不同轻骨料混凝土的力学性能和耐久性研究进展①

□□ 陈 茜，贾 青，王正君，董佳昕，时廷俊

(黑龙江大学 水利电力学院 寒区水利工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

由于传统混凝土的配置消耗了大量的砂、石等天然骨料，给环境带来了不可避免的破坏，因此，寻找生态友好型混凝土成为一种必然趋势，轻骨料混凝土的使用和发展为减少砂石等不可再生天然骨料的使用提供了可能。轻骨料混凝土使建筑物自重降低，更能减轻地基承载的压力，同时具有优良的抗震性能，但力学性能较低。国内外学者大量地研究了改进轻骨料混凝土的力学和耐久性能的方法，并且取得了有效的进展。

1 轻骨料混凝土力学性能

1.1 煤矸石混凝土力学性能

煤矸石作为工业废料排放对大气、水体、土壤和地质均有不利的影响。我国作为煤炭产量大国，对废弃物煤矸石的再利用将成为可持续发展的必然要求，建筑业对砂石天然骨料的大量耗费不符合可持续发展理念，将煤矸石作为建筑混凝土骨料的应用有利于工业废弃物的处理，故对煤矸石混凝土力学性能的研究将使煤矸石混凝土更广泛的应用于建筑结构中。

MA H Q等[1]采用700 ℃煅烧煤矸石作为粗骨料，碱活化煤矸石-矿渣为胶凝材料制备碱活化煤矸石-矿渣混凝土，研究了该混凝土抗压强度的变化规律。结果表明：矿渣含量的增加可以有效提高混凝土的抗压强度，煤矸石含量的增加对该混凝土的抗压强度则有不利影响，且添加煅烧煤矸石可获得比原煤矸石更高的抗压强度。GAO S等[2]利用煤矸石替代粗骨料用于结构混凝土，试验研究了煤矸石对混凝土材料、圆形钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱力学性能的影响。研究表明：随着煤矸石替换率的提高，钢筋混凝土和钢管混凝土桩轴向抗压强度和弹性模量不断降低，不利于混凝土的力学性能，荷载-位移曲线变化趋势无明显差异。试验还表明，钢管混凝土比钢筋混凝土更适合采用煤矸石作为结构粗骨料。

1.2 陶粒混凝土力学性能

陶粒因其内部孔隙较大且抗压强度比普通碎石低，故其制成的陶粒轻骨料混凝土的强度一般比普通混凝土要低。陶粒粒径大小、形状和颗粒级配、预湿处理等均对混凝土的性能产生影响。陶粒混凝土作为绿色建筑材料符合国家绿色环保建筑要求，并且具有较低的自重，但因强度较低多用于非承重墙。故对陶粒混凝土力学性能的研究将对工程运用提供参考。

LIU J Z等[3]对以城市污泥为原料的陶粒轻骨料混凝土的微观结构和性能进行了研究，研究表明：大颗粒陶粒的使用会降低陶粒混凝土的抗压强度、稳定性和工作性。此外，适当掺入矿物掺合料可以提高陶粒混凝土的抗压强度和工作性，但抗压强度随着水灰比的降低和砂率的增加而有所提高。赵威等[4]研究了陶粒球形、方形、棒状和片状等4种形状对陶粒混凝土力学性能的影响，研究表明，陶粒混凝土的力学性能受陶粒骨料形状的影响。其中，球形陶粒混凝土抗压强度高而棒状陶粒混凝土抗折强度高；用球形、方形和棒状陶粒配制的陶粒混凝土综合力学性能好。

1.3 浮石混凝土力学性能

浮石是火山爆发时喷射出的岩浆冷却后形成的天然轻骨料,广泛分布在我国的北部地区。浮石内部存在大量开放性气孔，比普通碎石强度低。采用浮石作为粗骨料的混凝土质量轻、吸水率高，由于浮石内部孔隙的原因导致浮石轻骨料混凝土强度偏低，但由于浮石资源丰富、质量轻被广泛应用于混凝土中作为粗骨料，故对浮石混凝土力学性能的研究具有重要意义。

Öz H Ö等[5]在水灰比为0.30的条件下，分别用水泥含量为300 kg/m3和420 kg/m3的碎石骨料配制了两种对照混凝土。之后，分别以10%、20%、30%、40%和50%的酸性浮石取代碎石。共生产了12种透水混凝土(PC)，并在28 d和90 d测试了其抗压、劈拉、抗折强度以及总孔隙率和渗透率，结果表明：酸性浮石的使用降低了PC的抗压强度、劈拉强度和抗折强度；当酸性浮石取代碎石骨料达到50%时，无论水泥含量如何，PC的总孔隙率都会增加；酸性浮石具有多孔结构和较圆的形状，加速了水的渗入，提高了PC的透水系数；随着浮石量的增加，掺有浮石的PC的耐磨性降低。Hariyadi等[6]研究了不同比例的火山浮石作为骨料替代物对火山浮石多孔混凝土力学性能的影响，并以普通骨料多孔混凝土为参照。结果表明，火山浮石的加入增加了孔隙率，降低了弹性模量，强度也略有下降。但火山浮石多孔混凝土具有成为冲击吸能结构的可能性。

1.4 其他轻骨料混凝土力学性能

Shafigh P等[7]进行了油棕壳轻骨料混凝土与膨胀黏土轻骨料混凝土力学性能和干缩对比研究，结果表明：油棕壳轻骨料混凝土的干密度高于膨胀黏土轻骨料混凝土(约5%)，但其28 d抗压、抗折和劈裂强度分别比膨胀黏土轻骨料混凝土提高约44%、30%和16%。在早期，油棕壳混凝土的干缩率比膨胀黏土混凝土大，约为100%；但90 d及以上时，干缩率下降到35%。Srinivas K等[8]采用椰壳和聚苯乙烯泡沫塑料微珠部分替代粗骨料，添加不同比例(0.5%、1%、1.5%)的聚丙烯纤维，研究椰壳、发泡聚苯乙烯微珠替代粗骨料聚丙烯纤维轻骨料混凝土的力学性能，研究表明：椰壳可以作为粗骨料的部分替代材料用于轻骨料混凝土的生产；聚苯乙烯微珠是部分替代粗骨料的最佳材料之一；用聚苯乙烯微珠生产密度较小的轻质混凝土是可行的；当聚丙烯纤维含量为1%时，轻骨料混凝土的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度均达到峰值，随着纤维含量的增加，强度有所下降。

2 轻骨料混凝土耐久性能

2.1 煤矸石混凝土耐久性能

煤矸石作为轻质粗骨料应用于轻质混凝土中能够对工业废弃物进行有效处理，但煤矸石骨料多孔，吸水率大，且煤矸石种类多包括原状煤矸石和自燃煤矸石等。因而工程中煤矸石混凝土的耐久性一直是备受关注的问题，国内外学者从煤矸石骨料替代率以及煤矸石种类等角度研究了煤矸石混凝土的耐久性问题。

MA H Q等[9]采用700 ℃煅烧煤矸石作为粗骨料，碱活化煤矸石-矿渣为胶凝材料制备碱活化煤矸石-矿渣混凝土，研究了该混凝土耐久性的变化规律；并研究了不同煅烧煤矸石粗骨料掺量下减缩外加剂对混凝土耐久性的影响。结果表明：在前期，煅烧煤矸石混凝土的抗冻性优于原煤矸石混凝土，后期的抗冻性不如原煤矸石混凝土；随着煤矸石含量的增加，碱活化煤矸石矿渣混凝土的Cl-扩散系数增大，总体上表现出较好的抗Cl-渗透性能且具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能。减缩外加剂的添加显著提高了碱活化煤矸石-矿渣混凝土的抗冻耐久性和抗硫酸盐侵蚀性能(90 d试验)。随着煅烧煤矸石含量的增加，减缩外加剂对混凝土抗Cl-渗透性能的改善效果更加明显。GUAN X等[10]研究了煤矸石不同替代率对煤矸石混凝土试件在冻融循环作用下抗压强度的影响，煤矸石置换碎石体积比分别为0、20%、40%、60%。结果表明：煤矸石混凝土在冻融循环作用下力学性能的降低速率明显高于普通混凝土；混凝土中煤矸石含量越多，混凝土的强度降低速度越快，说明煤矸石混凝土的抗冻性比普通混凝土差。

2.2 陶粒混凝土耐久性能

陶粒因表面粗糙多孔且内部孔隙多能更好的与水泥浆体包裹在一起，与普通碎石和天然砂相比，陶粒与水泥浆体的粘结性能更好，且水泥能对陶粒内的孔隙起到很好的填充效应。因此，陶粒混凝土比普通混凝土具有更优良的抗冻抗渗性能，使用寿命更加长久。陶粒的耐久性能与骨料预湿程度、骨料取代率等有关，通过在陶粒混凝土中添加纤维、外加剂等外掺料可显著改善陶粒混凝土的耐久性能。

GONG J Q等[11]研究了减缩剂和聚丙烯纤维单独和联合作用对陶粒混凝土耐久性的影响。结果表明：单独掺加减缩剂，混凝土早期微膨胀随减缩剂掺量的增加而增大，自收缩和干缩随之减小；掺入聚丙烯纤维后，早期微膨胀幅度下降幅度较大，但对自收缩和干缩影响不大，收缩降幅小于减缩剂对混凝土的影响；对自收缩、干燥收缩和减缩有显著贡献。JI T等[12]研究了在相同总水灰比下，不同陶粒预湿程度对陶粒轻骨料混凝土早期自收缩的影响，结果表明：在液相和骨架形成阶段，预湿24 h陶粒对轻骨料混凝土早期自收缩有明显的促进作用。在硬化阶段，陶粒混凝土表现出小的膨胀应变。因此，对于相同的总水灰比，轻骨料混凝土的早期自收缩随陶粒预润湿度的增加而减小。

2.3 浮石混凝土耐久性能

浮石在我国北方地区储量丰富，取材方便，并且浮石表面粉末具有火山灰活性，具有良好的耐久性能。国内外学者对浮石的抗冻、抗Cl-渗透和抗碳化等耐久性做了大量研究。

WANG X X等[13]在蔡浩模型和鲍尔斯静水压力假设的基础上，对天然浮石混凝土冻融损伤模型进行了试验研究。应用疲劳损伤力学理论更准确地描述天然浮石混凝土的物理性质，改进了静水压力计算和测试方法，结果表明：天然浮石混凝土的最大静水压力通常出现在(-20～-5)℃之间，而普通混凝土的最大静水压力通常出现在(-5～0)℃之间。这些最大孔压温度的差异表明天然浮石混凝土比普通混凝土具有更好的抗冻性。掺加引气剂后，天然浮石混凝土的最大静水压值明显降低，这表明引气剂的添加可以提高材料的抗冻性。

Madani H等[14]研究大掺量浮石和硅灰的生态友好型混凝土在3 d～365 d内的力学和耐久性特性，浮石与硅灰一起使用时，置换程度高达60%。研究表明，在28 d时，浮石并没有提高材料的耐氯性和毛细管吸水率，但由于硅灰和浮石的协同作用，在这个龄期，浮石的扩散性得到了很大程度地提高。在90 d内，掺有浮石的混凝土耐久性有了显著的提高，这种提高是由于硅灰的使用而得到了很大的促进。

2.4 其他轻骨料混凝土耐久性能

DONG W等[15]研究了以0、10%、20%、30%、40%的风积沙取代相同质量的河砂制备的风积沙浮石轻骨料混凝土的冻融损伤规律。结果表明：当风积沙掺量>30%时，混凝土的冻融破坏加速；但当混合液质量分数<30%时，损伤被抑制。确定风积沙替代普通砂的最佳替代率为20%～30%。卢文明[16]研究了橡胶颗粒以10%～50%的等体积取代率取代细砂的橡胶轻集料混凝土的抗渗性能和抗冻性能。结果表明：增加橡胶颗粒的含量会使混凝土的抗渗性能减弱。但是与基准混凝土相比，橡胶轻集料混凝土抗渗性更好；经过冻融循环试验可知，最优橡胶颗粒掺量为20%，此时抗冻性能最好。

3 结语

本文主要介绍了陶粒、煤矸石、浮石等其他轻骨料混凝土的力学性能和耐久性，通过国内外大量研究发现，轻骨料混凝土质量轻是因为轻粗骨料的质量要低于普通碎石，而混凝土的质量主要取决于粗细骨料。因此，轻骨料混凝土使建筑物结构自重较轻，减小了地基承载荷载的压力；但由于轻骨料多孔，孔隙率大，强度一般比普通碎石要低，导致轻骨料混凝土的力学性能受到限制，阻碍了陶粒、煤矸石等轻骨料在高性能混凝土中的运用。

国内外学者为改善轻骨料混凝土力学性能和耐久性能方面的不足，研究了通过掺入纤维、矿物掺合料和外加剂等外掺料来提高轻骨料混凝土的力学性能和耐久性，进一步探索轻质高强、高性能混凝土在工程中的运用，虽然目前轻骨料混凝土在力学性能和耐久性方面仍然存在一些问题，但随着研究的深入，轻骨料混凝土的力学性能和耐久性将会得到显著提高，轻骨料混凝土在高层建筑及装配式建筑中的运用将有更广阔的前景。