陶粒混凝土的研究進展

李辛庚,閆風潔,岳雪濤,王學剛

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，電工新材料技術聯合實驗室(山東)，濟南 250001； 2.山東建筑大學材料科學與工程學院，濟南 250101)

0 引 言

混凝土是當今世界上用量最大的一類建筑材料，近年來隨著我國社會經濟的發展，各類建筑物、構筑物、高速公路、鐵路等基礎建設越來越多，對混凝土的需求量也越來越大。據統計，2019年1月到10月，中國商品混凝土累計產量達到20.5億m3，超過2018年全年產量，混凝土預制樁摻量超過3.3億m，也超過2018年全年產量[1]。混凝土需求量的增加帶來了對其性能的新要求,同時環保和節能的要求也對混凝土提出更高的要求，混凝土結構的輕量化、性能復合化、環境友好化是其發展的重要方向[2]。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有保溫、隔熱、隔音等性能，在同等強度下質量降低20%～40%[3]，工程造價降低10%～20%[4]。

輕骨料混凝土主要通過減輕骨料的體積質量從而減混凝土整體的密度，所以輕質混凝土一般也稱為輕集料混凝土或輕骨料混凝土。我國《輕骨料混凝土應用技術標準》(JGJT 12—2019)[5]對輕骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete)的定義為：用輕粗集料、輕砂或普通砂、膠凝材料、外加劑和水配制而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土。根據骨料組成的不同，輕骨料混凝土又分成三類[5]：(1)由輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為輕砂混凝土；(2)由普通砂或普通砂中摻加部分輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為砂輕混凝土；(3)用輕粗骨料、水泥、礦物摻合料、外加劑和水配制而成的無砂或少砂的混凝土。根據輕集料混凝土用途分為三種[6]：(1)保溫輕集料混凝土，專門用來做結構保溫和熱工構筑物，如非承重隔墻等；(2)保溫結構混凝土，即作為承重結構同時也作為保溫結構，如房屋建筑的承重外墻、屋面等；(3)結構用輕集料混凝土，主要用于承重構件或構筑物的混凝土，比如建筑物或構筑物的梁、板、柱等結構。

1 制備方法

1.1 原材料

陶粒混凝土跟普通混凝土的原材料基本相同，由膠凝材料、粗骨料、細骨料和外加劑構成。膠凝材料主要是硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，輔助膠凝材料包括粉煤灰、礦粉、硅灰等一些水泥活性摻合料，粗骨料一般選用頁巖陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒等各種陶粒，細骨料選用河砂、江砂、機制砂，外加劑選用萘系減水劑、聚羧酸減水劑[7-11]。所選用的膠凝材料各項指標均滿足規范及試驗要求，陶粒粒徑5～25 mm，表觀密度600～1 300 kg/m3，筒壓強度2.5～7.6 MPa，砂為細度模數為2.5～2.8的中砂。很多學者采用《輕集料及其試驗方法 第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)和《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》(GB/T 17431.1—2010)作為輕集料性能測定和選擇的依據[12]。為了提高陶粒混凝土的強度，往往加入一些鋼纖維[8,10-11]、聚丙烯纖維[11,13-14]、稻草纖維[7]、玄武巖纖維[15]，甚至采用鋼筋加強陶粒混凝土[16-18]。

陶粒是近年來發展較快的新型建筑材料之一，外殼是陶制或者是致密的釉質，內部為疏松多孔結構，因此具有較小的密度，是一種優質的人工輕集料。陶粒按照原材料分為粘土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒，現在工業生產中也采用了大量的工業廢棄物作為陶粒的原料，如水利清淤的淤泥、城市建設的廢棄土、礦山開采的尾礦渣，充分利用工業固體廢棄物成為發展焙燒陶粒的重要方向。按照陶粒粒形分為碎石形、球形、圓柱形。碎石形陶粒與普通骨料形狀接近，有利于提高混凝土結構強度，而球形陶粒有利于提高混凝土塌落度，便于施工。按照用途，陶粒可分為保溫用的超輕陶粒、一般用途普通陶粒、結構用高強陶粒。近年來，隨著工程實踐的需要，產生了大量新型的功能性陶粒，如隔聲吸音陶粒、濾料陶粒、裝飾陶粒、綠化工程陶粒[19]。

1.2 制備方法

在進行混凝土設計時，很多學者采用《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)作為混凝土設計計算依據[9,12,20-21]。陶粒混凝土的使用應滿足強度、和易性、耐久性等指標，在此基礎之上，影響陶粒混凝土設計的參數有混凝土試配強度、水泥用量、水灰比、砂率、活性摻合料用量等。在進行配合比設計時，一般把這幾個主要參數作為影響因素，設計正交試驗，確定最佳配比。陶粒混凝土的試配強度根據式(1)進行計算：

fcu，O≥fcu,k+1.645σ

(1)

式中：fcu,O為陶粒混凝土的試配強度，MPa；fcu,k為陶粒混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；σ為陶粒混凝土強度標準差，MPa。

表1為混凝土的強度標準差。

根據《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)，按照輕粗骨料是否預濕分別采用兩種投料攪拌順序。一種是先預濕粗骨料，然后將粗細骨料、水泥、摻合料進行預拌，最后加入外加劑和水進行攪拌[23-25]；第二種是粗骨料不預濕，將粗細骨料、摻合料加上1/2的總用水量進行預拌，再加入水泥、外加劑和剩余的水進行攪拌[26]。攪拌好的混凝土拌合物裝入模具，在振動臺上振實，得到成型后試塊。成型好的試塊放入恒溫恒濕養護箱中標準養護24 h后拆模，然后放入溫度20 ℃、濕度95%的標準養護箱中養護28 d。

2 力學性能

標準條件養護28 d的陶粒混凝土試塊，基本力學性能按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)規定進行測試，動彈性模量按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)采用動彈模量儀進行測試。陶粒混凝土的基本力學性能包括抗壓強度、抗拉強度、劈拉強度、抗折強度等，通過調整水灰比、砂率、摻和料用量、陶粒體積摻量、纖維摻量，以及養護制度來測試其對陶粒混凝土強度的影響。

研究表明對于摻加鋼渣、礦粉等工業廢棄物作為膠凝材料的陶粒混凝土，采用高溫蒸養的辦法能促進其水化，加速強度提升，從經濟性和實用性角度考慮，應采用蒸養為宜[27]。

水灰比和材料強度存在明顯的線性關系，混凝土的強度隨著水灰比的增大逐漸降低，根據使用材料和制備方法的不同，水灰比選擇范圍為0.18～0.61，水灰比在0.32左右時，陶粒混凝土的綜合性能最好[28-30]。水灰比的提高使得混凝土硬化后形成較多的毛細孔，造成混凝土密實度降低，使陶粒混凝土的強度降低。而水灰比過低時，和易性較差，導致陶粒混凝土混合不均勻，塌落度降低，粘度提高，振搗不密實，氣泡不容易排出，最終致使陶粒混凝土強度降低。

砂率對陶粒混凝土性能產生較大影響[28-30]，砂率在一定范圍內時，陶粒混凝土的塌落度隨著砂率的提高先增加后減少，表觀密度隨著砂率的提高而線性增長，強度則隨著砂率提高增長較大，而當砂率過高時，水泥漿體不能充分包裹骨料，混凝土強度不再隨著砂率提高而增加，反而會有所下降。

水泥摻合料可以采用粉煤灰、礦粉、鋼渣、偏高嶺土。研究表明摻入一定比例的偏高嶺土和粉煤灰，陶粒混凝土抗壓強度最高能提高250%，原因在于其顆粒較小，摻入混凝土中能夠優化陶粒混凝土的微觀結構，有效改善內部孔結構[26,31]。

作為粗骨料的陶粒相比于普通石子，具有強度低、重量輕、吸水率高等特點，用來代替普通石子，隨著陶粒體積摻加量的增加，混凝土的彈性模量逐漸降低，強度呈逐漸減小的趨勢[32]。

在陶粒混凝土內摻入稻草纖維后，如NaOH溶液處理后，其抗壓強度、抗沖擊強度均有所提高，但劈裂抗拉強度有所降低。鋼纖維的加入可以阻止陶粒混凝土內部裂紋的出現，進而提高其抗裂性能、抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和沖擊荷載[8,23]。

3 保溫性能

建筑節能是建筑行業發展的共同目標，與歐美等發達國家相比，國內建筑能耗處于較高水平。據測算，建筑能耗占社會總能耗的30%[33]，實現建筑節能減排，綠色環保，推動節能生產在建筑工程中的應用，加速建筑低能耗進程是研究者努力的方向。建筑外墻在外部維護結構中所占面積最大，是建筑物內外能量交換的主要通道，因此需要提高外部圍護結構的保溫隔熱能力，外墻保溫是建筑節能的重點。陶粒混凝土具有比強度高、表觀密度低、保溫隔熱性能好等優點，作為外墻維護結構具有明顯的優勢，受到越來越多的關注。

研究表明采用700級陶粒等體積取代60%碎石混凝土，該配比制備的陶粒混凝土導熱系數比普通混凝土降低了60%，同時抗壓強度接近于C40混凝土強度等級[34]。林宗浩等[35]研究表明，控制陶粒和陶砂質量比為2∶3，水膠比0.65，乳膠粉為水泥用量的0.8%，可制備出抗壓強度6.7 MPa、面密度78 kg/m2、傳熱系數為1.45 W/(m2·K)的超輕陶粒混凝土。將陶粒混凝土用作結構自保溫體系，尤其在高層住宅中，相對于傳統保溫體系，可降低綜合成本，優勢明顯[36]。根據設計不同，陶粒混凝土可以被制備成節能型剪力墻結構[34]、陶粒混凝土輕質隔墻板[35]、陶粒混凝土復合砌塊外墻[36]、陶粒混凝土復合墻板[37]以及陶粒混凝土夾芯保溫復合墻板[38]。

圖1 砂率對導熱系數的影響[37]Fig.1 Effect of sand ratio on the thermal conductivity[37]

王海霞等[37]采用粒徑為5 mm、10 mm、14 mm，堆積密度為386 kg/m3的頁巖陶粒與粒徑小于5 mm，堆積密度631 kg/m3的陶砂制備保溫陶粒混凝土，研究了不同溫度下砂率對陶粒混凝土導熱系數的影響，研究結果顯示導熱系數和砂率呈線性關系，如圖1所示，圖中10、20、30分別是指測試溫度，單位℃。張建文等[39]用堆積密度為475 kg/m3的超輕陶粒制備LC25陶粒混凝土，并按照40%的體積取代率分別用廢棄混凝土、加氣混凝土砌塊取代陶粒。研究結果顯示陶粒加氣混凝土的導熱系數最小，陶粒廢棄混凝土導熱系數最大。譚春雷等[40]在陶粒摻量15%(質量分數)時，混凝土漿體中加入雙氧水，制備了輕質多孔性陶粒混凝土，測試結果顯示陶粒混凝土的表觀密度低于1 100 kg/m3，抗壓強度高于7 MPa，抗折強度高于3 MPa，導熱系數低于0.26 W/(m·K)。穆龍飛等[41]研究了陶粒的飽水程度對混凝土熱工性能的影響，研究結果表明陶粒的飽水程度越高，28 d強度越高，但陶粒混凝土的導熱系數越高。

秦程[42]的研究結果表明，對于保溫用陶粒泡沫混凝土，陶粒摻量在67～400 kg/m3時，3 d、7 d和28 d的抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，干表觀密度為790～822 kg/m3，陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數的影響如圖2所示。對于承重用陶粒泡沫混凝土，固定每立方米混凝土摻入0.29 m3陶粒時，陶粒粒徑越小，混凝土抗壓強度越高，干表觀密度越大，軟化系數越高，陶粒粒徑對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數的影響如圖3所示。而陶粒摻量由165 kg/m3增大到579 kg/m3時，28 d抗壓強度先增大后減小，而干表觀密度逐漸減小，陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數的影響如圖4所示。

圖2 陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數的影響[42]Fig.2 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

圖3 陶粒粒徑對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數的影響[42]Fig.3 Effect of particle size of ceramsite on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

圖4 陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數的影響[42]Fig.4 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

4 抗凍性能

凍融破壞是寒冷地區混凝土常見的破壞形式之一，因混凝土吸水量大，強度低，受凍后強度降低明顯。混凝土產生凍融破壞的主要原因在于混凝土內部水產生的結晶壓力，當水的結晶壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土產生開裂，最終導致破壞。

肖圣哲[43]對不同溫度凍融作用的陶粒混凝土試驗進行了動彈性模量檢測、準靜態壓縮和分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)試驗，研究凍融溫度對抗壓性能的影響。研究結果表明：凍融循環周次增加，陶粒混凝土的動彈性模量降低，抗壓強度降低；凍融循環溫度越低，陶粒混凝土的動彈性模量越低，靜態抗壓強度越低，相同陶粒含量和凍融循環周次的試樣最大動態應力越低；陶粒體積含量越大，陶粒混凝土的動彈性模量越低，靜態抗壓強度越低。邱繼生等[44]研究了凍融循環作用下煤矸石陶粒混凝土受凍破壞及壽命預測，發現在受凍破壞階段陶粒掉落明顯并形成亂向分布的裂紋(見圖5)。隨著凍融循環次數增多，煤矸石陶粒混凝土質量增加的原因是內部空隙發育，吸水質量大于混凝土剝落物質的質量(見圖6)，混凝土內部結構由密實轉為疏松，導致混凝土抗凍性降低，相對動彈性模量降低(見圖7)[44]。

圖5 煤矸石陶粒混凝土表面劣化[44]Fig.5 Surface deterioration of coal gangue ceramsite concrete[44]

圖6 煤矸石陶粒混凝土質量損失[44] (CO、COM2、COM4、COM6分別表示煤矸石陶粒 替代石子的體積分數為0%、20%、40%、60%的混凝土)Fig.6 Mass loss of coal gangue ceramsite concrete[44] (CO, COM2, COM4, COM6 for concretes with coal gangue ceramsite volume fraction 0%, 20%, 40%, 60% instead of coarse aggregate)

圖7 煤矸石陶粒混凝土相對動彈性模量[44] (COM2、COM4、COM6三組試塊相對動彈 性模量分別下降56.1%、55%、51.5%)Fig.7 Relative dynamic elastic modulus of coal gangue ceramsite concrete[44] (relative dynamic elastic modulus of COM2, COM4, COM6 decreased 56.1%, 55%, 51.5%)

在嚴寒環境中孔隙率更大的陶粒混凝土能夠吸收更多的Na2SO4、NaCl，阻止其向混凝土內部滲透，提高了陶粒混凝土的抗凍性。李博[45]研究了在凍融循環過程中采用介質為水、Na2SO4溶液(見圖8)、NaCl溶液(見圖9)時陶粒混凝土的抗壓強度損失，結果表明溶液中Na2SO4和NaCl可以降低抗壓強度損失。圖中C50-H2O是C50混凝土在水中凍融；LC50-H2O是陶粒混凝土在水中凍融；C50-5%Na2SO4是C50混凝土在濃度為5%(質量分數)Na2SO4溶液中凍融；LC50-5%Na2SO4、C50-10%Na2SO4、LC50-10%Na2SO4、C50-3%NaCl、LC50-3%NaCl、C50-5%NaCl、LC50-5%NaCl以此類推。

圖8 普通混凝土和陶粒混凝土在水和Na2SO4溶液 中不同凍融循環次數下的抗壓強度損失[45]Fig.8 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with water and Na2SO4 solution[45]

圖9 普通混凝土和陶粒混凝土在NaCl溶液中不同凍 融循環次數下的抗壓強度損失率[45]Fig.9 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with NaCl solution[45]

方明偉等[46]研究了爐渣陶粒混凝土砌塊的抗凍性能，研究結果表明隨著膠凝材料用量的增加，爐渣陶粒混凝土的抗凍性能提高(見圖10、圖11)，相對動彈性模量低于60%時，其質量損失率不超過5%(見圖12、圖13)。

圖10 爐渣陶粒取代率20%試樣相對動彈性模量[46]Fig.10 Relative dynamic elastic modulus of samples with 20% slag ceramsite[46]

圖11 爐渣取代率40%試樣相對動彈性模量[46]Fig.11 Relative dynamic elastic modulus of samples with 40% slag ceramsite[46]

圖12 爐渣取代率20%試樣質量損失率[46]Fig.12 Mass loss rate of samples with 20% slag ceramsite[46]

圖13 爐渣取代率40%試樣質量損失率[46]Fig.13 Mass loss rate of samples with 40% slag ceramsite[46]

加入纖維增強材料是陶粒混凝土提高強度的一種常見方法，纖維材料可以在不同程度上提高混凝土的韌性，提高混凝土的抗凍性。龐家賢等[47]研究表明纖維的加入可以改善陶粒混凝土的抗凍性能，而受凍融影響的陶粒混凝土在經過20～400 ℃后，無纖維陶粒混凝土的殘余抗壓強度和殘余劈裂抗拉強度高于摻塑鋼纖維(HPPF)和聚丙烯腈纖維(PANF)的陶粒混凝土。凍融循環作用在混凝土內部產生裂隙，影響了混凝土的吸水性，陶粒混凝土孔隙率較高，在凍融循環作用后其吸水性也會發生變化。邱繼生等[48]研究了在凍融損傷后煤矸石陶粒混凝土的毛細吸水性能，研究表明，凍融循環次數不超過30次時，隨著凍融循環次數的增加，煤矸石陶粒混凝土初始吸水率增加，二次吸水率總體為先下降后趨于穩定，而普通混凝土總體呈增加趨勢。

5 纖維在陶粒混凝土中的應用

隨著社會的發展，對混凝土的性能提出更高的要求，纖維材料作為混凝土的增強材料引起研究者的注意。在普通混凝土中加入適量的纖維材料形成纖維混凝土，其抗拉強度提高，抗裂性提高，韌性提高，收縮性降低，整體工作性能優化。

張學元等[7]研究了稻草纖維長度、摻量、形狀和纖維夾層對輕骨料混凝土力學性能的影響，圖14是經NaOH溶液處理的不同形狀的稻草纖維。研究表明，加入較粗的稻草纖維會降低粉煤灰陶粒混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度，但能提高抗沖擊強度，而經過NaOH處理的稻草細纖維可以提高陶粒混凝土的抗壓強度和抗沖擊強度，但劈裂抗拉強度降低，并且纖維長度對混凝土性能影響不顯著。

圖14 稻草秸稈纖維[7]Fig.14 Straw fiber[7]

錢元弟等[49]研究表明，在陶粒混凝土中加入占膠凝材料質量0.4%的秸稈纖維時，混凝土28 d抗折強度可以達到4.1 MPa，同時抗壓強度隨著秸稈纖維含量的增加持續提高，導熱系數、干縮率持續下降，如圖15所示。

圖15 秸稈含量對陶粒混凝土性能的影響[49]Fig.15 Influence of straw fiber content on perperties of ceramsite concrete[49]

聚丙烯短纖維不易分散，在混凝土中使用時需要人工分散。熊志文等[13]在輕骨料混凝土中加入長度3～9 mm、直徑48 μm的聚丙烯短纖維，研究結果表明聚丙烯纖維的加入能夠有效提高陶粒混凝土的抗壓、抗裂強度，并能控制裂縫的擴展。黃科運等[14]利用落錘試驗機研究了聚丙烯纖維對陶粒混凝土抗沖擊性能的影響，首先是受落錘沖擊后混凝土試塊外觀區別明顯(見圖16)，加入纖維后抗沖擊能力明顯提高；其次，纖維越短，混凝土抗沖擊能力越強(見圖17)。朱楚翔等[15]在頁巖陶粒中加入玄武巖纖維，發現玄武巖纖維摻量從0 kg/m3增加到3.0 kg/m3時，摻量為0.5 kg/m3的混凝土試塊的抗壓強度值最高，而抗折強度隨著纖維摻量的增加持續增加，陶粒混凝土表觀密度則持續降低。

鋼纖維在混凝土中應用較多，石燚等[10]研究了鋼纖維對陶粒混凝土軸心抗拉強度及鋼纖維在混凝土中粘結錨固性能的影響，研究表明鋼纖維的增加能夠提高陶粒混凝土的軸心抗拉強度，鋼纖維摻加量和混凝土強度增加值大致呈二次函數關系(見圖18)。呂衛國等[23]研究表明，鋼纖維體積分數從0%增加到3%時，陶粒混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度都有所提高，抗折強度最大可以提高70.73%，劈裂抗拉強度最大可以提高160.61%。李原等[8]采用ZWT(朱王唐)本構模型模擬沖擊荷載對鋼纖維頁巖陶粒混凝土的作用，研究結果顯示，根據實驗數據，此模型對鋼纖維頁巖陶粒混凝土彈性階段的擬合效果較好，能有效描述鋼纖維頁巖陶粒混凝土在彈性階段的動力響應。

圖16 空白試樣和纖維陶粒混凝土的對比[14]Fig.16 Comparison of ordinary concrete and fiber ceramsite concrete after impact test[14]

圖17 落錘高度40 cm時的位移-時間圖像[14](A-1表示纖維 長度12 mm，B-1表示纖維長度9 mm，C-1表示纖維長度6 mm)Fig.17 Image of the displacement-time with 40 cm high of drop weight[14] (A-1 means 12 mm fiber, B-1 means 9 mm fiber, C-1 means 6 mm fiber)

圖18 鋼纖維體積分數對陶粒混凝土軸心抗拉 強度的影響[10]Fig.18 Influence of steel fiber volume rate on axial tensile strength of ceramsite concrete[10]

鋼筋是一類比較粗的纖維材料，鋼筋混凝土是現代工業建筑的基礎建筑材料，鋼筋陶粒混凝土的力學性能[16]也是目前研究的一個重要方向。谷倩等[17]研究了鋼筋在頁巖陶粒混凝土中的錨固性能，研究表明試件接頭的極限抗拉強度隨著頁巖陶粒混凝土強度的提高而有所提高，錨固連接接頭滿足JGJ 107—2010對鋼筋級連接接頭性能的要求。周瑩山[18]研究了鋼筋與輕骨料混凝土的粘結性能，并提出了高強鋼筋受拉錨固強度(τu)的計算公式(見式(2))，根據規范對輕骨料混凝土中的鋼筋的錨固長度的規定，提出在高強混凝土中高強鋼筋的錨固長度(lab)建議公式(見式(3))。

(2)

式中：c為鋼筋保護層厚度；d為鋼筋直徑；la為鋼筋錨固長度；ρsv為配筋率；fcu為陶粒混凝土的強度。

(3)

式中：a1為錨固鋼筋的外形系數；a2為混凝土強度影響系數；a3為最小保護層影響系數；a4為混凝土類型影響系數；a5為鋼筋直徑影響系數；fy為極限錨固承載力；ft為陶粒混凝土強度。

圖19 鋼筋直徑對HRB400鋼筋粘結強度的影響[50]Fig.19 Influence of steel bars diameters on bonding strength of HRB400 steel bars[50]

王永合等[50]研究表明，鋼筋與輕骨料混凝土的粘結強度隨鋼筋直徑增大而降低(如圖19所示，圖中C30陶粒混凝土的配比為：P·O 42.5水泥380 kg/m3，砂680 kg/m3，水灰比0.4，體積砂率0.37，7 d強度33.5 MPa，28 d強度41.6 MPa；C60陶粒混凝土的配比為P·O 42.5水泥500 kg/m3，砂765 kg/m3，水灰比0.3，體積砂率0.45，7 d強度55.7 MPa，28 d強度70.2 MPa)。并且粘結強度隨混凝土強度提高而增加，球形陶粒相比于碎石陶粒更有利于增加粘結強度。漢莫德等[51]的研究結果顯示，光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土在無側向拉力時，化學附著力和摩擦力決定粘結強度，有側向拉力時，拉力增大，粘結強度和殘余強度降低，而極限粘結應力對應的滑移量上升到一定程度，開始保持不變。馬茁[52]通過試驗得出了變形鋼筋與早齡期自密實輕骨料混凝土粘結強度、滑移量、殘余粘結強度之間的關系，并提出了拔出破壞和劈裂破壞的判斷準則，以及粘結強度、滑移量、殘余粘結強度隨齡期的變化規律及擬合公式。研究結果顯示拔出破壞的粘結滑移曲線分為三個階段，而劈裂破壞的粘結滑移曲線分為兩個階段。

6 路用性能

陶粒混凝土具有良好的抗凍性、抗鹽凍性[53-55]，經過調整混凝土配合比，可以達到高強、低脆及增韌的效果[56-59]。韓梓依[60]研究了粉煤灰陶粒混凝土的路用特性，研究結果顯示粉煤灰陶粒混凝土比普通混凝土具有較低的熱傳導性和滲透性(見圖20)，較高的抗凍融性，并且具有足夠的耐磨性(見圖21)，研究結果顯示粉煤灰陶粒混凝土在公路工程中具有一定的推廣應用價值。淮建峰[61]研究結果顯示陶粒混凝土中陶粒的加入量不宜超過30%(質量分數)，否則會導致抗壓強度過低而影響使用，并且不超過30%時對混凝土的耐磨性影響不大，抗凍性能優于普通混凝土(見圖22)。朱萬旭等[62]研究了在地鐵軌道中應用吸聲性能良好的陶粒混凝土來降低噪聲，用陶粒混凝土建造吸聲板和吸聲矮墻，其降噪量可達10～12 dB。蔣方河[63]將LC50頁巖陶粒混凝土應用在漢北河大橋的加固中，其具有自重輕、強度高、抗震、抗碳化、耐腐蝕、保溫和防凍等特點，在橋面鋪裝工程中，取得了良好的使用效果。

圖20 滲透高度測試結果[60]Fig.20 Results of impermeability tests[60]

圖21 耐磨試驗結果對比[60]Fig.21 Results of wear resistance tests[60]

圖22 不同陶粒摻量對混凝土質量損失率的影響[61]Fig.22 Influence of ceramsite content on mass loss rate of ceramsite concrete[61]

劉柳[64]通過試驗研究，分析了摻粉煤灰的頁巖陶粒混凝土的抗壓、抗折、斷裂韌性及斷裂能等性能參數，得到粉煤灰陶粒混凝土的強度增長規律和斷裂力學參數，發現摻粉煤灰的頁巖陶粒混凝土作為路面用混凝土，其力學性能指標能夠滿足規范要求，可應用于路面工程。并采用有限元軟件ABAQUS分析了帶裂縫工作的粉煤灰陶粒混凝土路面板的應力強度因子，研究結果顯示應力強度因子隨著路面板彈性模量增長而增長，混凝土路面板的抗裂性能由其剛度劣化和韌度強化二者決定。陳新[65]研究了摻粉煤灰陶粒混凝土的抗滲性能、抗凍性能以及抗疲勞性能等指標參數，研究結果顯示，摻粉煤灰的陶粒混凝土具有優良的耐久性，并且水灰比越小，耐久性越好。陳新還提出了摻粉煤灰陶粒混凝土的施工要點以及對應的控制和解決方法。陳波[66]的研究結果顯示摻粉煤灰的頁巖陶粒混凝土耐磨性與普通混凝土相當，能滿足路用要求，抗凍性、抗滲性優于普通混凝土。并且摻粉煤灰的頁巖陶粒混凝土的最大溫度應力和最大溫度應力變形均小于普通混凝土，因此與普通混凝土相比，可用于更大的路面結構。

7 存在的問題

(1)陶粒的問題。目前陶粒產品的性能不理想，高強陶粒往往會導致較高的表觀密度，而降低表觀密度則會使陶粒的筒壓強度大為降低。市場中供應的主要是600～900 kg/m3的粘土陶粒和頁巖陶粒，缺少配置高強混凝土的高強陶粒，并且缺少配制保溫混凝土的超輕陶粒。陶粒的顆粒級配不合適，缺少粒徑小的陶砂產品，粘土陶粒粒型為圓柱形，限制了陶粒混凝土的發展[67]。

(2)陶粒混凝土的應用問題。輕質高強陶粒混凝土在工程中應用，主要存在兩個問題，一是使用的混凝土強度等級低。受限于現階段技術水平，工程中應用的陶粒混凝土的強度偏低，據公開報道，陶粒混凝土的應用主要集中在LC40以下的輕質陶粒混凝土，并沒有成熟的技術來制備強度等級更高的陶粒混凝土，工程上也基本沒有應用。二是應用范圍受限于傳統觀念，陶粒混凝土目前主要應用于非結構承載的圍護結構和保溫結構，而并未應用于承載力較大或受力條件復雜的主體結構。

(3)缺乏系統性研究，亟待突破性發展。我國陶粒混凝土發展晚，技術較為薄弱，缺乏突破性技術攻關。陶粒混凝土因其自身特點，理論上相對于普通混凝土具有一定的性能優勢，但實際產品性能優勢并不明顯，比如保溫隔熱性能，耐久性能。陶粒混凝土的密度較低，但帶來的價值并不明顯，并且產品性能存在一些不足，導致發展前景不樂觀。

8 結 語

受原材料和生產技術的限制，陶粒混凝土應用范圍目前還不能像普通混凝土一樣廣泛，鑒于陶粒混凝土在結構減重、保溫隔熱等方面的價值，解決陶粒混凝土在應用方面存在的問題，是推廣應用陶粒混凝土面臨的主要問題。當前陶粒混凝土需要解決的主要問題有：

(1)研制高強輕質陶粒，在保持較高筒壓強度的前提下，降低陶粒的密度；

(2)陶粒上浮是陶粒混凝土拌和時所面臨的一個難題，在保持陶粒混凝土塌落度的前提下，解決陶粒的上浮問題；

(3)優化陶粒混凝土的顆粒級配，解決陶粒混凝土強度偏低的問題，是推廣陶粒混凝土的一個重要措施；

(4)研究陶粒混凝土新的應用方向，提高其實用價值。