我國(guó)輕骨料混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀

  輕骨料混凝土是用輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表觀密度不大于1950kg/m³的混凝土。隨著現(xiàn)代建筑向高層、大跨度、裝配式等方向發(fā)展，為縮小結(jié)構(gòu)斷面、減輕結(jié)構(gòu)自重、增強(qiáng)保溫隔熱等性能，輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久、抗災(zāi)、多功能、可持續(xù)發(fā)展的建筑材料已成為土木工程界的研究熱點(diǎn)，而輕骨料混凝土因具備這些優(yōu)點(diǎn)成為僅次于普通混凝土的用量最大的一種新型混凝土，在我國(guó)已獲得廣泛的應(yīng)用。

  1 輕骨料混凝土的特點(diǎn)及分類

  1.1 輕骨料混凝土的特點(diǎn)

  （1）輕質(zhì)高強(qiáng)：強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC30以上的輕骨料混凝土，干表觀密度在1200~1900kg/m³之間，相比相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土低20%-50%，因此應(yīng)用輕骨料混凝土可以顯著降低建筑物的自重，并有利于預(yù)制構(gòu)件的輕量化和縮小構(gòu)件尺寸。

  （2）保溫隔熱：多孔輕質(zhì)骨料的引入使混凝土密度減小的同時(shí)，也使其導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。密度等級(jí)為1700的輕骨料混凝土在平衡含水率的條件下導(dǎo)熱系數(shù)低于0.87W/m·K，相比于普通混凝土的1.5 W/m·K，減小40%以上。

  （3）耐火：熱量在輕骨料混凝土內(nèi)部傳導(dǎo)速率較低，使其具有更好的耐火性。一般建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，普通混凝土耐火1h，而輕骨料混凝土可耐火4h。在600℃高溫下，輕骨料混凝土能維持室溫強(qiáng)度的85%，而普通混凝土只能維持35%~75%。

  （4）抗震：輕骨料混凝土由于密度小，彈性模量低，變形性能好，可以大量吸收地震荷載下的沖擊波能量，具有很好的減震效果。輕骨料混凝土的抗震性能是普通混凝土的約1.3倍，是磚砌體結(jié)構(gòu)的約1.7倍。

  （5）耐久：輕骨料的多孔性可以緩解低溫下水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力，使得輕骨料混凝土具有良好的抗凍性；輕骨料混凝土的“雙微孔”微泵性能，使其界面粘結(jié)性好，封堵了水路，因此具有良好的抗?jié)B性；輕骨料表面粗糙并具有大量的紋路凹槽，可防止形成任何擇優(yōu)取向的晶體，同時(shí)增加其與水泥石的機(jī)械嚙合力，在微觀上使混凝土界面過(guò)渡區(qū)的性能得到了增強(qiáng)，提高了混凝土體系的耐久性。

  （6）技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好：盡管高性能輕骨料混凝土單方價(jià)格比同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土高，但由于其減輕了結(jié)構(gòu)自重、降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用，縮小結(jié)構(gòu)斷面和增加使用面積，可降低工程造價(jià)5%～10%，尤其在用于高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)維修加固工程時(shí)，具有更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

  1.2 輕骨料混凝土的分類

  1.2.1 按照用途分類

  （1）保溫輕骨料混凝土。強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C5.0左右，密度等級(jí)≤800，主要用于建筑屋面、地面保溫隔熱工程或熱工構(gòu)筑物，一般是采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方式。

  （2）結(jié)構(gòu)保溫輕骨料混凝土。強(qiáng)度等級(jí)LC5.0~LC15，密度等級(jí)800~1400，主要用于既承重又保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用形式可以采用承重砌塊、墻板等制品，也可以現(xiàn)場(chǎng)澆筑。

  （3）結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土。強(qiáng)度等級(jí)LC15-LC60，密度等級(jí)1400~1900，主要用于承重構(gòu)件或構(gòu)筑物，一般是現(xiàn)場(chǎng)澆筑，也可做成預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)拼裝。

  1.2.2 按輕骨料種類分類

  （1）天然輕骨料混凝土

  以浮石、蛭石、火山渣等天然輕骨料制備的混凝土。

  （2）人造輕骨料混凝土

  以陶粒（包括粘土陶粒、頁(yè)巖陶粒、粉煤灰陶粒、淤泥陶粒、煤矸石陶粒等）、陶砂、膨脹珍珠巖、空心陶瓷微珠、發(fā)泡聚苯乙烯顆粒等人造輕骨料制備的混凝土。

  （3）工業(yè)廢渣輕骨料混凝土

  以自燃煤矸石、煤渣等工業(yè)廢渣輕骨料制備的混凝土。

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  2 我國(guó)輕骨料混凝土的應(yīng)用形式

  多年來(lái)，我國(guó)在輕骨料混凝土領(lǐng)域開展了廣泛深入的應(yīng)用性研究，各類天然、人造、工業(yè)廢渣輕骨料混凝土及其制品都取得了一定的實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)輕骨料混凝土的長(zhǎng)期性能和潛在用途也有了更充分的認(rèn)識(shí)和了解，為輕骨料混凝土在我國(guó)未來(lái)更大范圍的推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。在各種輕骨料混凝土中，陶?；炷潦悄壳皯?yīng)用最多的一種，尤其是在承載結(jié)構(gòu)中，陶粒混凝土相比于其他輕骨料混凝土具有明顯的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。

  從輕骨料混凝土在我國(guó)的應(yīng)用形式和應(yīng)用量來(lái)看，輕骨料混凝土砌塊約占70%；輕骨料混凝土板材，包括空心隔墻板、復(fù)合保溫墻板、屋面板、樓板等，約占15%；現(xiàn)澆高強(qiáng)輕骨料混凝土，包括高層框架建筑、橋梁工程等，約占2%-3%；應(yīng)用在其他方面，如耐火隔熱制品、吸聲磚、園林和花卉、化工用品等，約占12%?？梢?jiàn)，我國(guó)輕骨料混凝土目前還主要應(yīng)用于建筑砌塊和圍護(hù)結(jié)構(gòu)板材方面。

  2.1 高層建筑

  輕骨料混凝土應(yīng)用于高層建筑主要是通過(guò)現(xiàn)澆梁、板、柱、墻體等結(jié)構(gòu)單元或采用預(yù)制墻板、樓板等構(gòu)件形式實(shí)現(xiàn)。采用輕骨料混凝土后建筑自重獲得減輕，在荷載不變的情況下可以增加修建層數(shù)，提高土地使用率或者節(jié)約基礎(chǔ)的造價(jià)，尤其是在軟土地基處理方面更具優(yōu)勢(shì)^[1]。另外，輕骨料混凝土在抗震、耐火方面的優(yōu)良性能也是其應(yīng)用于高層建筑的優(yōu)勢(shì)。

  我國(guó)在過(guò)去三十年積累了一些十分成功的輕骨料混凝土高層建筑應(yīng)用實(shí)例，在天津、上海、沈陽(yáng)、南京、本溪等地均有不同形式的輕骨料混凝土高層建筑，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。如本溪市的建溪大廈（1994年）高26層，局部框架和全部剪力墻結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C20~LC30的自燃煤矸石輕骨料混凝土泵送澆筑，比采用普通混凝土減輕自重21%~25%，由結(jié)構(gòu)質(zhì)量引起的水平地震作用減小20%~25%。

  2.2 橋梁工程

  由于外加劑和高強(qiáng)輕骨料的發(fā)展，目前配制LC40以上的高強(qiáng)輕骨料混凝土技術(shù)已經(jīng)十分成熟，高強(qiáng)、輕質(zhì)、高耐久和綜合造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用于大跨度橋梁上的優(yōu)越性更為突出。實(shí)踐表明：在新建工程中，由于采用輕骨料混凝土能夠使橋梁自重減輕，因此在不增加原設(shè)計(jì)恒載的前提下可加長(zhǎng)跨度，加大橋墩間距，減少橋跨、減小下部結(jié)構(gòu)尺寸；在改建工程中，采用輕骨料混凝土可使橋梁在不加固下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的前提下加寬橋面或提高承載力，滿足提高設(shè)計(jì)等級(jí)的要求。在軟土地基上修建大跨度橋梁，具有更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

  目前，輕骨料混凝土在我國(guó)橋梁工程中主要應(yīng)用于中小跨徑橋梁，在大跨橋梁中的應(yīng)用較少，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。上海盧浦大橋是近年來(lái)應(yīng)用輕骨料混凝土的典型工程，全橋鋪裝層和引橋的試驗(yàn)橋中采用了LC40級(jí)輕骨料混凝土制成的雙孔后張預(yù)應(yīng)力板梁。對(duì)該板梁進(jìn)行了足尺的結(jié)構(gòu)可靠性和200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明其具有良好的結(jié)構(gòu)性能和抗疲勞性能?，F(xiàn)場(chǎng)的靜動(dòng)載試驗(yàn)也表明其強(qiáng)度、剛度均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并具有自重輕、自振周期長(zhǎng)、阻尼大的優(yōu)點(diǎn)，跳車動(dòng)載試驗(yàn)也表明結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性滿足使用要求，完全可滿足在設(shè)計(jì)荷載下安全運(yùn)營(yíng)。

  2.3 屋面、樓面、地面現(xiàn)澆工程

  輕骨料混凝土應(yīng)用于屋面保溫隔熱工程時(shí)，可減輕屋面自重，同時(shí)具有良好的保溫隔熱、抗?jié)B效果以及耐久性，并且施工速度快，工程造價(jià)低。上海世博會(huì)中國(guó)館的屋面保溫工程采用了容重小于1400kg/m³、強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C15的頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土，取得了良好的應(yīng)用效果^[2]。

  輕骨料混凝土在樓面和地面現(xiàn)澆墊層工程中同樣具有廣泛的應(yīng)用，在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓板上層鋪設(shè)陶?；炷翂|層，可以起到良好的隔聲、抗?jié)B效果，并且能夠?qū)敲婢植恐睾奢d均勻分散傳遞至預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓板，提高樓板的承載能力；在建筑物底層地面下鋪設(shè)陶?；炷翂|層，能夠起到防潮、保溫作用，可解決北方寒冷地區(qū)底層地面冬天冷、夏天潮濕的問(wèn)題。

  2.4 輕骨料混凝土砌塊

  建筑砌塊是我國(guó)輕骨料混凝土應(yīng)用量最大的產(chǎn)品形式，目前市場(chǎng)中主要的產(chǎn)品類型有輕骨料混凝土空心砌塊（如圖1）、陶粒加氣混凝土砌塊（如圖2）以及陶粒加氣混凝土砌塊（如圖3）等。其中，輕骨料混凝土空心砌塊應(yīng)用最為普遍。它是以水泥作為膠結(jié)料，以特殊級(jí)配的浮石、火山渣、煤渣、陶粒、陶砂、自燃煤矸石等作為輕質(zhì)骨料，經(jīng)壓制成型的空心砌塊。以質(zhì)輕、隔音效果好等特點(diǎn)而大量應(yīng)用于多層和高層建筑框架結(jié)構(gòu)中，既減輕了結(jié)構(gòu)的荷載，減小了墻、柱、梁的斷面尺寸，又相對(duì)增加了建筑的使用空間，使房間的布置更為靈活。

圖1 輕骨料混凝土空心砌塊

圖2 陶粒加氣混凝土砌塊

圖3 陶粒泡沫混凝土砌塊墻體

  陶粒加氣混凝土砌塊是以輕質(zhì)陶粒、粉煤灰、水泥基膠凝材料為主要原料，以鋁粉或泡沫劑為發(fā)泡劑，經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)并經(jīng)切割而制成的砌塊。其干表觀密度為550-800kg/m³，抗壓強(qiáng)度為3.5-7.5Mpa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.16-0.25W/m·K，主要用于非承重和有保溫隔熱要求的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。

  陶粒泡沫混凝土砌塊與陶粒加氣混凝土砌塊具有相似的使用功能和相近的技術(shù)性能指標(biāo)，只不過(guò)是將陶粒引入到泡沫混凝土體系當(dāng)中。它同樣是發(fā)揮陶粒的增強(qiáng)減縮作用，克服原有體系在強(qiáng)度和收縮等方面的不足。

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  2.5 輕骨料混凝土板材

  輕骨料混凝土與鋼筋組合制備建筑板材，不僅能在保證強(qiáng)度的同時(shí)大大減輕構(gòu)件重量，從而減少吊裝、運(yùn)輸成本，而且其較低的導(dǎo)熱系數(shù)使得建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身即具有良好的保溫性能，能夠顯著降低產(chǎn)業(yè)化住宅的建設(shè)成本。另外，優(yōu)良的吸音和耐火性能，也是其應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)。輕骨料混凝土板材主要包括隔墻板（如圖4）、屋面板（如圖5）、外掛板（如圖6）、樓板（如圖7）等產(chǎn)品形式。

圖4 隔墻板

圖5 屋面板

圖6 外掛板

圖7 樓板

  壓型鋼板-輕骨料混凝土組合樓板（如圖8）是目前研究較多的一種鋼-混形式樓板，它將壓型鋼板與輕骨料混凝土進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，充分利用鋼板抗拉和混凝土抗壓的材料特性而結(jié)合成整體的結(jié)構(gòu)形式，能有效降低高層鋼結(jié)構(gòu)框架建筑樓板自重，在大跨度結(jié)構(gòu)和裝配式住宅中也具有良好的應(yīng)用前景。

圖8 組合樓板結(jié)構(gòu)

  2.6 吸聲制品

  據(jù)歐洲LECA協(xié)會(huì)和美國(guó)輕集料協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2008年底，發(fā)達(dá)國(guó)家為防止室內(nèi)噪聲超標(biāo)或提高室內(nèi)音響效果的公共場(chǎng)所，約有70%的室內(nèi)墻體配置了吸聲磚（如圖9），其中約70%采用陶?；炷廖暣u。而我國(guó)僅15%的室內(nèi)墻體配置了吸聲磚，約50%采用陶?；炷?。

  陶?；炷吝€可以用作高速公路和高速鐵路的聲屏障。我國(guó)高速公路總里程已超過(guò)10萬(wàn)公里，位居世界第一位，但配置的公路聲屏障很少，交通噪聲問(wèn)題比較嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2010年，我國(guó)已建成高速公路聲屏障不足160km，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，美國(guó)在2000年時(shí)公路聲屏障總里程已超過(guò)5000km。而在高速鐵路方面，隨著我國(guó)在該領(lǐng)域的大力發(fā)展，未來(lái)對(duì)耐久性較好的輕質(zhì)混凝土聲屏障（如圖10）的需求也將十分巨大。

圖9 吸聲磚

圖10 聲屏障

  近來(lái)我國(guó)的一些企業(yè)利用陶粒混凝土的吸音特性，生產(chǎn)一種無(wú)砟軌道道床吸音板（如圖11），它是以陶粒作為輕骨料，高強(qiáng)水泥作為膠凝材料，輔以聚酯纖維和減水劑等材料制備而成，已在實(shí)際工程中取得了應(yīng)用。該產(chǎn)品在6個(gè)中心頻率下的平均吸音系數(shù)達(dá)到0.72，降噪系數(shù)（NRC）達(dá)到0.82，屬于吸音產(chǎn)品中的優(yōu)秀水平。

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  2.7 人造文化石

  人造文化石（如圖12）是輕骨料混凝土應(yīng)用于裝飾領(lǐng)域的典型代表，它是以硅酸鹽水泥為膠凝材料，以陶粒、陶砂、膨脹蛭石、冶金廢渣等為輕質(zhì)骨料，輔以無(wú)機(jī)顏料及其他功能助劑制成的人造石材。使用時(shí)借助粘合劑或水泥凈漿、砂漿直接粘貼在基體上。裝修后的建筑好似天然石材砌筑而成，營(yíng)造出特殊的文化氛圍，故名“文化石”^[3]。

圖11 軌道吸音板

圖12 人造文化石

  2.8 植生混凝土

  植生混凝土是一種可作為植被生長(zhǎng)載體的多孔混凝土。用于河岸護(hù)坡工程、公路護(hù)邊工程、屋頂綠化、建筑物墻面綠化、停車場(chǎng)中，不僅可以起到凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)雨水徑流量、調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、修復(fù)生態(tài)的作用，并且增加綠化面積，在視覺(jué)上增加舒適感，具有良好的應(yīng)用前景。

  在混凝土中引入膨脹珍珠巖、火山渣等高吸水保水材料，可制成具有高吸水保水功能的植生混凝土載體，滿足了無(wú)土栽培的技術(shù)要求。用于屋面綠化工程的植生混凝土，主要是采用大粒徑輕質(zhì)陶粒作為粗骨料而制成。植生混凝土在我國(guó)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，僅在吉林、上海、天津等城市有應(yīng)用，并且多用作河岸護(hù)坡工程。

圖13 植生混凝土結(jié)構(gòu)體系

圖14 透水混凝土

  2.9 透水混凝土

  透水混凝土（如圖14）是用膠凝材料與水拌合后包裹特定粒徑的粗骨料而形成的多孔骨架結(jié)構(gòu)。因其具有良好的透水透氣性能，而被廣泛用于路面排水和園林綠化工程。用輕骨料替代普通透水混凝土中的碎石作為粗骨料而配制出的輕骨料透水混凝土，具有更好的輕質(zhì)性，可顯著降低基層荷載。

  陶?；炷镣杆u是輕骨料透水混凝土的主要產(chǎn)品，它是通過(guò)添加聚合物和陶粒對(duì)無(wú)砂混凝土進(jìn)行改性制成。利用陶粒的吸水性，可減少透水磚生產(chǎn)時(shí)水泥漿的析出，降低了透水空隙在制備時(shí)被水泥漿堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。采用高強(qiáng)陶粒生產(chǎn)的多孔透水磚可用于有汽車通過(guò)的較重交通載荷透水路面的鋪設(shè)。

  2.10 ?；⒅槌兄乇鼗炷?/strong>