轻质混凝土概述

刘凯 陶德辉 张玉华 张宝峰

【摘要】由于混凝土主要材料的地方化、配置的质量和性能的稳定性受制于施工单位的技术和管理水平，使混凝土的各项性能指标都有较大的离散度。本文主要介绍的一种混凝土是轻质混凝土，就轻质混凝土的分类、力学性能理论分析和探讨轻质混凝土的应用。在工程中应用已有80余年的历史，国内外在各类结构中已广为应用，高层建筑中使用更有特殊的优越性。

【关键词】轻质混凝土；普通混凝土；泊松比；力学性能

引言：

对常用的普通结构混凝土而言，单位密度强度值（ ）远低于钢、木等结构材料，故用以制造相同承载力的构件和结构必定比钢、木等结构材料更重。结构的自重大，增加了支撑结构和基础的负重，缩减了结构的有效空间和净空，限制了向更大跨度和高耸结构的应用，在地震区还加大了惯性力和结构地震响应，成为混凝土的一大缺点。此外，混凝土的质脆和抗拉强度低，易于开裂，降低了结构的使用期性能和耐久性能，这也是其弱点。

随着混凝土结构应用领域的扩展，规模的增大，使结构工程向更高、跨度更大、荷载更重的方向发展，对其性能的要求也更高了，因而混凝土材料的弱势更显突出，阻碍了它在这些工程中的应用。为了适应发展的要求，势必要对结构混凝土材料加以改善，以提高性能指标和减轻自重。经过多年的研究、开发和工程经验的积累，已经成功地研制了高强混凝土（ ）、轻质混凝土（ ）和纤维混凝土等多种结构混凝土。在工程实践中的应用，获得了很好的技术经济效益，并进一步推动了钢筋混凝土结构的发展。

一、轻质混凝土的分类

采用轻质混凝土（密度 ）替代普通混凝土是减轻结构自重的最直接、有效地措施，在承载力相同的条件下可减轻重量20%～40%。轻质混凝土都是多孔性材料，导热系数 和线膨胀系数 都小于普通混凝土，热工性能较好，所建造结构保温、抗高温和耐火极限等性能均明显超过普通混凝土结构，这是应用轻质混凝土的另一个优点。工程中应用的结构轻质混凝土分两大类：

1、“均质”多孔性混凝土（ ）

如加气混凝土，以水泥或石灰、粉煤灰作为主要胶结材料，掺入细砂或矿渣，加水后拌成料浆，同时掺入发气剂，在料浆内产生大量均匀、稳定的气孔（直径1～2mm），经过静停和高温高压蒸养后定型，成为一种密布气孔的宏观均匀材料。在工厂中将加气混凝土配筋构件制造成各种规格的制品，用作建筑物的屋面板、楼板和墙板，无筋块体可以砌筑墙体，质轻、兼备承重和保温作用，便于现场加工。

2、轻骨料混凝土（ ）

采用轻质多孔粗骨料替代普通粗骨料（碎石或卵石），与普通砂、水泥和水配合而成砂轻混凝土。若还使用轻砂，则称全轻混凝土。用作结构混凝土的轻（粗）骨料，按其来源和成分有三类：

天然生成——如浮石、火山渣等多孔岩石，经破碎、筛选而成；

工业废料——如自然煤矸石、煤渣等，以及经烧制的粉煤灰陶粒；

人造材料——如经煅烧制成的页岩或粘土陶粒、膨胀珍珠岩等。

粗骨料的形状因其来源不同而有不规则的碎石状、圆球状、长椭圆（球）状等。粗骨料本身的强度不高，用于结构工程的骨料最大粒径不宜大于20mm，其颗粒密度为 ，堆积密度为 。材料和制作工艺相同的细轻骨料（或称轻砂），粒径≤5mm，堆积密度为 。

根据结构工程的要求和材料供应情况，选用不同种类和密度的粗、细轻骨料，可配置成不同密度和强度等级的轻质混凝土。轻质混凝土的强度等级与普通混凝土的相似，也是用边长150mm的立方体试件，通过标准试验方法测定其抗压强度而加以划分。按照我国规定，用于结构工程的轻质混凝土，强度等级为CL15～CL50，级差 ；预应力结构中使用≥CL25。轻质混凝土的密度为 ，密度和抗压强度的关系因骨料种类不用而有一定变化范围。

二、轻质骨料力学性能

轻骨料混凝土在受压状态下的主要性能，同样用应力-应变全曲线来说明。以陶粒混凝土为例，其全曲线（如下）的总体形状与普通混凝土无异，但曲线上特征点的应力和变形值有所区别。

试件开始受壓后，应力与应变约成比例增长，至弹性极限（A点）的应力为 取决于骨料的种类和强度等级。其后，出现塑性变形，并加快发展，曲线凸向纵坐标。当应力达 ，应变为 时，曲线的切线泊松比 （B点），内部裂缝开展，而试件表面仍未见裂缝。不久，试件即达最大应力，即轻质混凝土的棱柱体抗压强度 ，相应的峰值应变为 （C点）。

随后，曲线进入下降段。在 时，试件表面第一条裂缝（D点， =0.5）。裂缝一出现就比较长，方向陡。继续实验，此裂缝沿斜向发展，发出劈裂声响，试件承载力很快下降，但很少出现新裂缝。当形成贯通试件全截面的斜裂缝（E点）时，承载力已经下降过半，应变约为1.8 。此后，试件靠残存的强度和缝隙间摩阻力支持，承载力趋于稳定下降，时而从主裂缝上分出几条纵向或略斜的裂缝。当应变达3 时，试件的残余强度约 .继续增大变形，残余强度缓慢下降。

陶粒混凝土试件的破坏主斜裂缝与荷载垂线的夹角为 ，明显大于普通混凝土的夹角。试件破坏面的断口整齐，有劈裂碎片，许多陶粒粗骨料被劈成两半。

轻骨料混凝土与普通混凝土的基本区别在于粗骨料。普通混凝土是网状的水泥砂浆包围、粘结着更强、更硬、更实的粗骨料，成为构造的薄弱部位；而轻骨料混凝土恰好相反，水泥砂浆包围、粘结着的是更弱、更软、多孔的轻骨料，薄弱部位转移为轻骨料，因此引发了混凝土性能的差别。

轻骨料一般都是多孔、脆性材料，其抗压、抗拉强度和变形模量值都低，甚至低于其周围的水泥砂浆相应值。轻质混凝土受力后，粗骨料和水泥砂浆之间的应力分布与普通混凝土的不同，粗骨料的应力较低，而水泥砂浆承受更大的力，形成近似于以骨料作填充、以水泥砂浆作骨架的受力模型。

三、总结

综合观察轻质混凝土的主要力学性能，总体上与普通混凝土相似，但是质更“脆”，性能指标有差异。随之，轻质混凝土的构件和结构性能也与普通混凝土的相似而更脆。如果将普通混凝土构件的计算公式、参数值、设计和构造方法直接地转用于轻质混凝土构件，例如极限状态的截面等效矩形应力图、大小偏心受压破坏的界限、抗剪承载力、锚固长度、构件延性等，也会引起不安全后果。

四、参考文献

[1]许锦峰.《高强混凝土应力-应变全曲线的试验研究》.北京：清华大学，1986.

[2]过镇海，张秀琴.《加气混凝土构件的计算及其试验基础//科学研究报告集》.北京：清华大学出版社，1981.

[3]顾万黎，等.《轻骨料混凝土应力-应变全曲线的试验研究》.北京：中国建筑工业出版社，1994.