|
文 献 综 述 1.引言 随着社会经济的发展和科学技术的进步，现代工程建设的规模与投资越来越大。据有关数据统计，目前我国每年新增大约20亿平方米的房屋面积，比发达国家年建成建筑面积的总和还多。全球建筑能源消耗已占总消耗的41%，超过工业和交通方面。然而根据我国国情:人口多，耕地少，山川多，平原少。这使得地价如金，因此，建筑物逐渐向高空延伸，高层化是不可避免的。近十年来，我国高层建筑工程的建设规模居世界前列[1]。由于公路网、铁路网等基础设施的大规模的建设，使得跨越江、河、深谷、海峡的大跨和超大跨桥梁的兴建也与日俱增，大量海洋平台亦将在浅海或深海兴建。像这种深处海洋中的大型构筑物和操作平台，横跨大江、大河和峡谷的桥梁、穿越海湾及地下的隧道和巷道工程等在严酷环境下使用的混凝土结构，需要进一步提高强度，改善其性能，这是水泥基复合材料的未来发展的方向。因此，超高强水泥基复合材料的使用将会.使结构体系更加安全，并能充分发挥出新结构体系所具有的优点[2]。 进入20世纪以来，作为世界用量最大的人造材料之一的混凝土,随着建筑行业的蓬勃发展，它的使用量迅速增加，由此引起的经济和环境问题也得到广泛关注。据数据统计，混凝土的年产量是50亿立方码，这几乎相当于17个足球场的宽度、长度、高度。作为建筑材料的混凝土，它的使用量是其他建材(包括钢材、木材、塑料等)的两倍。我国每年混凝土消耗约为30亿立方[3]，而国内也已初步探明的石灰石储量仅为450亿吨[4],其中具有开采利用价值的仅占到总量的55%左右。除此之外，对砂石的大量开采，使其出现难以为继的问题。建筑业的可持续发展与资源短缺的矛盾日益突出，已经越来越引起人们的关注。据分析，在相同的承载力条件下，骨料在普通混凝土中的消耗量大约是超高强度的活性粉末混凝土的四倍；水泥的消耗量大约是其的两倍。而且吸入过多含有SiO2结晶的混凝土，会得一种“硅肺病”。人类的生存与发展，只能在地球这个巨大生态系统的承载力(环境、资源、能源、物种等)范围之内[4]。因此，大力倡导发展绿色超高强高性能混凝土是必要的，因为这样不仅可以使建筑业健康可持续的发展，还会使人类得以 |
生存。综上所述，绿色超高强混凝土的开发与应用研究是现代混凝土应用研究的热点领域。
- 高强混凝土特点及其研究
高强混凝土，是指抗压强度达到或超过60MPa的混凝土。高强混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高，一般为普通强度混疑土的4～6倍，故可减小构件的截面，因此最适宜用于高层建筑。试验表明，在一定的轴压比和合适的配箍率情况下，高强混凝土框架柱具有较好的抗震性能。而且柱截面尺寸减小，减轻自重，避免短柱，对结构抗震也有利，而且提高了经济效益。高强混凝土材料为预应力技术提供了有利条件，可采用高强度钢材和人为控制应力，从而大大地提高了受弯构件的抗弯刚度和抗裂度。因此世界范围内越来越多地采用施加预应力的高强混凝土结构，应用于大跨度房屋和桥梁中。此外，利用高强混凝土密度大的特点，可用作建造承受冲击和爆炸荷载的建（构）筑物，如原子能反应堆基础等。利用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强的特点，建造具有高抗渗和高抗腐要求的工业用水池等。研究高性能混泥土尤为必要和迫切。
高强混凝土在国外，20世纪60年代就已开始应用，是一项成熟的技术，已经有用辉绿岩碎石配制出170MPa混凝土的例子。我国虽然起步较晚，但80年代就已见应用,近十年来随着商品混凝土的推广，高强混凝土在桥梁工程、高层建筑、混凝土制品、港口海洋工程等领域的应用实例愈来愈多。水利水电工程中其实早已有高标号混凝土应用的实例。不过，真正按高强混凝土设计、施工，那还是在高效减水剂发明之后。[5]
3.轻集料混凝土特点及其研究
轻集料混凝土是指用轻粗集料、轻细集料 (或普通砂) 、水泥和水, 必要时加入化学外加剂和矿物掺合料配制成的混凝土, 其表观密度不大1950 kg/m3。其中由轻砂作细集料配制而成的轻集料混凝土为全轻混凝土, 由普通砂或部分轻砂作细集料配制而成的轻集料混凝土为砂轻混凝土。
为宝, 降低生产成本, 同时减少了天然资源的开采, 有利于环境保护, 符合现代可持续发展的要求, 轻集料混凝土将大有用武之地。[6]
3.1轻集料混凝土特点
轻集料混凝土具有自重轻、保温隔热和耐火性能好等特点。结构轻集料混凝土的抗压强度最高可达70兆帕，与同标号的普通混凝土相比，可减轻自重20~30%以上，结构保温干拌复合轻集料混凝土是一种保温性能良好的墙体材料，其热导率为0.233~0.523瓦/(米*开)，仅为普通混凝土12~33%。轻集料混凝土的变形性能良好，弹性模量较低。在一般情况下，收缩和徐变也较大。轻集料混凝土的弹性模量与其容重和强度成正比。容重越小、强度越低，弹性模量也越低。与同标号的普通混凝土相比，轻集料混凝土的弹性模量约低25~65%。
（1）轻质高强
结构轻集料混凝土的容重一般为1 400~1900 kg/m3, 其强度可以达到普通混凝土常用的强度等级。高层建筑、大跨度桥梁等工程而言, 这种特性在经济效益方面表现出明显的优越性。
（2）保温隔热性能好
多孔轻集料内部的孔隙, 还使其导热系数低, 保温性能好。干燥状态人造轻集料混凝土的导热系数一般为0.21~0.81 W/ (m·K) , 远低于普通混凝土1.86~2.09 W/ (m·K) 和砖砌体0.81 W/ (m·K) 。
（3）抗震性好
由于轻集料混凝土密度小, 质量轻, 弹性模量低, 变形性能好, 所以其抵抗变形的能力增强, 结构破坏时会消耗更多的变形能, 减震效果显著。在轻集料混凝土成型后, 轻集料会吸收过多的水分, 随着时间的延长, 混凝土水分逐渐蒸发, 轻集料又会缓慢释放出内部的水分, 使水泥石得到充分的养护, 从而提高了水泥石的密实性和强度[7]。
（4）抗裂性好
轻集料混凝土的热膨胀系数和弹性模量比普通混凝土小, 这对于改善结构的耐久性以及延长结构使用寿命是非常有利的, 并有助于降低结构在试用期间的维护费用。
（5）耐火性能好
轻集料混凝土导热系数低, 其耐火性能比普通混凝土高4倍, 在高温作用下可保护钢筋不遭受破坏。
3.2轻集料混凝土分类
轻集料混凝土按轻集料的种类分为:天然轻集料混凝土。如浮石混凝土、火山渣混凝土和多孔凝灰岩混凝土等。人造轻集料混凝土。如黏土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土以及膨胀珍珠岩混凝土和用轻集料(聚氨酯颗粒)制成的混凝土等。工业废料轻集料混凝土。如煤渣混凝土、粉煤灰陶粒混凝土和膨胀矿渣珠混凝土等。
按细集料种类分为:全轻混凝土。采用轻砂做细集料的轻集料混凝土。砂轻混凝土。部分或全部采用普通砂作细集料的轻集料混凝土。
按其用途分为:保温轻集料混凝土。其容重小於800公斤/立方米,抗压强度小於5.0兆帕,主要用於保温的围护结构和热工构筑物。结构保温轻集料混凝土。其容重为800~1400公斤/立方米,抗压强度为5.0~20.0兆帕,主要用於配筋和不配筋的围护结构。结构轻集料混凝土。其容重为1400~1800公斤/立方米，抗压强度为15.0~50.0兆帕，主要用於承重的构件、预应力构件或构筑物。
3.3轻集料混凝土的应用
轻集料混凝土大量应用于工业与民用建筑及其他工程，可收到减轻结构自重;提高结构的抗震性能;节约材料用量;提高构件运输和吊装效率;减少地基荷载及改善建筑功能(保温隔热和耐火等)等效益。因此，在20世纪60~70年代，轻集料混凝土的生产和应用技术发展较快，主要向轻质、高强的方向发展，大量应用於高层、大跨度结构和围护结构，特别是大量用於制作墙体用的小型空心砌块。中国从50年代开始研制轻集料及轻集料混凝土，主要用于工业与民用建筑的大型外墙板和小型空心砌块，少量用于高层和桥梁建筑的承重结构和热工构筑物。
（1）轻集料混凝土在高层建筑中的应用
我国进入20世纪90年代以后, 随着高强度、低吸水率的高强轻集料的研制和生产, 结构轻集料混凝土在工程应用中也崭露头角。1999年建造完成的24层的珠海国际会议中心, 为满足建筑功能变更的要求, 在9层以上的轴线范围内采用轻集料混凝土, 有效地减轻了结构自重, 共使用了约1115m3轻集料混凝土。经估算, 采用轻集料混凝土方案比采用基础、梁、柱加固方案节省资金20多万元, 缩短施工周期半年以上。2005~2006年建造的宜昌滨江国际大厦, 建筑总高101.1m, 大屋面高度93.6m, 总建筑面积为36 197.9m2。四层以上采用短肢剪力墙结构形式, 全部采用陶粒混凝土建造, 共用LC40轻集料混凝土2990m3, LC35轻集料混凝3650m3。该工程首创了我国在结构体系上 (筒体、剪力墙、梁、柱、板) 全部采用轻集料混凝土建高层的记录, 同时实现了轻集料混凝土垂直高度达101m的高层高强泵送技术。
（2）轻集料混凝土在桥梁工程中的应用
永定新河大桥是我国轻集料混凝土在桥梁工程中应用最为成功的一个典型范例。该桥是位于唐津高速公路上的一座大型桥梁, 全长1565.5m。在该桥南北引桥工程的上部结构中应用了强度等级为LC40、密度等级为1900的轻集料混凝土。这是我国应用新材料、新技术建筑现代轻集料混凝土桥梁的开端。
（3）轻集料混凝土在道路工程中的应用
在美国得克萨斯州休斯敦市的一条州际公路上, 有两段沿街道路就是连续配筋的轻集料混凝土路面的一个实例。这些路段建于1963~1964年, 是在试验基础上研究配筋百分率的影响, 预定了裂缝的间距和骨料的种类。路面板是150mm厚的混凝土, 下面是150mm厚的由水泥稳定的骨架路基。整体浇筑的宽度达7m。在1974年、1984年和最后的1988年, 即路面开通使用后24年, 都对路面的弯沉、裂缝间距和表面情况进行检查。研究表明, 用轻骨料混凝土浇筑的路面, 同用硅质砾石作为粗骨料的普通混凝土路段相比, 前者的表面损坏较少。这表明, 轻骨料混凝土路面可与现代的普通混凝土路面相媲美。[6]
3.3轻集料混凝土存在的主要问题
轻集料的多孔、轻质的特点虽然可以降低轻集料混凝土的自重, 但同样也会对轻集料混凝土的工作性能、硬化后的强度和耐久性能产生一些不利的影响。目前, 我国生产的人造的吸水率小于5%的低吸水率轻集料年产量较少, 不超过10万m3。轻集料性能上的不足也使轻集料混凝土的强度、工作性能以及施工都难以达到设计要求。这个问题已经成为当前制约轻集料混凝土应用迅速发展的主要障碍。轻集料混凝土工作性差主要表现在:干燥陶粒吸水会导致混凝土拌和物的坍落度很快损失;吸水率越大, 坍落度损失越快。这是由陶粒自身的性能特点所决定的, 也正是配制高性能陶粒混凝土的技术难点所在, 在较大程度上限制了轻集料混凝土的应用。如何克服轻集料上浮现象一直是轻集料混凝土领域内公认的难题之一。总的来说, 研制具有良好工作性与可泵性的高性能陶粒混凝土仍然是本领域研究的一个难点与重点。[8]
4.矿物掺合料和不同养护方式对混凝土性能的影响
随着混凝土技术的发展，矿物掺合料在商品混凝土中被大量应用，其种类和性能的变化对混凝土强度影响很大；同时，强度的检测周期较长，不利于混凝土质量的控制，采用加速养护对混凝土强度做出直接判断十分必要；养护方式决定了加速养护的最终结果，因此，研究不同养护方式下混凝土强度的增长规律、特点和相互联系，确定合理的养护方式是快速准确判断混凝土强度的前提。
4.1矿物掺合料对混凝土性能影响
矿物掺合料，通常是天然矿物或是需要处理的工业副产品和废料，因其来源广泛，成本低廉，有助于改善混凝土性能而在商品混凝土生产中得到了大量的应用，其中粉煤灰和矿渣粉在我国分布最为广泛，是目前在普通混凝士生产中应用最广的两种矿物掺合料。矿物掺合料的应用不仅可以降低水化热及温升、改善拌合物工作性、增进混凝土后期强度、改善混凝土的内部空隙结构，提高抗腐蚀能力和抑制碱集料反应等;而且有利于节能减排、美化环境、实现人类社会可持续发展，混凝土的生产需要大量硅酸盐水泥，其生产过程能耗巨大且排放大量温室气体，为缓解社会经济发展与环境污染之间的矛盾，除了改良水泥生产工艺外，最有效的办法就是掺入矿物掺合料以减少水泥熟料的用量。[9]
4.2养护条件对混凝土性能影响
一般对混凝土质量的基本要求是具有符合设计要求的强度。混凝土所处的环境温度和湿度等，都是影响混凝土强度的重要因素。混凝土成型后，必须在一定时间内保持适当的温度和足够的湿度，以使水泥充分水化，这就是混凝土的养护。混凝士在正常养护条件下，起强度将随着龄期的增加而增长。
养护条件(温度、湿度)是通过对水泥水化过程所产生的影响而起作用的。混凝土的硬化，原因在于水泥的水化作用。养护温度高可以增大初期水化速度，混凝土初期强度也高。在养护温度较低的情况下，由于水化速度缓慢，具有充分的扩散时间，从而使水化物在水泥石中均匀的分布，有利于后期强度的发展。当温度降至零度以下时，由于混凝土中的水分大部分结冰，水泥颗粒不能和冰发生化学反应混凝土强度停止发展。周围环境的湿度对水泥的水化作用能否正常进行有显著影响:湿度适中，水泥水化能顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，混凝土会失水干燥而影响水泥水化作用的正常进行，甚至停止水化，降低混凝土的强度。所以，为了使混凝士正常硬化，必须在成型后一定的时间内维持周围环境有一定的温度和湿度。[10]
养护制度如水化速率、水化程度、水化产物结晶度及形貌等对复合胶凝材料的水化有重大的影响。在实际混凝土工程中，特别是在掺有大量粉煤灰的大体积混凝土工程中，由于水化温升使得混凝土内部迅速达到较高的温度，尤其是在强度发展早期，混凝土内部的温度甚至远远高于20℃ ,这与传统的标准养护制度下温度、湿度的发展规律以及这种养护制度下水泥粉煤灰浆体内部水化反应的进行有明显区别。目前，研究者们对高温养护条件下水泥粉煤灰复合胶凝材料硬化浆体强度的发展研究较多，大多认为:养护温度的提高促进了火山灰反应而使得早期强度提高[11-15]。Atis等[16-17]的研究也表明，与普通混凝土相比，粉煤灰混凝土抗压强度对养护条件的敏感性更强。张庆欢[18]认为高温养护在早龄期提高了浆体的抗压程度，特别是对掺加粉煤灰的复合胶凝材料的促进作用更为明显，但由此阻碍了后期水化程度的提高，因此，也限制了强度进一步 提高。Termkhajormkit等[19]对不同养护条件下水泥粉煤灰抗压强度与水化程度的关系进行了深入研究，认为粉煤灰的水化程度对由养护条件的不同而带来浆体强度的差异并不产生贡献，而这种贡献主要来源于水泥的水化程度。胡曙光等[20]对水泥粉煤灰浆体的水化程度进行了大量研究，但这些研究大多是对标准养护条件下的试样进行研究，而对变温条件下浆体的水化性能研究较少，对各种养护制度下浆体微观结构的探索更少。
5.总结
当前我国的固体废弃物资源化利用率较低，大量可再生固体废弃物未得到合理的回收利用。开展石泥渣轻集料的资源化利用对保护耕地、改善环境及实现经济可持续发展具有重要意义。本课题拟采用石灰和水泥为钙质材料，粉煤灰或石英砂为硅质材料，通过水热合成蒸压工艺制备石英泥渣轻集料，并以石英泥渣轻集料为粗集料制备高强混凝土，探讨不同养护条件对轻集料混凝土性能的影响。
参考文献
[1]徐培福，王亚勇，戴国莹.关于超限高层建筑抗震设防审查的若干讨论.土木工
程学报, 2004, 37(1): 1-6
[2]Naaman, A.E amp; Reinhardt, H.W, Preface,Pre-Proceedings: 2nd International Workshop,High Performance Fiber Reinforced Cement Composities Volume2 [J], edited by Naaman,A.E amp; Reinbardt, H .W, Eamp;FN Spon, 1995
[3]姚燕. 低碳经济时代水泥混凝土行业发展方向[J].商品混凝土, 2010, (4): 1-3
[4]吴中伟.绿色高性能混凝土与科技创新[J].建筑材料学报, 1998, 1(1): 2-7
[5]张欣，梁桂萍.高强混凝土的特点及其应用.水利部山西水利水电勘测设计研究院.山西水利科技,2003
[6]赵明霞.轻集料混凝土的研究和应用.哈尔滨市散装水泥和预拌混凝土发展中心
[7]龚洛书.轻集料混凝土技术的发展与展望[J].混凝土, 2002, 2:13-15.
[8]吴俊焘.轻集料混凝土研究进展以及发展现状.宿迁学院.河南建材,2014,(04),22-22 25
[9]王道领.矿物掺合料对轻集料混凝土性能影响研究.驻马店市公路工程开发有限公司
[10]李响，阎培渝．高温养护对复合胶凝材料水化程度及微观形貌的影响[J]．中南大学学报（自然科学版），2010，（12）：2321-2326．
[11]CAO Cheng, SUN Wei, QIN Hong gen. The analysis on strength and fly ash efect of rlrcorompacted concrete with high volume fly ash[J]. Cem Concr Res, 2000, 30(1): 71-76.
[12]Toutanji H, Delatte N, Aggoun S, et al. Effect of supplementary cementitious materials on the compressive strength and durability of sort-term cured concrete[J]. Cem Concr Res, 2004,34(2): 311-320.
[13]WANG Ai-qin, ZHANG Cheng-zhi, SUN Wei. Fly ash efeets II the microaggregate effect of
fly ash[J]. Cem Concr Res, 2004,34(11): 2061-2066.
[14]何智海,刘运华,谢友均等.蒸养条件下水泥-粉煤灰复合胶凝材料的水化性能研究[J].工业建筑，2008, 38(S1) :807-812.
[15]阎培渝，张庆欢，杨文言.养护高温对复合胶凝材料水化性能的影响[J].电子显微学报, 2006, 25(SI): 171-172.
[16]Atis C D. Strength properties of high-volume fly ash roller compacted and workable concrete, and influence of curing condition[J]. Cem Concr Res, 2005, 35(6): 112-1133.
[17]Ozer B, Ozkul M. The influence of initial water curing on the strength development of ordinary Portland and pozzolanic cement concretes[J] Cem Concr Res, 2004, 34(1): 13-21.
[18]张庆欢.粉煤灰在复合胶凝材料水化过程中的作用机理[D].北京:清华大学土木工程系, 2006: 31-37.
[19]Termkhajormkit P, Nawa T, Kurumisawa K. Effeet of water curing conditions on the hydration degree and compressive strengths of fly ash-cement paste[J]. Cem Coner Comp, 2006,28(9): 781-789.
[20]胡曙光,吕林女,何永佳.低水胶比下粉煤灰对水泥早期水化的影响[D].武汉理工大学学报，2004, 26(7): 14-16.
