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，在國內(nèi)外已有大批成功事例。文章介紹我國開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。重點介紹了幾個成功應(yīng)用的工程實例。
關(guān)鍵詞：輕骨料 混凝土 應(yīng)用實例
1 國內(nèi)外研究應(yīng)用輕骨料混凝土概況
1.1 國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 海德是最初運用回轉(zhuǎn)窯燒制膨脹粘土輕骨料，1928 年，美國開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)以后才開始有了輕骨料的生產(chǎn)，美國和前蘇聯(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國家得到飛速發(fā)展，但是輕骨料混凝土長期以來一直被當(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大廈并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。如今，國外發(fā)達(dá)國家高性能輕骨料混凝土的應(yīng)用已取得了豐富的經(jīng)驗。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，英國采用高強輕骨料混凝土建造了北海石油平臺；挪威已成功應(yīng)用CL60 級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 年成立了一個由18 家公司組成的高強輕骨料混凝土研究委員會，專門研究粉煤灰輕骨料混凝土。
1993 年以來，美國每年輕骨料使用量都在350～415 萬m3 ，其中用于結(jié)構(gòu)混凝土部分在80 萬m3 左右。挪威自1987 年以來，已應(yīng)用高性能輕骨料混凝土施工了11 座橋梁。
1.2 國內(nèi)輕骨料混凝土的研究
我國從20 世紀(jì)50 年代開始研究人造輕骨料，先后研制成粘土陶粒、頁巖陶粒和燒結(jié)粉煤灰陶粒，目前年產(chǎn)量達(dá)300 萬m3 。據(jù)1990 年對10 個省市不完全統(tǒng)計，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 ，抗壓強度為510～25 MPa ，即密度較大，而強度偏低，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內(nèi)輕骨料過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)與開發(fā)并沒有受到應(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，以超輕陶粒為主的各種陶粒年產(chǎn)量在20 萬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)的高強陶粒，可以配制出強度等級為CL30～CL60 或更高的輕骨料混凝土。
隨著宜昌、上海等地高強、高性能輕骨料的規(guī)?；a(chǎn)，高強輕骨料混凝土，結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土在我國已逐步應(yīng)用。
2 輕骨料混凝土的優(yōu)良特性
輕骨料混凝土的強度等級用CL 表示。強度等級達(dá)到CL30 及以上者稱為高強輕骨料混凝土。一般來說，高強輕骨料混凝土具有如下優(yōu)點：
2.1 輕質(zhì)高強
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度的基礎(chǔ)上，使混凝土的自重顯著下降。對于結(jié)構(gòu)恒載（即自重） 占有較大比例且對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)勢表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性并使其具有很強的市場競爭力。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)濟性也就越顯著（見表1） 。
 當(dāng)輕骨料混凝用于建造橋梁時，將帶來顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，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)處理的費用（尤其在沿海地基上，由于基礎(chǔ)處理費用相對較高，節(jié)省的幅度將更大） ，降低原材料和構(gòu)件運輸和安裝費用等。
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，由于輕骨料混凝土的彈性模量比同等級的普通混凝土低，結(jié)構(gòu)的自振周期將變長，變形能力增強，結(jié)構(gòu)破壞時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荷載作用的能力。據(jù)介紹，陶?；炷料鄬拐鹣禂?shù)為109 ，普通混凝土為84 ，磚砌體為64 。從實際地震考驗結(jié)果來看，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)力相對較小，表現(xiàn)為輕骨料混凝土構(gòu)件的抗裂性較好，這對改善結(jié)構(gòu)的耐久性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命是非常有利的，并有助于降低結(jié)構(gòu)在使用期間的維護費用。
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)問題，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時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)護功能和水泥砂漿品相的質(zhì)量相對較好等因素，輕骨料混凝土抗有害介質(zhì)侵入的能力也相對較強。
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普通混凝土結(jié)構(gòu)。一般建筑物發(fā)生火災(zāi)時，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強度的85 % ，而普通混凝土只能維持35 %～75 %。
2.6 綜合技術(shù)經(jīng)濟效益好
盡管輕骨料自身的價格比普通石子貴，導(dǎo)致輕骨料混凝土的單方造價高于同強度等級的普通混凝土，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)濟效益。國內(nèi)外工程實踐證明，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降低10 %～20 %。根據(jù)美國咨詢公司的使用經(jīng)驗，在沿海軟土地基上建造大型橋梁時，即使不考慮橋梁后期維護費用的降低，使用輕骨料混凝土代替普通混凝土并經(jīng)過合理的設(shè)計，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較好等因素，進行橋梁使用壽命周期成本計算，節(jié)省的幅度將會更大。
3 國內(nèi)外輕骨料混凝土應(yīng)用實例
3.1 國外輕骨料混凝土應(yīng)用典型實例
1） 休斯敦貝殼廣場大廈 休斯敦貝殼廣場大廈，建造時間1967 年—1969 年，52 層，高218 m ，建筑面積130 000 m2 。該建筑原設(shè)計為35 層的筒中筒結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計人員在仔細(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度為42 MPa 的高強輕骨料混凝土澆制，11m 跨距的樓板要用強度為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例。
2） 挪威特若爾海洋采油（氣） 平臺 挪威特若爾（Troll） 海洋采油平臺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，以防止平臺移動。沉箱的9個室中每個延伸成平臺的腳柱，高度> 300 m ，直徑從33．0～15．4 m。頂部荷載為220 000 kN。為減少平臺在岸上制作后向現(xiàn)場拖引的困難，采用了輕質(zhì)高性能混凝土。其特點是用優(yōu)質(zhì)的輕骨料替代一部分粗骨料，現(xiàn)場澆筑混凝土的密度為2 250 kg/m3 ，28 d 抗壓強度為75 MPa 。
3.2 國內(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)研究所在實驗室采用高強粘土陶粒和625 # 水泥配制出CL60 干硬性高強輕骨料混凝土，并將CL40 粉煤灰陶粒高強混凝土應(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，是我國高強輕骨料混凝土應(yīng)用的一個成功范例。
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)計中使用了輕骨料混凝土，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后由高強輕骨料混凝土取代普通混凝土，跨度從原來的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度等級為CL40 ，密度為1 900 kg/m3 。
3） 珠海國際會議中心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
當(dāng)前我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，使得我國的能源、環(huán)境面臨巨大的考驗。為了可持續(xù)性發(fā)展，必須考慮到對能源的利用要充分、合理、節(jié)約，利用工業(yè)廢料制造輕骨料可以變廢為寶，同時減少天然骨料的開采，利于環(huán)境保護。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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