輕集料混凝土的發(fā)展和預(yù)置技術(shù)設(shè)想

黃妍媚

（長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安 710014）

輕集料混凝土的發(fā)展和預(yù)置技術(shù)設(shè)想

黃妍媚

（長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安 710014）

輕集料混凝土由于自重輕這一特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在大跨度橋梁和超高層建筑中并能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本文主要介紹了輕集料混凝土在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用概況極其主要特性，并就改進(jìn)勻質(zhì)性這一問(wèn)題提出了新的設(shè)想。

輕集料混凝土；主要發(fā)展；勻質(zhì)性；預(yù)置

1.輕集料混凝土的發(fā)展和應(yīng)用概況

1.1 國(guó)外輕集料混凝土的主要發(fā)展和應(yīng)用概況

隨著天然砂、石的儲(chǔ)備量減少，開(kāi)采成本的上升，國(guó)外注重于發(fā)展人造輕集料。相比于天然輕集料，人造輕集料有著質(zhì)量容易控制、功能多樣化的優(yōu)勢(shì)，因而國(guó)外輕集料的品種較多。自1913年美國(guó)成功研制出膨脹頁(yè)巖，國(guó)內(nèi)又稱為頁(yè)巖陶粒，以此配制的輕集料混凝土（抗壓強(qiáng)度可達(dá)30MPa～35MPa）就廣泛應(yīng)用在房屋建筑、船舶制造以及橋梁工程中。美國(guó)在結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土中使用的輕骨料除膨脹頁(yè)巖外，還有膨脹粘土、膨脹礦渣、粉煤灰陶粒，而天然輕集料如火山渣及浮石則應(yīng)用較少。1969年，美國(guó)休斯頓貝殼廣場(chǎng)大廈的修建，使得高性能混凝土得到前所未有的重視。采用輕骨料混凝土修建的高達(dá)218米、52層的貝殼廣場(chǎng)大廈，相比于使用普通混凝土取得了卓越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，極大地推動(dòng)了輕集料混凝土事業(yè)的發(fā)展。八十年代成為鼎盛時(shí)期，輕集料混凝土的身影出現(xiàn)在高層、大跨度建筑結(jié)構(gòu)、砌塊、墻板和承重砌塊中。自1993年以來(lái)，美國(guó)每年輕骨料使用量在350～415萬(wàn)m3左右[1]。

日本的人造輕集料技術(shù)較晚，在第二次世界大戰(zhàn)后才得以大力發(fā)展。上個(gè)世紀(jì)五十年代初，出現(xiàn)了以火山浮石作為輕集料配置的輕集料混凝土。于1970年輕集料混凝土的發(fā)展和應(yīng)用達(dá)到最高峰，不僅在陸地建筑物和構(gòu)筑物中大量使用，在海洋構(gòu)筑物中也應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，寫(xiě)字樓的樓板和幕墻大多使用輕集料混凝土來(lái)代替普通混凝土。應(yīng)用實(shí)例比如，1993年一棟名為Yokohama Landmark建筑物，層數(shù)七十，層高達(dá)296m，九層以上使用了輕集料混凝土，成為了日本當(dāng)時(shí)最高的建筑物；1998年，Chiltumagawa第三大橋在HolturiduShinkan線上開(kāi)工，此橋梁板由輕集料混凝土制成；同年，Ogtayama高架橋投入使用，此橋使用輕集料預(yù)制混凝土板。但近年來(lái)，輕集料混凝土的弊端顯現(xiàn)，日本致力于研究和完善輕集料混凝土技術(shù)[2]。

大多數(shù)歐洲國(guó)家人造輕集料發(fā)展較晚。英國(guó)早期一工業(yè)廢渣為原料生產(chǎn)輕集料，利用礦渣做輕集料的歷史已有70余年。

某些國(guó)家綜合了本國(guó)及外國(guó)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，編定了關(guān)于輕集料混凝土的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。例如：美國(guó)制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC330T用于規(guī)范結(jié)構(gòu)輕集料混凝土。

1.2 國(guó)內(nèi)輕集料混凝土的主要發(fā)展和應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)人造輕集料混凝土的研究和使用起步較晚，于二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始起步，并重承重結(jié)構(gòu)研究與非承重應(yīng)用的研究。1956年，我國(guó)生產(chǎn)出第一批粘土陶粒。此時(shí)我國(guó)的輕集料生產(chǎn)和應(yīng)用水平都不盡如人意。七十年代末至八十年代初，我國(guó)人造輕集料的年產(chǎn)量仍維持在40萬(wàn)m3這一較低水平。經(jīng)過(guò)一段低速發(fā)展階段，年代末至九十年代初期這一時(shí)期，我國(guó)輕集料混凝土事業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)低谷。這一時(shí)期，由于錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，僅僅追求質(zhì)輕這一特點(diǎn)，將輕集料混凝土的使用方向限制在非承重結(jié)構(gòu)中，從而未獲得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，大量輕集料生產(chǎn)廠家被迫停業(yè)，進(jìn)一步導(dǎo)致國(guó)內(nèi)對(duì)輕集料混凝土研究和應(yīng)用的腳步放緩。但發(fā)展至九十年代末期，隨著國(guó)外高強(qiáng)輕集料混凝土技術(shù)的推廣、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和科研工作的進(jìn)一步深入發(fā)展，我國(guó)輕集料年產(chǎn)量已迅速超過(guò)300萬(wàn)m3。

目前，我國(guó)輕集料混凝土的發(fā)展和使用較國(guó)外仍有很大差距，相比于國(guó)外在高層、超高層、大跨度建筑中的應(yīng)用 ，國(guó)內(nèi)輕集料混凝土主要應(yīng)用于強(qiáng)度較低且非承重結(jié)構(gòu)中，在一些特殊環(huán)境（海上作業(yè)平臺(tái)等）下的應(yīng)用更為罕見(jiàn)。

在大量科研基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)化體系已經(jīng)建立。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)能力的增強(qiáng)、科研事業(yè)的發(fā)展和對(duì)輕集料事業(yè)發(fā)展重要性的認(rèn)識(shí)加深，我國(guó)的輕集料混凝土事業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好。

2.輕集料混凝土的特性

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干表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土[3]。輕集料混凝土的強(qiáng)度一般可達(dá)15～50級(jí)，最高可達(dá)70級(jí)。輕集料混凝土較普通混凝土的區(qū)別在于使用了輕集料從而質(zhì)量減輕、內(nèi)部存在空隙，這一組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)賦予了輕集料混凝土不同于普通混凝土的一些性能特點(diǎn)。

2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)

輕集料混凝土的關(guān)鍵在于輕集料。常見(jiàn)的輕集料按形成方式分類主要有：人造輕集料（陶粒、陶砂等）、天然輕集料（浮石、火山渣等）、工業(yè)廢渣輕集料（自然煤矸石、煤渣等）[4]。加上內(nèi)部呈高度多孔性，致使輕集料混凝土達(dá)到常用混凝土等級(jí)的同時(shí)容重大大降低。在常用相同強(qiáng)度等級(jí)情況下，容重為 1400kg/m～1900kg/m3的結(jié)構(gòu)輕集料混凝土比普通混凝土輕約20%，最高可達(dá)40%，比強(qiáng)度十分可觀。多孔的輕集料在強(qiáng)度上普遍低于普通集料，但由于存在空隙而獲得的吸水能力致使輕集料顆粒表面局部范圍內(nèi)水灰比低，從而提高了此范圍內(nèi)水泥石的密實(shí)度，且與粗糙、多微孔的輕集料表面其與水泥石的粘結(jié)能力也得到提升。這樣水泥石外殼的堅(jiān)硬度也高于普通混凝土，有效的約束了輕集料的橫向變形，提高了輕集料的極限強(qiáng)度，彌補(bǔ)了因多孔造成的強(qiáng)度損失，使得輕集料混凝土可以在獲得與普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)的情況下減輕質(zhì)量。將輕集料混凝土應(yīng)用在高層建筑、超高層建筑、大跨度橋梁中可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 抗震性能好

在七十年代，就有研究表明，輕集料混凝土的的沖擊韌性和極限變形能力優(yōu)于混凝土。地震來(lái)臨時(shí)，在地震荷載的作用下，用輕集料混凝土建造的建筑物因自重小且輕集料混凝土比普通混凝土彈性模量低所承受的地震力較小，振動(dòng)波傳遞慢，振動(dòng)周期長(zhǎng)，吸收沖擊能量快，因此比普通混凝土的抗震效果好。

2.3 耐久性好

輕集料的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)在混凝土成型的過(guò)程中不斷吸收水分，當(dāng)環(huán)境的含水率降低時(shí)，被吸收的水分又緩慢釋放，使水泥石長(zhǎng)時(shí)間處于濕潤(rùn)的環(huán)境中得到充分養(yǎng)護(hù)，對(duì)提高混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度起到有利作用。同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)還有效降低了寒冷條件下水結(jié)冰導(dǎo)致的膨脹壓力。這種“微泵”性能由于改變了還改善了輕集料混凝土的抗?jié)B性能和耐腐蝕性。

2.4 綜合經(jīng)濟(jì)效應(yīng)好

輕集料混凝土還具有保溫、隔音、耐火、易于加工等特點(diǎn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，高層、超高層、大跨度建筑物和構(gòu)筑物的使用將逐漸增多，使用輕集料混凝土雖然在單方造價(jià)上無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)但在大量應(yīng)用中，由于降低了建筑物或構(gòu)筑物的自重從而降低了基礎(chǔ)處理費(fèi)用、縮小結(jié)構(gòu)斷面、增加使用面積，整體上降低了工程造價(jià)。

3.輕集料混凝土的勻質(zhì)性問(wèn)題

3.1 輕集料混凝土的分層現(xiàn)象及其危害性

輕集料混凝土拌合物由輕集料、砂、水泥、水以及各種外加劑組成。在輕集料混凝土的研究過(guò)程中，輕集料的上浮現(xiàn)象一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)之一。

對(duì)于普通混凝土造成其結(jié)構(gòu)不均的主要原因是，粗骨料的密度較大在密度較小的水泥漿體中下沉，某些大顆粒細(xì)集料也會(huì)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。而輕集料混凝土，由于輕集料密度較小隨著水一起上浮，水泥漿體則由于密度較大下沉，造成拌合物的分層離析。混凝土拌合物的上部含有較多輕集料而下部含量較少，在其成型初期這一變化現(xiàn)象導(dǎo)致了整體勻質(zhì)性的下降。同時(shí)在拌合過(guò)程中，密度較小的水會(huì)持續(xù)上浮，若遇到較大的集料阻攔則會(huì)在其下部形成一個(gè)水囊；若上浮至拌合物表面，容易在水分完全蒸發(fā)后形成空洞。

輕集料混凝土的分層現(xiàn)象降低了輕集料混凝土的強(qiáng)度和耐久性，導(dǎo)致使用該材料的建筑物的可靠性和使用壽命降低，也延緩了高強(qiáng)度輕集料混凝土的發(fā)展進(jìn)程。因此，改善或者消除輕集料上浮帶來(lái)的勻質(zhì)性問(wèn)題十分關(guān)鍵。

3.2 輕集料混凝土勻質(zhì)性宏觀上影響因素和主要現(xiàn)有改進(jìn)方法

3.2.1 影響因素

輕集料本身由于密度、顆粒級(jí)配、粒徑大小、顆粒形狀、吸水性等因素會(huì)直接或間接的影響輕集料在水泥漿體中的上浮速度；振搗時(shí)間，振搗時(shí)間越久輕集料上浮越嚴(yán)重；引氣劑增加了拌合物中的微小空氣泡減小了水泥漿體的密度與輕集料密度的差值；增稠劑（例如纖維素類）可以增加水泥漿體的稠度，增加了液膜表面吸附的堅(jiān)固度，從而增加了液膜的強(qiáng)度，使膜不容易排液也就為氣泡的形成創(chuàng)造了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境；拌合物的流動(dòng)性也會(huì)影響輕集料混凝土的勻質(zhì)性[1]。

3.2.2 主要現(xiàn)有改進(jìn)方法

基于對(duì)輕集料混凝土分層現(xiàn)象和勻質(zhì)性的分析，減少輕集料混凝土中輕集料上浮的方法主要有有：在保證輕集料顆粒級(jí)配的情況下根據(jù)所需流動(dòng)性控制其粒徑在一定范圍內(nèi)；減少振動(dòng)時(shí)間，減緩輕集料相對(duì)于輕集料混凝土的上浮；采用添加增稠劑、引氣劑或增稠劑引氣劑雙摻法；添加礦物摻和料，減小水泥漿體的密度[2]。

4.輕集料混凝土改進(jìn)勻質(zhì)性方法探討：預(yù)置輕集料混凝土

4.1 新的設(shè)想：預(yù)置輕集料混凝土

美國(guó)人Wertz L S 于1930年發(fā)明了預(yù)置集料方法生產(chǎn)混凝土。預(yù)置混凝土是先把粗集料填入模板中，然后向其中諸如水泥砂漿來(lái)填充集料之間的空隙而成的混凝土[3]。輕集料混凝土在成型過(guò)程中，輕集料在水泥漿體中的上浮導(dǎo)致成型后的混凝土塊上部輕集料集中，下部沉積水泥漿體，使輕集料混凝土的性能大打折扣?，F(xiàn)在擬采用預(yù)置輕集料的方法改善輕集料上浮現(xiàn)象。

預(yù)置輕集料混凝土的制作方法是：在模具里，事先就放置好所用輕骨料，使輕骨料均勻充滿整個(gè)模具并蓋上板蓋，最后通過(guò)板蓋上的預(yù)留孔將配制好的水泥漿體灌入模具中，經(jīng)過(guò)自身重力作用和振搗，使空隙中充滿水泥漿體，等到成型后在進(jìn)行拆模。這樣的制作方法，可以有效避免輕集料在水泥漿體中的上浮現(xiàn)象。

4.2 預(yù)置方法的作用機(jī)理

傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的輕集料混凝土，由于輕集料是分散的分布在水泥漿體中，極易上浮造成集料分布不均的問(wèn)題。而采用預(yù)置集料的方法，一方面提高了輕集料的含量，另一方面在封閉的模具中，均勻填充好的輕集料點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸，并不是完全分散在流動(dòng)的水泥漿體中。同時(shí)，充分發(fā)揮出了骨料的嵌鎖和骨架作用。所以說(shuō)預(yù)置輕集料混凝土的性能更多的取決于輕骨料本身。

5.小結(jié)與展望

隨著大跨度橋梁和超高層建筑的日益增多，輕集料混凝土在現(xiàn)代建筑中有著越來(lái)越重要的地位，在滿足工程要求的同時(shí)還能收獲一定的經(jīng)濟(jì)效益。改進(jìn)由于輕集料上浮現(xiàn)象所帶來(lái)的輕集料混凝土性能下降的問(wèn)題，可以擴(kuò)大輕集料混凝土的使用和發(fā)展空間。預(yù)置輕集料，為減緩輕集料在水泥漿體的上浮提供了一種新的思路和可行方法。

[1]徐錦平,陳建華,周紹豪.輕骨料混凝土的應(yīng)用研究及展望[J].國(guó)外建材科技,2007,28(5):11-13.

[2]韓靜云(譯).日本輕集料混凝土的最新發(fā)展.

[3]JGJ_51-2002.輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2002.

[4]GBT17431.1-2010 輕集料及其試驗(yàn)方法 第 1部分：輕集料[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2010.

[5]劉麗芳.輕集料混凝土勻質(zhì)性的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[6]王志偉,吳國(guó)友,李秋義.輕集料混凝中輕集料上浮試驗(yàn)的研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,16(2).

[7]沈衛(wèi)國(guó),崔嘯宇,李家勝,孟憲利,熊春兵,楊衫預(yù)置集料高強(qiáng)高性能混凝土的試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(10).

姓名：黃妍媚(1994.12--) 性別：女，安徽省蕪湖市人，學(xué)歷：本科三年級(jí)，專業(yè)或職業(yè)：工程造價(jià)專業(yè)

G322

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1007-6344（2016）03-0300-02

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