畢建靜 高 震
(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590)
在現(xiàn)代建筑行業(yè)中,混凝土是基礎(chǔ)性材料,是現(xiàn)代建筑、基礎(chǔ)設(shè)施與土木工程施工中必不可少的材料,也是用途最為廣泛和用量最大的材料之一。長(zhǎng)期以來,混凝土材料來源廣泛,價(jià)格相對(duì)低廉,且具有良好的強(qiáng)度、性能及耐久度特點(diǎn),在當(dāng)前乃至一段時(shí)間內(nèi)都是土木工程、鐵路、基礎(chǔ)設(shè)施和水利工程的首選材料[1]。自19世紀(jì)30年代以來,混凝土應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,用量持續(xù)增長(zhǎng);至19世紀(jì)50年代,鋼筋混凝土出現(xiàn)后,混凝土應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大;自20世紀(jì)30年預(yù)應(yīng)力混凝土問世以來,預(yù)應(yīng)力混凝土具有自重輕、用量少、抗裂性能和剛度性能優(yōu)異等特點(diǎn),逐步取代了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
隨著社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展,我國(guó)建筑行業(yè)、橋梁工程、鐵路工程和水利工程快速發(fā)展,高層建筑、超高層建筑等結(jié)構(gòu)形式快速發(fā)展,這些結(jié)構(gòu)形式具有自重和跨度等問題,預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)要求高,現(xiàn)代工程建設(shè)面臨新的挑戰(zhàn)。在此背景下,陶?;炷辆哂休p質(zhì)、高強(qiáng)、耐久性能優(yōu)異、抗震性能良好等特點(diǎn),逐漸成為混凝土領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展的主要趨勢(shì)。
相較于國(guó)內(nèi),國(guó)外在陶粒混凝土研究與應(yīng)用方面起步較早[2-3]。自上世紀(jì)初期,西方發(fā)達(dá)國(guó)家就開始了陶?;炷练矫娴难芯?,其目的是改善傳統(tǒng)混凝土存在的不足,并取得了良好的研究成果。陶?;炷磷钤缬?913年在美國(guó)研制成功,受限于相關(guān)規(guī)范與自身性能限制,陶?;炷裂兄坪髢H限于用于非承重結(jié)構(gòu)。例如,以陶?;炷翞樵牧辖ㄔ斓拿绹?guó)休斯敦貝殼廣場(chǎng)大廈[4],取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。上世紀(jì)90年代,陶?;炷猎诤I掀脚_(tái)和浮橋工程建設(shè)方面取得了良好的應(yīng)用效果 。但同時(shí),受限于陶?;炷磷陨硇阅芗霸靸r(jià)等因素制約,在工程建設(shè)方面發(fā)展較為緩慢。至1995年,輕質(zhì)骨料研究取得了突破性成果,高強(qiáng)陶?;炷裂兄瞥晒樟;炷涟l(fā)展進(jìn)入高速發(fā)展階段。
國(guó)內(nèi)在陶粒混凝土方面研究起步較晚,自上世紀(jì) 50年代以來,輕質(zhì)骨料混凝土研究和開發(fā)主要集中在人造輕質(zhì)骨料方面,如粉煤灰顆粒、頁巖陶粒等,經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的研究,至 50年代后期,我國(guó)北京建設(shè)成功第一棟以頁巖陶?;炷两ㄔO(shè)的裝配式建筑,上世紀(jì) 60年代初,河南平頂山建設(shè)完成洛河大橋是國(guó)內(nèi)首座以輕集料混凝土建設(shè)的橋梁,自此開始,陶粒混凝土的應(yīng)用范圍由陸地向橋梁建設(shè)延伸。直至1995年,隨著輕集料的研究成功,輕集料質(zhì)量、施工技術(shù)得到顯著改善,高強(qiáng)陶?;炷猎趪?guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展的階段。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,國(guó)內(nèi)關(guān)于混凝土的研究主要集中于陶粒混凝土性能改善及產(chǎn)品應(yīng)用范圍拓展方面。
通過研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料,發(fā)現(xiàn)陶?;炷裂芯烤哂休^長(zhǎng)的發(fā)展歷史,但是受限于輕集料的性能及研究,只有系統(tǒng)研究、開發(fā)、應(yīng)用的國(guó)家和地區(qū),陶?;炷敛庞袕V闊的發(fā)展空間,同時(shí),在陶?;炷恋膽?yīng)用推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外對(duì)陶粒混凝土性能的研究。
陶?;炷潦侵敢暂p質(zhì)骨料替代普通混凝土中天然石子,并加入適量河砂、水泥等凝膠材料,加入一定量水配制而成的表面密度小于1950kg/m3的混凝土。根據(jù)粗骨料種類的不同,可將陶粒混凝土劃分為粉煤灰陶?;炷?、自然煤矸石混凝土和頁巖陶粒混凝土等。相較于與普通混凝土,陶粒混凝土能夠在確保強(qiáng)度要求的前提下降低結(jié)構(gòu)自重[7],能夠滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)化、輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能發(fā)展的需求,可用于輕型砌塊、保溫隔墻、輕型樓板和路面鋪裝等多種應(yīng)用場(chǎng)景,是一種用途廣泛、性能可靠的建筑材料。
在橋梁工程和高層建筑建設(shè)中,陶?;炷辆哂酗@著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[8],具有以下特點(diǎn):
(1)輕質(zhì)高強(qiáng)
陶粒混凝土干表觀密度小于普通混凝土密度,普通混凝土干表觀密度一般為2450kg/m3,而陶?;炷羷t為1400kg/m3~1950kg/m3的范圍內(nèi)。通過對(duì)比兩者差異,不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)陶?;炷寥葜卦?LC5.0~LC50.0 范圍時(shí),其容重僅為普通混凝土的80%,即在同等條件下,陶?;炷两Y(jié)構(gòu)自重較普通混凝土結(jié)構(gòu)輕20%-40%左右。
(2)耐火性能佳
陶?;炷劣捎诓捎昧溯p質(zhì)骨料,因此,陶?;炷猎谑┕ね瓿珊缶哂卸嗫滋匦?,其線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均較普通混凝土小,因此,陶?;炷劣绕溥m用于高溫、保溫、抗火能力要求較高的結(jié)構(gòu)建設(shè)中。在發(fā)生火災(zāi)的建筑中,陶?;炷聊軌虻挚够馂?zāi)約4小時(shí)左右,而普通混凝土結(jié)構(gòu)僅能支撐1個(gè)小時(shí)左右。通過試驗(yàn)對(duì)比,在 600℃試驗(yàn)環(huán)境下,普通混凝土強(qiáng)度降低約 25%至 65%左右,而陶?;炷翉?qiáng)度降低僅約15%左右。
(3)抗震性能強(qiáng)
通常來說,建筑自重越大,在地震中所承受的地震力越大,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)采用陶?;炷?xí)r,由于混凝土強(qiáng)度、自重、變形能力得到改善,因此,當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí),建筑物所承受的地震力將大大降低。此外,由于陶?;炷辆哂休^低的彈性模量,因此,在建筑建設(shè)中采用陶粒混凝土能夠延長(zhǎng)建筑固有振動(dòng)周期,當(dāng)建筑遭到破壞時(shí)會(huì)抵消大量變性能,可見,陶?;炷辆哂辛己玫目拐鹦阅堋?/p>
(4)耐久性能良好
以頁巖陶粒替代石子作為骨料,能夠改善混凝土堿集料反應(yīng)的發(fā)生,從而起到延長(zhǎng)建筑壽命的重要作用。同時(shí),相較于石子,頁巖陶粒與水泥凝膠性能更好,基質(zhì)界面粘貼牢固,從而提高了建筑結(jié)構(gòu)抵抗有害物質(zhì)侵入的能力。上世紀(jì)70年代,國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)1958年后建成的陶?;炷两Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地研究,研究結(jié)果表明,采用陶?;炷翞樵犀F(xiàn)澆、預(yù)制的各種結(jié)構(gòu),其內(nèi)部鋼筋均無銹蝕現(xiàn)象,碳化深度也小于30mm,混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅沒有像普通混凝土結(jié)構(gòu)一樣降低,反而呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。
(5) 良好的經(jīng)濟(jì)效益
陶粒是一種很好的綠色材料,原料來源廣泛,可以利用工業(yè)廢料、生活垃圾生產(chǎn)人造陶粒,即減少了對(duì)環(huán)境的污染,又使廢棄物得到再生利用。在工程應(yīng)用中使用陶?;炷粒瑹o論在降低自重方面還是保溫隔熱方面,均可降低工程量,節(jié)約工程費(fèi)用。
(1)陶?;炷凉ぷ餍圆?/p>
在探討陶?;炷翍?yīng)用優(yōu)勢(shì)的同時(shí),我們也應(yīng)理性看待陶?;炷翍?yīng)用缺點(diǎn),其中,陶粒混凝土工作性差是制約其應(yīng)用的重要因素,主要是干燥陶粒在吸水后導(dǎo)致混凝土攪拌物坍落度下降,當(dāng)吸水率越大時(shí),坍落度損失越大,而且,由于陶粒和水泥砂漿密度存在較大的差異,導(dǎo)致陶?;炷猎跀嚢柽^程中易出現(xiàn)分層離析的問題,因此,陶?;炷烈追謱与x析、坍落度損失大,加之在壓力的作用下,輕集料易出現(xiàn)吸收混凝土中的水分的問題,多種因素導(dǎo)致泵送陶?;炷烈壮霈F(xiàn)堵泵的問題。
(2)力學(xué)性能不足
與普通混凝土相比,陶?;炷猎诳箟簭?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等方面沒有顯著差異,但是,其抗彎強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度較弱,僅為普通混凝土強(qiáng)度的75%左右,因此,在選用混凝土?xí)r應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)、混凝土抗彎強(qiáng)度、彎曲抗拉強(qiáng)度等多方面因素。
與普通混凝土相比,陶?;炷猎诮Y(jié)構(gòu)、性能等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),同時(shí),也存在諸多制約因素,還需要進(jìn)一步理論和實(shí)踐研究。雖然,我國(guó)在陶?;炷练矫娴难芯科鸩捷^晚,在輕集料產(chǎn)品質(zhì)量控制和生產(chǎn)工藝等方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在一定的差距,如國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的人造顆粒偏粗、粒型不佳、顆粒級(jí)配不善等問題,而且,生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝相對(duì)落后,陶粒生產(chǎn)能耗居高不下,造成一定的環(huán)境污染,而且所生產(chǎn)的陶粒不適宜在墻體保溫或結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用,因此,在現(xiàn)有資源條件下,國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)<?、學(xué)者應(yīng)借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家研究成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),加快陶?;炷晾碚摗⑸a(chǎn)及應(yīng)用研究,推動(dòng)國(guó)內(nèi)陶粒混凝土技術(shù)的快速發(fā)展。