陶?；炷裂芯?/h1>
2019-02-17 17:03:22畢建靜
四川水泥 2019年1期
畢建靜 高 震
（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590）
0 緒論
在現(xiàn)代建筑行業(yè)中，混凝土是基礎(chǔ)性材料，是現(xiàn)代建筑、基礎(chǔ)設(shè)施與土木工程施工中必不可少的材料，也是用途最為廣泛和用量最大的材料之一。長期以來，混凝土材料來源廣泛，價格相對低廉，且具有良好的強度、性能及耐久度特點，在當(dāng)前乃至一段時間內(nèi)都是土木工程、鐵路、基礎(chǔ)設(shè)施和水利工程的首選材料[1]。自19世紀(jì)30年代以來，混凝土應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，用量持續(xù)增長；至19世紀(jì)50年代，鋼筋混凝土出現(xiàn)后，混凝土應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；自20世紀(jì)30年預(yù)應(yīng)力混凝土問世以來，預(yù)應(yīng)力混凝土具有自重輕、用量少、抗裂性能和剛度性能優(yōu)異等特點，逐步取代了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
隨著社會現(xiàn)代化發(fā)展，我國建筑行業(yè)、橋梁工程、鐵路工程和水利工程快速發(fā)展，高層建筑、超高層建筑等結(jié)構(gòu)形式快速發(fā)展，這些結(jié)構(gòu)形式具有自重和跨度等問題，預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)要求高，現(xiàn)代工程建設(shè)面臨新的挑戰(zhàn)。在此背景下，陶?；炷辆哂休p質(zhì)、高強、耐久性能優(yōu)異、抗震性能良好等特點，逐漸成為混凝土領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展的主要趨勢。
1 陶?；炷羾鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀
相較于國內(nèi)，國外在陶?；炷裂芯颗c應(yīng)用方面起步較早[2-3]。自上世紀(jì)初期，西方發(fā)達(dá)國家就開始了陶?；炷练矫娴难芯?，其目的是改善傳統(tǒng)混凝土存在的不足，并取得了良好的研究成果。陶?；炷磷钤缬?913年在美國研制成功，受限于相關(guān)規(guī)范與自身性能限制，陶粒混凝土研制后僅限于用于非承重結(jié)構(gòu)。例如，以陶?；炷翞樵牧辖ㄔ斓拿绹菟苟刎悮V場大廈[4]，取得了良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。上世紀(jì)90年代，陶?；炷猎诤Ｉ掀脚_和浮橋工程建設(shè)方面取得了良好的應(yīng)用效果 。但同時，受限于陶?；炷磷陨硇阅芗霸靸r等因素制約，在工程建設(shè)方面發(fā)展較為緩慢。至1995年，輕質(zhì)骨料研究取得了突破性成果，高強陶?；炷裂兄瞥晒?，陶?；炷涟l(fā)展進(jìn)入高速發(fā)展階段。
國內(nèi)在陶?；炷练矫嫜芯科鸩捷^晚，自上世紀(jì) 50年代以來，輕質(zhì)骨料混凝土研究和開發(fā)主要集中在人造輕質(zhì)骨料方面，如粉煤灰顆粒、頁巖陶粒等，經(jīng)過較長時間的研究，至 50年代后期，我國北京建設(shè)成功第一棟以頁巖陶?；炷两ㄔO(shè)的裝配式建筑，上世紀(jì) 60年代初，河南平頂山建設(shè)完成洛河大橋是國內(nèi)首座以輕集料混凝土建設(shè)的橋梁，自此開始，陶?；炷恋膽?yīng)用范圍由陸地向橋梁建設(shè)延伸。直至1995年，隨著輕集料的研究成功，輕集料質(zhì)量、施工技術(shù)得到顯著改善，高強陶?；炷猎趪鴥?nèi)的研究與應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展的階段。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國內(nèi)關(guān)于混凝土的研究主要集中于陶?；炷列阅芨纳萍爱a(chǎn)品應(yīng)用范圍拓展方面。
通過研究國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)陶粒混凝土研究具有較長的發(fā)展歷史，但是受限于輕集料的性能及研究，只有系統(tǒng)研究、開發(fā)、應(yīng)用的國家和地區(qū)，陶粒混凝土才有廣闊的發(fā)展空間，同時，在陶?；炷恋膽?yīng)用推動了國內(nèi)外對陶?；炷列阅艿难芯?。
2 陶?；炷炼x及特點
2.1 陶?；炷炼x
陶粒混凝土是指以輕質(zhì)骨料替代普通混凝土中天然石子，并加入適量河砂、水泥等凝膠材料，加入一定量水配制而成的表面密度小于1950kg/m3的混凝土。根據(jù)粗骨料種類的不同，可將陶?；炷羷澐譃榉勖夯姨樟；炷?、自然煤矸石混凝土和頁巖陶?；炷恋?。相較于與普通混凝土，陶?；炷聊軌蛟诖_保強度要求的前提下降低結(jié)構(gòu)自重[7]，能夠滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)化、輕質(zhì)、高強、多功能發(fā)展的需求，可用于輕型砌塊、保溫隔墻、輕型樓板和路面鋪裝等多種應(yīng)用場景，是一種用途廣泛、性能可靠的建筑材料。
2.2 陶?；炷羶?yōu)點
在橋梁工程和高層建筑建設(shè)中，陶粒混凝土具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢[8]，具有以下特點：
（1）輕質(zhì)高強
陶粒混凝土干表觀密度小于普通混凝土密度，普通混凝土干表觀密度一般為2450kg/m3，而陶?；炷羷t為1400kg/m3～1950kg/m3的范圍內(nèi)。通過對比兩者差異，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)陶?；炷寥葜卦?LC5.0～LC50.0 范圍時，其容重僅為普通混凝土的80%，即在同等條件下，陶粒混凝土結(jié)構(gòu)自重較普通混凝土結(jié)構(gòu)輕20%-40%左右。
（2）耐火性能佳
陶?；炷劣捎诓捎昧溯p質(zhì)骨料，因此，陶?；炷猎谑┕ね瓿珊缶哂卸嗫滋匦裕渚€膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均較普通混凝土小，因此，陶?；炷劣绕溥m用于高溫、保溫、抗火能力要求較高的結(jié)構(gòu)建設(shè)中。在發(fā)生火災(zāi)的建筑中，陶?；炷聊軌虻挚够馂?zāi)約4小時左右，而普通混凝土結(jié)構(gòu)僅能支撐1個小時左右。通過試驗對比，在 600℃試驗環(huán)境下，普通混凝土強度降低約 25%至 65%左右，而陶?；炷翉姸冉档蛢H約15%左右。
（3）抗震性能強
通常來說，建筑自重越大，在地震中所承受的地震力越大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)采用陶粒混凝土?xí)r，由于混凝土強度、自重、變形能力得到改善，因此，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時，建筑物所承受的地震力將大大降低。此外，由于陶?；炷辆哂休^低的彈性模量，因此，在建筑建設(shè)中采用陶?；炷聊軌蜓娱L建筑固有振動周期，當(dāng)建筑遭到破壞時會抵消大量變性能，可見，陶?；炷辆哂辛己玫目拐鹦阅?。
（4）耐久性能良好
以頁巖陶粒替代石子作為骨料，能夠改善混凝土堿集料反應(yīng)的發(fā)生，從而起到延長建筑壽命的重要作用。同時，相較于石子，頁巖陶粒與水泥凝膠性能更好，基質(zhì)界面粘貼牢固，從而提高了建筑結(jié)構(gòu)抵抗有害物質(zhì)侵入的能力。上世紀(jì)70年代，國內(nèi)研究機構(gòu)對1958年后建成的陶粒混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行實地研究，研究結(jié)果表明，采用陶?；炷翞樵犀F(xiàn)澆、預(yù)制的各種結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部鋼筋均無銹蝕現(xiàn)象，碳化深度也小于30mm，混凝土結(jié)構(gòu)強度不僅沒有像普通混凝土結(jié)構(gòu)一樣降低，反而呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。
（5） 良好的經(jīng)濟(jì)效益
陶粒是一種很好的綠色材料，原料來源廣泛，可以利用工業(yè)廢料、生活垃圾生產(chǎn)人造陶粒，即減少了對環(huán)境的污染，又使廢棄物得到再生利用。在工程應(yīng)用中使用陶?；炷?，無論在降低自重方面還是保溫隔熱方面，均可降低工程量，節(jié)約工程費用。
2.3 陶粒混凝土缺點
（1）陶?；炷凉ぷ餍圆?/p>
在探討陶粒混凝土應(yīng)用優(yōu)勢的同時，我們也應(yīng)理性看待陶粒混凝土應(yīng)用缺點，其中，陶?；炷凉ぷ餍圆钍侵萍s其應(yīng)用的重要因素，主要是干燥陶粒在吸水后導(dǎo)致混凝土攪拌物坍落度下降，當(dāng)吸水率越大時，坍落度損失越大，而且，由于陶粒和水泥砂漿密度存在較大的差異，導(dǎo)致陶?；炷猎跀嚢柽^程中易出現(xiàn)分層離析的問題，因此，陶粒混凝土易分層離析、坍落度損失大，加之在壓力的作用下，輕集料易出現(xiàn)吸收混凝土中的水分的問題，多種因素導(dǎo)致泵送陶?；炷烈壮霈F(xiàn)堵泵的問題。
（2）力學(xué)性能不足
與普通混凝土相比，陶粒混凝土在抗壓強度、抗拉強度等方面沒有顯著差異，但是，其抗彎強度、彎曲抗拉強度較弱，僅為普通混凝土強度的75%左右，因此，在選用混凝土?xí)r應(yīng)結(jié)合工程特點、混凝土抗彎強度、彎曲抗拉強度等多方面因素。
3 應(yīng)用前景
與普通混凝土相比，陶?；炷猎诮Y(jié)構(gòu)、性能等方面具有顯著的優(yōu)勢，同時，也存在諸多制約因素，還需要進(jìn)一步理論和實踐研究。雖然，我國在陶?；炷练矫娴难芯科鸩捷^晚，在輕集料產(chǎn)品質(zhì)量控制和生產(chǎn)工藝等方面與國外發(fā)達(dá)國家相比存在一定的差距，如國內(nèi)生產(chǎn)的人造顆粒偏粗、粒型不佳、顆粒級配不善等問題，而且，生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝相對落后，陶粒生產(chǎn)能耗居高不下，造成一定的環(huán)境污染，而且所生產(chǎn)的陶粒不適宜在墻體保溫或結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用，因此，在現(xiàn)有資源條件下，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者應(yīng)借鑒國外發(fā)達(dá)國家研究成果、實踐經(jīng)驗，加快陶粒混凝土理論、生產(chǎn)及應(yīng)用研究，推動國內(nèi)陶?；炷良夹g(shù)的快速發(fā)展。
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在現(xiàn)代建筑行業(yè)中，混凝土是基礎(chǔ)性材料，是現(xiàn)代建筑、基礎(chǔ)設(shè)施與土木工程施工中必不可少的材料，也是用途最為廣泛和用量最大的材料之一。長期以來，混凝土材料來源廣泛，價格相對低廉，且具有良好的強度、性能及耐久度特點，在當(dāng)前乃至一段時間內(nèi)都是土木工程、鐵路、基礎(chǔ)設(shè)施和水利工程的首選材料[1]。自19世紀(jì)30年代以來，混凝土應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，用量持續(xù)增長；至19世紀(jì)50年代，鋼筋混凝土出現(xiàn)后，混凝土應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；自20世紀(jì)30年預(yù)應(yīng)力混凝土問世以來，預(yù)應(yīng)力混凝土具有自重輕、用量少、抗裂性能和剛度性能優(yōu)異等特點，逐步取代了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
隨著社會現(xiàn)代化發(fā)展，我國建筑行業(yè)、橋梁工程、鐵路工程和水利工程快速發(fā)展，高層建筑、超高層建筑等結(jié)構(gòu)形式快速發(fā)展，這些結(jié)構(gòu)形式具有自重和跨度等問題，預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)要求高，現(xiàn)代工程建設(shè)面臨新的挑戰(zhàn)。在此背景下，陶?；炷辆哂休p質(zhì)、高強、耐久性能優(yōu)異、抗震性能良好等特點，逐漸成為混凝土領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展的主要趨勢。
1 陶?；炷羾鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀
相較于國內(nèi)，國外在陶?；炷裂芯颗c應(yīng)用方面起步較早[2-3]。自上世紀(jì)初期，西方發(fā)達(dá)國家就開始了陶?；炷练矫娴难芯?，其目的是改善傳統(tǒng)混凝土存在的不足，并取得了良好的研究成果。陶?；炷磷钤缬?913年在美國研制成功，受限于相關(guān)規(guī)范與自身性能限制，陶粒混凝土研制后僅限于用于非承重結(jié)構(gòu)。例如，以陶?；炷翞樵牧辖ㄔ斓拿绹菟苟刎悮V場大廈[4]，取得了良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。上世紀(jì)90年代，陶?；炷猎诤Ｉ掀脚_和浮橋工程建設(shè)方面取得了良好的應(yīng)用效果 。但同時，受限于陶?；炷磷陨硇阅芗霸靸r等因素制約，在工程建設(shè)方面發(fā)展較為緩慢。至1995年，輕質(zhì)骨料研究取得了突破性成果，高強陶?；炷裂兄瞥晒?，陶?；炷涟l(fā)展進(jìn)入高速發(fā)展階段。
國內(nèi)在陶?；炷练矫嫜芯科鸩捷^晚，自上世紀(jì) 50年代以來，輕質(zhì)骨料混凝土研究和開發(fā)主要集中在人造輕質(zhì)骨料方面，如粉煤灰顆粒、頁巖陶粒等，經(jīng)過較長時間的研究，至 50年代后期，我國北京建設(shè)成功第一棟以頁巖陶?；炷两ㄔO(shè)的裝配式建筑，上世紀(jì) 60年代初，河南平頂山建設(shè)完成洛河大橋是國內(nèi)首座以輕集料混凝土建設(shè)的橋梁，自此開始，陶?；炷恋膽?yīng)用范圍由陸地向橋梁建設(shè)延伸。直至1995年，隨著輕集料的研究成功，輕集料質(zhì)量、施工技術(shù)得到顯著改善，高強陶?；炷猎趪鴥?nèi)的研究與應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展的階段。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國內(nèi)關(guān)于混凝土的研究主要集中于陶?；炷列阅芨纳萍爱a(chǎn)品應(yīng)用范圍拓展方面。
通過研究國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)陶粒混凝土研究具有較長的發(fā)展歷史，但是受限于輕集料的性能及研究，只有系統(tǒng)研究、開發(fā)、應(yīng)用的國家和地區(qū)，陶粒混凝土才有廣闊的發(fā)展空間，同時，在陶?；炷恋膽?yīng)用推動了國內(nèi)外對陶?；炷列阅艿难芯?。
2 陶?；炷炼x及特點
2.1 陶?；炷炼x
陶粒混凝土是指以輕質(zhì)骨料替代普通混凝土中天然石子，并加入適量河砂、水泥等凝膠材料，加入一定量水配制而成的表面密度小于1950kg/m3的混凝土。根據(jù)粗骨料種類的不同，可將陶?；炷羷澐譃榉勖夯姨樟；炷?、自然煤矸石混凝土和頁巖陶?；炷恋?。相較于與普通混凝土，陶?；炷聊軌蛟诖_保強度要求的前提下降低結(jié)構(gòu)自重[7]，能夠滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)化、輕質(zhì)、高強、多功能發(fā)展的需求，可用于輕型砌塊、保溫隔墻、輕型樓板和路面鋪裝等多種應(yīng)用場景，是一種用途廣泛、性能可靠的建筑材料。
2.2 陶?；炷羶?yōu)點
在橋梁工程和高層建筑建設(shè)中，陶粒混凝土具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢[8]，具有以下特點：
（1）輕質(zhì)高強
陶粒混凝土干表觀密度小于普通混凝土密度，普通混凝土干表觀密度一般為2450kg/m3，而陶?；炷羷t為1400kg/m3～1950kg/m3的范圍內(nèi)。通過對比兩者差異，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)陶?；炷寥葜卦?LC5.0～LC50.0 范圍時，其容重僅為普通混凝土的80%，即在同等條件下，陶粒混凝土結(jié)構(gòu)自重較普通混凝土結(jié)構(gòu)輕20%-40%左右。
（2）耐火性能佳
陶?；炷劣捎诓捎昧溯p質(zhì)骨料，因此，陶?；炷猎谑┕ね瓿珊缶哂卸嗫滋匦裕渚€膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均較普通混凝土小，因此，陶?；炷劣绕溥m用于高溫、保溫、抗火能力要求較高的結(jié)構(gòu)建設(shè)中。在發(fā)生火災(zāi)的建筑中，陶?；炷聊軌虻挚够馂?zāi)約4小時左右，而普通混凝土結(jié)構(gòu)僅能支撐1個小時左右。通過試驗對比，在 600℃試驗環(huán)境下，普通混凝土強度降低約 25%至 65%左右，而陶?；炷翉姸冉档蛢H約15%左右。
（3）抗震性能強
通常來說，建筑自重越大，在地震中所承受的地震力越大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)采用陶粒混凝土?xí)r，由于混凝土強度、自重、變形能力得到改善，因此，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時，建筑物所承受的地震力將大大降低。此外，由于陶?；炷辆哂休^低的彈性模量，因此，在建筑建設(shè)中采用陶?；炷聊軌蜓娱L建筑固有振動周期，當(dāng)建筑遭到破壞時會抵消大量變性能，可見，陶?；炷辆哂辛己玫目拐鹦阅?。
（4）耐久性能良好
以頁巖陶粒替代石子作為骨料，能夠改善混凝土堿集料反應(yīng)的發(fā)生，從而起到延長建筑壽命的重要作用。同時，相較于石子，頁巖陶粒與水泥凝膠性能更好，基質(zhì)界面粘貼牢固，從而提高了建筑結(jié)構(gòu)抵抗有害物質(zhì)侵入的能力。上世紀(jì)70年代，國內(nèi)研究機構(gòu)對1958年后建成的陶粒混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行實地研究，研究結(jié)果表明，采用陶?；炷翞樵犀F(xiàn)澆、預(yù)制的各種結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部鋼筋均無銹蝕現(xiàn)象，碳化深度也小于30mm，混凝土結(jié)構(gòu)強度不僅沒有像普通混凝土結(jié)構(gòu)一樣降低，反而呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。
（5） 良好的經(jīng)濟(jì)效益
陶粒是一種很好的綠色材料，原料來源廣泛，可以利用工業(yè)廢料、生活垃圾生產(chǎn)人造陶粒，即減少了對環(huán)境的污染，又使廢棄物得到再生利用。在工程應(yīng)用中使用陶?；炷?，無論在降低自重方面還是保溫隔熱方面，均可降低工程量，節(jié)約工程費用。
2.3 陶粒混凝土缺點
（1）陶?；炷凉ぷ餍圆?/p>
在探討陶粒混凝土應(yīng)用優(yōu)勢的同時，我們也應(yīng)理性看待陶粒混凝土應(yīng)用缺點，其中，陶?；炷凉ぷ餍圆钍侵萍s其應(yīng)用的重要因素，主要是干燥陶粒在吸水后導(dǎo)致混凝土攪拌物坍落度下降，當(dāng)吸水率越大時，坍落度損失越大，而且，由于陶粒和水泥砂漿密度存在較大的差異，導(dǎo)致陶?；炷猎跀嚢柽^程中易出現(xiàn)分層離析的問題，因此，陶粒混凝土易分層離析、坍落度損失大，加之在壓力的作用下，輕集料易出現(xiàn)吸收混凝土中的水分的問題，多種因素導(dǎo)致泵送陶?；炷烈壮霈F(xiàn)堵泵的問題。
（2）力學(xué)性能不足
與普通混凝土相比，陶粒混凝土在抗壓強度、抗拉強度等方面沒有顯著差異，但是，其抗彎強度、彎曲抗拉強度較弱，僅為普通混凝土強度的75%左右，因此，在選用混凝土?xí)r應(yīng)結(jié)合工程特點、混凝土抗彎強度、彎曲抗拉強度等多方面因素。
3 應(yīng)用前景
與普通混凝土相比，陶?；炷猎诮Y(jié)構(gòu)、性能等方面具有顯著的優(yōu)勢，同時，也存在諸多制約因素，還需要進(jìn)一步理論和實踐研究。雖然，我國在陶?；炷练矫娴难芯科鸩捷^晚，在輕集料產(chǎn)品質(zhì)量控制和生產(chǎn)工藝等方面與國外發(fā)達(dá)國家相比存在一定的差距，如國內(nèi)生產(chǎn)的人造顆粒偏粗、粒型不佳、顆粒級配不善等問題，而且，生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝相對落后，陶粒生產(chǎn)能耗居高不下，造成一定的環(huán)境污染，而且所生產(chǎn)的陶粒不適宜在墻體保溫或結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用，因此，在現(xiàn)有資源條件下，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者應(yīng)借鑒國外發(fā)達(dá)國家研究成果、實踐經(jīng)驗，加快陶粒混凝土理論、生產(chǎn)及應(yīng)用研究，推動國內(nèi)陶?；炷良夹g(shù)的快速發(fā)展。
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