陶粒混凝土研究

毕建静 高 震

（山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590）

0 绪论

在现代建筑行业中，混凝土是基础性材料，是现代建筑、基础设施与土木工程施工中必不可少的材料，也是用途最为广泛和用量最大的材料之一。长期以来，混凝土材料来源广泛，价格相对低廉，且具有良好的强度、性能及耐久度特点，在当前乃至一段时间内都是土木工程、铁路、基础设施和水利工程的首选材料[1]。自19世纪30年代以来，混凝土应用范围不断扩大，用量持续增长；至19世纪50年代，钢筋混凝土出现后，混凝土应用范围进一步扩大；自20世纪30年预应力混凝土问世以来，预应力混凝土具有自重轻、用量少、抗裂性能和刚度性能优异等特点，逐步取代了钢结构和钢筋混凝土结构。

随着社会现代化发展，我国建筑行业、桥梁工程、铁路工程和水利工程快速发展，高层建筑、超高层建筑等结构形式快速发展，这些结构形式具有自重和跨度等问题，预应力混凝土施工技术要求高，现代工程建设面临新的挑战。在此背景下，陶粒混凝土具有轻质、高强、耐久性能优异、抗震性能良好等特点，逐渐成为混凝土领域应用与发展的主要趋势。

1 陶粒混凝土国内外研究现状

相较于国内，国外在陶粒混凝土研究与应用方面起步较早[2-3]。自上世纪初期，西方发达国家就开始了陶粒混凝土方面的研究，其目的是改善传统混凝土存在的不足，并取得了良好的研究成果。陶粒混凝土最早于1913年在美国研制成功，受限于相关规范与自身性能限制，陶粒混凝土研制后仅限于用于非承重结构。例如，以陶粒混凝土为原材料建造的美国休斯敦贝壳广场大厦[4]，取得了良好的社会效益与经济效益。上世纪90年代，陶粒混凝土在海上平台和浮桥工程建设方面取得了良好的应用效果 。但同时，受限于陶粒混凝土自身性能及造价等因素制约，在工程建设方面发展较为缓慢。至1995年，轻质骨料研究取得了突破性成果，高强陶粒混凝土研制成果，陶粒混凝土发展进入高速发展阶段。

国内在陶粒混凝土方面研究起步较晚，自上世纪 50年代以来，轻质骨料混凝土研究和开发主要集中在人造轻质骨料方面，如粉煤灰颗粒、页岩陶粒等，经过较长时间的研究，至 50年代后期，我国北京建设成功第一栋以页岩陶粒混凝土建设的装配式建筑，上世纪 60年代初，河南平顶山建设完成洛河大桥是国内首座以轻集料混凝土建设的桥梁，自此开始，陶粒混凝土的应用范围由陆地向桥梁建设延伸。直至1995年，随着轻集料的研究成功，轻集料质量、施工技术得到显著改善，高强陶粒混凝土在国内的研究与应用进入快速发展的阶段。进入二十一世纪以来，国内关于混凝土的研究主要集中于陶粒混凝土性能改善及产品应用范围拓展方面。

通过研究国内外文献资料，发现陶粒混凝土研究具有较长的发展历史，但是受限于轻集料的性能及研究，只有系统研究、开发、应用的国家和地区，陶粒混凝土才有广阔的发展空间，同时，在陶粒混凝土的应用推动了国内外对陶粒混凝土性能的研究。

2 陶粒混凝土定义及特点

2.1 陶粒混凝土定义

陶粒混凝土是指以轻质骨料替代普通混凝土中天然石子，并加入适量河砂、水泥等凝胶材料，加入一定量水配制而成的表面密度小于1950kg/m3的混凝土。根据粗骨料种类的不同，可将陶粒混凝土划分为粉煤灰陶粒混凝土、自然煤矸石混凝土和页岩陶粒混凝土等。相较于与普通混凝土，陶粒混凝土能够在确保强度要求的前提下降低结构自重[7]，能够满足现代建筑结构化、轻质、高强、多功能发展的需求，可用于轻型砌块、保温隔墙、轻型楼板和路面铺装等多种应用场景，是一种用途广泛、性能可靠的建筑材料。

2.2 陶粒混凝土优点

在桥梁工程和高层建筑建设中，陶粒混凝土具有显著的应用优势[8]，具有以下特点：

（1）轻质高强

陶粒混凝土干表观密度小于普通混凝土密度，普通混凝土干表观密度一般为2450kg/m3，而陶粒混凝土则为1400kg/m3～1950kg/m3的范围内。通过对比两者差异，不难发现当陶粒混凝土容重在 LC5.0～LC50.0 范围时，其容重仅为普通混凝土的80%，即在同等条件下，陶粒混凝土结构自重较普通混凝土结构轻20%-40%左右。

（2）耐火性能佳

陶粒混凝土由于采用了轻质骨料，因此，陶粒混凝土在施工完成后具有多孔特性，其线膨胀系数和导热系数均较普通混凝土小，因此，陶粒混凝土尤其适用于高温、保温、抗火能力要求较高的结构建设中。在发生火灾的建筑中，陶粒混凝土能够抵抗火灾约4小时左右，而普通混凝土结构仅能支撑1个小时左右。通过试验对比，在 600℃试验环境下，普通混凝土强度降低约 25%至 65%左右，而陶粒混凝土强度降低仅约15%左右。

（3）抗震性能强

通常来说，建筑自重越大，在地震中所承受的地震力越大，两者呈正相关关系。当建筑结构采用陶粒混凝土时，由于混凝土强度、自重、变形能力得到改善，因此，当地震灾害发生时，建筑物所承受的地震力将大大降低。此外，由于陶粒混凝土具有较低的弹性模量，因此，在建筑建设中采用陶粒混凝土能够延长建筑固有振动周期，当建筑遭到破坏时会抵消大量变性能，可见，陶粒混凝土具有良好的抗震性能。

（4）耐久性能良好

以页岩陶粒替代石子作为骨料，能够改善混凝土碱集料反应的发生，从而起到延长建筑寿命的重要作用。同时，相较于石子，页岩陶粒与水泥凝胶性能更好，基质界面粘贴牢固，从而提高了建筑结构抵抗有害物质侵入的能力。上世纪70年代，国内研究机构对1958年后建成的陶粒混凝土结构进行实地研究，研究结果表明，采用陶粒混凝土为原料现浇、预制的各种结构，其内部钢筋均无锈蚀现象，碳化深度也小于30mm，混凝土结构强度不仅没有像普通混凝土结构一样降低，反而呈现持续增长趋势。

（5） 良好的经济效益

陶粒是一种很好的绿色材料，原料来源广泛，可以利用工业废料、生活垃圾生产人造陶粒，即减少了对环境的污染，又使废弃物得到再生利用。在工程应用中使用陶粒混凝土，无论在降低自重方面还是保温隔热方面，均可降低工程量，节约工程费用。

2.3 陶粒混凝土缺点

（1）陶粒混凝土工作性差

在探讨陶粒混凝土应用优势的同时，我们也应理性看待陶粒混凝土应用缺点，其中，陶粒混凝土工作性差是制约其应用的重要因素，主要是干燥陶粒在吸水后导致混凝土搅拌物坍落度下降，当吸水率越大时，坍落度损失越大，而且，由于陶粒和水泥砂浆密度存在较大的差异，导致陶粒混凝土在搅拌过程中易出现分层离析的问题，因此，陶粒混凝土易分层离析、坍落度损失大，加之在压力的作用下，轻集料易出现吸收混凝土中的水分的问题，多种因素导致泵送陶粒混凝土易出现堵泵的问题。

（2）力学性能不足

与普通混凝土相比，陶粒混凝土在抗压强度、抗拉强度等方面没有显著差异，但是，其抗弯强度、弯曲抗拉强度较弱，仅为普通混凝土强度的75%左右，因此，在选用混凝土时应结合工程特点、混凝土抗弯强度、弯曲抗拉强度等多方面因素。

3 应用前景

与普通混凝土相比，陶粒混凝土在结构、性能等方面具有显著的优势，同时，也存在诸多制约因素，还需要进一步理论和实践研究。虽然，我国在陶粒混凝土方面的研究起步较晚，在轻集料产品质量控制和生产工艺等方面与国外发达国家相比存在一定的差距，如国内生产的人造颗粒偏粗、粒型不佳、颗粒级配不善等问题，而且，生产设备、生产工艺相对落后，陶粒生产能耗居高不下，造成一定的环境污染，而且所生产的陶粒不适宜在墙体保温或结构工程中应用，因此，在现有资源条件下，国内相关领域专家、学者应借鉴国外发达国家研究成果、实践经验，加快陶粒混凝土理论、生产及应用研究，推动国内陶粒混凝土技术的快速发展。