結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土的經(jīng)濟(jì)性分析

劉一槿 甘 偉

（1 廣州立墻墻體材料有限公司；2 廣州大學(xué)）

0 引言

結(jié)構(gòu)用的輕集料混凝土，通常采用人造輕集料（陶粒）。因?yàn)椋?工業(yè)化生產(chǎn)的人造輕集料比天然輕集料材料，能更好的控制結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性、可靠性。20 世紀(jì)以來，采用輕集料混凝土建造了一些引人注目的建筑物。不過，要推廣使用一種新的建筑材料，不僅技術(shù)可靠，而且要在經(jīng)濟(jì)上合理。因此，輕集料混凝土的選用者，都希望以較低的“經(jīng)濟(jì)”成本，取得更好的結(jié)構(gòu)“技術(shù)”效果。輕集料混凝土的強(qiáng)度高、自重較低的優(yōu)勢， 是涉及“技術(shù)”和“經(jīng)濟(jì)”層面的重要因素。結(jié)構(gòu)用輕集料（陶粒）混凝土，具有這兩種優(yōu)勢，往往能同時(shí)顯示優(yōu)良的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效果。本文在收集的已建工程資料基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土在技術(shù)前提下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行討論。

1 結(jié)構(gòu)用的輕集料混凝土基本情況

結(jié)構(gòu)用的輕集料混凝土現(xiàn)場澆筑施工或預(yù)制廠制作構(gòu)件，均可用普通混凝土常規(guī)設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員完成。其制造成本與普通混凝土相當(dāng)，屬常規(guī)水平。但輕集料混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量控制要求較高，包含了強(qiáng)度、密度、塌落度、勻質(zhì)性。其強(qiáng)度、密度主要由集料的種類而定。當(dāng)混凝土密度為1500～1900kg/m3時(shí)，其強(qiáng)度可達(dá)30～60MPa，彈性模量較普通混凝土低，而收縮、徐變量則和普通混凝土的相近。

我國結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土現(xiàn)處于緩慢的發(fā)展之中。當(dāng)前，其發(fā)展的瓶頸是缺乏成熟的固廢資源化利用技術(shù)、現(xiàn)代化綠色生產(chǎn)輕集料的裝備和燃料等問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018 年以來，相關(guān)輕集料混凝土的論文、專利、研究報(bào)告，約有300 多篇，說明該問題已引起各方重視。預(yù)計(jì)2020 年后，結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土將進(jìn)入新的發(fā)展階段。

2 費(fèi)用分析

在判斷輕集料混凝土是否經(jīng)濟(jì)時(shí)，主要看兩方面。一是材料費(fèi)用；二是整體建筑工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和施工費(fèi)用。與普通混凝土比較如下。

2.1 混凝土材料費(fèi)用比較

⑴集料成本：一般，強(qiáng)度高、密度低的結(jié)構(gòu)用人造輕集料比天然砂、石集料的制造成本高50%～150%（要視具體地區(qū)砂、石資源情況，混凝土的強(qiáng)度、密度性能要求情況而定，進(jìn)口高強(qiáng)度輕集料高達(dá)1300 元/m3）。

⑵水泥用量：按強(qiáng)度要求不同，每立方米輕集料混凝土要多用20kg～50kg 左右的水泥，（以彌補(bǔ)集料的強(qiáng)度不足，獲得必要的早期強(qiáng)度，提高模板和模型板迅速周轉(zhuǎn)率）。

⑶運(yùn)輸費(fèi)用：天然砂、石集料多就地取材運(yùn)輸費(fèi)用較小。人造輕集料的工廠還很少，往往運(yùn)距較遠(yuǎn)，而影響運(yùn)費(fèi)較高。

⑷由于上述緣故，每立方米輕質(zhì)混凝土的材料成本，通常高于同等級普通混凝土的成本50～300 元/m3不等(視混凝土的要求等而定)。

2.2 整體建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、施工綜合費(fèi)用比較

⑴由于輕集料混凝土結(jié)構(gòu)總體自重減輕10%～25%，可減少結(jié)構(gòu)鋼筋用量，減少結(jié)構(gòu)混凝土用量。

⑵由于輕集料混凝土結(jié)構(gòu)總體自重減輕，減少成型模板所需的附加費(fèi)，減少構(gòu)件吊裝、運(yùn)輸和裝備費(fèi)用。

⑶由于輕集料混凝土強(qiáng)度不變，而自重減輕，結(jié)構(gòu)跨度可加大，可減少支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用。也有利于大跨度結(jié)構(gòu)，高層建筑、地質(zhì)條件較差結(jié)構(gòu)、抗震結(jié)構(gòu)、建筑加層改造等領(lǐng)域的應(yīng)用。

⑷由于結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土有較高的強(qiáng)度和較低的密度，是唯一適用于單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料，有好的耐久性、保溫隔熱性能，可賦予外圍護(hù)結(jié)構(gòu)好的建筑節(jié)能效果，免除外加保溫構(gòu)造及其維護(hù)和使用費(fèi)。同時(shí)提高抗火效應(yīng)。

⑸由于人造輕集料采用固廢資源為原料，利用固廢，節(jié)約天然資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，其環(huán)保、社會效益巨大。

2.3 綜合費(fèi)用

將整體建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、施工優(yōu)勢都考慮進(jìn)去，輕集料混凝土所需增加的材料費(fèi)用就變得微不足道了，大都被輕質(zhì)混凝土的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益抵消。不少例子證明，綜合建筑物總體造價(jià)，可降低百分之8%～20%。

3 經(jīng)濟(jì)分析舉例

為了判定輕集料混凝土的使用是否在經(jīng)濟(jì)上有利。本節(jié)將通過收集的已有預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)工程和橋梁建筑等的實(shí)例來闡明。這些例子主要取自歐洲水泥協(xié)會資料。通常，要取得建筑公司及混凝土制造廠商內(nèi)部成本的公開資料，比取得技術(shù)方面的公開資料更為困難。雖不能用精確的費(fèi)用來表達(dá)輕集料混凝土的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。但從使用這種材料的技術(shù)上的理由，就足以說明它的經(jīng)濟(jì)性。

3.1 使用輕集料混凝土預(yù)制構(gòu)件舉例

德國某水泥廠建造一座皮帶運(yùn)輸機(jī)渡橋，結(jié)構(gòu)要求用6 根預(yù)應(yīng)力混擬土梁，梁高1.3m，長度從24.5m 到30.00m 不等。都是雙T 形構(gòu)件，并排架設(shè)。以下兩個(gè)方案進(jìn)行比較。

方案一，用強(qiáng)度等級C40、密度2400kg/m3，預(yù)應(yīng)力普通混凝土。

方案二，用強(qiáng)度等級LC40、密度1700kg/m3，預(yù)應(yīng)力輕集料混凝土。梁橫截面尺寸，兩方案相同。普通混凝土梁每根重15.6 噸，輕集料混凝土梁每根重11.2 噸。

對一根梁的制作、運(yùn)輸和安裝費(fèi)用，進(jìn)行對比，結(jié)果如下：

輕集料混凝土材料費(fèi)：增加約為250 馬克。

模板費(fèi)：兩者用相同（因?yàn)榱旱某叽缡且恢碌模?/p>

預(yù)應(yīng)力鋼筋：輕集料混凝土梁，可少用10%，節(jié)省70馬克。

普通鋼筋：梁內(nèi)配置的普通鋼筋（未經(jīng)張拉），兩者一樣。

施工安裝費(fèi)用：運(yùn)距，2.5 公里，普通混凝土梁毎趟能裝一根（15.6 噸）。輕集料混凝土梁毎趟可裝兩根（2×11.2=22.4 噸），每根梁約可省運(yùn)費(fèi)90 馬克。重15.6 噸的普通混凝土梁，要求起重能力為135 噸的汽車吊。重11.2 噸的輕質(zhì)混凝土梁，只要求起重能力為80 噸(吊車距現(xiàn)場150 公里，吊車每小時(shí)使用費(fèi)不一樣)。合計(jì)每根梁的安裝總費(fèi)用約可節(jié)省610 馬克。

總結(jié)：如使用輕集料混凝土，每根梁約可節(jié)省全部梁的費(fèi)用的8.9%。此外，每一支柱比用普通混凝土梁，要少8.8 噸的荷載，即承載力減少23%。

3.2 房屋結(jié)構(gòu)工程、構(gòu)件舉例

⑴舊房加層改造舉例。J.G.斯科特電子公司，要將一棟三層結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室建筑物加高兩層。在施工期實(shí)驗(yàn)室要照常工作。原設(shè)計(jì)就預(yù)留增加一層的重量。已有的鋼筋混凝土柱不能承擔(dān)普通混凝土加兩層的荷載。于是，采用LC35，密度1600kg/m3輕集料混凝土預(yù)制裝配式構(gòu)件，新增兩層的柱、梁、板，減輕自重33%。能滿足原先的容許應(yīng)力、地耐力、穩(wěn)定性等要求。

預(yù)制裝配式輕集料混凝土構(gòu)件總重290 噸，最重的構(gòu)件重2.45 噸。用一臺普通施工吊車裝配，安裝快捷，實(shí)驗(yàn)室可照常工作。

輕集料混凝土結(jié)構(gòu)增加的材料費(fèi)用約為25%，但因多加一層，使用面積増加了1900㎡。材料的密度低（1600kg/m3），絕熱性能良好（導(dǎo)熱系數(shù)0.66w/m.k），結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也高（LC35），獲得了顯而易見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

⑵單層輕集料混凝土墻板舉例。單層輕集料混凝土外墻板和多層復(fù)合外墻板比較，多層板的制作復(fù)雜，和隨后在建筑物上的表現(xiàn)（開裂、剝落、滲漏），所引起的質(zhì)量、安全問題是眾所周知的。

如果采用LC40、1700kg/m3的單層輕集料混凝土（含承重大墻板），制作較簡單、結(jié)構(gòu)性能可靠，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上也比較合理，可節(jié)省費(fèi)用20%。因此，輕集料混凝土單層墻板建筑，已經(jīng)得到日益廣泛的歡迎。

⑶殼體或角體單元舉例。從建筑學(xué)的角度，如將圍護(hù)、保溫用的預(yù)制混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)為“三向”殼體或角體單元，唯有結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是最有利的材料。以富有新穎建筑風(fēng)格的弗雷市圣阿爾伯特教堂為例，平面呈一顆有十六個(gè)尖端的星狀圓形，外圓直徑為28.60m。由于經(jīng)費(fèi)有限，唯一可行的建筑方案是在整個(gè)建筑物高度（20.1m）采用預(yù)制單元。如使用普通混凝土，就需增加保溫層外砂漿抹面作為保護(hù)。這將增加費(fèi)用，隨后的維修費(fèi)也會很大。采用白色輕集料混凝土（LC30，1600kg/m3），使教堂內(nèi)外一次準(zhǔn)確成型，取得精美雅致的效果。混凝土滿足結(jié)構(gòu)功能外，還能起到保溫作用，并減輕基礎(chǔ)荷載。這種解決方案顯然是經(jīng)濟(jì)的，是輕集料混凝土做了貢獻(xiàn)。

⑷懸挑結(jié)構(gòu)舉例。慕尼黑市拜爾發(fā)動機(jī)公司辦公大樓。全部樓層都是從將近100m 高的混凝土芯體上懸挑出來。各層樓板均系在地面澆灌混凝土，然后分層進(jìn)行往上提升一個(gè)樓層的高度。采用輕集料混凝土(LC40，1800kg/m3)，使得需要支承的懸挑系統(tǒng)的重量減少了18%，節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼筋。同時(shí)，隨著建筑物所有懸挑構(gòu)件可設(shè)計(jì)得更細(xì)長，而使樓板提升更輕便。在結(jié)構(gòu)完工以后，把附加荷載全部考慮進(jìn)去，總荷載仍可減少15%，這有利于降低建筑費(fèi)用（含基礎(chǔ)費(fèi)用）。

3.3 橋梁工程舉例

⑴輕集料混凝土構(gòu)件橋梁舉例。在萊因河威士巴登附近的一座長235m 的橋，三跨結(jié)構(gòu)，各跨為65m，105m和65m。中跨用多根同一型號（同一套模板）約80m 長的混凝土梁。兩邊跨梁分別通過兩橋墩向中跨挑出一段，其長度正好是隨后使諸中跨梁（“吊入”或“嵌入”梁）能架設(shè)上去的長度。梁必須藉助起重船進(jìn)行安裝，起重船的有效起重能力為400 噸。使用輕集料混凝土來制作這些梁（長80m，高5.4m），重量可保持在350 噸以下。這樣，該方案成為可行的。如用普逋混凝土，需要使用較短的梁（受重量限制），并在河當(dāng)中增建一座橋墩，或者采用懸臂法施工。改用這兩種方法造價(jià)大大提高。

⑵現(xiàn)澆輕集料混凝土橋梁舉例。荷蘭境內(nèi)尼美金附近跨越馬斯·瓦爾運(yùn)河的三座新橋，可承受的車輛載重量均是60 噸。設(shè)計(jì)相類似的橋的三個(gè)競爭方案，報(bào)價(jià)（荷幣）分別為：第一設(shè)計(jì)方案18100000 盾；第二設(shè)計(jì)方案17400000 盾；第三設(shè)計(jì)方案16800000 盾。橋?qū)挾榷际?8.70m。這三個(gè)設(shè)計(jì)方案是：

①上部用鋼結(jié)構(gòu)，跨距為37.4m，112.20m，37.40m。

②上部結(jié)構(gòu)用普通混凝土，跨距為47.60m、112.20m、47.60m。

③普通混凝土與輕集料混凝土并用，跨距為37.40m、112.20m、37.40m。 此 項(xiàng) 設(shè) 計(jì) 的 中 跨 長 為105.40m，用輕集料混凝土建造（混凝土采用懸臂法，按每3.4m 為一段分段施工。輕集料混凝土LC40，密度1700kg/m3。）

開標(biāo)時(shí)顯示，第三方案自重降低28%，技術(shù)可行，價(jià)格最低。評比后，三座橋都按第三設(shè)計(jì)方案建造。

3.4 特殊結(jié)構(gòu)舉例

⑴飛機(jī)庫。著名輕集料混凝土結(jié)構(gòu)--富蘭克福特主機(jī)場的5 號維修庫。采用輕集料混凝土（LC30，密度1650kg/m3） 的懸吊屋面，內(nèi)部面積為2×135m×100m=27000m2，沒有中間支柱。如用普通混凝土建造此屋面，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上無可取之處，因?yàn)閼业踔亓看螅е惺艿乃搅ο鄳?yīng)也大。輕集料混凝土有好的力學(xué)強(qiáng)度，保溫隔熱可靠，是該項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的重要前提條件。

⑵滑雪跳躍平臺。德國阿伯斯特多夫一座滑雪跳躍平臺。此項(xiàng)位于山頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，伸入空間100m，懸臂用懸挑法建造。除風(fēng)力外，自重在荷載中占了很大的比例。穩(wěn)定性是靠結(jié)構(gòu)底部的巖石錨固來保證的。采用輕集料混凝土LC45，密度為1800kg/m3。由于自重較普通混凝土減少25%。從而在預(yù)應(yīng)力鋼筋和錨固巖石方面節(jié)約超過1/3。

4 結(jié)論

上述分析和例子都表明結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土，除了人造輕集料價(jià)格較高、水泥用量較大外，混凝土重量減輕、強(qiáng)度較高、耐久性好和隔熱性能良好而提供技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益，還與設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、安裝、運(yùn)輸或與當(dāng)?shù)貤l件、環(huán)保等因素有關(guān)。這些因素往往共同傾向優(yōu)先使用輕集料混凝土。因此，判斷結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土的經(jīng)濟(jì)效益，僅就構(gòu)件材料價(jià)格來考慮是不夠的，必須從建筑工程整體來綜合考慮和評價(jià)。一般說，采用結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土，使用得當(dāng)，工程整體造價(jià)可降低8%～25%。