轻骨料混凝土材料性能及应用前景分析

刘婧

摘 要： 本文通过材料性能、结构特征、破坏特点等几个方面简要介绍了轻骨料混凝土概况，并对其应用前景进行展望。

关键词： 轻骨料混凝土 材料性能 结构特征 破坏特点

一、 概述

轻骨料混凝土抗裂性好、耐久性好以及有效预防碱骨料反应等特点，受到了工程界的普遍重视。但由于轻骨料混凝土的抗拉强度和弹性模量均偏低，致使轻骨料钢筋混凝土受弯构件抵抗荷载变形的能力较差，限制了轻骨料混凝土的推广应用。

回顾近五十年的我国轻骨料混凝土的发展史，在研究工作方面的起步不算晚，应用的实例在50～60年代与国际上的应用水平也相接近，但在以后的二十多年中，轻骨料混凝土的应用发展缓慢。我国原建工部建筑科学研究院在1956年开始研究人造轻骨料并在1958年和北京市建工局合作建成了国内第一栋装配式轻骨料混凝土大板建筑，1958年。1961年又与河南省建筑科学研究所合作，先后在郑州、新乡、洛阳和平顶山市试生产并推广了陶粒轻骨料混凝土，分别用于工业与民用建筑的楼板、屋面板、柱、楼梯和小型的40吨驳船。并于1960年在河南平顶山市建造了国内第一座净跨50m的陶粒轻骨料混凝土拱桥与普通混凝土相比，重量减轻47%，木材、钢材和水泥相应节约10%，6.3%和7%，技术经济效益明显。此外，60年代初期还在大庆油田针对严寒气候的特殊要求，开展了利用陶粒轻骨料混凝土修建公房与泵房的的研究，并坚持研究推广至今。目前我国有人造轻骨料生产的地区已遍及全国各省市。

二、 轻骨料的材料性能分析

集料是混凝土的主要组成材料，它占混凝土总体积的3/4以上。根据集料的密度，可分为普通集料，用以配制普通混凝土；轻骨料，用以配制轻骨料混凝土；重集料，用以配制特殊用途的防护混凝土。轻骨料与普通集料相比，在强度、弹性模量、比重、密度、孔隙率、吸水率、含水率等主要方面都有明显的不同，这些性能直接影响轻骨料混凝土的工作性、强度、密度和保温性等主要指标。

（1） 密度

由于轻骨料多孔，其密度比普通重集料低得多。在级配相同和粒形一致的情况下，集料的松散密度基本上与其颗粒密度成比例。但是，颗粒密度相同的集料却有显著不同的松散密度，这是由于不同粒形的集料在松散状态下的空隙率不同的缘故。

当轻骨料的强度和其他性质相同时，松散密度较小者其性能也较好。但一般来说，密度越低者，强度也越小，因此不同用途的轻骨料混凝土对轻骨料的松散密度有一定的规定。

（2） 颗粒强度

轻骨料混凝土的破坏不同于普通混凝土，普通混凝土是沿着砂、石与水泥石结合面破坏，而轻骨料混凝土是由于轻骨料本身强度低首先破坏。所以集料强度对混凝土强度影响较大。

制作高标号的轻骨料混凝土应选用颗粒强度高的轻骨料。配制相同标号的混凝土，如其水灰比、水泥品种及标号以及其他条件相同时，集料的强度越高，混凝土的水泥用量越少，其密度也越低，这样就能更充分发挥轻骨料混凝土的优越性能。

（3） 吸水率

由于轻骨料具有多孔结构，吸水能力比普通集料强。一般烧胀陶粒24小时的吸水率可达10%，烧结粉煤灰、火山渣、膨胀珍珠岩集料等在24小时的吸水率可达25%，而一小时的吸水率大都达到24小时吸水率的62～94%。

（4） 抗冻性

粗集料冰冻破坏是由于内部多孔结构含有的水分在负温下结冰时所产生的体积膨胀所致。在严寒地区使用轻骨料混凝土时，粗集料必须具有足够的抗冻性，才能保证所拌制的混凝土的耐久性。

除了上述各种主要性能之外，尚有比重、孔隙率等评定轻骨料质量的指标。孔隙率是评定轻骨料内部孔隙多少和膨胀程度的指标，它以轻骨料的比重和顆粒密度计算得出。轻骨料的强度和热工性能与孔隙率密切相关。孔隙率愈大，强度愈低，热工性能愈好。孔隙率在一定程度上反映集料级配的好坏，因为空隙率的大小取决于集料的颗粒级配、粒度、形状和表面粗糙程度，其数值根据颗粒密度和松散密度计算求出。

三、 轻骨料混凝土的结构特征及破坏特点

轻骨料混凝土是轻质多孔性集料颗粒被水泥石胶结而成的堆聚结构。它与普通混凝土不同之点是：在轻骨料混凝土中存在着两种微孔微管系统-即水泥石中的微孔微管系统和多孔集料中的微孔微管系统。轻骨料混凝土的这种结构特点赋予了这种混凝土许多优越的性能。多孔集料的微孔微管在轻骨料中具有吸水作用，而在轻骨料混凝土硬化过程中又能排出一部分水所吸收的水分，供给水泥石持续硬化之用。轻骨料这种能吸水和供水的"微泵"作用造成集料颗粒表面的局部低水灰比，即增加了集料表面附近水泥石的密实性，同时减少或避免了粗集料下面由于内分层现象所形成的水囊，提高了粗集料与砂浆的界面粘结力；轻骨料表面粗糙具有微孔，它和水泥石结合的有效面积比重集料和水泥石的粘结面积大得多，它们之间的机械啮合作用较强。除此之外，轻骨料属烧粘土质材料，经过高温煅烧，表面具有一定的活性，能与水泥石中的氢氧化钙，发生化学反应，所以，轻骨料和水泥石的粘结力要比重集料和水泥石的粘结力强得多。集料与水泥石界面粘结力大，对提高轻骨料混凝土强度有利。

在水泥石强度较低的条件下，轻骨料混凝土受力初裂发生在水泥石中，随着水泥石强度的提高，混凝土受力初裂几乎在水泥石和轻骨料中同时出现，但实际上裂纹是先在水泥石中出现，并随后向轻集延伸。随着水泥石强度进一步提高，在混凝土破坏之前，难于判断裂纹首先在何处产生。这里存在两种可能，其一，是初裂首先发生在轻骨料中。但这时水泥石具有相当高的弹性模量，按照应力大小与弹性模量成正比的关系，水泥石中的应力已达到相当高的数值，裂纹一旦在轻骨料中产生，由于裂纹尖端应力集中现象，可使和产生裂纹的轻骨料相接触的水泥石中的应力很快达到极限值，也就是说裂纹容易向水泥石中延伸，从而导致混凝土的整体破坏。其二，若裂纹首先发生在水泥石中，由于轻骨料本身强度不高，和水泥石裂纹相接触的轻骨料，由于应力集中现象，应力很快达到极限值，即裂纹比较容易贯穿轻骨料，从而也导致轻骨料混凝土的整体破坏，这种破坏往往是突然性和爆炸性的。总之，由于轻骨料与水泥石的粘结强度高，轻骨料混凝土的破坏不会沿着它们的界面进行。在水泥石强度较高的情况下，水泥石与轻骨料几乎同时破损。

四、 轻骨料混凝土的发展前景

轻骨料混凝土应用技术是现代高强高性能混凝土技术领域中一个新的研究方向，其诞生和发展将有助于促进混凝土材料应用技术的变革。首先是对原材料特别是骨料的选择要格外严格，确保其性能优良。其次是对轻骨料混凝土结构的设计理论和施工工艺要进一步深化。在确保以上几个外在条件满足的前提下，将轻骨料混凝土用于结构工程，正是利用了其性能特点，优化了受力性能。因此在技术方面是完全可行的。

由于轻骨料性能的优势，将其应用在结构工程中可减少结构的工程量，节约了工程造价。但由于轻骨料混凝土目前的使用不是非常普遍，施工工艺不是十分熟练，造成其成本相对较高，其经济性尚未充分地显示出来。随着轻骨料技术应用的普及，将会使降低材料成本和施工投入成为可能，轻骨料混凝土技术将会有广泛的应用市场。

参考文献：

[1]GB50010-2010. 混凝土结构设计规范.

[2]JGJ_51-2002 .轻骨料混凝土技术规程[S].