高性能轻集料混凝土评述与展望

摘要： 针对当前轻集料混凝土所存在的一些问题进行了分析，并对高性能轻集料混凝土的研究做了简要介绍. 高性能轻集料混凝土是具有轻质、高强、较好的保温、耐火、高抗震性能、无碱集料反应及环境友好等众多优点的一种新型建筑材料，它的进一步应用与发展必将给柔性地基、大跨度桥梁、高层建筑、海洋工程等建筑领域带来巨大的社会、经济效益。

关键词： 轻集料； 轻集料混凝土； 高性能； 评述； 展望

0 　引言

    混凝土作为传统建筑材料，在人类自主能动地对其性能设计使用的100 多年的历史中，逐渐认识到并也在不断改进它所存在的问题，其性能已有了很大的提高。 但随着21 世纪大规模、大型化、极苛刻条件下使用混凝土机会增多，加之环境保护的极高要求，混凝土目前存在的一些问题如果不能妥善有效地解决，将难以承担其应有的使命，其用途也难以大幅度拓展[1 - 3 ] 。

     高强轻集料混凝土LWAC (Lightweight Aggregate Concrete) 其单位重量的比强度高，能够较好的满足未来超高层(1 000m 以上) ，超大跨度(300～500 m 以上) 结构的需要，为混凝土在超高层建筑中使用提供了一种新型关键材料支撑. 高强轻集料混凝土是选用高强轻集料，或人造轻集料制备而成，其表面粗糙多孔，有一定吸水能力，十分有利于改善混凝土的界面粘结，提高整体强度; 其吸水能力又可作为水份存贮器，先吸入一部分水份，在以后的养护过程中又释放出来，有利于水泥的充分水化. 由于轻集料混凝土的具有轻质高强等优点，它比相同强度等级的普通密度混凝土自重降低25 %～30 % ，这对于结构恒载占有较大比例，且对材料性能具有较高要求的高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程等来说，轻集料混凝土的这种优势具有很强的市场竞争力. 如桥梁工程中由桥梁自重产生的内应力随跨度增大呈指数系数增加，跨度超过30m 的桥梁，采用轻质混凝土就具有可观的经济性. 此外，轻集料混凝土还具有较好的物理力学性能、耐久性能、无碱集料反应等优点，这些优点将赋予轻集料混凝土具有更广阔的用途。

1 　国内外发展概况

    一般把人造轻集料的最早使用年代追溯到1920 年左右[4 ,5 ] ，S·J 海德是最初运用回转窑烧制膨胀粘土轻集料的先驱者之一。 到1928 年，美国开始把这种方法用于商业生产，西欧在第二次世界大战以后才开始有了轻集料的生产。 美国和前苏联因缺少天然的普通集料，大量生产和使用了人造轻集料，使轻集料混凝土在这两个国家得到飞速发展. 70 年代初，美国轻集料年产量就到1 800 万m3 ，并且以每年的5 %～8 %的增长速度递增. 自1993 年以来，其轻集料的年使用量都维持在350～ 415 万m3的高水平上，其主要品种有粘土类、页岩类和粉煤灰类轻集料，其中用于结构混凝土的部分在80 万m3 左右. 日本由于经济衰退，轻集料的生产商已经由70 年代的6 家减少到3 家，1999 年产量已经减少为277 万m3 ，比最高峰时期的1990 年减少40 %. 当前，挪威是世界上结构轻集料混凝土和高强轻集料混凝土应用最先进的国家之一，其应用最多的是膨胀粘土轻集料。

    1969 年，美国就用高强轻集料混凝土建成了高21716 m ，52 层的休斯敦贝壳广场大厦[6 ] . 90 年代初期挪威、美国、日本等一些国家在普通轻集料混凝土的研究与应用基础上先后开展了对高强、高性能轻集料混凝土的研究[7 ] ，内容涉及到高强轻集料混凝土的配制、生产工艺、高性能轻集料的研究等多个方面，重点则在于改善混凝土工作性和耐久性，并已取得了一些成果。例如，美国采用高强轻集料混凝土建造了北海石油平台； 挪威已成功应用CL60 级轻集料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥。

    目前，我国一些大专院校、科研、工程建设单位已经先后开展了高强轻集料混凝土和高性能轻集料混凝土的研究，并在一些桥梁、高层建筑中应用，如珠海国际会议中心CL30 泵送高强轻集料混凝土，南京宁高公路桥面施工中应用了CL40 高强轻集料混凝土，可是相比之下，我国高性能轻集料混凝土的研究仍然处于起步阶段，水平较低。

2 　目前存在的主要问题

    轻集料混凝土主要有轻质、保温等特点，但如果轻质和保温能够区别轻集料混凝土和普通密度混凝土，那么当前大多数的有关混凝土的配合比、浇筑、结构设计的规范都不必修正了。 但实际上轻集料混凝土的许多特征如拌合、水化硬化阶段、延展性、失效模式、抗渗性能与普通密度混凝土都有很大的区别。在拌合和浇筑阶段，由于轻集料的多孔、吸水性质会影响轻集料混凝土的工作性能； 在混凝土硬化阶段，较高的水泥用量，良好的保温性能则会引起较高的水化温升；轻集料中的水份会在很大范围影响硬化水泥石组成和结构以及轻集料与水泥石的界面组成与结构，因此，在早期的硬化过程中混凝土体积稳定性与轻集料中水份的变化有很大的关系。 另外，轻集料混凝土硬化后由于收缩变形大，易于开裂，严重影响混凝土的使用寿命等问题。针对目前轻集料混凝土所存在的问题，应开展以下几方面的研究：

(1) 轻集料混凝土强度来源问题。轻集料混凝土由于自身的组成和结构特点决定了其有一个极限强度。因此，当混凝土达到一定的强度之后，再增加水泥用量已经无法继续提高混凝土的强度，相反还会带来混凝土其他方面性能的降低。因此，轻集料混凝土的强度来源是什么？ 即采用哪些技术措施才能提高轻集料混凝土的强度？

(2) 轻集料混凝土的泵送性能[8 ,9 ] 。目前，CL40OCL60 的高强混凝土轻集料混凝土已开始在工程上应用，但对轻集料混凝土中集料与胶凝材料易离析而影响泵送施工的问题并没有根本解决，存在的问题主要有：①由于在压力情况下，混凝土中的水份被压缩到轻集料中而导致混凝土工作性能降低，并容易发生堵泵现象。 ②当混凝土泵送到浇筑现场，在轻集料中被压缩的空气又会挤出水份，这将影响集料与水泥石之间界面组成和结构。 ③在泵送过程中容易发生严重的泌水现象。④泵送前后混凝土强度的损失以及由于泵送引起的混凝土耐久性问题。

(3) 轻集料混凝土的抗裂防渗性能[10 ] 。众所周知，脆性是影响混凝土工程耐久性、使用寿命的重要因素之一。虽然，这些年来国内外研究者对其进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决，甚至包括对高性能混凝土的研究。 轻集料混凝土同样存在脆性问题，并且由于轻集料混凝土的水泥用量较高，骨料弹性模量低和限制水泥石收缩变形的能力小以及轻骨料粒径和表面特征不合适导致水泥用量增多等原因，都会造成收缩增大，最终导致建筑物结构的开裂。 因此，提高轻集料混凝土的韧性以及防止混凝土开裂是影响高强轻集料混凝土推广应用的一个重要问题。

(4) 轻集料混凝土的耐久性能[11 - 15 ]。 影响轻集料混凝土的抗冻融性能最为重要的因素是轻集料的饱水程度，采用完全饱和的轻集料配制的混凝土，由于轻集料内部的孔的饱水程度较高，一旦这些孔中的水结冰发生膨胀，轻集料内部就没有足够的空间来吸收膨胀应力，因此混凝土将遭受严重的冻融损坏。Fujiki 的研究表明[16 ] ，轻集料的水饱和度高于90 %将导致混凝土的抗冻融性能变差，但轻集料最适宜的饱水程度目前还没有报道，需进一步研究。

(5) 延迟钙矾石(DEF) 问题[17 ,18 ] 。轻集料混凝土由于水泥用量高以及轻集料的多孔性使混凝土的保温性能好，轻集料混凝土内部的温度最高可以达到80 ℃以上. 而据报道，当温度达到70 ℃以上时就有可能发生DEF ，而且轻集料混凝土内部由于轻集料吸水作用将会使得内部湿度大，在高温与潮湿的条件下，发生DEF 的可能性进一步加大. 但是，DEF 对混凝土的体积稳定性的影响可能不同于普通密度混凝土。其原因是轻集料的多孔作用会消解由于DEF 问题引起的体积膨胀问题，因而其影响有可能减弱。

(6) 预应力损失问题. 轻集料混凝土弹性模量较小、收缩变形和徐变变形大，造成预应力钢筋混凝土中预应力损失较大等问题，限制了其在预应力大跨度结构中进一步应用，此问题急需解决。

    总之，无论在组成、结构还是性能方面，轻集料混凝土与普通密度混凝土都存在较大差别，已被实践证明的普通密度混凝土高性能化的技术措施和理论并不一定完全适用于轻集料混凝土。 因此，开展高性能轻集料混凝土的研究，其意义是十分明显的。

3 　高性能LWAC 的研究

    自从“高性能混凝土”概念于1990 年5 月被首次提出后，便一直是混凝土科技工作者研究的重点和热点，相比之下，对高性能轻集料混凝土的研究刚刚起步。高性能轻集料混凝土是指具有良好的工作性、高强轻质、体积稳定性和耐久性优良的新型轻质混凝土。在我国，高性能轻集料混凝土的研究正处在起步阶段，实际工程中轻集料混凝土存在的许多问题都没有能彻底解决。笔者对高性能轻集料混凝土进行了一定的探索，应用高性能水泥混凝土、材料复合等理论和技术，对轻集料混凝土的组成进行优化设计： 通过选择合适的原材料，优化工艺参数，并进行纤维增强增韧配制泵送纤维增强泵送轻集料混凝土，使其不仅具有轻质高强、易泵送的优点，且能大幅度降低混凝土的脆性，提高结构承受剪切和抗弯能力、提高混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、抗震、抗磨性和韧性，使桥梁和路面能够承受更大的荷载并且更加坚固耐用，对延长桥梁使用寿命是非常有利，并有助于降低桥梁建成运营后的维护费用. 此外，由于结构自重小，还可以在桥梁或路面上采用加设沥青混凝土铺装层的施工方案，使桥梁外形美观并且使车辆行驶更加舒适. 对于旧桥的改建、加宽和维修工程，只需更换旧桥面，不必改动旧桥的结构部分，既可提高旧桥的承载能力，又可节约资金。

4 　经济、社会效益及应用前景

    十五期间是我国经济建设飞速发展时期，大量的基础设施在建和待建，混凝土需求量十分巨大。随着国家对基础设施建设投入的不断加大，我国平均年混凝土需求量将超过20 亿m3 。 如按用于结构部位的混凝土需求量为60 %计，则年需结构混凝土12 亿m3 。 其中如果10 %的混凝土采用轻集料混凝土，则年需轻集料混凝土112 亿m3 ，市场十分巨大。 国际著名的美国林同炎中国公司对我国建筑市场作深入调查研究后认为[21 ] ： 仅在以普通混凝土为主要结构材料的高层、大跨度的土木建筑工程中推广高强轻集料工程(优化设计) 和结构轻集料两项新技术，可使工程造价降低10 %～20 %。即使在国产的高强陶粒一时供不上，不得不采用进口的轻集料时，还可使工程造价降低5 %～10 %。

    此外，一般人造轻集料可用工业废料(如废弃的不能做为混凝土掺合料的等外粉煤灰) 烧制而成，可大量利用工业废料。这对于在当前地球环境问题已十分严峻和迈向绿色建材的情势下，必将是混凝土可持续发展的必由之路，具有重大的社会效益。

    由此可见，轻集料混凝土将由很宽广的应用前景，将是建材市场的一个新的经济增长点，将给社会带来极大的社会、经济效益。

参考文献:

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