高性能輕集料的分析與發(fā)展

摘　要: 輕集料的性能可設(shè)計性和多孔性, 使其具有特殊的用途和特點, 文中介紹了輕集料的性能特點、國內(nèi)外的發(fā)展情況和高性能輕集料的發(fā)展趨勢。采用合適的原材料和特殊加工工藝可以制造出不同密度等級、高強度、低孔隙率的人造輕集料。這種輕集料的某些性能與普通密實集料相似, 但某些性能更為優(yōu)越。因此, 在天然砂石集料資源日益枯竭的今天, 人造輕集料的生產(chǎn)與應(yīng)用更引起人們的興趣。

1 　輕集料的分類

     輕集料中粒徑在5mm 以上堆積密度不大于1100kg/ m3 的, 稱為輕粗集料, 也稱陶粒; 粒徑不大于5mm , 堆積密度不大于1200kg/ m3 的, 稱為輕細(xì)集料, 也稱陶砂。

      輕集料以其來源可分為二類: (1) 天然輕集料。是天然形成的多孔巖石, 經(jīng)加工而形成的輕集料, 如浮石、火山渣等; (2) 人造輕集料。是以工業(yè)廢料或地方材料為原料, 經(jīng)加工而成的輕集料, 如粘土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒、膨脹礦渣珠等。

     輕集料還可按性能分為超輕集料、普通輕集料、高強輕集料和高性能輕集料。

     根據(jù)其生成條件及性能看來,輕集料中可用來配制高性能混凝土的只有經(jīng)過特殊加工的人造輕集料, 國外一般稱它為高性能輕集料,我國稱為高性能陶粒。

2 　國內(nèi)外輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用

2. 1 　國外輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用

      挪威是世界上結(jié)構(gòu)輕集料混凝土和高強輕集料混凝土應(yīng)用最先進的國家之一。其應(yīng)用最多的是膨脹粘土輕集料。這種輕集料含部分開口孔, 在常壓下吸水率為5～10 % , 泵壓下將增加到20～40 %。日本由于經(jīng)濟衰退, 輕集料生產(chǎn)商已經(jīng)由70 年代的6 家減少到3 家, 1999 年產(chǎn)量已經(jīng)減少為277 萬噸, 比最高峰時期的1990 年減少4 成。1998 年, 日本成立了一個由18 家公司組成的高強人造輕集料混凝土研究委員會, 研究高強粉煤灰輕集料。它是將90 % 的粉煤灰、適量的膨潤土和碳酸鈣、煤粉混合、成球, 在1200～1300 ℃下煅燒膨脹而成。其表觀密度約為1800kg/ m3 , 吸水率小于3 %。在0. 3 水膠比下, 用這種輕集料不經(jīng)預(yù)濕, 就能配制出28 天強度80MPa、干燥表觀密度小于2100kg/ m3 的高強輕集料泵送混凝土。最近, 日本又成功地開發(fā)出另一種低吸水率高強度的高性能輕集料。其主要原料為珍珠巖、SiC(發(fā)泡材料) 和膨潤土(膠結(jié)材料) , 其典型配比依次為95. 5 %∶0. 2 %∶4. 3 %。這種輕集料的干表觀密度為600～1500kg/ m3 , 24 小時吸水率小于5 %。70 年代初, 美國輕集料年產(chǎn)量達(dá)1800 萬噸, 并以每年5～8 %的速度遞增。自1993 年以來, 其輕集料的年使用量都維持在350 萬噸～415 萬噸的高水平上, 其中用于結(jié)構(gòu)混凝土的部分在80 萬噸左右。其主要品種有粘土類、頁巖類和粉煤灰類輕集料。他們生產(chǎn)的高強型粉煤灰輕集料, 粒徑5～20mm、堆積密度800～ 1000kg/ m3 、筒壓強度6 ～ 8MPa , 吸水率< 10 %。威斯康辛公司下屬的粉維基輕集料廠利用粉煤灰、城市污水淤泥和工業(yè)淤渣生產(chǎn)人造輕集料。產(chǎn)品性能符合美國輕集料標(biāo)準(zhǔn), 年利用粉煤灰10 萬噸, 城市污水淤泥和工業(yè)淤泥約6 萬噸, 顯示其充分利廢、節(jié)約能源、保護生態(tài)環(huán)境的綠色功能。

2. 2 　國內(nèi)輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用

      我國輕集料工業(yè)的發(fā)展始于人造輕集料的研究與開發(fā), 近半個世紀(jì)以來, 經(jīng)歷了漫長而又曲折的過程。1956 年在山東博山利用水泥回轉(zhuǎn)窯試制成功我國第一批粘土輕集料之后, 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, 輕集料及其砼的研究取得一定成績。1975 年以后, 隨著我國建筑工業(yè)化和墻體改革的深入, 輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用有了較大發(fā)展, 天然輕集料開始大量開采和利用。至1978 年各種輕集料年產(chǎn)量達(dá)115 萬m3 , 其中人造輕集料約30 萬m3 。八十年代, 我國輕集料生產(chǎn)穩(wěn)中有降, 至1990 年, 我國人造輕集料生產(chǎn)廠有30 余家, 設(shè)計年產(chǎn)量53 萬m3 , 1990 年實際生產(chǎn)又得到進一步發(fā)展, 但總的生產(chǎn)格局仍然是超輕集料迅速發(fā)展而高強優(yōu)質(zhì)輕集料卻沒有得到應(yīng)有重視的不平衡狀態(tài)。

      總的來說, 我國人造輕集料生產(chǎn)、應(yīng)用起步較早, 發(fā)展速度十分緩慢, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進國家。造成這一現(xiàn)狀的主要原因是對人造輕集料的發(fā)展始終沒有一個明確的、穩(wěn)定的、符合實際的技術(shù)政策, 在新型建筑材料中也沒有給它一個恰當(dāng)?shù)奈恢?。因? 人造輕集料的發(fā)展缺乏指導(dǎo)性, 時起時伏, 處于自流狀態(tài)。此外, 輕集料砼主要用于非結(jié)構(gòu)場合, 沒有產(chǎn)生綜合經(jīng)濟效益, 也制約了輕集料生產(chǎn)企業(yè)的積極性。

      1994 年10 月, 我國第四屆輕集料及輕集料混凝土學(xué)術(shù)討論會在濟南召開, 很多代表對我國輕集料生產(chǎn)與應(yīng)用的不平衡發(fā)展進行了討論, 大力呼吁“應(yīng)注意開發(fā)高強陶?！?。隨后, 1997 年10 月在常州召開的第六屆學(xué)術(shù)討論會上, 又圍繞高強陶粒的研究、開發(fā)與應(yīng)用交流經(jīng)驗, 進一步探討了其發(fā)展的可行性。目前,全國已有幾家生產(chǎn)出了高強輕集料,如宜昌的寶珠陶粒有限公司、上海申威粉煤灰陶粒廠、天津硅酸鹽制品廠等。試驗研究和工程實踐已經(jīng)表明,上海、宜昌的高強輕集料,質(zhì)量完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,其技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或超過國外某些老牌高強輕集料的水平(見表1) ,并已在工程中應(yīng)用,可配制出強度等級為CL30～CL60 或更高的高強輕集料混凝土,展現(xiàn)出我國高強輕集料具有很好的發(fā)展前途。

3 　輕集料的特點和發(fā)展趨勢

3. 1 　多孔性給輕集料帶來的優(yōu)缺點

      輕集料混凝土和普通混凝土的主要不同點在于前者是用多孔的輕質(zhì)集料配成的一種水泥混凝土。正是這種輕集料的多孔性決定了它自身的性質(zhì)及其混凝土的一系列特性。

      輕集料的多孔性既有正面影響又有負(fù)面影響。首先, 輕集料的多孔性給集料帶來很多正面影響: 與普通集料相比, 它可以根據(jù)不同需要、不同程度地減少混凝土的質(zhì)量。由此, 也可以大大改善砼的保溫、隔熱、耐火、隔音、抗震等一系列性能, 采用一定措施也可大大改善其抗凍性和抗氯離子滲透性能。同時, 還賦予它通常不為人們了解和重視的無堿集料反應(yīng)危害的特性。由此也決定了輕集料混凝土具有良好的實用性和經(jīng)濟性, 使它成為僅次于普通砼的一種新型砼。

      輕集料的多孔性給其帶來的負(fù)面影響主要表現(xiàn)在其吸水率增大, 且因輕集料形成條件、品種不同而變化, 在很大范圍內(nèi)使混凝土的施工性能、物理力學(xué)性能和耐久性受到不同程度的不良影響。這主要是因為在當(dāng)前生產(chǎn)工藝條件下制造出來的輕集料, 孔隙結(jié)構(gòu)較差, 不僅球狀孔直徑大,且開孔率高,分布不均勻, 裂縫缺陷也較多,因而吸水率較大。這種吸水率高的輕集料,一方面不能適應(yīng)現(xiàn)代泵送混凝土施工的要求; 另一方面因為施工前須泡水飽和預(yù)濕,不僅給施工帶來很大麻煩,而且還大大降低輕集料混凝土的一些性能。這也給高性能輕質(zhì)混凝土的配制帶來很多新問題,使其研究與開發(fā)應(yīng)用比起高性能混凝土更為復(fù)雜困難。但恰恰是這個負(fù)面影響給現(xiàn)代輕集料砼的發(fā)展帶來了新的推動力。因此,生產(chǎn)出一種具有更低吸水率,施工時不需預(yù)濕,而又具有更好耐久性的人造輕集料,即高強優(yōu)質(zhì)輕集料,就成為人們關(guān)注的首要問題。高性能輕集料就是在這種情況下應(yīng)運而生的。

3. 2 　輕集料的表面形狀和特性

      不同的原材料和燒結(jié)工藝會產(chǎn)生不同的顆粒形狀結(jié)構(gòu)和表面特性。輕集料的形狀包括從棱角形到圓形多種,其表面也有從粗糙到光滑等多種。旋轉(zhuǎn)窯能夠生產(chǎn)表面光滑的輕集料,尤其是對粘土、頁巖、板巖等原材料進行預(yù)處理時。MinHong Zhang (1989) 觀察了膨脹粘土陶粒和粉煤灰陶粒的差異:膨脹粘土陶料粒1 (圖1) 表觀密度1440kg/ m3 ;膨脹粘土陶粒2 (圖2) 表觀密度1270kg/ m3 ?？梢?膨脹粘土陶粒具有相對密度較大的外殼和相對密度較小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中,陶粒1 比陶粒2 的外殼密度厚,但粉煤灰陶粒(表觀密度1420kg/ m3) 的外殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別不大(圖3) 。

      輕集料不同的多孔性和特殊的表面, 支配著輕集料在混凝土中的表現(xiàn), 尤其是輕集料的吸水率。這些不同的性質(zhì)影響著混凝土的拌和、運輸、泵送和澆筑。因此需要充分利用輕集料的優(yōu)點來獲得性能優(yōu)異的混凝土, 而盡量避免輕集料所帶來的對混凝土物理力學(xué)性能和耐久性的不利影響。

3. 3 　高性能輕集料的發(fā)展

        研制和生產(chǎn)高性能輕集料, 是一條解決高強、高泵送性以及高耐久性問題的有效而且簡單的途徑, 但有關(guān)高性能輕集料混凝土的開發(fā)應(yīng)用目前只有少數(shù)試驗室研究報道。具體來說高性能輕集料有如下特性:

(1) 輕質(zhì)高強的特性更為突出　它比普通輕集料具有更高的顆粒強度, 即與同密度等級的輕集料相比, 它的筒壓強度至少要比我國新修輕集料國際GB/ T17431. 121998 規(guī)定的指標(biāo)高一個等級。

(2) 孔隙小、吸水率低　這是高強優(yōu)質(zhì)輕集料必要的一個性能, 與普通輕集料相比, 內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)應(yīng)該是含有大量封閉的、分布均勻的球狀孔(直徑2～50μm) , 顆粒表面無裂縫和大的缺陷。吸水率在5 % 左右, 在高壓水作用下其吸水率增加很少或不增加。

(3) 優(yōu)良的顆粒級配　輕集料的粒型應(yīng)為圓球型或普通型, 其最大粒型系數(shù)應(yīng)不大于1. 2～1. 5 , 按不同用途其最大粒徑應(yīng)不大于10mm 或15mm , 與新修訂的國標(biāo)要求相比, 應(yīng)具有更合理的粒級和級配。

      作者認(rèn)為, 高性能輕集料是一種采用特殊工藝精心制造的比同密度等級的普通輕集料具有更高顆粒強度和低吸水率的一種優(yōu)質(zhì)人造輕集料。另外, 用廢棄物生產(chǎn)高強優(yōu)質(zhì)輕集料具有重要的社會、經(jīng)濟效益。

     1997 年吳中偉院士提出發(fā)展“綠色高性能混凝土”的主張。他對綠色涵義概括為:“節(jié)約資源、能源; 不破壞環(huán)境, 更有利于環(huán)境; 可持續(xù)發(fā)展, 既滿足當(dāng)代人的需求, 又不危及后代滿足其需要的能力”; 要求人們在發(fā)展混凝土材料時應(yīng)加深對綠色的認(rèn)識, 自覺地提高高性能混凝土的綠色含量和加大其綠色程度。在當(dāng)前地球環(huán)境問題已十分嚴(yán)峻和邁向綠色建材的情勢下, 發(fā)展推廣粉煤灰陶粒和陶?；炷? 無疑將進一步提高混凝土的綠色含量和加強其綠色程度。這也是混凝土可持續(xù)發(fā)展的必由之路?？捎玫膹U棄物包括污水處理廠淤泥煅燒后的灰渣、垃圾焚燒后的灰渣、浮石細(xì)粉、污染的港口河流和隧道所挖淤泥、水處理廠的淤泥等。上述廢棄物采用燒結(jié)法處理均可生產(chǎn)出合格的高強優(yōu)質(zhì)輕集料。

4 　小　　結(jié)

     “十五”期間是我國經(jīng)濟建設(shè)飛速發(fā)展時期, 大量基礎(chǔ)設(shè)施在建和待建, 混凝土需求量十分巨大。隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷加大, 我國平均每年混凝土需求量將超過20 億立方米。如按用于結(jié)構(gòu)部位的混凝土需求量為60 %計, 則年需結(jié)構(gòu)混凝土12 億立方米。如果其中10 %采用輕集料混凝土, 則年需輕集料混凝土1. 2 億立方米, 市場十分巨大, 有著寬廣的應(yīng)用前景, 將是建材市場的一個新的經(jīng)濟增長點, 并將為社會帶來極大的經(jīng)濟效益。高性能輕集料及高性能輕集料混凝土的有關(guān)研究將是21 世紀(jì)混凝土技術(shù)研究的前沿項目, 必將帶動混凝土技術(shù)產(chǎn)生又一次革命。