薛慧君，申向東，鄒春霞，董　偉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特　010018)

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浮石及浮石輕骨料混凝土材料研究進展

薛慧君，申向東，鄒春霞，董偉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018)

浮石是一種分布較為廣泛的天然非金屬礦藏，其具有非常發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用其這一特征可以作為天然輕骨料配制浮石輕骨料混凝土。隨著工程建設的飛速發(fā)展，普通混凝土自重大、隔熱保溫性差等問題制約其在某些特定工程上的發(fā)展，而浮石混凝土與之相比具有比強度高、保溫隔熱、抗震耐久等優(yōu)點。本文概括了浮石的形成過程、特性與研究現(xiàn)狀，針對浮石混凝土做了進一步分類，概述各類型浮石混凝土的特點與優(yōu)勢，并闡述了國內(nèi)外浮石混凝土物理力學性能與耐久性的研究現(xiàn)狀，最后對浮石混凝土研究與應用進行展望。

浮石； 浮石混凝土； 輕骨料混凝土； 物理力學性能； 耐久性

1　引　言

浮石又稱為浮巖或輕石，屬于一種非金屬礦產(chǎn)資源，廣泛分布于東亞大陸、西非大陸、歐洲大部分地區(qū)以及環(huán)太平洋沿海及群島地區(qū)[1]；在我國，浮石資源分布非常豐富，主要集中在火山分布區(qū)，尤其是北方黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、山西及河北等省區(qū)較多且質(zhì)量較好，噴發(fā)年代比較新[2]?，F(xiàn)階段我國正在開采的十多個火山群中已查明的浮石儲量估計超過20億m3，還有部分火山群的資源未經(jīng)統(tǒng)計，目前正在開發(fā)利用黑龍江省克東二克山浮石礦、吉林省安圖園池浮石礦、內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭哈達浮石礦等[3]。一般普通碎石在開采過程中往往需要開山碎石、人工爆破等方式，在生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生噪聲和粉塵污染，不僅非常不環(huán)保且成本較高，然而浮石礦大部分為露天礦，相對開采較為方便且更為經(jīng)濟，除此之外，大部分浮石礦分布地區(qū)石灰石資源也相對較為缺乏。如何合理的利用天然浮石資源，同時減少工業(yè)現(xiàn)代化建設對環(huán)境所造成的不可逆破壞具有非常重要的現(xiàn)實意義。

天然浮石輕骨料混凝土(簡稱浮石混凝土)是指利用天然浮石作為其粗骨料，表觀密度為1800～1950 kg/m3，強度等級為LC10～LC50，具有一定力學性能及耐久性的混凝土材料，往往用于一些非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件，較少用于承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件[4]。

浮石混凝土的研究與應用由來已久，德國是世界上最早有關于浮石混凝土材料記載的國家，早在1845年，在埃菲爾山脈火山地區(qū)分布有大量的浮石礦藏，當?shù)厝死锰烊桓∈炷疗鰤K材料來建造房屋，到了上世紀90年代，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，浮石資源進一步得到開發(fā)，在萊茵蘭地區(qū)浮石產(chǎn)業(yè)已經(jīng)達到流水化生產(chǎn)[1]。此外，美國、前蘇聯(lián)、意大利、土耳其、日本等國家都開展了浮石混凝土的相關研究與應用，如1949年前蘇聯(lián)格魯吉亞建造了一座三孔混凝土鐵路橋，其中一孔則采用浮石混凝土建造，與普通混凝土相比較能夠有效減少鋼筋和水泥用量、減輕自重、節(jié)約成本[5]；1976年意大利斐瑞利發(fā)生里氏9.0級強烈地震，各種建筑損壞嚴重，而浮石砌塊建筑結(jié)構(gòu)因為其良好的抗震性能損壞率僅為5%，遠低于其他建筑結(jié)構(gòu)損壞率。我國對浮石研究應用起步相對較晚，1959年夫凡最早公開出版關于浮石及浮石混凝土研究與應用的文獻，概括性介紹了關于浮石及浮石混凝土的性能與用途[6]。現(xiàn)如今，我國北方浮石資源儲量豐富的地區(qū)已經(jīng)對于浮石混凝土的研究與應用取得一定成果[2,3,6]。

2　浮石研究與應用現(xiàn)狀

2.1浮石的形成過程及特性

大部分浮石存在于火山下風側(cè)地帶，伴隨著火山噴發(fā)，熔融態(tài)的內(nèi)源性巖漿迅速噴射出來與外界空氣與水汽混合，在溫度和壓強急劇變化下空氣與水汽發(fā)生膨脹從而形成多孔狀玻璃質(zhì)巖石，部分體積較小、質(zhì)量較輕的海綿狀顆粒在重力及其他外力作用下轉(zhuǎn)移到較遠處形成浮石層[1-3]，體積較大的在火山口附近堆積形成整體性更佳浮巖層[4-6]。

浮石大部分呈黑褐色、紅褐色，少部分呈現(xiàn)黃色、灰白色，表面粗糙，具有非常發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙分布不均勻，一般為球形或橢球形氣孔，內(nèi)壁較為光滑。一般浮石的化學組成為硅鋁酸鹽玻璃質(zhì)材料，其中SiO2和Al2O3為主要化學物質(zhì)，含量超過總量的3/4，分別為55%和22%左右，其余為Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO以及TiO2等金屬氧化物。浮石具有質(zhì)輕、多孔、吸聲、容重小、導熱系數(shù)小、吸水率大、造價低、易開采及耐蟲害等特性[2-4]。

2.2浮石的研究與應用現(xiàn)狀

浮石由于其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)、理化參數(shù)以及資源優(yōu)勢，被建筑、化工、紡織、醫(yī)藥、漁業(yè)等行業(yè)廣泛應用，尤其在建筑行業(yè)中使用量最大，適用范圍最廣。

在建筑領域中，浮石顆?？梢宰鳛楦∈炷凉橇?、浮石空心磚砌塊骨料[7]、屋面保溫材料、煙囪內(nèi)襯材料等，浮石粉可以作為陶瓷釉原料、水泥熟料[4]、水泥土摻合料[8]、泡沫玻璃基料[9]、巖棉制品原料等；在環(huán)境領域中，TiO2/浮石可以降解環(huán)境中的有機污染物、吸附污水中污染物質(zhì)等[10]；在醫(yī)藥領域中，浮石又被稱作海浮石，是一味軟堅散結(jié)、清熱化痰、通淋的傳統(tǒng)中藥，可以治療咳喘、瘡腫、癭瘤、疝氣、淋病等病癥[11]；在化工領域中，浮石可以作為塑料、肥皂、洗手液等化工用品的填料或原材料等[12]；在其他領域中，浮石還可以用作盆景、磨料、拋光劑、吸附材料、化肥及農(nóng)業(yè)載體等[4]。

3　浮石混凝土分類

3.1礦物摻合料浮石混凝土

眾所周知，水泥廠生產(chǎn)各類型水泥始終伴隨著嚴重的CO2、SO2、氮氧化物、大顆粒粉塵以及PM2.5等諸多污染問題，盡管如今采用負壓和密封等措施能夠一定程度上減少污染源，但仍然不能完全阻隔污染物質(zhì)出現(xiàn)。大力發(fā)展綠色環(huán)保浮石混凝土勢在必行，充分利用礦物摻合料，一方面能夠有效減少水泥的用量，從而減少生產(chǎn)水泥所產(chǎn)生的污染物質(zhì)；另一方面，適量的礦物摻合料能夠有效改善浮石混凝土的各項性能，從而達到變廢為寶的目的?，F(xiàn)階段對于浮石混凝土常用到的礦物摻合料有粉煤灰、硅灰、石灰石粉以及偏高嶺土等等。

Yasar等[13]利用粉煤灰作為摻合料配制浮石混凝土，研究表明當粉煤灰摻量為20%左右時能夠顯著改善浮石混凝土拌合物均勻性和黏聚性，保證浮石混凝土強度指標，且具有良好的經(jīng)濟價值；Demirboga等[14,15]利用粉煤灰、硅灰等多種復合礦物摻合料，對浮石混凝土各項性能進行改性研究，研究表明復合礦物摻合料浮石混凝土的強度影響并非單純正效應的疊加，粉煤灰與硅灰在一定比例下能夠最大程度上改善浮石混凝土的各項性能；Ramezanianpour等[16,17]利用偏高齡土替代部分水泥配制浮石混凝土，研究表明偏高嶺土能夠有效改善浮石混凝土早期強度以及抗凍性，一定程度上可以節(jié)約水泥用量從而降低成本。高矗、張通等[18-20]利用內(nèi)摻石灰石粉等量替代水泥和沙子配制浮石混凝土，研究表明在適量的替代量下，不同粒徑石灰石粉均能夠?qū)Ω∈炷翉姸扔兴纳芠20]，后期石灰石粉的水化活性效應和填充效應表現(xiàn)更為明顯。

3.2纖維增強浮石混凝土

由于浮石自身強度不高等原因限制，普通浮石混凝土不宜作為高強混凝土使用。利用纖維在復合材料中的阻裂、橋接和增韌作用，能夠有效增強浮石混凝土抗震能力、提高彎曲強度和沖擊強度且有效減少浮石混凝土后期裂縫發(fā)育，但過多的纖維摻入會使得纖維與纖維之間產(chǎn)生薄弱區(qū)，從而影響浮石混凝土相關性能?，F(xiàn)階段常用于增強浮石混凝土的纖維有聚丙烯纖維、鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維以及植物纖維等。

Kaffetzakis等[21,22]利用不同長度高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙烯纖維混雜，配制混雜纖維增強浮石混凝土，研究表明適量混雜纖維摻入能夠有效提升浮石混凝土彎曲韌性、抗折強度以及耐沖擊性；Bahar等[23]利用250～1000 ℃高溫試驗對碳纖維硅灰增強浮石混凝土的力學性能進行研究，研究表明在500～750 ℃間抗壓強度與孔隙度之間關聯(lián)度更高；張愛軍等[24]利用鋼纖維改善浮石混凝土力學性能和韌性進行研究，研究表明鋼纖維的摻入能夠很大程度上改善復合混凝土的韌性，使得其在破壞時裂而不散；孫婧等[25]利用植物纖維(玉米秸稈)對浮石混凝土進行改性研究，研究表明秸稈的加入降低浮石混凝土導熱系數(shù)和表觀密度，改善其保溫隔熱性能。

3.3其他類型浮石混凝土

隨著混凝土材料的日益發(fā)展，眾多研究者利用多種不同類型材料改善浮石混凝土性能，通過不同研究角度對多種類型浮石混凝土開展了深入研究,如橡膠浮石混凝土、引氣浮石混凝土、泡沫浮石混凝土、多相復合浮石混凝土等等。

Sari等[26]在浮石混凝土中加入高效減水劑，配制出密度為1300 kg/m3、抗壓強度為6.56 MPa浮石混凝土，研究表明高效減水劑的加入能夠有效提高浮石混凝土比強度，改善新拌浮石混凝土和易性；Sariisik等[27]在浮石混凝土中引入聚苯乙烯泡沫(EPS)，研究表明經(jīng)過長達2802 d齡期后仍具有良好的絕緣性、吸聲性和保溫性能，且經(jīng)濟成本相對較低；蔡煥琴等[28,29]在浮石混凝土中摻入不同粒徑橡膠粉，研究表明適當橡膠粒徑在一定摻量下具有良好的和易性,并可有效降低浮石混凝土的脆性,增加混凝土的韌性；樊麗軍等[30]在浮石混凝土中加入?；⒅椋∈炷恋膶嵝阅艿玫矫黠@改善，導熱系數(shù)與加氣混凝土較為接近且遠低于粘土磚；董偉等[31]采用風積沙替代部分河砂作為浮石混凝土細骨料，風積沙的摻入對浮石混凝土早期強度具有一定的促進效應，且替代量為普通河砂20%～30%為宜。隨著材料發(fā)展的日益更新，利用單一材料改性或增強浮石混凝土各項性能已經(jīng)不能滿足人們對其的使用要求，綠色環(huán)保且具有高性能的浮石混凝土更適合工程需求，所以人們開始對多相復合浮石混凝土材料進行研究，如利用纖維、橡膠顆粒、聚苯顆粒、礦物摻合料等原材料，借助正交試驗等試驗手段對浮石混凝土性能進行研究，以期望獲得性價比更高的浮石混凝土材料。

4　浮石混凝土物理力學性能

Onoue等[32]利用沖擊試驗對浮石混凝土和石灰石混凝土抗震性能進行研究，研究表明在1.5 m/s和4.5 m/s沖擊速度下，浮石混凝土抵抗沖擊的能力明顯優(yōu)于石灰石混凝土，說明浮石混凝土具有一定的抗震性能；Cavaleri等[33]對比浮石混凝土、膨脹土混凝土和普通混凝土三種墻板構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性荷載試驗，研究表明對于水平荷載延展性要求不高的地區(qū)，浮石混凝土墻板構(gòu)件能夠滿足其適用性；朱聘儒[34]基于對浮石與水泥砂漿兩者應力-應變的對比研究,討論了在壓力作用下浮石骨料在混凝土中的工作情況，由于浮石的泊松比遠大于砂漿,浮石受砂漿約束,故浮石混凝土強度得以提高；宋西戰(zhàn)等[7]通過恢復力特性試驗對浮石混凝土砌塊墻體抗震性能進行評價，浮石混凝土空心砌塊各項恢復力指標均優(yōu)于粘土磚，并提出抗震強度計算公式、恢復力簡化模型以及骨架曲線剛度退化公式；王冰等[35]通過拉拔試驗對浮石混凝土與變形鋼筋之間的錨固性能進行研究，分析了拉拔試件的荷載-滑移曲線，提出特征粘結(jié)-滑移模式，并統(tǒng)計回歸出各種錨固條件的特征粘結(jié)強度公式。麻建鎖等[36]對浮石粗骨料進行裹殼處理，從而得到硬殼浮石，利用其配制硬殼浮石骨料混凝土，從而降低浮石吸水率，改善浮石混凝土力學特性。

5　浮石混凝土耐久性

浮石混凝土由于其自身骨料孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達等特質(zhì)，其耐久性能與普通混凝土具有一定差別，最為顯著的是其具有較為良好的抗凍性與耐火性。

Hossain等[37,38]從不同方面對比浮石混凝土和普通混凝土，在實際生產(chǎn)中浮石混凝土在強度方面可以達到普通混凝土標號滿足正常使用要求，在耐火性方面浮石混凝土則顯著性優(yōu)于普通混凝土；王蕭蕭等[39,40]針對寒冷地區(qū)鹽漬溶液環(huán)境多因素耦合作用下的浮石混凝土耐久性進行研究，通過鹽漬溶液和清水兩種介質(zhì)對浮石混凝土進行凍融循環(huán)試驗，研究表明鹽漬溶液凍融下浮石混凝土質(zhì)量損失和相對動彈模量損傷較清水凍融更為嚴重，核磁共振顯示信號較強、CT圖像顯示孔徑較大，從微觀層面驗證鹽漬溶液凍融對浮石混凝土損傷更大；霍俊芳等[41]以室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)為基礎，對浮石混凝土抗凍性進行深層次研究，得到了浮石混凝土凍融損傷模型，并對浮石混凝土壽命進行預測；高矗等[42]通過對浮石混凝土進行反復加載預制初始應力損傷，然后進行凍融循環(huán)試驗，借助場發(fā)射ESEM對凍融后應力損傷浮石混凝土微觀結(jié)構(gòu)進行分析，并對Loland混凝土損傷模型進行修正，建立含有初始應力損傷及凍融損傷的浮石混凝土損傷演化方程；韓俊濤等[43]對浮石混凝土進行抗硫酸鹽試驗研究，研究表明侵蝕初始階段硫酸鹽滲入其內(nèi)部析出結(jié)晶物從而產(chǎn)生的微集料效應，使得整體更為密實強度增大，后期結(jié)晶物積累內(nèi)部膨脹產(chǎn)生裂隙，從而引起其破壞強度降低。

6　結(jié)　語

對于浮石混凝土宏觀力學及耐久性研究已經(jīng)擁有了一定的試驗與理論基礎，基本能夠?qū)Ω∈炷恋南嚓P問題進行宏觀方面的解釋，但是仍有一些問題值得人們進行更深層次的探討。

(1)浮石混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關系問題。對于浮石混凝土除了浮石粗骨料本身具有大小不一、分布不均的孔隙之外，在其拌合凝結(jié)硬化這一過程中同樣產(chǎn)生不同尺度的微小孔隙結(jié)構(gòu)，而這些孔隙又有有利孔和有害孔兩類之分，兩大類孔隙結(jié)構(gòu)容易受到環(huán)境因素的影響，同時這些孔隙又某種層面上決定各項宏觀性能。因此，對于浮石混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)一定程度上可以作為預測和衡量浮石混凝土宏觀性能的媒介，伴隨著越來越多微觀層面的研究手段的出現(xiàn)，日后對于浮石混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究應該更為注重；

(2)浮石自身強度不高，導致浮石混凝土難以向高強高性能混凝土發(fā)展問題?，F(xiàn)階段對于浮石混凝土強度等級最大僅為LC50，對于一些特殊工程人們往往需要高強高性能混凝土，這就造成浮石混凝土在有特殊要求的工程中應用存在一定的局限性，如何對浮石進行增強處理，使得其能夠滿足于高強高性能混凝土骨料的要求，日后還需人們進行更為細致的研究；

(3)浮石的密度較水泥漿體密度小，在拌和成型過程中極易發(fā)生浮石上浮的問題。浮石上浮比較容易影響浮石混凝土的泵送性和均勻性，如何有效抑制浮石上浮，避免浮石混凝土出現(xiàn)浮石骨料堆積產(chǎn)生薄弱層，這也是日后人們需要重視和加強方面。尤其是現(xiàn)階段國家大力發(fā)展建筑產(chǎn)業(yè)化，浮石混凝土結(jié)構(gòu)有著非常巨大的發(fā)展?jié)摿Γ绾螌σ幌盗邢嚓P研究與技術進行模數(shù)化、產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)，也是廣大建筑從業(yè)人員值得深思的問題。

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Research Progress of Pumice and Pumice Lightweight Aggregate Concrete Materials

XUEHui-jun,SHENXiang-dong,ZOUChun-xia,DONGWei

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Pumice is a widely distributed natural non-metallic minerals, which has a highly developed pore structure characteristic, it could be mixed as a natural lightweight aggregate of pumice concrete with this characteristic. With the rapid development of engineering construction, the problems of ordinary concrete such as larger weight, poor thermal insulation restrict its development in some specific engineering. However compared with ordinary concrete, pumice concrete has the advantages of high specific strength, good thermal insulation, great seismic and durability. This paper summarized the formation process, characteristics and research status of pumice. It further classified the pumice concrete, generalized the characteristics and advantages of the various types of pumice concrete, and described the research situation of pumice concrete in physical mechanical properties and durability aspects. In the end, it prospects the research and application of pumice concrete in the future.

pumice;pumice concrete;lightweight aggregate concrete;physical mechanical property;durability

國家自然科學基金資助項目(51569021)；高等學校博士學科點專項科研項目基金(20121515110002)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT13069) ；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目(2013MS0122)

薛慧君(1989-)，男，博士研究生.主要從事工程新材料與混凝土耐久性研究.

申向東，教授，博導.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1536-05