土木文献综述.docx

1、文献综述一、 引言混凝土材料的发展在历史上可以追溯到很古老的年代。相传数千年前我国劳动人民及埃及人就用石灰和砂混合配制成的砂浆砌筑房屋，后来罗马人又使用石灰、砂及石子配制成混凝土，并在石灰中掺入火山灰配成用于海岸工程的混凝土。这类混凝土强度不高，使用范围有限。1824 年 J.Aspdin发明了波特兰水泥，使混凝土胶结材料发生了质的变化，大大提高了混凝土强度，并改善了其它性能。此后混凝土的生产技术迅速发展，用量巨增，使用范围日益扩大。特别是近几十年内，混凝土材料经历了许多重大变革。混凝土之所以能有如此广泛的用途，主要是因为它具有原料丰富、价格低廉，可就地取材；抗压强度高，耐久性好；工艺简单，适

2、应性强以及可改造性强等优点 1 。但与此同时，在工程应用以及试验中人们又发现了混凝土存在一些不足，其主要缺点有抗拉强度低、韧性差；体积不稳定、自重过大。法国人Lambot 在 1850 年发明了用钢筋加强混凝土，在一定程度上弥补了混凝土抗拉及抗折强度低的缺陷。1960 年后，各种混凝土外加剂不断涌现也改善了体积不稳定性。由于普通混凝土存在的自重大、保温隔热性能差等缺点，从而影响了它在某些工程中的应用。随着建筑技术的发展，建筑物趋向高层化和大型化，因此减轻高层建筑和大跨度构件的自重，增加结构的保温隔热性能已显得十分重要2 。为满足社会需要和工程要求，目前有两种主要途径3 ：一种是添加掺和物来改善

3、混凝土的性能，这样可以将混凝土的强度提高一倍，但目前高强混凝土的研究大多数尚处于实验室阶段，而且随着强度的提高，混凝土的脆性显得越来越明显。第二种就是在满足各种要求的条件下出现的混凝土的新品种 采用人造轻骨料，生产应用轻骨料混凝土。二、 轻骨料分类与特点轻骨料（ LWA）是堆积密度小于 1200kg/m 3 的天然或人工多孔轻质骨料的总称。根据集料粒径大小，轻集料分为轻粗集料与轻细集料，轻粗集料简称轻集料，轻细集料简称轻砂，分类方法见表一：表 1轻粗、细集料的划分名称粒径 /mm堆积密度 / （ kg/m3）轻粗集料5<1000天然集料<5<1000轻细集料人造集料<5

4、<1200轻集料按原料来源可分为工业废料轻集料、天然轻集料和人造轻集料。由于天然和工业废渣轻集料的性能有一定局限性，因此在工程上大量应用的是人造轻骨料4 。根据轻骨料的颗粒形状，又可以将轻骨料分为以下三类，见表二：表 2轻粗集料按粒型分类类别定义主要品种圆球型原材料经破碎、煅烧或非煅烧粉煤灰陶粒、黏土陶粒、超1而成的，呈圆球状的轻集料轻陶粒原材料经破碎烧胀而成的，用干法加工的页岩陶粒、膨普通型胀珍珠岩呈非圆球状的轻集料由天然轻集料、自然煤矸石或多孔烧结块破碎加工而成的，浮石、火山渣、煤渣、自然碎石型或由页岩块烧胀破碎而成的，煤矸石、页岩陶粒等呈碎石状的集料轻骨料的强度标号是以轻骨料混凝土

5、的抗压强度来表示轻粗骨料的颗粒强度，这是表征轻骨料强度的方法之一。 1990 年颁布的轻集料混凝土技术规程对轻骨料混凝土强度作了技术要求并列出了筒压强度和强度标号两个指标。多年实施情况表明，强度标号能较好反映轻粗集料的强度，且便于轻骨料的选用。与筒压强度相比，强度标号的优点在于可反映轻骨料在混凝土中的真实受力状态，但缺点是方法较复杂，测试周期长。轻骨料的筒压强度与强度标号及密度等级的关系见下表：表 3 轻集料的密度、筒压强度与强度等级的关系密度等级筒压强度 /MPa强度标号 /MPa碎石型普通型和圆球型普通型圆球型3000.2/0.30.33.53.54000.4/0.50.55.05.050

6、00.6/1.01.07.57.56000.8/1.52.010157001.0/1.23.015208001.2/2.54.020259001.5/3.05.0253010001.8/4.06.53040注：天然碎石型轻骨料取斜线的左值，其他碎石型轻骨料取右值。人造轻骨料目前使用最普遍的是膨胀黏土陶粒、膨胀页岩桃李和膨胀粉煤灰陶粒三种，膨胀陶粒简称黏土陶粒，是目前应用最为广泛的一种人造轻骨料，长期以来，黏土陶粒在我国人造轻骨料市场占有主导地位，其产量占人造轻骨料总产量的 70%以上。一般的黏土陶粒为圆球形或圆柱形，表面比较粗糙。黏土陶粒的特点是密度小，吸水率高，但强度一般较低。膨胀页岩、板岩

7、陶粒简称页岩陶粒、板岩陶粒。页岩和板岩陶粒的结构不同于黏土陶粒，表面较为密致。页岩陶粒的特点是吸水率较低，强度高。粉煤灰陶粒的颜色呈淡黄色或略带黑色，表面比较粗糙但是很坚硬，在其内部有蜂窝状的气孔。主要特点是强度较高、热导率低、保温隔热和化学稳定性好等。根据欧洲建筑规范（FIP ）所给出的弹性模量与颗粒密度的关系式：Ea0.008 a2 ，则轻骨料由于颗粒密度较小，故有弹性模量较小的特点。轻骨料具有多孔结构，这使得其吸水率比普通骨料高得多。吸水率对混凝土的工作性能有较大影响。吸水率高的陶粒不能适应现代泵送混凝土施工的要求，另一方面，因为施工前必须泡水饱和预湿，给施工带来困难且影响强度的反站，大

8、大降低了陶粒混凝土的耐久性，但目前有各种途径可以尽量减少吸水率5 。在混凝土中，粗骨料体积占混凝土体积 50%60%，因此，轻粗骨料密度很大程度上决定了混凝土密度，它是混凝土密度得以减小的主要原因。其材质、形状、筒压强度大小、吸水率等性能又是 影响轻混凝土强度的重要因素，其中轻骨料筒压强度大小是最主要的影响因素。6 ， 7，82三、 轻骨料混凝土概述轻骨料混凝土（lightweight aggregate concrete,LWAC或 LC）是指采用轻粗集料、轻砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m 3 的混凝土 9 。3.1 轻骨料混凝土的分类轻骨料混凝土的密度等

9、级按其干表观密度分为14 个等级，如表四所示10 ：表 4轻骨料混凝土密度等级干表观密度的变化范围干表观密度的变化范围密度等级/ （ kg/m3 ）密度等级/ （ kg/m3）6005606501300126013507006607501400136014508007608501500146015509008609501600156016501000960 1050170016601750110010601150180017601850120011601250190018601950混凝土的强度等级按标准立方体试件抗压强度标准值确定。按有关规程，可划分为LC5.0 、 LC7.5 、 LC10

10、、LC15、 LC20、 LC25、 LC30、LC35、 LC40、 LC45、 LC50、LC55 和 LC60。轻骨料混凝土的分类方法在我国主要有三种。3.1.1 按用途分类轻骨料混凝土按其用途分为保温轻骨料混凝土、结构保温轻骨料混凝土和结构轻骨料混凝土，见下表五 10 ：表 5 轻骨料混凝土按用途分类类别名称混凝土强度等级的合理混凝土密度等级的合理用途范围范围 / （kg/m 3）保温轻骨料混凝土LC5.0300 800主要用于保温的围护结构或热工构筑物LC5.0结构保温轻骨料混凝LC7.5主要用于既承重又保LC10800 1400温的围护结构土LC15LC15LC20LC25LC30

11、LC35主要用于承重构件或结构轻骨料混凝土LC401400 1900构筑物LC45LC50311 ，认为细观结构研究的主要对象是混凝土中的水泥LC55LC60ACI213 委员会根据强度和密度将枪骨料混凝土划分为三类：用语隔热的低密度、低强度混凝土，该类混凝土的强度约为0.7 2.0MPa，密度小于800kg/m3；用作混凝土砌块和具有必要强度的其他应用的中强度轻混凝土，该类混凝土的强度一般为7 14MPa，密度约 800 1400kg/m3；结构用轻混凝土，该类混凝土的强度为1763MPa，密度约1400 1900kg/m3。与上表对比可见，ACI213 委员会的分类方法与我国的这一分类方法

12、基本相似。3.1.2 按轻粗集料的品种分类轻骨料混凝土按其轻粗集料的种类，可分为以下几种10 ：工业废料轻集料混凝土，由工业废料轻粗集料配制而成的轻骨料混凝土，如粉煤灰陶粒混凝土、自然煤矸石混凝土、炉渣混凝土等；天然轻集料混凝土，由天然轻粗集料配制而成的轻集料混凝土，如浮石混凝土、火山渣混凝土等；人造轻集料混凝土，由人造轻粗集料配成的轻集料混凝土，如黏土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、膨胀珍珠岩混凝土等。3.1.3 按细集料的品种分类按细集料的种类不同，轻集料混凝土又可分为以下两种10 ：全轻混凝土，粗集料采用轻集料，细集料也采用轻砂的混凝土；砂轻混凝土，粗集料采用轻集料，而部分或全部用普通砂作细

13、集料的混凝土。3.2 轻骨料混凝土的结构特征轻骨料混凝土在组成和结构上与普通混凝土的不同在于其使用了多孔性的轻骨料，其他材料与普通混凝土相同，正是由于使用了轻骨料，使得其内部结构特征与普通混凝土相比有较大的不同。材料的宏观行为取决于其组成与内部结构。对混凝土内部结构的研究一般在粗观、细观和微观三个尺度上进行，不同尺度的体系及所研究的对象各不相同。目前对混凝土内部结构和性能的研究以宏观和细观为主。在宏观上，混凝土可看作是均质材料，表现出统一的物理力学性质和工程性能。在细观上，混凝土通常被看作是两相或三相材料。混凝土的细观结构对其宏观行为有重要影响，吴中伟院士对不同尺度研究的对象进行了概括及其与集

14、料间的界面。硬化的混凝土由水泥浆体、界面过渡区和骨料三个环节组成。混凝土的性质取决于它们各自的性质及其相互间的关系和整体的均匀性，其中界面过渡区是将性质完全不同的水泥浆体和骨料连成一个整体的关键环节，它的性质对混凝土的性质起着决定性的作用，但是界面过渡区的性质又受水泥浆体和骨料性质的支配。对普通密度混凝土而言，界面过渡区的性质主要受水泥浆体的支配，而对于轻骨料混凝土，骨料（表面特性、结构和含水量）与水泥浆体对界面过渡区的性质都有非常重要的影响。根据复合材料学观点，硬化混凝土可看作是由基体相和颗粒相组成的两相符合材料，基体相是水泥浆体，而颗粒相是骨料，包含粗细骨料。轻骨料混凝土颗粒相包含两种不同

15、性质的骨料，可把水泥砂浆看作是砂分散在水泥浆体中的两相材料，而把轻骨料混凝土看作是轻骨料与水泥沙浆组成的两相材料。在材料拌和与成型阶段，无论是普通密度混凝土还是轻骨料混凝土，都可看作是又水泥浆体和骨料组成的两相复合材料。在此阶段，材料非均质的特点非常显著。在混凝土的硬化阶段，混凝土的非均质程度逐渐减弱，均质性逐渐变强。4骨料与水泥石的强度和弹性模量的相对大小决定了混凝土内部的应力分布、初始微裂纹产生的位置以及混凝土的断裂行为。普通混凝土由于墙壁效应的存在，使得界面区是最薄弱区域。从细观层次而言，轻骨料混凝土的均质性较普通混凝土高。轻骨料与水泥石的强度、弹性模量比普通骨料与水泥石更为接近，使得轻

16、骨料混凝土内部的应力分布更加均匀。一般情况下轻骨料的弹性模量都低于水泥石，这导致水泥石将吸收更多的应力，拉应力产生于水泥石，界面区将处于横向压应力作用下，这使得裂缝的发源地更多的集中在水泥石基体中而不是在界面区。此外，在轻骨料混凝土中存在两套微孔微管系统，即水泥石中的微孔微管系统和轻骨料中的微孔微管系统。轻骨料的微孔微管系统在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得轻骨料附近处于局部低水灰比状态，因此减少或避免了骨料下部由于内分层作用而形成的 “ 水囊 ”，避免了界面处 Ca（ OH） 2 的富集和定向排列，提高了骨料与水泥石的界面黏结力。供水作用使得骨料附近的水泥石能够水化充分，从而增加

17、了骨料表面附近水泥石的密实性。通过轻骨料的吸水与供水作用，使轻骨料混凝土中界面区不再是混凝土中的最薄弱区。3.3 轻骨料混凝土的性能优点基于以上结构特征，轻骨料混凝土与普通混凝土相比有众多优点。其主要优点集中体现在以下几个特点上 10 ：3.3.1 轻质、高强特征明显比强度是混凝土抗压强度与密度的比值。比强度越高，材料的轻质、高强特征越显著。相对于钢材而言，普通混凝土的比强度显然很低。虽然100MPa以上超高强混凝土的研究与开发使混凝土的比强度得到较大的增加，但是随着强度的提高，混凝土的脆性也显著增加，因此制约了超高强混凝土的推广应用。相比之下，高性能轻集料混凝土无疑是高层与大跨度结构的理想建

18、筑材料。由于轻骨料混凝土轻质的特点，采用轻骨料混凝土替代普通混凝土是减轻结构自重最直接、最有效的措施。在承载力相同的条件下可以减轻自重20% 40%。轻骨料混凝土所具有的性能优势主要是指同其他混凝土品种比较，轻骨料混凝土在保持高强度的同时减轻了自重。对于结构恒载占有较大比例且对材料性能有较高要求的高层建筑和大跨度桥梁而言，轻骨料混凝土这种优势体现得更加充分。J.Brakel12 研究了轻骨料混凝土和普通混凝土对桥梁荷载的影响，认为在越是大跨度结构中采用轻骨料混凝土，越是能体现减轻自重的作用，如下表六。表 6 普通混凝土和轻骨料混凝土对桥梁荷载的影响桥梁跨度 /m普通混凝土轻骨料混凝土恒载的减少

19、 /%恒载 /%活载 /%恒载 /%活载 /%103565247611305050356515506040425818100802056442413090106337273.3.2 高耐久性资料表明，轻骨料混凝土具有与普通密度混凝土相当的耐久性。如50 100MPa的高强轻骨料混凝土具有非常低的渗透性和良好的抗冻性。同时，轻骨料的多孔性可以缓解水结冰而产生的膨胀应力，使得轻骨料混凝土具有良好的抗冻性13 。高性能轻骨料混凝土（HPLC）不但要表观密度低、强度高，而且要抗冻、抗渗、耐腐蚀、结构稳定性好、使用寿命长14 。日本研究了由高性能轻骨5料配制的混凝土的抗冻性，发现经过300 次冻融循环后

20、，其质量损失仅0.2%0.4%。碱集料反应是导致混凝土耐久性不良的重要原因。由于轻骨料是以硅酸盐类岩石或土壤为主要原料，经过高温煅烧而成，表面含有大量SiO2 玻璃体，所以轻骨料表面具有一定的火山灰活性。虽然轻骨料也是一种具有碱活性的骨料，但因为它的多孔性可以成功缓解碱集料反应形成的应力，从而使混凝土结构免遭破坏。所以轻骨料混凝土在近百年的应用历史中，没有发现遭受碱集料反应破坏的事例。日本在1983 年对使用已达20 年的 360 例、混凝土总用量超过40 万立方米的土木工程质量跟踪调查的结果也证明了这一点。由此可见，轻骨料混凝土是一种无碱集料反应危险、具有高抗渗性和抗冻性的新型材料。3.3.

21、3 多功能的特点鲜明轻骨料混凝土材料的内部结构特征是均质的多孔材料，它具有隔热保温功能，是一种优异的节能材料，表观密度为1750kg/m3 的高性能轻骨料混凝土的热导率为0.84W/ （ m·K），大大低于普通混密度混凝土的热导率1.5W/ （m·K）。因此从建筑节能方面考虑，采用轻骨料混凝土作墙体材料，较传统的实心黏土砖或普通混凝土可节能40% 60%。同时，在室内空气湿度较高的情况下，轻骨料能够吸入空气中的水分，相反，轻骨料又自动释放水分，起到保温、保湿的作用。轻骨料混凝土的弹性模量比较低，极限应变高于普通混凝土，可以通过发展塑性变形来消耗地震输入能量，因而抗震性较好。

22、研究表明，轻骨料混凝土相对抗震系数为109，普通混凝土仅为8415 。例如， 1976 年唐山地震之后，天津的四栋轻骨料混凝土建筑基本完好，但周围的砖混建筑都遭受了不同程度的破坏，这一事例有力的说明了轻骨料混凝土的高抗震性特点。3.3.4 经济性显著人造轻骨料的造价较高，因而但从材料成本而论，使用轻骨料会增加工程材料成本。但是，由于轻骨料混凝土具有高比强度、高耐久性以及抗震、保温等功能优势，采用轻骨料混凝土代替普通混凝土可以减轻结构自重，减少结构断面尺寸，提高结构跨度或增加层高。因此使用轻骨料混凝土不仅可以节约水泥、钢筋以及预应力钢筋等材料，取得较大的直接经济效益，而且还可以降低基础处理费用，

23、增加使用面积，延长工程使用寿命，获得显著的间接经济效益。国际著名的美国林同炎中国公司对我国建筑市场作了深入调查研究后认为16 ：仅在以普通混凝土为主要结构材料的高层、大跨度的土木建筑工程中推广高强轻骨料工程和结构轻骨料两项新技术，可使工程造价降低10% 20%。即使在国产高强陶粒一时供不上，不得不采用进口轻骨料时，还可以使工程造价降低5%10%。在一些地质条件复杂、气候恶劣的特殊条件下使用，还可能获得比高性能混凝土更好的综合技术与经济效益，起到普通混凝土所无法替代的作用。3.3.5 社会效益突出轻骨料混凝土除了在性能和功能方面比普通混凝土具有显著的优势之外，它还是一种生态环保型建筑材料。人造轻

24、骨料是配制轻骨料混凝土的主要原料，每立方米混凝土中轻骨料占有0.8m 3 左右，人造轻骨料可由工业废弃物如粉煤灰、淤泥、生活垃圾煅烧灰烧制而成，这是一种绿色集料。利用绿色人造轻骨料，研制开发出高性能轻骨料混凝土，促使其在各个领域大量代替普通混凝土，进而可以大大减少对天然资源的开采。同时，由于轻骨料混凝土具有较高的耐久性，它可以显著延长混凝土工程的使用寿命，从而进一步减少对自然资源的需求。四、 轻骨料的发展状况64.1 国外轻骨料混凝土的发展人造轻集料最早使用年代在 1920 年左右 17 ，18 。 S.J 海德是最初运用回转窑烧制膨胀黏土轻骨料， 1928 年，美国开始把这种方法用语商业生产

25、。西欧在第二次世界打颤以后才开始有了轻骨料的生产。美国和前苏联因缺少天然的普通骨料，大量生产和使用了人造轻骨料，使轻骨料混凝土在这两个国家得到飞速发展。但是轻骨料混凝土长期以来一直被当作非结果材料使用，应用范围受到了很大的限制。美国是世界上最早生产人造轻集料的国家，天然轻集料资源较为丰富，产量较高。同时，美国的人造轻集料生产技术一直处于世界领先地位，产量较高。1993年以来，美国人造黏土和页岩陶粒的年使用量一直稳定在350 万 415 万吨的高水平以上，美国生产的轻集料质量较好，制备的轻骨料混凝土密度为 1400 1800kg/m 3 时，其抗压强度可达30 70MPa，轻质高强的特征非常显著

26、。在美国轻集料应用市场，轻集料砌块目前占主导地位，但结构轻集料混凝土近年来也呈现出良好的发展态势。美国每年用于结构混凝土的黏土和页岩陶粒就达到近100 万吨。此外，美国利用工业废弃物生产轻集料的研究成果也比较突出，比较出名的是Durolite轻集料。自20 世纪 60 年代中期，美国采用轻骨料混凝土取代了普通混凝土修建了休斯敦贝壳广场大厦19 并取得了显著的技术经济效益。如今，国外发达国家高性能轻骨料混凝土的应用已取得了丰富的经验。CL50 CL60轻骨料混凝土已在工程中大量使用，结构轻骨料混凝土的抗压强度最高为80MPa，其表观密度在1800 2000 kg/m 3 之间。在西方国家，因轻集

27、料混凝土具有重度低，可降低建筑物自重、增加有效荷载的优点，已得到了大量的研究 20-23 ，轻集料混凝土已被广泛应用于现浇楼板，桥面板及海上钻井碰台等建筑结构上 24 。日本火山较多，天然轻集料产量丰富。虽然日本的轻集料生产起步较晚，但发展速度很快，而且在高强、低吸水率高性能轻集料混凝土生产技术方面具有较高的研究水平。20 世纪 80 年代末，前苏联轻集料产量一直稳定在 5000 万立方米，虽然解体后随着经济的滑坡，轻集料的年产量有所减少，但是轻集料混凝土在俄罗斯等国的民用住宅、桥梁工程等领域的应用仍然十分广泛。德国、英国和北欧等国家在轻集料混凝土发展上也具有代表性，其中挪威的轻集料混凝土在桥

28、梁结构工程中的应用处于世界领先水平。自1987 年以来，挪威已应用高性能轻骨料混凝土施工了11 座桥梁。20 世纪 90 年代初期，挪威、日本等国家研究了高性能轻骨料混凝土的配方、生产工艺、高性能轻骨料等，重点在于改善混凝土的工作性和耐久性，并取得了一定的成果。例如；英国采用高强轻骨料混凝土建造了北海石油平台；挪威已成功应用CL60级轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥；日本则在 1998 年成立了一个由 18 家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会，专门研究粉煤灰轻集料混凝土。4.2 国内轻骨料混凝土发展状况我国从 20 世纪 50 年代开始研究人造轻骨料，先后研制成黏土陶粒、页岩陶粒和

29、烧结粉煤灰陶粒，目前年产量达300 万 m3。据 1990 年对 10 个省市不完全统计，从20 世纪 70 年代至 80 年代用于房屋建筑外墙板的轻骨料混凝土约占其总用量的50%；用于建筑砌块约占砌块的27%。也有用作现浇大模板或划升模板施工的民用建筑墙体。自20 世纪 80 年代起，小型空心砌块在民用住宅中得到了广泛应用并取得了良好成果，为轻骨料混凝土在墙体上的应用起到了推动作用。我国轻骨料混凝土在承重结构中的应用与发展始于60 年代初期。 1960 年在河南平顶山建成了第一座轻骨料混凝土大桥洛河大桥。此后在其他桥梁上也部分应用了轻骨料混凝土。到了90 年代初期，由于技术观念上的原因，轻骨

30、料混凝土主要用作一些非承重结构，而很少用于结构工程。7但是，由于我国的轻骨料质量较差，以粉煤灰为住的其它品种陶粒的质量不尽人意，所配制的结构用轻骨料混凝土的表观密度一般为18001950kg/m3，抗压强度为5.0 25MPa，即密度较大而强度偏低，使其应用和发展那受到一定的限制。由于造价原因，在非结构工程中的应用经济效益不显著，所以大量轻骨料生产厂家被迫停业或转产，从而使我国轻骨料混凝土的发展由此陷入了长达10 年的低谷。直到 20 世纪 90 年代中后期，在国内外高强、高性能混凝土技术迅速发展的推动下，我国高强轻骨料混凝土的研究和应用开始出现了新的转机，人造轻骨料的产量逐年回升，尤其是高强

31、优质轻骨料的生产已形成一定的规模。在此背景下，轻骨料混凝土又开始在高层建筑和桥梁工程中获得应用。如珠海国际会议中心采用了LC30 泵送轻骨料混凝土，武汉证券大厦6468 层楼板使用了LC35 轻骨料混凝土，云南建工医院主体结构使用LC40 轻骨料混凝土，天津永定新河大桥引桥应用了预应力LC40 高强轻骨混凝土，京珠高速公路湖北段蔡甸汉江大桥桥面使用了LC40 泵送纤维增强轻骨料混凝土。现在工程上使用的结构轻骨料混凝土的表观密度1900kg/m 3 左右，强度等级可为LC50。试验室还可配制出70MPa的轻骨料混凝土。五、 轻骨料混凝土力学性能研究状况抗压强度（ f cu）是混凝土最基本的力学性

32、能指标，它与其它力学性能指标，如轴压强度、抗拉强度、抗剪强度有密切关系。我国现行混凝土技术规范25 中，轻骨料混凝土的强度等级划分也是以边长 150mm的立方体试件的抗压强度为基础的。轻骨料混凝土早期强度发展较快，7d 强度可达28d 强度的80%以上， 7d 以后混凝土的强度增长潜力决定于轻骨料自身的强度与混凝土的配比。根2627的研究，在使用硅灰的轻快下，轻骨料混凝土的极限强度大约在100MPa。据 Zhang和 Newman当由于需要使用100mm或 200mm立方体试件进行强度评定时，应考虑尺寸效应，fcu,150 / f cu,1000.95 ， fcu,150 /fcu ,2001

33、.05 。曹诚的研究发现 28，高强轻骨料混凝土的尺寸效应更加显著，LC40以上高强轻骨料混凝土的f cu，150/ f cu ，100的比值平均为 0.879 ，要小于目前认定的换算系数0.95 。有些国家（如美国29、日本）和国际学术组织（如CEBFIP 30）规定以圆柱体为标准抗压试件，高H=300mm、直径D=150mm。测定的强度称圆柱体抗压强度，同样存在尺寸效应问题。为消除立方体试件两端局部应力和约束变形的影响，最简单的办法是根据SanVinent改用高与截面边长之比为 34 的棱柱体试件进行抗压试验，所测得的结果能真实反映实际结构物中混凝土的抗压强度，也称轴心抗压强度（f ck）

34、，它是结构设计时混凝土抗压强度取值的依据。轻骨料混凝土的轴心抗压强度与其立方体抗压强度之间的关系受混凝土强度等级、配制混凝土所用轻骨料的种类影响较大，因而各科研院所测得的轻骨料混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度之间的关系各不相同。两者之间的换算关系通常采用f ck=0.93f cu。我国轻骨料混凝土技术性能小组的统计结果表明，中、低强度轻骨料混凝土的轴压比均值为0.85左右。轻集料混凝土结构设计规程 JGJ1299 中实际的轴压比取值为0.83 。由于轻骨料混凝土的非均值性以及实验误差等因素的影响，及其可能给结构带来的不利影响，在设计中，轻骨料混凝土轴心抗压强度的取值可适当降低到与普通混凝土相

35、同，按 JGJ51-90规定，轻骨料混凝土轴心抗压标准强度的取值按f ck=0.67 fcu 进行。混凝土抗拉强度分为轴心抗拉强度f tk 和劈裂抗拉强度 f pt 。结构设计中，混凝土的抗拉强度取值均采用轴心抗拉强度表示。我国轻骨料混凝土技术协作组采用不同品种轻骨料混凝土经回归分析2后所得到的轴心抗拉强度与抗压强度的经验公式为：ftk 0.26 fcu3，考虑到混凝土非均值性等因素821影响，按保证率95%时取值，标准强度可按 f tk 0.24 f cu3(1 1.645) 3计算。轻骨料混凝土的轴心抗拉强度测试较为困难，相比之下，劈裂抗拉强度测试的方法要简单些。我国轻骨料混凝土技术性能协

36、作小组得到的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的经验关系式为：2f pt 0.22 fcu3 ；与轴心抗拉强度之间的换算关系：ftk1.18 f pt 。实验表明，试件尺寸对轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度有较大影响，总是规律是尺寸越大，其劈裂抗拉强度越小。有资料表明，高强轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度的比值为1/161/10 。轻骨料混凝土的抗剪强度（f vk ）可由单剪法测定 31，一般较相同强度等级的普通混凝土略低，2抗剪强度与抗压强度之间的关系为fvk 0.37 fcu3 ，出于安全考虑，钢筋混凝土的结构设计规范规定，上式系数由 0.37 降低到 0.33 。弹性模量是轻骨料混凝土结构设

37、计的一个重要参数，其大小影响结构的刚度和长期受荷性能。混凝土的弹性模量大小决定于骨料和硬化水泥浆体各自的弹性模量及两者之间的相对比例。由于轻骨料的弹性模量低，轻骨料混凝土的弹性模量比普通混凝土要低得多。例如，C50 普通混凝土的弹性模量一般情况下可达到3540GPa，而同强度等级轻骨料混凝土的弹性模量甚至很难超过30GPa。根据轻骨料的种类、强度及混凝土配比不同，一般情况下，轻骨料混凝土的弹性模量比普通混凝土低 25%65%。而且轻骨料混凝土的强度越低，弹性模量与同等强度的普通混凝土相差越大。我国规定，轻骨料混凝土弹性模量的经验计算公式为：ELC 2.02f cu ,k ，美国经验计算公式为：

38、 EC 0.0431.5''fc ， fc 为轻骨料混凝土的圆柱体抗压强度。应力 - 应变关系是研究钢筋混凝土结构强度与变形的重要依据之一。国外有些学者如32Wang 等、Almusallam 33 等、过镇海 34 等提出了轻骨料混凝土应力应变全曲线的数学表达式。其中以过镇海建议的上升段和下降段分段表述的方程形式最为简单，其针对普通混凝土的表达式已纳入我国钢筋混凝土结构设计规范。但是国内关于轻骨料混凝土应力- 应变全曲线的试验多限于峰值应力为30MPa以下的轻骨料混凝土 35 ，36 。国外有强度达到 100MPa的应力 - 应变曲线实验数据 37 ，但是国外的试件都是圆柱体

39、的，由于试件的尺寸和形状效应的影响，必然和我国所采用的棱柱体试件的全曲线有一定区别。而且由于高强轻骨料混凝土的脆性较大、一般试验机自身的刚够不够大等问题，很难做出高强轻骨料混凝土全曲线的完整的下降段。综合国内外关于应力- 应变全曲线的实验结果，轻骨料混凝土的应力- 应变曲线大致如图一所示：9图 1 轻骨料混凝土的应力 - 应变全曲线目前较为典型的中低强度轻骨料混凝土的应力- 应变曲线为图二：图 2 中低强度轻骨料混凝土的应力-应变全曲线图中 yf / f c ， x/ c ； C 点为峰值点，对应与dy/dx=0 ；D 为曲线拐点，对应与d2y/d 2x=0； E 为收敛点，对应于 d3y/d

40、 3x=0。在拐点之前应力降低速度大于应变发展速度，在拐点附近主裂缝已经形成，可以听到劈裂声。超过拐点后，骨料间的咬合力和摩擦力承受的荷载越来越多，变形增长速度大于应力降低速度。在收敛点E后，主裂缝已经开展得相当宽，结构的连续性和整体性已经基本丧失32 。已有研究者的研究结果综合见下表33 ：表 7 轻骨料混凝土应力- 应变试验结果数据来源过镇海王玉起过镇海丁建彤强度等级LC10LC20LC25LC30LC40LC45LC50LC55峰值应力 f c/MPa16.225.530.034.746.751.558.562.4加载速度 / （ ×10-5007705004001001501

41、00506 /min ）峰值应变 c / ×10-62160201424702351271025582926283610拐点应变 / ×10 -6342525763297293531612924-3164拐点应力 /MPa13.820.524.627.836.841.4-48.5收敛点应变 / ×10-6452330003952340435133213-3415收敛点应力 /MPa1115.418.820.526.430.0-34.1采用过镇海提出的公式拟合轻骨料混凝土的应力- 应变全曲线比较合适。 LC10LC45轻骨料混凝土应力 - 应变全曲线采用下列公式所得

42、结果与试验数据拟合情况比较好，见图三：图 3 LC40轻骨料混凝土的应力-应变全曲线拟合当时， y=0(32a )x23x 1( a 2) x当时， y=xx 1dl ( x 1)2xx, yc fc式中0 、a 、dl 系数；c 、 fc 分别为峰值应变和峰值应力。Zhang37 等和 Slate 38 等得出结论，高强轻骨料混凝土的应力应变全曲线的典型特点是强度越高，线形越显著，下降段越陡。对于LC50以上高强轻骨料混凝土的应力- 应变全曲线方程，采用分段曲线的形式，图四为 LC50 轻骨料混凝土的实验数据与下列根据式计算值的拟合比较，相关性系数接近 1。11图 4 LC50 轻骨料混凝土

43、的应力-应变法全曲线拟合当时， y=0(32a ) x2( a 2)x3x 1当 1. 25 x1时， y=xdl ( x 1)2x当时， y=d2 (5x)x 1.25x, yc fc全曲线的峰值应力与峰值应变、收敛点应力和拐点应力都有线性关系。由现有轻骨料实验数据和钢筋混凝土结构设计规范39 的普通混凝土全曲线数据，并对数据进行拟合可得到图五和图六：图 5 混凝土峰值应力与峰值应变的关系12图 6 峰值应力与几何特征点应力的关系六、 轻骨料混凝土发展趋势及研究方向随着社会发展，轻骨料的发展也要向绿色，环保节能方向发展。因此在轻骨料的选取上，应以页岩，粉煤灰以及工业废料烧制的骨料为主。不同地

44、区也可以因地制宜发展其他种类的陶粒。轻骨料混凝土由于质轻的特点，日后必将越来越向结构，高强等方面发展。目前轻骨料混凝土主要存在的问题主要有以下几个方面：强度来源问题。轻骨料混凝土由于自身的组成和结构特点决定了其有一个极限强度，因此，当混凝土达到一定的强度后，再增加水泥用量已经无法继续提高混凝土的强度，相反还会带来其他方面性能的降低，因此，轻骨料混凝土的强度来源是什么？采用哪些技术措施能更好的提高它的强度？轻骨料混凝土的泵送性能40 ，41 。目前高强轻骨料混凝土已开始在工程上应用，但对轻骨料混凝土中骨料与胶凝材料容易离析而影响泵送施工的问题并没有根本解决。轻骨料混凝土抗裂防渗性能。脆性是影响混

45、凝土工程耐久性、使用寿命的重要因素之一。虽然，这些年来国内外研究者对其进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决，甚至包括对高性能混凝土的研究。轻骨料混凝土同样存在脆性问题，并且由于轻骨料混凝土的水泥用量较高，骨料弹性模量低和限制水泥石收缩变形的能力小以及轻骨料粒径和表面特征不合适导致水泥用量增多等原因，都会造成收缩增大，最终导致建筑物结构的开裂，因此，提高轻骨料混凝土的韧性以及防止混凝土开裂是影响高强轻骨料混凝土推广应用的一个重要问题。轻骨料混凝土的耐久性。影响轻骨料混凝土的抗冻融性能最重要的因素是轻骨料的饱水程度，采用饱和的轻骨料配制的混凝土，由于轻骨料内部的饱水程度高，一旦孔中结冰发生膨胀，

46、骨料内部就没有足够空间来吸收膨胀应力，因此混凝土将遭受严重的冻融损坏。Fujiki的研究表明，轻骨料的水饱和度高于90%将导致混凝土抗冻融性能变差，但最适宜饱水程度有待进一步研究。预应力损失问题。轻骨料混凝土弹性摸量小、收缩变形和徐变变形大，造成预应力钢筋混凝土中预应力损失较大较大，限制了轻骨料混凝土在预应力大跨度结构中的进一步应用。轻骨料混凝土目前的发展形势较为良好，但是由于宣传和交流广度不够，结构轻骨料混凝土的应用受到了限制，而且相应的轻骨料混凝土设计软件也尚未开发出来4 。如果轻骨料混凝土不能广泛应用于结构工程中，那么轻骨料混凝土的优点和性能将不能完全发挥。随着建筑行业市场的开放，轻骨料

47、混凝土也面临与国外同行的竞争，因此在已有研究成果的基础上，应该进一步扩大应用和研究范围，可以预计在不久的将来，我国轻骨料混凝土将在多、高层房屋建筑的楼板、墙板工程中有较多应用；在桥梁工程中，特别是旧桥的改造、修补、加固和扩建13中应用更为广泛；轻骨料混凝土房屋和桥梁结构设计将电脑化4 。轻骨料混凝土的研究上将还是以高强轻骨料混凝土和高性能轻骨料混凝土为主。为努力推广结构轻骨料混凝土在工程的应用，在结构轻骨料混凝土试验方面也将会有更多的研究成果出现。总之，无论在组成、结构还是性能方面，轻骨料混凝土与普通混凝土都有较大区别。已被实践证明的普通混凝土的有些技术措施和理论并不一定适用于普通混凝土了，有必要对于轻骨料混凝土应该象普通混凝土那样建立一套独立体系，因此，对轻骨料混凝土的基本性能研究以及工程应用都有十分重要的意义。参考文献1 申爱琴 水泥与水泥混凝土 人民交通出版社 20002 苑国良 轻骨料混凝土建筑抗震性能好3曹刚 .高强轻骨料混凝土试验研究西北工业大学申请硕士学位论文20044关淑君宋淑敏 陈烈芳我国轻骨料及轻骨料混凝土的现状和展望中国建筑学会建材分会轻骨料及轻骨料混凝土专业委员会5祝叶，徐银芳，陈竣等陶粒轻骨料混凝土的应用与发展趋势武汉 武汉城市建设学院学报Vol.18 No.2 Jun.20016 翟