高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用與發(fā)展

　　摘 要： 介紹高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的性能及國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r。探討了輕集料混凝土的分層離析控制的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了相應(yīng)解決思路。

　　關(guān)鍵詞： 高強(qiáng)輕集料混凝土; 發(fā)展; 優(yōu)勢(shì); 控制技術(shù)

　　隨著現(xiàn)代化建筑工程的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)在諸如形狀、高度、不規(guī)則柱網(wǎng)、無(wú)梁樓蓋等方面越來(lái)越要求具有極大的自由度，更高效、高強(qiáng)度的輕質(zhì)混凝土就應(yīng)運(yùn)而生了。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土HSLC(High―StrengthLightweight Concrete)具有重量輕、強(qiáng)度高和耐久性好等特點(diǎn)，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家將HSNC廣泛應(yīng)用于海王構(gòu)筑物、高層建筑、大跨度橋梁和城市立交橋等工程中。如1936年美國(guó)建造的舊金山―奧克蘭海灣橋的橋面，采用高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土與普通混凝土相比，僅鋼材一項(xiàng)就節(jié)約造價(jià)300萬(wàn)美元;又如澳大利亞廣場(chǎng)的圓形塔樓50層，7層以上樓板、梁和柱使用3.1萬(wàn)m‘的輕質(zhì)混凝土，工程總造價(jià)降低13%。

　　國(guó)外越來(lái)越多地使用高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的重要原因是它的耐久性、抗疲勞性、抗?jié)B性等特性均優(yōu)于石子骨料高強(qiáng)混凝土HSNC(High―strength NormalWeight aggregate Concrete)。在我國(guó)，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的研究和在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用剛剛起步，近年來(lái)發(fā)展很快，但混凝土的強(qiáng)度等級(jí)偏低，輕骨料質(zhì)量有待提高。

　　1 國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)輕集料混凝土的發(fā)展及優(yōu)勢(shì)

　　一般把以人造輕集料為其基本材料的輕混凝土的最早使用年代追溯到1920年左右，S.J海德是最初運(yùn)用回轉(zhuǎn)窯燒粘土的先驅(qū)者之一。到1928年，美國(guó)開(kāi)始把這種方法用于商業(yè)生產(chǎn)。西歐在第二次世界大戰(zhàn)以后才開(kāi)始有了輕集料的生產(chǎn)。輕集料混凝土根據(jù)其用途和功能分為3類(lèi)，一是以結(jié)構(gòu)為主的工程，二是結(jié)構(gòu)與保溫同等重要的工程，三是以保溫為主的工程。國(guó)外高強(qiáng)輕集料混凝土主要應(yīng)用于高層建筑、橋梁和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。早在1969年，美國(guó)就用高強(qiáng)輕集料混凝土建成了高217.6 m，52層的休斯敦貝殼廣場(chǎng)大廈。這幢按筒中筒結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的大廈只有采用高強(qiáng)輕集料混凝土經(jīng)濟(jì)上才算適宜。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)來(lái)講，217.6m的建筑高度，加上高空的強(qiáng)大風(fēng)載，必須選用質(zhì)量最好的輕集料來(lái)拌制輕集料混凝土，使其結(jié)構(gòu)性能不低于普通混凝土。根據(jù)結(jié)構(gòu)和建筑要求，2.51 m厚的筏型基礎(chǔ)，內(nèi)柱和外柱以及剪力墻要用強(qiáng)度為42MPa的高強(qiáng)輕集料混凝土澆制，11 m跨距的樓板要用強(qiáng)度為31.5 MPa的高強(qiáng)輕集料混凝土澆制，混凝土用量達(dá)7萬(wàn)m3。統(tǒng)計(jì)資料表明，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁自重隨跨度增大呈指數(shù)系數(shù)增加，經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為，跨度超過(guò)30 m的橋梁，由于自重在總荷載中起著重要的作用，采用輕混凝土就具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性了。

　　我國(guó)輕集料混凝土的生產(chǎn)和應(yīng)用是從人造輕集料的研制開(kāi)始的。1956年在山東博山利用水泥回轉(zhuǎn)窯試制成功我國(guó)第一批粘土陶粒之后，至1975年輕集料的生產(chǎn)有了一定的規(guī)模，生產(chǎn)廠家發(fā)展到十幾個(gè)。至1990年，我國(guó)人造輕集料生產(chǎn)廠有30余家，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量53萬(wàn)m3，土990年實(shí)際生產(chǎn)量為30萬(wàn)m3，僅達(dá)生產(chǎn)能力的57%。同年由中國(guó)建筑科學(xué)研究院主持編制出《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》GJ51―90，新規(guī)程更具我國(guó)特色，而且達(dá)到了美、俄、德等國(guó)同類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)水平，為我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展輕集料混凝土技術(shù)提供了科學(xué)理論依據(jù)和技術(shù)保證。1986年，由國(guó)家建工總局和上海市建委下達(dá)的嵐皋路高層試點(diǎn)項(xiàng)目建筑3幢20層鋼筋粘土陶?；炷寥竽＜袅ψ≌瑯?，該工程是由原設(shè)計(jì)18層的普通混凝土改造成20層陶?；炷恋?，由于采用了輕集料混凝土，每平方米自重減輕13%，使用面積凈增1 200m2，基礎(chǔ)造價(jià)減少10%，節(jié)約鋼材3.7%，實(shí)際降低建筑造價(jià)16%，與臨近同結(jié)構(gòu)的18層普通混凝土住宅建筑相比，沉降量小32.5%，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。但我國(guó)輕集料混凝土的應(yīng)用仍主要用于低強(qiáng)度的非承重結(jié)構(gòu)，如生產(chǎn)小砌塊。我國(guó)高強(qiáng)輕集料混凝土的研究始于20世紀(jì)70年代，天津建筑科學(xué)研究所等單位在實(shí)驗(yàn)室用高強(qiáng)粉煤灰陶粒配制出CL40干硬高強(qiáng)輕集料混凝土。20世紀(jì)80年代初，鐵道部大橋局橋梁科學(xué)技術(shù)研究所在實(shí)驗(yàn)室采用高強(qiáng)粘土陶粒和625#水泥配制出CL60于硬性高強(qiáng)輕集料混凝土，將CL40粉煤灰陶粒高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于金山公路跨度為22m的箱形預(yù)應(yīng)力橋梁，使橋梁自重減輕20%以上，是我國(guó)高強(qiáng)輕集料混凝土應(yīng)用的一個(gè)成功范例。

　　2 高強(qiáng)輕集料混凝土存在的問(wèn)題

　　目前，影響高強(qiáng)輕集料混凝ix：程應(yīng)用的主要原因是其易所導(dǎo)致的工作性能差，不能滿足現(xiàn)代混凝土建筑施工的要求，為此，開(kāi)展控制輕集料混凝土分層離析技術(shù)的研究十分必要。

　　輕集料混凝土拌和物主要是由輕集料、細(xì)集料、膠結(jié)材和水組成。這4種組成部分的密度各不相同，在混凝土拌和后會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象。一般對(duì)于普通混凝土，密度較小的水、水泥漿及帶有較小細(xì)集料的水泥砂漿上浮，粗集料及較大顆粒的細(xì)集料及包裹它們的水泥漿下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。但對(duì)于輕集料混凝土，則是密度較小的輕集料、水等上浮，水泥漿和細(xì)集料砂下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了輕集料混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。由于輕集料與水泥石的密度相差懸殊，輕集料混凝土的離析問(wèn)題十分嚴(yán)重，很難滿足現(xiàn)代混凝土建筑施工的工藝要求。只有有效控制輕集料混凝土的離析問(wèn)題，才能促進(jìn)這種集結(jié)構(gòu)與功能一體化的建筑材料更為廣泛的應(yīng)用。

　　3 輕集料混凝i分層的控制技術(shù)

　　3.1 控制輕集料的最大粒徑

　　輕集料的運(yùn)動(dòng)速度與粒徑的平方成正比。因此，輕集料的粒徑無(wú)疑是影響輕集料混凝土作性的最主要因素。粒徑越大，輕集料越容易上浮。顆粒越大，在相同配合比條件下，擴(kuò)展度越大，集料的分層離析越嚴(yán)重，相應(yīng)混凝土的強(qiáng)度越低。輕集料的粒徑越小，顆粒分布越均勻，但是由于粒徑減小，輕集料的表面積增加，將會(huì)導(dǎo)致水泥用量的增加，而水泥用量的增加會(huì)進(jìn)一步增加 差值，這對(duì)于減輕輕集料混凝土的離析反而不利。資料表明：對(duì)于泵送輕集料混凝土，輕集料的粒徑在5～20mm為宜。

　　3.2 摻加礦物摻和料

　　混凝土與輕集料的密度差( )越大，輕集料上浮的運(yùn)動(dòng)速度越大，混凝土越易離析?；炷恋恼扯仍酱?，輕集料的上浮速度越小。眾所周知，相對(duì)水泥的密度3.15 kg/m3而言，粉煤灰、礦渣和硅灰的密度較小。因此，采用粉煤灰、礦渣和硅灰替代部分水泥，一方面可以減小水泥石的密度，進(jìn)而減小水泥石與輕集料的密度差( );另一方面，由于礦渣和硅灰的摻人，會(huì)使得混凝土拌和物的粘度增加，降低輕集料上浮的運(yùn)動(dòng)速度。

　　據(jù)資料表明：摻人20%粉煤灰后混凝土的坍落度明顯增加，如果摻A20%的礦渣，混凝土的坍落度達(dá)到18cm，混凝土基本沒(méi)有離析，而硅灰的摻人使混凝土的坍落度在一定條件下減小。單摻粉煤灰或同時(shí)摻加粉煤灰和礦渣的混凝土可以配制出既流動(dòng)性好，又不分層離析的混凝土拌和物。

　　3.3 調(diào)整砂率

　　水泥石密度與輕集料密度差值越大，混凝土越易離析。然而，當(dāng)砂率增加時(shí)，顆粒的表面積增加，在水泥用量一定的情況下拌和物的粘度會(huì)增加，因此，砂率對(duì)混凝土性能的影響必然存在一個(gè)最佳值。據(jù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論可知，在一定范圍內(nèi)，隨著砂率的增加，坍落度增加，混凝土的流動(dòng)性變好。當(dāng)砂率增加到39%之后，混凝土的坍落度達(dá)到最大值22cm，但繼續(xù)增大砂率，拌和物的粘聚性增加，坍落度反而降低;而當(dāng)砂率較低時(shí)，混凝土拌和物則容易產(chǎn)生分層離析，這說(shuō)明拌和物存在一個(gè)最佳砂率，即在該值時(shí)拌和物不易產(chǎn)生分層離析，此時(shí)拌和物的工作性能最好。

　　3.4 摻入纖維

　　纖維可以在混凝土中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此可以有效地抑制輕集料的運(yùn)動(dòng)。由于有機(jī)纖維非常細(xì)小，表面積大，需要吸附大量的水泥漿包裹其周?chē)?，結(jié)果使得混凝土的粘度增加。在相同纖維摻量條件下，纖維越短，纖維的數(shù)量越多，需要包裹纖維的水泥漿的量越多，混凝土粘度越大，越不易離析。對(duì)不同品種的纖維進(jìn)行試驗(yàn)研究。由文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加纖維對(duì)混凝土的工作性有較大的影響。加入聚丙烯纖維和碳纖維坍落度下降不大，但擴(kuò)展度下降較大，并能有效阻止輕集料混凝土的分層、離析，這是因?yàn)榫鶆蚍植荚诨炷林械拇罅坷w維起到了一種“承托”作用，降低了混凝土的表面析水和輕集料的上浮，提高了輕集料混凝土的粘聚性。摻加長(zhǎng)度為6mm纖維的混凝土I。30A06擴(kuò)展度小于摻加長(zhǎng)度為19mm纖維的混凝土L30A19。但加入鋼纖維后，由于鋼纖維表面需大量砂漿包裹，因此坍落度大幅度降低。因此，纖維種類(lèi)對(duì)混凝土的工作性能有較大的影響。另外，加入鋼纖維后，輕集料混凝土的表觀密度迅速增大，對(duì)降低結(jié)構(gòu)物自重不利。不同的是，加入有機(jī)纖維后，輕集料混凝土的表觀密度變化不大。

　　4 結(jié) 論

　　(1)輕集料混凝土具有和普通密度混凝土不同的分層特點(diǎn)。輕集料混凝土的集料易于漂浮在拌和物表面，產(chǎn)生上大下小的分層離析結(jié)構(gòu)。

　　(2)輕集料混凝土的離析程度受輕集料粒徑、水泥砂漿粘度和水泥石與輕集料的密度差控制，通過(guò)摻加礦物摻和料、調(diào)整砂率、摻加適宜品種的纖維和減小輕集料粒徑的技術(shù)措施可配制工作性能好，易泵送的CL40一CL60高強(qiáng)輕集料混凝土。

　　(3)坍落度與擴(kuò)展度之比在0.4～0.5范圍內(nèi)，混凝土拌和物工作性最好，利于泵送;坍落度與擴(kuò)展度之比大于0.5，混凝土拌和物過(guò)于粘稠，不宜泵送;坍落度與擴(kuò)展度之比小于0.4，混凝土拌和物則容易分層離析，輕集料易漂浮至表面，砂漿沉人拌和物底層。

?二級(jí)結(jié)構(gòu)工程師

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