輕集料混凝土的新進展

[摘 要] 介紹了輕集料混凝土技術在新骨料、礦物摻合料、高性能化和纖維增強方面的新進展。

[關鍵詞]輕集料；混凝土；高性能；礦物摻合料；纖維

1 　引言

      1913 年人造輕集料頁巖陶粒在美國問世以來，用輕集料取代普通砂石集料配制的輕集料混凝土，因具有密度小、強度高、保溫、隔熱、耐火、抗震性能好的特點，在世界各國得到了迅速發(fā)展，現(xiàn)在已成為僅次于普通混凝土的用量最大的一種新型混凝土。20 世紀70 年代，一些發(fā)達國家輕集料生產(chǎn)與應用處于顛峰期時，美國年產(chǎn)量曾達2300 萬m3 ，20 世紀80年代末原蘇聯(lián)則迅速發(fā)展到5000 多萬m3 ，其中人造輕集料約占80 %[1 ] 。我國自1956 年研究和試制成功人造輕集料以來，隨著國民經(jīng)濟和科研工作的深入發(fā)展，至20 世紀90 年末人造輕集料的年產(chǎn)量已迅速發(fā)展到300 多萬m3 ，天然輕集料的開采量也超過100 萬m3 ，并且以每年20 %的速度遞增[2 ] 。

2 　輕集料混凝土

2. 1 　分類

      我國輕集料混凝土技術規(guī)程(JGJ-5121990) 規(guī)定，輕集料混凝土是指用輕粗骨料、輕砂(或普通砂) 、水泥、和水配制而成的表觀密度不大1950kg/m3 的混凝土。輕骨料混凝土按其輕粗集料的種類可分為：天然輕集料混凝土、工業(yè)廢料輕集料混凝土和人造輕集料混凝土三大類。按用途可分為: 保溫輕集料混凝土、結(jié)構(gòu)保溫輕集料混凝土、結(jié)構(gòu)輕集料混凝土。JGJ5121990 規(guī)程對這三類輕集料混凝土合理的強度等級、密度等級、及其適宜的工程應用范圍提出了具體的建議(見表1) 。

2. 2 　特點

      輕集料混凝土由于骨料的多孔性，能大幅減輕結(jié)構(gòu)物自重，并具有保溫、隔熱、耐火、抗震性能好的特點[3 ] ，應用日益廣泛。但正是由于材料的多孔性，使輕集料混凝土的受力特性與普通混凝土有很大差異，普遍存在一個極限強度[4 ] 。輕混凝土中粗集料較輕，而且國內(nèi)的人造輕集料主要是圓球型，所以很容易上浮，引起混凝土的分層離析。并且多孔性給輕骨料帶來高吸水率( > 5 %) ，使混凝土坍落度降低，為滿足泵送要求配出高流動性混凝土，傳統(tǒng)的處理方法是攪拌前對輕骨料進行預濕，但這種做法使混凝土更容易分層離析。泵送后，輕集料中的水分又被擠出而導致骨料與水泥石界面的水灰比增大，降低過渡區(qū)的強度，甚至引起混凝土的強度損失和耐久性變差等問題。因此只有有效控制輕集料的高吸水率問題和混凝土的離析問題，才能促進這種集結(jié)構(gòu)與功能一體化的建筑材料更為廣泛的應用。

3 　新發(fā)展

3. 1 　新骨料

      隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，天然資源日益枯竭，而各種廢棄物和垃圾卻越來越多，如何處理這些垃圾已成為當今社會的一大難題。輕集料混凝土技術的發(fā)展，為這個問題的解決提供了一條重要途徑。近幾年來，國內(nèi)外很多輕骨料的研究都集中在如何利用各種廢棄垃圾，從而達到變廢為寶的目的。

      廢玻璃在城市和工業(yè)廢料中的比重日益增大，雖然經(jīng)破碎后可以直接配制輕混凝土，但其中硅含量能達到70 %以上，所以即使水泥材料中含有很少量的堿，都可能發(fā)生堿－集料反應而導致輕混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，這個問題一直阻礙著廢玻璃輕集料混凝土的發(fā)展。V. Ducman[5 ] 將廢玻璃研磨成粒徑小于0.1 mm 粉粒，然后加入一定量的膨脹劑，在880℃下加熱10～15 min ，制作出表觀密度0.18 g/cm3 ，吸水率11 %的輕骨料。因為輕骨料中的孔隙可吸收一定的體積變形，用它和Na₂O 含量0.92 %的波特蘭水泥制作的試件沒出現(xiàn)體積膨脹或裂紋。Weihua Jin[6 ] 制作了上百組試件來測試玻璃含量、品種、骨料粒徑對玻璃混凝土的堿-骨料反應的影響，驗證了這種反應的破壞性可以通過將廢玻璃研磨成很細的粉末來有效的消除，通過這種方法并選用合適的骨料粒徑和玻璃含量可以容易的配制出抗壓強度為40 MPa 的輕混凝土。廢木材做輕骨料在輕混凝土中的應用一直受到木材和水泥化學相容性的限制，木材中的半纖維素在堿性環(huán)境中溶解，降低了水泥的水化和材料的強度。并且木材中的樹脂等易溢出表面形成層狀從而破壞木材和水泥之間的膠結(jié)。

      Douglas C. Stahl[7]用硅酸鈉對木材進行處理后，經(jīng)過一系列特殊的工序加工，成功制出了強度滿足ASTM C129 非承重標準的輕混凝土，它的密度和耐久性也都達到了要求。

      近年來隨著環(huán)保意識的提高，廢棄泡沫聚苯乙烯( EPS) 包裝材料的回收和利用在我國已引起足夠重視。再生EPS 在建筑領域主要用作混凝土輕集料，由于顆粒的密度特別低、絕熱性良好、封閉結(jié)構(gòu)基本不吸水，從而可制成熱工性能優(yōu)異的超輕型保溫制品，并且綜合生產(chǎn)成本較低，經(jīng)濟效益可觀，目前已在國外得到廣泛的生產(chǎn)和應用[8 ] 。

      另外，人造陶粒也朝著綠色、環(huán)保方向發(fā)展，利用淤積海泥[9 ] 、尾礦粉[10 ] 、硅藻土[11 ] 等燒制的許多新型陶粒相繼涌現(xiàn)。

3. 2 　礦物摻合料技術

     混凝土高性能化的重要技術手段就是采用復合技術，在輕混凝土中摻加粉煤灰、礦渣和硅灰等礦物摻合料已成為改善工作性能的重要途徑。一方面，礦物摻合料密度比水泥小，用它取代部分水泥，可以有效降低水泥砂漿的密度，減少輕集料的上浮，并能減緩混凝土的水化過程、減少坍落度的經(jīng)時損失，有利于泵送施工，礦物摻合料對輕混凝土工作性能的影響見表2[12 ] 。另一方面，礦物摻合料對輕混凝土的強度也有所貢獻，較大的比表面積和表面能，使它更易吸附并粘結(jié)在輕集料的表面上，和水泥一起在其表面上形成強度較高的殼結(jié)構(gòu)，提高了輕集料的強度，因此也就提高了輕混凝土的強度[13 ] 。

3. 3 　高性能輕集料混凝土

      為消除普通輕集料高吸水率給混凝土帶來的施工性能、物理力學性能和耐久性方面的負面影響，1990 年高性能混凝土出現(xiàn)后不久，在泵送高強輕集料混凝土研究與應用的基礎上，日本等一些國家就開始探索、研究高性能輕集料混凝土(HPLWC) 。雖然國內(nèi)外對HPLWC 尚無明確定義，但普遍認為HPLWC比普通輕集料混凝土(NLWC) 具有更高的耐久性、更好的工作性、更優(yōu)的體積穩(wěn)定性和更高的強度，并且具有更高的比強度(表3) ，表明HPLWC 用于混凝土結(jié)構(gòu)其技術經(jīng)濟價值將更為顯著[14 ] 。

    雖然摻加復合外加劑、礦物摻合料和改變砂率等方法可以改善輕混凝土的性能[15 ，16 ] ，但發(fā)展高性能輕混凝土的關鍵是輕集料的性能。高性能輕集料的獲得主要有兩條途徑：一是將普通輕集料的外表面噴涂一層如石蠟、聚苯乙烯乳液等防水涂料，以降低或消除其吸水率，這種方法雖然有效，但是卻使得輕骨料的生產(chǎn)過程變得復雜，而且對骨料2漿體界面結(jié)合有不利影響；另一種則是選用特殊的原材料，采用專門的生產(chǎn)工藝加工出的高性能輕集料，因為它內(nèi)部氣孔細小、均勻、呈球形且互相封閉，所以吸水率很低。這種輕集料在日本的研究較多，主要有兩種:一種是以90 %的粉煤灰、適量膨潤土和碳酸鈣、煤粉混合，成球，在1200～1300 ℃下煅燒膨脹而成，表觀密度約為1800 kg/m3 ，吸水率小于3 %。在0.3 水膠比下，用這種輕骨料不經(jīng)預濕，就可以配制出28 d 強度80 MPa、干燥表觀密度小于2100 kg/m3 的高強輕集料泵送混凝土[17 ] 。另一種是以珍珠巖、流紋巖等火成巖為主要材料、添加輔助材料和發(fā)泡劑，經(jīng)粉碎、混合、脫水、干燥、造粒、預熱、焙燒和冷卻而制成。我國學者與日本合作進行研究[18 ，19 ，20 ] ，利用我國資源，制造出這種高性能輕集料的物理性能見表4。此輕集料的低吸水率(圖1) ，特別是在真空下的低吸水率(圖2) ，使它具有良好的可泵性和抗凍性。

3. 4 　纖維增強

      纖維增強普通混凝土在工程中的應用已經(jīng)很廣泛，在混凝土中摻加纖維能有效地改善材料的脆性、耐久性和抗疲勞能力，是混凝土高性能化的一條重要途徑。雖然目前纖維增強在輕集料混凝土中的應用研究較少， 但一些實驗表明[21 ，22 ] ，纖維在輕集料混凝土中亦具有相同的作用，能明顯地提高材料的韌性(表5) 。除此之外，纖維增強對于輕混凝土有著更為特殊的意義:一方面因為輕集料混凝土的水泥用量大、骨料強度模量低和限制水泥石收縮變形能力小等原因，造成收縮增大，而纖維能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種有效的二級加強效果，增強混凝土的韌性，減少混凝土收縮引起的裂紋和裂縫。另一方面，纖維在混凝土中形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，起到一種“承托”作用，降低了混凝土的表面析水和輕集料的上浮，并且纖維表面積大，能吸附大量的水泥漿包裹其周圍，提高了水泥漿粘性，有效地控制了輕集料混凝土的分層離析。

4 　結(jié)語

      輕集料混凝土具有輕質(zhì)高強、保溫隔熱、耐火抗震的優(yōu)良性能，并且建筑節(jié)能和廢物利用使之具有綠色、環(huán)保的特性，它的開發(fā)與應用已成為建筑工程材料重要發(fā)展方向之一。近年來，輕集料混凝土技術得到了很大發(fā)展:大量新綠色骨料相繼出現(xiàn)；礦物摻合料應用技術日趨趨成熟；并隨著高性能輕集料的研制、纖維增強技術的應用，輕集料混凝土逐步克服工作性能差、易分層離析等缺點，日趨走向復合化、高性能化。

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