輕集料混凝土的研究和應用

趙明霞

輕集料混凝土是指用輕粗集料、輕細集料 (或普通砂)、水泥和水，必要時加入化學外加劑和礦物摻合料配制成的混凝土，其表觀密度不大于1950 kg／m3。其中由輕砂作細集料配制而成的輕集料混凝土為全輕混凝土，由普通砂或部分輕砂作細集料配制而成的輕集料混凝土為砂輕混凝土。

一、輕集料混凝土的特性

與普通混凝土相比，輕集料混凝土主要有以下優良特性：

1、輕質高強

輕集料中孔隙的存在降低了集料的容重，從而降低了輕集料混凝土的容重，結構輕集料混凝土的容重一般為1400～1900 kg／m3，比普通混凝土約小20%～40%，而其強度可以達到普通混凝土常用的強度等級，但比其強度高。對于結構恒載(即自重)占有較大比例且對材料性能有較高要求的高層建筑、大跨度橋梁等工程而言，輕集料混凝土的這種特性在經濟效益方面表現出明顯的優越性。特別是當輕集料混凝土用于建造橋梁時，可使橋梁的跨度增大，減少橋墩的數量，減少上部結構預應力鋼筋的用量，降低基礎處理的費用，尤其在沿海地基上，由于基礎處理費用相對較高，節省的幅度將更大，降低原材料和構件運輸、安裝費用等。

2、抗震性能好

輕集料混凝土，由于自重輕、彈性模量低，因而抗震性能好。用它建造的建筑物，在地震荷載作用下，所承受的地震力小，震動波的傳遞也較慢，且自振性能比普通混凝土要好。1976年唐山大地震時，京津地區幾十棟使用輕集料混凝土的工業與民用建筑基本上完好無損，周圍的磚混結構房屋則遭受嚴重破壞或倒塌，不少工廠磚砌煙囪震裂倒塌。

3、耐久性良好

輕集料的孔結構造成了它的“微泵”效應。在輕集料混凝土成型后，輕集料會吸收過多的水分，隨著時間的延長，混凝土水分逐漸蒸發，輕集料又會緩慢釋放出內部的水分，使水泥石得到充分的養護，從而提高水泥石的密實性和強度。這種效應還改善了水泥石的孔結構，進一步提高了抗滲性能，因此，輕集料混凝土抗有害介質侵入的能力也相對較強。另外，使用輕集料能有效避免混凝土的堿集料反應問題，從而使建筑物的使用壽命延長。

4、抗裂性較好

同普通混凝土相比，輕集料混凝土的熱膨脹系數和彈性模量較小，使得由于冷縮和干縮作用引起的拉應力相對較小，表現為輕集料混凝土構件的抗裂性較好，這對改善結構的耐久性、延長結構的使用壽命是非常有利的，并有助于降低結構在使用期間的維護費用。

二、輕集料混凝土的應用現狀

1、輕集料混凝土在高層建筑中的應用

我國進入20世紀90年代以后，隨著高強度、低吸水率的高強輕集料的研制和生產，結構輕集料混凝土在工程應用中也嶄露頭角。1999年建造完成的24層的珠海國際會議中心，為滿足建筑功能變更的要求，在9層以上的軸線范圍內采用輕集料混凝土，有效地減輕了結構自重，共使用了約1115m3輕集料混凝土。經估算，采用輕集料混凝土方案比采用基礎、梁、柱加固方案節省資金20多萬元，縮短施工周期半年以上。2005～2006年建造的宜昌濱江國際大廈，建筑總高101.1m，大屋面高度93.6m，總建筑面積為36 197.9m2。四層以上采用短肢剪力墻結構形式，全部采用陶粒混凝土建造，共用LC40輕集料混凝土2990m3，LC35輕集料混凝土3650m3。該工程首創了我國在結構體系上(筒體、剪力墻、梁、柱、板)全部采用輕集料混凝土建高層的記錄，同時實現了輕集料混凝土垂直高度達101m的高層高強泵送技術。

2、輕集料混凝土在橋梁工程中的應用

永定新河大橋是我國輕集料混凝土在橋梁工程中應用最為成功的一個典型范例。該橋是位于唐津高速公路上的一座大型橋梁，全長1565.5m。在該橋南北引橋工程的上部結構中應用了強度等級為LC40、密度等級為1900的輕集料混凝土。這是我國應用新材料、新技術建筑現代輕集料混凝土橋梁的開端。

3、輕集料混凝土在道路工程中的應用

在美國得克薩斯州休斯敦市的一條州際公路上，有兩段沿街道路就是連續配筋的輕集料混凝土路面的一個實例。這些路段建于1963～1964年，是在試驗基礎上研究配筋百分率的影響，預定了裂縫的間距和骨料的種類。路面板是150mm厚的混凝土，下面是150mm厚的由水泥穩定的骨架路基。整體澆筑的寬度達7m。在1974年、1984年和最后的1988年，即路面開通使用后24年，都對路面的彎沉、裂縫間距和表面情況進行檢查。研究表明，用輕骨料混凝土澆筑的路面，同用硅質礫石作為粗骨料的普通混凝土路段相比，前者的表面損壞較少。這表明，輕骨料混凝土路面可與現代的普通混凝土路面相媲美。

三、輕集料混凝土存在的主要問題

1、輕集料混凝土的分層離析

輕集料混凝土拌和物主要是由輕集料、細集料、膠結材料和水四部分組成。這四種組成部分的比重各不相同，在混凝土拌和后會產生分層現象。一般對于普通密度混凝土，比重較小的水、水泥漿及帶有較小細集料的水泥砂漿上浮，粗集料及較大顆粒的細集料及包裹它們的水泥漿下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了混凝土的外分層結構。但對于輕集料混凝土，則是比重較小的輕集料、水等上浮，水泥漿和細集料下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了輕集料混凝土的外分層結構。同時輕集料的上浮也容易造成輕集料混凝土的離析。這種分層離析現象在坍落度大的輕集料混凝土中尤為明顯。很顯然，控制輕集料混凝土分層離析的關鍵技術在于控制輕集料的上浮。國內外學者對這個問題進行了大量的研究，并提出以下若干措施來控制輕集料的上浮。

(1)嚴格控制輕集料的最大粒徑。一般輕集料的最大粒徑不宜超過20mm。

(2)選擇合適的輕集料品種。配制高流動性輕集料混凝土應優先選用碎石型輕集料。

(3)摻加增粘保塑的外加劑以提高水泥漿體的粘度。

(4)摻加引氣劑。在不影響混凝土強度的前提下，混凝土中引入3%～5%含氣量，能夠減小水泥石與輕集料之間的密度差，有助于防止輕集料上浮。

(5)在不增加混凝土容重的同時，設置能夠抑制輕集料上浮的網架，如摻加纖維等物質可以抑制輕集料上浮。

(6)系統控制配合比參數，尤其是單位用水量、外加劑摻量和砂率，以實現混凝土流動性和穩定性的協調統一。

2、輕集料混凝土的泵送問題

高層建筑和橋梁工程混凝土施工時一般采用泵送工藝，但輕集料混凝土的可泵性相對較差，主要存在三個方面的問題：輕集料混凝土的分層離析，坍落度損失快和輕集料壓力作用下吸水。這三個問題都會導致泵送時堵泵。輕集料混凝土的分層離析的控制已有說明。坍落度損失一直都是高性能混凝土研究中的一個重大課題，目前已經取得了許多研究成果。在這方面，可以借鑒高性能混凝土中控制坍落度損失的經驗，同時結合輕集料混凝土自身的特點進行研究。輕集料壓力下吸水是一個比較現實的問題。目前生產工藝條件下制造出來的輕集料，其孔隙結構較差，不僅球狀孔直徑大，且開孔率高，而又分布不均勻，裂縫等缺陷也較多，因而在壓力作用下吸水率增大，導致混凝土拌和物狀態惡化而影響混凝土的可泵性。這個問題的解決有賴于輕集料生產技術的改善。

3、輕集料混凝土的強度問題

普通混凝土的強度與水泥用量有很大關系，一般來說，在耐久性允許的范圍內，水泥用量越大，混凝土強度越高。但是，輕集料混凝土達到一定強度以后，在繼續增加水泥用量的情況下，其強度增加不再明顯，還會增大輕集料混凝土的收縮裂縫和溫度裂縫引起的危害，降低混凝土的耐久性。這是因為，普通混凝土中，石子的強度大大超過水泥砂漿的強度，因此普通混凝土的薄弱部分是水泥砂漿；而在輕集料混凝土中，一般來說，輕集料的強度低于水泥砂漿的強度，輕集料混凝土的薄弱部分是輕集料。混凝土裂縫的情況證實了這點。混凝土斷裂后，普通混凝土的裂縫大部分是繞過粗集料的；而輕集料混凝土的裂縫則大部分穿過輕集料，表現為輕集料斷裂。因此，提高輕集料自身的強度是提高輕集料混凝土強度的最有效的辦法。

四、輕集料混凝土應用于道路工程的可行性分析

近年來，輕集料混凝土較多地應用于高層建筑和橋梁工程中，而應用于道路工程則很少見。事實上，由于輕集料表面粗糙多孔，輕集料內部孔洞直接吸音降噪的作用較突出，當輕集料混凝土用于道路時能降低路面行駛噪音，并能提高路面防滑能力，提高行駛舒適性。

輕集料混凝土應用于道路工程可能存在三個方面的問題：

1、輕集料混凝土的分層離析問題

輕集料混凝土坍落度較大時分層離析現象比較嚴重，而在坍落度較小時則影響不大。道路工程由于采用滑模鋪筑、軌道鋪筑等施工方式，對混凝土的坍落度要求不大，一般只有20mm～60mm。在這樣的坍落度下，輕集料混凝土的分層離析是比較小的，不會對混凝土的性能產生影響。

2、輕集料混凝土的抗彎拉強度

道路工程中混凝土的強度指標主要是抗彎拉強度 (舊標準稱抗折強度)。與普通混凝土相比，輕集料混凝土的抗彎拉強度有所降低。輕集料混凝土的抗彎拉強度與輕集料的級配以及輕集料混凝土的配合比參數有關。通過調整合理的級配和適當的配合比參數能有效提高輕集料混凝土的抗彎拉強度，一般來說28d強度達到4.5MPa是不成問題的，可滿足中等交通等級公路的要求。

3、輕集料混凝土的耐久性

道路工程對混凝土耐久性的要求主要是抗凍性和抗腐蝕性。輕集料混凝土的抗凍性良好。田耀剛、胡曙光等人的研究表明，輕集料混凝土經250次凍融循環后其動彈性模量仍在90%以上，質量損失率在1%以下。另一方面，由于輕集料的“微泵”效應，輕集料混凝土抗有害介質侵入的能力也相對較強；而且，使用輕集料能有效避免混凝土的堿集料反應問題。因此，道路工程中使用輕集料混凝土，其耐久性是可以得到保證的。

綜上所述，輕集料混凝土應用于道路工程是可行的。

五、結語

輕集料混凝土由于其自身的優良特性，越來越多地應用于高層建筑和橋梁工程中，并可進一步應用于道路工程中，在滿足結構性能的同時，還可取得很好的經濟效益。另一方面，利用工業廢料生產輕集料還可以變廢為寶，降低生產成本，同時減少了天然資源的開采，有利于環境保護，符合現代可持續發展的要求，輕集料混凝土將大有用武之地。