輕集料混凝土的發展和預置技術設想

黃妍媚

（長安大學 陜西 西安 710014）

輕集料混凝土的發展和預置技術設想

黃妍媚

（長安大學 陜西 西安 710014）

輕集料混凝土由于自重輕這一特點被廣泛應用在大跨度橋梁和超高層建筑中并能獲得一定的經濟效應。本文主要介紹了輕集料混凝土在國內外的發展和應用概況極其主要特性，并就改進勻質性這一問題提出了新的設想。

輕集料混凝土；主要發展；勻質性；預置

1.輕集料混凝土的發展和應用概況

1.1 國外輕集料混凝土的主要發展和應用概況

隨著天然砂、石的儲備量減少，開采成本的上升，國外注重于發展人造輕集料。相比于天然輕集料，人造輕集料有著質量容易控制、功能多樣化的優勢，因而國外輕集料的品種較多。自1913年美國成功研制出膨脹頁巖，國內又稱為頁巖陶粒，以此配制的輕集料混凝土（抗壓強度可達30MPa～35MPa）就廣泛應用在房屋建筑、船舶制造以及橋梁工程中。美國在結構用輕集料混凝土中使用的輕骨料除膨脹頁巖外，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用較少。1969年，美國休斯頓貝殼廣場大廈的修建，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218米、52層的貝殼廣場大廈，相比于使用普通混凝土取得了卓越的技術經濟效應，極大地推動了輕集料混凝土事業的發展。八十年代成為鼎盛時期，輕集料混凝土的身影出現在高層、大跨度建筑結構、砌塊、墻板和承重砌塊中。自1993年以來，美國每年輕骨料使用量在350～415萬m3左右[1]。

日本的人造輕集料技術較晚，在第二次世界大戰后才得以大力發展。上個世紀五十年代初，出現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展和應用達到最高峰，不僅在陸地建筑物和構筑物中大量使用，在海洋構筑物中也應用廣泛。近年來，寫字樓的樓板和幕墻大多使用輕集料混凝土來代替普通混凝土。應用實例比如，1993年一棟名為Yokohama Landmark建筑物，層數七十，層高達296m，九層以上使用了輕集料混凝土，成為了日本當時最高的建筑物；1998年，Chiltumagawa第三大橋在HolturiduShinkan線上開工，此橋梁板由輕集料混凝土制成；同年，Ogtayama高架橋投入使用，此橋使用輕集料預制混凝土板。但近年來，輕集料混凝土的弊端顯現，日本致力于研究和完善輕集料混凝土技術[2]。

大多數歐洲國家人造輕集料發展較晚。英國早期一工業廢渣為原料生產輕集料，利用礦渣做輕集料的歷史已有70余年。

某些國家綜合了本國及外國技術經驗，編定了關于輕集料混凝土的技術標準和規范。例如：美國制定了技術標準ASTMC330T用于規范結構輕集料混凝土。

1.2 國內輕集料混凝土的主要發展和應用概況

國內人造輕集料混凝土的研究和使用起步較晚，于二十世紀五十年代開始起步，并重承重結構研究與非承重應用的研究。1956年，我國生產出第一批粘土陶粒。此時我國的輕集料生產和應用水平都不盡如人意。七十年代末至八十年代初，我國人造輕集料的年產量仍維持在40萬m3這一較低水平。經過一段低速發展階段，年代末至九十年代初期這一時期，我國輕集料混凝土事業的發展出現低谷。這一時期，由于錯誤的認識，僅僅追求質輕這一特點，將輕集料混凝土的使用方向限制在非承重結構中，從而未獲得預期的經濟效應，大量輕集料生產廠家被迫停業，進一步導致國內對輕集料混凝土研究和應用的腳步放緩。但發展至九十年代末期，隨著國外高強輕集料混凝土技術的推廣、國內經濟和科研工作的進一步深入發展，我國輕集料年產量已迅速超過300萬m3。

目前，我國輕集料混凝土的發展和使用較國外仍有很大差距，相比于國外在高層、超高層、大跨度建筑中的應用 ，國內輕集料混凝土主要應用于強度較低且非承重結構中，在一些特殊環境（海上作業平臺等）下的應用更為罕見。

在大量科研基礎上，標準化體系已經建立。隨著國民經濟能力的增強、科研事業的發展和對輕集料事業發展重要性的認識加深，我國的輕集料混凝土事業發展勢頭良好。

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]。輕集料混凝土的強度一般可達15～50級，最高可達70級。輕集料混凝土較普通混凝土的區別在于使用了輕集料從而質量減輕、內部存在空隙，這一組成結構特點賦予了輕集料混凝土不同于普通混凝土的一些性能特點。

2.1 輕質高強

輕集料混凝土的關鍵在于輕集料。常見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）、工業廢渣輕集料（自然煤矸石、煤渣等）[4]。加上內部呈高度多孔性，致使輕集料混凝土達到常用混凝土等級的同時容重大大降低。在常用相同強度等級情況下，容重為 1400kg/m～1900kg/m3的結構輕集料混凝土比普通混凝土輕約20%，最高可達40%，比強度十分可觀。多孔的輕集料在強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水灰比低，從而提高了此范圍內水泥石的密實度，且與粗糙、多微孔的輕集料表面其與水泥石的粘結能力也得到提升。這樣水泥石外殼的堅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度，彌補了因多孔造成的強度損失，使得輕集料混凝土可以在獲得與普通混凝土強度等級的情況下減輕質量。將輕集料混凝土應用在高層建筑、超高層建筑、大跨度橋梁中可以獲得明顯的經濟效益。

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于混凝土。地震來臨時，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，振動波傳遞慢，振動周期長，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

輕集料的多孔結構會在混凝土成型的過程中不斷吸收水分，當環境的含水率降低時，被吸收的水分又緩慢釋放，使水泥石長時間處于濕潤的環境中得到充分養護，對提高混凝土的強度和密實度起到有利作用。同時多孔結構還有效降低了寒冷條件下水結冰導致的膨脹壓力。這種“微泵”性能由于改變了還改善了輕集料混凝土的抗滲性能和耐腐蝕性。

2.4 綜合經濟效應好

輕集料混凝土還具有保溫、隔音、耐火、易于加工等特點。隨著國民經濟和科學技術的深入發展，高層、超高層、大跨度建筑物和構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上無明顯優勢但在大量應用中，由于降低了建筑物或構筑物的自重從而降低了基礎處理費用、縮小結構斷面、增加使用面積，整體上降低了工程造價。

3.輕集料混凝土的勻質性問題

3.1 輕集料混凝土的分層現象及其危害性

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程中，輕集料的上浮現象一直是人們關注的重點之一。

對于普通混凝土造成其結構不均的主要原因是，粗骨料的密度較大在密度較小的水泥漿體中下沉，某些大顆粒細集料也會出現下沉現象。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象導致了整體勻質性的下降。同時在拌合過程中，密度較小的水會持續上浮，若遇到較大的集料阻攔則會在其下部形成一個水囊；若上浮至拌合物表面，容易在水分完全蒸發后形成空洞。

輕集料混凝土的分層現象降低了輕集料混凝土的強度和耐久性，導致使用該材料的建筑物的可靠性和使用壽命降低，也延緩了高強度輕集料混凝土的發展進程。因此，改善或者消除輕集料上浮帶來的勻質性問題十分關鍵。

3.2 輕集料混凝土勻質性宏觀上影響因素和主要現有改進方法

3.2.1 影響因素

輕集料本身由于密度、顆粒級配、粒徑大小、顆粒形狀、吸水性等因素會直接或間接的影響輕集料在水泥漿體中的上浮速度；振搗時間，振搗時間越久輕集料上浮越嚴重；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固度，從而增加了液膜的強度，使膜不容易排液也就為氣泡的形成創造了一個穩定的環境；拌合物的流動性也會影響輕集料混凝土的勻質性[1]。

3.2.2 主要現有改進方法

基于對輕集料混凝土分層現象和勻質性的分析，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配的情況下根據所需流動性控制其粒徑在一定范圍內；減少振動時間，減緩輕集料相對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.輕集料混凝土改進勻質性方法探討：預置輕集料混凝土

4.1 新的設想：預置輕集料混凝土

美國人Wertz L S 于1930年發明了預置集料方法生產混凝土。預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程中，輕集料在水泥漿體中的上浮導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。現在擬采用預置輕集料的方法改善輕集料上浮現象。

預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模具并蓋上板蓋，最后通過板蓋上的預留孔將配制好的水泥漿體灌入模具中，經過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象。

4.2 預置方法的作用機理

傳統方法生產的輕集料混凝土，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題。而采用預置集料的方法，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對點接觸，并不是完全分散在流動的水泥漿體中。同時，充分發揮出了骨料的嵌鎖和骨架作用。所以說預置輕集料混凝土的性能更多的取決于輕骨料本身。

5.小結與展望

隨著大跨度橋梁和超高層建筑的日益增多，輕集料混凝土在現代建筑中有著越來越重要的地位，在滿足工程要求的同時還能收獲一定的經濟效益。改進由于輕集料上浮現象所帶來的輕集料混凝土性能下降的問題，可以擴大輕集料混凝土的使用和發展空間。預置輕集料，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.輕骨料混凝土的應用研究及展望[J].國外建材科技,2007,28(5):11-13.

[2]韓靜云(譯).日本輕集料混凝土的最新發展.

[3]JGJ_51-2002.輕骨料混凝土技術規程[S].北京：中國標準出版社.2002.

[4]GBT17431.1-2010 輕集料及其試驗方法 第 1部分：輕集料[S].北京：中國標準出版社.2010.

[5]劉麗芳.輕集料混凝土勻質性的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[6]王志偉,吳國友,李秋義.輕集料混凝中輕集料上浮試驗的研究[J].淮海工學院學報,2007,16(2).

[7]沈衛國,崔嘯宇,李家勝,孟憲利,熊春兵,楊衫預置集料高強高性能混凝土的試驗研究[J].武漢理工大學學報,2011,33(10).

姓名：黃妍媚(1994.12--) 性別：女，安徽省蕪湖市人，學歷：本科三年級，專業或職業：工程造價專業

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1007-6344（2016）03-0300-02

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