广东工业大学 土木与交通工程学院 广东广州 510006
摘要：轻质混凝土具有密度低、力学性能较好和保温隔热性能良好的特点，拥有广泛的应用前景。而轻质混凝土的性能与所用轻骨料相关，但是轻骨料种类繁多，如何合理选择轻骨料是推广应用轻质混凝土的关键问题。为此，本文基于现有研究，对轻质混凝土的轻质骨料类型、抗压与抗弯性能和耐久性能进行了分析介绍。经分析比较发现，空心微珠能使轻质混凝土密度大幅度降低，但仍保证较高的强度。此外，轻质混凝土脆性大，而纤维的添加可有效改善其脆性。另外，对轻质混凝土混凝土的抗硫酸盐侵蚀、耐酸性能及抗氯离子渗透等耐久性能进行分析后，发现其耐久性与轻质骨料的类型有关。因此，合理选用轻骨料对轻质混凝土的推广与应用至关重要。
关键词：轻质混凝土；轻骨料；力学性能；耐久性能
引言
混凝土是目前最常用的建筑材料之一。而轻质混凝土由于能在保证较好强度的基础上大幅度降低自重，还能增强混凝土结构的保温隔热性能，也得到了广泛的关注与研究应用。此外，公元前3000年，轻质混凝土（Lightweight Concrete，简称LWC）就已经得到了使用，而我国在1956年才开始轻质混凝土的研究，进入90年代后，轻质混凝土在我国得到了快速发展。同时，2016年时中共中央国务院便提出大力推广装配式建筑，力争10年左右使我国装配式建筑达到新建建筑的30%。而相比较于普通混凝土，轻质混凝土应用于装配式结构具有独特的优势：混凝土自重的减少使得预制构件的截面更小，预制构件的制造、运输、吊装和安装更加方便快捷，能节省时间，提高施工生产率，从而大大降低了结构的整体建设成本[1]。另外，轻质混凝土的密度范围一般为1200 kg/m3~1800 kg/m3[2]，而对于结构轻质混凝土，密度的建议范围则为1120 kg/m3~1920 kg/m3[3]。
然而，轻质混凝土脆性较大，且轻骨料强度普遍较低，这限制轻质混凝土的广泛推广与应用。为此，本文分别以轻质混凝土的轻骨料类型、力学性能和耐久性能为研究对象，对相关的国内外现有研究进行整理比较，总结各类型轻骨料的特点以及轻质混凝土力学和耐久性能的影响因素。
1 轻骨料的种类
轻质混凝土可以通过加入各种轻质骨料来实现，以获得具有较好力学性能与功能性，而此时混凝土空隙主要存在于轻质骨料中。轻质骨料的种类繁多，据Hanif等人[4]和Wu等[5]的报告，近年来，为开发出了具有低密度与低导热性的混凝土，不仅可以采用一些较为常用的轻骨料或工业副产品（如膨胀粘土、膨胀页岩或泡沫渣等）外，还可利用其他集料如浮石、珍珠岩、空心微珠、聚氨酯泡沫、硅藻土、膨胀玻璃、气凝胶和高抗冲聚苯乙烯等来实现。Hanif等人[4]对各种常用的轻质骨料进行了统计总结，如表1所示。
表1 各种常用的轻质骨料统计[4]
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此外，轻质混凝土的力学性能和热工性能与轻质骨料的类型有关。表2为Wu等人[5]统计的采用不同轻质骨料下轻质混凝土的性能。可见，将混凝土中骨料换为轻质骨料能达到降低其自重的目的，从而降低混凝土本身的密度，并提供了良好的保温隔热性能。但是，由于轻质骨料的强度较低，使得骨料成为了轻质混凝土基体的薄弱点，混凝土的破坏往往呈现出轻质骨料被压碎[6]。同时，这些轻质骨料具有多孔性和吸水率高等特点，在混凝土中应用会使得混凝土力学性能变差、脆性大、内部结构孔隙率更高[7]。因此，为了获得理想的密度与优越的力学性能，轻质骨料的谨慎选择和有效应用是至关重要的。
表2 各种常用的轻质骨料统计[5]
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2 轻质混凝土的力学性能
2.1 抗压性能
混凝土的弹性模量、弯曲强度及劈裂抗拉强度等性能均与其抗压强度相关，可见抗压强度是混凝土最为普遍及最被广泛研究的性能。而轻质混凝土的抗压强度依赖于混凝土本身轻质骨料和水泥基体的强度。Karthika等人[8]通过选用50%、80%和100%的浮石轻质骨料部分或全部替代普通粗骨料来制备轻质混凝土，发现其抗压强度随浮石替代率的增加而下降。这主要是因为浮石的吸水率较高，会吸收很多拌合水，使得拌合物水胶比严重下降，且浮石本身为多孔材料，两者的共同作用降低了浮石轻质混凝土的抗压强度。而Rosca[9]则以再生砖骨料和聚苯乙烯微珠为粗骨料制备轻质混凝土，研究了不同取代率的聚苯乙烯微珠对密度和抗压强度的影响，其研究结果表明，聚苯乙烯微珠的掺入降低了轻质混凝土的抗压强度。此外，由于陶粒轻骨料混凝土存在水泥用量偏大以及强度较低等问题，李瑞等人[10]将三种工业废弃物（粉煤灰、矿渣粉和纳米二氧化硅）作为掺合料掺入到陶粒混凝土中，探究其种类及掺量对陶粒混凝土抗压强度的影响。通过试验发现，掺入纳米二氧化硅对陶粒混凝土的抗压强度改善最大，且单掺5%的纳米二氧化硅时，改善效果最为显著。
由上述分析可知，传统的轻质混凝土普遍强度不高，这主要是所使用的轻质骨料的本身强度性能较差，且具有较高的孔隙率，进而导致了轻质混凝土强度下降。但是，通过以空心微珠作为混凝土的唯一轻质骨料制备轻质混凝土，Wang等人[11]发现轻质混凝土的比强度（强度与密度的比值）可以分别达到41.03kPa/kg·m3。图1总结了不同轻质骨料混凝土抗压强度与密度的关系图。可见，与传统的轻质骨料相比较，空心微珠作为轻质骨料制备的轻质混凝土可在大幅度降低自身密度的情况下，仍保持较高的抗压强度。
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图1 不同轻质骨料混凝土的抗压强度[9，11-13]
2.2 抗弯性能
轻质混凝土有着显著的优势，同时也存在着明显的缺点，即脆性大、抗弯强度低，这严重限制了其发展与应用[14]。Karthika等人[8]研究了不同浮石轻质骨料替代率（0、50%、80%和100%）下轻质混凝土的抗弯性能，发现其抗弯强度随替代率的增加而降低。而研究认为纤维的添加可以显著改善轻质混凝土开裂后的延性，从而改善其脆性，提高抗弯强度[15]。因此，Li等人[15]研究了钢纤维含量对轻骨料混凝土抗弯性能的影响，其研究结果表明，由于钢纤维的桥接作用，掺入钢纤维可以显著提高轻质混凝土开裂后的延展性，改善其弯曲韧性，且建议钢纤维的最佳掺量为2.0%。
此外，由于不同种类的纤维的几何结构（如直径和长度）并不相同，不同的随机分布的纤维才能够桥接不同应力水平下的裂纹[16]。所以，多种纤维的混杂使用具有良好的协同效应，能发挥较好的综合优势。因此，Ismael等人[17]研究了不同纤维组合对轻质混凝土双向板的抗弯性能的影响，其研究发现混杂纤维对轻质混凝土试件的结构性能具有最显著的促进作用。而Liu等人[18]的研究也得到类似的结论，其主要研究了掺入钢纤维、聚丙烯纤维和硅灰对自密实轻质混凝土性能的影响。研究结果表明，添加了纤维后混凝土的弯曲强度得到了显着改善，且混杂纤维对其抗弯性能的改善优于单掺钢纤维，混合形式的钢纤维和聚丙烯纤维产生了很好的性能协同效应。
3 轻质混凝土的耐久性能
混凝土在服役过程中，需数十年长期暴露在外部环境中，而影响混凝土结构的使用寿命的一个重要因素就是耐久性[19]。所以，除了力学性能外，混凝土的耐久性能研究也有着着重要的工程意义。因此，Chung等人[20]研究了掺入膨胀玻璃、膨胀粘土和泡沫玻璃等不同类型的轻质骨料对轻质混凝土耐久性的影响。其研究结果表明，膨胀玻璃能有效防止流体对混凝土内部环境造成破坏，因此相比于膨胀粘土和泡沫玻璃，膨胀玻璃更能降低混凝土的渗透特性。另外，Nadesan等人[21]讨论了烧结粉煤灰轻质混凝土的耐久性，得出以下结论：由于烧结粉煤灰轻质混凝土中存在很好的界面过渡区，所以其渗透性和氯离子渗透值均小于普通骨料混凝土，并且表现出很好的电阻率和耐腐蚀性。
此外，Jagarapu等人[22]采用棕榈油外壳作混凝土中的粗骨料，对该轻质混凝土的硫酸盐侵蚀、酸侵蚀、氯化物侵蚀耐久性进行了研究，其研究结果则认为经化学侵蚀后，轻质混凝土的抗压强度均有所下降。而Wu等人[23]则对杏壳进行不同的表面处理，以探究杏壳轻质生物混凝土的抗硫酸镁性能。其研究表明，水玻璃和白乳胶处理杏壳表面对杏壳轻质生物混凝土的性能有效不大，但是，木油处理后会导致混凝土孔隙率增多，从而导致混凝土抗硫酸镁性能变差；水泥溶液和防水剂处理后，可有效提高混凝土的硫酸镁抵抗能力。另外，Patel等人[24]开展了以粉煤灰微珠和烧结粉煤灰骨料替代天然细骨料和粗骨料后轻质混凝土的耐久性研究，探究该轻质混凝土的抗硫酸盐、耐酸、抗氯离子侵蚀等耐久性能。图2表征了该研究中轻质混凝土的耐久性能。
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（a）硫酸盐侵蚀28和56天后强度损失百分比
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（b）酸侵蚀28和56天后强度损失百分比
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（c）氯离子渗透28和56天后。
图2 轻质混凝土的耐久性性能[24]
由图2可知，无论是单掺粉煤灰微珠和烧结粉煤灰骨料，还是两者按比例混合掺入，由硫酸盐侵蚀和酸侵蚀引起的混凝土强度损失都随着其掺量的增加而增大。这主要是随着硫酸盐和和酸的侵蚀，混凝土内部颗粒间的粘结力变差导致的。而与硫酸盐侵蚀相比，按比例混合掺入粉煤灰微珠和烧结粉煤灰骨料的混凝土因被酸侵蚀而造成的强度损失更为明显。可见，含有粉煤灰微珠和烧结粉煤灰骨料的混凝土结构不适合应用在酸性环境中。此外，由图3（c）可知，随着粉煤灰微珠或烧结粉煤灰骨料或两者混合的掺量的增加，氯离子进入混凝土的深度减小，混凝土的抗氯离子侵蚀性能随之提高。这归因于粉煤灰微珠颗粒粒径较小和结粉煤灰骨料“储层效应”。综上所述，掺入粉煤灰微珠和烧结粉煤灰骨料的轻质混凝土可适当地应用于暴露于沿海地区的结构，但是，由于耐酸侵蚀的能力较弱，不应在连续酸性环境中应用。
4 结论
本文基于国内外现有研究，对轻质混凝土所用的轻骨料种类、力学性能和耐久性能进行了比较分析，得出了以下结论：
（1）轻质混凝土的性能与轻骨料的种类有关，轻骨料的合理选择与有效运用可使轻质混凝土在获得优于的力学性能同时，最大程度上降低其自身密度。
（2）轻质混凝土的抗压强度与轻骨料本身的强度有关，而空心微珠的应用可使得轻质混凝土的比强度高达41.03kPa/kg·m3，实现了良好的抗压强度与密度关系。
（3）轻质混凝土脆性大、抗弯强度低，但掺入纤维可有效改善其脆性，并提高其抗弯强度。此外，混掺钢纤维和聚丙烯纤维能通过协同效应更加显著地改善轻质混凝土的抗弯性能。
（4）轻质混凝土混凝土的耐久性能与轻质骨料的类型有关。膨胀玻璃和烧结粉煤灰骨料能降低轻质混凝土的渗透性，而粉煤灰微珠和烧结粉煤灰骨料的掺入能提高轻质混凝土的抗氯离子侵蚀性能。
（5）采用水泥溶液和防水剂对轻质骨料（杏壳）进行表面处理后，可有效提高轻质混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。
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