结构用轻集料混凝土的经济性分析

刘一槿 甘 伟

（1 广州立墙墙体材料有限公司；2 广州大学）

0 引言

结构用的轻集料混凝土，通常采用人造轻集料（陶粒）。因为， 工业化生产的人造轻集料比天然轻集料材料，能更好的控制结构材料的稳定性、可靠性。20 世纪以来，采用轻集料混凝土建造了一些引人注目的建筑物。不过，要推广使用一种新的建筑材料，不仅技术可靠，而且要在经济上合理。因此，轻集料混凝土的选用者，都希望以较低的“经济”成本，取得更好的结构“技术”效果。轻集料混凝土的强度高、自重较低的优势， 是涉及“技术”和“经济”层面的重要因素。结构用轻集料（陶粒）混凝土，具有这两种优势，往往能同时显示优良的技术及经济效果。本文在收集的已建工程资料基础上，对结构用轻集料混凝土在技术前提下的经济性进行讨论。

1 结构用的轻集料混凝土基本情况

结构用的轻集料混凝土现场浇筑施工或预制厂制作构件，均可用普通混凝土常规设备和专业技术人员完成。其制造成本与普通混凝土相当，属常规水平。但轻集料混凝土的生产质量控制要求较高，包含了强度、密度、塌落度、匀质性。其强度、密度主要由集料的种类而定。当混凝土密度为1500～1900kg/m3时，其强度可达30～60MPa，弹性模量较普通混凝土低，而收缩、徐变量则和普通混凝土的相近。

我国结构用轻集料混凝土现处于缓慢的发展之中。当前，其发展的瓶颈是缺乏成熟的固废资源化利用技术、现代化绿色生产轻集料的装备和燃料等问题。据不完全统计，2018 年以来，相关轻集料混凝土的论文、专利、研究报告，约有300 多篇，说明该问题已引起各方重视。预计2020 年后，结构用轻集料混凝土将进入新的发展阶段。

2 费用分析

在判断轻集料混凝土是否经济时，主要看两方面。一是材料费用；二是整体建筑工程设计、结构和施工费用。与普通混凝土比较如下。

2.1 混凝土材料费用比较

⑴集料成本：一般，强度高、密度低的结构用人造轻集料比天然砂、石集料的制造成本高50%～150%（要视具体地区砂、石资源情况，混凝土的强度、密度性能要求情况而定，进口高强度轻集料高达1300 元/m3）。

⑵水泥用量：按强度要求不同，每立方米轻集料混凝土要多用20kg～50kg 左右的水泥，（以弥补集料的强度不足，获得必要的早期强度，提高模板和模型板迅速周转率）。

⑶运输费用：天然砂、石集料多就地取材运输费用较小。人造轻集料的工厂还很少，往往运距较远，而影响运费较高。

⑷由于上述缘故，每立方米轻质混凝土的材料成本，通常高于同等级普通混凝土的成本50～300 元/m3不等(视混凝土的要求等而定)。

2.2 整体建筑设计、结构、施工综合费用比较

⑴由于轻集料混凝土结构总体自重减轻10%～25%，可减少结构钢筋用量，减少结构混凝土用量。

⑵由于轻集料混凝土结构总体自重减轻，减少成型模板所需的附加费，减少构件吊装、运输和装备费用。

⑶由于轻集料混凝土强度不变，而自重减轻，结构跨度可加大，可减少支撑结构和基础费用。也有利于大跨度结构，高层建筑、地质条件较差结构、抗震结构、建筑加层改造等领域的应用。

⑷由于结构用轻集料混凝土有较高的强度和较低的密度，是唯一适用于单层围护结构的材料，有好的耐久性、保温隔热性能，可赋予外围护结构好的建筑节能效果，免除外加保温构造及其维护和使用费。同时提高抗火效应。

⑸由于人造轻集料采用固废资源为原料，利用固废，节约天然资源，保护生态环境，其环保、社会效益巨大。

2.3 综合费用

将整体建筑、结构、设计、施工优势都考虑进去，轻集料混凝土所需增加的材料费用就变得微不足道了，大都被轻质混凝土的技术优点所带来的经济效益抵消。不少例子证明，综合建筑物总体造价，可降低百分之8%～20%。

3 经济分析举例

为了判定轻集料混凝土的使用是否在经济上有利。本节将通过收集的已有预制装配式结构、结构工程和桥梁建筑等的实例来阐明。这些例子主要取自欧洲水泥协会资料。通常，要取得建筑公司及混凝土制造厂商内部成本的公开资料，比取得技术方面的公开资料更为困难。虽不能用精确的费用来表达轻集料混凝土的经济优点。但从使用这种材料的技术上的理由，就足以说明它的经济性。

3.1 使用轻集料混凝土预制构件举例

德国某水泥厂建造一座皮带运输机渡桥，结构要求用6 根预应力混擬土梁，梁高1.3m，长度从24.5m 到30.00m 不等。都是双T 形构件，并排架设。以下两个方案进行比较。

方案一，用强度等级C40、密度2400kg/m3，预应力普通混凝土。

方案二，用强度等级LC40、密度1700kg/m3，预应力轻集料混凝土。梁横截面尺寸，两方案相同。普通混凝土梁每根重15.6 吨，轻集料混凝土梁每根重11.2 吨。

对一根梁的制作、运输和安装费用，进行对比，结果如下：

轻集料混凝土材料费：增加约为250 马克。

模板费：两者用相同（因为梁的尺寸是一致的）。

预应力钢筋：轻集料混凝土梁，可少用10%，节省70马克。

普通钢筋：梁内配置的普通钢筋（未经张拉），两者一样。

施工安装费用：运距，2.5 公里，普通混凝土梁毎趟能装一根（15.6 吨）。轻集料混凝土梁毎趟可装两根（2×11.2=22.4 吨），每根梁约可省运费90 马克。重15.6 吨的普通混凝土梁，要求起重能力为135 吨的汽车吊。重11.2 吨的轻质混凝土梁，只要求起重能力为80 吨(吊车距现场150 公里，吊车每小时使用费不一样)。合计每根梁的安装总费用约可节省610 马克。

总结：如使用轻集料混凝土，每根梁约可节省全部梁的费用的8.9%。此外，每一支柱比用普通混凝土梁，要少8.8 吨的荷载，即承载力减少23%。

3.2 房屋结构工程、构件举例

⑴旧房加层改造举例。J.G.斯科特电子公司，要将一栋三层结构实验室建筑物加高两层。在施工期实验室要照常工作。原设计就预留增加一层的重量。已有的钢筋混凝土柱不能承担普通混凝土加两层的荷载。于是，采用LC35，密度1600kg/m3轻集料混凝土预制装配式构件，新增两层的柱、梁、板，减轻自重33%。能满足原先的容许应力、地耐力、稳定性等要求。

预制装配式轻集料混凝土构件总重290 吨，最重的构件重2.45 吨。用一台普通施工吊车装配，安装快捷，实验室可照常工作。

轻集料混凝土结构增加的材料费用约为25%，但因多加一层，使用面积増加了1900㎡。材料的密度低（1600kg/m3），绝热性能良好（导热系数0.66w/m.k），结构强度也高（LC35），获得了显而易见的技术、经济效果。

⑵单层轻集料混凝土墙板举例。单层轻集料混凝土外墙板和多层复合外墙板比较，多层板的制作复杂，和随后在建筑物上的表现（开裂、剥落、渗漏），所引起的质量、安全问题是众所周知的。

如果采用LC40、1700kg/m3的单层轻集料混凝土（含承重大墙板），制作较简单、结构性能可靠，技术和经济上也比较合理，可节省费用20%。因此，轻集料混凝土单层墙板建筑，已经得到日益广泛的欢迎。

⑶壳体或角体单元举例。从建筑学的角度，如将围护、保温用的预制混凝土构件设计为“三向”壳体或角体单元，唯有结构用轻集料混凝土在技术上和经济上都是最有利的材料。以富有新颖建筑风格的弗雷市圣阿尔伯特教堂为例，平面呈一颗有十六个尖端的星状圆形，外圆直径为28.60m。由于经费有限，唯一可行的建筑方案是在整个建筑物高度（20.1m）采用预制单元。如使用普通混凝土，就需增加保温层外砂浆抹面作为保护。这将增加费用，随后的维修费也会很大。采用白色轻集料混凝土（LC30，1600kg/m3），使教堂内外一次准确成型，取得精美雅致的效果。混凝土满足结构功能外，还能起到保温作用，并减轻基础荷载。这种解决方案显然是经济的，是轻集料混凝土做了贡献。

⑷悬挑结构举例。慕尼黑市拜尔发动机公司办公大楼。全部楼层都是从将近100m 高的混凝土芯体上悬挑出来。各层楼板均系在地面浇灌混凝土，然后分层进行往上提升一个楼层的高度。采用轻集料混凝土(LC40，1800kg/m3)，使得需要支承的悬挑系统的重量减少了18%，节省预应力钢筋。同时，随着建筑物所有悬挑构件可设计得更细长，而使楼板提升更轻便。在结构完工以后，把附加荷载全部考虑进去，总荷载仍可减少15%，这有利于降低建筑费用（含基础费用）。

3.3 桥梁工程举例

⑴轻集料混凝土构件桥梁举例。在莱因河威士巴登附近的一座长235m 的桥，三跨结构，各跨为65m，105m和65m。中跨用多根同一型号（同一套模板）约80m 长的混凝土梁。两边跨梁分别通过两桥墩向中跨挑出一段，其长度正好是随后使诸中跨梁（“吊入”或“嵌入”梁）能架设上去的长度。梁必须藉助起重船进行安装，起重船的有效起重能力为400 吨。使用轻集料混凝土来制作这些梁（长80m，高5.4m），重量可保持在350 吨以下。这样，该方案成为可行的。如用普逋混凝土，需要使用较短的梁（受重量限制），并在河当中增建一座桥墩，或者采用悬臂法施工。改用这两种方法造价大大提高。

⑵现浇轻集料混凝土桥梁举例。荷兰境内尼美金附近跨越马斯·瓦尔运河的三座新桥，可承受的车辆载重量均是60 吨。设计相类似的桥的三个竞争方案，报价（荷币）分别为：第一设计方案18100000 盾；第二设计方案17400000 盾；第三设计方案16800000 盾。桥宽度都是28.70m。这三个设计方案是：

①上部用钢结构，跨距为37.4m，112.20m，37.40m。

②上部结构用普通混凝土，跨距为47.60m、112.20m、47.60m。

③普通混凝土与轻集料混凝土并用，跨距为37.40m、112.20m、37.40m。 此 项 设 计 的 中 跨 长 为105.40m，用轻集料混凝土建造（混凝土采用悬臂法，按每3.4m 为一段分段施工。轻集料混凝土LC40，密度1700kg/m3。）

开标时显示，第三方案自重降低28%，技术可行，价格最低。评比后，三座桥都按第三设计方案建造。

3.4 特殊结构举例

⑴飞机库。著名轻集料混凝土结构--富兰克福特主机场的5 号维修库。采用轻集料混凝土（LC30，密度1650kg/m3） 的悬吊屋面，内部面积为2×135m×100m=27000m2，没有中间支柱。如用普通混凝土建造此屋面，在技术上、经济上无可取之处，因为悬吊重量大，支柱所要承受的水平力相应也大。轻集料混凝土有好的力学强度，保温隔热可靠，是该项结构设计与施工的重要前提条件。

⑵滑雪跳跃平台。德国阿伯斯特多夫一座滑雪跳跃平台。此项位于山顶的结构，伸入空间100m，悬臂用悬挑法建造。除风力外，自重在荷载中占了很大的比例。稳定性是靠结构底部的岩石锚固来保证的。采用轻集料混凝土LC45，密度为1800kg/m3。由于自重较普通混凝土减少25%。从而在预应力钢筋和锚固岩石方面节约超过1/3。

4 结论

上述分析和例子都表明结构用轻集料混凝土，除了人造轻集料价格较高、水泥用量较大外，混凝土重量减轻、强度较高、耐久性好和隔热性能良好而提供技术、经济效益，还与设计、结构、安装、运输或与当地条件、环保等因素有关。这些因素往往共同倾向优先使用轻集料混凝土。因此，判断结构用轻集料混凝土的经济效益，仅就构件材料价格来考虑是不够的，必须从建筑工程整体来综合考虑和评价。一般说，采用结构用轻集料混凝土，使用得当，工程整体造价可降低8%～25%。