轻骨料混凝土的性能及其在建设工程中的应用
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黄鹏程 陈征征 赵晨阳
【摘 要】以时代发展为背景，对轻骨料混凝土这一材料的性能及其在建筑工程中的应用进行分析与研究，以此促进建筑工程中对轻骨料混凝土的应用。
【关键词】轻骨料混凝土；建筑工程；应用
在当今如此大的建筑市场影响下，纵使我国地大物博，自然资源丰富，也无法避免能源枯竭的一天，所以在建筑行业遵行可持续发展战略是刻不容缓的，加快新型混凝土材料方面的研究，减少对天然砂石等不可再生资源的需求，才能更好的保护生态环境[1]。轻骨料混凝土作为一种质量较轻、功能较高效等特点的新型混凝土材料，在大跨度桥梁、高层建筑、海洋工程等工程应用中具有巨大的技术经济优势和突出的社会效益[2]，同时，由于在生产轻骨料和配置轻骨料混凝土的时候，大量利用了粉煤灰、硅灰等工业固体废弃物，有利于资源的综合利用和生态环境的保护，符合了今后的发展方向：轻质、多功能、节能、环保等特点，使其已成为现代混凝土的一个重要发展方向[3]。
一、轻骨料混凝土的定义
轻骨料混凝土（又名轻集料混凝土，Lightweight Aggregate Concrete）是指用胶凝材料、轻粗骨料、轻细骨料或普通砂和水配置而成的表观密度不大于1950kg/m3的混凝土材料，是一种利用人造或者天然轻质骨料替代普通密度骨料的混凝土，与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有：轻质高强、隔热保温性能好、耐火性能好、抗震性能好、综合的经济技术效果好。轻骨质混凝土与普通混凝土不同之处在于骨料中存在着大量的孔隙，由于这些孔隙的存在，赋予它许多优越的性能。一般来说轻骨料可以具体的定义为：用轻粗、细骨料（或普通砂）、水泥和水，在标准养护条件下，28d龄期的干表观密度<1950kg/m3的混凝土。它密度一般在800kg/m3到1800kg/m3之间，抗压强度在10Mpa到30Mpa之间，导热系数为0.208W/（m·K）到0.420W/（m·K）。
二、轻骨料混凝土的研究现状
在六十年代初期，随着技术的日趋成熟和经验的逐渐积累，我国开始了结构用轻骨料混凝土的研究，并完成了一些工程实例，其中的河南平顶山洛河大桥，这是国内首座轻骨料混凝土大桥，具有代表性意义。20世纪末，我国对于轻骨料混凝土的研究加快了步伐，尤其是高强轻骨料在桥梁和建筑方面的应用有了突破性进展。以此为背景，建成了珠海国际会议中心，20层以上使用轻骨料混凝土建造，强度达到40MPa；云南建工医院的主体全部使用高强轻骨料混凝土建造，使用完好；在桥梁方面，位于天津的永定新河大桥成功在轻骨料混凝土当中加入了预应力体系，完成了一次大胆的探索。我国是一个地震频繁地区，近年来对墙体材料的革新和建筑节能工作非常重视。轻骨料混凝土的发展与应用，既可促进墙体材料的革新，又能满足节能建筑的技术要求，可谓利国利民之举。因此，轻骨料混凝土及其建筑具有广阔的发展前景。
三、轻骨料的特点
（一）轻质高
强骨料中孔隙的存在降低了骨料的颗粒容重，从而降低了轻骨料混凝土的容重。在强度等级相同的情况下，轻骨料混凝土比普通混凝土材料表观密度低20%-40%。但是由于轻骨料的孔隙在拌合料搅拌时具有吸水作用，造成颗粒表面的局部低水灰比，增加了骨料表面附近水泥石的密实性。同时，骨料表面粗糙具有微孔，提高了粗骨料与水泥石的粘结力，从而提高了轻骨料混凝土的强度。
（二）保温性能好
多孔轻骨料内部的孔隙，能使其导热系数变低，容重在800kg/m3到1400kg/m3之间的轻骨料混凝土导热系数为0.23W/（m·K）到0.52W/（m·K），与普通混凝土相比不仅强度高，整体性好，而且保温性能良好，使建筑物的能耗降低。
（三）抗震性能好
轻骨料混凝土由于自重轻，弹性模量低，因而抗震性能好。地震波传来时，可以有效延长结构的自振周期，减慢震动波的传递，且减小自振频率，利用自身相对较大的变形抵消掉一部分能量，保护建筑物，将危害降到最低。
（四）耐热性能好
当建筑物发生火灾时普通混凝土耐火1小时，而同等条件下陶粒混凝土耐火时间可达到4小时。在600摄氏度的高温下，轻骨料混凝土能维持正常室温下的强度的85%，而且在同一级的耐火等级下，陶粒混凝土的楼板厚度比普通混凝土的薄20%。故其十分适用于耐火等级要求高的高层建筑、公共建筑和工业建筑。
（五）耐久性好
轻骨料混凝土较低的热膨胀系数可以使它在温度发生较大突变的情况下，产生较小的内部拉压应力，在一定范围内减少甚至避免了裂缝出现。而裂缝是影响混凝土耐久性的一大重要因素，减少裂缝的产生相当于提高了结构的耐久性。同时，轻骨料内部丰富的孔隙结构使得它在冻融循环测试中也有很好的表现。
（六）制作工艺简单
轻骨料混凝土具有生产工艺简单，施工适应性强，技术经济效益高等优越性，是一种很有前途的新型建筑材料。
四、轻骨料混凝土的不足
（一）力学性能差
轻骨料混凝土的抗压、抗拉、抗剪强度均较低。通常情况下，增加混凝土强度可通过水泥用量来实现，但对轻骨料混凝土来说却并非如此，增加水泥用量其强度提高幅度不大，到一定程度是增加不明显。总体来说，轻骨料混凝土在力学性能上是不可能与同类相提并论的。
（二）离析现象明显
混凝土搅拌工程中，轻骨料的移动速度与骨料和胶凝材料之间的密度差是成正比关系的。由于轻骨料特有的轻质因素，导致相比普通混凝土来说，轻骨料在搅拌过程中更加容易产生较大的上浮速度，因此，更加容易突破胶凝材料的粘滞阻力，造成离析现象也就更加明显。
（三）骨料吸水
作为一种多孔结构的材料，轻骨料的吸水率比普通骨料大得多，特别对于表面存在大量的开口孔的轻骨料，当其浸入水中后，这些开口孔便开始吸取水分，尤其在初始阶段，这种吸水情况表现得极为激烈。轻骨料含水率的增高不仅会增加混凝土的容重，更会降低轻骨料混凝土的抗冻性。混凝土的抗冻性和其剥蚀损失率和耐久性系数有密切关系。渗入到混凝土中的水在温度在冰点以下时会结冰引起膨脹，将从内部损伤混凝土结构。混凝土表层若持续受盐溶液浸蚀，在混凝土薄弱处也将会发生剥落。冻融次数的增加会降低轻骨料混凝土的抗压强度，经过多次冻融循环，最终将引起混凝土剥落酥裂而降低其耐久性。
五、轻骨料混凝土制品及应用
（1）高层建筑陶粒混凝土结构自保温体系。为了提高非承重墙体和屋面板等结构等的隔热保温性能，在高层建筑物内开始使用普通陶粒混凝土小型砌块代替粘土砖，作为节能建筑内的承重材料的首要选择，同时陶粒混凝土结构也适用于隔热保温较好的承重墙体和楼板等多层式节能建筑。尤其是在承载结构中，陶粒混凝土相比于其他轻骨料混凝土具有明显的强度优势。目前使用的陶粒种类仍然是以普通的陶粒为主，随着科学技术的逐渐发展，未来普通陶粒的产量以及研发情况都会有一定的提升。
（2）轻骨料混凝土应用于高层建筑主要是通过现浇梁、板、柱、墙体等结构单元或采用预制墙板、楼板等构件形式实现。采用轻骨料混凝土后建筑自重获得减轻，在荷载不变的情况下可以增加修建层数，提高土地使用率或者节约基础的造价，尤其是在软土地基处理方面更具优势。另外，轻骨料混凝土在抗震、耐火方面的优良性能也是其应用于高层建筑的优势。
我国在过去三十年积累了一些十分成功的轻骨料混凝土高层建筑应用实例，在天津、上海、沈阳、南京、本溪等地均有不同形式的轻骨料混凝土高层建筑，取得了良好的实际运用效果。
六、结语
影响混凝土耐久性的因素是复杂的、综合性的、必须从原材、结构设计、施工、使用环境及其检测维护等多种因素综合考虑，使混凝土既满足承载力要求、又要满足其耐久性的要求。因此，我国的轻骨料混凝土应向以下几个方面发展：（1）应符合国家可持续发展战略的要求，有效利用工业固体废弃物、淤泥等制造轻骨料，这样可以减低生产成本，减少对天然骨料的开采，能合理、充分、节约地利用各种能源。（2）多研究和开发新型高强的轻骨料混凝土，把轻骨料混凝土运用到结构构件中去。如钢-混凝土的组合、劲性混凝土、掺纤维混凝土等都是把充分发挥轻骨料混凝土的性能，把其运用到结构构件中。
【参考文献】
[1]中国建筑科学研究院.轻骨料混凝土技术规程（JGJ51-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.
[2]付达新.轻骨料混凝土的研究现状与展望[J].中国建材科技，2014.
[3]郭玉顺，木村薰，李民伟，丁建彤，黄明君.高强度耐久性轻骨料混凝土的性能[J].混凝土，2000，10.