摘 要： 介紹高強輕質(zhì)混凝土的性能及國內(nèi)外的應用和發(fā)展狀況。探討了輕集料混凝土的分層離析控制的關鍵技術，并提出了相應解決思路。
關鍵詞： 高強輕集料混凝土； 發(fā)展； 優(yōu)勢； 控制技術
隨著現(xiàn)代化建筑工程的發(fā)展，建筑設計在諸如形狀、高度、不規(guī)則柱網(wǎng)、無梁樓蓋等方面越來越要求具有極大的自由度，更高效、高強度的輕質(zhì)混凝土就應運而生了。高強輕質(zhì)混凝土HSLC(High—StrengthLightweight Concrete)具有重量輕、強度高和耐久性好等特點，美國、德國、日本等國家將HSNC廣泛應用于海王構筑物、高層建筑、大跨度橋梁和城市立交橋等工程中。如1936年美國建造的舊金山—奧克蘭海灣橋的橋面，采用高強輕質(zhì)混凝土與普通混凝土相比，僅鋼材一項就節(jié)約造價300萬美元；又如澳大利亞廣場的圓形塔樓50層，7層以上樓板、梁和柱使用3．1萬m‘的輕質(zhì)混凝土，工程總造價降低13％。
國外越來越多地使用高強輕質(zhì)混凝土的重要原因是它的耐久性、抗疲勞性、抗?jié)B性等特性均優(yōu)于石子骨料高強混凝土HSNC(High—strength NormalWeight aggregate Concrete)。在我國，高強輕質(zhì)混凝土的研究和在結構中的應用剛剛起步，近年來發(fā)展很快，但混凝土的強度等級偏低，輕骨料質(zhì)量有待提高。
1 國內(nèi)外高強輕集料混凝土的發(fā)展及優(yōu)勢
一般把以人造輕集料為其基本材料的輕混凝土的最早使用年代追溯到1920年左右，S．J海德是最初運用回轉窯燒粘土的先驅者之一。到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)以后才開始有了輕集料的生產(chǎn)。輕集料混凝土根據(jù)其用途和功能分為3類，一是以結構為主的工程，二是結構與保溫同等重要的工程，三是以保溫為主的工程。國外高強輕集料混凝土主要應用于高層建筑、橋梁和預應力結構。早在1969年，美國就用高強輕集料混凝土建成了高217．6 m，52層的休斯敦貝殼廣場大廈。這幢按筒中筒結構體系設計的大廈只有采用高強輕集料混凝土經(jīng)濟上才算適宜。從結構設計觀點來講，217．6m的建筑高度，加上高空的強大風載，必須選用質(zhì)量的輕集料來拌制輕集料混凝土，使其結構性能不低于普通混凝土。根據(jù)結構和建筑要求，2．51 m厚的筏型基礎，內(nèi)柱和外柱以及剪力墻要用強度為42MPa的高強輕集料混凝土澆制，11 m跨距的樓板要用強度為31．5 MPa的高強輕集料混凝土澆制，混凝土用量達7萬m3。統(tǒng)計資料表明，預應力鋼筋混凝土橋梁自重隨跨度增大呈指數(shù)系數(shù)增加，經(jīng)濟分析認為，跨度超過30 m的橋梁，由于自重在總荷載中起著重要的作用，采用輕混凝土就具有相當?shù)慕?jīng)濟性了。
我國輕集料混凝土的生產(chǎn)和應用是從人造輕集料的研制開始的。1956年在山東博山利用水泥回轉窯試制成功我國第一批粘土陶粒之后，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。至1990年，我國人造輕集料生產(chǎn)廠有30余家，設計年產(chǎn)量53萬m3，土990年實際生產(chǎn)量為30萬m3，僅達生產(chǎn)能力的57％。同年由中國建筑科學研究院主持編制出《輕集料混凝土技術規(guī)程》GJ51—90，新規(guī)程更具我國特色，而且達到了美、俄、德等國同類標準水平，為我國進一步發(fā)展輕集料混凝土技術提供了科學理論依據(jù)和技術保證。1986年，由國家建工總局和上海市建委下達的嵐皋路高層試點項目建筑3幢20層鋼筋粘土陶?；炷寥竽＜袅ψ≌瑯?，該工程是由原設計18層的普通混凝土改造成20層陶?；炷恋?，由于采用了輕集料混凝土，每平方米自重減輕13％，使用面積凈增1 200m2，基礎造價減少10％，節(jié)約鋼材3．7％，實際降低建筑造價16％，與臨近同結構的18層普通混凝土住宅建筑相比，沉降量小32．5％，具有顯著的技術經(jīng)濟效益。但我國輕集料混凝土的應用仍主要用于低強度的非承重結構，如生產(chǎn)小砌塊。我國高強輕集料混凝土的研究始于20世紀70年代，天津建筑科學研究所等單位在實驗室用高強粉煤灰陶粒配制出CL40干硬高強輕集料混凝土。20世紀80年代初，鐵道部大橋局橋梁科學技術研究所在實驗室采用高強粘土陶粒和625#水泥配制出CL60于硬性高強輕集料混凝土，將CL40粉煤灰陶粒高強混凝土應用于金山公路跨度為22m的箱形預應力橋梁，使橋梁自重減輕20％以上，是我國高強輕集料混凝土應用的一個成功范例。
2 高強輕集料混凝土存在的問題
目前，影響高強輕集料混凝ix：程應用的主要原因是其易所導致的工作性能差，不能滿足現(xiàn)代混凝土建筑施工的要求，為此，開展控制輕集料混凝土分層離析技術的研究十分必要。
輕集料混凝土拌和物主要是由輕集料、細集料、膠結材和水組成。這4種組成部分的密度各不相同，在混凝土拌和后會產(chǎn)生分層現(xiàn)象。一般對于普通混凝土，密度較小的水、水泥漿及帶有較小細集料的水泥砂漿上浮，粗集料及較大顆粒的細集料及包裹它們的水泥漿下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了混凝土的外分層結構。但對于輕集料混凝土，則是密度較小的輕集料、水等上浮，水泥漿和細集料砂下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了輕集料混凝土的外分層結構。由于輕集料與水泥石的密度相差懸殊，輕集料混凝土的離析問題十分嚴重，很難滿足現(xiàn)代混凝土建筑施工的工藝要求。只有有效控制輕集料混凝土的離析問題，才能促進這種集結構與功能一體化的建筑材料更為廣泛的應用。
3 輕集料混凝i分層的控制技術
3．1 控制輕集料的粒徑
輕集料的運動速度與粒徑的平方成正比。因此，輕集料的粒徑無疑是影響輕集料混凝土作性的最主要因素。粒徑越大，輕集料越容易上浮。顆粒越大，在相同配合比條件下，擴展度越大，集料的分層離析越嚴重，相應混凝土的強度越低。輕集料的粒徑越小，顆粒分布越均勻，但是由于粒徑減小，輕集料的表面積增加，將會導致水泥用量的增加，而水泥用量的增加會進一步增加 差值，這對于減輕輕集料混凝土的離析反而不利。資料表明：對于泵送輕集料混凝土，輕集料的粒徑在5～20mm為宜。
3．2 摻加礦物摻和料
混凝土與輕集料的密度差( )越大，輕集料上浮的運動速度越大，混凝土越易離析?；炷恋恼扯仍酱螅p集料的上浮速度越小。眾所周知，相對水泥的密度3．15 kg／m3而言，粉煤灰、礦渣和硅灰的密度較小。因此，采用粉煤灰、礦渣和硅灰替代部分水泥，一方面可以減小水泥石的密度，進而減小水泥石與輕集料的密度差( )；另一方面，由于礦渣和硅灰的摻人，會使得混凝土拌和物的粘度增加，降低輕集料上浮的運動速度。
據(jù)資料表明：摻人20％粉煤灰后混凝土的坍落度明顯增加，如果摻A20％的礦渣，混凝土的坍落度達到18cm，混凝土基本沒有離析，而硅灰的摻人使混凝土的坍落度在一定條件下減小。單摻粉煤灰或同時摻加粉煤灰和礦渣的混凝土可以配制出既流動性好，又不分層離析的混凝土拌和物。
3．3 調(diào)整砂率
水泥石密度與輕集料密度差值越大，混凝土越易離析。然而，當砂率增加時，顆粒的表面積增加，在水泥用量一定的情況下拌和物的粘度會增加，因此，砂率對混凝土性能的影響必然存在一個值。據(jù)文獻實驗結果結論可知，在一定范圍內(nèi)，隨著砂率的增加，坍落度增加，混凝土的流動性變好。當砂率增加到39％之后，混凝土的坍落度達到值22cm，但繼續(xù)增大砂率，拌和物的粘聚性增加，坍落度反而降低；而當砂率較低時，混凝土拌和物則容易產(chǎn)生分層離析，這說明拌和物存在一個砂率，即在該值時拌和物不易產(chǎn)生分層離析，此時拌和物的工作性能。
3．4 摻入纖維
纖維可以在混凝土中形成網(wǎng)絡結構，因此可以有效地抑制輕集料的運動。由于有機纖維非常細小，表面積大，需要吸附大量的水泥漿包裹其周圍，結果使得混凝土的粘度增加。在相同纖維摻量條件下，纖維越短，纖維的數(shù)量越多，需要包裹纖維的水泥漿的量越多，混凝土粘度越大，越不易離析。對不同品種的纖維進行試驗研究。由文獻試驗結果可知，摻加纖維對混凝土的工作性有較大的影響。加入聚丙烯纖維和碳纖維坍落度下降不大，但擴展度下降較大，并能有效阻止輕集料混凝土的分層、離析，這是因為均勻分布在混凝土中的大量纖維起到了一種“承托”作用，降低了混凝土的表面析水和輕集料的上浮，提高了輕集料混凝土的粘聚性。摻加長度為6mm纖維的混凝土I。30A06擴展度小于摻加長度為19mm纖維的混凝土L30A19。但加入鋼纖維后，由于鋼纖維表面需大量砂漿包裹，因此坍落度大幅度降低。因此，纖維種類對混凝土的工作性能有較大的影響。另外，加入鋼纖維后，輕集料混凝土的表觀密度迅速增大，對降低結構物自重不利。不同的是，加入有機纖維后，輕集料混凝土的表觀密度變化不大。
4 結 論
(1)輕集料混凝土具有和普通密度混凝土不同的分層特點。輕集料混凝土的集料易于漂浮在拌和物表面，產(chǎn)生上大下小的分層離析結構。
(2)輕集料混凝土的離析程度受輕集料粒徑、水泥砂漿粘度和水泥石與輕集料的密度差控制，通過摻加礦物摻和料、調(diào)整砂率、摻加適宜品種的纖維和減小輕集料粒徑的技術措施可配制工作性能好，易泵送的CL40一CL60高強輕集料混凝土。
(3)坍落度與擴展度之比在0．4～0．5范圍內(nèi)，混凝土拌和物工作性，利于泵送；坍落度與擴展度之比大于0．5，混凝土拌和物過于粘稠，不宜泵送；坍落度與擴展度之比小于0．4，混凝土拌和物則容易分層離析，輕集料易漂浮至表面，砂漿沉人拌和物底層。
關鍵詞： 高強輕集料混凝土； 發(fā)展； 優(yōu)勢； 控制技術
隨著現(xiàn)代化建筑工程的發(fā)展，建筑設計在諸如形狀、高度、不規(guī)則柱網(wǎng)、無梁樓蓋等方面越來越要求具有極大的自由度，更高效、高強度的輕質(zhì)混凝土就應運而生了。高強輕質(zhì)混凝土HSLC(High—StrengthLightweight Concrete)具有重量輕、強度高和耐久性好等特點，美國、德國、日本等國家將HSNC廣泛應用于海王構筑物、高層建筑、大跨度橋梁和城市立交橋等工程中。如1936年美國建造的舊金山—奧克蘭海灣橋的橋面，采用高強輕質(zhì)混凝土與普通混凝土相比，僅鋼材一項就節(jié)約造價300萬美元；又如澳大利亞廣場的圓形塔樓50層，7層以上樓板、梁和柱使用3．1萬m‘的輕質(zhì)混凝土，工程總造價降低13％。
國外越來越多地使用高強輕質(zhì)混凝土的重要原因是它的耐久性、抗疲勞性、抗?jié)B性等特性均優(yōu)于石子骨料高強混凝土HSNC(High—strength NormalWeight aggregate Concrete)。在我國，高強輕質(zhì)混凝土的研究和在結構中的應用剛剛起步，近年來發(fā)展很快，但混凝土的強度等級偏低，輕骨料質(zhì)量有待提高。
1 國內(nèi)外高強輕集料混凝土的發(fā)展及優(yōu)勢
一般把以人造輕集料為其基本材料的輕混凝土的最早使用年代追溯到1920年左右，S．J海德是最初運用回轉窯燒粘土的先驅者之一。到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)以后才開始有了輕集料的生產(chǎn)。輕集料混凝土根據(jù)其用途和功能分為3類，一是以結構為主的工程，二是結構與保溫同等重要的工程，三是以保溫為主的工程。國外高強輕集料混凝土主要應用于高層建筑、橋梁和預應力結構。早在1969年，美國就用高強輕集料混凝土建成了高217．6 m，52層的休斯敦貝殼廣場大廈。這幢按筒中筒結構體系設計的大廈只有采用高強輕集料混凝土經(jīng)濟上才算適宜。從結構設計觀點來講，217．6m的建筑高度，加上高空的強大風載，必須選用質(zhì)量的輕集料來拌制輕集料混凝土，使其結構性能不低于普通混凝土。根據(jù)結構和建筑要求，2．51 m厚的筏型基礎，內(nèi)柱和外柱以及剪力墻要用強度為42MPa的高強輕集料混凝土澆制，11 m跨距的樓板要用強度為31．5 MPa的高強輕集料混凝土澆制，混凝土用量達7萬m3。統(tǒng)計資料表明，預應力鋼筋混凝土橋梁自重隨跨度增大呈指數(shù)系數(shù)增加，經(jīng)濟分析認為，跨度超過30 m的橋梁，由于自重在總荷載中起著重要的作用，采用輕混凝土就具有相當?shù)慕?jīng)濟性了。
我國輕集料混凝土的生產(chǎn)和應用是從人造輕集料的研制開始的。1956年在山東博山利用水泥回轉窯試制成功我國第一批粘土陶粒之后，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。至1990年，我國人造輕集料生產(chǎn)廠有30余家，設計年產(chǎn)量53萬m3，土990年實際生產(chǎn)量為30萬m3，僅達生產(chǎn)能力的57％。同年由中國建筑科學研究院主持編制出《輕集料混凝土技術規(guī)程》GJ51—90，新規(guī)程更具我國特色，而且達到了美、俄、德等國同類標準水平，為我國進一步發(fā)展輕集料混凝土技術提供了科學理論依據(jù)和技術保證。1986年，由國家建工總局和上海市建委下達的嵐皋路高層試點項目建筑3幢20層鋼筋粘土陶?；炷寥竽＜袅ψ≌瑯?，該工程是由原設計18層的普通混凝土改造成20層陶?；炷恋?，由于采用了輕集料混凝土，每平方米自重減輕13％，使用面積凈增1 200m2，基礎造價減少10％，節(jié)約鋼材3．7％，實際降低建筑造價16％，與臨近同結構的18層普通混凝土住宅建筑相比，沉降量小32．5％，具有顯著的技術經(jīng)濟效益。但我國輕集料混凝土的應用仍主要用于低強度的非承重結構，如生產(chǎn)小砌塊。我國高強輕集料混凝土的研究始于20世紀70年代，天津建筑科學研究所等單位在實驗室用高強粉煤灰陶粒配制出CL40干硬高強輕集料混凝土。20世紀80年代初，鐵道部大橋局橋梁科學技術研究所在實驗室采用高強粘土陶粒和625#水泥配制出CL60于硬性高強輕集料混凝土，將CL40粉煤灰陶粒高強混凝土應用于金山公路跨度為22m的箱形預應力橋梁，使橋梁自重減輕20％以上，是我國高強輕集料混凝土應用的一個成功范例。
2 高強輕集料混凝土存在的問題
目前，影響高強輕集料混凝ix：程應用的主要原因是其易所導致的工作性能差，不能滿足現(xiàn)代混凝土建筑施工的要求，為此，開展控制輕集料混凝土分層離析技術的研究十分必要。
輕集料混凝土拌和物主要是由輕集料、細集料、膠結材和水組成。這4種組成部分的密度各不相同，在混凝土拌和后會產(chǎn)生分層現(xiàn)象。一般對于普通混凝土，密度較小的水、水泥漿及帶有較小細集料的水泥砂漿上浮，粗集料及較大顆粒的細集料及包裹它們的水泥漿下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了混凝土的外分層結構。但對于輕集料混凝土，則是密度較小的輕集料、水等上浮，水泥漿和細集料砂下沉，造成混凝土整體的不均勻，形成了輕集料混凝土的外分層結構。由于輕集料與水泥石的密度相差懸殊，輕集料混凝土的離析問題十分嚴重，很難滿足現(xiàn)代混凝土建筑施工的工藝要求。只有有效控制輕集料混凝土的離析問題，才能促進這種集結構與功能一體化的建筑材料更為廣泛的應用。
3 輕集料混凝i分層的控制技術
3．1 控制輕集料的粒徑
輕集料的運動速度與粒徑的平方成正比。因此，輕集料的粒徑無疑是影響輕集料混凝土作性的最主要因素。粒徑越大，輕集料越容易上浮。顆粒越大，在相同配合比條件下，擴展度越大，集料的分層離析越嚴重，相應混凝土的強度越低。輕集料的粒徑越小，顆粒分布越均勻，但是由于粒徑減小，輕集料的表面積增加，將會導致水泥用量的增加，而水泥用量的增加會進一步增加 差值，這對于減輕輕集料混凝土的離析反而不利。資料表明：對于泵送輕集料混凝土，輕集料的粒徑在5～20mm為宜。
3．2 摻加礦物摻和料
混凝土與輕集料的密度差( )越大，輕集料上浮的運動速度越大，混凝土越易離析?；炷恋恼扯仍酱螅p集料的上浮速度越小。眾所周知，相對水泥的密度3．15 kg／m3而言，粉煤灰、礦渣和硅灰的密度較小。因此，采用粉煤灰、礦渣和硅灰替代部分水泥，一方面可以減小水泥石的密度，進而減小水泥石與輕集料的密度差( )；另一方面，由于礦渣和硅灰的摻人，會使得混凝土拌和物的粘度增加，降低輕集料上浮的運動速度。
據(jù)資料表明：摻人20％粉煤灰后混凝土的坍落度明顯增加，如果摻A20％的礦渣，混凝土的坍落度達到18cm，混凝土基本沒有離析，而硅灰的摻人使混凝土的坍落度在一定條件下減小。單摻粉煤灰或同時摻加粉煤灰和礦渣的混凝土可以配制出既流動性好，又不分層離析的混凝土拌和物。
3．3 調(diào)整砂率
水泥石密度與輕集料密度差值越大，混凝土越易離析。然而，當砂率增加時，顆粒的表面積增加，在水泥用量一定的情況下拌和物的粘度會增加，因此，砂率對混凝土性能的影響必然存在一個值。據(jù)文獻實驗結果結論可知，在一定范圍內(nèi)，隨著砂率的增加，坍落度增加，混凝土的流動性變好。當砂率增加到39％之后，混凝土的坍落度達到值22cm，但繼續(xù)增大砂率，拌和物的粘聚性增加，坍落度反而降低；而當砂率較低時，混凝土拌和物則容易產(chǎn)生分層離析，這說明拌和物存在一個砂率，即在該值時拌和物不易產(chǎn)生分層離析，此時拌和物的工作性能。
3．4 摻入纖維
纖維可以在混凝土中形成網(wǎng)絡結構，因此可以有效地抑制輕集料的運動。由于有機纖維非常細小，表面積大，需要吸附大量的水泥漿包裹其周圍，結果使得混凝土的粘度增加。在相同纖維摻量條件下，纖維越短，纖維的數(shù)量越多，需要包裹纖維的水泥漿的量越多，混凝土粘度越大，越不易離析。對不同品種的纖維進行試驗研究。由文獻試驗結果可知，摻加纖維對混凝土的工作性有較大的影響。加入聚丙烯纖維和碳纖維坍落度下降不大，但擴展度下降較大，并能有效阻止輕集料混凝土的分層、離析，這是因為均勻分布在混凝土中的大量纖維起到了一種“承托”作用，降低了混凝土的表面析水和輕集料的上浮，提高了輕集料混凝土的粘聚性。摻加長度為6mm纖維的混凝土I。30A06擴展度小于摻加長度為19mm纖維的混凝土L30A19。但加入鋼纖維后，由于鋼纖維表面需大量砂漿包裹，因此坍落度大幅度降低。因此，纖維種類對混凝土的工作性能有較大的影響。另外，加入鋼纖維后，輕集料混凝土的表觀密度迅速增大，對降低結構物自重不利。不同的是，加入有機纖維后，輕集料混凝土的表觀密度變化不大。
4 結 論
(1)輕集料混凝土具有和普通密度混凝土不同的分層特點。輕集料混凝土的集料易于漂浮在拌和物表面，產(chǎn)生上大下小的分層離析結構。
(2)輕集料混凝土的離析程度受輕集料粒徑、水泥砂漿粘度和水泥石與輕集料的密度差控制，通過摻加礦物摻和料、調(diào)整砂率、摻加適宜品種的纖維和減小輕集料粒徑的技術措施可配制工作性能好，易泵送的CL40一CL60高強輕集料混凝土。
(3)坍落度與擴展度之比在0．4～0．5范圍內(nèi)，混凝土拌和物工作性，利于泵送；坍落度與擴展度之比大于0．5，混凝土拌和物過于粘稠，不宜泵送；坍落度與擴展度之比小于0．4，混凝土拌和物則容易分層離析，輕集料易漂浮至表面，砂漿沉人拌和物底層。