轻集料混凝土与普通混凝土组成、结构和性能的对比

2010-08-15李叶兴中铁十六局集团路桥工程有限责任公司北京101500

中国建材科技 2010年1期

李叶兴（中铁十六局集团路桥工程有限责任公司，北京101500）

与普通混凝土相比，轻集料混凝土能够在保持较高强度的基础上，使混凝土的自重降低20%[1]以上，被广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程等现代大型工程中。同时，轻集料混凝土还具有隔热、保温、抗震、高耐久性等性能。另外，在国家十一五科技攻关 “高性能道路水泥混凝土路面关键技术”中也包括对轻集料混凝土应用于桥面铺装层施工工艺的研究。由此可见，随着轻集料混凝土的广泛应用，有必要对其组成、结构和性能与普通混凝土的组成、结构和性能作一比较，以期对相关工程人员有所裨益。

1 轻集料混凝土与普通混凝土组成对比

1.1 轻集料混凝土的组成

轻集料混凝土由水泥、矿物掺和料、轻集料、细集料、水以及外加剂等成分组成。其中，轻集料品种视配制轻集料混凝土品种要求而定，可以选用粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒等；细集料可以选用河砂、陶砂或机制砂。

1.2 普通混凝土的组成

普通混凝土由水泥、矿物掺和料、石、砂、水以及外加剂等成分组成。

2 轻集料混凝土与普通混凝土结构上的对比

2.1 新拌轻集料混凝土与普通混凝土结构上的对比

混凝土拌合物由于组成材料密度各不相同，所以在拌和时混凝土易出现分层离析现象。轻集料混凝土中轻集料的颗粒密度较小，在拌和过程中密度较小的轻集料、水上浮，而水泥浆体和砂下沉，形成轻集料混凝土的外分层结构。外分层作用造成颗粒较大的轻集料和水分集中在混凝土表层，往下是携带水泥颗粒的水泥浆体层，底层是夹杂较细颗粒的水泥砂浆。

外分层作用使得轻集料主要集中在混凝土的中上层，处于缺少水泥石保护的环境中。同时由于轻集料自身颗粒强度比较低，导致在混凝土受压时，处于混凝土中上层的轻集料由于缺乏水泥石的支撑和保护，而特别容易遭到破坏；在普通混凝土中，粗集料和砂的密度相近，是所有组成中颗粒密度较大的组分。在拌和过程中，密度较小的水、水泥浆上浮，而粗集料与较大颗粒的细集料下沉，结果造成各组成材料在整体上的分布不均匀，最终形成普通混凝土的外分层结构。由于外分层，使混凝土沿着浇灌方向的宏观堆聚结构不均匀，其下部强度大于顶部，由于水分的上升，使表层混凝土成为最疏松和最软弱的部分。因此在拌和过程中，无论是轻集料混凝土还是普通混凝土都需具有较高的稳定性，不分层离析。

外分层结构形成的同时，在混凝土中也形成了内分层结构。内分层的形成主要是由于水在向上移动的过程中遇到较大的物质，如集料、钢筋而聚集在这些物质下部，与外分层作用不同，内分层作用将造成混凝土结构在细观上的不均匀。由于轻集料在混凝土拌和过程中吸入水分，能够降低集料表面的水灰比，在混凝土硬化后期，轻集料的供水作用又可以使集料周围的水泥水化充分，增加水泥石的密实度，因而在一定程度上可以减少内分层作用的负面影响。而对于普通混凝土而言，内分层作用使得混凝土在细观上变得不均匀，从而降低混凝土的力学性能和耐久性能。由此可见，内分层作用对轻集料混凝土和普通混凝土都具有负面影响，其中轻集料混凝土负面作用较弱些。

2.2 硬化轻集料混凝土和普通混凝土结构上的对比

硬化混凝土结构由水泥浆体、界面过渡区和集料三个环节组成。混凝土的性质取决于他们各自的性质及其相互间的关系和整体的均匀性，其中界面过渡区是将性质完全不同的水泥浆体和集料连成一个整体的关键环节，它的性质对混凝土的性质起着决定性的作用，但是界面过渡区的性质又受水泥浆体和集料性质的支配。对普通混凝土而言，界面过渡区的性质主要受水泥浆体的支配，而对于轻集料混凝土，集料与水泥浆体对界面过渡区的性质都有重要影响。

集料与水泥石的强度和弹性模量的相对大小决定了混凝土内部的应力分布、初始微裂纹产生的位置以及混凝土的断裂行为。普通混凝土中集料弹性模量较水泥石高得多，两相之间变形不一致，将在它们之间的界面区产生横向拉应力，而普通集料的弹性模量较高，吸收应力的能力较强，因此，界面区是混凝土内部微裂纹的发源地。在普通混凝土中，由于墙壁效应的存在，水分在集料表面富集，形成高水灰比状态，造成界面区结构疏松、孔隙率高，氢氧化钙晶体定向排列，强度低，因此界面区是普通混凝土中最薄弱的区域。基体、集料与界面三相的强度、弹性模量相差较大，使得普通混凝土在细观层次呈现明显的非匀质性。

轻集料混凝土的匀质性较普通混凝土高。轻集料的弹性模量一般为8～17GPa。轻集料与水泥石的强度、弹性模量比普通集料与水泥石更为接近，使得轻集料混凝土内部的应力分布较普通混凝土更加均匀。一般情况下轻集料的弹性模量都低于水泥石，这导致水泥石将吸收更多的应力，拉应力产生于水泥石，界面区将处于横向压应力作用下，这使得裂缝的发源地更多地集中在水泥石基体中而不是在界面区，轻集料混凝土的这一特点与普通混凝土有较大的不同。此外，在轻集料混凝土中存在两套微孔微管系统，即水泥石的微孔微管系统和轻集料中的微孔微管系统。轻集料的微孔微管系统在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得轻集料附近处于局部低水灰比状态，因此减少或避免了集料下部由于内分层作用而形成的“水囊”，避免了界面处氢氧化钙的富集和定向排列，提高了集料与水泥石的界面粘结力。供水作用使得集料附近的水泥石能够水化充分，从而增加了集料表面附近水泥石的密实性。通过轻集料的吸水与供水作用，使轻集料混凝土中界面区不再是混凝土中的最薄弱区。

3 轻集料混凝土与普通混凝土性能上的对比

3.1 轻集料混凝土与普通混凝土力学性能上的对比

3.1.1 抗压强度

轻集料混凝土比普通混凝土早期强度发展快，7d强度可达到28d强度的80%以上，7d以后混凝土的强度增长潜力决定于轻集料自身的强度与混凝土的配合比。轻集料自身强度对混凝土的强度有重要影响，轻集料颗粒强度越高，后期的强度增长也越大。

3.1.2 弹性模量

混凝土的弹性模量大小决定于集料和硬化水泥浆体各自的弹性模量及两者之间的相对比例。由于轻集料的弹性模量低，轻集料混凝土的弹性模量比普通混凝土要低得多。例如，C50普通混凝土的弹性模量一般情况下可达到30～50GPa，而同强度等级轻集料混凝土的弹性模量很难超过30GPa。根据轻集料的种类、强度及混凝土配合比不同，一般情况下，轻集料混凝土的弹性模量比普通混凝土低 25%～65%[2]。

3.2 轻集料混凝土与普通混凝土体积稳定性上的对比

混凝土的变形包括外部荷载引起的变形和非荷载作用下引起的变形。

3.2.1 非荷载作用下变形

在没有外在荷载的作用下，混凝土主要有6种收缩变形，分别是化学收缩、塑性收缩、温度收缩、干燥收缩、自收缩和碳化收缩。

（1）化学收缩。轻集料混凝土与普通混凝土的化学收缩主要取决于水泥矿物组成、细度和掺和料种类以及掺量等。

（2）塑性收缩。轻集料混凝土由于轻集料在拌和阶段吸入水泥浆中的水分会增大混凝土表面失水速率与内部水分向表面迁移的速率之差，因而有可能加大轻集料混凝土的塑性收缩。

（3）温度收缩。轻集料混凝土的弹性模量比较低，使其在同样的温度梯度下产生的温度应力值小于普通混凝土，所以因温度收缩造成的开裂并不常见。

（4）干燥收缩。轻集料混凝土的弹性模量比较低，同时水泥用量较高，从而导致轻集料混凝土干缩比普通混凝土干缩大。

（5）自收缩。轻集料混凝土自收缩比普通混凝土自收缩小。这是因为轻集料内部含有一定数量的水分，随着水泥浆体内部相对湿度的降低，轻集料内的水分就会及时予以补充，实现由内至外的养护，起到减小和延迟自干燥的作用[3]。

（6）碳化收缩。轻集料混凝土与普通混凝土的碳化收缩主要与环境的相对湿度、水灰比、水泥品种、掺和料等有关。

3.2.2 荷载作用下变形

混凝土在荷载作用下的变形包括瞬时弹性变形、徐变变形。徐变是指混凝土在持续恒定荷载作用下，随时间延续变形缓慢增加的一种物理现象。轻集料混凝土的徐变通常较普通混凝土大50%，一般可持续数十年。

3.3 轻集料混凝土与普通混凝土耐久性能上的对比

3.3.1 抗渗透性能

研究表明[4，5，6]：轻集料混凝土的抗渗性与普通混凝土相当，有的甚至高于普通混凝土。这是因为轻集料在混凝土成型初期会吸收水泥浆体中的部分水分，使水灰比降低，而后期随混凝土龄期的延长，混凝土水分逐渐蒸发，此时，集料所含水分逐渐放出，通过这种“微泵”效应改善了混凝土内部的养护条件，从而改善了其孔结构，使抗渗性明显提高。另一方面，众所周知，在普通混凝土集料的下侧形成的月牙形“水穴”是渗透的主要通道，而轻集料的吸水性能大，从而破坏了“水穴”的形成条件，而且具有一定活性的粗糙轻集料利用微泵效应与水泥石粘结界面密实性大大提高，进一步改善了其渗透性。

3.3.2 抗冻性能

轻集料混凝土抗冻性能优于普通混凝土。这是因为轻集料的多孔性可以在一定程度上缓解混凝土内部因水结冰造成的膨胀应力。

3.3.3 抗碱集料反应

轻集料混凝土的抗碱集料反应高于普通混凝土。这是因为轻集料的主要化学成分是活性SiO2，此时混凝土中活性SiO2含量很高，分配到每个反应点的碱量相应就少了，反应生成的是高钙低碱的硅酸盐凝胶，这种凝胶吸水膨胀值很小或者不膨胀[7]。因此轻集料混凝土可从根本上消除碱集料反应的风险。