輕骨料混凝土的性能及其在建設(shè)工程中的應(yīng)用

黃鵬程 陳征征 趙晨陽

【摘 要】以時(shí)代發(fā)展為背景，對(duì)輕骨料混凝土這一材料的性能及其在建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析與研究，以此促進(jìn)建筑工程中對(duì)輕骨料混凝土的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】輕骨料混凝土；建筑工程；應(yīng)用

在當(dāng)今如此大的建筑市場(chǎng)影響下，縱使我國地大物博，自然資源豐富，也無法避免能源枯竭的一天，所以在建筑行業(yè)遵行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是刻不容緩的，加快新型混凝土材料方面的研究，減少對(duì)天然砂石等不可再生資源的需求，才能更好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境[1]。輕骨料混凝土作為一種質(zhì)量較輕、功能較高效等特點(diǎn)的新型混凝土材料，在大跨度橋梁、高層建筑、海洋工程等工程應(yīng)用中具有巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和突出的社會(huì)效益[2]，同時(shí)，由于在生產(chǎn)輕骨料和配置輕骨料混凝土的時(shí)候，大量利用了粉煤灰、硅灰等工業(yè)固體廢棄物，有利于資源的綜合利用和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，符合了今后的發(fā)展方向：輕質(zhì)、多功能、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，使其已成為現(xiàn)代混凝土的一個(gè)重要發(fā)展方向[3]。

一、輕骨料混凝土的定義

輕骨料混凝土（又名輕集料混凝土，Lightweight Aggregate Concrete）是指用膠凝材料、輕粗骨料、輕細(xì)骨料或普通砂和水配置而成的表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土材料，是一種利用人造或者天然輕質(zhì)骨料替代普通密度骨料的混凝土，與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有：輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫性能好、耐火性能好、抗震性能好、綜合的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果好。輕骨質(zhì)混凝土與普通混凝土不同之處在于骨料中存在著大量的孔隙，由于這些孔隙的存在，賦予它許多優(yōu)越的性能。一般來說輕骨料可以具體的定義為：用輕粗、細(xì)骨料（或普通砂）、水泥和水，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，28d齡期的干表觀密度<1950kg/m3的混凝土。它密度一般在800kg/m3到1800kg/m3之間，抗壓強(qiáng)度在10Mpa到30Mpa之間，導(dǎo)熱系數(shù)為0.208W/（m·K）到0.420W/（m·K）。

二、輕骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

在六十年代初期，隨著技術(shù)的日趨成熟和經(jīng)驗(yàn)的逐漸積累，我國開始了結(jié)構(gòu)用輕骨料混凝土的研究，并完成了一些工程實(shí)例，其中的河南平頂山洛河大橋，這是國內(nèi)首座輕骨料混凝土大橋，具有代表性意義。20世紀(jì)末，我國對(duì)于輕骨料混凝土的研究加快了步伐，尤其是高強(qiáng)輕骨料在橋梁和建筑方面的應(yīng)用有了突破性進(jìn)展。以此為背景，建成了珠海國際會(huì)議中心，20層以上使用輕骨料混凝土建造，強(qiáng)度達(dá)到40MPa；云南建工醫(yī)院的主體全部使用高強(qiáng)輕骨料混凝土建造，使用完好；在橋梁方面，位于天津的永定新河大橋成功在輕骨料混凝土當(dāng)中加入了預(yù)應(yīng)力體系，完成了一次大膽的探索。我國是一個(gè)地震頻繁地區(qū)，近年來對(duì)墻體材料的革新和建筑節(jié)能工作非常重視。輕骨料混凝土的發(fā)展與應(yīng)用，既可促進(jìn)墻體材料的革新，又能滿足節(jié)能建筑的技術(shù)要求，可謂利國利民之舉。因此，輕骨料混凝土及其建筑具有廣闊的發(fā)展前景。

三、輕骨料的特點(diǎn)

（一）輕質(zhì)高

強(qiáng)骨料中孔隙的存在降低了骨料的顆粒容重，從而降低了輕骨料混凝土的容重。在強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下，輕骨料混凝土比普通混凝土材料表觀密度低20%-40%。但是由于輕骨料的孔隙在拌合料攪拌時(shí)具有吸水作用，造成顆粒表面的局部低水灰比，增加了骨料表面附近水泥石的密實(shí)性。同時(shí)，骨料表面粗糙具有微孔，提高了粗骨料與水泥石的粘結(jié)力，從而提高了輕骨料混凝土的強(qiáng)度。

（二）保溫性能好

多孔輕骨料內(nèi)部的孔隙，能使其導(dǎo)熱系數(shù)變低，容重在800kg/m3到1400kg/m3之間的輕骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/（m·K）到0.52W/（m·K），與普通混凝土相比不僅強(qiáng)度高，整體性好，而且保溫性能良好，使建筑物的能耗降低。

（三）抗震性能好

輕骨料混凝土由于自重輕，彈性模量低，因而抗震性能好。地震波傳來時(shí)，可以有效延長結(jié)構(gòu)的自振周期，減慢震動(dòng)波的傳遞，且減小自振頻率，利用自身相對(duì)較大的變形抵消掉一部分能量，保護(hù)建筑物，將危害降到最低。

（四）耐熱性能好

當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)普通混凝土耐火1小時(shí)，而同等條件下陶粒混凝土耐火時(shí)間可達(dá)到4小時(shí)。在600攝氏度的高溫下，輕骨料混凝土能維持正常室溫下的強(qiáng)度的85%，而且在同一級(jí)的耐火等級(jí)下，陶?；炷恋臉前搴穸缺绕胀ɑ炷恋谋?0%。故其十分適用于耐火等級(jí)要求高的高層建筑、公共建筑和工業(yè)建筑。

（五）耐久性好

輕骨料混凝土較低的熱膨脹系數(shù)可以使它在溫度發(fā)生較大突變的情況下，產(chǎn)生較小的內(nèi)部拉壓應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)減少甚至避免了裂縫出現(xiàn)。而裂縫是影響混凝土耐久性的一大重要因素，減少裂縫的產(chǎn)生相當(dāng)于提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。同時(shí)，輕骨料內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)使得它在凍融循環(huán)測(cè)試中也有很好的表現(xiàn)。

（六）制作工藝簡單

輕骨料混凝土具有生產(chǎn)工藝簡單，施工適應(yīng)性強(qiáng)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)越性，是一種很有前途的新型建筑材料。

四、輕骨料混凝土的不足

（一）力學(xué)性能差

輕骨料混凝土的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度均較低。通常情況下，增加混凝土強(qiáng)度可通過水泥用量來實(shí)現(xiàn)，但對(duì)輕骨料混凝土來說卻并非如此，增加水泥用量其強(qiáng)度提高幅度不大，到一定程度是增加不明顯?？傮w來說，輕骨料混凝土在力學(xué)性能上是不可能與同類相提并論的。

（二）離析現(xiàn)象明顯

混凝土攪拌工程中，輕骨料的移動(dòng)速度與骨料和膠凝材料之間的密度差是成正比關(guān)系的。由于輕骨料特有的輕質(zhì)因素，導(dǎo)致相比普通混凝土來說，輕骨料在攪拌過程中更加容易產(chǎn)生較大的上浮速度，因此，更加容易突破膠凝材料的粘滯阻力，造成離析現(xiàn)象也就更加明顯。

（三）骨料吸水

作為一種多孔結(jié)構(gòu)的材料，輕骨料的吸水率比普通骨料大得多，特別對(duì)于表面存在大量的開口孔的輕骨料，當(dāng)其浸入水中后，這些開口孔便開始吸取水分，尤其在初始階段，這種吸水情況表現(xiàn)得極為激烈。輕骨料含水率的增高不僅會(huì)增加混凝土的容重，更會(huì)降低輕骨料混凝土的抗凍性?；炷恋目箖鲂院推鋭兾g損失率和耐久性系數(shù)有密切關(guān)系。滲入到混凝土中的水在溫度在冰點(diǎn)以下時(shí)會(huì)結(jié)冰引起膨脹，將從內(nèi)部損傷混凝土結(jié)構(gòu)?；炷帘韺尤舫掷m(xù)受鹽溶液浸蝕，在混凝土薄弱處也將會(huì)發(fā)生剝落。凍融次數(shù)的增加會(huì)降低輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過多次凍融循環(huán)，最終將引起混凝土剝落酥裂而降低其耐久性。

五、輕骨料混凝土制品及應(yīng)用

（1）高層建筑陶?；炷两Y(jié)構(gòu)自保溫體系。為了提高非承重墻體和屋面板等結(jié)構(gòu)等的隔熱保溫性能，在高層建筑物內(nèi)開始使用普通陶?；炷列⌒推鰤K代替粘土磚，作為節(jié)能建筑內(nèi)的承重材料的首要選擇，同時(shí)陶?；炷两Y(jié)構(gòu)也適用于隔熱保溫較好的承重墻體和樓板等多層式節(jié)能建筑。尤其是在承載結(jié)構(gòu)中，陶?；炷料啾扔谄渌p骨料混凝土具有明顯的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。目前使用的陶粒種類仍然是以普通的陶粒為主，隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，未來普通陶粒的產(chǎn)量以及研發(fā)情況都會(huì)有一定的提升。

（2）輕骨料混凝土應(yīng)用于高層建筑主要是通過現(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)。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)。

我國在過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、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)際運(yùn)用效果。

六、結(jié)語

影響混凝土耐久性的因素是復(fù)雜的、綜合性的、必須從原材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、使用環(huán)境及其檢測(cè)維護(hù)等多種因素綜合考慮，使混凝土既滿足承載力要求、又要滿足其耐久性的要求。因此，我國的輕骨料混凝土應(yīng)向以下幾個(gè)方面發(fā)展：（1）應(yīng)符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，有效利用工業(yè)固體廢棄物、淤泥等制造輕骨料，這樣可以減低生產(chǎn)成本，減少對(duì)天然骨料的開采，能合理、充分、節(jié)約地利用各種能源。（2）多研究和開發(fā)新型高強(qiáng)的輕骨料混凝土，把輕骨料混凝土運(yùn)用到結(jié)構(gòu)構(gòu)件中去。如鋼-混凝土的組合、勁性混凝土、摻纖維混凝土等都是把充分發(fā)揮輕骨料混凝土的性能，把其運(yùn)用到結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國建筑科學(xué)研究院.輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程（JGJ51-2002）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2]付達(dá)新.輕骨料混凝土的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國建材科技，2014.

[3]郭玉順，木村薰，李民偉，丁建彤，黃明君.高強(qiáng)度耐久性輕骨料混凝土的性能[J].混凝土，2000，10.