轻骨料混凝土的研究进展与应用前景
防灾减灾材料与工程
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信息和学术交流
混凝土是土木工程建设领域用量最大、应用最为广泛的复合材料，数据显示
，2021
年，全国商品混凝土产量
329330
万ｍ
3，增长
6
.
9%，
增速同比提高
4
个百分点，可见混凝土需求仍然强劲
。
但是随着时代的发展，工程建设越来越趋向多样、一体、大型和复杂化，使得工程对混凝土强度、承载力等提出了更高的要求ꎻ同时由工业废弃物带来的环境和能耗问题已较为严重，而建筑材料还要每年消耗天然骨料
80
亿
～
1
20
亿
t，环境问题更为突出，亟待解决
。
轻骨料混凝土由于其自重相对较轻，在大跨度桥梁工程结构以及高层建筑结构中能够有较好的应用
。
另外，轻骨料混凝土还具有轻质、高强、保温性好、抗震性好、耐久性良好等特性
。
基于结构可靠性和材料低碳性要求这两点，研究轻骨料混凝土是非常有必要的
。
混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本且最重要的一个问题，直接关系到所研究材料性能的好坏
。
普通混凝土配合比设计方法主要是基于绝对体积法和假定容重法的半理论半经验设计方法
。
轻骨料混凝土配合比设计与普通混凝土几乎并无差异
，《
轻骨料混凝土技术规程
》
(
JGJ51
)给出了两种配合比设计方法，分别是松散体积法和绝对体积法
。
牛建刚等采用最紧密堆积理论和浆体膜厚理论作为理论支撑对高强轻骨料混凝土基础配合比进行设计，并在测定多元粉体材料和多元骨料体系的最佳搭配比例时分别采用最小需水量法和紧密堆积法，配制的混凝土均符合设计要求
。
丁波等以颗粒最紧密堆积原理(
DSP
)配合比设计法为基础，同时采用真空搅拌技术改善孔结构后，成功配制出了表观密度<
1350kg/m
3
、抗压强度>
40MPa
且性能良好的轻骨料混凝土
。
Chabi
等提出了一种基于植物骨料的混凝土配合比设计方法
。
其原理是确定特定实施方式植物骨架的堆积密度，然后对占据颗粒间剩余孔隙体积的黏结剂膏体配比
。
对于给定体积的空气(和添加量)，根据
F
éret
定
律调整水泥和有效水的数量，以实现目标性能
。
Li
等提出了以砂浆膜厚为关键技术指标的新型配合比设计方法
。
该方法将混合料设计过程分为基于砂浆流变特性的自密实性能设计和基于砂浆有效水灰比规则的强度设计
。
Lu
ｕ等采用了一种新型轻集料配合比设计法即中心复合设计法(
CDD
)，研究此法对轻质高强混凝土(
L-UHPC
)的性能影响，发现在此法上加入中空玻璃微球(
HGM
)能有效降低L-UHPC密度而不损失强度
。
纤维具有桥接、增强、增韧作用，作用机理主要是基于复合材料力学理论和纤维间接理论，而且纤维还能改变轻骨料混凝土的工作性能和力学性能等，目前许多学者进行了研究，并取得了以下研究成果
。
王子在轻骨料混凝土中加入聚乙烯醇(
PVA
)纤维，通过实验得出，PVA
纤维的掺入会产生桥接，使轻骨料混凝土早期抗压强度和劈裂抗拉强度显著提高
。
张学元等利用试验研究后得出稻草纤维能提高粉煤灰陶粒轻骨料混凝土拉压比，并随纤维含量增加而增大，稻草纤维与其他纤维增韧效果相近，由于缺陷需要
NaOH
和其他工艺对稻草纤维改性处理
。
黄正峰等在核桃壳轻骨料混凝土中加入塑钢纤维发现劈裂抗拉强度和抗冲击韧性显著提高，并指出当掺量为
1
.
3%
时，提升性能最高
。
潘柏通过试验探究发现单掺玄武岩纤维、玄武岩￣钢混杂纤维均不同程度提高了轻骨料混凝土抗压强度，且单掺纤维的提高效果低于混杂纤维，在掺量为
4kg
时为最优，单掺强度提高了
11
.
9%，
而混掺提高了
14
.
5%。
Qiu
通过实验发现，适当的
PP
纤维掺入对煤矸石轻骨料混凝土的微观孔隙结构特性和宏观力学性能有明显的改善作用
。
Ye
等在高强轻骨料混凝土分别掺入
3
种不同的钢纤维，发现微钢纤维在力学性能上的增强性能最好，在纤维含量相同的情况下，在增韧效果方面，微钢纤维>端钩钢纤维>波纹钢纤维，综合考虑和易性、力学性能和韧性后，建议微钢纤维体积分数为
0
.
5%
～
1
.
0%，
大尺寸钢纤维体积分数为
1
.
0%
～
2
.
0%。
Xiao
等通过实验得出改性玄武岩纤维火山渣轻骨料混凝土的抗弯强度比非纤维混凝土提高了
47%，
抗压强度提高了
16%，
韧性提高了
27%，
力学性能得到了改善ꎻ把碳化处理后的秸秆纤维掺入火山渣混凝土中，抗折强度和抗折比明显提高，同时也大大提高了火山渣轻骨料混凝土的抗冻性能，使其冻融循环次数可达
300
次，耐久性能提升
。
Zeng
等通过实验得到的结果表明，玄武岩纤维和聚丙烯纤维均可提高轴向抗压强度，且在相同体积分数下，前者的提高效果优于后者
，1
.
5%
玄武岩纤维和
1
.
5%
聚丙烯纤维改善了轻骨料混凝土的抗压韧性行为
。
刘俊龙通过实验证明，双掺矿物掺合料对轻骨料混凝土的流动性提高作用显著，同时也能提高其抗冻和抗渗性能，但对收缩和抗碳化会产生不利的影响
。
陈茜等发现把偏高岭土加入到陶粒轻骨料混凝土中后，其抗压强度、劈裂抗拉强度有所增强，并在掺量为
12%
时，抗压、劈裂抗拉强度分别上涨了
23
.
30%，34
.
20%
达到最高
。
唐鹏在轻骨料混凝土添加两种矿物掺合料，发现掺料可以提升耐久性，并且当矿物掺合料在
40%，
粉煤灰和矿渣粉质量比在
2
∶
3
时，轻骨料混凝土的耐久性能最佳，但对于收缩不利
。
另外肖力光等研究发现适当掺量硅藻土能大幅提高普通混凝土的
28
d
抗压强度，而辛宇等发现改变硅藻土掺量加入轻骨料混凝土中，不仅能提升抗压强度，还能使抗冻性得到明显改善
。
Ma
等采用慢冻法研究了矿渣微粉轻骨料混凝土抗冻性，结果表明，冻融循环后质量损失小，冻融强度损失大，同时，由于矿渣粉的微填充作用能有效减少冻融循环对混凝土的破坏
。
Chang
等发现矿物掺合料的加入改变了轻骨料混凝土的单位重量和吸水率，使
K
值降低
0
.
41%
～
25
.
71%，
提高了保温性能，加
30%
粉煤灰的混凝土隔热性能最大，其次是添加
10%
玻璃
LED
粉的混凝土，矿物掺合料隔热效率提高明显
。
Ghazali
等研究了用
0，10%，20%，30%
和
40%
粉煤灰(
FA
)部分替代水泥后棕榈油熟料轻骨料混凝土的和易性，当掺入
20%FA
时，和易性最佳，即工作性能优越
。
肖力光、范雪等通过改性实验得出，适量泡沫剂的加入，使火山渣混凝土的抗冻性、抗渗性及热工性能有明显的提高，并让微观界面过渡区更致密，另外还改善了混凝土和易性
。
引气轻骨料混凝土中的轻骨料多孔性和引入的微小而互不联通的气泡起到“微养护”作用是抗冻性较好的主要原因
。
李书明等发现高分子增稠剂可以阻碍轻骨料的上浮，使骨料分布均匀，流动性也不降低，屈服强度还能提高，而且使耐久性能更好
。
Wang
等发现减缩剂的掺入对轻骨料混凝土的收缩体积减小有显著的影响，当减缩剂占水泥的
2%
时，收缩量减少了约
26%，
同时减缩剂与预湿复合应用对轻骨料混凝土的收缩有较好的抑制作用
。
Nguyen
等通过研究发现，在新拌混凝土中掺加引气剂降低了新拌混凝土的容重和骨料分层，使新混凝土的工作性能变好，但会降低强度，并建议根据施工和强度要求，采用最低引气剂量(质量<
0
.
02%
)
。
Ma
等利用试验证明通过碱活化的煤矸石作为轻骨料混凝土中的粗骨料会产生较高的抗压强度并获得良好的耐久性，并且在抗压强度和抗硫酸盐侵蚀方面具有很大的优势
。
王国旺等通过实验得到当聚合乳液固含量为
10%
～
3
0%
时，改性轻骨料混凝土的抗压强度、弹性模量都出现了下降，而劈裂抗拉强度提高，同时聚合物增加了基体致密性
。
Ｍａ等研究了聚合物对改性陶粒轻骨料混凝土在高温下测试试件热剥落和力学性能的影响，结果表明，改性陶粒使陶粒热剥落率由
69
.
4%
降到
4
.
2%，
剥落率大幅降低，而在
1200
℃下，改性陶粒混凝土仍具有相当的残余力学性能，可以看到改性陶粒混凝土耐火性能很好
。
Ren
等将相变材料和碳纳米纤维掺入轻骨料混凝土中，发现与对照轻骨料混凝土相比，添加这些材料的轻骨料混凝土的热导率最大增量达到了
15
.
8%，
导热性能得到改善
。
Chung
等研究了骨料类型对轻骨料混凝土耐久性影响，研究表明轻骨料混凝土的耐久性受骨料类型的影响较大，且与其孔隙结构密切相关
。
在抗渗透特性方面，膨胀玻璃是所用轻骨料中最有利的材料，其耐久性较好
。
Zhang
等研究了骨料粒径对轻骨料混凝土吸声性能的作用，使用阻抗管法进行测试，结果表明，在相同条件下，多孔混凝土的吸声性能随着骨料粒径增加而减小，在一定范围内，水泥与骨料比越小，吸声性能越佳，同时在相同条件下，吸声性随着厚度的增加而增大
。
Hilal
研究了骨料粗糙度对轻集料混凝土强度和渗透性的影响，发现表面粗糙化后的轻骨料混凝土强度提升了
13
.
5%，
渗透性能也有所提高
。
针对轻骨料混凝土微观机理研究，目前最常用的研究方法是通过扫描电子显微镜(
SEM
)对轻骨料混凝土界面过渡区进行观察与理论分析
。
普通混凝土的界面过渡区一般为其薄弱部位，而轻骨料混凝土的界面过渡区则相反不再是其薄弱环节，Real
等通过实验得出，即使在海洋严酷的环境中服役
5
年，界面过渡区还比较致密，抗氯离子能力较强，表现出了良好的耐久性
。
Li
则进一步探究了轻骨料粒径对细观结构影响，发现当轻骨料的最大粒径从
4
.
75mm
减小到
1
.
18mm
时，过渡区宽度逐渐减小，显微硬度逐渐增大，较致密的界面过渡区对氯离子的迁移起着积极的阻碍作用，其表现为轻骨料的“弯曲效应”
。
而有学者研究了长期水工环境下的细观变化，发现南京长江大桥轻骨料混凝土服役
50
年后的芯样中轻骨料与水泥石之间黏接紧密，两者的界面过渡区难以区分，轻骨料中也发现了较多的水泥水化产物，并且界面过渡区的显微硬度与压痕模量也高于水泥石基体
。
虽然轻骨料混凝土有着一定的优势和好处，但是其本身也存在着一些缺陷和不足始终制约着轻骨料混凝土的应用发展，如工作性能差、泵送易受阻，对于其存在的问题，许多学者也进行了深入研究
。
轻骨料在泵送压力下会出现吸水现象，会使轻骨料混凝土的可泵性严重变差
。
郭文瑛等为了解决陶粒混凝土在泵送过程中可泵性差等问题，采取了“生产二步法”“搅拌二步法”的方式，合理地改进了陶粒混凝土在泵送过程中出现的问题
。
杨文则通过预湿陶粒、加入额外附加水，改善了陶粒轻骨料混凝土的泵送性能
。
国内部分学者研究发现减水剂可以改变轻骨料混凝土的可泵性，对于可泵送性差的问题，一些国家探索了用常压预湿、加压预湿、煮沸预湿等措施来改善轻骨料混凝土这一缺陷，并在一些工程得到了应用
。
轻骨料混凝土的成型也需要经过初凝和终凝
。
在成型初期，由于轻骨料的密度较小则上浮，而水泥浆体密度较大则下沉，从而致使混凝土出现拌合物分层离析现象，工作性能变差
。
轻骨料自身对混凝土的和易性具有负面影响，特别是在运输混凝土过程中，这一影响是长期的更明显的存在
。
真空预湿或浸水预湿也可以改善轻骨料混凝土的工作性能
。
Nguyen
研究发现在新拌混凝土中加入引气剂，降低了容重，易成型不漂浮，工作性能得到改善
。
掺加矿物掺合料，也能够改变工作性，唐昌辉通过在轻骨料混凝土中同时加入硅灰和粉煤灰，发现降低了轻骨料的上浮，改善了拌合物的均匀性
。
对于目前轻骨料所存在的问题，并没有一个统一的解决方法，没有形成一套行之有效的标准体系，在此方面还需继续加大研究力度
。
我国轻骨料混凝土的发展，从
20
世纪
50
年代开始进行初步研究，到
20
世纪
90
年代研究成果能够应用于多数非结构体系中，现如今，已经可以应用于结构承载体系中了，轻骨料混凝土从无到有，从有到优，一步一个脚印，脚踏实地走来，获得了一定的成绩，见证了我国建筑材料的发展历程
。
使用更为轻质的轻骨料混凝土模板比普通混凝土承受的压力更小，而且需要处理的材料的总重量也减少了，从而提高了生产率，使用轻骨料混凝土可以减少建筑自重，从而减少柱、梁、板和基础的横截面，进而降低建筑成本，有助于轻骨料混凝土的推广和应用
。
同时，面对日益严重的环境问题，国家提出了要在
2030
年实现碳达峰
，2060
年实现碳中和目标，而使用轻骨料特别是天然轻骨料，既可以利用废弃物还能保护生态环境，轻骨料混凝土的应用前景光明
。
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