轻骨料混凝土在建筑工程中的应用策略

2023-03-03郭星星

散装水泥 2023年4期

郭星星

（长治职业技术学院，山西长治 046000）

建筑业是全球范围内对人类生存和生活有着突出贡献的产业之一。然而，建筑业会消耗大量的自然资源和传统能源，因此，被认为是导致环境退化的主要原因之一。数据显示，温室气体的6 个主要排放国总量占全球的62%，分别是中国（26%）、美国（13%）、欧盟（超过8%）、印度（7%）、俄罗斯联邦（5%）和日本（近3%）。到2035 年，中国的能源消费量预计将占世界能源消费量的23%左右。可见，对于建筑环境（不符合现有能源法规）的修复和改造显得尤为重要。为避免对不符合现有能源法规的建筑物进行高成本的绿色改造，亟需采取有效措施以满足建筑能源法规的要求。由于轻骨料混凝土的基础材料简单、易得，而且对环境没有危害性，因此，它被视为建筑工程领域的一种绿色耗材，探究其在建筑工程领域的应用，对于环境保护、减少对资源的破坏具有积极的意义。

1 轻骨料混凝土概述

轻骨料混凝土指的是含有轻集料的混凝土，表观密度通常低于1 950kg/m3，而普通混凝土最大的缺点是密度高，约为2 400～2 500kg/m3。因此，在世界范围内，普通混凝土在建筑业中的应用越来越少。在软土和高层结构建设条件下，建筑结构的整体重量是地基和其他结构元件设计时必须考虑的一个重要因素。

轻骨料混凝土是减轻普通混凝土单位重量和生产抗震结构的基础材料。普通混凝土由水泥和天然骨料制成，其抗压强度约为55～62N/mm2，远超大多数结构应用过程中所需的强度。因此，需要通过制造可以满足大多数结构应用所需特性的轻质混凝土来减轻混凝土的强度和重量。然而，开发轻质结构混凝土相对复杂，用较少的材料来满足所需的参数并不容易。以结构元件为基础的轻质混凝土的强度重量比可以充分满足各个结构元件的强度要求。轻骨料混凝土略高的成本通过减小结构元件的尺寸来抵消，进一步降低了整体价格。

目前，结构性轻骨料混凝土被用于桥梁和高层建筑等大型结构，轻骨料混凝土在建筑工程中的大规模使用有效提高了经济效益，并且由于轻质材料性能和低导热性，施工速度更快，有助于节约能源。粉煤灰、矿渣、熟料、橡胶和再生塑料等工业废弃物都可用于制造轻质混凝土。目前的建筑工程领域中，轻质混凝土的应用范围更加广泛。同时，轻质混凝土生产中使用各种轻骨料和废料作为细骨料和粗骨料的部分替代品，这可能会对混凝土多种性能产生影响，在实际应用过程中要对其做重点分析。

2 轻骨料混凝土在建筑工程应用中存在的问题

国外对于轻骨料混凝土在建筑工程中，尤其是桥梁工程中的应用经验已经非常成熟，但我国建筑行业对该材料的研究却较少，无论是从生产规模还是应用研究水平来看，都与发达国家有较大差距。目前，轻骨料混凝土在建筑工程应用中存在的问题主要有以下几个方面。

2.1 强度问题

轻骨料混凝土在达到一定强度后，如果继续增加水泥用量，轻骨料混凝土强度并不会明显提高。同时，不同于轻骨料混凝土中水泥石的强度，其他配料的强度较低，这对轻骨料混凝土强度提升有一定的限制作用。总而言之，轻骨料混凝土强度无法与普通混凝土抗衡。

2.2 收缩和徐变

轻骨料含水率会对轻骨料混凝土收缩发展速度产生直接影响，对徐变的影响相对较小。如果轻骨料混凝土含水率较高，其早期收缩会比同强度普通混凝土小，可是最终收缩却要高于普通混凝土。如果轻骨料混凝土含水量较低，那么其收缩将会高于普通混凝土。轻骨料混凝土徐变会随着混凝土强度的提高而减小，徐变系数要低于普通混凝土，可是因为轻骨料混凝土弹性模量要比普通混凝土低，徐变应力依然可能高于普通混凝土。水灰比为0.32～0.43、强度为LC60～LC90 的轻骨料混凝土弹性模量通常会低于相同强度普通混凝土的20%～30%。因为低弹性模量会形成较大弹性应变，轻骨料混凝土荷载下总变形要高于普通混凝土，过大的收缩通常会导致结构物开裂。桥梁结构中通常使用预应力，强度高的轻骨料混凝土收缩徐变会导致预应力的损失，对桥梁结构的影响较大，这类问题迫切需要解决。

2.3 吸水问题

利用人造轻骨料工艺生产的陶粒孔隙结构一般较差，不仅球状孔的直径较大，而且开孔率相对较高，分布也不均匀，裂缝缺陷多且吸水率大。这类吸水率较高的陶粒不能满足现代泵送混凝土施工需要，因其施工前要泡水饱和预湿，施工难度很大，所以，我们需要生产一种吸水率更低、施工时无需预湿的人造轻骨料，也就是低吸水率和高强度的轻骨料。

2.4 泵送施工

目前，LC40～LC60 等强度高的轻骨料混凝土已经在建筑工程中被广泛应用，但轻骨料混凝土中的凝胶材料和骨料易离析，并影响泵送施工的问题没有得到根本解决。泵送施工时，在压力作用下，部分水泥浆中的水会渗入轻骨料中，影响轻骨料混凝土的工作性能。当水分通过水泥浆进入轻骨料时，混凝土的体积会有轻微的减小。因此，泵送轻骨料混凝土具有一定的可压缩性，在泵压状态下表现出一定的塑性。当泵压增加时，混凝土中的空气会被压缩到轻骨料中，这是泵送轻骨料混凝土具备压缩性的重要原因。但是，当泵压降低或消失时，轻骨料孔中的被压缩空气会挤出轻骨料中的水分，如果这种情况出现在泵管中，则会导致混凝土拌和物分泌水分，从而堵塞泵。

3 轻骨料混凝土在建筑工程中的应用策略

3.1 提高轻骨料混凝土抗压强度

轻骨料混凝土水胶比，粗骨料的筒压强度、粒径范围、不同减水率4 个层面对轻骨料混凝土抗压强度产生影响。

（1）轻骨料混凝土抗压强度受水胶比的影响较大，强度随着水胶比的提升而明显降低，当水胶比达到0.33 时，混凝土强度处于最优状态。

（2）最佳粗骨料粒径范围参数为5～15mm，使骨料孔隙率处于最低状态，密实度较高，调整选用的配合比就可以配制出强度等级不同的混凝土，而且坍落度保持在180～200mm 的区间范围内，能够充分满足泵送要求。

（3）混凝土的破坏多是因为粗骨料强度和弹性模量比水泥机体小，导致了粗骨料断裂，粗骨料筒压强度对混凝土的强度会产生直接影响。适当提高粗骨料筒压强度，能够最大化地提升轻骨料混凝土抗压强度。

（4）相较于普通混凝土，轻骨料混凝土抗压强度与水胶比的敏感度更高。使用聚羧酸减水剂可提升拌和物和易性，降低拌和物水胶比，提高混凝土抗压强度，同时有助于泵送，充分满足现代化施工要求。

3.2 降低轻骨料混凝土收缩与徐变

影响轻骨料混凝土收缩与徐变的因素是骨料吸水率和骨料相较于硬化水泥砂浆的刚度。水泥砂浆是混凝土收缩的重要组成部分，骨料通常会制约水泥砂浆的收缩，降低吸水率与高弹模骨料混凝土将会形成低的收缩与徐变。通常认为，轻骨料混凝土的徐变与收缩要高于普通混凝土。一般而言，水泥品种和化学成分对混凝土的影响很小，而膨胀水泥可以最大化地降低混凝土收缩。水泥成分对混凝土自收缩影响要高于干燥收缩。水泥品种对混凝土徐变的影响主要集中在其对于混凝土加载时的强度影响。当应力、加载龄期和其他条件相近时，导致混凝土强度快速增长的水泥会造成较低的徐变。降低水灰比含水量也能够影响水泥胶体和混凝土干燥收缩，在单位混凝土水泥含量相近的情况下，水灰比越大，收缩越大。在含水量一定的情况下，单位体积水泥用量越大，收缩越大。当其他条件相近时，混凝土徐变会随水灰比增加而不断增加，可如果混凝土“初应力/强度”的数值相同时，水灰比越小，徐变则会相应地提升，这是因为低水灰比混凝土相对初始强度发展速度要比高水灰比混凝土小。采用高压蒸汽养护可保证水泥的水化温度和湿度，提高混凝土强度和水泥凝胶体密度。所以，蒸汽养护和高压养护都可以减少收缩，并有助于减少徐变。

3.3 加强轻骨料混凝土泵送施工

轻粗骨料要进行24h 水中浸泡，在施工开始前1h 将其从水中取出，然后自然堆积0.5h 后才能用于生产，使其保持表面润干状态，此时才能进行搅拌。用于搅拌陶粒混凝土的相关设备要固定，生产陶粒混凝土时，不能进行其他混凝土的生产。混凝土运输设备要固定装运，在陶粒混凝土卸完后必须清洗，待干净后才能够装运混凝土。同时，确保混凝土浇筑现场不能断车。现场要对普通砂含水量进行测定，严格掌控混凝土净用水量，要先将减水剂与水混合以后才能放入混凝土拌合物中，泵送剂在搅拌之前要加入水泥、粗骨料、矿物掺合料等进行2～3min 搅拌。混凝土泵启动后，要保证泵和运送管中没有异物，泵送之前要先进行普通砂浆生产，使其湿润泵管。混凝土在罐车中快速搅拌30s 后卸入泵车。混凝土泵车在泵送时，排量应控制在50%，泵压7.9MPa，带混凝土出泵，待泵送稳定后，排量降低到30%，泵压降低到5.0MPa，并连续泵送。陶粒混凝土泵送时，避免满负荷吸料泵送，为管道预留空间，有助于陶粒通过。轻骨料混凝土入泵坍落度要控制在200mm，泵压值如有异常，要立即反泵，然后再正泵，频率保持3 次左右，不能反复多次地使用该手段排堵。轻骨料混凝土入模后要使用高频振捣器快速振捣，不能反复振捣，这样会导致陶粒上浮。待混凝土浇筑完成后，要立即用塑料薄膜予以覆盖，二次收光工作需要掌握好混凝土初凝时间和收光速度。坍落度与扩展度之间的比值要控制在0.4～0.5 区间内，混凝土拌和物工作性良好，有助于泵送。坍落度与扩展度之间的比值超过0.5，混凝土拌和物较为黏稠，不能进行泵送。坍落度与扩展度之间的比值低于0.4，混凝土拌和物容易分层离析，轻骨料容易漂浮到表面，砂浆则容易沉入拌和物底层。