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      結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土的經(jīng)濟(jì)性分析

      2020-03-05 11:02:38劉一槿
      廣東建材 2020年5期
      關(guān)鍵詞:舉例集料構(gòu)件

      劉一槿 甘 偉

      (1 廣州立墻墻體材料有限公司;2 廣州大學(xué))

      0 引言

      結(jié)構(gòu)用的輕集料混凝土,通常采用人造輕集料(陶粒)。因?yàn)椋?工業(yè)化生產(chǎn)的人造輕集料比天然輕集料材料,能更好的控制結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性、可靠性。20 世紀(jì)以來,采用輕集料混凝土建造了一些引人注目的建筑物。不過,要推廣使用一種新的建筑材料,不僅技術(shù)可靠,而且要在經(jīng)濟(jì)上合理。因此,輕集料混凝土的選用者,都希望以較低的“經(jīng)濟(jì)”成本,取得更好的結(jié)構(gòu)“技術(shù)”效果。輕集料混凝土的強(qiáng)度高、自重較低的優(yōu)勢(shì), 是涉及“技術(shù)”和“經(jīng)濟(jì)”層面的重要因素。結(jié)構(gòu)用輕集料(陶粒)混凝土,具有這兩種優(yōu)勢(shì),往往能同時(shí)顯示優(yōu)良的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效果。本文在收集的已建工程資料基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土在技術(shù)前提下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行討論。

      1 結(jié)構(gòu)用的輕集料混凝土基本情況

      結(jié)構(gòu)用的輕集料混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工或預(yù)制廠制作構(gòu)件,均可用普通混凝土常規(guī)設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員完成。其制造成本與普通混凝土相當(dāng),屬常規(guī)水平。但輕集料混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量控制要求較高,包含了強(qiáng)度、密度、塌落度、勻質(zhì)性。其強(qiáng)度、密度主要由集料的種類而定。當(dāng)混凝土密度為1500~1900kg/m3時(shí),其強(qiáng)度可達(dá)30~60MPa,彈性模量較普通混凝土低,而收縮、徐變量則和普通混凝土的相近。

      我國(guó)結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土現(xiàn)處于緩慢的發(fā)展之中。當(dāng)前,其發(fā)展的瓶頸是缺乏成熟的固廢資源化利用技術(shù)、現(xiàn)代化綠色生產(chǎn)輕集料的裝備和燃料等問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2018 年以來,相關(guān)輕集料混凝土的論文、專利、研究報(bào)告,約有300 多篇,說明該問題已引起各方重視。預(yù)計(jì)2020 年后,結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土將進(jìn)入新的發(fā)展階段。

      2 費(fèi)用分析

      在判斷輕集料混凝土是否經(jīng)濟(jì)時(shí),主要看兩方面。一是材料費(fèi)用;二是整體建筑工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和施工費(fèi)用。與普通混凝土比較如下。

      2.1 混凝土材料費(fèi)用比較

      ⑴集料成本:一般,強(qiáng)度高、密度低的結(jié)構(gòu)用人造輕集料比天然砂、石集料的制造成本高50%~150%(要視具體地區(qū)砂、石資源情況,混凝土的強(qiáng)度、密度性能要求情況而定,進(jìn)口高強(qiáng)度輕集料高達(dá)1300 元/m3)。

      ⑵水泥用量:按強(qiáng)度要求不同,每立方米輕集料混凝土要多用20kg~50kg 左右的水泥,(以彌補(bǔ)集料的強(qiáng)度不足,獲得必要的早期強(qiáng)度,提高模板和模型板迅速周轉(zhuǎn)率)。

      ⑶運(yùn)輸費(fèi)用:天然砂、石集料多就地取材運(yùn)輸費(fèi)用較小。人造輕集料的工廠還很少,往往運(yùn)距較遠(yuǎn),而影響運(yùn)費(fèi)較高。

      ⑷由于上述緣故,每立方米輕質(zhì)混凝土的材料成本,通常高于同等級(jí)普通混凝土的成本50~300 元/m3不等(視混凝土的要求等而定)。

      2.2 整體建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、施工綜合費(fèi)用比較

      ⑴由于輕集料混凝土結(jié)構(gòu)總體自重減輕10%~25%,可減少結(jié)構(gòu)鋼筋用量,減少結(jié)構(gòu)混凝土用量。

      ⑵由于輕集料混凝土結(jié)構(gòu)總體自重減輕,減少成型模板所需的附加費(fèi),減少構(gòu)件吊裝、運(yùn)輸和裝備費(fèi)用。

      ⑶由于輕集料混凝土強(qiáng)度不變,而自重減輕,結(jié)構(gòu)跨度可加大,可減少支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用。也有利于大跨度結(jié)構(gòu),高層建筑、地質(zhì)條件較差結(jié)構(gòu)、抗震結(jié)構(gòu)、建筑加層改造等領(lǐng)域的應(yīng)用。

      ⑷由于結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土有較高的強(qiáng)度和較低的密度,是唯一適用于單層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料,有好的耐久性、保溫隔熱性能,可賦予外圍護(hù)結(jié)構(gòu)好的建筑節(jié)能效果,免除外加保溫構(gòu)造及其維護(hù)和使用費(fèi)。同時(shí)提高抗火效應(yīng)。

      ⑸由于人造輕集料采用固廢資源為原料,利用固廢,節(jié)約天然資源,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,其環(huán)保、社會(huì)效益巨大。

      2.3 綜合費(fèi)用

      將整體建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、施工優(yōu)勢(shì)都考慮進(jìn)去,輕集料混凝土所需增加的材料費(fèi)用就變得微不足道了,大都被輕質(zhì)混凝土的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益抵消。不少例子證明,綜合建筑物總體造價(jià),可降低百分之8%~20%。

      3 經(jīng)濟(jì)分析舉例

      為了判定輕集料混凝土的使用是否在經(jīng)濟(jì)上有利。本節(jié)將通過收集的已有預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)工程和橋梁建筑等的實(shí)例來闡明。這些例子主要取自歐洲水泥協(xié)會(huì)資料。通常,要取得建筑公司及混凝土制造廠商內(nèi)部成本的公開資料,比取得技術(shù)方面的公開資料更為困難。雖不能用精確的費(fèi)用來表達(dá)輕集料混凝土的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。但從使用這種材料的技術(shù)上的理由,就足以說明它的經(jīng)濟(jì)性。

      3.1 使用輕集料混凝土預(yù)制構(gòu)件舉例

      德國(guó)某水泥廠建造一座皮帶運(yùn)輸機(jī)渡橋,結(jié)構(gòu)要求用6 根預(yù)應(yīng)力混擬土梁,梁高1.3m,長(zhǎng)度從24.5m 到30.00m 不等。都是雙T 形構(gòu)件,并排架設(shè)。以下兩個(gè)方案進(jìn)行比較。

      方案一,用強(qiáng)度等級(jí)C40、密度2400kg/m3,預(yù)應(yīng)力普通混凝土。

      方案二,用強(qiáng)度等級(jí)LC40、密度1700kg/m3,預(yù)應(yīng)力輕集料混凝土。梁橫截面尺寸,兩方案相同。普通混凝土梁每根重15.6 噸,輕集料混凝土梁每根重11.2 噸。

      對(duì)一根梁的制作、運(yùn)輸和安裝費(fèi)用,進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如下:

      輕集料混凝土材料費(fèi):增加約為250 馬克。

      模板費(fèi):兩者用相同(因?yàn)榱旱某叽缡且恢碌模?/p>

      預(yù)應(yīng)力鋼筋:輕集料混凝土梁,可少用10%,節(jié)省70馬克。

      普通鋼筋:梁內(nèi)配置的普通鋼筋(未經(jīng)張拉),兩者一樣。

      施工安裝費(fèi)用:運(yùn)距,2.5 公里,普通混凝土梁毎趟能裝一根(15.6 噸)。輕集料混凝土梁毎趟可裝兩根(2×11.2=22.4 噸),每根梁約可省運(yùn)費(fèi)90 馬克。重15.6 噸的普通混凝土梁,要求起重能力為135 噸的汽車吊。重11.2 噸的輕質(zhì)混凝土梁,只要求起重能力為80 噸(吊車距現(xiàn)場(chǎng)150 公里,吊車每小時(shí)使用費(fèi)不一樣)。合計(jì)每根梁的安裝總費(fèi)用約可節(jié)省610 馬克。

      總結(jié):如使用輕集料混凝土,每根梁約可節(jié)省全部梁的費(fèi)用的8.9%。此外,每一支柱比用普通混凝土梁,要少8.8 噸的荷載,即承載力減少23%。

      3.2 房屋結(jié)構(gòu)工程、構(gòu)件舉例

      ⑴舊房加層改造舉例。J.G.斯科特電子公司,要將一棟三層結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室建筑物加高兩層。在施工期實(shí)驗(yàn)室要照常工作。原設(shè)計(jì)就預(yù)留增加一層的重量。已有的鋼筋混凝土柱不能承擔(dān)普通混凝土加兩層的荷載。于是,采用LC35,密度1600kg/m3輕集料混凝土預(yù)制裝配式構(gòu)件,新增兩層的柱、梁、板,減輕自重33%。能滿足原先的容許應(yīng)力、地耐力、穩(wěn)定性等要求。

      預(yù)制裝配式輕集料混凝土構(gòu)件總重290 噸,最重的構(gòu)件重2.45 噸。用一臺(tái)普通施工吊車裝配,安裝快捷,實(shí)驗(yàn)室可照常工作。

      輕集料混凝土結(jié)構(gòu)增加的材料費(fèi)用約為25%,但因多加一層,使用面積増加了1900㎡。材料的密度低(1600kg/m3),絕熱性能良好(導(dǎo)熱系數(shù)0.66w/m.k),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也高(LC35),獲得了顯而易見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

      ⑵單層輕集料混凝土墻板舉例。單層輕集料混凝土外墻板和多層復(fù)合外墻板比較,多層板的制作復(fù)雜,和隨后在建筑物上的表現(xiàn)(開裂、剝落、滲漏),所引起的質(zhì)量、安全問題是眾所周知的。

      如果采用LC40、1700kg/m3的單層輕集料混凝土(含承重大墻板),制作較簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)性能可靠,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上也比較合理,可節(jié)省費(fèi)用20%。因此,輕集料混凝土單層墻板建筑,已經(jīng)得到日益廣泛的歡迎。

      ⑶殼體或角體單元舉例。從建筑學(xué)的角度,如將圍護(hù)、保溫用的預(yù)制混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)為“三向”殼體或角體單元,唯有結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是最有利的材料。以富有新穎建筑風(fēng)格的弗雷市圣阿爾伯特教堂為例,平面呈一顆有十六個(gè)尖端的星狀圓形,外圓直徑為28.60m。由于經(jīng)費(fèi)有限,唯一可行的建筑方案是在整個(gè)建筑物高度(20.1m)采用預(yù)制單元。如使用普通混凝土,就需增加保溫層外砂漿抹面作為保護(hù)。這將增加費(fèi)用,隨后的維修費(fèi)也會(huì)很大。采用白色輕集料混凝土(LC30,1600kg/m3),使教堂內(nèi)外一次準(zhǔn)確成型,取得精美雅致的效果?;炷翝M足結(jié)構(gòu)功能外,還能起到保溫作用,并減輕基礎(chǔ)荷載。這種解決方案顯然是經(jīng)濟(jì)的,是輕集料混凝土做了貢獻(xiàn)。

      ⑷懸挑結(jié)構(gòu)舉例。慕尼黑市拜爾發(fā)動(dòng)機(jī)公司辦公大樓。全部樓層都是從將近100m 高的混凝土芯體上懸挑出來。各層樓板均系在地面澆灌混凝土,然后分層進(jìn)行往上提升一個(gè)樓層的高度。采用輕集料混凝土(LC40,1800kg/m3),使得需要支承的懸挑系統(tǒng)的重量減少了18%,節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼筋。同時(shí),隨著建筑物所有懸挑構(gòu)件可設(shè)計(jì)得更細(xì)長(zhǎng),而使樓板提升更輕便。在結(jié)構(gòu)完工以后,把附加荷載全部考慮進(jìn)去,總荷載仍可減少15%,這有利于降低建筑費(fèi)用(含基礎(chǔ)費(fèi)用)。

      3.3 橋梁工程舉例

      ⑴輕集料混凝土構(gòu)件橋梁舉例。在萊因河威士巴登附近的一座長(zhǎng)235m 的橋,三跨結(jié)構(gòu),各跨為65m,105m和65m。中跨用多根同一型號(hào)(同一套模板)約80m 長(zhǎng)的混凝土梁。兩邊跨梁分別通過兩橋墩向中跨挑出一段,其長(zhǎng)度正好是隨后使諸中跨梁(“吊入”或“嵌入”梁)能架設(shè)上去的長(zhǎng)度。梁必須藉助起重船進(jìn)行安裝,起重船的有效起重能力為400 噸。使用輕集料混凝土來制作這些梁(長(zhǎng)80m,高5.4m),重量可保持在350 噸以下。這樣,該方案成為可行的。如用普逋混凝土,需要使用較短的梁(受重量限制),并在河當(dāng)中增建一座橋墩,或者采用懸臂法施工。改用這兩種方法造價(jià)大大提高。

      ⑵現(xiàn)澆輕集料混凝土橋梁舉例。荷蘭境內(nèi)尼美金附近跨越馬斯·瓦爾運(yùn)河的三座新橋,可承受的車輛載重量均是60 噸。設(shè)計(jì)相類似的橋的三個(gè)競(jìng)爭(zhēng)方案,報(bào)價(jià)(荷幣)分別為:第一設(shè)計(jì)方案18100000 盾;第二設(shè)計(jì)方案17400000 盾;第三設(shè)計(jì)方案16800000 盾。橋?qū)挾榷际?8.70m。這三個(gè)設(shè)計(jì)方案是:

      ①上部用鋼結(jié)構(gòu),跨距為37.4m,112.20m,37.40m。

      ②上部結(jié)構(gòu)用普通混凝土,跨距為47.60m、112.20m、47.60m。

      ③普通混凝土與輕集料混凝土并用,跨距為37.40m、112.20m、37.40m。 此 項(xiàng) 設(shè) 計(jì) 的 中 跨 長(zhǎng) 為105.40m,用輕集料混凝土建造(混凝土采用懸臂法,按每3.4m 為一段分段施工。輕集料混凝土LC40,密度1700kg/m3。)

      開標(biāo)時(shí)顯示,第三方案自重降低28%,技術(shù)可行,價(jià)格最低。評(píng)比后,三座橋都按第三設(shè)計(jì)方案建造。

      3.4 特殊結(jié)構(gòu)舉例

      ⑴飛機(jī)庫。著名輕集料混凝土結(jié)構(gòu)--富蘭克福特主機(jī)場(chǎng)的5 號(hào)維修庫。采用輕集料混凝土(LC30,密度1650kg/m3) 的懸吊屋面,內(nèi)部面積為2×135m×100m=27000m2,沒有中間支柱。如用普通混凝土建造此屋面,在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上無可取之處,因?yàn)閼业踔亓看?,支柱所要承受的水平力相?yīng)也大。輕集料混凝土有好的力學(xué)強(qiáng)度,保溫隔熱可靠,是該項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的重要前提條件。

      ⑵滑雪跳躍平臺(tái)。德國(guó)阿伯斯特多夫一座滑雪跳躍平臺(tái)。此項(xiàng)位于山頂?shù)慕Y(jié)構(gòu),伸入空間100m,懸臂用懸挑法建造。除風(fēng)力外,自重在荷載中占了很大的比例。穩(wěn)定性是靠結(jié)構(gòu)底部的巖石錨固來保證的。采用輕集料混凝土LC45,密度為1800kg/m3。由于自重較普通混凝土減少25%。從而在預(yù)應(yīng)力鋼筋和錨固巖石方面節(jié)約超過1/3。

      4 結(jié)論

      上述分析和例子都表明結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土,除了人造輕集料價(jià)格較高、水泥用量較大外,混凝土重量減輕、強(qiáng)度較高、耐久性好和隔熱性能良好而提供技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益,還與設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、安裝、運(yùn)輸或與當(dāng)?shù)貤l件、環(huán)保等因素有關(guān)。這些因素往往共同傾向優(yōu)先使用輕集料混凝土。因此,判斷結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土的經(jīng)濟(jì)效益,僅就構(gòu)件材料價(jià)格來考慮是不夠的,必須從建筑工程整體來綜合考慮和評(píng)價(jià)。一般說,采用結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土,使用得當(dāng),工程整體造價(jià)可降低8%~25%。

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