土木工程材料论文

现代混凝土新品种，制造技术及其工程上的应用研究综述中文摘要：作为现代混凝土新品种——高强、高性能轻集料混凝土其所具有的特性：轻质、高强特征明显；高耐久性；多功能的特点鲜明；经济性显着。

对于高强、高性能轻集料混凝土在制造技术上，主要分为两方面的技术要求。

一方面在进行轻集料混凝土的配合比设计时，需要同时考虑九个设计参数，分别为：试配强度、水泥品种及强度等级、水泥用量、用水量、砂率、轻集料的密度等级、粗细集料总体积、矿物掺合料、外加剂。

另一方面就是在实际的配比方法上，有着较多的工艺需要考虑。

例如，对于轻集料混凝土的制备可以细分为：轻集料预处理工艺和搅拌工艺；对于轻集料混凝土的施工可以细分为：拌和物的运输、泵送工艺、浇筑和振捣工艺、养护工艺；对于轻集料混凝土生产与施工的质量控制，又可以用不同的方法，分别对轻集料的质量控制和对轻集料混凝土的质量控制。

目前轻集料混凝土在工程上的应用，已经突显其优势。

对于高层、桥梁、预制保温部件，都有着较好的效果。

关键词：高强、高性能轻集料混凝土的特性制造技术工程应用混凝土是由胶结材料（无机的、有机的或是无机有机复合的），颗粒状集料以及必要时加入的化学外加剂和矿物掺合料合理组成的混合料，经水化硬化后形成具有堆聚结构的复合材料。

目前应用最广的是以水泥为胶结材料制成的混凝土。

由于混凝土具有组成材料多样及其性能不同的特点，所以其分类及命名并没有明确的规定。

根据表观密度不同，可将混凝土分为重混凝土、普通混凝土，和轻混凝土。

重混凝土干表观密度大于2800 kg/m³，主要用于具有防辐射要求的原子能工程及具有抗冲磨要求的水工工程等。

普通混凝土干表观密度在2000～2800 kg/m³，主要用于各种承重结构，例如房屋、桥梁、道路工程中的路面等。

轻混凝土的干表观密度小于2000 kg/m³，可分为轻集料混凝土、多孔混凝土、加气混凝土、泡沫混凝土和大孔混凝土（无细骨料），可用做承重隔热构件或保温隔热材料。

[1] 高强和高性能化是混凝土材料发展的主要方向。

据预测，在今后的100年甚至更长的时间，混凝土仍然是我们这个世界最主要的工程材料，而高强和高性能混凝土将占主要地位。

自19世纪初期人造轻集料开始工业化生产以来，轻集料混凝土一直在向高强化、高性能化的方向发展，高强与高性能混凝土技术的快速进步又极大的推动了高强与高性能轻集料混凝土的发展。

在此前提下，笔者就主要介绍现代轻混凝土中的高强与高性能轻集料混凝土。

高强轻集料混凝土的概念具有时代特征，随着时代前进，高强混凝土强度的底限在不断提高。

混凝土的强度主要与水泥石的强度、集料强度、集料与水泥石之间界面的黏结强度有关。

据报道，日本采用800级、最大粒径为15mm的高性能轻集料配制出干密度1880 kg/m³、28d抗压强度达到95Mpa的高强轻集料混凝土，采用堆积密度为900 kg/m³的高性能轻集料，甚至可以配制出表观密度为2070 kg/m³、抗压强度达140Mpa的超高强轻集料混凝土。

对于高性能混凝土，吴中伟院士提出以下定义：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土性能基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。

针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。

[2]从材料的发展战略、经济性和技术要求三个方面，笔者认为高性能混凝土应该具有的主要特征包括：比强度高，工作性、以及稳定性和耐久性高，经济性突出，环境兼容性好，以及多功能。

这也说明了，高性能轻集料混凝土将是今后几十年，甚至更长的时间里，成为混凝土材料的发展方向。

1 轻集料混凝土的特性与普通混凝土相比，高强轻集料混凝土能够在保持较高强度的基础上，使混凝土的自重降低20%以上。

这对于结构横载占有较大比例，且对材料性能具有较高要求的高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程的等现代大型工程而言，高强轻集料混凝土的竞争力具有很强的市场竞争力。

随着高性能轻集料混凝土技术的发展，轻集料混凝土的竞争力体现的更为充分，主要表现在以下几个方面：1.1轻质、高强特征明显高性能轻集料混凝土的干表观密度小于1950kg/m³，且具有较高的强度，所以相同强度等级下，它具有比普通混凝土高的比强度。

因而轻集料混凝土无疑是高层与大跨度结构的理想建筑材料。

1.2高耐久性抗压强度为50～100Mpa的高强轻集料混凝土具有非常低的渗透性和良好的抗冻性。

日本研究了由高性能轻集料配制的混凝土的抗冻性，发现经过300次冻融循环后，其质量损失仅0.2%～1.4%1.3多功能的特点鲜明①具有隔热、保温、保湿功能。

高强轻集料混凝土材料的内部结构特征是一种均质多孔材料，具有表观密度小，热导率大大低于普通混凝土的热导率的特点。

由于这些特点，使得在室内空气湿度较高的情况下，轻集料能够吸收空气中的水分，相反，轻集料又自动释放出水分，起到保温、保湿的作用②具有良好的抗震性能。

轻集料混凝土的弹性模量比较低，极限变形高于普通混凝土，因而抗震性较好。

1.4经济性显着人造轻集料的造价较高，因而单从材料成本而论，使用轻集料会增加工程材料的成本。

但是，由于轻集料混凝土具有高比强度、高耐久以及抗震、保温等功能的优势，采用轻集料混凝土代替普通混凝土可以减轻结构自重，减小结构断面尺寸，提高结构跨度或增加层高。

因此使用轻集料混凝土不仅可以节约水泥、钢筋以及预应力钢筋等材料，取得较大的直接经济效益，而且还可以降低基础处理费用，增加使用面积，延长工程使用寿命，获得显着的直接经济效益。

2轻集料混凝土的制造技术在实际过程中，配制轻集料混凝土时，首先需要进行配合比设计（试配），其次再通过提高各项制备、施工技术的方法，以达到制造满足要求的轻集料混凝土。

2.1轻集料混凝土的配合比设计设计轻集料混凝土的配合比时，在考虑各方面的因素之后，根据需要，选取设计参数和配比方法。

2.1.1设计参数包括：①试配强度σ根据我国《轻集料混凝土的技术规程》（JGJ51—2002）的规定，轻集料混凝土的试配强度要求具有95%的保证率，试配强度可按下列公式确定： Fcu.o≥Fcu.k+1.645 式中Fcu.o—轻集料混凝土的试配强度，Mpa； Fcu.k—轻集料混凝土立方体抗压强度标准值（即强度等级），Mpa; σ—轻集料混凝土的强度标准差，Mpa. 标准差σ根据所配制混凝土的不同强度等级而不同。

②水泥品种及强度等级配制轻集料混凝土所用水泥应符合国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175）和《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥》（GB1344）的要求。

若采用其他品种的水泥时，其性能指标要符合相应标准的要求。

③水泥用量由于轻集料强度较低，且具有不规则的表面特性，因此，在达到与普通混凝土相同强度等级的情况下，配制轻集料混凝土的水泥用量一般高于普通混凝土。

此外，轻集料混凝土的水泥用量还与轻集料的品种、表面形态、堆积密度等有关。

④用水量由于不同轻集料吸水率的差别很大，且其大小随时间而变化。

轻集料预先吸入的水分对新拌混凝土的工作性影响较小，因此一般采用净水量或净水胶比进行设计。

只有在集料的吸水率不稳定或是很难掌握是，才用总用水量或是总水胶比。

⑤砂率砂率轻集料混凝土的砂率范围一般在30%～50%内，在这个范围内，相对于强度而言，轻集料混凝土的砂率有一个最佳值。

对于不同品种的轻集料，不同用途的轻集料混凝土，砂率亦有所不同。

下表2-1列出了不同用途的轻集料混凝土砂率的取值范围。

表2-1不同用途细集料品种轻集料混凝土的砂率⑥轻集料的密度等级轻集料混凝土所用轻集料应符合国家现行标准《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》（GB/T17431.1）和《珍珠岩》（JC209）的要求。

⑦粗细集料总体积粗细集料总体积主要与粗集料、堆积密度，细集料的品种以及混凝土的内部结构有关。

用不同粒型轻粗集料配制轻集料混凝土时，其所需粗细集料总体积可按下表2-2进行选择。

2-2粗细集料总体积⑧矿物掺合料在当前常用的矿物掺合料中，粉煤灰、磨细矿渣在轻集料混凝土中的应用最为普遍。

粉煤灰掺量、粉煤灰取代水泥的百分数及超量取代系数等一系列的选择，应参照《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB8076）《粉煤灰在混凝土和砂浆中的应用技术规程》（GBJ146）的有关规定执行；磨细矿渣的使用应参照《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB18046）的有关规定执行。

⑨外加剂在轻集料混凝土中掺入各种化学外加剂时，外加剂的质量和掺量应按照《混凝土外加剂》（GB8076）标准要求执行，并通过试验来确定。

2.1.2 配比方法在我国，实际工程中多用松散体积法进行轻集料混凝土配合比的设计。

松散体积法以混凝土的干表观密度为基准，即假定每立方米轻集料混凝土的干表观密度为其各组成材料干燥状态下质量的总和，以此为基础，通过计算和查表，求出各组成材料的质量及其总和，再经过试验调整，求出最终的施工配合比。

2.2轻集料混凝土的制备与施工技术2.2.1轻集料混凝土的制备①轻集料预处理工艺轻集料在使用前的预湿方法有喷淋、浸泡、真空饱水等，最常用的方法是喷淋和浸泡。

合理的预湿处理工艺应首先掌握轻集料的吸水特性，在掌握轻集料的吸水率与饱水时间之间关系，绘制吸水率随饱水时间变化趋势图的基础之上，再确定预湿时间，即通过预湿时间来掌握轻集料的预湿程度。

由于轻集料的预湿程度会影响混凝土的抗冻性，因此预湿程度的选择还要考虑施工技术手段和环境因素。

②搅拌工艺轻集料混凝土的搅拌工艺最重要的是加料顺序。

轻集料在拌和过程中吸入水泥浆，也会吸入部分减水剂，因而加入减水剂必须遵循在集料充分拌湿之后才能加入的原则，以防止因轻集料吸附而降低减水剂的减水效果。

对于经预湿处理和未经预湿处理的轻集料，混凝土的加料顺序是不同的，具体的投料顺序分别如下2-3图2-4图所示。

2.2.2轻集料混凝土的施工轻集料混凝土的施工包括轻集料混凝土拌和物的运输、泵送、浇筑与振捣及拌和物的养护。

①拌和物的运输根据经验，应尽量缩短轻集料混凝土的运输距离，防止在运输途中出现分层离析和流动性损失过大的问题，并加强坍落度观察和控制②泵送工艺实现轻集料混凝土泵送施工的技术思路见图2-5③浇筑和振捣工艺对于轻集料混凝土在浇筑和振捣工艺方面，有一些特殊的要求：对于大流动性混凝土适宜采用插捣型，对于干硬性混凝土，可采用振动太或表面加压成型。

在分层浇筑时，每次分层应尽可能趋于水平，尽量避免形成较陡的斜坡，防止轻集料从拌和物中脱离后，沿斜坡滚落至斜坡地处“扎堆”。

为保证轻集料混凝土在整个构件断面上具有较好的均质性，同时也利于振动密室，每次分层浇筑的高度以300—500mm为宜。