轻集料混凝土的新进展

[摘 要] 介绍了轻集料混凝土技术在新骨料、矿物掺合料、高性能化和纤维增强方面的新进展。

[关键词]轻集料；混凝土；高性能；矿物掺合料；纤维

1 　引言

      1913 年人造轻集料页岩陶粒在美国问世以来，用轻集料取代普通砂石集料配制的轻集料混凝土，因具有密度小、强度高、保温、隔热、耐火、抗震性能好的特点，在世界各国得到了迅速发展，现在已成为仅次于普通混凝土的用量最大的一种新型混凝土。20 世纪70 年代，一些发达国家轻集料生产与应用处于颠峰期时，美国年产量曾达2300 万m3 ，20 世纪80年代末原苏联则迅速发展到5000 多万m3 ，其中人造轻集料约占80 %[1 ] 。我国自1956 年研究和试制成功人造轻集料以来，随着国民经济和科研工作的深入发展，至20 世纪90 年末人造轻集料的年产量已迅速发展到300 多万m3 ，天然轻集料的开采量也超过100 万m3 ，并且以每年20 %的速度递增[2 ] 。

2 　轻集料混凝土

2. 1 　分类

      我国轻集料混凝土技术规程(JGJ-5121990) 规定，轻集料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂(或普通砂) 、水泥、和水配制而成的表观密度不大1950kg/m3 的混凝土。轻骨料混凝土按其轻粗集料的种类可分为：天然轻集料混凝土、工业废料轻集料混凝土和人造轻集料混凝土三大类。按用途可分为: 保温轻集料混凝土、结构保温轻集料混凝土、结构轻集料混凝土。JGJ5121990 规程对这三类轻集料混凝土合理的强度等级、密度等级、及其适宜的工程应用范围提出了具体的建议(见表1) 。

2. 2 　特点

      轻集料混凝土由于骨料的多孔性，能大幅减轻结构物自重，并具有保温、隔热、耐火、抗震性能好的特点[3 ] ，应用日益广泛。但正是由于材料的多孔性，使轻集料混凝土的受力特性与普通混凝土有很大差异，普遍存在一个极限强度[4 ] 。轻混凝土中粗集料较轻，而且国内的人造轻集料主要是圆球型，所以很容易上浮，引起混凝土的分层离析。并且多孔性给轻骨料带来高吸水率( > 5 %) ，使混凝土坍落度降低，为满足泵送要求配出高流动性混凝土，传统的处理方法是搅拌前对轻骨料进行预湿，但这种做法使混凝土更容易分层离析。泵送后，轻集料中的水分又被挤出而导致骨料与水泥石界面的水灰比增大，降低过渡区的强度，甚至引起混凝土的强度损失和耐久性变差等问题。因此只有有效控制轻集料的高吸水率问题和混凝土的离析问题，才能促进这种集结构与功能一体化的建筑材料更为广泛的应用。

3 　新发展

3. 1 　新骨料

      随着社会的进步和经济的发展，天然资源日益枯竭，而各种废弃物和垃圾却越来越多，如何处理这些垃圾已成为当今社会的一大难题。轻集料混凝土技术的发展，为这个问题的解决提供了一条重要途径。近几年来，国内外很多轻骨料的研究都集中在如何利用各种废弃垃圾，从而达到变废为宝的目的。

      废玻璃在城市和工业废料中的比重日益增大，虽然经破碎后可以直接配制轻混凝土，但其中硅含量能达到70 %以上，所以即使水泥材料中含有很少量的碱，都可能发生碱－集料反应而导致轻混凝土结构的破坏，这个问题一直阻碍着废玻璃轻集料混凝土的发展。V. Ducman[5 ] 将废玻璃研磨成粒径小于0.1 mm 粉粒，然后加入一定量的膨胀剂，在880℃下加热10～15 min ，制作出表观密度0.18 g/cm3 ，吸水率11 %的轻骨料。因为轻骨料中的孔隙可吸收一定的体积变形，用它和Na₂O 含量0.92 %的波特兰水泥制作的试件没出现体积膨胀或裂纹。Weihua Jin[6 ] 制作了上百组试件来测试玻璃含量、品种、骨料粒径对玻璃混凝土的碱-骨料反应的影响，验证了这种反应的破坏性可以通过将废玻璃研磨成很细的粉末来有效的消除，通过这种方法并选用合适的骨料粒径和玻璃含量可以容易的配制出抗压强度为40 MPa 的轻混凝土。废木材做轻骨料在轻混凝土中的应用一直受到木材和水泥化学相容性的限制，木材中的半纤维素在碱性环境中溶解，降低了水泥的水化和材料的强度。并且木材中的树脂等易溢出表面形成层状从而破坏木材和水泥之间的胶结。

      Douglas C. Stahl[7]用硅酸钠对木材进行处理后，经过一系列特殊的工序加工，成功制出了强度满足ASTM C129 非承重标准的轻混凝土，它的密度和耐久性也都达到了要求。

      近年来随着环保意识的提高，废弃泡沫聚苯乙烯( EPS) 包装材料的回收和利用在我国已引起足够重视。再生EPS 在建筑领域主要用作混凝土轻集料，由于颗粒的密度特别低、绝热性良好、封闭结构基本不吸水，从而可制成热工性能优异的超轻型保温制品，并且综合生产成本较低，经济效益可观，目前已在国外得到广泛的生产和应用[8 ] 。

      另外，人造陶粒也朝着绿色、环保方向发展，利用淤积海泥[9 ] 、尾矿粉[10 ] 、硅藻土[11 ] 等烧制的许多新型陶粒相继涌现。

3. 2 　矿物掺合料技术

     混凝土高性能化的重要技术手段就是采用复合技术，在轻混凝土中掺加粉煤灰、矿渣和硅灰等矿物掺合料已成为改善工作性能的重要途径。一方面，矿物掺合料密度比水泥小，用它取代部分水泥，可以有效降低水泥砂浆的密度，减少轻集料的上浮，并能减缓混凝土的水化过程、减少坍落度的经时损失，有利于泵送施工，矿物掺合料对轻混凝土工作性能的影响见表2[12 ] 。另一方面，矿物掺合料对轻混凝土的强度也有所贡献，较大的比表面积和表面能，使它更易吸附并粘结在轻集料的表面上，和水泥一起在其表面上形成强度较高的壳结构，提高了轻集料的强度，因此也就提高了轻混凝土的强度[13 ] 。

3. 3 　高性能轻集料混凝土

      为消除普通轻集料高吸水率给混凝土带来的施工性能、物理力学性能和耐久性方面的负面影响，1990 年高性能混凝土出现后不久，在泵送高强轻集料混凝土研究与应用的基础上，日本等一些国家就开始探索、研究高性能轻集料混凝土(HPLWC) 。虽然国内外对HPLWC 尚无明确定义，但普遍认为HPLWC比普通轻集料混凝土(NLWC) 具有更高的耐久性、更好的工作性、更优的体积稳定性和更高的强度，并且具有更高的比强度(表3) ，表明HPLWC 用于混凝土结构其技术经济价值将更为显著[14 ] 。

    虽然掺加复合外加剂、矿物掺合料和改变砂率等方法可以改善轻混凝土的性能[15 ，16 ] ，但发展高性能轻混凝土的关键是轻集料的性能。高性能轻集料的获得主要有两条途径：一是将普通轻集料的外表面喷涂一层如石蜡、聚苯乙烯乳液等防水涂料，以降低或消除其吸水率，这种方法虽然有效，但是却使得轻骨料的生产过程变得复杂，而且对骨料2浆体界面结合有不利影响；另一种则是选用特殊的原材料，采用专门的生产工艺加工出的高性能轻集料，因为它内部气孔细小、均匀、呈球形且互相封闭，所以吸水率很低。这种轻集料在日本的研究较多，主要有两种:一种是以90 %的粉煤灰、适量膨润土和碳酸钙、煤粉混合，成球，在1200～1300 ℃下煅烧膨胀而成，表观密度约为1800 kg/m3 ，吸水率小于3 %。在0.3 水胶比下，用这种轻骨料不经预湿，就可以配制出28 d 强度80 MPa、干燥表观密度小于2100 kg/m3 的高强轻集料泵送混凝土[17 ] 。另一种是以珍珠岩、流纹岩等火成岩为主要材料、添加辅助材料和发泡剂，经粉碎、混合、脱水、干燥、造粒、预热、焙烧和冷却而制成。我国学者与日本合作进行研究[18 ，19 ，20 ] ，利用我国资源，制造出这种高性能轻集料的物理性能见表4。此轻集料的低吸水率(图1) ，特别是在真空下的低吸水率(图2) ，使它具有良好的可泵性和抗冻性。

3. 4 　纤维增强

      纤维增强普通混凝土在工程中的应用已经很广泛，在混凝土中掺加纤维能有效地改善材料的脆性、耐久性和抗疲劳能力，是混凝土高性能化的一条重要途径。虽然目前纤维增强在轻集料混凝土中的应用研究较少， 但一些实验表明[21 ，22 ] ，纤维在轻集料混凝土中亦具有相同的作用，能明显地提高材料的韧性(表5) 。除此之外，纤维增强对于轻混凝土有着更为特殊的意义:一方面因为轻集料混凝土的水泥用量大、骨料强度模量低和限制水泥石收缩变形能力小等原因，造成收缩增大，而纤维能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而产生一种有效的二级加强效果，增强混凝土的韧性，减少混凝土收缩引起的裂纹和裂缝。另一方面，纤维在混凝土中形成网络结构，起到一种“承托”作用，降低了混凝土的表面析水和轻集料的上浮，并且纤维表面积大，能吸附大量的水泥浆包裹其周围，提高了水泥浆粘性，有效地控制了轻集料混凝土的分层离析。

4 　结语

      轻集料混凝土具有轻质高强、保温隔热、耐火抗震的优良性能，并且建筑节能和废物利用使之具有绿色、环保的特性，它的开发与应用已成为建筑工程材料重要发展方向之一。近年来，轻集料混凝土技术得到了很大发展:大量新绿色骨料相继出现；矿物掺合料应用技术日趋趋成熟；并随着高性能轻集料的研制、纤维增强技术的应用，轻集料混凝土逐步克服工作性能差、易分层离析等缺点，日趋走向复合化、高性能化。

参考文献

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6 　Weihua Jin ，Christian Meyer ，Stephen Baxter.“Glascrete”2Concrete with Glass Aggregate. ACI MATERIALS JOURNAL ，Vol . 97 ，No. 2 ， 2000 : 208-213

7 　Douglas C. Stahl ， P. E. ，M. ASCE ， Gregg Skoraczewski ， Phil Arena ， Bryant Stempski . Lightweight Concrete Masonry with Recycled Wood Aggregate. Journal of Material in Civil Engineering ， Vol . 14 ， No. 2 ， 2002 :116-121

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