陶粒混凝土的研究进展

2020-12-10李辛庚闫风洁岳雪涛王学刚

硅酸盐通报 2020年11期

李辛庚,闫风洁,岳雪涛,王学刚

(1.国网山东省电力公司电力科学研究院，电工新材料技术联合实验室(山东)，济南 250001； 2.山东建筑大学材料科学与工程学院，济南 250101)

0 引言

混凝土是当今世界上用量最大的一类建筑材料，近年来随着我国社会经济的发展，各类建筑物、构筑物、高速公路、铁路等基础建设越来越多，对混凝土的需求量也越来越大。据统计，2019年1月到10月，中国商品混凝土累计产量达到20.5亿m3，超过2018年全年产量，混凝土预制桩掺量超过3.3亿m，也超过2018年全年产量[1]。混凝土需求量的增加带来了对其性能的新要求,同时环保和节能的要求也对混凝土提出更高的要求，混凝土结构的轻量化、性能复合化、环境友好化是其发展的重要方向[2]。与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有保温、隔热、隔音等性能，在同等强度下质量降低20%～40%[3]，工程造价降低10%～20%[4]。

轻骨料混凝土主要通过减轻骨料的体积质量从而减混凝土整体的密度，所以轻质混凝土一般也称为轻集料混凝土或轻骨料混凝土。我国《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJT 12—2019)[5]对轻骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete)的定义为：用轻粗集料、轻砂或普通砂、胶凝材料、外加剂和水配制而成的干表观密度不大于1 950 kg/m3的混凝土。根据骨料组成的不同，轻骨料混凝土又分成三类[5]：(1)由轻砂做细骨料配制而成的轻骨料混凝土称为轻砂混凝土；(2)由普通砂或普通砂中掺加部分轻砂做细骨料配制而成的轻骨料混凝土称为砂轻混凝土；(3)用轻粗骨料、水泥、矿物掺合料、外加剂和水配制而成的无砂或少砂的混凝土。根据轻集料混凝土用途分为三种[6]：(1)保温轻集料混凝土，专门用来做结构保温和热工构筑物，如非承重隔墙等；(2)保温结构混凝土，即作为承重结构同时也作为保温结构，如房屋建筑的承重外墙、屋面等；(3)结构用轻集料混凝土，主要用于承重构件或构筑物的混凝土，比如建筑物或构筑物的梁、板、柱等结构。

1 制备方法

1.1 原材料

陶粒混凝土跟普通混凝土的原材料基本相同，由胶凝材料、粗骨料、细骨料和外加剂构成。胶凝材料主要是硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料包括粉煤灰、矿粉、硅灰等一些水泥活性掺合料，粗骨料一般选用页岩陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒等各种陶粒，细骨料选用河砂、江砂、机制砂，外加剂选用萘系减水剂、聚羧酸减水剂[7-11]。所选用的胶凝材料各项指标均满足规范及试验要求，陶粒粒径5～25 mm，表观密度600～1 300 kg/m3，筒压强度2.5～7.6 MPa，砂为细度模数为2.5～2.8的中砂。很多学者采用《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》(GB/T 17431.1—2010)和《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(GB/T 17431.1—2010)作为轻集料性能测定和选择的依据[12]。为了提高陶粒混凝土的强度，往往加入一些钢纤维[8,10-11]、聚丙烯纤维[11,13-14]、稻草纤维[7]、玄武岩纤维[15]，甚至采用钢筋加强陶粒混凝土[16-18]。

陶粒是近年来发展较快的新型建筑材料之一，外壳是陶制或者是致密的釉质，内部为疏松多孔结构，因此具有较小的密度，是一种优质的人工轻集料。陶粒按照原材料分为粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒，现在工业生产中也采用了大量的工业废弃物作为陶粒的原料，如水利清淤的淤泥、城市建设的废弃土、矿山开采的尾矿渣，充分利用工业固体废弃物成为发展焙烧陶粒的重要方向。按照陶粒粒形分为碎石形、球形、圆柱形。碎石形陶粒与普通骨料形状接近，有利于提高混凝土结构强度，而球形陶粒有利于提高混凝土塌落度，便于施工。按照用途，陶粒可分为保温用的超轻陶粒、一般用途普通陶粒、结构用高强陶粒。近年来，随着工程实践的需要，产生了大量新型的功能性陶粒，如隔声吸音陶粒、滤料陶粒、装饰陶粒、绿化工程陶粒[19]。

1.2 制备方法

在进行混凝土设计时，很多学者采用《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51—2002)作为混凝土设计计算依据[9,12,20-21]。陶粒混凝土的使用应满足强度、和易性、耐久性等指标，在此基础之上，影响陶粒混凝土设计的参数有混凝土试配强度、水泥用量、水灰比、砂率、活性掺合料用量等。在进行配合比设计时，一般把这几个主要参数作为影响因素，设计正交试验，确定最佳配比。陶粒混凝土的试配强度根据式(1)进行计算：

fcu，O≥fcu,k+1.645σ

(1)

式中：fcu,O为陶粒混凝土的试配强度，MPa；fcu,k为陶粒混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；σ为陶粒混凝土强度标准差，MPa。

表1为混凝土的强度标准差。

根据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51—2002)，按照轻粗骨料是否预湿分别采用两种投料搅拌顺序。一种是先预湿粗骨料，然后将粗细骨料、水泥、掺合料进行预拌，最后加入外加剂和水进行搅拌[23-25]；第二种是粗骨料不预湿，将粗细骨料、掺合料加上1/2的总用水量进行预拌，再加入水泥、外加剂和剩余的水进行搅拌[26]。搅拌好的混凝土拌合物装入模具，在振动台上振实，得到成型后试块。成型好的试块放入恒温恒湿养护箱中标准养护24 h后拆模，然后放入温度20 ℃、湿度95%的标准养护箱中养护28 d。

2 力学性能

标准条件养护28 d的陶粒混凝土试块，基本力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定进行测试，动弹性模量按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)采用动弹模量仪进行测试。陶粒混凝土的基本力学性能包括抗压强度、抗拉强度、劈拉强度、抗折强度等，通过调整水灰比、砂率、掺和料用量、陶粒体积掺量、纤维掺量，以及养护制度来测试其对陶粒混凝土强度的影响。

研究表明对于掺加钢渣、矿粉等工业废弃物作为胶凝材料的陶粒混凝土，采用高温蒸养的办法能促进其水化，加速强度提升，从经济性和实用性角度考虑，应采用蒸养为宜[27]。

水灰比和材料强度存在明显的线性关系，混凝土的强度随着水灰比的增大逐渐降低，根据使用材料和制备方法的不同，水灰比选择范围为0.18～0.61，水灰比在0.32左右时，陶粒混凝土的综合性能最好[28-30]。水灰比的提高使得混凝土硬化后形成较多的毛细孔，造成混凝土密实度降低，使陶粒混凝土的强度降低。而水灰比过低时，和易性较差，导致陶粒混凝土混合不均匀，塌落度降低，粘度提高，振捣不密实，气泡不容易排出，最终致使陶粒混凝土强度降低。

砂率对陶粒混凝土性能产生较大影响[28-30]，砂率在一定范围内时，陶粒混凝土的塌落度随着砂率的提高先增加后减少，表观密度随着砂率的提高而线性增长，强度则随着砂率提高增长较大，而当砂率过高时，水泥浆体不能充分包裹骨料，混凝土强度不再随着砂率提高而增加，反而会有所下降。

水泥掺合料可以采用粉煤灰、矿粉、钢渣、偏高岭土。研究表明掺入一定比例的偏高岭土和粉煤灰，陶粒混凝土抗压强度最高能提高250%，原因在于其颗粒较小，掺入混凝土中能够优化陶粒混凝土的微观结构，有效改善内部孔结构[26,31]。

作为粗骨料的陶粒相比于普通石子，具有强度低、重量轻、吸水率高等特点，用来代替普通石子，随着陶粒体积掺加量的增加，混凝土的弹性模量逐渐降低，强度呈逐渐减小的趋势[32]。

在陶粒混凝土内掺入稻草纤维后，如NaOH溶液处理后，其抗压强度、抗冲击强度均有所提高，但劈裂抗拉强度有所降低。钢纤维的加入可以阻止陶粒混凝土内部裂纹的出现，进而提高其抗裂性能、抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和冲击荷载[8,23]。

3 保温性能

建筑节能是建筑行业发展的共同目标，与欧美等发达国家相比，国内建筑能耗处于较高水平。据测算，建筑能耗占社会总能耗的30%[33]，实现建筑节能减排，绿色环保，推动节能生产在建筑工程中的应用，加速建筑低能耗进程是研究者努力的方向。建筑外墙在外部维护结构中所占面积最大，是建筑物内外能量交换的主要通道，因此需要提高外部围护结构的保温隔热能力，外墙保温是建筑节能的重点。陶粒混凝土具有比强度高、表观密度低、保温隔热性能好等优点，作为外墙维护结构具有明显的优势，受到越来越多的关注。

研究表明采用700级陶粒等体积取代60%碎石混凝土，该配比制备的陶粒混凝土导热系数比普通混凝土降低了60%，同时抗压强度接近于C40混凝土强度等级[34]。林宗浩等[35]研究表明，控制陶粒和陶砂质量比为2∶3，水胶比0.65，乳胶粉为水泥用量的0.8%，可制备出抗压强度6.7 MPa、面密度78 kg/m2、传热系数为1.45 W/(m2·K)的超轻陶粒混凝土。将陶粒混凝土用作结构自保温体系，尤其在高层住宅中，相对于传统保温体系，可降低综合成本，优势明显[36]。根据设计不同，陶粒混凝土可以被制备成节能型剪力墙结构[34]、陶粒混凝土轻质隔墙板[35]、陶粒混凝土复合砌块外墙[36]、陶粒混凝土复合墙板[37]以及陶粒混凝土夹芯保温复合墙板[38]。

图1 砂率对导热系数的影响[37]Fig.1 Effect of sand ratio on the thermal conductivity[37]

王海霞等[37]采用粒径为5 mm、10 mm、14 mm，堆积密度为386 kg/m3的页岩陶粒与粒径小于5 mm，堆积密度631 kg/m3的陶砂制备保温陶粒混凝土，研究了不同温度下砂率对陶粒混凝土导热系数的影响，研究结果显示导热系数和砂率呈线性关系，如图1所示，图中10、20、30分别是指测试温度，单位℃。张建文等[39]用堆积密度为475 kg/m3的超轻陶粒制备LC25陶粒混凝土，并按照40%的体积取代率分别用废弃混凝土、加气混凝土砌块取代陶粒。研究结果显示陶粒加气混凝土的导热系数最小，陶粒废弃混凝土导热系数最大。谭春雷等[40]在陶粒掺量15%(质量分数)时，混凝土浆体中加入双氧水，制备了轻质多孔性陶粒混凝土，测试结果显示陶粒混凝土的表观密度低于1 100 kg/m3，抗压强度高于7 MPa，抗折强度高于3 MPa，导热系数低于0.26 W/(m·K)。穆龙飞等[41]研究了陶粒的饱水程度对混凝土热工性能的影响，研究结果表明陶粒的饱水程度越高，28 d强度越高，但陶粒混凝土的导热系数越高。

秦程[42]的研究结果表明，对于保温用陶粒泡沫混凝土，陶粒掺量在67～400 kg/m3时，3 d、7 d和28 d的抗压强度呈现先增大后减小的趋势，干表观密度为790～822 kg/m3，陶粒掺量对抗压强度、干表观密度和软化系数的影响如图2所示。对于承重用陶粒泡沫混凝土，固定每立方米混凝土掺入0.29 m3陶粒时，陶粒粒径越小，混凝土抗压强度越高，干表观密度越大，软化系数越高，陶粒粒径对抗压强度、干表观密度和软化系数的影响如图3所示。而陶粒掺量由165 kg/m3增大到579 kg/m3时，28 d抗压强度先增大后减小，而干表观密度逐渐减小，陶粒掺量对抗压强度、干表观密度和软化系数的影响如图4所示。

图2 陶粒掺量对抗压强度、干表观密度和软化系数的影响[42]Fig.2 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

图3 陶粒粒径对抗压强度、干表观密度和软化系数的影响[42]Fig.3 Effect of particle size of ceramsite on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

图4 陶粒掺量对抗压强度、干表观密度和软化系数的影响[42]Fig.4 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

4 抗冻性能

冻融破坏是寒冷地区混凝土常见的破坏形式之一，因混凝土吸水量大，强度低，受冻后强度降低明显。混凝土产生冻融破坏的主要原因在于混凝土内部水产生的结晶压力，当水的结晶压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土产生开裂，最终导致破坏。

肖圣哲[43]对不同温度冻融作用的陶粒混凝土试验进行了动弹性模量检测、准静态压缩和分离式Hopkinson 压杆(SHPB)试验，研究冻融温度对抗压性能的影响。研究结果表明：冻融循环周次增加，陶粒混凝土的动弹性模量降低，抗压强度降低；冻融循环温度越低，陶粒混凝土的动弹性模量越低，静态抗压强度越低，相同陶粒含量和冻融循环周次的试样最大动态应力越低；陶粒体积含量越大，陶粒混凝土的动弹性模量越低，静态抗压强度越低。邱继生等[44]研究了冻融循环作用下煤矸石陶粒混凝土受冻破坏及寿命预测，发现在受冻破坏阶段陶粒掉落明显并形成乱向分布的裂纹(见图5)。随着冻融循环次数增多，煤矸石陶粒混凝土质量增加的原因是内部空隙发育，吸水质量大于混凝土剥落物质的质量(见图6)，混凝土内部结构由密实转为疏松，导致混凝土抗冻性降低，相对动弹性模量降低(见图7)[44]。

图5 煤矸石陶粒混凝土表面劣化[44]Fig.5 Surface deterioration of coal gangue ceramsite concrete[44]

图6 煤矸石陶粒混凝土质量损失[44] (CO、COM2、COM4、COM6分别表示煤矸石陶粒替代石子的体积分数为0%、20%、40%、60%的混凝土)Fig.6 Mass loss of coal gangue ceramsite concrete[44] (CO, COM2, COM4, COM6 for concretes with coal gangue ceramsite volume fraction 0%, 20%, 40%, 60% instead of coarse aggregate)

图7 煤矸石陶粒混凝土相对动弹性模量[44] (COM2、COM4、COM6三组试块相对动弹性模量分别下降56.1%、55%、51.5%)Fig.7 Relative dynamic elastic modulus of coal gangue ceramsite concrete[44] (relative dynamic elastic modulus of COM2, COM4, COM6 decreased 56.1%, 55%, 51.5%)

在严寒环境中孔隙率更大的陶粒混凝土能够吸收更多的Na2SO4、NaCl，阻止其向混凝土内部渗透，提高了陶粒混凝土的抗冻性。李博[45]研究了在冻融循环过程中采用介质为水、Na2SO4溶液(见图8)、NaCl溶液(见图9)时陶粒混凝土的抗压强度损失，结果表明溶液中Na2SO4和NaCl可以降低抗压强度损失。图中C50-H2O是C50混凝土在水中冻融；LC50-H2O是陶粒混凝土在水中冻融；C50-5%Na2SO4是C50混凝土在浓度为5%(质量分数)Na2SO4溶液中冻融；LC50-5%Na2SO4、C50-10%Na2SO4、LC50-10%Na2SO4、C50-3%NaCl、LC50-3%NaCl、C50-5%NaCl、LC50-5%NaCl以此类推。

图8 普通混凝土和陶粒混凝土在水和Na2SO4溶液中不同冻融循环次数下的抗压强度损失[45]Fig.8 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with water and Na2SO4 solution[45]

图9 普通混凝土和陶粒混凝土在NaCl溶液中不同冻融循环次数下的抗压强度损失率[45]Fig.9 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with NaCl solution[45]

方明伟等[46]研究了炉渣陶粒混凝土砌块的抗冻性能，研究结果表明随着胶凝材料用量的增加，炉渣陶粒混凝土的抗冻性能提高(见图10、图11)，相对动弹性模量低于60%时，其质量损失率不超过5%(见图12、图13)。

图10 炉渣陶粒取代率20%试样相对动弹性模量[46]Fig.10 Relative dynamic elastic modulus of samples with 20% slag ceramsite[46]

图11 炉渣取代率40%试样相对动弹性模量[46]Fig.11 Relative dynamic elastic modulus of samples with 40% slag ceramsite[46]

图12 炉渣取代率20%试样质量损失率[46]Fig.12 Mass loss rate of samples with 20% slag ceramsite[46]

图13 炉渣取代率40%试样质量损失率[46]Fig.13 Mass loss rate of samples with 40% slag ceramsite[46]

加入纤维增强材料是陶粒混凝土提高强度的一种常见方法，纤维材料可以在不同程度上提高混凝土的韧性，提高混凝土的抗冻性。庞家贤等[47]研究表明纤维的加入可以改善陶粒混凝土的抗冻性能，而受冻融影响的陶粒混凝土在经过20～400 ℃后，无纤维陶粒混凝土的残余抗压强度和残余劈裂抗拉强度高于掺塑钢纤维(HPPF)和聚丙烯腈纤维(PANF)的陶粒混凝土。冻融循环作用在混凝土内部产生裂隙，影响了混凝土的吸水性，陶粒混凝土孔隙率较高，在冻融循环作用后其吸水性也会发生变化。邱继生等[48]研究了在冻融损伤后煤矸石陶粒混凝土的毛细吸水性能，研究表明，冻融循环次数不超过30次时，随着冻融循环次数的增加，煤矸石陶粒混凝土初始吸水率增加，二次吸水率总体为先下降后趋于稳定，而普通混凝土总体呈增加趋势。

5 纤维在陶粒混凝土中的应用

随着社会的发展，对混凝土的性能提出更高的要求，纤维材料作为混凝土的增强材料引起研究者的注意。在普通混凝土中加入适量的纤维材料形成纤维混凝土，其抗拉强度提高，抗裂性提高，韧性提高，收缩性降低，整体工作性能优化。

张学元等[7]研究了稻草纤维长度、掺量、形状和纤维夹层对轻骨料混凝土力学性能的影响，图14是经NaOH溶液处理的不同形状的稻草纤维。研究表明，加入较粗的稻草纤维会降低粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度，但能提高抗冲击强度，而经过NaOH处理的稻草细纤维可以提高陶粒混凝土的抗压强度和抗冲击强度，但劈裂抗拉强度降低，并且纤维长度对混凝土性能影响不显著。

图14 稻草秸秆纤维[7]Fig.14 Straw fiber[7]

钱元弟等[49]研究表明，在陶粒混凝土中加入占胶凝材料质量0.4%的秸秆纤维时，混凝土28 d抗折强度可以达到4.1 MPa，同时抗压强度随着秸秆纤维含量的增加持续提高，导热系数、干缩率持续下降，如图15所示。

图15 秸秆含量对陶粒混凝土性能的影响[49]Fig.15 Influence of straw fiber content on perperties of ceramsite concrete[49]

聚丙烯短纤维不易分散，在混凝土中使用时需要人工分散。熊志文等[13]在轻骨料混凝土中加入长度3～9 mm、直径48 μm的聚丙烯短纤维，研究结果表明聚丙烯纤维的加入能够有效提高陶粒混凝土的抗压、抗裂强度，并能控制裂缝的扩展。黄科运等[14]利用落锤试验机研究了聚丙烯纤维对陶粒混凝土抗冲击性能的影响，首先是受落锤冲击后混凝土试块外观区别明显(见图16)，加入纤维后抗冲击能力明显提高；其次，纤维越短，混凝土抗冲击能力越强(见图17)。朱楚翔等[15]在页岩陶粒中加入玄武岩纤维，发现玄武岩纤维掺量从0 kg/m3增加到3.0 kg/m3时，掺量为0.5 kg/m3的混凝土试块的抗压强度值最高，而抗折强度随着纤维掺量的增加持续增加，陶粒混凝土表观密度则持续降低。

钢纤维在混凝土中应用较多，石燚等[10]研究了钢纤维对陶粒混凝土轴心抗拉强度及钢纤维在混凝土中粘结锚固性能的影响，研究表明钢纤维的增加能够提高陶粒混凝土的轴心抗拉强度，钢纤维掺加量和混凝土强度增加值大致呈二次函数关系(见图18)。吕卫国等[23]研究表明，钢纤维体积分数从0%增加到3%时，陶粒混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度都有所提高，抗折强度最大可以提高70.73%，劈裂抗拉强度最大可以提高160.61%。李原等[8]采用ZWT(朱王唐)本构模型模拟冲击荷载对钢纤维页岩陶粒混凝土的作用，研究结果显示，根据实验数据，此模型对钢纤维页岩陶粒混凝土弹性阶段的拟合效果较好，能有效描述钢纤维页岩陶粒混凝土在弹性阶段的动力响应。

图16 空白试样和纤维陶粒混凝土的对比[14]Fig.16 Comparison of ordinary concrete and fiber ceramsite concrete after impact test[14]

图17 落锤高度40 cm时的位移-时间图像[14](A-1表示纤维长度12 mm，B-1表示纤维长度9 mm，C-1表示纤维长度6 mm)Fig.17 Image of the displacement-time with 40 cm high of drop weight[14] (A-1 means 12 mm fiber, B-1 means 9 mm fiber, C-1 means 6 mm fiber)

图18 钢纤维体积分数对陶粒混凝土轴心抗拉强度的影响[10]Fig.18 Influence of steel fiber volume rate on axial tensile strength of ceramsite concrete[10]

钢筋是一类比较粗的纤维材料，钢筋混凝土是现代工业建筑的基础建筑材料，钢筋陶粒混凝土的力学性能[16]也是目前研究的一个重要方向。谷倩等[17]研究了钢筋在页岩陶粒混凝土中的锚固性能，研究表明试件接头的极限抗拉强度随着页岩陶粒混凝土强度的提高而有所提高，锚固连接接头满足JGJ 107—2010对钢筋级连接接头性能的要求。周莹山[18]研究了钢筋与轻骨料混凝土的粘结性能，并提出了高强钢筋受拉锚固强度(τu)的计算公式(见式(2))，根据规范对轻骨料混凝土中的钢筋的锚固长度的规定，提出在高强混凝土中高强钢筋的锚固长度(lab)建议公式(见式(3))。

(2)

式中：c为钢筋保护层厚度；d为钢筋直径；la为钢筋锚固长度；ρsv为配筋率；fcu为陶粒混凝土的强度。

(3)

式中：a1为锚固钢筋的外形系数；a2为混凝土强度影响系数；a3为最小保护层影响系数；a4为混凝土类型影响系数；a5为钢筋直径影响系数；fy为极限锚固承载力；ft为陶粒混凝土强度。

图19 钢筋直径对HRB400钢筋粘结强度的影响[50]Fig.19 Influence of steel bars diameters on bonding strength of HRB400 steel bars[50]

王永合等[50]研究表明，钢筋与轻骨料混凝土的粘结强度随钢筋直径增大而降低(如图19所示，图中C30陶粒混凝土的配比为：P·O 42.5水泥380 kg/m3，砂680 kg/m3，水灰比0.4，体积砂率0.37，7 d强度33.5 MPa，28 d强度41.6 MPa；C60陶粒混凝土的配比为P·O 42.5水泥500 kg/m3，砂765 kg/m3，水灰比0.3，体积砂率0.45，7 d强度55.7 MPa，28 d强度70.2 MPa)。并且粘结强度随混凝土强度提高而增加，球形陶粒相比于碎石陶粒更有利于增加粘结强度。汉莫德等[51]的研究结果显示，光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土在无侧向拉力时，化学附着力和摩擦力决定粘结强度，有侧向拉力时，拉力增大，粘结强度和残余强度降低，而极限粘结应力对应的滑移量上升到一定程度，开始保持不变。马茁[52]通过试验得出了变形钢筋与早龄期自密实轻骨料混凝土粘结强度、滑移量、残余粘结强度之间的关系，并提出了拔出破坏和劈裂破坏的判断准则，以及粘结强度、滑移量、残余粘结强度随龄期的变化规律及拟合公式。研究结果显示拔出破坏的粘结滑移曲线分为三个阶段，而劈裂破坏的粘结滑移曲线分为两个阶段。

6 路用性能

陶粒混凝土具有良好的抗冻性、抗盐冻性[53-55]，经过调整混凝土配合比，可以达到高强、低脆及增韧的效果[56-59]。韩梓依[60]研究了粉煤灰陶粒混凝土的路用特性，研究结果显示粉煤灰陶粒混凝土比普通混凝土具有较低的热传导性和渗透性(见图20)，较高的抗冻融性，并且具有足够的耐磨性(见图21)，研究结果显示粉煤灰陶粒混凝土在公路工程中具有一定的推广应用价值。淮建峰[61]研究结果显示陶粒混凝土中陶粒的加入量不宜超过30%(质量分数)，否则会导致抗压强度过低而影响使用，并且不超过30%时对混凝土的耐磨性影响不大，抗冻性能优于普通混凝土(见图22)。朱万旭等[62]研究了在地铁轨道中应用吸声性能良好的陶粒混凝土来降低噪声，用陶粒混凝土建造吸声板和吸声矮墙，其降噪量可达10～12 dB。蒋方河[63]将LC50页岩陶粒混凝土应用在汉北河大桥的加固中，其具有自重轻、强度高、抗震、抗碳化、耐腐蚀、保温和防冻等特点，在桥面铺装工程中，取得了良好的使用效果。

图20 渗透高度测试结果[60]Fig.20 Results of impermeability tests[60]

图21 耐磨试验结果对比[60]Fig.21 Results of wear resistance tests[60]

图22 不同陶粒掺量对混凝土质量损失率的影响[61]Fig.22 Influence of ceramsite content on mass loss rate of ceramsite concrete[61]

刘柳[64]通过试验研究，分析了掺粉煤灰的页岩陶粒混凝土的抗压、抗折、断裂韧性及断裂能等性能参数，得到粉煤灰陶粒混凝土的强度增长规律和断裂力学参数，发现掺粉煤灰的页岩陶粒混凝土作为路面用混凝土，其力学性能指标能够满足规范要求，可应用于路面工程。并采用有限元软件ABAQUS分析了带裂缝工作的粉煤灰陶粒混凝土路面板的应力强度因子，研究结果显示应力强度因子随着路面板弹性模量增长而增长，混凝土路面板的抗裂性能由其刚度劣化和韧度强化二者决定。陈新[65]研究了掺粉煤灰陶粒混凝土的抗渗性能、抗冻性能以及抗疲劳性能等指标参数，研究结果显示，掺粉煤灰的陶粒混凝土具有优良的耐久性，并且水灰比越小，耐久性越好。陈新还提出了掺粉煤灰陶粒混凝土的施工要点以及对应的控制和解决方法。陈波[66]的研究结果显示掺粉煤灰的页岩陶粒混凝土耐磨性与普通混凝土相当，能满足路用要求，抗冻性、抗渗性优于普通混凝土。并且掺粉煤灰的页岩陶粒混凝土的最大温度应力和最大温度应力变形均小于普通混凝土，因此与普通混凝土相比，可用于更大的路面结构。

7 存在的问题

(1)陶粒的问题。目前陶粒产品的性能不理想，高强陶粒往往会导致较高的表观密度，而降低表观密度则会使陶粒的筒压强度大为降低。市场中供应的主要是600～900 kg/m3的粘土陶粒和页岩陶粒，缺少配置高强混凝土的高强陶粒，并且缺少配制保温混凝土的超轻陶粒。陶粒的颗粒级配不合适，缺少粒径小的陶砂产品，粘土陶粒粒型为圆柱形，限制了陶粒混凝土的发展[67]。

(2)陶粒混凝土的应用问题。轻质高强陶粒混凝土在工程中应用，主要存在两个问题，一是使用的混凝土强度等级低。受限于现阶段技术水平，工程中应用的陶粒混凝土的强度偏低，据公开报道，陶粒混凝土的应用主要集中在LC40以下的轻质陶粒混凝土，并没有成熟的技术来制备强度等级更高的陶粒混凝土，工程上也基本没有应用。二是应用范围受限于传统观念，陶粒混凝土目前主要应用于非结构承载的围护结构和保温结构，而并未应用于承载力较大或受力条件复杂的主体结构。

(3)缺乏系统性研究，亟待突破性发展。我国陶粒混凝土发展晚，技术较为薄弱，缺乏突破性技术攻关。陶粒混凝土因其自身特点，理论上相对于普通混凝土具有一定的性能优势，但实际产品性能优势并不明显，比如保温隔热性能，耐久性能。陶粒混凝土的密度较低，但带来的价值并不明显，并且产品性能存在一些不足，导致发展前景不乐观。