輕集料混凝土與普通混凝土組成、結(jié)構(gòu)和性能的對(duì)比

李葉興 （中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限責(zé)任公司，北京101500）

與普通混凝土相比，輕集料混凝土能夠在保持較高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，使混凝土的自重降低20%[1]以上，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨度橋梁、海洋工程等現(xiàn)代大型工程中。同時(shí)，輕集料混凝土還具有隔熱、保溫、抗震、高耐久性等性能。另外，在國(guó)家十一五科技攻關(guān) “高性能道路水泥混凝土路面關(guān)鍵技術(shù)”中也包括對(duì)輕集料混凝土應(yīng)用于橋面鋪裝層施工工藝的研究。由此可見(jiàn)，隨著輕集料混凝土的廣泛應(yīng)用，有必要對(duì)其組成、結(jié)構(gòu)和性能與普通混凝土的組成、結(jié)構(gòu)和性能作一比較，以期對(duì)相關(guān)工程人員有所裨益。

1 輕集料混凝土與普通混凝土組成對(duì)比

1.1 輕集料混凝土的組成

輕集料混凝土由水泥、礦物摻和料、輕集料、細(xì)集料、水以及外加劑等成分組成。其中，輕集料品種視配制輕集料混凝土品種要求而定，可以選用粘土陶粒、頁(yè)巖陶粒、粉煤灰陶粒等；細(xì)集料可以選用河砂、陶砂或機(jī)制砂。

1.2 普通混凝土的組成

普通混凝土由水泥、礦物摻和料、石、砂、水以及外加劑等成分組成。

2 輕集料混凝土與普通混凝土結(jié)構(gòu)上的對(duì)比

2.1 新拌輕集料混凝土與普通混凝土結(jié)構(gòu)上的對(duì)比

混凝土拌合物由于組成材料密度各不相同，所以在拌和時(shí)混凝土易出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象。輕集料混凝土中輕集料的顆粒密度較小，在拌和過(guò)程中密度較小的輕集料、水上浮，而水泥漿體和砂下沉，形成輕集料混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。外分層作用造成顆粒較大的輕集料和水分集中在混凝土表層，往下是攜帶水泥顆粒的水泥漿體層，底層是夾雜較細(xì)顆粒的水泥砂漿。

外分層作用使得輕集料主要集中在混凝土的中上層，處于缺少水泥石保護(hù)的環(huán)境中。同時(shí)由于輕集料自身顆粒強(qiáng)度比較低，導(dǎo)致在混凝土受壓時(shí)，處于混凝土中上層的輕集料由于缺乏水泥石的支撐和保護(hù)，而特別容易遭到破壞；在普通混凝土中，粗集料和砂的密度相近，是所有組成中顆粒密度較大的組分。在拌和過(guò)程中，密度較小的水、水泥漿上浮，而粗集料與較大顆粒的細(xì)集料下沉，結(jié)果造成各組成材料在整體上的分布不均勻，最終形成普通混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。由于外分層，使混凝土沿著澆灌方向的宏觀堆聚結(jié)構(gòu)不均勻，其下部強(qiáng)度大于頂部，由于水分的上升，使表層混凝土成為最疏松和最軟弱的部分。因此在拌和過(guò)程中，無(wú)論是輕集料混凝土還是普通混凝土都需具有較高的穩(wěn)定性，不分層離析。

外分層結(jié)構(gòu)形成的同時(shí)，在混凝土中也形成了內(nèi)分層結(jié)構(gòu)。內(nèi)分層的形成主要是由于水在向上移動(dòng)的過(guò)程中遇到較大的物質(zhì)，如集料、鋼筋而聚集在這些物質(zhì)下部，與外分層作用不同，內(nèi)分層作用將造成混凝土結(jié)構(gòu)在細(xì)觀上的不均勻。由于輕集料在混凝土拌和過(guò)程中吸入水分，能夠降低集料表面的水灰比，在混凝土硬化后期，輕集料的供水作用又可以使集料周圍的水泥水化充分，增加水泥石的密實(shí)度，因而在一定程度上可以減少內(nèi)分層作用的負(fù)面影響。而對(duì)于普通混凝土而言，內(nèi)分層作用使得混凝土在細(xì)觀上變得不均勻，從而降低混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。由此可見(jiàn)，內(nèi)分層作用對(duì)輕集料混凝土和普通混凝土都具有負(fù)面影響，其中輕集料混凝土負(fù)面作用較弱些。

2.2 硬化輕集料混凝土和普通混凝土結(jié)構(gòu)上的對(duì)比

硬化混凝土結(jié)構(gòu)由水泥漿體、界面過(guò)渡區(qū)和集料三個(gè)環(huán)節(jié)組成?；炷恋男再|(zhì)取決于他們各自的性質(zhì)及其相互間的關(guān)系和整體的均勻性，其中界面過(guò)渡區(qū)是將性質(zhì)完全不同的水泥漿體和集料連成一個(gè)整體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的性質(zhì)對(duì)混凝土的性質(zhì)起著決定性的作用，但是界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)又受水泥漿體和集料性質(zhì)的支配。對(duì)普通混凝土而言，界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)主要受水泥漿體的支配，而對(duì)于輕集料混凝土，集料與水泥漿體對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)都有重要影響。

集料與水泥石的強(qiáng)度和彈性模量的相對(duì)大小決定了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布、初始微裂紋產(chǎn)生的位置以及混凝土的斷裂行為。普通混凝土中集料彈性模量較水泥石高得多，兩相之間變形不一致，將在它們之間的界面區(qū)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而普通集料的彈性模量較高，吸收應(yīng)力的能力較強(qiáng)，因此，界面區(qū)是混凝土內(nèi)部微裂紋的發(fā)源地。在普通混凝土中，由于墻壁效應(yīng)的存在，水分在集料表面富集，形成高水灰比狀態(tài)，造成界面區(qū)結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率高，氫氧化鈣晶體定向排列，強(qiáng)度低，因此界面區(qū)是普通混凝土中最薄弱的區(qū)域?；w、集料與界面三相的強(qiáng)度、彈性模量相差較大，使得普通混凝土在細(xì)觀層次呈現(xiàn)明顯的非勻質(zhì)性。

輕集料混凝土的勻質(zhì)性較普通混凝土高。輕集料的彈性模量一般為8～17GPa。輕集料與水泥石的強(qiáng)度、彈性模量比普通集料與水泥石更為接近，使得輕集料混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布較普通混凝土更加均勻。一般情況下輕集料的彈性模量都低于水泥石，這導(dǎo)致水泥石將吸收更多的應(yīng)力，拉應(yīng)力產(chǎn)生于水泥石，界面區(qū)將處于橫向壓應(yīng)力作用下，這使得裂縫的發(fā)源地更多地集中在水泥石基體中而不是在界面區(qū)，輕集料混凝土的這一特點(diǎn)與普通混凝土有較大的不同。此外，在輕集料混凝土中存在兩套微孔微管系統(tǒng)，即水泥石的微孔微管系統(tǒng)和輕集料中的微孔微管系統(tǒng)。輕集料的微孔微管系統(tǒng)在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得輕集料附近處于局部低水灰比狀態(tài)，因此減少或避免了集料下部由于內(nèi)分層作用而形成的“水囊”，避免了界面處氫氧化鈣的富集和定向排列，提高了集料與水泥石的界面粘結(jié)力。供水作用使得集料附近的水泥石能夠水化充分，從而增加了集料表面附近水泥石的密實(shí)性。通過(guò)輕集料的吸水與供水作用，使輕集料混凝土中界面區(qū)不再是混凝土中的最薄弱區(qū)。

3 輕集料混凝土與普通混凝土性能上的對(duì)比

3.1 輕集料混凝土與普通混凝土力學(xué)性能上的對(duì)比

3.1.1 抗壓強(qiáng)度

輕集料混凝土比普通混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展快，7d強(qiáng)度可達(dá)到28d強(qiáng)度的80%以上，7d以后混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)潛力決定于輕集料自身的強(qiáng)度與混凝土的配合比。輕集料自身強(qiáng)度對(duì)混凝土的強(qiáng)度有重要影響，輕集料顆粒強(qiáng)度越高，后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)也越大。

3.1.2 彈性模量

混凝土的彈性模量大小決定于集料和硬化水泥漿體各自的彈性模量及兩者之間的相對(duì)比例。由于輕集料的彈性模量低，輕集料混凝土的彈性模量比普通混凝土要低得多。例如，C50普通混凝土的彈性模量一般情況下可達(dá)到30～50GPa，而同強(qiáng)度等級(jí)輕集料混凝土的彈性模量很難超過(guò)30GPa。根據(jù)輕集料的種類、強(qiáng)度及混凝土配合比不同，一般情況下，輕集料混凝土的彈性模量比普通混凝土低 25%～65%[2]。

3.2 輕集料混凝土與普通混凝土體積穩(wěn)定性上的對(duì)比

混凝土的變形包括外部荷載引起的變形和非荷載作用下引起的變形。

3.2.1 非荷載作用下變形

在沒(méi)有外在荷載的作用下，混凝土主要有6種收縮變形，分別是化學(xué)收縮、塑性收縮、溫度收縮、干燥收縮、自收縮和碳化收縮。

（1）化學(xué)收縮。輕集料混凝土與普通混凝土的化學(xué)收縮主要取決于水泥礦物組成、細(xì)度和摻和料種類以及摻量等。

（2）塑性收縮。輕集料混凝土由于輕集料在拌和階段吸入水泥漿中的水分會(huì)增大混凝土表面失水速率與內(nèi)部水分向表面遷移的速率之差，因而有可能加大輕集料混凝土的塑性收縮。

（3）溫度收縮。輕集料混凝土的彈性模量比較低，使其在同樣的溫度梯度下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力值小于普通混凝土，所以因溫度收縮造成的開(kāi)裂并不常見(jiàn)。

（4）干燥收縮。輕集料混凝土的彈性模量比較低，同時(shí)水泥用量較高，從而導(dǎo)致輕集料混凝土干縮比普通混凝土干縮大。

（5）自收縮。輕集料混凝土自收縮比普通混凝土自收縮小。這是因?yàn)檩p集料內(nèi)部含有一定數(shù)量的水分，隨著水泥漿體內(nèi)部相對(duì)濕度的降低，輕集料內(nèi)的水分就會(huì)及時(shí)予以補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)由內(nèi)至外的養(yǎng)護(hù)，起到減小和延遲自干燥的作用[3]。

（6）碳化收縮。輕集料混凝土與普通混凝土的碳化收縮主要與環(huán)境的相對(duì)濕度、水灰比、水泥品種、摻和料等有關(guān)。

3.2.2 荷載作用下變形

混凝土在荷載作用下的變形包括瞬時(shí)彈性變形、徐變變形。徐變是指混凝土在持續(xù)恒定荷載作用下，隨時(shí)間延續(xù)變形緩慢增加的一種物理現(xiàn)象。輕集料混凝土的徐變通常較普通混凝土大50%，一般可持續(xù)數(shù)十年。

3.3 輕集料混凝土與普通混凝土耐久性能上的對(duì)比

3.3.1 抗?jié)B透性能

研 究 表 明[4，5，6]：輕 集 料 混 凝 土 的 抗 滲 性 與 普 通混凝土相當(dāng)，有的甚至高于普通混凝土。這是因?yàn)檩p集料在混凝土成型初期會(huì)吸收水泥漿體中的部分水分，使水灰比降低，而后期隨混凝土齡期的延長(zhǎng)，混凝土水分逐漸蒸發(fā)，此時(shí)，集料所含水分逐漸放出，通過(guò)這種“微泵”效應(yīng)改善了混凝土內(nèi)部的養(yǎng)護(hù)條件，從而改善了其孔結(jié)構(gòu)，使抗?jié)B性明顯提高。另一方面，眾所周知，在普通混凝土集料的下側(cè)形成的月牙形“水穴”是滲透的主要通道，而輕集料的吸水性能大，從而破壞了“水穴”的形成條件，而且具有一定活性的粗糙輕集料利用微泵效應(yīng)與水泥石粘結(jié)界面密實(shí)性大大提高，進(jìn)一步改善了其滲透性。

3.3.2 抗凍性能

輕集料混凝土抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。這是因?yàn)檩p集料的多孔性可以在一定程度上緩解混凝土內(nèi)部因水結(jié)冰造成的膨脹應(yīng)力。

3.3.3 抗堿集料反應(yīng)

輕集料混凝土的抗堿集料反應(yīng)高于普通混凝土。這是因?yàn)檩p集料的主要化學(xué)成分是活性SiO2，此時(shí)混凝土中活性SiO2含量很高，分配到每個(gè)反應(yīng)點(diǎn)的堿量相應(yīng)就少了，反應(yīng)生成的是高鈣低堿的硅酸鹽凝膠，這種凝膠吸水膨脹值很小或者不膨脹[7]。因此輕集料混凝土可從根本上消除堿集料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輕集料混凝土和普通混凝土在組成、結(jié)構(gòu)和性能上的對(duì)比，為在工程應(yīng)用中正確認(rèn)識(shí)、使用輕集料混凝土提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步為輕集料混凝土的廣泛應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

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