高性能輕集料混凝土評述與展望

摘要： 針對當(dāng)前輕集料混凝土所存在的一些問題進(jìn)行了分析，并對高性能輕集料混凝土的研究做了簡要介紹. 高性能輕集料混凝土是具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、較好的保溫、耐火、高抗震性能、無堿集料反應(yīng)及環(huán)境友好等眾多優(yōu)點(diǎn)的一種新型建筑材料，它的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展必將給柔性地基、大跨度橋梁、高層建筑、海洋工程等建筑領(lǐng)域帶來巨大的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞： 輕集料； 輕集料混凝土； 高性能； 評述； 展望

0 　引言

    混凝土作為傳統(tǒng)建筑材料，在人類自主能動地對其性能設(shè)計(jì)使用的100 多年的歷史中，逐漸認(rèn)識到并也在不斷改進(jìn)它所存在的問題，其性能已有了很大的提高。 但隨著21 世紀(jì)大規(guī)模、大型化、極苛刻條件下使用混凝土機(jī)會增多，加之環(huán)境保護(hù)的極高要求，混凝土目前存在的一些問題如果不能妥善有效地解決，將難以承擔(dān)其應(yīng)有的使命，其用途也難以大幅度拓展[1 - 3 ] 。

     高強(qiáng)輕集料混凝土LWAC (Lightweight Aggregate Concrete) 其單位重量的比強(qiáng)度高，能夠較好的滿足未來超高層(1 000m 以上) ，超大跨度(300～500 m 以上) 結(jié)構(gòu)的需要，為混凝土在超高層建筑中使用提供了一種新型關(guān)鍵材料支撐. 高強(qiáng)輕集料混凝土是選用高強(qiáng)輕集料，或人造輕集料制備而成，其表面粗糙多孔，有一定吸水能力，十分有利于改善混凝土的界面粘結(jié)，提高整體強(qiáng)度; 其吸水能力又可作為水份存貯器，先吸入一部分水份，在以后的養(yǎng)護(hù)過程中又釋放出來，有利于水泥的充分水化. 由于輕集料混凝土的具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它比相同強(qiáng)度等級的普通密度混凝土自重降低25 %～30 % ，這對于結(jié)構(gòu)恒載占有較大比例，且對材料性能具有較高要求的高層建筑、大跨度橋梁、海洋工程等來說，輕集料混凝土的這種優(yōu)勢具有很強(qiáng)的市場競爭力. 如橋梁工程中由橋梁自重產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力隨跨度增大呈指數(shù)系數(shù)增加，跨度超過30m 的橋梁，采用輕質(zhì)混凝土就具有可觀的經(jīng)濟(jì)性. 此外，輕集料混凝土還具有較好的物理力學(xué)性能、耐久性能、無堿集料反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)將賦予輕集料混凝土具有更廣闊的用途。

1 　國內(nèi)外發(fā)展概況

    一般把人造輕集料的最早使用年代追溯到1920 年左右[4 ,5 ] ，S·J 海德是最初運(yùn)用回轉(zhuǎn)窯燒制膨脹粘土輕集料的先驅(qū)者之一。 到1928 年，美國開始把這種方法用于商業(yè)生產(chǎn)，西歐在第二次世界大戰(zhàn)以后才開始有了輕集料的生產(chǎn)。 美國和前蘇聯(lián)因缺少天然的普通集料，大量生產(chǎn)和使用了人造輕集料，使輕集料混凝土在這兩個(gè)國家得到飛速發(fā)展. 70 年代初，美國輕集料年產(chǎn)量就到1 800 萬m3 ，并且以每年的5 %～8 %的增長速度遞增. 自1993 年以來，其輕集料的年使用量都維持在350～ 415 萬m3的高水平上，其主要品種有粘土類、頁巖類和粉煤灰類輕集料，其中用于結(jié)構(gòu)混凝土的部分在80 萬m3 左右. 日本由于經(jīng)濟(jì)衰退，輕集料的生產(chǎn)商已經(jīng)由70 年代的6 家減少到3 家，1999 年產(chǎn)量已經(jīng)減少為277 萬m3 ，比最高峰時(shí)期的1990 年減少40 %. 當(dāng)前，挪威是世界上結(jié)構(gòu)輕集料混凝土和高強(qiáng)輕集料混凝土應(yīng)用最先進(jìn)的國家之一，其應(yīng)用最多的是膨脹粘土輕集料。

    1969 年，美國就用高強(qiáng)輕集料混凝土建成了高21716 m ，52 層的休斯敦貝殼廣場大廈[6 ] . 90 年代初期挪威、美國、日本等一些國家在普通輕集料混凝土的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)上先后開展了對高強(qiáng)、高性能輕集料混凝土的研究[7 ] ，內(nèi)容涉及到高強(qiáng)輕集料混凝土的配制、生產(chǎn)工藝、高性能輕集料的研究等多個(gè)方面，重點(diǎn)則在于改善混凝土工作性和耐久性，并已取得了一些成果。例如，美國采用高強(qiáng)輕集料混凝土建造了北海石油平臺； 挪威已成功應(yīng)用CL60 級輕集料混凝土建造了世界上跨度最大的懸臂橋。

    目前，我國一些大專院校、科研、工程建設(shè)單位已經(jīng)先后開展了高強(qiáng)輕集料混凝土和高性能輕集料混凝土的研究，并在一些橋梁、高層建筑中應(yīng)用，如珠海國際會議中心CL30 泵送高強(qiáng)輕集料混凝土，南京寧高公路橋面施工中應(yīng)用了CL40 高強(qiáng)輕集料混凝土，可是相比之下，我國高性能輕集料混凝土的研究仍然處于起步階段，水平較低。

2 　目前存在的主要問題

    輕集料混凝土主要有輕質(zhì)、保溫等特點(diǎn)，但如果輕質(zhì)和保溫能夠區(qū)別輕集料混凝土和普通密度混凝土，那么當(dāng)前大多數(shù)的有關(guān)混凝土的配合比、澆筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范都不必修正了。 但實(shí)際上輕集料混凝土的許多特征如拌合、水化硬化階段、延展性、失效模式、抗?jié)B性能與普通密度混凝土都有很大的區(qū)別。在拌合和澆筑階段，由于輕集料的多孔、吸水性質(zhì)會影響輕集料混凝土的工作性能； 在混凝土硬化階段，較高的水泥用量，良好的保溫性能則會引起較高的水化溫升；輕集料中的水份會在很大范圍影響硬化水泥石組成和結(jié)構(gòu)以及輕集料與水泥石的界面組成與結(jié)構(gòu)，因此，在早期的硬化過程中混凝土體積穩(wěn)定性與輕集料中水份的變化有很大的關(guān)系。 另外，輕集料混凝土硬化后由于收縮變形大，易于開裂，嚴(yán)重影響混凝土的使用壽命等問題。針對目前輕集料混凝土所存在的問題，應(yīng)開展以下幾方面的研究：

(1) 輕集料混凝土強(qiáng)度來源問題。輕集料混凝土由于自身的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其有一個(gè)極限強(qiáng)度。因此，當(dāng)混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度之后，再增加水泥用量已經(jīng)無法繼續(xù)提高混凝土的強(qiáng)度，相反還會帶來混凝土其他方面性能的降低。因此，輕集料混凝土的強(qiáng)度來源是什么？ 即采用哪些技術(shù)措施才能提高輕集料混凝土的強(qiáng)度？

(2) 輕集料混凝土的泵送性能[8 ,9 ] 。目前，CL40OCL60 的高強(qiáng)混凝土輕集料混凝土已開始在工程上應(yīng)用，但對輕集料混凝土中集料與膠凝材料易離析而影響泵送施工的問題并沒有根本解決，存在的問題主要有：①由于在壓力情況下，混凝土中的水份被壓縮到輕集料中而導(dǎo)致混凝土工作性能降低，并容易發(fā)生堵泵現(xiàn)象。 ②當(dāng)混凝土泵送到澆筑現(xiàn)場，在輕集料中被壓縮的空氣又會擠出水份，這將影響集料與水泥石之間界面組成和結(jié)構(gòu)。 ③在泵送過程中容易發(fā)生嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。④泵送前后混凝土強(qiáng)度的損失以及由于泵送引起的混凝土耐久性問題。

(3) 輕集料混凝土的抗裂防滲性能[10 ] 。眾所周知，脆性是影響混凝土工程耐久性、使用壽命的重要因素之一。雖然，這些年來國內(nèi)外研究者對其進(jìn)行了大量的研究，但仍未得到較好的解決，甚至包括對高性能混凝土的研究。 輕集料混凝土同樣存在脆性問題，并且由于輕集料混凝土的水泥用量較高，骨料彈性模量低和限制水泥石收縮變形的能力小以及輕骨料粒徑和表面特征不合適導(dǎo)致水泥用量增多等原因，都會造成收縮增大，最終導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)的開裂。 因此，提高輕集料混凝土的韌性以及防止混凝土開裂是影響高強(qiáng)輕集料混凝土推廣應(yīng)用的一個(gè)重要問題。

(4) 輕集料混凝土的耐久性能[11 - 15 ]。 影響輕集料混凝土的抗凍融性能最為重要的因素是輕集料的飽水程度，采用完全飽和的輕集料配制的混凝土，由于輕集料內(nèi)部的孔的飽水程度較高，一旦這些孔中的水結(jié)冰發(fā)生膨脹，輕集料內(nèi)部就沒有足夠的空間來吸收膨脹應(yīng)力，因此混凝土將遭受嚴(yán)重的凍融損壞。Fujiki 的研究表明[16 ] ，輕集料的水飽和度高于90 %將導(dǎo)致混凝土的抗凍融性能變差，但輕集料最適宜的飽水程度目前還沒有報(bào)道，需進(jìn)一步研究。

(5) 延遲鈣礬石(DEF) 問題[17 ,18 ] 。輕集料混凝土由于水泥用量高以及輕集料的多孔性使混凝土的保溫性能好，輕集料混凝土內(nèi)部的溫度最高可以達(dá)到80 ℃以上. 而據(jù)報(bào)道，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃以上時(shí)就有可能發(fā)生DEF ，而且輕集料混凝土內(nèi)部由于輕集料吸水作用將會使得內(nèi)部濕度大，在高溫與潮濕的條件下，發(fā)生DEF 的可能性進(jìn)一步加大. 但是，DEF 對混凝土的體積穩(wěn)定性的影響可能不同于普通密度混凝土。其原因是輕集料的多孔作用會消解由于DEF 問題引起的體積膨脹問題，因而其影響有可能減弱。

(6) 預(yù)應(yīng)力損失問題. 輕集料混凝土彈性模量較小、收縮變形和徐變變形大，造成預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中預(yù)應(yīng)力損失較大等問題，限制了其在預(yù)應(yīng)力大跨度結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步應(yīng)用，此問題急需解決。

    總之，無論在組成、結(jié)構(gòu)還是性能方面，輕集料混凝土與普通密度混凝土都存在較大差別，已被實(shí)踐證明的普通密度混凝土高性能化的技術(shù)措施和理論并不一定完全適用于輕集料混凝土。 因此，開展高性能輕集料混凝土的研究，其意義是十分明顯的。

3 　高性能LWAC 的研究

    自從“高性能混凝土”概念于1990 年5 月被首次提出后，便一直是混凝土科技工作者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，相比之下，對高性能輕集料混凝土的研究剛剛起步。高性能輕集料混凝土是指具有良好的工作性、高強(qiáng)輕質(zhì)、體積穩(wěn)定性和耐久性優(yōu)良的新型輕質(zhì)混凝土。在我國，高性能輕集料混凝土的研究正處在起步階段，實(shí)際工程中輕集料混凝土存在的許多問題都沒有能徹底解決。筆者對高性能輕集料混凝土進(jìn)行了一定的探索，應(yīng)用高性能水泥混凝土、材料復(fù)合等理論和技術(shù)，對輕集料混凝土的組成進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)： 通過選擇合適的原材料，優(yōu)化工藝參數(shù)，并進(jìn)行纖維增強(qiáng)增韌配制泵送纖維增強(qiáng)泵送輕集料混凝土，使其不僅具有輕質(zhì)高強(qiáng)、易泵送的優(yōu)點(diǎn)，且能大幅度降低混凝土的脆性，提高結(jié)構(gòu)承受剪切和抗彎能力、提高混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊、抗震、抗磨性和韌性，使橋梁和路面能夠承受更大的荷載并且更加堅(jiān)固耐用，對延長橋梁使用壽命是非常有利，并有助于降低橋梁建成運(yùn)營后的維護(hù)費(fèi)用. 此外，由于結(jié)構(gòu)自重小，還可以在橋梁或路面上采用加設(shè)瀝青混凝土鋪裝層的施工方案，使橋梁外形美觀并且使車輛行駛更加舒適. 對于舊橋的改建、加寬和維修工程，只需更換舊橋面，不必改動舊橋的結(jié)構(gòu)部分，既可提高舊橋的承載能力，又可節(jié)約資金。

4 　經(jīng)濟(jì)、社會效益及應(yīng)用前景

    十五期間是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展時(shí)期，大量的基礎(chǔ)設(shè)施在建和待建，混凝土需求量十分巨大。隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷加大，我國平均年混凝土需求量將超過20 億m3 。 如按用于結(jié)構(gòu)部位的混凝土需求量為60 %計(jì)，則年需結(jié)構(gòu)混凝土12 億m3 。 其中如果10 %的混凝土采用輕集料混凝土，則年需輕集料混凝土112 億m3 ，市場十分巨大。 國際著名的美國林同炎中國公司對我國建筑市場作深入調(diào)查研究后認(rèn)為[21 ] ： 僅在以普通混凝土為主要結(jié)構(gòu)材料的高層、大跨度的土木建筑工程中推廣高強(qiáng)輕集料工程(優(yōu)化設(shè)計(jì)) 和結(jié)構(gòu)輕集料兩項(xiàng)新技術(shù)，可使工程造價(jià)降低10 %～20 %。即使在國產(chǎn)的高強(qiáng)陶粒一時(shí)供不上，不得不采用進(jìn)口的輕集料時(shí)，還可使工程造價(jià)降低5 %～10 %。

    此外，一般人造輕集料可用工業(yè)廢料(如廢棄的不能做為混凝土摻合料的等外粉煤灰) 燒制而成，可大量利用工業(yè)廢料。這對于在當(dāng)前地球環(huán)境問題已十分嚴(yán)峻和邁向綠色建材的情勢下，必將是混凝土可持續(xù)發(fā)展的必由之路，具有重大的社會效益。

    由此可見，輕集料混凝土將由很寬廣的應(yīng)用前景，將是建材市場的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，將給社會帶來極大的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

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