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我国轻骨料混凝土的应用现状
浏览: 发布日期:2020-03-23

轻骨料混凝土是用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土。随着现代建筑向高层、大跨度、装配式等方向发展,为缩小结构断面、减轻结构自重、增强保温隔热等性能,轻质、高强、耐久、抗灾、多功能、可持续发展的建筑材料已成为土木工程界的研究热点,而轻骨料混凝土因具备这些优点成为仅次于普通混凝土的用量最大的一种新型混凝土,在我国已获得广泛的应用。

1 轻骨料混凝土的特点及分类

1.1 轻骨料混凝土的特点

(1)轻质高强:强度等级达到LC30以上的轻骨料混凝土,干表观密度在1200~1900kg/m3之间,相比相同强度等级的普通混凝土低20%-50%,因此应用轻骨料混凝土可以显着降低建筑物的自重,并有利于预制构件的轻量化和缩小构件尺寸。

(2)保温隔热:多孔轻质骨料的引入使混凝土密度减小的同时,也使其导热系数显着降低。密度等级为1700的轻骨料混凝土在平衡含水率的条件下导热系数低于0.87W/m·K,相比于普通混凝土的1.5 W/m·K,减小40%以上。

(3)耐火:热量在轻骨料混凝土内部传导速率较低,使其具有更好的耐火性。一般建筑物发生火灾时,普通混凝土耐火1h,而轻骨料混凝土可耐火4h。在600℃高温下,轻骨料混凝土能维持室温强度的85%,而普通混凝土只能维持35%~75%。

(4)抗震:轻骨料混凝土由于密度小,弹性模量低,变形性能好,可以大量吸收地震荷载下的冲击波能量,具有很好的减震效果。轻骨料混凝土的抗震性能是普通混凝土的约1.3倍,是砖砌体结构的约1.7倍。

(5)耐久:轻骨料的多孔性可以缓解低温下水结冰产生的膨胀力,使得轻骨料混凝土具有良好的抗冻性;轻骨料混凝土的“双微孔”微泵性能,使其界面粘结性好,封堵了水路,因此具有良好的抗渗性;轻骨料表面粗糙并具有大量的纹路凹槽,可防止形成任何择优取向的晶体,同时增加其与水泥石的机械啮合力,在微观上使混凝土界面过渡区的性能得到了增强,提高了混凝土体系的耐久性。

(6)技术经济性好:尽管高性能轻骨料混凝土单方价格比同强度等级的普通混凝土高,但由于其减轻了结构自重、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%,尤其在用于高层建筑、大跨度结构维修加固工程时,具有更显着的经济效益。

1.2 轻骨料混凝土的分类

1.2.1 按照用途分类

(1)保温轻骨料混凝土。强度等级为LC5.0左右,密度等级≤800,主要用于建筑屋面、地面保温隔热工程或热工构筑物,一般是采用现场浇筑的方式。

(2)结构保温轻骨料混凝土。强度等级LC5.0~LC15,密度等级800~1400,主要用于既承重又保温的围护结构,应用形式可以采用承重砌块、墙板等制品,也可以现场浇筑。

(3)结构轻骨料混凝土。强度等级LC15-LC60,密度等级1400~1900,主要用于承重构件或构筑物,一般是现场浇筑,也可做成预制件现场拼装。

1.2.2 按轻骨料种类分类

(1)天然轻骨料混凝土

以浮石、蛭石、火山渣等天然轻骨料制备的混凝土。

(2)人造轻骨料混凝土

以陶粒(包括粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、淤泥陶粒、煤矸石陶粒等)、陶砂、膨胀珍珠岩、空心陶瓷微珠、发泡聚苯乙烯颗粒等人造轻骨料制备的混凝土。

(3)工业废渣轻骨料混凝土

以自燃煤矸石、煤渣等工业废渣轻骨料制备的混凝土。

2 我国轻骨料混凝土的应用形式

多年来,我国在轻骨料混凝土领域开展了广泛深入的应用性研究,各类天然、人造、工业废渣轻骨料混凝土及其制品都取得了一定的实际工程应用,对轻骨料混凝土的长期性能和潜在用途也有了更充分的认识和了解,为轻骨料混凝土在我国未来更大范围的推广应用打下了良好的基础。在各种轻骨料混凝土中,陶粒混凝土是目前应用最多的一种,尤其是在承载结构中,陶粒混凝土相比于其他轻骨料混凝土具有明显的强度优势。

从轻骨料混凝土在我国的应用形式和应用量来看,轻骨料混凝土砌块约占70%;轻骨料混凝土板材,包括空心隔墙板、复合保温墙板、屋面板、楼板等,约占15%;现浇高强轻骨料混凝土,包括高层框架建筑、桥梁工程等,约占2%-3%;应用在其他方面,如耐火隔热制品、吸声砖、园林和花卉、化工用品等,约占12%。可见,我国轻骨料混凝土目前还主要应用于建筑砌块和围护结构板材方面。

2.1 高层建筑

轻骨料混凝土应用于高层建筑主要是通过现浇梁、板、柱、墙体等结构单元或采用预制墙板、楼板等构件形式实现。采用轻骨料混凝土后建筑自重获得减轻,在荷载不变的情况下可以增加修建层数,提高土地使用率或者节约基础的造价,尤其是在软土地基处理方面更具优势[1]。另外,轻骨料混凝土在抗震、耐火方面的优良性能也是其应用于高层建筑的优势。

我国在过去三十年积累了一些十分成功的轻骨料混凝土高层建筑应用实例,在天津、上海、沈阳、南京、本溪等地均有不同形式的轻骨料混凝土高层建筑,取得了良好的实际应用效果。如本溪市的建溪大厦(1994年)高26层,局部框架和全部剪力墙结构采用强度等级为LC20~LC30的自燃煤矸石轻骨料混凝土泵送浇筑,比采用普通混凝土减轻自重21%~25%,由结构质量引起的水平地震作用减小20%~25%。

2.2 桥梁工程

由于外加剂和高强轻骨料的发展,目前配制LC40以上的高强轻骨料混凝土技术已经十分成熟,高强、轻质、高耐久和综合造价低的优点,使其应用于大跨度桥梁上的优越性更为突出。实践表明:在新建工程中,由于采用轻骨料混凝土能够使桥梁自重减轻,因此在不增加原设计恒载的前提下可加长跨度,加大桥墩间距,减少桥跨、减小下部结构尺寸;在改建工程中,采用轻骨料混凝土可使桥梁在不加固下部结构和基础的前提下加宽桥面或提高承载力,满足提高设计等级的要求。在软土地基上修建大跨度桥梁,具有更加显着的经济效益。

目前,轻骨料混凝土在我国桥梁工程中主要应用于中小跨径桥梁,在大跨桥梁中的应用较少,与发达国家差距较大。上海卢浦大桥是近年来应用轻骨料混凝土的典型工程,全桥铺装层和引桥的试验桥中采用了LC40级轻骨料混凝土制成的双孔后张预应力板梁。对该板梁进行了足尺的结构可靠性和200万次疲劳试验,试验结果证明其具有良好的结构性能和抗疲劳性能。现场的静动载试验也表明其强度、刚度均能满足设计规范要求,并具有自重轻、自振周期长、阻尼大的优点,跳车动载试验也表明结构的动力特性满足使用要求,完全可满足在设计荷载下安全运营。

2.3 屋面、楼面、地面现浇工程

轻骨料混凝土应用于屋面保温隔热工程时,可减轻屋面自重,同时具有良好的保温隔热、抗渗效果以及耐久性,并且施工速度快,工程造价低。上海世博会中国馆的屋面保温工程采用了容重小于1400kg/m3、强度等级为LC15的页岩陶粒轻骨料混凝土,取得了良好的应用效果[2]。

轻骨料混凝土在楼面和地面现浇垫层工程中同样具有广泛的应用,在预应力钢筋混凝土楼板上层铺设陶粒混凝土垫层,可以起到良好的隔声、抗渗效果,并且能够将楼面局部重荷载均匀分散传递至预应力钢筋混凝土楼板,提高楼板的承载能力;在建筑物底层地面下铺设陶粒混凝土垫层,能够起到防潮、保温作用,可解决北方寒冷地区底层地面冬天冷、夏天潮湿的问题。

2.4 轻骨料混凝土砌块

建筑砌块是我国轻骨料混凝土应用量最大的产品形式,目前市场中主要的产品类型有轻骨料混凝土空心砌块(如图1)、陶粒加气混凝土砌块(如图2)以及陶粒加气混凝土砌块(如图3)等。其中,轻骨料混凝土空心砌块应用最为普遍。它是以水泥作为胶结料,以特殊级配的浮石、火山渣、煤渣、陶粒、陶砂、自燃煤矸石等作为轻质骨料,经压制成型的空心砌块。以质轻、隔音效果好等特点而大量应用于多层和高层建筑框架结构中,既减轻了结构的荷载,减小了墙、柱、梁的断面尺寸,又相对增加了建筑的使用空间,使房间的布置更为灵活。

图1 轻骨

图2 陶粒加气混凝土砌块

图3 陶粒泡沫混凝土砌块墙体

陶粒加气混凝土砌块是以轻质陶粒、粉煤灰、水泥基胶凝材料为主要原料,以铝粉或泡沫剂为发泡剂,经蒸汽养护并经切割而制成的砌块。其干表观密度为550-800kg/m3,抗压强度为3.5-7.5Mpa,导热系数为0.16-0.25W/m·K,主要用于非承重和有保温隔热要求的建筑围护结构中。

陶粒泡沫混凝土砌块与陶粒加气混凝土砌块具有相似的使用功能和相近的技术性能指标,只不过是将陶粒引入到泡沫混凝土体系当中。它同样是发挥陶粒的增强减缩作用,克服原有体系在强度和收缩等方面的不足。

2.5 轻骨料混凝土板材

轻骨料混凝土与钢筋组合制备建筑板材,不仅能在保证强度的同时大大减轻构件重量,从而减少吊装、运输成本,而且其较低的导热系数使得建筑围护结构自身即具有良好的保温性能,能够显着降低产业化住宅的建设成本。另外,优良的吸音和耐火性能,也是其应用于建筑围护结构的主要优势。轻骨料混凝土板材主要包括隔墙板(如图4)、屋面板(如图5)、外挂板(如图6)、楼板(如图7)等产品形式。

图4 隔墙板

图5 屋面板

图6 外挂板

图7 楼板

压型钢板-轻骨料混凝土组合楼板(如图8)是目前研究较多的一种钢-混形式楼板,它将压型钢板与轻骨料混凝土进行有机结合,充分利用钢板抗拉和混凝土抗压的材料特性而结合成整体的结构形式,能有效降低高层钢结构框架建筑楼板自重,在大跨度结构和装配式住宅中也具有良好的应用前景。

图8 组合楼板结构

2.6 吸声制品

据欧洲LECA协会和美国轻集料协会统计,截止2008年底,发达国家为防止室内噪声超标或提高室内音响效果的公共场所,约有70%的室内墙体配置了吸声砖(如图9),其中约70%采用陶粒混凝土吸声砖。而我国仅15%的室内墙体配置了吸声砖,约50%采用陶粒混凝土。

陶粒混凝土还可以用作高速公路和高速铁路的声屏障。我国高速公路总里程已超过10万公里,位居世界第一位,但配置的公路声屏障很少,交通噪声问题比较严重。据不完全统计,截止2010年,我国已建成高速公路声屏障不足160km,与发达国家差距较大,美国在2000年时公路声屏障总里程已超过5000km。而在高速铁路方面,随着我国在该领域的大力发展,未来对耐久性较好的轻质混凝土声屏障(如图10)的需求也将十分巨大。

图9 吸声砖

图10 声屏障

近来我国的一些企业利用陶粒混凝土的吸音特性,生产一种无砟轨道道床吸音板(如图11),它是以陶粒作为轻骨料,高强水泥作为胶凝材料,辅以聚酯纤维和减水剂等材料制备而成,已在实际工程中取得了应用。该产品在6个中心频率下的平均吸音系数达到0.72,降噪系数(NRC)达到0.82,属于吸音产品中的优秀水平。

2.7 人造文化石

人造文化石(如图12)是轻骨料混凝土应用于装饰领域的典型代表,它是以硅酸盐水泥为胶凝材料,以陶粒、陶砂、膨胀蛭石、冶金废渣等为轻质骨料,辅以无机颜料及其他功能助剂制成的人造石材。使用时借助粘合剂或水泥净浆、砂浆直接粘贴在基体上。装修后的建筑好似天然石材砌筑而成,营造出特殊的文化氛围,故名“文化石”[3]。

图11 轨道吸音板

图12 人造文化石

2.8 植生混凝土

植生混凝土是一种可作为植被生长载体的多孔混凝土。用于河岸护坡工程、公路护边工程、屋顶绿化、建筑物墙面绿化、停车场中,不仅可以起到净化水质、调节雨水径流量、调节环境温度、修复生态的作用,并且增加绿化面积,在视觉上增加舒适感,具有良好的应用前景。

在混凝土中引入膨胀珍珠岩、火山渣等高吸水保水材料,可制成具有高吸水保水功能的植生混凝土载体,满足了无土栽培的技术要求。用于屋面绿化工程的植生混凝土,主要是采用大粒径轻质陶粒作为粗骨料而制成。植生混凝土在我国的应用还处于初级阶段,仅在吉林、上海、天津等城市有应用,并且多用作河岸护坡工程。

图13 植生混凝土结构体系

图14 透水混凝土

2.9 透水混凝土

透水混凝土(如图14)是用胶凝材料与水拌合后包裹特定粒径的粗骨料而形成的多孔骨架结构。因其具有良好的透水透气性能,而被广泛用于路面排水和园林绿化工程。用轻骨料替代普通透水混凝土中的碎石作为粗骨料而配制出的轻骨料透水混凝土,具有更好的轻质性,可显着降低基层荷载。

陶粒混凝土透水砖是轻骨料透水混凝土的主要产品,它是通过添加聚合物和陶粒对无砂混凝土进行改性制成。利用陶粒的吸水性,可减少透水砖生产时水泥浆的析出,降低了透水空隙在制备时被水泥浆堵塞的风险。采用高强陶粒生产的多孔透水砖可用于有汽车通过的较重交通载荷透水路面的铺设。

2.10 玻化微珠承重保温混凝土

玻化微珠[4]承重保温混凝土是通过掺入一定比例的玻化微珠以及外加剂配制而成的新型混凝土,较同等级的普通混凝土自重降低25%-40%,由此带来轻质、保温、耐火、抗震、经济等一系列优良特性。目前已研制出强度等级大于C40的该材料,已经在山西省晋城市三星级绿色建筑--铭基凤凰城节能示范楼成功应用。

2.11 干拌复合轻集料混凝土

干拌复合轻集料混凝土(如图15)是由水泥、粉煤灰、外加剂等干粉料与废弃聚氨酯颗粒、废弃聚苯乙烯颗粒、玻化微珠等轻质集料经工厂预拌制成混合料,在施工现场加水拌合后形成的一种轻质混凝土材料,主要应用于楼面和屋面垫层、找坡层,具有轻质、保温隔热、吸音、低弹性模量、利废等优点。

图15 干拌复合轻集料混凝土干混料

图16 聚苯颗粒混凝土

2.12 聚苯颗粒混凝土

聚苯颗粒混凝土(如图16)是将超轻发泡聚苯乙烯颗粒作为骨料引入混凝土体系,通过掺加外加剂等技术手段控制料浆粘稠度,从而使聚苯颗粒能均匀分布于混凝土体系中。近年来,聚苯颗粒混凝土及其制品得到了快速的发展,丰富了轻骨料混凝土的种类和应用领域。聚苯颗粒作为轻骨料具有低密度(堆积密度8~21kg/m3)、低导热系数(0.025-0.035W/(m·K))、低吸水率(0.1%~0.3%)、柔韧性好、低成本、利废环保等优势,可以进行现浇施工,如现浇屋面保温层、楼地面垫层、复合墙体等,也可预制成制品,如填芯砌块、钢骨架复合板、复合夹心墙板等。

3 结语

近些年来,我国轻骨料混凝土行业取得了较快发展,制备水平和工程应用技术等方面均取得了长足进步,并且对轻骨料混凝土的潜能进行不断挖掘,从过去单一化的应用形式逐渐向多元化方向发展,开发具有更高附加值的产品类型。然而,与发达国家相比,我国轻骨料混凝土无论是在技术水平上还是在实际应用量上都存在较大差距,还需要在该领域开展更为深入的科研工作,提高我国轻骨料混凝土的整体技术水平,以此促进轻骨料混凝土在我国更进一步的推广应用。

建筑产业现代化是继住宅产业化和新型建筑工业化之后我国政府提出的新的建筑业发展战略,既涵盖了住宅产业化、建筑工业化的内涵,又从更高的行业角度进行了诠释,代表了我国建筑业未来转型升级的发展方向。实现住宅构配件生产工厂化、施工现场装配化是建筑产业现代化的核心内容,应用生态节能、资源循环利用的绿色建材是发展绿色建筑的重要组成,而轻骨料混凝土凭借其轻质、保温、防火、耐久、抗震、吸音、利废等优点,以及易于预制、便于运输等特征,必将在推行建筑产业现代化和绿色建筑的浪潮中迎来高速发展的契机。随着技术水平的不断进步、配套装备的不断升级、标准体系的逐步完善,轻骨料混凝土将在未来的国民经济和生活中扮演愈发重要的角色。

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