Fig.15 Influence of straw fiber content on perperties of ceramsite concrete[49]

聚丙烯短纖維不易分散，在混凝土中使用時(shí)需要人工分散。熊志文等[13]在輕骨料混凝土中加入長(zhǎng)度3～9 mm、直徑48 μm的聚丙烯短纖維，研究結(jié)果表明聚丙烯纖維的加入能夠有效提高陶?；炷恋目箟骸⒖沽褟?qiáng)度，并能控制裂縫的擴(kuò)展。黃科運(yùn)等[14]利用落錘試驗(yàn)機(jī)研究了聚丙烯纖維對(duì)陶?；炷量箾_擊性能的影響，首先是受落錘沖擊后混凝土試塊外觀(guān)區(qū)別明顯(見(jiàn)圖16)，加入纖維后抗沖擊能力明顯提高；其次，纖維越短，混凝土抗沖擊能力越強(qiáng)(見(jiàn)圖17)。朱楚翔等[15]在頁(yè)巖陶粒中加入玄武巖纖維，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻量從0 kg/m3增加到3.0 kg/m3時(shí)，摻量為0.5 kg/m3的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度值最高，而抗折強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加持續(xù)增加，陶?；炷帘碛^(guān)密度則持續(xù)降低。

鋼纖維在混凝土中應(yīng)用較多，石燚等[10]研究了鋼纖維對(duì)陶粒混凝土軸心抗拉強(qiáng)度及鋼纖維在混凝土中粘結(jié)錨固性能的影響，研究表明鋼纖維的增加能夠提高陶粒混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度，鋼纖維摻加量和混凝土強(qiáng)度增加值大致呈二次函數(shù)關(guān)系(見(jiàn)圖18)。呂衛(wèi)國(guó)等[23]研究表明，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)從0%增加到3%時(shí)，陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都有所提高，抗折強(qiáng)度最大可以提高70.73%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大可以提高160.61%。李原等[8]采用ZWT(朱王唐)本構(gòu)模型模擬沖擊荷載對(duì)鋼纖維頁(yè)巖陶?；炷恋淖饔?，研究結(jié)果顯示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此模型對(duì)鋼纖維頁(yè)巖陶?；炷翉椥噪A段的擬合效果較好，能有效描述鋼纖維頁(yè)巖陶?；炷猎趶椥噪A段的動(dòng)力響應(yīng)。

圖16 空白試樣和纖維陶?；炷恋膶?duì)比[14]Fig.16 Comparison of ordinary concrete and fiber ceramsite concrete after impact test[14]

圖17 落錘高度40 cm時(shí)的位移-時(shí)間圖像[14](A-1表示纖維 長(zhǎng)度12 mm，B-1表示纖維長(zhǎng)度9 mm，C-1表示纖維長(zhǎng)度6 mm)Fig.17 Image of the displacement-time with 40 cm high of drop weight[14] (A-1 means 12 mm fiber, B-1 means 9 mm fiber, C-1 means 6 mm fiber)

圖18 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)陶?；炷凛S心抗拉 強(qiáng)度的影響[10]Fig.18 Influence of steel fiber volume rate on axial tensile strength of ceramsite concrete[10]

鋼筋是一類(lèi)比較粗的纖維材料，鋼筋混凝土是現(xiàn)代工業(yè)建筑的基礎(chǔ)建筑材料，鋼筋陶?；炷恋牧W(xué)性能[16]也是目前研究的一個(gè)重要方向。谷倩等[17]研究了鋼筋在頁(yè)巖陶粒混凝土中的錨固性能，研究表明試件接頭的極限抗拉強(qiáng)度隨著頁(yè)巖陶粒混凝土強(qiáng)度的提高而有所提高，錨固連接接頭滿(mǎn)足JGJ 107—2010對(duì)鋼筋級(jí)連接接頭性能的要求。周瑩山[18]研究了鋼筋與輕骨料混凝土的粘結(jié)性能，并提出了高強(qiáng)鋼筋受拉錨固強(qiáng)度(τu)的計(jì)算公式(見(jiàn)式(2))，根據(jù)規(guī)范對(duì)輕骨料混凝土中的鋼筋的錨固長(zhǎng)度的規(guī)定，提出在高強(qiáng)混凝土中高強(qiáng)鋼筋的錨固長(zhǎng)度(lab)建議公式(見(jiàn)式(3))。

(2)

式中：c為鋼筋保護(hù)層厚度；d為鋼筋直徑；la為鋼筋錨固長(zhǎng)度；ρsv為配筋率；fcu為陶?；炷恋膹?qiáng)度。

(3)

式中：a1為錨固鋼筋的外形系數(shù)；a2為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；a3為最小保護(hù)層影響系數(shù)；a4為混凝土類(lèi)型影響系數(shù)；a5為鋼筋直徑影響系數(shù)；fy為極限錨固承載力；ft為陶?；炷翉?qiáng)度。

圖19 鋼筋直徑對(duì)HRB400鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響[50]Fig.19 Influence of steel bars diameters on bonding strength of HRB400 steel bars[50]

王永合等[50]研究表明，鋼筋與輕骨料混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨鋼筋直徑增大而降低(如圖19所示，圖中C30陶粒混凝土的配比為：P·O 42.5水泥380 kg/m3，砂680 kg/m3，水灰比0.4，體積砂率0.37，7 d強(qiáng)度33.5 MPa，28 d強(qiáng)度41.6 MPa；C60陶粒混凝土的配比為P·O 42.5水泥500 kg/m3，砂765 kg/m3，水灰比0.3，體積砂率0.45，7 d強(qiáng)度55.7 MPa，28 d強(qiáng)度70.2 MPa)。并且粘結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度提高而增加，球形陶粒相比于碎石陶粒更有利于增加粘結(jié)強(qiáng)度。漢莫德等[51]的研究結(jié)果顯示，光圓鋼筋與自密實(shí)輕骨料混凝土在無(wú)側(cè)向拉力時(shí)，化學(xué)附著力和摩擦力決定粘結(jié)強(qiáng)度，有側(cè)向拉力時(shí)，拉力增大，粘結(jié)強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度降低，而極限粘結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移量上升到一定程度，開(kāi)始保持不變。馬茁[52]通過(guò)試驗(yàn)得出了變形鋼筋與早齡期自密實(shí)輕骨料混凝土粘結(jié)強(qiáng)度、滑移量、殘余粘結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系，并提出了拔出破壞和劈裂破壞的判斷準(zhǔn)則，以及粘結(jié)強(qiáng)度、滑移量、殘余粘結(jié)強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律及擬合公式。研究結(jié)果顯示拔出破壞的粘結(jié)滑移曲線(xiàn)分為三個(gè)階段，而劈裂破壞的粘結(jié)滑移曲線(xiàn)分為兩個(gè)階段。

6 路用性能

陶?；炷辆哂辛己玫目箖鲂?、抗鹽凍性[53-55]，經(jīng)過(guò)調(diào)整混凝土配合比，可以達(dá)到高強(qiáng)、低脆及增韌的效果[56-59]。韓梓依[60]研究了粉煤灰陶粒混凝土的路用特性，研究結(jié)果顯示粉煤灰陶粒混凝土比普通混凝土具有較低的熱傳導(dǎo)性和滲透性(見(jiàn)圖20)，較高的抗凍融性，并且具有足夠的耐磨性(見(jiàn)圖21)，研究結(jié)果顯示粉煤灰陶?；炷猎诠饭こ讨芯哂幸欢ǖ耐茝V應(yīng)用價(jià)值?；唇ǚ錥61]研究結(jié)果顯示陶?；炷林刑樟５募尤肓坎灰顺^(guò)30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，否則會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度過(guò)低而影響使用，并且不超過(guò)30%時(shí)對(duì)混凝土的耐磨性影響不大，抗凍性能優(yōu)于普通混凝土(見(jiàn)圖22)。朱萬(wàn)旭等[62]研究了在地鐵軌道中應(yīng)用吸聲性能良好的陶?；炷羴?lái)降低噪聲，用陶?；炷两ㄔ煳暟搴臀暟珘Γ浣翟肓靠蛇_(dá)10～12 dB。蔣方河[63]將LC50頁(yè)巖陶?；炷翍?yīng)用在漢北河大橋的加固中，其具有自重輕、強(qiáng)度高、抗震、抗碳化、耐腐蝕、保溫和防凍等特點(diǎn)，在橋面鋪裝工程中，取得了良好的使用效果。

圖20 滲透高度測(cè)試結(jié)果[60]Fig.20 Results of impermeability tests[60]

圖21 耐磨試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[60]Fig.21 Results of wear resistance tests[60]

圖22 不同陶粒摻量對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響[61]Fig.22 Influence of ceramsite content on mass loss rate of ceramsite concrete[61]

劉柳[64]通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了摻粉煤灰的頁(yè)巖陶?；炷恋目箟?、抗折、斷裂韌性及斷裂能等性能參數(shù)，得到粉煤灰陶?；炷恋膹?qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律和斷裂力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)摻粉煤灰的頁(yè)巖陶?；炷磷鳛槁访嬗没炷?，其力學(xué)性能指標(biāo)能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求，可應(yīng)用于路面工程。并采用有限元軟件ABAQUS分析了帶裂縫工作的粉煤灰陶?；炷谅访姘宓膽?yīng)力強(qiáng)度因子，研究結(jié)果顯示應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著路面板彈性模量增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，混凝土路面板的抗裂性能由其剛度劣化和韌度強(qiáng)化二者決定。陳新[65]研究了摻粉煤灰陶?；炷恋目?jié)B性能、抗凍性能以及抗疲勞性能等指標(biāo)參數(shù)，研究結(jié)果顯示，摻粉煤灰的陶?；炷辆哂袃?yōu)良的耐久性，并且水灰比越小，耐久性越好。陳新還提出了摻粉煤灰陶?；炷恋氖┕ひc(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的控制和解決方法。陳波[66]的研究結(jié)果顯示摻粉煤灰的頁(yè)巖陶?；炷聊湍バ耘c普通混凝土相當(dāng)，能滿(mǎn)足路用要求，抗凍性、抗?jié)B性?xún)?yōu)于普通混凝土。并且摻粉煤灰的頁(yè)巖陶?；炷恋淖畲鬁囟葢?yīng)力和最大溫度應(yīng)力變形均小于普通混凝土，因此與普通混凝土相比，可用于更大的路面結(jié)構(gòu)。

7 存在的問(wèn)題

(1)陶粒的問(wèn)題。目前陶粒產(chǎn)品的性能不理想，高強(qiáng)陶粒往往會(huì)導(dǎo)致較高的表觀(guān)密度，而降低表觀(guān)密度則會(huì)使陶粒的筒壓強(qiáng)度大為降低。市場(chǎng)中供應(yīng)的主要是600～900 kg/m3的粘土陶粒和頁(yè)巖陶粒，缺少配置高強(qiáng)混凝土的高強(qiáng)陶粒，并且缺少配制保溫混凝土的超輕陶粒。陶粒的顆粒級(jí)配不合適，缺少粒徑小的陶砂產(chǎn)品，粘土陶粒粒型為圓柱形，限制了陶?；炷恋陌l(fā)展[67]。

(2)陶?；炷恋膽?yīng)用問(wèn)題。輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒混凝土在工程中應(yīng)用，主要存在兩個(gè)問(wèn)題，一是使用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低。受限于現(xiàn)階段技術(shù)水平，工程中應(yīng)用的陶?；炷恋膹?qiáng)度偏低，據(jù)公開(kāi)報(bào)道，陶粒混凝土的應(yīng)用主要集中在LC40以下的輕質(zhì)陶?；炷?，并沒(méi)有成熟的技術(shù)來(lái)制備強(qiáng)度等級(jí)更高的陶?；炷?，工程上也基本沒(méi)有應(yīng)用。二是應(yīng)用范圍受限于傳統(tǒng)觀(guān)念，陶?；炷聊壳爸饕獞?yīng)用于非結(jié)構(gòu)承載的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和保溫結(jié)構(gòu)，而并未應(yīng)用于承載力較大或受力條件復(fù)雜的主體結(jié)構(gòu)。

(3)缺乏系統(tǒng)性研究，亟待突破性發(fā)展。我國(guó)陶?；炷涟l(fā)展晚，技術(shù)較為薄弱，缺乏突破性技術(shù)攻關(guān)。陶?；炷烈蚱渥陨硖攸c(diǎn)，理論上相對(duì)于普通混凝土具有一定的性能優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)并不明顯，比如保溫隔熱性能，耐久性能。陶?；炷恋拿芏容^低，但帶來(lái)的價(jià)值并不明顯，并且產(chǎn)品性能存在一些不足，導(dǎo)致發(fā)展前景不樂(lè)觀(guān)。

8 結(jié) 語(yǔ)

受原材料和生產(chǎn)技術(shù)的限制，陶粒混凝土應(yīng)用范圍目前還不能像普通混凝土一樣廣泛，鑒于陶?；炷猎诮Y(jié)構(gòu)減重、保溫隔熱等方面的價(jià)值，解決陶?；炷猎趹?yīng)用方面存在的問(wèn)題，是推廣應(yīng)用陶?；炷撩媾R的主要問(wèn)題。當(dāng)前陶?；炷列枰鉀Q的主要問(wèn)題有：

(1)研制高強(qiáng)輕質(zhì)陶粒，在保持較高筒壓強(qiáng)度的前提下，降低陶粒的密度；

(2)陶粒上浮是陶粒混凝土拌和時(shí)所面臨的一個(gè)難題，在保持陶?；炷了涠鹊那疤嵯拢鉀Q陶粒的上浮問(wèn)題；

(3)優(yōu)化陶?；炷恋念w粒級(jí)配，解決陶?；炷翉?qiáng)度偏低的問(wèn)題，是推廣陶?；炷恋囊粋€(gè)重要措施；

(4)研究陶?；炷列碌膽?yīng)用方向，提高其實(shí)用價(jià)值。