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浅谈轻骨料混凝土的应用研究

信息来源:hunningtu.biz  时间:2008-12-11  浏览次数:396

  摘要:本文论述了轻骨料混凝土在国内外的应用研究现状,阐述了目前轻骨料混凝土在工程应用中存在的主要问题,并对轻骨料混凝土在建筑工程中的发展提出了一些建议,供工程技术人员和研究人员参考。
  关键词:轻骨料混凝土;应用;存在问题;展望
  引言
  轻骨料混凝土(LWAC),又名轻集料混凝土,是用轻粗骨料、轻细骨料、水泥和水,必要时加入化学外加剂的矿物掺合料配制而成,并且在标准养护条件下,28天龄期的干表观密度小于1950kg/m3的混凝土。轻骨料混凝土的强度等级用LC表示。强度等级达到LC30及以上者称为高强轻骨料混凝土。尽管高强轻骨料混凝土单方造价比同强度等级的普通密度混凝土高,但高强轻骨料混凝土轻质高强,能够减轻建筑物的自重,降低基础处理费用,缩小结构断面和增加使用面积,可降低工程造价5%~10%,因而具有显著的综合经济效益,同时高强轻骨料混凝土还具有良好的耐久性、耐火性、抗震性和抗裂性能。
  轻骨料混凝土已有近百年的应用历史,并因其独特的性能优势在土木的发展中占有一定的地位。轻骨料混凝土可以根据用途的要求配置成轻质、保温、隔热、高强、高耐久性、抗震性好的各种用途的轻骨料混凝土而取得显著的技术经济效益,在国内外得到了广泛应用。
  一、国外应用研究现状
  轻骨料混凝土的最早使用年代可追溯到1920年左右。1928年,美国开始把这种方法用于商业生产。西欧在第二次世界大战以后才开始生产轻骨料。美国和前苏联因缺少天然的普通骨料,大量生产和使用了人造轻骨料,所以轻骨料混凝土在这两个国家得到飞速发展。但是轻骨料混凝土长期以来一直被当作非结构材料使用,获得的经济效益十分有限,应用范围受到了很大的限制。20世纪50年代中期,美国采用轻骨料混凝土取代普通混凝土,修建了休斯敦贝壳广场大厦,并取得了显著的技术经济效益,使得高性能轻骨料混凝土越来越受到了重视。目前,国外发达国家高强度、高性能轻骨料混凝土的应用已经取得了丰富的经验,LC50~LC60轻骨料混凝土已在工程中大量使用。1993年以来,美国每年轻骨料使用量约为350~415万m3,其中结构用轻骨料混凝土部分在80万m3左右。20世纪90年代初期,挪威、日本等国家研究了高性能轻骨料混凝土的配方、生产工艺、高性能轻骨料等,重点在于改善混凝土的工作性和耐久性,并取得了一定的成果。挪威已成功应用LC60级轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥。自1987年以来,挪威已应用高性能轻骨料混凝土施工了11座桥梁。日本则在1998年成立了一个由18家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会,专门研究粉煤灰轻骨料混凝土。
  二、国内应用研究现状
  我国轻骨料混凝土发展和应用相对较晚,其发展的历程漫长而又曲折。20世纪50年代开始研究轻骨料及轻骨料混凝土,轻骨料主要用陶粒、粉煤灰,1957年成立了“陶粒混凝土课题组”开展相关的研究,先后研制成粘土陶粒、页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒。据1990年对北京、上海、黑龙江、吉林、沈阳等10个省市不完全统计的资料表明,从20世纪70~80年代的10年中,用于房屋建筑外墙板的轻骨料混凝土约占其总用量的50%;用于建筑砌块约占砌块的27%。
  但是,由于我国工艺水平有限,轻骨料质量较差,以粉煤灰为主的其它品种陶粒的质量不尽人意,所配制的结构用轻骨料混凝土的表观密度一般为1800~1950kg/m3,抗压强度为5.0~25Mpa,即密度较大,而强度偏低,使其应用和发展受到一定的限制。20世纪90年代以前我国轻骨料混凝土的应用主要是以高层建筑外墙板为主,现在主要是以高层建筑框架填充墙用的小型空心砌块;而在承重结构中的应用反而有所减少。这主要是由于国内轻骨料过多偏重于墙体材料的应用,而用于承重结构的高性能陶粒的生产与开发并没有受到应有的重视,轻骨料混凝土发展缺乏统一的管理和协调。随着国家对建筑节能和建筑物功能性要求的提高,高性能轻骨料混凝土的研究和应用也得到了快速发展。
  据不完全统计(1995年),以超轻陶粒为主的各种陶粒年产量在200万m3以上。如今,广州、乌鲁木齐、昆明、黑龙江和京津塘地区已成为超轻陶粒生产基地。上海,主要生产堆积密度为700~800kg/m3的粉煤灰陶粒和500kg/m3以下的超轻陶粒;湖北宜昌,主要生产高强陶粒,可以配制出强度等级为LC30~LC60或更高的轻骨料混凝土。高强、高性能轻骨料的规模化生产,促进了高强轻骨料混凝土,结构轻骨料混凝土在我国应用。工程实例也很多:天津市政工程研究院研究LC50结构轻骨料混凝土在永定新河大桥得到应用;珠海国际会议中心20层以上部位全都采用LC40轻骨料混凝土;本溪20层建溪大厦都是以自燃煤研石混凝土为主体结构材料;铁道部大桥局桥梁科技研究所将LC40粉煤灰陶粒高强混凝土成功应用于金山公路跨度为22m的箱形预应力桥梁,使桥梁的自重降低了20%以上,取得了很好的技术经济效果。虽然如此,与国外的差距仍然很大,还需付出巨大的努力。
  三、工程应用主要问题
  国外轻骨料混凝土在建筑工程上的应用,尤其是在桥梁方面的应用已经有了很成熟的经验。而在我国作为一种新型建筑材料研究相对较少,不管从应用研究水平还是生产规模,与发达国家相比都有较大差距。目前,在工程应用中还存在着以下几个主要的问题。
  (一)强度问题
  轻骨料混凝土达到一定强度后,当继续增加水泥用量时,轻骨料混凝土的强度增加并不明显。同时,与轻骨料混凝土中水泥石的强度相比,轻骨料的强度偏低,这也限制了轻骨料混凝土强度的提高。总之,不可能与同类正常混凝土相比。
  (二)收缩和徐变
  轻骨料的含水率直接影响轻骨料混凝土收缩的发展速度,对徐变影响则较小。高含水率的轻骨料混凝土早期收缩小于相同强度的普通混凝土,但最终收缩大于普通混凝土;低含水率的轻骨料混凝土收缩始终大于普通混凝土。轻骨料混凝土的徐变随混凝土强度增加而降低,徐变系数小于普通混凝土,但由于轻骨料混凝土的弹性模量低于普通混凝土,徐变应力仍可能大于普通混凝土。水灰比在0.32~0.43的LC60~LC90的高强轻骨料混凝土的弹性模量比同强度普通混凝土的低20%~30%。由于低弹性模量产生较大的弹性应变,轻骨料混凝土在荷载下的总变形比普通混凝土的大,过大的收缩往往会造成结构物的开裂。在桥梁结构中一般都采用预应力,高强轻骨料混凝土的收缩徐变会造成预应力损失,将会对桥梁结构产生比较大的影响,此问题也急需解决。
  (三)吸水问题
  在当前人造轻骨料的生产工艺条件下制造出来的陶粒(含高强陶粒),其孔隙结构较差,不仅球状孔直径大,且开孔率高,分布不均匀,裂缝缺陷也较多,因而吸水率较大。这种吸水率高的陶粒,既不能适应现代泵送混凝土施工的要求;也因为施工前须泡水饱和预湿,给施工带来很大麻烦。因此,我们现在急需生产出一种具有更低吸水率,施工时不需预湿的人造轻骨料,即高强、低吸水率的轻骨料。
  (四)泵送施工
  目前,LC40~LC60的高强轻骨料混凝土已开始在工程上应用,但对轻骨料混凝土中骨料与胶凝材料易离析而影响泵送施工的问题并没有根本解决。泵送施工时,部分水泥浆中的水在压力作用下渗入轻骨料中,降低了混凝土的工作性能。当水分由水泥浆渗入轻骨料中,混凝土的体积将轻微降低。因此,泵送轻骨料混凝土具有可压缩性,在泵压下表现为塑性。当增加泵压时,混凝土中的空气被压缩到轻骨料中,这也是泵送轻骨料混凝土具有可压缩性的原因。然而,当泵压降低和消失后,存在于轻骨料孔中的被压缩空气又会将轻骨料孔中的水分挤出。如果这种情况发生在泵管中,会导致混凝土拌和物泌水并会堵塞泵。
  四、展望
  轻骨料混凝土以其轻质、高强、多功能的特点在大跨径结构、高层建筑、软土地基以及多震地区等工程中有着广泛的应用前景。
  (一)我国人造轻骨料方向:节能、降耗、降低成本,利用工业固体废弃物、淤泥。利用工业废料制造轻骨料可以变废为宝,降低生产成本,减少天然骨料的开采,有利于保护环境,能够充分、合理、节约地利用能源,符合现代可持续发展的要求。
  (二)应充分发挥轻骨料混凝土制品在墙材革新、建筑节能上的作用,利用国内外成熟的工程经验来推动轻骨料砼在结构工程和桥梁工程中的广泛应用。
  (三)不同类型的轻骨料混凝土具有特殊的性能,能够满足工程上的特殊要求,应大力发展各类纤维增强型轻骨料混凝土、次轻混凝土等。次轻混凝土,在国外又称特定密度混凝土,它是在轻骨料混凝土中用普通粗集料定量取代部分轻集料配制而得的一种比轻集料混凝土重,而又比普通混凝上轻的过渡性混凝土。应加强对钢钎维、碳纤维、次轻混凝土等的试验研究工作,以满足工程上的不同要求,提高其经济效益。
  (四)应大力支持高强轻骨料生产的发展。近几年,很多地区都在筹划建设高强轻骨料生产厂,应该大力支持,以满足工程建设发展的需要。
  (五)加速轻骨料混凝土工程技术应用规程的编制。对于轻骨料混凝土在工程中的应用,有关国家都有自己的设计、施工规范,为推广轻骨料混凝土在工程中应用,我国应进一步建立健全自己的有关标准和规程规范。
  总之,轻骨料混凝土无论在组成、结构还是性能方面,与普通混凝土相比,都有很大的不同。因此开展高性能轻骨料混凝土的研究,其意义十分显著。
  参考文献:
  [1]中国建筑科学研究院混凝土研究所译.国外轻骨料混凝土应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1982.
  [2]胡曙光.王发洲.轻集料混凝土[M].北京:化学工业出版社,2006.
  [3]冯乃谦.新型使用混凝土大全[M].北京:科学出版社,2005.
  [4]孙海林,叶列平,丁建彤,郭玉顺.高强轻骨料混凝土收缩和徐变试[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(6):765-767,780.
  [5]孙海林,丁建彤,叶列平.高强轻骨料混凝土在桥梁工程中的应用[A].中国公路学会桥梁和结构工程学会2002年全国桥梁学术会议[C],781-793.
  [6]覃小香.从文献综述浅谈轻骨料混凝土的应用.科技资讯,2007,18:58.  摘要:本文论述了轻骨料混凝土在国内外的应用研究现状,阐述了目前轻骨料混凝土在工程应用中存在的主要问题,并对轻骨料混凝土在建筑工程中的发展提出了一些建议,供工程技术人员和研究人员参考。
  关键词:轻骨料混凝土;应用;存在问题;展望
  引言
  轻骨料混凝土(LWAC),又名轻集料混凝土,是用轻粗骨料、轻细骨料、水泥和水,必要时加入化学外加剂的矿物掺合料配制而成,并且在标准养护条件下,28天龄期的干表观密度小于1950kg/m3的混凝土。轻骨料混凝土的强度等级用LC表示。强度等级达到LC30及以上者称为高强轻骨料混凝土。尽管高强轻骨料混凝土单方造价比同强度等级的普通密度混凝土高,但高强轻骨料混凝土轻质高强,能够减轻建筑物的自重,降低基础处理费用,缩小结构断面和增加使用面积,可降低工程造价5%~10%,因而具有显著的综合经济效益,同时高强轻骨料混凝土还具有良好的耐久性、耐火性、抗震性和抗裂性能。
  轻骨料混凝土已有近百年的应用历史,并因其独特的性能优势在土木的发展中占有一定的地位。轻骨料混凝土可以根据用途的要求配置成轻质、保温、隔热、高强、高耐久性、抗震性好的各种用途的轻骨料混凝土而取得显著的技术经济效益,在国内外得到了广泛应用。
  一、国外应用研究现状
  轻骨料混凝土的最早使用年代可追溯到1920年左右。1928年,美国开始把这种方法用于商业生产。西欧在第二次世界大战以后才开始生产轻骨料。美国和前苏联因缺少天然的普通骨料,大量生产和使用了人造轻骨料,所以轻骨料混凝土在这两个国家得到飞速发展。但是轻骨料混凝土长期以来一直被当作非结构材料使用,获得的经济效益十分有限,应用范围受到了很大的限制。20世纪50年代中期,美国采用轻骨料混凝土取代普通混凝土,修建了休斯敦贝壳广场大厦,并取得了显著的技术经济效益,使得高性能轻骨料混凝土越来越受到了重视。目前,国外发达国家高强度、高性能轻骨料混凝土的应用已经取得了丰富的经验,LC50~LC60轻骨料混凝土已在工程中大量使用。1993年以来,美国每年轻骨料使用量约为350~415万m3,其中结构用轻骨料混凝土部分在80万m3左右。20世纪90年代初期,挪威、日本等国家研究了高性能轻骨料混凝土的配方、生产工艺、高性能轻骨料等,重点在于改善混凝土的工作性和耐久性,并取得了一定的成果。挪威已成功应用LC60级轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥。自1987年以来,挪威已应用高性能轻骨料混凝土施工了11座桥梁。日本则在1998年成立了一个由18家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会,专门研究粉煤灰轻骨料混凝土。
  二、国内应用研究现状
  我国轻骨料混凝土发展和应用相对较晚,其发展的历程漫长而又曲折。20世纪50年代开始研究轻骨料及轻骨料混凝土,轻骨料主要用陶粒、粉煤灰,1957年成立了“陶粒混凝土课题组”开展相关的研究,先后研制成粘土陶粒、页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒。据1990年对北京、上海、黑龙江、吉林、沈阳等10个省市不完全统计的资料表明,从20世纪70~80年代的10年中,用于房屋建筑外墙板的轻骨料混凝土约占其总用量的50%;用于建筑砌块约占砌块的27%。
  但是,由于我国工艺水平有限,轻骨料质量较差,以粉煤灰为主的其它品种陶粒的质量不尽人意,所配制的结构用轻骨料混凝土的表观密度一般为1800~1950kg/m3,抗压强度为5.0~25Mpa,即密度较大,而强度偏低,使其应用和发展受到一定的限制。20世纪90年代以前我国轻骨料混凝土的应用主要是以高层建筑外墙板为主,现在主要是以高层建筑框架填充墙用的小型空心砌块;而在承重结构中的应用反而有所减少。这主要是由于国内轻骨料过多偏重于墙体材料的应用,而用于承重结构的高性能陶粒的生产与开发并没有受到应有的重视,轻骨料混凝土发展缺乏统一的管理和协调。随着国家对建筑节能和建筑物功能性要求的提高,高性能轻骨料混凝土的研究和应用也得到了快速发展。
  据不完全统计(1995年),以超轻陶粒为主的各种陶粒年产量在200万m3以上。如今,广州、乌鲁木齐、昆明、黑龙江和京津塘地区已成为超轻陶粒生产基地。上海,主要生产堆积密度为700~800kg/m3的粉煤灰陶粒和500kg/m3以下的超轻陶粒;湖北宜昌,主要生产高强陶粒,可以配制出强度等级为LC30~LC60或更高的轻骨料混凝土。高强、高性能轻骨料的规模化生产,促进了高强轻骨料混凝土,结构轻骨料混凝土在我国应用。工程实例也很多:天津市政工程研究院研究LC50结构轻骨料混凝土在永定新河大桥得到应用;珠海国际会议中心20层以上部位全都采用LC40轻骨料混凝土;本溪20层建溪大厦都是以自燃煤研石混凝土为主体结构材料;铁道部大桥局桥梁科技研究所将LC40粉煤灰陶粒高强混凝土成功应用于金山公路跨度为22m的箱形预应力桥梁,使桥梁的自重降低了20%以上,取得了很好的技术经济效果。虽然如此,与国外的差距仍然很大,还需付出巨大的努力。
  三、工程应用主要问题
  国外轻骨料混凝土在建筑工程上的应用,尤其是在桥梁方面的应用已经有了很成熟的经验。而在我国作为一种新型建筑材料研究相对较少,不管从应用研究水平还是生产规模,与发达国家相比都有较大差距。目前,在工程应用中还存在着以下几个主要的问题。
  (一)强度问题
  轻骨料混凝土达到一定强度后,当继续增加水泥用量时,轻骨料混凝土的强度增加并不明显。同时,与轻骨料混凝土中水泥石的强度相比,轻骨料的强度偏低,这也限制了轻骨料混凝土强度的提高。总之,不可能与同类正常混凝土相比。
  (二)收缩和徐变
  轻骨料的含水率直接影响轻骨料混凝土收缩的发展速度,对徐变影响则较小。高含水率的轻骨料混凝土早期收缩小于相同强度的普通混凝土,但最终收缩大于普通混凝土;低含水率的轻骨料混凝土收缩始终大于普通混凝土。轻骨料混凝土的徐变随混凝土强度增加而降低,徐变系数小于普通混凝土,但由于轻骨料混凝土的弹性模量低于普通混凝土,徐变应力仍可能大于普通混凝土。水灰比在0.32~0.43的LC60~LC90的高强轻骨料混凝土的弹性模量比同强度普通混凝土的低20%~30%。由于低弹性模量产生较大的弹性应变,轻骨料混凝土在荷载下的总变形比普通混凝土的大,过大的收缩往往会造成结构物的开裂。在桥梁结构中一般都采用预应力,高强轻骨料混凝土的收缩徐变会造成预应力损失,将会对桥梁结构产生比较大的影响,此问题也急需解决。
  (三)吸水问题
  在当前人造轻骨料的生产工艺条件下制造出来的陶粒(含高强陶粒),其孔隙结构较差,不仅球状孔直径大,且开孔率高,分布不均匀,裂缝缺陷也较多,因而吸水率较大。这种吸水率高的陶粒,既不能适应现代泵送混凝土施工的要求;也因为施工前须泡水饱和预湿,给施工带来很大麻烦。因此,我们现在急需生产出一种具有更低吸水率,施工时不需预湿的人造轻骨料,即高强、低吸水率的轻骨料。
  (四)泵送施工
  目前,LC40~LC60的高强轻骨料混凝土已开始在工程上应用,但对轻骨料混凝土中骨料与胶凝材料易离析而影响泵送施工的问题并没有根本解决。泵送施工时,部分水泥浆中的水在压力作用下渗入轻骨料中,降低了混凝土的工作性能。当水分由水泥浆渗入轻骨料中,混凝土的体积将轻微降低。因此,泵送轻骨料混凝土具有可压缩性,在泵压下表现为塑性。当增加泵压时,混凝土中的空气被压缩到轻骨料中,这也是泵送轻骨料混凝土具有可压缩性的原因。然而,当泵压降低和消失后,存在于轻骨料孔中的被压缩空气又会将轻骨料孔中的水分挤出。如果这种情况发生在泵管中,会导致混凝土拌和物泌水并会堵塞泵。
  四、展望
  轻骨料混凝土以其轻质、高强、多功能的特点在大跨径结构、高层建筑、软土地基以及多震地区等工程中有着广泛的应用前景。
  (一)我国人造轻骨料方向:节能、降耗、降低成本,利用工业固体废弃物、淤泥。利用工业废料制造轻骨料可以变废为宝,降低生产成本,减少天然骨料的开采,有利于保护环境,能够充分、合理、节约地利用能源,符合现代可持续发展的要求。
  (二)应充分发挥轻骨料混凝土制品在墙材革新、建筑节能上的作用,利用国内外成熟的工程经验来推动轻骨料砼在结构工程和桥梁工程中的广泛应用。
  (三)不同类型的轻骨料混凝土具有特殊的性能,能够满足工程上的特殊要求,应大力发展各类纤维增强型轻骨料混凝土、次轻混凝土等。次轻混凝土,在国外又称特定密度混凝土,它是在轻骨料混凝土中用普通粗集料定量取代部分轻集料配制而得的一种比轻集料混凝土重,而又比普通混凝上轻的过渡性混凝土。应加强对钢钎维、碳纤维、次轻混凝土等的试验研究工作,以满足工程上的不同要求,提高其经济效益。
  (四)应大力支持高强轻骨料生产的发展。近几年,很多地区都在筹划建设高强轻骨料生产厂,应该大力支持,以满足工程建设发展的需要。
  (五)加速轻骨料混凝土工程技术应用规程的编制。对于轻骨料混凝土在工程中的应用,有关国家都有自己的设计、施工规范,为推广轻骨料混凝土在工程中应用,我国应进一步建立健全自己的有关标准和规程规范。
  总之,轻骨料混凝土无论在组成、结构还是性能方面,与普通混凝土相比,都有很大的不同。因此开展高性能轻骨料混凝土的研究,其意义十分显著。
  参考文献:
  [1]中国建筑科学研究院混凝土研究所译.国外轻骨料混凝土应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1982.
  [2]胡曙光.王发洲.轻集料混凝土[M].北京:化学工业出版社,2006.
  [3]冯乃谦.新型使用混凝土大全[M].北京:科学出版社,2005.
  [4]孙海林,叶列平,丁建彤,郭玉顺.高强轻骨料混凝土收缩和徐变试[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(6):765-767,780.
  [5]孙海林,丁建彤,叶列平.高强轻骨料混凝土在桥梁工程中的应用[A].中国公路学会桥梁和结构工程学会2002年全国桥梁学术会议[C],781-793.
  [6]覃小香.从文献综述浅谈轻骨料混凝土的应用.科技资讯,2007,18:58.

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