輕骨料混凝土的現(xiàn)狀與發(fā)展
2006-08-31 00:00
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摘 要：自20 世紀(jì)60 年代采用輕骨料混凝土取代普通混凝土至今，在國(guó)內(nèi)外已有大批成功事例。文章介紹我國(guó)開(kāi)展輕骨料混凝土的研究使用狀況，列舉其性能優(yōu)越性及發(fā)展前景。重點(diǎn)介紹了幾個(gè)成功應(yīng)用的工程實(shí)例。
關(guān)鍵詞：輕骨料 混凝土 應(yīng)用實(shí)例
1 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用輕骨料混凝土概況
1.1 國(guó)外輕骨料混凝土的研究應(yīng)用
輕骨料混凝土（又名輕集料混凝土，Light WeightAggregate Concrete） 是指用輕粗骨料、輕細(xì)骨料（或普通砂） 、水泥和水，必要時(shí)加入化學(xué)外加劑的礦物摻合料配制而成，并且在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，28 d 齡期的干表觀密度< 1 950 kg/m3的混凝土。
人造輕骨料最早使用年代在1920 年左右。S.J 海德是最初運(yùn)用回轉(zhuǎn)窯燒制膨脹粘土輕骨料，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)始有了輕骨料的生產(chǎn)，美國(guó)和前蘇聯(lián)因缺少天然的普通骨料，大量生產(chǎn)和使用了人造輕骨料，使輕骨料混凝土在這兩個(gè)國(guó)家得到飛速發(fā)展，但是輕骨料混凝土長(zhǎng)期以來(lái)一直被當(dāng)作非結(jié)構(gòu)材料使用，應(yīng)用范圍受到了很大的限制。
自20 世紀(jì)60 年代中期，美國(guó)采用輕骨料混凝土取代普通混凝土，修建了休斯敦貝殼廣場(chǎng)大廈并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。如今，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家高性能輕骨料混凝土的應(yīng)用已取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。CL50～CL60 輕骨料混凝土已在工程中大量使用，結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度最高為80 MPa ，其表觀密度在1 800～2 000 kg/m3之間。
20 世紀(jì)90 年代初期，挪威、日本等國(guó)家研究了高性能輕骨料混凝土的配方、生產(chǎn)工藝、高性能輕骨料等，重點(diǎn)在于改善混凝土的工作性和耐久性，并取得了一定的成果。例如，英國(guó)采用高強(qiáng)輕骨料混凝土建造了北海石油平臺(tái)；挪威已成功應(yīng)用CL60 級(jí)輕骨料混凝土建造了世界上跨度最大的懸臂橋；日本則在1998 年成立了一個(gè)由18 家公司組成的高強(qiáng)輕骨料混凝土研究委員會(huì)，專門(mén)研究粉煤灰輕骨料混凝土。
1993 年以來(lái)，美國(guó)每年輕骨料使用量都在350～415 萬(wàn)m3 ，其中用于結(jié)構(gòu)混凝土部分在80 萬(wàn)m3 左右。挪威自1987 年以來(lái)，已應(yīng)用高性能輕骨料混凝土施工了11 座橋梁。
1.2 國(guó)內(nèi)輕骨料混凝土的研究
我國(guó)從20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始研究人造輕骨料，先后研制成粘土陶粒、頁(yè)巖陶粒和燒結(jié)粉煤灰陶粒，目前年產(chǎn)量達(dá)300 萬(wàn)m3 。據(jù)1990 年對(duì)10 個(gè)省市不完全統(tǒng)計(jì)，從20 世紀(jì)70 年代至80 年代用于房屋建筑外墻板的輕骨料混凝土約占其總用量的50 %；用于建筑砌塊約占砌塊的27 %。但是，由于我國(guó)的輕骨料質(zhì)量較差，以粉煤灰為主的其它品種陶粒的質(zhì)量不盡人意。所配制的結(jié)構(gòu)用輕骨料混凝土的表觀密度一般為1 800～1 950 kg/m3 ，抗壓強(qiáng)度為510～25 MPa ，即密度較大，而強(qiáng)度偏低，使其應(yīng)用和發(fā)展受到一定的限制。
20 世紀(jì)90 年代我國(guó)輕骨料混凝土的應(yīng)用從以高層建筑外墻板為主，改變成以高層建筑框架填充墻用的小型空心砌塊為主的格局；而在承重結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用反而有所減少，顯現(xiàn)極少應(yīng)用結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土的奇怪現(xiàn)象。分析其原因主要是國(guó)內(nèi)輕骨料過(guò)多偏重于墻體材料的應(yīng)用，而用于承重結(jié)構(gòu)的高性能陶粒的生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)并沒(méi)有受到應(yīng)有的重視，輕骨料混凝土發(fā)展缺乏統(tǒng)一的管理和協(xié)調(diào)。
隨著對(duì)建筑節(jié)能和建筑物功能性要求的提高，高性能輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。
據(jù)1995 年不完全統(tǒng)計(jì)，以超輕陶粒為主的各種陶粒年產(chǎn)量在20 萬(wàn)m3 以上。如今廣州、烏魯木齊、昆明、黑龍江和京津唐地區(qū)已成為超輕陶粒生產(chǎn)基地。上海生產(chǎn)出堆積密度為700～800 kg/m3 的粉煤灰陶粒和500kg/m3 以下的超輕陶粒；湖北宜昌生產(chǎn)的高強(qiáng)陶粒，可以配制出強(qiáng)度等級(jí)為CL30～CL60 或更高的輕骨料混凝土。
隨著宜昌、上海等地高強(qiáng)、高性能輕骨料的規(guī)?；a(chǎn)，高強(qiáng)輕骨料混凝土，結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土在我國(guó)已逐步應(yīng)用。
2 輕骨料混凝土的優(yōu)良特性
輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)用CL 表示。強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到CL30 及以上者稱為高強(qiáng)輕骨料混凝土。一般來(lái)說(shuō)，高強(qiáng)輕骨料混凝土具有如下優(yōu)點(diǎn)：
2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)
采用輕骨料混凝土替代普通混凝土是減輕結(jié)構(gòu)自重的最直接、最有效的措施，在承載力相同的條件下可減輕重量20 %～40 %。輕骨料混凝土所具有的性能優(yōu)勢(shì)主要是指同其它品種的混凝土相比，輕骨料混凝土能在保持具有高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，使混凝土的自重顯著下降。對(duì)于結(jié)構(gòu)恒載（即自重） 占有較大比例且對(duì)材料性能有較高要求的高層建筑、大跨度橋梁等工程而言，輕骨料混凝土的這種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性并使其具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。J1Brakel 研究了普通混凝土（自重= 2 500 kg/m3 ） 和輕骨料混凝土（自重=1 750 kg/m3 ） 對(duì)橋梁荷載的影響，認(rèn)為橋梁跨度越大，采用輕骨料混凝土建造橋梁，其降低結(jié)構(gòu)的自重越大，經(jīng)濟(jì)性也就越顯著（見(jiàn)表1） 。
 當(dāng)輕骨料混凝用于建造橋梁時(shí)，將帶來(lái)顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，可使橋梁的跨度增大，減少橋墩的數(shù)量，減少上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼筋的用量，降低基礎(chǔ)處理的費(fèi)用（尤其在沿海地基上，由于基礎(chǔ)處理費(fèi)用相對(duì)較高，節(jié)省的幅度將更大） ，降低原材料和構(gòu)件運(yùn)輸和安裝費(fèi)用等。
2.2 抗震性能好
地震力和上部結(jié)構(gòu)的自重成正比，當(dāng)結(jié)構(gòu)采用輕骨料混凝土后，由于自重的下降，將降低地震力。同時(shí)，由于輕骨料混凝土的彈性模量比同等級(jí)的普通混凝土低，結(jié)構(gòu)的自振周期將變長(zhǎng)，變形能力增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)將消耗更多的變形能。因此，輕骨料混凝土有利于改善建筑物的抗震性能和抵抗動(dòng)荷載作用的能力。據(jù)介紹，陶粒混凝土相對(duì)抗震系數(shù)為109 ，普通混凝土為84 ，磚砌體為64 。從實(shí)際地震考驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，位于京津地區(qū)的幾十幢輕骨料混凝土工業(yè)與民用建筑，經(jīng)1976 年唐山強(qiáng)烈地震后都基本完好，可正常使用，而周圍的磚混結(jié)構(gòu)建筑都有不同程度的破壞或倒塌。
2.3 抗裂性好
同普通混凝土相比，輕骨料混凝土的熱膨脹系數(shù)和彈性模量較小，使得由于冷縮和干縮作用引起的拉應(yīng)力相對(duì)較小，表現(xiàn)為輕骨料混凝土構(gòu)件的抗裂性較好，這對(duì)改善結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命是非常有利的，并有助于降低結(jié)構(gòu)在使用期間的維護(hù)費(fèi)用。
2.4 耐久性好
使用輕骨料能有效避免混凝土的堿集料反應(yīng)問(wèn)題，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時(shí)由于輕骨料混凝土的骨料—基材界面粘結(jié)牢固，具有一定的自養(yǎng)護(hù)功能和水泥砂漿品相的質(zhì)量相對(duì)較好等因素，輕骨料混凝土抗有害介質(zhì)侵入的能力也相對(duì)較強(qiáng)。
2.5 耐火性好
輕骨料混凝土都是多孔性材料，導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)都小于普通混凝土，熱工性能較好，所建造結(jié)構(gòu)的保溫、抗高溫和耐火極限等性能均明顯超過(guò)普通混凝土結(jié)構(gòu)。一般建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，普通混凝土耐火1 h ，而輕骨料混凝土可耐火4 h ；在600 ℃高溫下，輕骨料混凝土能維持室溫時(shí)強(qiáng)度的85 % ，而普通混凝土只能維持35 %～75 %。
2.6 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益好
盡管輕骨料自身的價(jià)格比普通石子貴，導(dǎo)致輕骨料混凝土的單方造價(jià)高于同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土，但是由于其減輕了結(jié)構(gòu)自重，縮小斷面尺寸，增加使用面積，降低基礎(chǔ)荷載而具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐證明，在高層、大跨度的土木建筑工程中，采用輕骨料混凝土可使工程造價(jià)降低10 %～20 %。根據(jù)美國(guó)咨詢公司的使用經(jīng)驗(yàn)，在沿海軟土地基上建造大型橋梁時(shí)，即使不考慮橋梁后期維護(hù)費(fèi)用的降低，使用輕骨料混凝土代替普通混凝土并經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)，橋梁建設(shè)的直接投資將降低10 %～15 %。若考慮由于輕骨料混凝土橋梁的耐久性相對(duì)較好等因素，進(jìn)行橋梁使用壽命周期成本計(jì)算，節(jié)省的幅度將會(huì)更大。
3 國(guó)內(nèi)外輕骨料混凝土應(yīng)用實(shí)例
3.1 國(guó)外輕骨料混凝土應(yīng)用典型實(shí)例
1） 休斯敦貝殼廣場(chǎng)大廈 休斯敦貝殼廣場(chǎng)大廈，建造時(shí)間1967 年—1969 年，52 層，高218 m ，建筑面積130 000 m2 。該建筑原設(shè)計(jì)為35 層的筒中筒結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)人員在仔細(xì)分析了所有結(jié)構(gòu)地基的情況后，提出全部梁、板、柱、墻體、鋼筋網(wǎng)基礎(chǔ)采用輕骨料混凝土的主張，就地面標(biāo)高- 7．18 m 浮型鋼筋網(wǎng)基礎(chǔ)而言，可在原采用普通混凝土建造35 層的相同重量情況下，以同樣的開(kāi)挖深度建成52 層的大廈，有效地提高了土地的利用率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)結(jié)構(gòu)和建筑的要求：2．51 m 厚的筏形基礎(chǔ)，內(nèi)柱和外柱以及剪力墻要用強(qiáng)度為42 MPa 的高強(qiáng)輕骨料混凝土澆制，11m 跨距的樓板要用強(qiáng)度為31．5 MPa 的輕骨料混凝土澆制?；炷劣昧窟_(dá)到了68 800 m3 ， 約減輕自重38 500～41 200 t 。該工程是減輕自重而取得增層的典型工程實(shí)例。
2） 挪威特若爾海洋采油（氣） 平臺(tái) 挪威特若爾（Troll） 海洋采油平臺(tái)的大型鋼筋重力式結(jié)構(gòu)，高度為369 m ，其基礎(chǔ)為19 室的大型沉箱。沉箱下面是深36m ，每個(gè)直徑為32 m 的環(huán)形斷面套筒群。套筒插入水下303 m 的很軟的土層中，以防止平臺(tái)移動(dòng)。沉箱的9個(gè)室中每個(gè)延伸成平臺(tái)的腳柱，高度> 300 m ，直徑從33．0～15．4 m。頂部荷載為220 000 kN。為減少平臺(tái)在岸上制作后向現(xiàn)場(chǎng)拖引的困難，采用了輕質(zhì)高性能混凝土。其特點(diǎn)是用優(yōu)質(zhì)的輕骨料替代一部分粗骨料，現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的密度為2 250 kg/m3 ，28 d 抗壓強(qiáng)度為75 MPa 。
3.2 國(guó)內(nèi)輕骨料混凝土應(yīng)用
1） 上世紀(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 干硬性高強(qiáng)輕骨料混凝土，并將CL40 粉煤灰陶粒高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于金山公路跨度為23 m 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)輕骨料混凝土應(yīng)用的一個(gè)成功范例。
2） 1998 年末，在唐津高速公路二期工程永定新河大橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)中使用了輕骨料混凝土，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后由高強(qiáng)輕骨料混凝土取代普通混凝土，跨度從原來(lái)的24 m 增加到35 m ，并且不再鋪裝瀝青層。所用的輕骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)為CL40 ，密度為1 900 kg/m3 。
3） 珠海國(guó)際會(huì)議中心20 層以上部位采用CL40 輕骨料混凝土，阜新22 層的商業(yè)大廈，本溪20 層建溪大廈都是以自燃煤矸石混凝土為主體的結(jié)構(gòu)材料。
4 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得我國(guó)的能源、環(huán)境面臨巨大的考驗(yàn)。為了可持續(xù)性發(fā)展，必須考慮到對(duì)能源的利用要充分、合理、節(jié)約，利用工業(yè)廢料制造輕骨料可以變廢為寶，同時(shí)減少天然骨料的開(kāi)采，利于環(huán)境保護(hù)。輕骨料混凝土將有廣闊的應(yīng)用前景。 |
| 原作者： 楊秋玲 馬可栓 |
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