（材料学专业论文）高性能页岩轻集料混凝土试验研究.pdf

摘要 高性能轻集料混凝土作为高性能混凝土的一个分支，是在采用轻 集料和一定配合比技术配制而成的，具有高强、高工作性、良好体积 稳定性和优良耐久性的生态环保型轻质建筑材料。其特别适用于大跨 度桥梁、高层建筑、对地质条件和耐久性有特殊要求的结构工程中， 具有巨大的技术经济优势和非常广泛的使用前景。 本文通过对轻集料混凝土各组分性能及其对混凝土性能影响的 研究，揭示了高性能轻集料混凝土的组成、结构与性能之间的相互影 响和变化规律。在研究轻集料混凝土拌合物结构特性的基础上，通过 理论计算得出了影响轻集料混凝土拌合物流变性能的主要因素，提出 以坍落度、扩展度、分层度与泌水度并结合目测作为控制指标的高性 能轻集料混凝土拌合物工作性能评价体系，总结了高性能轻集料混凝 土均质性的控制技术和方法。 通过试验研究了页岩轻集料、辅助胶凝材料、外加剂等组分及其 配合比参数对轻集料混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响规 律。提出了高性能轻集料混凝土的配制方法和研究途径。配制出坍落 度大于1 8 0 m m ，具有优良工作性能和均质性，不分层，不离析，2 8 d 干缩率和碳化深度分另j j d , 于3 6 1 0 弓和1 0 m m ，2 8 d 氯离子渗透6 h 库仑电量小于1 0 0 0 c ，比强度达到3 0m p a m 3 t ，静弹性模量在3 0 g p a 以上的l c 4 0 l c 6 0 高强高性能轻集料混凝土。 初步研究了次轻混凝土的力学性能、表观密度和破坏形态，发现 次轻混凝土可以弥补普通集料混凝土和轻集料混凝土的不足，具有很 广阔的应用价值。 关键词页岩轻集料，高性能轻集料混凝土，工作性，耐久性，次轻 混凝土 a b s 仃a c t a sab r a n c ho fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ( h p c ) ，h i 曲p e r f o r m a n c e l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( h p l c ) i sm a n u f a c t u r e db yl i g h t w e i g h t a g g r e g a t ea n dc e r t a i nm e t h o d s a tt h e s a m et i m e ，i ti sak i n do f e n v i r o n m e n t - p r o t e c t e db u i l d i n g m a t e r i a lw i t h h i g hs t r e n g t h ，g o o d w o r k a b i l i t y , g o o dv o l u m es t a b i l i t ya n dh i g hd u r a b i l i t y h i g hp e r f o r m a n c e l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t eh a sg r e a ts u p e r i o r i t i e si nt h el a r g es c a l e e n g i n e e r i n g s u c ha s h i g hb u i l d i n g s ，b r i d g e s a n ds o m e i m p o r t a n t e n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，w h i c hh a sc o m p l i c a t e dg e o g r a p h yc o n d i t i o n so ra s p e c i a ld e m a n df o rd u r a b i l i t y i nt h ep a p e r , b a s e do nt h es t u d yo fc o m p o s i t i o n sa n dt h e i ri n f l u e n c e t ot h ep e r f o r m a n c eo fh p l c ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ec o m p o s i t i o n ， s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fh p l ca r ed i s c o v e r e d b yt h er e s e a r c ho f s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fh p l cm i x t h em a i nf a c t o r so ft h ea c t i v e p r o p e r t yo fc o a r s ea g g r e g a t ea n da ne v a l u a t i o nm e t h o do fu n i f o r m i t yo f h p l ca r ed e t e r m i n e d i na d d i t i o n a l ，t h ep a p e ra l s oe s t a b l i s h e da n e v a l u a t i o ns y s t e mo ft h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fh p l c ，w h i c hi n c l u d e s l u m pc o n s t a n t ，d i v e r g e n c e ，b l e e d i n gr a t ea n dt h en o n u n i f o r ml e v e lo f c e m e n tp a s t ea n da g g r e g a t e t h et e c h n i q u ep a r a m e t e r so ft h eu n i f o r m i t y o fh p l ca r ed i s c o v e r e da sw e l l b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ei n f l u e n c eo ft h ec o m p o s i t i o n o ft h ec o n c r e t et ot h ew o r k a b i l i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t yo f h p l c ，t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep r e p a r a t i o no fh p l cw a sg r a s p e d l c 4 0 - l c 6 0h p l cw i t ht h es l u m po v e r18 0 m m ，2 8 dd r y i n gs h r i n k a g e r a t e ，c a r b o n i z a t i o na n dt h e6h o u r sc o u l o m be l e c t r i c i t yo fc h l o r i d e - - i o n p e n e t r a t i o nb e l o w3 6 x1 0 一，1 0 m ma n d1 0 0 0 cr e s p e c t i v e l y , t h es t r e n g t ht o d e n s i t yr a t i oo v e r3 0 m p a 。m 。t ，e l a s t i cm o d u l u sl a r g e rt h a n3 2 g p a ，g o o d w o r k a b i l i t ya n du n i f o r m i t yi sp r e p a r e d e l e m e n t a r i l ys t u d i e do nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d r yd e n s i t ya n d t h ed e s t r o ys h a p eo fh i g hs t r e n g t hs e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t e t h ea u t h o r f o u n dt h a th i g hs t r e n g t hs e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t eh a sm a n ym e r i t s w h i c hc a nc o v e rt h es h o r t a g e so fn o r m a lc o n c r e t ea n dl i g h tc o n c r e t e i t i i h a sal a r g et e c h n i c a la n de c o n o m i cr e t 啪 k e yw o r d se x p a n d e d l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ， s e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t e s h a l e a g g r e g a t e ，h i g hp e r f o r m a n c e w o r k a b i l i t y , d u r a b i l i t y , h i g hs t r e n g t h i l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的 地方外，不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作 的同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：日期：型2 年月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：显盈筐导师签名： 1 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 混凝土作为土木工程中最重要的建筑材料，自诞生以来的1 0 0 多年历史中， 它的发展始终朝着高强、高性能、轻质和绿色的方向前行，其性能和应用已得 到了空前的提高。但随着新世纪科学技术和生产的发展，各种在苛刻情况下使 用的重大混凝土结构，如跨海大桥、海底隧道、海上平台、高层超高层建筑等 工程建造需求的不断增加，对混凝土各项性能都提出更高的要求，如果现代混 凝土不能有效解决自身存在的问题，将很难担任其应有的使命【l 一。 普通密度混凝土n d c t n o r m a ld e n s i t yc o n c r e t e ) 虽然强度较高，配制和施工 技术较成熟，但存在自重大、脆性大，苛刻条件下适应能力差和碱骨料危害等 缺点，且其单位质量的强度比强度较低，很难满足未来高层、超高层建筑 及超大跨度结构的要求。而正在研制中的超高强混凝+ ( 1 0 0 m p a 以上) 虽然能有 效提高了混凝土的比强度，但随着强度的较大提高，混凝土脆性明显上升，其 抗裂性能和其它耐久性能还没有确实的研究结论，将超高强混凝土应用到实际 工程还需要进行大量的研究工作【3 】。轻集料混凝土l w a c ( l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t e ) 的出现为混凝土的进一步发展提供了新的条件，轻集料混凝土是用轻租 集料、轻砂( 或普通砂) 、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1 9 5 0 k g m 3 的混 凝土【4 】。自从1 9 1 3 年人造轻集料页岩陶粒在美国间世以来，用轻集料取代普通 砂石集料配制的轻集料混凝土，因其具有轻质高强、保温耐火和抗震性能好等 特点，可广泛应用于工业与民用建筑以及高层、大跨度的构筑物等，在世界各 国迅速得到发展和应用。在我国也已成为仅次于普通混凝土用量较大的一种新 型混凝土。 轻集料混凝土的出现给建筑材料行业带来了新的发展，随着轻集料生产技 术的进步和高性能轻集料的出现，轻集料混凝土得到了进一步的发展，出现了 高性能轻集料混凝土h p l c ( h i g hp e r f o r m a n c el i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ) 。 高性能轻集料混凝土主要采用空隙率小、吸水率低且强度较高的轻集料配制而 成，它不仅具有良好的工作性和稳定性，硬化后混凝土有较高的强度和较轻的 质量，而且还有优良的抗渗、抗冻、抗化学侵蚀等耐久性能，它是高强、轻质、 体积稳定性和耐久性优良的新型轻集料混凝土【钉。高性能轻集料混凝土不仅具有 比普通高性能混凝土更高的比强度和更好的保温隔热性能，还具有比一般轻集 料混凝土更好的工作性能及耐久性能，可以满足施工、泵送以及长期工作稳定 硕士学位论文第一章绪论 性的要求。这给高层建筑、超高层建筑，大跨度桥梁和海洋工程等对材料性能 要求较高的现代大型工程的建设带来了新的契机。因此，研究和推广高性能轻 集料混凝土被认为是降低结构自重，使混凝土向轻质、高强、优质和高耐久方 向发展的主要途径【6 ，7 】。 1 2 轻集料的特性 轻集料又称轻骨料，是堆积密度小于1 2 0 0k g m 3 的多孔轻质集料的总称。 轻集料依其粒径不同分为轻粗集料和轻细集料，轻粗集料习惯上称之为轻集料， 其粒径大于5 m m ，堆积密度小于1 1 0 0k g m 3 。而轻细集料的粒径小于5 m m ，所 以又称为轻砂，一般在配制保温隔热用的全轻混凝土时才使用。按照原料来源 不同，轻集料还可以分为天然轻集料、人造轻集料和工业废料轻集料；按性质 分，轻集料还可分为有机轻集料和无机轻集料，通常使用的多为无机轻集料， 其来源广、性能优越且价格适宜。配制高性能轻集料混凝土的粗集料需要使用 品质好，性能稳定的优质人造轻集料，而细集料一般都采用质量较好河砂。目 前，人造轻集料中，使用较多的有粘土陶粒、页岩陶粒和粉煤灰陶粒等三类， 它们一般是以粘土、页岩或粉煤灰为主要原料并添加一定的铺助材料，经过破 碎或成球、烘干、预热、焙烧和冷却而制成嘲。由于材料和烧制工艺的不同，轻 集料的颗粒外形和质地有明显的差异，我国轻集料规范将轻集料分为圆球型、 普通型和碎石型三种，轻集料的颗粒外形对轻集料混凝土拌合物的和易性有很 大的影响。 轻集料的性能指标主要包括粒型、颗粒级配、最大粒径、堆积密度、表观 密度、筒压强度、强度标号、吸水率、软化系数等。其中，堆积密度、筒压强 度和吸水率是轻集料最主要的指标，称为三大指标。轻集料的性能指标对轻集 料混凝土性能有很大影响，如表1 1 所示。可以说，轻集料混凝土的密度、强度、 工作性能、热工性能、耐久性能等诸多性能主要取决于其所用轻集料的性能。 因此，对轻集料性能的研究与改善，直接影响着轻集料混凝土的应用与发展。 我国为了进一步发展轻集料和轻集料混凝土，根据国内外有关轻集料研究的资 料，对轻集料的主要性能进行了大量的研究，编制了轻集料及其试验方法 ( g b t1 7 4 3 1 1 9 9 8 ) ，该规程对轻集料的分类、适用范围及轻集料试验方法做出 了明确的阐述。其中，对于配制高强和高性能轻集料混凝土所采用的轻集料， 一般为6 0 0 9 0 0 级的高强轻集料，这是按照轻集料的堆积密度和强度大小进行 划分的。 2 硕士学位论文第一章绪论 表1 - 1 轻集料性能与轻集料混凝土性能的关系嘲 轻集料混凝土性能轻集料性能 强度筒压强度；粒型；颗粒级配；最大粒径和杂质含量； 工作性能粒型；级配；吸水率和颗粒表观密度； 表观密度颗粒表观密度；粒型；级配和最大粒径； 弹性模量变形模量；颗粒级配；筒压强度； 筒压强度；粒型；级配；变形模量；最大粒径；吸水率；空隙率和 收缩和徐变 杂质含量； 抗渗性吸水率；吸水饱和程度；孔隙结构；颗粒表面活性； 抗冻性空隙率；吸水饱和程度；孔隙结构和透水性；抗拉强度和变形模量； 温度膨胀系数；导热性；变形模量；比热；吸水饱和程度；最大粒 耐火性 径；抗拉强度； 导热性导热性：吸水饱和程度： 轻集料是多孔材料，其内部结构疏松多孔，颗粒强度较低，但由于表面构 造粗糙，与砂浆的粘结力强。因此，与普通混凝土不同，轻集料混凝土中集料 与水泥石的界面过渡区不再是混凝土强度的决定因素。对于低强度轻集料混凝 土来说，受压时破坏起始于砂浆组分；而对于强度较高的轻集料混凝土，混凝 土强度一般比水泥石的强度低，受压往往由于轻集料颗粒本身首先破坏而导致 整个混凝土破坏，所以轻集料的强度对轻集料混凝土的强度有很大的影响，尤 其对于高强和高性能轻集料混凝土，轻集料的强度更是一项很重要的质量指标。 规范按照筒压强度的大小将轻集料划分为普通轻集料和高强轻集料，高强轻集 料的筒压强度不小于6 o m p a ，强度标号要大于2 5 m p a ，是配制高强轻集料混凝 土的主要材料但值得注意的是：对于高强和高性能轻集料混凝土，混凝土强 度跟轻集料本身的筒压强度并没有直接的对应关系凹。其中的原因较多，一方面， 轻集料的筒压强度测试方法具有一定的局限性，并不能完全体现轻集料在混凝 土中受力和破坏的情况。另一方面，轻集料混凝土强度不仅与所用轻集料的强 度有关，还跟轻集料的内部结构、粒型、级配、吸水率等有密切联系。 许多研究表明【1 0 】：轻集料的颗粒形状对混凝土的强度有着显著的影响。与 球型轻集料相比，碎石型轻集料更有利于混凝土强度的提高，这主要是因为球 型轻集料表面光滑，吸水率低，不利于与水泥石形成良好的界面粘结。且球型 轻集料在出现裂缝时，产生较大的裂缝一界面夹角的机率显然大于碎石型，再 加上球型轻集料的界面强度较小，所以出现集料界面破坏的现象增多，裂缝沿 硕士学位论文第一章绪论 球型界面扩展速度增大，这显然对混凝土强度不利。但在品质方面，碎石型轻 集料由于直接采用页岩等天然原材料烧胀而成，因而轻集料的均质性容易受页 岩等原材料质量稳定性的影响，其品质往往难以满足大规模施工的需要。而球 型轻集料的产品均质性较好，质量波动较小，较适合大规模的工程应用，但是 球型页岩陶粒配制的混凝土强度比较低，并且不适宜配制大流动性轻集料混凝 土。因此，对于不同的工程需求，应该综合考虑轻集料粒型的各种影响，做到 扬长避短。 轻集料的粒径和级配对新拌轻集料混凝土和硬化混凝土性能都有很大的影 响。轻集料的粒径对混凝土性能的影响主要有以下几个方面：随着轻集料的 粒径越大，颗粒内部缺陷存在的机率越大，对轻集料混凝士的强度和耐久性就 越不利；轻集料的粒径越大，轻集料与水泥石的界面粘结强度越低，使混凝 土中裂缝扩展的途径增多；轻集料在混凝土拌合物中的运动速度随颗粒粒径 增大而加快，造成混凝土内部颗粒分布不均匀，稳定性变差：进而影响混凝土 拌合物的工作性能和硬化后的混凝土强度，特别是流动性较大的泵送混凝土更 加明显。但并不是集料粒径越小越好，粒径太小，使得轻集料的比表面积增加， 混凝土的空隙率增大，势必要增加水泥用量，提高了造价【1 1 】。因此，严格控制 轻集料的最大粒径是非常重要的，尤其是在配制高性能轻集料混凝土时，轻集 料的粒径不宜超过2 0 m m ，而最大粒径为1 2 1 6 m m 时较优。 轻集料由于内部含有许多孔洞，在轻集料混凝土拌合和运输过程中，轻集 料会吸收水泥浆体中的部分水分，从而导致混凝土流动性降低，坍落度经时损 失增大。因此，在轻集料混凝土拌合前一般要对轻集料进行预湿处理，其工艺 主要有常压预湿饱水、真空饱水和热差饱水等。轻集科预湿处理的目的是使轻 集料经过预湿后在混凝土拌合物中继续吸水的能力降低，以减小混凝土的坍落 度损失并能满足泵送旌工的技术要求。但是，轻集料经过预湿饱水后会明显增 大轻集料混凝土的表观密度和运输成本，并对混凝土的抗冻性等耐久性能带来 不利的影响【1 2 1 3 】。为此，应该合理选择轻集料的预湿处理工艺和预湿时间，轻 集料内部保持一定的水分对配制高性能轻集料混凝土是有必要的。 1 3 研究意义 1 3 1 高性能轻集料混凝土特点 高性能轻集料混凝土目前还没有一个确切的定义，但与普通高性能混凝土一 样，高性能轻集料混凝土同样更注重混凝土的耐久性，它与普通轻集料混凝土 相比应该具有更高的耐久性、更好的工作性能、更优的体积稳定性并能满足较 4 硕士学位论文 第一章绪论 高的强度。其主要特点有： ( 1 ) 轻质高强特点显著 比强度是材料抗压强度与其密度的比值，比强度越高，说明材料轻质高强 的特性更明显。高性能轻集料混凝土的干表观密度一般为1 5 0 0 1 9 5 0 k g m 3 ，质 量较普通混凝土可减轻2 0 4 0 ，在相同强度等级下，高性能轻集料混凝土具 有比普通轻集料混凝土和普通高性能混凝土更高的比强度，而且强度越高，比 强度越大，如表1 2 所示。近几年，随着轻集料向轻质高强方向发展已取得了一 定的成果，现在强度为c l 3 0 c l 5 0 的轻集料混凝土已成为现实，并在一些沿 海工程中得到应用，但相对国外而言，我国高强轻集料混凝土的发展仍有很大 的差距。在国外，c l 6 0 c l g o 的高性能轻集料混凝土已经开始在工程上应用， 而采用密度等级为9 0 0 的高强优质轻集料，已可配制出表观密度为2 0 7 0k g m 3 ， 抗压强度为1 4 0 m p a 的高性能轻集科混凝土，其比强度可高达6 7 。由此可见， 将高性能轻集料混凝土应用于混凝土结构中的技术经济价值将非常显著。 表1 - 2 不同混凝土的比强度比较【1 4 】 ( 2 ) 具有更高的耐久性 国内外大量的研究资料表明【m t 9 1 ：采用优质轻集料配制的高性能轻集料混 凝土耐久性优于普通混凝土，甚至可达到普通高性能混凝土相当的耐久性。由 于轻集料具有“微泵”的吸水和供水作用，在轻集料混凝土成型后的初期，轻 集料会吸收水泥砂浆中的部分水分，使界面处水灰比降低，从而提高水泥石与 集料之间界面的密实性和早期强度；而在后期，混凝土中的水分逐渐减少，吸 收了一定水分的轻集料则又会逐步释放出水分，使水泥石德到充分的潮湿养护， 则水泥石中及水泥石与集料界面上的空隙和通道减少，从而改善了孔结构，促 硕士学位论文 第一章绪论 使轻集料混凝土具有优良的抗渗性能。c l 5 0 高性能轻集料混凝土的渗水高度只 有普通混凝土的1 5 ，氯离子扩散系数也只有普通混凝土的1 2 。同时，由于轻 集料的多孔性可以缓解水结冰产生的膨胀应力，使高性能轻集料混凝土具有良 好的抗冻性能。日本研制的高性能轻集料混凝土在经3 0 0 次冻融试验后，混凝 土质量损失仅为0 2 1 4 ，且随着轻集料堆积密度的增加，高性能轻集料混 凝土的抗冻性能不断提高，抗冻性能与普通高性能混凝土相当。 碱骨料反应是导致普通混凝土耐久性不良的重要原因，而大量研究和实践 证明 2 0 - 2 2 ，轻集料混凝土能够有效地避免混凝土的碱骨料反应问题。轻集料虽 然也是一种具有碱活性的集料，但由于自身的多孔结构，可以成功缓解碱骨料 反应形成的巨大应力，在宏观上并不表现膨胀，也就是说轻集料混凝土不会因 碱骨料反应而导致结构膨胀和破坏。冰岛建筑研究所根据a s t m c1 2 6 0 对9 种 不同轻集料( 包括膨胀粘土、膨胀玻璃、天然浮石、矿渣、页岩以及废弃物生产 的轻集料) 的测试结果表明，上述轻集料在8 0 的n a o h 溶液中浸泡1 4 天后 的膨胀率只有0 0 1 n 0 0 6 ，大大低于0 2 的判别界限。日本在1 9 8 3 年对使用 己达2 0 年的3 6 0 例、混凝土总用量超过4 0 万立方米的土木工程质量跟踪调查 的结果也证明了这一点。由此可见，高性能轻集料混凝土是一种无碱骨料反应 危险、具有高抗渗性和抗冻性的新型建筑材料。 此外，高性能轻集料混凝土的耐酸、耐碱和耐海水侵蚀能力亦优于普通混 凝土。我国在1 9 7 6 年对1 9 5 8 年以来各地所建的轻集料混凝土进行了实地检测， 无论是预制的还是现浇的，室内还是室外，墙体还是梁柱，桥梁还是囤船，所 有钢筋都未锈蚀，碳化强度一般都未超过3 0 毫米，强度和普通混凝土一样，还 在继续增长。 ( 3 ) 具有良好的工作性能 众所周知，普通轻集料由于空隙率大，吸水率高，在配制大流动性或泵送 轻集料混凝土时，必须经过饱和预吸水，这不仅耗时耗力，而且常常达不到预 期的效果，给施工带来了很多麻烦、且增加了工程造价。此外，由于轻集料本 身轻质多孔的特点，在配制大流动性混凝土的过程中很容易出现集料上浮、分 层和离析问题，给混凝土的耐久性带来不利的影响，也给配制、施工的过程控 制提出了更严格的要求l 玎j 。 而对于高性能轻集料混凝土，由于其采用的是低空隙率、低吸水率的轻集 料，这类轻集料在强度不降低的条件下，按照常规高性能混凝土的配制方法， 掺入适宜的高效减水剂和矿物外加剂，可以在不预湿的情况下配制出坍落度大 于1 8 0 m m ，经时坍落度损失很小，拌合物稳定性较好的大流动性泵送轻集料混 凝土，其可行性和经济性得到很大的提高。 6 硬士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 抗震性能强 由于轻集料混凝土密度小，质量轻，弹性模量低，变形性能好，在地震荷 载作用下所承受的地震力小，震动波的传递速度也比较慢，且结构的自振周期 长，对冲击能量的吸收更快，使其抵抗变形的能力增强，结构破坏时会消耗更 多的变形能，减震效果显著。有资料表明例：轻集料混凝土相对抗震系数为1 0 9 ， 普通混凝土为8 4 ，而砖砌体仅为6 4 。如1 9 7 6 年唐山丰南大地震，波及沈阳、 天津、北京等地，沈阳东北工业设计院二层以上砖混结构都出现不同程度的裂 缝，而采用轻集料混凝土的大板建筑却完好无损。而且天津和北京地区所有轻 集料混凝土的建筑物都无一遭受破坏。相反，这些建筑物邻近的砖混结构建筑 倒塌和破坏的较多。因此，轻集料混凝土结构的抗震性能较好。 ( 5 ) 耐火性能好 高性能轻集料混凝土由于导热系数低，热阻值大，在高温作用下，温度由 表及里的传递速度将大大减慢，可保护钢筋。轻集料混凝土的耐火性能比普通 混凝土高四倍，其耐火极限时间可达3 铀。对同一耐火等级的构件来说，钢筋 轻集料混凝土板的厚度可比普通混凝土薄2 0 3 0 。在耐火性能试验中证明， 普通混凝土能耐火一个小时，而陶粒混凝土可耐四个小时；在6 5 0 高温下，轻 集料混凝土能维持室温强度的8 5 ，而普通混凝土只能维持3 5 7 5 。轻集 料混凝土受热时由于有轻集料的缓冲作用，能大大降低由于受热产生的膨胀应 力和变形，因此，轻集料混凝土可用作1 0 0 0 1 2 0 0 以下热工窑炉和装备的 保温隔热材料。高性能轻集料混凝土在一些混凝土窑衬中还可以代替高品位的 耐火材料，能较大幅度降低生产能耗及成本。 ( 2 ) 隔热、保温、保湿性能好 高性能轻集料混凝土由于采用的轻集料的内部是均质多孔的结构特征，它 具有保温隔热功能，是一种性能优异的节能材料，其干燥状态下导热系数一般 为0 2 3 o 5 2 w m k ，仅为普通混凝土导热系数的1 6 l ，3 。表观密度为1 7 5 0 k g m 3 的高性能轻集料混凝土的导热系数为o 8 4 w ，m k ，大大低于普通混凝土的 导热系数1 5w m k 。此外，将高性能轻集料混凝土作为墙体材料，与普通黏土 砖墙相比可节能约3 0 5 0 ，而且高性能轻集料混凝土强度高，整体性好，还 可使墙体的厚度及质量减少一半左右，其技术经济效果更为显著。 ( 7 ) 优异的技术经济效果 虽然人造轻集料的生产需要消耗更多能源和动力，造价也比普通集料要高， 单从材料成本而言。使用轻集料会增加工程的造价，但是。由于高性能轻集料 混凝土具有高的比强度、高耐久性、优良的工作性能、抗震性能以及保温隔热 性能等，采用高性能轻集料混凝土不仅可以减轻建筑自重、降低了基础处理的 7 硕士学位论文 第一章绪论 费用，缩小结构断面并增加使用面积，还加快了工程工期，延长了工程使用寿 命，大大提高了工程的经济效益，在一些特殊条件下使用还可以获得比普通高 性能混凝土更高的综合技术与经济效益。美国休斯顿市贝壳大楼最能说明问题， 1 9 6 7 年休斯顿市拟建造一栋普通钢筋混凝土( 普通混凝土容重为2 4 0 0 k g m 3 ) 结构 的大楼，当地对高层建筑地基的深度限在1 8 米之内。如按1 8 米计算，采用普 通钢筋混凝土结构则最多只能修建3 5 层，后来更改设计，采用了人造轻集料配 制的轻集料钢筋混凝土( 共用轻集料混凝土6 8 8 万立米，混凝土容重为 18 4 0 k g m 3 ，2 8 天强度为3 2 4 2 m p a ，水泥用量为3 6 5 4 15 k g m 3 ) 来代替普通钢 筋混凝土，就使大楼由3 5 层增加到5 2 层，总高度为2 1 8 米，但基础深度未增 加，而5 2 层建筑物总造价和原来3 5 层相同，这足以体现轻集料混凝土显著的 经济效益。 1 3 2 应用前景 最近二十年是我国经济建设飞速发展的重要时期，大量的基础设施在建或 待建，混凝土的需求量十分巨大，且随着国家对基础设施建设投入的不断加大， 我国平均年混凝土需求量将超过2 0 亿立方米。若按结构混凝土需求量为6 0 计， 则每年需要结构混凝土1 2 亿立方米。如果需要采用高性能轻集料混凝土用量为 1 0 ，则年需高性能轻集料混凝土1 2 亿立方米，市场十分巨大。有调查研究认 为嘲：仅在高层、大跨度的土木建筑工程中推广高性能轻集料工程和结构轻集 料混凝土两项新技术，就可使工程造价降低1 0 2 0 。即使在国产的高强轻集 料一时供应不上，不得不采用进口轻集料的情况下，还可使工程造价降低5 1 0 0 4 。此外，一般人造轻集料可用工业废料或废渣烧制而成，可大量利用工业废 料，变废为宝，且生产粉煤灰轻集料是利用粉煤灰量最大的方法；在当前环境 问题已十分严峻和发展绿色建材的情势下，大力推广轻集料混凝土必将是混凝 土可持续发展的必由之路，具有重大的社会效益。由此可见，轻集料混凝土将 有很宽广的应用前景，将会带来极大的社会、经济和综合效益1 2 6 】。 1 4 国内外研究状况 1 4 1 国外轻集料混凝土的发展 以人造轻集料作为基本材料的轻集料混凝土最早使用年代可追溯到1 9 2 0 年 左右【2 7 ，2 s 1 ，s j 海德是最早运用回转窑烧制膨胀粘土轻集料的先驱者之一。到1 9 2 8 年，美国开始把这种方法运用于商业生产，西欧在第二次世界大战以后才开始 有了轻集料的生产。由于轻集料混凝土一系列的优点，一直以来轻集料混凝土 8 硕士学位论文 第一章绪论 的研究、开发与应用都是国内外学者的研究热点。1 9 6 8 年在英国伦敦召开的第 一届国际轻混凝土会议，将轻集料混凝土的发展分成了两种方向：一是用于结 构的轻集料混凝土，即用于加筋量很大的承重混凝土，甚至用于预应力混凝土； 第二是用于生产混凝土制品( 如砌块、肋问空心混凝土填充块、隔墙、屋面板、 外墙挂板) 。这一时期国外轻集料混凝土得到了长足的发展，美国和前苏联由于 缺少天然轻集料，为了弥补这一不足，必须生产和使用人造轻集料，这使两国 的人造轻集料飞速地发展起来。2 0 世纪7 0 年代初，前苏联和美国的轻集料生产 与应用达到了巅峰时期，前苏联轻集料年产量迅速发展到5 0 0 0 多万立方米，其 中人造轻集料约占8 0 ；而美国的轻集料年产量也曾达到2 3 0 0 万立方米，并以 每年5 8 的速度递增，自1 9 9 3 年以来，其轻集料的使用量每年保持在3 5 0 万 吨以上的高水平，其主要品种有粘土类、页岩类和粉煤灰类轻集料，其中用于 结构混凝土的轻集料用量在8 0 万吨左右。 轻集料混凝土根据其用途和功能分为三类：一是以结构为主的工程；二是 结构与保温同等重要的工程；三是以保温为主的工程。第一类根据其破坏强度 又可分为三组：( 1 ) 强度在2 0 m p a 4 0 m p a 之间的结构轻集料混凝土适用于现浇 混凝土的施工和比较轻的预应力混凝土板材，这种混凝土生产并不比普通混凝 土需要更多的监督和质量控制，在欧洲、北美、澳大利亚获得了广泛的应用；( 2 ) 强度在4 0 m p a 5 0 m p a 之间的高强轻集料混凝土主要应用于高强钢筋混凝士的 施工，特别适用于预制构件和预应力混凝土，这种混凝土的生产需要严格的管 理和质量控制；( 3 ) 强度在5 0 m p a 7 0 m p a 之间的特高强轻集料混凝土特别适用 于预应力混凝土，它需要科学严密的配合比设计( 最好用单粒级集料) ，需要一定 的振捣频率和更严格的质量检验。 当今，挪威、日本等一些国家在具有轻质高强，高耐久性等优点的高性能 轻集料混凝的研究和应用方面走在世界前列，其研究内容涉及到高性能轻集 料混凝土的配方、生产工艺、轻集料的研究等方面，重点在于改善轻集料混凝 土的工作性和耐久性，并取得了一定的成果，技术也逐渐成熟。例如，挪威已 成功应用c l 6 0 级泵送高强轻集料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥；日本 在软土地基上用4 0 m p a 的页岩陶粒高强混凝土建造了3 2 2 m 的双线铁路预应力 钢筋混凝土桥梁，并在1 9 9 8 年成立了一个由1 8 家公司组成的高强轻集料混凝 土研究委员会，专门研究粉煤灰轻集料混凝土。英国采用高强轻集料混凝土建 造了北海石油平台；西班牙马德里毕加索大厦工程采用活塞泵送c l 3 0 级混凝土 施工，泵送距离最远3 4 0 米，垂直输送高度达到1 5 4 米。 此外，欧洲和美国还广泛地研究和运用“特定密度混凝土”或称“改进密 度混凝土”，也称为次轻混凝土或者混合集料混凝土。它是指以轻集料代替部分 9 硕士学位论文 第一章绪论 普通粗、细集料，密度介于1 8 0 0 2 2 0 0 k g m 3 之间的中高强度中密度混凝土。 使用这种混凝土有利于提高结构效益( 比强度) 、增加低水灰比浆体的水化程度和 硬化混凝土的弹性模量，同时单方混凝土的原材料成本增加有限，强度和变形 性能得到有效改善e 2 9 1 。近几年世界上几座著名的轻集料混凝土结构物都使用了 “特定密度混凝土”如1 9 9 6 年建成的h e i d r u mt l p 浮体石油平台，整个 6 5 7 0 0 立方米的壳体全部采用最大密度为2 0 0 0 k g m 3 的高强混合集料混凝土； 1 9 9 8 年美孚石油公司在h i b e r n i a 沿海油田修建的石油平台用轻集料代替了所 用高强混凝土中5 0 的普通粗集料，使混凝土密度减小为2 1 7 0l 呵，m 3 ，增加了 整个浮体结构的漂浮性。日本由于在研制高强度、低吸水率的轻集料方面取得 了很大的成就，使得其配制的混凝土达到了很高的强度。1 9 9 8 年日本研制的高 强粉煤灰轻集料在o 3 水胶比下，配制出2 8 天强度8 0 m p a 、干燥表观密度小 于2 1 0 0 k g m 3 高强轻集料混凝土，日本国铁已经在铁路桥上试用了这种预应力混 凝土。最近甚至还配出了抗压强度1 4 0 m p a 的超高强轻集料混凝土。此外，日 本轻集料混凝土协会在1 9 9 6 年开始研究钢纤维增强轻集科混凝土，主要目的 是提高剪切和弯曲强度，以用于道路桥面板，取得了较好的技术经济效果。 1 4 2 国内状况 我国轻集料混凝土的生产和应用较国外要晚，主要是从人造轻集料的研制 开始。1 9 5 6 年山东博山利用水泥回转窑试制成功我国第一批粘土陶粒之后，并 先后研制成功了页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒等人造轻集料，到2 0 世纪7 0 年代， 我国轻集料的生产有了一定的规模，轻集料混凝土主要以保温、隔热用的小砌 块和板材等墙体材料为主，混凝土强度等级低于c l 2 0 。此外，在天津、上海、 河南等地轻集料混凝土还大量用于生产工业与民用建筑的装配式大型墙板，非 预应力的楼板、屋面板、梁和门式框架等构件上，轻集料及轻集料混凝土的科 研和应用取得了一定的成绩。1 9 6 0 年我国在河南平顶山建成了第一座轻集料混 凝土大桥一洛河大桥，此后，在宁波和上海之间又陆续建造了三十多座中、 小型预制箱形预应力公路桥，其中南京长江大桥和九江、黄河大桥的部分桥面 板也应用了轻集科混凝土。8 0 年代以后，随着资金投入的增加和技术条件的改 善，以及我国建筑工业化和墙体改革的发展，天然轻集料开始被大量开采和利 用，人造轻集料的生产和应用也得到较大提高，我国人造轻集料生产厂家至1 9 9 0 年已发展到3 0 余家，设计年产量5 3 万立方米，实际生产量达到3 0 万立方米。 同年，轻骨料混凝土技术规程g j 5 1 - - 9 0 出台，为我国进一步发展轻集料混凝 土技术提供了科学理论依据和技术保证，轻集料混凝土的研究和应用也得到不 断的推广。铁道部大桥局桥梁科学技术研究所在实验室采用高强粘土陶粒和 i o 顽士学位论文第一章绪论 6 2 5 # 水泥配制出c l 6 0 干硬性高强轻集料混凝土，并将c l 4 0 粉煤灰陶粒高强混 凝土应用于金山公路跨度为2 2 米的箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻2 0 以上， 成为我国首个高强轻集料混凝土应用的成功范例。1 9 8 6 年，上海岚皋路高层试 点项目三幢二十层全大模剪力墙的住宅楼均采用钢筋粘土陶粒混凝土，每 平方米自重减轻1 3 ，层数也由1 8 层增加到2 0 层，使用面积净增1 2 0 0 立方米， 基础造价减少1 0 ，节约钢材3 7 ，实际降低建筑造价1 6 ，体现了显著的技 术经济效益。但值得注意的是2 0 世纪9 0 年代之前，我国轻集料混凝土的应用 仍主要用于低强度的非承重结构，如生产小砌块等；进入9 0 年代以后，随着高 强度、低吸水率的高强轻集料的研制和生产，结构用的高性能轻集料混凝土在 工程应用中也崭露头角，但由于受资金和技术等条件的限制，并未得到大量推 广使用。进入2 l 世纪，在高性能混凝土蓬勃发展的今天，由于高层、超高层钢 筋混凝土结构物的普及，高性能混凝土轻量化技术成为一个重要的发展课题， 高性能轻集料混凝土便是一个重要的发展方向。因此，轻集料混凝土技术发展 的重心逐渐移到了适合结构用的高强度、高性能轻集料混凝土上来。 与国外相比，我国高性能轻集料的发展和高性能轻集料混凝土的研究推广 还远远落在后边。但是，在国内外高性能、高强混凝土技术迅速发展的推动下， 我国高性能轻集料混凝土的发展出现了新的契机。近几年，我国轻集料的产量 不断提高，上海，宜昌等地形成了一定的生产规模，轻集料的品质也不断得到 提高，高强高性能轻集料混凝土的应用也日益广泛。如江苏小野田混凝土有限 公司为江苏南京太阳宫广场混凝土工程提供c l 5 0 高强轻集料混凝土；江汉大 桥采用c l 4 0 泵送轻集料混凝土；珠海国际会议中心使用c l 3 0 泵送轻集料混 凝土：铁道部大桥局将c l 4 0 粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为2 2 米的预应力桥梁等刚不难看出，高性能轻集料混凝土的发展高峰开始到来了 总之，我国生产轻集料的工艺水平、轻集料混凝土的技术和应用范围同国 外相比还有很大的差距，改进轻集料生产工艺、研究设计高性能轻集料混凝土 已经成为推动我国轻集料混凝土发展的首要任务。 1 4 3 目前存在的主要问题 由于轻集料的多孔性，使轻集料混凝土的特性与普通混凝土有很大的差异。 轻集料的多孔、轻质的特点虽然可以降低轻集料混凝土的自重，但同样也会对 轻集料混凝土的工作性能、硬化后的强度和耐久性能产生一些不利的影响。在 拌合和浇注阶段，由于轻集料多孔性质使轻集料的吸水率大大增加，轻集料混 凝土在搅拌振捣过程中很容易产生轻集料上浮分层甚至产生离析现象，这就给 轻集料混凝土的工作性能和旖工泵送带来了不利影响。另外，在轻集料混凝土 硕士学位论文第一章绪论 硬化阶段，轻集料混凝土较高的水泥用量和良好的保温性能会引起较高的水化 温升，且在轻集料混凝土早期硬化过程中混凝土体积稳定性与轻集料中水分的 变化有很大的关系。此外，轻集料混凝土硬化后的收缩变形较大，严重影响轻 集料混凝土的使用寿命。为此，对于轻集料混凝土，应开展以下几个方面的研 究。 ( 1 ) 轻集料的高性能化问题 低吸水率、高强度、质地均匀、稳定的轻集料是配制高性能轻集料混凝土 的关键因素。目前我国人造轻集料的年产量已经超过3 0 0 万立方米，但其中强 度和吸水率指标能够达到高强轻集料指标的优质轻集料年产量不到3 0 万立方 米，吸水率小于5 的低空隙率轻集料年产量更低，少于1 0 万立方米。优质轻 集料的缺乏使得许多大型工程建设缺乏充足的原料供应，轻集料性能上的不足 也使轻集科混凝土的强度、工作性能以及施工都难以达到设计要求。显然，这 个问题已经成为当前制约轻集料混凝土应用迅速发展的主要障碍。 ( 2 ) 轻集料混凝土工作性能和可泵性能差的问题 当今，高性能轻集料混凝土已开始在工程上得到应用，但轻集料混凝土中 集料与胶凝材料易离析分层而影响工作性能和泵送旌工的问题并没有得到根本 解决，由此在较大程度上限制了轻集料混凝土的应用。 一方面，为了减小混凝土拌合物的内聚力，提高轻集料混凝土的密实度并 加快施工进度，一般希望轻集料混凝土具有较大的流动性和保水性，但大流动 性的轻集料混凝土中由于轻集料颗粒较轻，容易上浮，使混凝土分层离析，均 质性下降，这给轻集料混凝土的强度、耐久性等性能带来不利的影响，在工程 中也比较难以控制。而改善大流动性轻集料混凝土的均质性，需要研究混凝土 各组分对轻集料在拌合物中分布情况的影响，以及外力作用与轻集料在拌合物 中运动速度的关系。 另一方面，随着高层、超高层及大跨度结构的兴起，旄工机械化的推进，