陶粒混凝土研究

畢建靜 高 震

（山東科技大學 土木工程與建筑學院， 山東 青島 266590）

0 緒論

在現代建筑行業中，混凝土是基礎性材料，是現代建筑、基礎設施與土木工程施工中必不可少的材料，也是用途最為廣泛和用量最大的材料之一。長期以來，混凝土材料來源廣泛，價格相對低廉，且具有良好的強度、性能及耐久度特點，在當前乃至一段時間內都是土木工程、鐵路、基礎設施和水利工程的首選材料[1]。自19世紀30年代以來，混凝土應用范圍不斷擴大，用量持續增長；至19世紀50年代，鋼筋混凝土出現后，混凝土應用范圍進一步擴大；自20世紀30年預應力混凝土問世以來，預應力混凝土具有自重輕、用量少、抗裂性能和剛度性能優異等特點，逐步取代了鋼結構和鋼筋混凝土結構。

隨著社會現代化發展，我國建筑行業、橋梁工程、鐵路工程和水利工程快速發展，高層建筑、超高層建筑等結構形式快速發展，這些結構形式具有自重和跨度等問題，預應力混凝土施工技術要求高，現代工程建設面臨新的挑戰。在此背景下，陶粒混凝土具有輕質、高強、耐久性能優異、抗震性能良好等特點，逐漸成為混凝土領域應用與發展的主要趨勢。

1 陶粒混凝土國內外研究現狀

相較于國內，國外在陶粒混凝土研究與應用方面起步較早[2-3]。自上世紀初期，西方發達國家就開始了陶粒混凝土方面的研究，其目的是改善傳統混凝土存在的不足，并取得了良好的研究成果。陶粒混凝土最早于1913年在美國研制成功，受限于相關規范與自身性能限制，陶粒混凝土研制后僅限于用于非承重結構。例如，以陶粒混凝土為原材料建造的美國休斯敦貝殼廣場大廈[4]，取得了良好的社會效益與經濟效益。上世紀90年代，陶粒混凝土在海上平臺和浮橋工程建設方面取得了良好的應用效果 。但同時，受限于陶粒混凝土自身性能及造價等因素制約，在工程建設方面發展較為緩慢。至1995年，輕質骨料研究取得了突破性成果，高強陶粒混凝土研制成果，陶粒混凝土發展進入高速發展階段。

國內在陶粒混凝土方面研究起步較晚，自上世紀 50年代以來，輕質骨料混凝土研究和開發主要集中在人造輕質骨料方面，如粉煤灰顆粒、頁巖陶粒等，經過較長時間的研究，至 50年代后期，我國北京建設成功第一棟以頁巖陶粒混凝土建設的裝配式建筑，上世紀 60年代初，河南平頂山建設完成洛河大橋是國內首座以輕集料混凝土建設的橋梁，自此開始，陶粒混凝土的應用范圍由陸地向橋梁建設延伸。直至1995年，隨著輕集料的研究成功，輕集料質量、施工技術得到顯著改善，高強陶粒混凝土在國內的研究與應用進入快速發展的階段。進入二十一世紀以來，國內關于混凝土的研究主要集中于陶粒混凝土性能改善及產品應用范圍拓展方面。

通過研究國內外文獻資料，發現陶粒混凝土研究具有較長的發展歷史，但是受限于輕集料的性能及研究，只有系統研究、開發、應用的國家和地區，陶粒混凝土才有廣闊的發展空間，同時，在陶粒混凝土的應用推動了國內外對陶粒混凝土性能的研究。

2 陶粒混凝土定義及特點

2.1 陶粒混凝土定義

陶粒混凝土是指以輕質骨料替代普通混凝土中天然石子，并加入適量河砂、水泥等凝膠材料，加入一定量水配制而成的表面密度小于1950kg/m3的混凝土。根據粗骨料種類的不同，可將陶粒混凝土劃分為粉煤灰陶粒混凝土、自然煤矸石混凝土和頁巖陶粒混凝土等。相較于與普通混凝土，陶粒混凝土能夠在確保強度要求的前提下降低結構自重[7]，能夠滿足現代建筑結構化、輕質、高強、多功能發展的需求，可用于輕型砌塊、保溫隔墻、輕型樓板和路面鋪裝等多種應用場景，是一種用途廣泛、性能可靠的建筑材料。

2.2 陶粒混凝土優點

在橋梁工程和高層建筑建設中，陶粒混凝土具有顯著的應用優勢[8]，具有以下特點：

（1）輕質高強

陶粒混凝土干表觀密度小于普通混凝土密度，普通混凝土干表觀密度一般為2450kg/m3，而陶粒混凝土則為1400kg/m3～1950kg/m3的范圍內。通過對比兩者差異，不難發現當陶粒混凝土容重在 LC5.0～LC50.0 范圍時，其容重僅為普通混凝土的80%，即在同等條件下，陶粒混凝土結構自重較普通混凝土結構輕20%-40%左右。

（2）耐火性能佳

陶粒混凝土由于采用了輕質骨料，因此，陶粒混凝土在施工完成后具有多孔特性，其線膨脹系數和導熱系數均較普通混凝土小，因此，陶粒混凝土尤其適用于高溫、保溫、抗火能力要求較高的結構建設中。在發生火災的建筑中，陶粒混凝土能夠抵抗火災約4小時左右，而普通混凝土結構僅能支撐1個小時左右。通過試驗對比，在 600℃試驗環境下，普通混凝土強度降低約 25%至 65%左右，而陶粒混凝土強度降低僅約15%左右。

（3）抗震性能強

通常來說，建筑自重越大，在地震中所承受的地震力越大，兩者呈正相關關系。當建筑結構采用陶粒混凝土時，由于混凝土強度、自重、變形能力得到改善，因此，當地震災害發生時，建筑物所承受的地震力將大大降低。此外，由于陶粒混凝土具有較低的彈性模量，因此，在建筑建設中采用陶粒混凝土能夠延長建筑固有振動周期，當建筑遭到破壞時會抵消大量變性能，可見，陶粒混凝土具有良好的抗震性能。

（4）耐久性能良好

以頁巖陶粒替代石子作為骨料，能夠改善混凝土堿集料反應的發生，從而起到延長建筑壽命的重要作用。同時，相較于石子，頁巖陶粒與水泥凝膠性能更好，基質界面粘貼牢固，從而提高了建筑結構抵抗有害物質侵入的能力。上世紀70年代，國內研究機構對1958年后建成的陶粒混凝土結構進行實地研究，研究結果表明，采用陶粒混凝土為原料現澆、預制的各種結構，其內部鋼筋均無銹蝕現象，碳化深度也小于30mm，混凝土結構強度不僅沒有像普通混凝土結構一樣降低，反而呈現持續增長趨勢。

（5） 良好的經濟效益

陶粒是一種很好的綠色材料，原料來源廣泛，可以利用工業廢料、生活垃圾生產人造陶粒，即減少了對環境的污染，又使廢棄物得到再生利用。在工程應用中使用陶粒混凝土，無論在降低自重方面還是保溫隔熱方面，均可降低工程量，節約工程費用。

2.3 陶粒混凝土缺點

（1）陶粒混凝土工作性差

在探討陶粒混凝土應用優勢的同時，我們也應理性看待陶粒混凝土應用缺點，其中，陶粒混凝土工作性差是制約其應用的重要因素，主要是干燥陶粒在吸水后導致混凝土攪拌物坍落度下降，當吸水率越大時，坍落度損失越大，而且，由于陶粒和水泥砂漿密度存在較大的差異，導致陶粒混凝土在攪拌過程中易出現分層離析的問題，因此，陶粒混凝土易分層離析、坍落度損失大，加之在壓力的作用下，輕集料易出現吸收混凝土中的水分的問題，多種因素導致泵送陶粒混凝土易出現堵泵的問題。

（2）力學性能不足

與普通混凝土相比，陶粒混凝土在抗壓強度、抗拉強度等方面沒有顯著差異，但是，其抗彎強度、彎曲抗拉強度較弱，僅為普通混凝土強度的75%左右，因此，在選用混凝土時應結合工程特點、混凝土抗彎強度、彎曲抗拉強度等多方面因素。

3 應用前景

與普通混凝土相比，陶粒混凝土在結構、性能等方面具有顯著的優勢，同時，也存在諸多制約因素，還需要進一步理論和實踐研究。雖然，我國在陶粒混凝土方面的研究起步較晚，在輕集料產品質量控制和生產工藝等方面與國外發達國家相比存在一定的差距，如國內生產的人造顆粒偏粗、粒型不佳、顆粒級配不善等問題，而且，生產設備、生產工藝相對落后，陶粒生產能耗居高不下，造成一定的環境污染，而且所生產的陶粒不適宜在墻體保溫或結構工程中應用，因此，在現有資源條件下，國內相關領域專家、學者應借鑒國外發達國家研究成果、實踐經驗，加快陶粒混凝土理論、生產及應用研究，推動國內陶粒混凝土技術的快速發展。