轻集料混凝土的发展和预置技术设想

2016-04-10黄妍媚

四川水泥 2016年3期

关键词：预置水泥浆集料

黄妍媚

（长安大学陕西西安 710014）

轻集料混凝土的发展和预置技术设想

黄妍媚

（长安大学陕西西安 710014）

轻集料混凝土由于自重轻这一特点被广泛应用在大跨度桥梁和超高层建筑中并能获得一定的经济效应。本文主要介绍了轻集料混凝土在国内外的发展和应用概况极其主要特性，并就改进匀质性这一问题提出了新的设想。

轻集料混凝土；主要发展；匀质性；预置

1.轻集料混凝土的发展和应用概况

1.1 国外轻集料混凝土的主要发展和应用概况

随着天然砂、石的储备量减少，开采成本的上升，国外注重于发展人造轻集料。相比于天然轻集料，人造轻集料有着质量容易控制、功能多样化的优势，因而国外轻集料的品种较多。自1913年美国成功研制出膨胀页岩，国内又称为页岩陶粒，以此配制的轻集料混凝土（抗压强度可达30MPa～35MPa）就广泛应用在房屋建筑、船舶制造以及桥梁工程中。美国在结构用轻集料混凝土中使用的轻骨料除膨胀页岩外，还有膨胀粘土、膨胀矿渣、粉煤灰陶粒，而天然轻集料如火山渣及浮石则应用较少。1969年，美国休斯顿贝壳广场大厦的修建，使得高性能混凝土得到前所未有的重视。采用轻骨料混凝土修建的高达218米、52层的贝壳广场大厦，相比于使用普通混凝土取得了卓越的技术经济效应，极大地推动了轻集料混凝土事业的发展。八十年代成为鼎盛时期，轻集料混凝土的身影出现在高层、大跨度建筑结构、砌块、墙板和承重砌块中。自1993年以来，美国每年轻骨料使用量在350～415万m³左右[1]。

日本的人造轻集料技术较晚，在第二次世界大战后才得以大力发展。上个世纪五十年代初，出现了以火山浮石作为轻集料配置的轻集料混凝土。于1970年轻集料混凝土的发展和应用达到最高峰，不仅在陆地建筑物和构筑物中大量使用，在海洋构筑物中也应用广泛。近年来，写字楼的楼板和幕墙大多使用轻集料混凝土来代替普通混凝土。应用实例比如，1993年一栋名为Yokohama Landmark建筑物，层数七十，层高达296m，九层以上使用了轻集料混凝土，成为了日本当时最高的建筑物；1998年，Chiltumagawa第三大桥在HolturiduShinkan线上开工，此桥梁板由轻集料混凝土制成；同年，Ogtayama高架桥投入使用，此桥使用轻集料预制混凝土板。但近年来，轻集料混凝土的弊端显现，日本致力于研究和完善轻集料混凝土技术[2]。

大多数欧洲国家人造轻集料发展较晚。英国早期一工业废渣为原料生产轻集料，利用矿渣做轻集料的历史已有70余年。

某些国家综合了本国及外国技术经验，编定了关于轻集料混凝土的技术标准和规范。例如：美国制定了技术标准ASTMC330T用于规范结构轻集料混凝土。

1.2 国内轻集料混凝土的主要发展和应用概况

国内人造轻集料混凝土的研究和使用起步较晚，于二十世纪五十年代开始起步，并重承重结构研究与非承重应用的研究。1956年，我国生产出第一批粘土陶粒。此时我国的轻集料生产和应用水平都不尽如人意。七十年代末至八十年代初，我国人造轻集料的年产量仍维持在40万m³这一较低水平。经过一段低速发展阶段，年代末至九十年代初期这一时期，我国轻集料混凝土事业的发展出现低谷。这一时期，由于错误的认识，仅仅追求质轻这一特点，将轻集料混凝土的使用方向限制在非承重结构中，从而未获得预期的经济效应，大量轻集料生产厂家被迫停业，进一步导致国内对轻集料混凝土研究和应用的脚步放缓。但发展至九十年代末期，随着国外高强轻集料混凝土技术的推广、国内经济和科研工作的进一步深入发展，我国轻集料年产量已迅速超过300万m³。

目前，我国轻集料混凝土的发展和使用较国外仍有很大差距，相比于国外在高层、超高层、大跨度建筑中的应用，国内轻集料混凝土主要应用于强度较低且非承重结构中，在一些特殊环境（海上作业平台等）下的应用更为罕见。

在大量科研基础上，标准化体系已经建立。随着国民经济能力的增强、科研事业的发展和对轻集料事业发展重要性的认识加深，我国的轻集料混凝土事业发展势头良好。

2.轻集料混凝土的特性

轻集料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m³的混凝土[3]。轻集料混凝土的强度一般可达15～50级，最高可达70级。轻集料混凝土较普通混凝土的区别在于使用了轻集料从而质量减轻、内部存在空隙，这一组成结构特点赋予了轻集料混凝土不同于普通混凝土的一些性能特点。

2.1 轻质高强

轻集料混凝土的关键在于轻集料。常见的轻集料按形成方式分类主要有：人造轻集料（陶粒、陶砂等）、天然轻集料（浮石、火山渣等）、工业废渣轻集料（自然煤矸石、煤渣等）[4]。加上内部呈高度多孔性，致使轻集料混凝土达到常用混凝土等级的同时容重大大降低。在常用相同强度等级情况下，容重为 1400kg/m～1900kg/m³的结构轻集料混凝土比普通混凝土轻约20%，最高可达40%，比强度十分可观。多孔的轻集料在强度上普遍低于普通集料，但由于存在空隙而获得的吸水能力致使轻集料颗粒表面局部范围内水灰比低，从而提高了此范围内水泥石的密实度，且与粗糙、多微孔的轻集料表面其与水泥石的粘结能力也得到提升。这样水泥石外壳的坚硬度也高于普通混凝土，有效的约束了轻集料的横向变形，提高了轻集料的极限强度，弥补了因多孔造成的强度损失，使得轻集料混凝土可以在获得与普通混凝土强度等级的情况下减轻质量。将轻集料混凝土应用在高层建筑、超高层建筑、大跨度桥梁中可以获得明显的经济效益。

2.2 抗震性能好

在七十年代，就有研究表明，轻集料混凝土的的冲击韧性和极限变形能力优于混凝土。地震来临时，在地震荷载的作用下，用轻集料混凝土建造的建筑物因自重小且轻集料混凝土比普通混凝土弹性模量低所承受的地震力较小，振动波传递慢，振动周期长，吸收冲击能量快，因此比普通混凝土的抗震效果好。

2.3 耐久性好

轻集料的多孔结构会在混凝土成型的过程中不断吸收水分，当环境的含水率降低时，被吸收的水分又缓慢释放，使水泥石长时间处于湿润的环境中得到充分养护，对提高混凝土的强度和密实度起到有利作用。同时多孔结构还有效降低了寒冷条件下水结冰导致的膨胀压力。这种“微泵”性能由于改变了还改善了轻集料混凝土的抗渗性能和耐腐蚀性。

2.4 综合经济效应好

轻集料混凝土还具有保温、隔音、耐火、易于加工等特点。随着国民经济和科学技术的深入发展，高层、超高层、大跨度建筑物和构筑物的使用将逐渐增多，使用轻集料混凝土虽然在单方造价上无明显优势但在大量应用中，由于降低了建筑物或构筑物的自重从而降低了基础处理费用、缩小结构断面、增加使用面积，整体上降低了工程造价。

3.轻集料混凝土的匀质性问题

3.1 轻集料混凝土的分层现象及其危害性

轻集料混凝土拌合物由轻集料、砂、水泥、水以及各种外加剂组成。在轻集料混凝土的研究过程中，轻集料的上浮现象一直是人们关注的重点之一。

对于普通混凝土造成其结构不均的主要原因是，粗骨料的密度较大在密度较小的水泥浆体中下沉，某些大颗粒细集料也会出现下沉现象。而轻集料混凝土，由于轻集料密度较小随着水一起上浮，水泥浆体则由于密度较大下沉，造成拌合物的分层离析。混凝土拌合物的上部含有较多轻集料而下部含量较少，在其成型初期这一变化现象导致了整体匀质性的下降。同时在拌合过程中，密度较小的水会持续上浮，若遇到较大的集料阻拦则会在其下部形成一个水囊；若上浮至拌合物表面，容易在水分完全蒸发后形成空洞。

轻集料混凝土的分层现象降低了轻集料混凝土的强度和耐久性，导致使用该材料的建筑物的可靠性和使用寿命降低，也延缓了高强度轻集料混凝土的发展进程。因此，改善或者消除轻集料上浮带来的匀质性问题十分关键。

3.2 轻集料混凝土匀质性宏观上影响因素和主要现有改进方法

3.2.1 影响因素

轻集料本身由于密度、颗粒级配、粒径大小、颗粒形状、吸水性等因素会直接或间接的影响轻集料在水泥浆体中的上浮速度；振捣时间，振捣时间越久轻集料上浮越严重；引气剂增加了拌合物中的微小空气泡减小了水泥浆体的密度与轻集料密度的差值；增稠剂（例如纤维素类）可以增加水泥浆体的稠度，增加了液膜表面吸附的坚固度，从而增加了液膜的强度，使膜不容易排液也就为气泡的形成创造了一个稳定的环境；拌合物的流动性也会影响轻集料混凝土的匀质性[1]。

3.2.2 主要现有改进方法

基于对轻集料混凝土分层现象和匀质性的分析，减少轻集料混凝土中轻集料上浮的方法主要有有：在保证轻集料颗粒级配的情况下根据所需流动性控制其粒径在一定范围内；减少振动时间，减缓轻集料相对于轻集料混凝土的上浮；采用添加增稠剂、引气剂或增稠剂引气剂双掺法；添加矿物掺和料，减小水泥浆体的密度[2]。

4.轻集料混凝土改进匀质性方法探讨：预置轻集料混凝土

4.1 新的设想：预置轻集料混凝土

美国人Wertz L S 于1930年发明了预置集料方法生产混凝土。预置混凝土是先把粗集料填入模板中，然后向其中诸如水泥砂浆来填充集料之间的空隙而成的混凝土[3]。轻集料混凝土在成型过程中，轻集料在水泥浆体中的上浮导致成型后的混凝土块上部轻集料集中，下部沉积水泥浆体，使轻集料混凝土的性能大打折扣。现在拟采用预置轻集料的方法改善轻集料上浮现象。

预置轻集料混凝土的制作方法是：在模具里，事先就放置好所用轻骨料，使轻骨料均匀充满整个模具并盖上板盖，最后通过板盖上的预留孔将配制好的水泥浆体灌入模具中，经过自身重力作用和振捣，使空隙中充满水泥浆体，等到成型后在进行拆模。这样的制作方法，可以有效避免轻集料在水泥浆体中的上浮现象。

4.2 预置方法的作用机理

传统方法生产的轻集料混凝土，由于轻集料是分散的分布在水泥浆体中，极易上浮造成集料分布不均的问题。而采用预置集料的方法，一方面提高了轻集料的含量，另一方面在封闭的模具中，均匀填充好的轻集料点对点接触，并不是完全分散在流动的水泥浆体中。同时，充分发挥出了骨料的嵌锁和骨架作用。所以说预置轻集料混凝土的性能更多的取决于轻骨料本身。