轻集料混凝土的研究和应用

赵明霞

轻集料混凝土是指用轻粗集料、轻细集料 (或普通砂)、水泥和水，必要时加入化学外加剂和矿物掺合料配制成的混凝土，其表观密度不大于1950 kg／m3。其中由轻砂作细集料配制而成的轻集料混凝土为全轻混凝土，由普通砂或部分轻砂作细集料配制而成的轻集料混凝土为砂轻混凝土。

一、轻集料混凝土的特性

与普通混凝土相比，轻集料混凝土主要有以下优良特性：

1、轻质高强

轻集料中孔隙的存在降低了集料的容重，从而降低了轻集料混凝土的容重，结构轻集料混凝土的容重一般为1400～1900 kg／m3，比普通混凝土约小20%～40%，而其强度可以达到普通混凝土常用的强度等级，但比其强度高。对于结构恒载(即自重)占有较大比例且对材料性能有较高要求的高层建筑、大跨度桥梁等工程而言，轻集料混凝土的这种特性在经济效益方面表现出明显的优越性。特别是当轻集料混凝土用于建造桥梁时，可使桥梁的跨度增大，减少桥墩的数量，减少上部结构预应力钢筋的用量，降低基础处理的费用，尤其在沿海地基上，由于基础处理费用相对较高，节省的幅度将更大，降低原材料和构件运输、安装费用等。

2、抗震性能好

轻集料混凝土，由于自重轻、弹性模量低，因而抗震性能好。用它建造的建筑物，在地震荷载作用下，所承受的地震力小，震动波的传递也较慢，且自振性能比普通混凝土要好。1976年唐山大地震时，京津地区几十栋使用轻集料混凝土的工业与民用建筑基本上完好无损，周围的砖混结构房屋则遭受严重破坏或倒塌，不少工厂砖砌烟囱震裂倒塌。

3、耐久性良好

轻集料的孔结构造成了它的“微泵”效应。在轻集料混凝土成型后，轻集料会吸收过多的水分，随着时间的延长，混凝土水分逐渐蒸发，轻集料又会缓慢释放出内部的水分，使水泥石得到充分的养护，从而提高水泥石的密实性和强度。这种效应还改善了水泥石的孔结构，进一步提高了抗渗性能，因此，轻集料混凝土抗有害介质侵入的能力也相对较强。另外，使用轻集料能有效避免混凝土的碱集料反应问题，从而使建筑物的使用寿命延长。

4、抗裂性较好

同普通混凝土相比，轻集料混凝土的热膨胀系数和弹性模量较小，使得由于冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小，表现为轻集料混凝土构件的抗裂性较好，这对改善结构的耐久性、延长结构的使用寿命是非常有利的，并有助于降低结构在使用期间的维护费用。

二、轻集料混凝土的应用现状

1、轻集料混凝土在高层建筑中的应用

我国进入20世纪90年代以后，随着高强度、低吸水率的高强轻集料的研制和生产，结构轻集料混凝土在工程应用中也崭露头角。1999年建造完成的24层的珠海国际会议中心，为满足建筑功能变更的要求，在9层以上的轴线范围内采用轻集料混凝土，有效地减轻了结构自重，共使用了约1115m3轻集料混凝土。经估算，采用轻集料混凝土方案比采用基础、梁、柱加固方案节省资金20多万元，缩短施工周期半年以上。2005～2006年建造的宜昌滨江国际大厦，建筑总高101.1m，大屋面高度93.6m，总建筑面积为36 197.9m2。四层以上采用短肢剪力墙结构形式，全部采用陶粒混凝土建造，共用LC40轻集料混凝土2990m3，LC35轻集料混凝土3650m3。该工程首创了我国在结构体系上(筒体、剪力墙、梁、柱、板)全部采用轻集料混凝土建高层的记录，同时实现了轻集料混凝土垂直高度达101m的高层高强泵送技术。

2、轻集料混凝土在桥梁工程中的应用

永定新河大桥是我国轻集料混凝土在桥梁工程中应用最为成功的一个典型范例。该桥是位于唐津高速公路上的一座大型桥梁，全长1565.5m。在该桥南北引桥工程的上部结构中应用了强度等级为LC40、密度等级为1900的轻集料混凝土。这是我国应用新材料、新技术建筑现代轻集料混凝土桥梁的开端。

3、轻集料混凝土在道路工程中的应用

在美国得克萨斯州休斯敦市的一条州际公路上，有两段沿街道路就是连续配筋的轻集料混凝土路面的一个实例。这些路段建于1963～1964年，是在试验基础上研究配筋百分率的影响，预定了裂缝的间距和骨料的种类。路面板是150mm厚的混凝土，下面是150mm厚的由水泥稳定的骨架路基。整体浇筑的宽度达7m。在1974年、1984年和最后的1988年，即路面开通使用后24年，都对路面的弯沉、裂缝间距和表面情况进行检查。研究表明，用轻骨料混凝土浇筑的路面，同用硅质砾石作为粗骨料的普通混凝土路段相比，前者的表面损坏较少。这表明，轻骨料混凝土路面可与现代的普通混凝土路面相媲美。

三、轻集料混凝土存在的主要问题

1、轻集料混凝土的分层离析

轻集料混凝土拌和物主要是由轻集料、细集料、胶结材料和水四部分组成。这四种组成部分的比重各不相同，在混凝土拌和后会产生分层现象。一般对于普通密度混凝土，比重较小的水、水泥浆及带有较小细集料的水泥砂浆上浮，粗集料及较大颗粒的细集料及包裹它们的水泥浆下沉，造成混凝土整体的不均匀，形成了混凝土的外分层结构。但对于轻集料混凝土，则是比重较小的轻集料、水等上浮，水泥浆和细集料下沉，造成混凝土整体的不均匀，形成了轻集料混凝土的外分层结构。同时轻集料的上浮也容易造成轻集料混凝土的离析。这种分层离析现象在坍落度大的轻集料混凝土中尤为明显。很显然，控制轻集料混凝土分层离析的关键技术在于控制轻集料的上浮。国内外学者对这个问题进行了大量的研究，并提出以下若干措施来控制轻集料的上浮。

(1)严格控制轻集料的最大粒径。一般轻集料的最大粒径不宜超过20mm。

(2)选择合适的轻集料品种。配制高流动性轻集料混凝土应优先选用碎石型轻集料。

(3)掺加增粘保塑的外加剂以提高水泥浆体的粘度。

(4)掺加引气剂。在不影响混凝土强度的前提下，混凝土中引入3%～5%含气量，能够减小水泥石与轻集料之间的密度差，有助于防止轻集料上浮。

(5)在不增加混凝土容重的同时，设置能够抑制轻集料上浮的网架，如掺加纤维等物质可以抑制轻集料上浮。

(6)系统控制配合比参数，尤其是单位用水量、外加剂掺量和砂率，以实现混凝土流动性和稳定性的协调统一。

2、轻集料混凝土的泵送问题

高层建筑和桥梁工程混凝土施工时一般采用泵送工艺，但轻集料混凝土的可泵性相对较差，主要存在三个方面的问题：轻集料混凝土的分层离析，坍落度损失快和轻集料压力作用下吸水。这三个问题都会导致泵送时堵泵。轻集料混凝土的分层离析的控制已有说明。坍落度损失一直都是高性能混凝土研究中的一个重大课题，目前已经取得了许多研究成果。在这方面，可以借鉴高性能混凝土中控制坍落度损失的经验，同时结合轻集料混凝土自身的特点进行研究。轻集料压力下吸水是一个比较现实的问题。目前生产工艺条件下制造出来的轻集料，其孔隙结构较差，不仅球状孔直径大，且开孔率高，而又分布不均匀，裂缝等缺陷也较多，因而在压力作用下吸水率增大，导致混凝土拌和物状态恶化而影响混凝土的可泵性。这个问题的解决有赖于轻集料生产技术的改善。

3、轻集料混凝土的强度问题

普通混凝土的强度与水泥用量有很大关系，一般来说，在耐久性允许的范围内，水泥用量越大，混凝土强度越高。但是，轻集料混凝土达到一定强度以后，在继续增加水泥用量的情况下，其强度增加不再明显，还会增大轻集料混凝土的收缩裂缝和温度裂缝引起的危害，降低混凝土的耐久性。这是因为，普通混凝土中，石子的强度大大超过水泥砂浆的强度，因此普通混凝土的薄弱部分是水泥砂浆；而在轻集料混凝土中，一般来说，轻集料的强度低于水泥砂浆的强度，轻集料混凝土的薄弱部分是轻集料。混凝土裂缝的情况证实了这点。混凝土断裂后，普通混凝土的裂缝大部分是绕过粗集料的；而轻集料混凝土的裂缝则大部分穿过轻集料，表现为轻集料断裂。因此，提高轻集料自身的强度是提高轻集料混凝土强度的最有效的办法。

四、轻集料混凝土应用于道路工程的可行性分析

近年来，轻集料混凝土较多地应用于高层建筑和桥梁工程中，而应用于道路工程则很少见。事实上，由于轻集料表面粗糙多孔，轻集料内部孔洞直接吸音降噪的作用较突出，当轻集料混凝土用于道路时能降低路面行驶噪音，并能提高路面防滑能力，提高行驶舒适性。

轻集料混凝土应用于道路工程可能存在三个方面的问题：

1、轻集料混凝土的分层离析问题

轻集料混凝土坍落度较大时分层离析现象比较严重，而在坍落度较小时则影响不大。道路工程由于采用滑模铺筑、轨道铺筑等施工方式，对混凝土的坍落度要求不大，一般只有20mm～60mm。在这样的坍落度下，轻集料混凝土的分层离析是比较小的，不会对混凝土的性能产生影响。

2、轻集料混凝土的抗弯拉强度

道路工程中混凝土的强度指标主要是抗弯拉强度 (旧标准称抗折强度)。与普通混凝土相比，轻集料混凝土的抗弯拉强度有所降低。轻集料混凝土的抗弯拉强度与轻集料的级配以及轻集料混凝土的配合比参数有关。通过调整合理的级配和适当的配合比参数能有效提高轻集料混凝土的抗弯拉强度，一般来说28d强度达到4.5MPa是不成问题的，可满足中等交通等级公路的要求。

3、轻集料混凝土的耐久性

道路工程对混凝土耐久性的要求主要是抗冻性和抗腐蚀性。轻集料混凝土的抗冻性良好。田耀刚、胡曙光等人的研究表明，轻集料混凝土经250次冻融循环后其动弹性模量仍在90%以上，质量损失率在1%以下。另一方面，由于轻集料的“微泵”效应，轻集料混凝土抗有害介质侵入的能力也相对较强；而且，使用轻集料能有效避免混凝土的碱集料反应问题。因此，道路工程中使用轻集料混凝土，其耐久性是可以得到保证的。

综上所述，轻集料混凝土应用于道路工程是可行的。

五、结语

轻集料混凝土由于其自身的优良特性，越来越多地应用于高层建筑和桥梁工程中，并可进一步应用于道路工程中，在满足结构性能的同时，还可取得很好的经济效益。另一方面，利用工业废料生产轻集料还可以变废为宝，降低生产成本，同时减少了天然资源的开采，有利于环境保护，符合现代可持续发展的要求，轻集料混凝土将大有用武之地。