|
1 前言
轻集料，是堆积密度小于1200kg/m3的多孔轻质集料的总称。用它可以配制出密度等级为200～1900kg/m3，强度等级为LC5.0～LC50的各种轻集料混凝土。
随着建筑结构向大跨度、高层发展，轻质、高强、高耐久性和可持续发展将是混凝土材料的发展方向。因此，具有良好工作性，高强轻质、体积稳定性和耐久性好的高性能轻集料混凝土具有十分广阔的发展前景。高性能轻集料混凝土的轻质高强在桥梁、道路工程中带来的效益十分显著。它可以使桥梁的跨度增大，减少上部结构预应力钢筋的用量；降低原材料和附件的运输安装费用。由于结构自重小，还可以在桥梁或路面上采用加沥青混凝土铺装层的施工方案。对于旧桥的改建、加宽和维修工程，只需要更换桥面而不必改动旧桥的结构部分，既可提高旧桥的承载能力，又省工、省钱。此外，它还具有更强的比强度（有利于提高结构效率）、较好的抗裂性能、耐久性能、无碱集料反应等优点。
2 应用概状
2.1 国外轻集料混凝土的应用
在国外人造轻集料的生产早在1913年就已经出现，当时美国首先用回转窑烧制出了页岩轻集料。20世纪20年代，前苏联也开始研制人造轻集料，而日本则是在60年代才生产出人造轻集料。70年代是一些发达国家轻集料生产与应用的颠峰期。美国年产量曾达2300万m3，20世纪80年代末前苏联则迅速发展到5000多万m3，其中人造轻集料约占85%。直到20世纪90年代末，美、苏和欧洲一些国家，由于能源、环保及工程建设饱和等因素的影响，轻集料产量的增长才出现停滞甚至下降的趋势。
挪威是世界上结构轻集料混凝土和高强混凝土应用最先进的国家之一。自1987年以来，已经用高强轻集料混凝土施工了11座桥梁，用于6座主跨为154～301m的悬臂桥的主跨或边跨、2座斜拉桥的主跨或者桥面、2座浮桥的浮墩、1座桥的桥面板。混凝土强度等级为LC55～LC60（按照100×100mm立方体标准强度）。其中1999年建成的2座悬臂桥（Stolma桥和Raftsund桥）在当时是世界上跨度最长的2座悬臂桥，主跨分别为301m和298m，分别在其中部的184m和224m段采用了LC60级轻集料混凝土，水养护试件的密度为1940kg/m3。上述11座桥中的6座桥使用的轻集料为Liaporg（堆积密度800±25kg/m3），4座桥使用Leca750～800，2座桥使用Stalite。前两种轻集料为膨胀粘土类，Stalite为膨胀板岩（slate）类，表观密度均约1450kg/m3左右，30分钟～1小时吸水率均约6%～7%。美国1993年以来普遍使用堆积密度740kg/m3，强度标号40MPa，1小时吸水率8.3%的膨胀粘土和页岩类轻集料，其用量都维持在350～415万吨的高水平上，其中用于结构混凝土的部分在80万吨左右。
1998年，日本高强人造轻骨料混凝土研究委员会将90%的粉煤灰、适量的膨润土和碳酸钙、煤粉混合、成球，在1200～1300℃下煅烧膨胀而成。其表观密度约为1800kg/m3，吸水率小于3%。在0.3的水胶比下，用这种轻骨料不经预湿，就能配制出28天强度80MPa、干燥表观密度小于2100kg/m3的高强轻骨料泵送混凝土。日本从1999年开始销售低吸水率、高强度的高性能轻集料，典型产品如日本太平洋水泥株式会社的Taiheyo11071轻集料。它主要用珍珠岩、SiC（发泡材料）、膨润土（胶结材料）作为原料，其典型配比依次为95.5%∶0.2%∶4.3%，其表观密度为600～1500kg/m3，24小时吸水率小于5%。采用这种高性能轻集料配制1.25±0.05t/m3、设计基准强度30MPa、坍落度180±25mm、含气量5.0±1.5%的超轻结构轻集料混凝土，在1999年施工用于本JR山形新干线———新庄间的稻舟川预应力桥梁上。
自上世纪90年代以来，高强、低吸水率优质轻集料就一直是世界各国轻集料发展的主要方向。日本、美国、挪威等国均对原料性能、成球和烧结机理、工艺设备及参数等方面进行了综合研究。除了从原材料组成上进行优化和化学改性外，他们更注重轻集料的焙烧制度和气氛对轻集料矿物组成结构和孔结构形成的影响，因此所制备的轻集料强度高、吸水率低、性能优。
在轻集料的性能方面，许多国家都倾向于在保持轻质的前提下，同时满足高强度、泵送能力和优质耐久性能的要求。用高强轻集料配制的高性能混凝土在结构工程中占有重要位置，应用越来越多，特别在不良地基上建造高层建筑、大跨度桥梁和海洋平台、隧道等需要降低建筑物自重以及需要良好耐久性的场合。
2.2 国内轻集料混凝土的应用
我国早在20世纪中叶就开始对轻集料及轻集料混凝土进行研究，但发展缓慢，至今人造轻集料的年产量还不到400万m3，且主要在工业与民用筑中应用。1960年河南平顶山就用粘土陶粒混凝土建成我国跨径最大的湛河大桥———净跨为50m的拱形公路桥；之后又在南京长江大桥和九江、黄河大桥的部分桥面板应用轻集料混凝土；1965～1968年，在宁波市与上海市之间，也曾用轻集料混凝土建成30多座中、小型预制箱形预应力公路桥，最大跨径仅为23m。混凝土强度都不高于LC30。直至20世纪的90年代后期，在国内外高强混凝土技术迅速发展的推动下，我国高强轻集料混凝土的研究与应用才出现新的转机，在上海、宜昌等地研制成功高强轻集料并开始在桥梁工程中应用。2000年在天津，用强度等级为LC40的轻集料混凝土建成1座预应力多跨连续箱形桥梁———永定新河桥引桥，全长1500m，每跨最大跨径为35m，是我国轻集料混凝土用量最大、强度等级最高的桥。2001年，在北京的健翔桥扩建、新芦沟桥的改造工程和蔡甸汉江大桥桥面铺装工程也采用了高强轻集料混凝土，取得了很好的技术经济效果。
我国主要采用化学改性的方法来降低轻集料的吸水率，但由于没有掌握轻集料自身的孔结构、孔的分布状态与混凝土性能关系的规律，没有掌握焙烧制度对轻集料结构形成的影响规律，因此改性的效果并不明显。
3轻集料研究的主要内容
3.1 轻集料的生产工艺
当前，国内外生产粘土轻集料、页岩轻集料均采用回转窑焙烧，可以生产超轻轻集料（堆积密度＜500kg/m3）、结构保温轻集料（堆积密度500k～750kg/m3）和高强轻集料（堆积密度750～1000kg/m3）。总结轻集料的生产工艺一般有两类：烧结法和免烧法。轻集料的生产工艺和窑型是根据原料的种类、成分、产品性能而定的，烧结法主要是指烧胀型和烧结型。烧胀型用于页岩轻集料和粘土轻集料的生产，而烧结型主要指粉煤灰轻集料的生产。免烧轻集料是指那些原材料不需经过烧结过程，只需简单的养护，就能达到所需强度要求的生产方法，主要针对粉煤灰轻集料而命名的。
粉煤灰轻集料的生产可分为焙烧型和养护型两类，也可生产出性能与上述类似的超轻型、结构保温型和高强型粉煤灰轻集料。焙烧型中又分为烧结机法和回转窑法两种，养护型中又分为自然养护、蒸压养护和发泡蒸气养护三种。根据现有的资料研究，蒸压养护、自然养护是目前研究最多的几种免烧工艺。包壳法生产粉煤灰轻集料是一种特殊的免烧轻集料的制备方法。此两类五法生产技术适应性强，综合优势显著，是粘土轻集料、页岩轻集料生产技术所无法比拟的。
3.2 轻集料形成适宜粘度的原料化学成分范围的研究
粘土矿中一般含有多种矿物，其不同矿物成分和化学成分对粘土的膨胀性能都有很大影响。前苏联的一些研究资料认为，生产轻集料主要采用不同水化云母类和蒙脱石含量的粘土。这类高膨胀性粘土原料的特点是一般均含有如下化学成分：SiO2不大于60%；Al2O314%～20%；Fe2O3＋FeO不大于7%；CaO＋MgO6%～10%；K2O＋Na2O3%～5%。
前苏联轻集料科学研究所的研究还表明，粘土的化学成分不仅对其膨胀性能有很大的影响，对轻集料颗粒强度的影响也是很大的，统计分析表明，可用一个线性方程表示：
fk＝1.1013－0.026SiO2＋0.1272（Fe2O3＋FeO）＋0.0746Al2O3＋0.0065ρ0 （3—1）
式中：fk—轻集料的筒压强度（MPa）；
ρ0—轻集料的堆积密度（㎏/m3）；SiO2、Fe2O3，…—粘土的化学成分（%）。
有公式（3—1）可见，增加SiO2的含量将导致轻集料强度降低，而增加Al2O3和铁化物的含量则可使其强度提高。
列里（Riley）在研究粘土轻集料烧胀性时，通过对大量粘土、页岩的研究认为：满足由SiO2、Al2O3和熔剂（CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、MnO、FeO、TiO2、C等）组成三角形相图的膨胀核心区（如图3－1）成分要求的任何粘土或者其他原料都是可以膨胀的。并发现在某温度范围内，当所用轻集料原料的化学成分处于某一范围时，所得轻集料均具有良好的烧胀性。据此，他提出了用二元法表示原料化学成分的Ri1ey三角形，并具体固定形成适宜粘度的原料化学成分范围〔如图3－1所示〕。从图3－1可知，Riley相图中形成适宜粘度的原料化学成分范围为SiO253%～79%，Al2O310%～25%，溶剂之和为13%～26%。 
图3－1 Riley相图中适宜粘度的原料化学成分范围
国内外的研究还普遍认为，这些膨胀性良好的粘土质原料只有在同时具备两个条件时，才能获得膨胀性良好、密度小的多孔性陶粒。这两个条件是：
（1）在高温下形成具有一定粘稠度的熔融物质，这是必须具备的首要条件；
（2）当物料达到具有一定粘稠度的熔融状态时，还必须产生足够的气体。
很多研究表明，轻集料原料中SiO2、Al2O3含量越高，要达到一定粘度，需要较高的温度；若熔剂成分含量高，则达到一定粘度所需温度降低。各种熔剂成分的助熔效果各不相同，CaO、MgO、Fe2O3低温助熔效果不佳，而在高温下，温度稍有提高，熔液量就急剧增加；K2O、Na2O属于强助熔剂，不仅能降低熔融温度，而且助熔温度范围较宽。据此可见，原料中SiO2的含量越高，其溶液的粘度越高；熔剂（CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、MnO、FeO、TiO2、C等）的含量越高，粘度越低；Al2O3的含量增大，物料的密度增大。
在我国，郭玉顺教授等通过高温在线气相色谱研究分析得知，轻集料的膨胀模式是：在膨胀温度范围内膨胀的气体并非是“被适宜粘度的液相所包围”，而是一直强烈地逸出；“膨胀过程是膨胀气体一直强烈逸出与适宜粘度液相抑制气体逸出的动态平衡过程”。只有同时具备上述2个条件，才可能获得膨胀良好的均质多孔性轻集料。
3.3 轻集料混凝土研究的主要内容
与普通混凝土不同，影响高性能轻集料混凝土强度最主要的因素是集料，通过实验发现：无论7天还是28天强度实验后的轻集料混凝土裂缝都是穿过了集料，而普通混凝土则是绕过集料而断裂。说明集料的强度对其混凝土强度至关重要。
在轻集料混凝土的微观结构中，可以将混凝土认为是粗、细集料包埋在水泥浆中的两相混合物。而知道复合材料的性能由组成材料的性能和它们间的相互作用。轻混凝土与普\通混凝土的差别在于组成的集料和集料与水泥浆之间的界面区不同。下列的因素有利于改善界面区的性能（1）集料的多孔，它为集料和水泥浆之间在集料表面没有游离水的情况下达到湿度平衡和水泥浆渗进集料表面的开孔提供了机会。这些都有利于集料和水泥浆间形成较强的化学键。（2）集料吸水，它使水泥浆的内部固化时间延长。（3）轻集料和水泥浆间的火山灰反应。
由于轻集料是一种表面具有一定火山灰活性而又无碱集料反应的优质集料，运用高强轻集料配制的高性能轻集料混凝土不仅强度高，达到了能用于结构承重的目的，而且具有很好的抗冻和抗渗性能，具有广泛的用途。它的开发与应用已成为建筑工程材料的重要发展方向之一。
作者：钱慧丽，杨宗华，梁会忠
信息来源：道客巴巴
|
