不同輕骨料混凝土的力學性能和耐久性研究進展①

□□ 陳 茜，賈 青，王正君，董佳昕，時廷俊

(黑龍江大學 水利電力學院 寒區水利工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

由于傳統混凝土的配置消耗了大量的砂、石等天然骨料，給環境帶來了不可避免的破壞，因此，尋找生態友好型混凝土成為一種必然趨勢，輕骨料混凝土的使用和發展為減少砂石等不可再生天然骨料的使用提供了可能。輕骨料混凝土使建筑物自重降低，更能減輕地基承載的壓力，同時具有優良的抗震性能，但力學性能較低。國內外學者大量地研究了改進輕骨料混凝土的力學和耐久性能的方法，并且取得了有效的進展。

1 輕骨料混凝土力學性能

1.1 煤矸石混凝土力學性能

煤矸石作為工業廢料排放對大氣、水體、土壤和地質均有不利的影響。我國作為煤炭產量大國，對廢棄物煤矸石的再利用將成為可持續發展的必然要求，建筑業對砂石天然骨料的大量耗費不符合可持續發展理念，將煤矸石作為建筑混凝土骨料的應用有利于工業廢棄物的處理，故對煤矸石混凝土力學性能的研究將使煤矸石混凝土更廣泛的應用于建筑結構中。

MA H Q等[1]采用700 ℃煅燒煤矸石作為粗骨料，堿活化煤矸石-礦渣為膠凝材料制備堿活化煤矸石-礦渣混凝土，研究了該混凝土抗壓強度的變化規律。結果表明：礦渣含量的增加可以有效提高混凝土的抗壓強度，煤矸石含量的增加對該混凝土的抗壓強度則有不利影響，且添加煅燒煤矸石可獲得比原煤矸石更高的抗壓強度。GAO S等[2]利用煤矸石替代粗骨料用于結構混凝土，試驗研究了煤矸石對混凝土材料、圓形鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱力學性能的影響。研究表明：隨著煤矸石替換率的提高，鋼筋混凝土和鋼管混凝土樁軸向抗壓強度和彈性模量不斷降低，不利于混凝土的力學性能，荷載-位移曲線變化趨勢無明顯差異。試驗還表明，鋼管混凝土比鋼筋混凝土更適合采用煤矸石作為結構粗骨料。

1.2 陶粒混凝土力學性能

陶粒因其內部孔隙較大且抗壓強度比普通碎石低，故其制成的陶粒輕骨料混凝土的強度一般比普通混凝土要低。陶粒粒徑大小、形狀和顆粒級配、預濕處理等均對混凝土的性能產生影響。陶粒混凝土作為綠色建筑材料符合國家綠色環保建筑要求，并且具有較低的自重，但因強度較低多用于非承重墻。故對陶粒混凝土力學性能的研究將對工程運用提供參考。

LIU J Z等[3]對以城市污泥為原料的陶粒輕骨料混凝土的微觀結構和性能進行了研究，研究表明：大顆粒陶粒的使用會降低陶粒混凝土的抗壓強度、穩定性和工作性。此外，適當摻入礦物摻合料可以提高陶粒混凝土的抗壓強度和工作性，但抗壓強度隨著水灰比的降低和砂率的增加而有所提高。趙威等[4]研究了陶粒球形、方形、棒狀和片狀等4種形狀對陶粒混凝土力學性能的影響，研究表明，陶粒混凝土的力學性能受陶粒骨料形狀的影響。其中，球形陶粒混凝土抗壓強度高而棒狀陶粒混凝土抗折強度高；用球形、方形和棒狀陶粒配制的陶粒混凝土綜合力學性能好。

1.3 浮石混凝土力學性能

浮石是火山爆發時噴射出的巖漿冷卻后形成的天然輕骨料,廣泛分布在我國的北部地區。浮石內部存在大量開放性氣孔，比普通碎石強度低。采用浮石作為粗骨料的混凝土質量輕、吸水率高，由于浮石內部孔隙的原因導致浮石輕骨料混凝土強度偏低，但由于浮石資源豐富、質量輕被廣泛應用于混凝土中作為粗骨料，故對浮石混凝土力學性能的研究具有重要意義。

?z H ?等[5]在水灰比為0.30的條件下，分別用水泥含量為300 kg/m3和420 kg/m3的碎石骨料配制了兩種對照混凝土。之后，分別以10%、20%、30%、40%和50%的酸性浮石取代碎石。共生產了12種透水混凝土(PC)，并在28 d和90 d測試了其抗壓、劈拉、抗折強度以及總孔隙率和滲透率，結果表明：酸性浮石的使用降低了PC的抗壓強度、劈拉強度和抗折強度；當酸性浮石取代碎石骨料達到50%時，無論水泥含量如何，PC的總孔隙率都會增加；酸性浮石具有多孔結構和較圓的形狀，加速了水的滲入，提高了PC的透水系數；隨著浮石量的增加，摻有浮石的PC的耐磨性降低。Hariyadi等[6]研究了不同比例的火山浮石作為骨料替代物對火山浮石多孔混凝土力學性能的影響，并以普通骨料多孔混凝土為參照。結果表明，火山浮石的加入增加了孔隙率，降低了彈性模量，強度也略有下降。但火山浮石多孔混凝土具有成為沖擊吸能結構的可能性。

1.4 其他輕骨料混凝土力學性能

Shafigh P等[7]進行了油棕殼輕骨料混凝土與膨脹黏土輕骨料混凝土力學性能和干縮對比研究，結果表明：油棕殼輕骨料混凝土的干密度高于膨脹黏土輕骨料混凝土(約5%)，但其28 d抗壓、抗折和劈裂強度分別比膨脹黏土輕骨料混凝土提高約44%、30%和16%。在早期，油棕殼混凝土的干縮率比膨脹黏土混凝土大，約為100%；但90 d及以上時，干縮率下降到35%。Srinivas K等[8]采用椰殼和聚苯乙烯泡沫塑料微珠部分替代粗骨料，添加不同比例(0.5%、1%、1.5%)的聚丙烯纖維，研究椰殼、發泡聚苯乙烯微珠替代粗骨料聚丙烯纖維輕骨料混凝土的力學性能，研究表明：椰殼可以作為粗骨料的部分替代材料用于輕骨料混凝土的生產；聚苯乙烯微珠是部分替代粗骨料的最佳材料之一；用聚苯乙烯微珠生產密度較小的輕質混凝土是可行的；當聚丙烯纖維含量為1%時，輕骨料混凝土的抗壓、抗彎和劈裂抗拉強度均達到峰值，隨著纖維含量的增加，強度有所下降。

2 輕骨料混凝土耐久性能

2.1 煤矸石混凝土耐久性能

煤矸石作為輕質粗骨料應用于輕質混凝土中能夠對工業廢棄物進行有效處理，但煤矸石骨料多孔，吸水率大，且煤矸石種類多包括原狀煤矸石和自燃煤矸石等。因而工程中煤矸石混凝土的耐久性一直是備受關注的問題，國內外學者從煤矸石骨料替代率以及煤矸石種類等角度研究了煤矸石混凝土的耐久性問題。

MA H Q等[9]采用700 ℃煅燒煤矸石作為粗骨料，堿活化煤矸石-礦渣為膠凝材料制備堿活化煤矸石-礦渣混凝土，研究了該混凝土耐久性的變化規律；并研究了不同煅燒煤矸石粗骨料摻量下減縮外加劑對混凝土耐久性的影響。結果表明：在前期，煅燒煤矸石混凝土的抗凍性優于原煤矸石混凝土，后期的抗凍性不如原煤矸石混凝土；隨著煤矸石含量的增加，堿活化煤矸石礦渣混凝土的Cl-擴散系數增大，總體上表現出較好的抗Cl-滲透性能且具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能。減縮外加劑的添加顯著提高了堿活化煤矸石-礦渣混凝土的抗凍耐久性和抗硫酸鹽侵蝕性能(90 d試驗)。隨著煅燒煤矸石含量的增加，減縮外加劑對混凝土抗Cl-滲透性能的改善效果更加明顯。GUAN X等[10]研究了煤矸石不同替代率對煤矸石混凝土試件在凍融循環作用下抗壓強度的影響，煤矸石置換碎石體積比分別為0、20%、40%、60%。結果表明：煤矸石混凝土在凍融循環作用下力學性能的降低速率明顯高于普通混凝土；混凝土中煤矸石含量越多，混凝土的強度降低速度越快，說明煤矸石混凝土的抗凍性比普通混凝土差。

2.2 陶粒混凝土耐久性能

陶粒因表面粗糙多孔且內部孔隙多能更好的與水泥漿體包裹在一起，與普通碎石和天然砂相比，陶粒與水泥漿體的粘結性能更好，且水泥能對陶粒內的孔隙起到很好的填充效應。因此，陶粒混凝土比普通混凝土具有更優良的抗凍抗滲性能，使用壽命更加長久。陶粒的耐久性能與骨料預濕程度、骨料取代率等有關，通過在陶粒混凝土中添加纖維、外加劑等外摻料可顯著改善陶粒混凝土的耐久性能。

GONG J Q等[11]研究了減縮劑和聚丙烯纖維單獨和聯合作用對陶粒混凝土耐久性的影響。結果表明：單獨摻加減縮劑，混凝土早期微膨脹隨減縮劑摻量的增加而增大，自收縮和干縮隨之減小；摻入聚丙烯纖維后，早期微膨脹幅度下降幅度較大，但對自收縮和干縮影響不大，收縮降幅小于減縮劑對混凝土的影響；對自收縮、干燥收縮和減縮有顯著貢獻。JI T等[12]研究了在相同總水灰比下，不同陶粒預濕程度對陶粒輕骨料混凝土早期自收縮的影響，結果表明：在液相和骨架形成階段，預濕24 h陶粒對輕骨料混凝土早期自收縮有明顯的促進作用。在硬化階段，陶粒混凝土表現出小的膨脹應變。因此，對于相同的總水灰比，輕骨料混凝土的早期自收縮隨陶粒預潤濕度的增加而減小。

2.3 浮石混凝土耐久性能

浮石在我國北方地區儲量豐富，取材方便，并且浮石表面粉末具有火山灰活性，具有良好的耐久性能。國內外學者對浮石的抗凍、抗Cl-滲透和抗碳化等耐久性做了大量研究。

WANG X X等[13]在蔡浩模型和鮑爾斯靜水壓力假設的基礎上，對天然浮石混凝土凍融損傷模型進行了試驗研究。應用疲勞損傷力學理論更準確地描述天然浮石混凝土的物理性質，改進了靜水壓力計算和測試方法，結果表明：天然浮石混凝土的最大靜水壓力通常出現在(-20～-5)℃之間，而普通混凝土的最大靜水壓力通常出現在(-5～0)℃之間。這些最大孔壓溫度的差異表明天然浮石混凝土比普通混凝土具有更好的抗凍性。摻加引氣劑后，天然浮石混凝土的最大靜水壓值明顯降低，這表明引氣劑的添加可以提高材料的抗凍性。

Madani H等[14]研究大摻量浮石和硅灰的生態友好型混凝土在3 d～365 d內的力學和耐久性特性，浮石與硅灰一起使用時，置換程度高達60%。研究表明，在28 d時，浮石并沒有提高材料的耐氯性和毛細管吸水率，但由于硅灰和浮石的協同作用，在這個齡期，浮石的擴散性得到了很大程度地提高。在90 d內，摻有浮石的混凝土耐久性有了顯著的提高，這種提高是由于硅灰的使用而得到了很大的促進。

2.4 其他輕骨料混凝土耐久性能

DONG W等[15]研究了以0、10%、20%、30%、40%的風積沙取代相同質量的河砂制備的風積沙浮石輕骨料混凝土的凍融損傷規律。結果表明：當風積沙摻量>30%時，混凝土的凍融破壞加速；但當混合液質量分數<30%時，損傷被抑制。確定風積沙替代普通砂的最佳替代率為20%～30%。盧文明[16]研究了橡膠顆粒以10%～50%的等體積取代率取代細砂的橡膠輕集料混凝土的抗滲性能和抗凍性能。結果表明：增加橡膠顆粒的含量會使混凝土的抗滲性能減弱。但是與基準混凝土相比，橡膠輕集料混凝土抗滲性更好；經過凍融循環試驗可知，最優橡膠顆粒摻量為20%，此時抗凍性能最好。

3 結語

本文主要介紹了陶粒、煤矸石、浮石等其他輕骨料混凝土的力學性能和耐久性，通過國內外大量研究發現，輕骨料混凝土質量輕是因為輕粗骨料的質量要低于普通碎石，而混凝土的質量主要取決于粗細骨料。因此，輕骨料混凝土使建筑物結構自重較輕，減小了地基承載荷載的壓力；但由于輕骨料多孔，孔隙率大，強度一般比普通碎石要低，導致輕骨料混凝土的力學性能受到限制，阻礙了陶粒、煤矸石等輕骨料在高性能混凝土中的運用。

國內外學者為改善輕骨料混凝土力學性能和耐久性能方面的不足，研究了通過摻入纖維、礦物摻合料和外加劑等外摻料來提高輕骨料混凝土的力學性能和耐久性，進一步探索輕質高強、高性能混凝土在工程中的運用，雖然目前輕骨料混凝土在力學性能和耐久性方面仍然存在一些問題，但隨著研究的深入，輕骨料混凝土的力學性能和耐久性將會得到顯著提高，輕骨料混凝土在高層建筑及裝配式建筑中的運用將有更廣闊的前景。