李辛庚,閆風(fēng)潔,岳雪濤,王學(xué)剛

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，電工新材料技術(shù)聯(lián)合實驗室(山東)，濟南 250001； 2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南 250101)

0 引 言

混凝土是當今世界上用量最大的一類建筑材料，近年來隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，各類建筑物、構(gòu)筑物、高速公路、鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)越來越多，對混凝土的需求量也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，2019年1月到10月，中國商品混凝土累計產(chǎn)量達到20.5億m3，超過2018年全年產(chǎn)量，混凝土預(yù)制樁摻量超過3.3億m，也超過2018年全年產(chǎn)量[1]。混凝土需求量的增加帶來了對其性能的新要求,同時環(huán)保和節(jié)能的要求也對混凝土提出更高的要求，混凝土結(jié)構(gòu)的輕量化、性能復(fù)合化、環(huán)境友好化是其發(fā)展的重要方向[2]。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有保溫、隔熱、隔音等性能，在同等強度下質(zhì)量降低20%～40%[3]，工程造價降低10%～20%[4]。

輕骨料混凝土主要通過減輕骨料的體積質(zhì)量從而減混凝土整體的密度，所以輕質(zhì)混凝土一般也稱為輕集料混凝土或輕骨料混凝土。我國《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標準》(JGJT 12—2019)[5]對輕骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete)的定義為：用輕粗集料、輕砂或普通砂、膠凝材料、外加劑和水配制而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土。根據(jù)骨料組成的不同，輕骨料混凝土又分成三類[5]：(1)由輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為輕砂混凝土；(2)由普通砂或普通砂中摻加部分輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為砂輕混凝土；(3)用輕粗骨料、水泥、礦物摻合料、外加劑和水配制而成的無砂或少砂的混凝土。根據(jù)輕集料混凝土用途分為三種[6]：(1)保溫輕集料混凝土，專門用來做結(jié)構(gòu)保溫和熱工構(gòu)筑物，如非承重隔墻等；(2)保溫結(jié)構(gòu)混凝土，即作為承重結(jié)構(gòu)同時也作為保溫結(jié)構(gòu)，如房屋建筑的承重外墻、屋面等；(3)結(jié)構(gòu)用輕集料混凝土，主要用于承重構(gòu)件或構(gòu)筑物的混凝土，比如建筑物或構(gòu)筑物的梁、板、柱等結(jié)構(gòu)。

1 制備方法

1.1 原材料

陶?；炷粮胀ɑ炷恋脑牧匣鞠嗤?，由膠凝材料、粗骨料、細骨料和外加劑構(gòu)成。膠凝材料主要是硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，輔助膠凝材料包括粉煤灰、礦粉、硅灰等一些水泥活性摻合料，粗骨料一般選用頁巖陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒等各種陶粒，細骨料選用河砂、江砂、機制砂，外加劑選用萘系減水劑、聚羧酸減水劑[7-11]。所選用的膠凝材料各項指標均滿足規(guī)范及試驗要求，陶粒粒徑5～25 mm，表觀密度600～1 300 kg/m3，筒壓強度2.5～7.6 MPa，砂為細度模數(shù)為2.5～2.8的中砂。很多學(xué)者采用《輕集料及其試驗方法 第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)和《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》(GB/T 17431.1—2010)作為輕集料性能測定和選擇的依據(jù)[12]。為了提高陶?；炷恋膹姸龋尤胍恍╀摾w維[8,10-11]、聚丙烯纖維[11,13-14]、稻草纖維[7]、玄武巖纖維[15]，甚至采用鋼筋加強陶粒混凝土[16-18]。

陶粒是近年來發(fā)展較快的新型建筑材料之一，外殼是陶制或者是致密的釉質(zhì)，內(nèi)部為疏松多孔結(jié)構(gòu)，因此具有較小的密度，是一種優(yōu)質(zhì)的人工輕集料。陶粒按照原材料分為粘土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中也采用了大量的工業(yè)廢棄物作為陶粒的原料，如水利清淤的淤泥、城市建設(shè)的廢棄土、礦山開采的尾礦渣，充分利用工業(yè)固體廢棄物成為發(fā)展焙燒陶粒的重要方向。按照陶粒粒形分為碎石形、球形、圓柱形。碎石形陶粒與普通骨料形狀接近，有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)強度，而球形陶粒有利于提高混凝土塌落度，便于施工。按照用途，陶?？煞譃楸赜玫某p陶粒、一般用途普通陶粒、結(jié)構(gòu)用高強陶粒。近年來，隨著工程實踐的需要，產(chǎn)生了大量新型的功能性陶粒，如隔聲吸音陶粒、濾料陶粒、裝飾陶粒、綠化工程陶粒[19]。

1.2 制備方法

在進行混凝土設(shè)計時，很多學(xué)者采用《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)作為混凝土設(shè)計計算依據(jù)[9,12,20-21]。陶?；炷恋氖褂脩?yīng)滿足強度、和易性、耐久性等指標，在此基礎(chǔ)之上，影響陶粒混凝土設(shè)計的參數(shù)有混凝土試配強度、水泥用量、水灰比、砂率、活性摻合料用量等。在進行配合比設(shè)計時，一般把這幾個主要參數(shù)作為影響因素，設(shè)計正交試驗，確定最佳配比。陶?；炷恋脑嚺鋸姸雀鶕?jù)式(1)進行計算：

fcu，O≥fcu,k+1.645σ

(1)

式中：fcu,O為陶?；炷恋脑嚺鋸姸?，MPa；fcu,k為陶?；炷亮⒎襟w抗壓強度標準值，MPa；σ為陶粒混凝土強度標準差，MPa。

表1為混凝土的強度標準差。

根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)，按照輕粗骨料是否預(yù)濕分別采用兩種投料攪拌順序。一種是先預(yù)濕粗骨料，然后將粗細骨料、水泥、摻合料進行預(yù)拌，最后加入外加劑和水進行攪拌[23-25]；第二種是粗骨料不預(yù)濕，將粗細骨料、摻合料加上1/2的總用水量進行預(yù)拌，再加入水泥、外加劑和剩余的水進行攪拌[26]。攪拌好的混凝土拌合物裝入模具，在振動臺上振實，得到成型后試塊。成型好的試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中標準養(yǎng)護24 h后拆模，然后放入溫度20 ℃、濕度95%的標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。

2 力學(xué)性能

標準條件養(yǎng)護28 d的陶粒混凝土試塊，基本力學(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)規(guī)定進行測試，動彈性模量按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)采用動彈模量儀進行測試。陶?；炷恋幕玖W(xué)性能包括抗壓強度、抗拉強度、劈拉強度、抗折強度等，通過調(diào)整水灰比、砂率、摻和料用量、陶粒體積摻量、纖維摻量，以及養(yǎng)護制度來測試其對陶?；炷翉姸鹊挠绊?。

研究表明對于摻加鋼渣、礦粉等工業(yè)廢棄物作為膠凝材料的陶?；炷?，采用高溫蒸養(yǎng)的辦法能促進其水化，加速強度提升，從經(jīng)濟性和實用性角度考慮，應(yīng)采用蒸養(yǎng)為宜[27]。

水灰比和材料強度存在明顯的線性關(guān)系，混凝土的強度隨著水灰比的增大逐漸降低，根據(jù)使用材料和制備方法的不同，水灰比選擇范圍為0.18～0.61，水灰比在0.32左右時，陶?；炷恋木C合性能最好[28-30]。水灰比的提高使得混凝土硬化后形成較多的毛細孔，造成混凝土密實度降低，使陶?；炷恋膹姸冉档汀６冶冗^低時，和易性較差，導(dǎo)致陶粒混凝土混合不均勻，塌落度降低，粘度提高，振搗不密實，氣泡不容易排出，最終致使陶粒混凝土強度降低。

砂率對陶?；炷列阅墚a(chǎn)生較大影響[28-30]，砂率在一定范圍內(nèi)時，陶粒混凝土的塌落度隨著砂率的提高先增加后減少，表觀密度隨著砂率的提高而線性增長，強度則隨著砂率提高增長較大，而當砂率過高時，水泥漿體不能充分包裹骨料，混凝土強度不再隨著砂率提高而增加，反而會有所下降。

水泥摻合料可以采用粉煤灰、礦粉、鋼渣、偏高嶺土。研究表明摻入一定比例的偏高嶺土和粉煤灰，陶?；炷量箟簭姸茸罡吣芴岣?50%，原因在于其顆粒較小，摻入混凝土中能夠優(yōu)化陶?；炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)，有效改善內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)[26,31]。

作為粗骨料的陶粒相比于普通石子，具有強度低、重量輕、吸水率高等特點，用來代替普通石子，隨著陶粒體積摻加量的增加，混凝土的彈性模量逐漸降低，強度呈逐漸減小的趨勢[32]。

在陶粒混凝土內(nèi)摻入稻草纖維后，如NaOH溶液處理后，其抗壓強度、抗沖擊強度均有所提高，但劈裂抗拉強度有所降低。鋼纖維的加入可以阻止陶?；炷羶?nèi)部裂紋的出現(xiàn)，進而提高其抗裂性能、抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和沖擊荷載[8,23]。

3 保溫性能

建筑節(jié)能是建筑行業(yè)發(fā)展的共同目標，與歐美等發(fā)達國家相比，國內(nèi)建筑能耗處于較高水平。據(jù)測算，建筑能耗占社會總能耗的30%[33]，實現(xiàn)建筑節(jié)能減排，綠色環(huán)保，推動節(jié)能生產(chǎn)在建筑工程中的應(yīng)用，加速建筑低能耗進程是研究者努力的方向。建筑外墻在外部維護結(jié)構(gòu)中所占面積最大，是建筑物內(nèi)外能量交換的主要通道，因此需要提高外部圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力，外墻保溫是建筑節(jié)能的重點。陶粒混凝土具有比強度高、表觀密度低、保溫隔熱性能好等優(yōu)點，作為外墻維護結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，受到越來越多的關(guān)注。

研究表明采用700級陶粒等體積取代60%碎石混凝土，該配比制備的陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)比普通混凝土降低了60%，同時抗壓強度接近于C40混凝土強度等級[34]。林宗浩等[35]研究表明，控制陶粒和陶砂質(zhì)量比為2∶3，水膠比0.65，乳膠粉為水泥用量的0.8%，可制備出抗壓強度6.7 MPa、面密度78 kg/m2、傳熱系數(shù)為1.45 W/(m2·K)的超輕陶?；炷?。將陶粒混凝土用作結(jié)構(gòu)自保溫體系，尤其在高層住宅中，相對于傳統(tǒng)保溫體系，可降低綜合成本，優(yōu)勢明顯[36]。根據(jù)設(shè)計不同，陶?；炷量梢员恢苽涑晒?jié)能型剪力墻結(jié)構(gòu)[34]、陶?；炷凛p質(zhì)隔墻板[35]、陶?；炷翉?fù)合砌塊外墻[36]、陶粒混凝土復(fù)合墻板[37]以及陶粒混凝土夾芯保溫復(fù)合墻板[38]。

圖1 砂率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響[37]Fig.1 Effect of sand ratio on the thermal conductivity[37]

王海霞等[37]采用粒徑為5 mm、10 mm、14 mm，堆積密度為386 kg/m3的頁巖陶粒與粒徑小于5 mm，堆積密度631 kg/m3的陶砂制備保溫陶?；炷粒芯苛瞬煌瑴囟认律奥蕦μ樟；炷翆?dǎo)熱系數(shù)的影響，研究結(jié)果顯示導(dǎo)熱系數(shù)和砂率呈線性關(guān)系，如圖1所示，圖中10、20、30分別是指測試溫度，單位℃。張建文等[39]用堆積密度為475 kg/m3的超輕陶粒制備LC25陶粒混凝土，并按照40%的體積取代率分別用廢棄混凝土、加氣混凝土砌塊取代陶粒。研究結(jié)果顯示陶粒加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最小，陶粒廢棄混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最大。譚春雷等[40]在陶粒摻量15%(質(zhì)量分數(shù))時，混凝土漿體中加入雙氧水，制備了輕質(zhì)多孔性陶?；炷?，測試結(jié)果顯示陶?；炷恋谋碛^密度低于1 100 kg/m3，抗壓強度高于7 MPa，抗折強度高于3 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.26 W/(m·K)。穆龍飛等[41]研究了陶粒的飽水程度對混凝土熱工性能的影響，研究結(jié)果表明陶粒的飽水程度越高，28 d強度越高，但陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)越高。

秦程[42]的研究結(jié)果表明，對于保溫用陶粒泡沫混凝土，陶粒摻量在67～400 kg/m3時，3 d、7 d和28 d的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，干表觀密度為790～822 kg/m3，陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數(shù)的影響如圖2所示。對于承重用陶粒泡沫混凝土，固定每立方米混凝土摻入0.29 m3陶粒時，陶粒粒徑越小，混凝土抗壓強度越高，干表觀密度越大，軟化系數(shù)越高，陶粒粒徑對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數(shù)的影響如圖3所示。而陶粒摻量由165 kg/m3增大到579 kg/m3時，28 d抗壓強度先增大后減小，而干表觀密度逐漸減小，陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數(shù)的影響如圖4所示。

圖2 陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數(shù)的影響[42]Fig.2 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

圖3 陶粒粒徑對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數(shù)的影響[42]Fig.3 Effect of particle size of ceramsite on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

圖4 陶粒摻量對抗壓強度、干表觀密度和軟化系數(shù)的影響[42]Fig.4 Effect of ceramsite content on the compressive strength, dry apparent density and softening coefficient[42]

4 抗凍性能

凍融破壞是寒冷地區(qū)混凝土常見的破壞形式之一，因混凝土吸水量大，強度低，受凍后強度降低明顯?；炷廉a(chǎn)生凍融破壞的主要原因在于混凝土內(nèi)部水產(chǎn)生的結(jié)晶壓力，當水的結(jié)晶壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土產(chǎn)生開裂，最終導(dǎo)致破壞。

肖圣哲[43]對不同溫度凍融作用的陶粒混凝土試驗進行了動彈性模量檢測、準靜態(tài)壓縮和分離式Hopkinson 壓桿(SHPB)試驗，研究凍融溫度對抗壓性能的影響。研究結(jié)果表明：凍融循環(huán)周次增加，陶粒混凝土的動彈性模量降低，抗壓強度降低；凍融循環(huán)溫度越低，陶?；炷恋膭訌椥阅Ａ吭降?，靜態(tài)抗壓強度越低，相同陶粒含量和凍融循環(huán)周次的試樣最大動態(tài)應(yīng)力越低；陶粒體積含量越大，陶粒混凝土的動彈性模量越低，靜態(tài)抗壓強度越低。邱繼生等[44]研究了凍融循環(huán)作用下煤矸石陶粒混凝土受凍破壞及壽命預(yù)測，發(fā)現(xiàn)在受凍破壞階段陶粒掉落明顯并形成亂向分布的裂紋(見圖5)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，煤矸石陶粒混凝土質(zhì)量增加的原因是內(nèi)部空隙發(fā)育，吸水質(zhì)量大于混凝土剝落物質(zhì)的質(zhì)量(見圖6)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)由密實轉(zhuǎn)為疏松，導(dǎo)致混凝土抗凍性降低，相對動彈性模量降低(見圖7)[44]。

圖5 煤矸石陶?；炷帘砻媪踊痆44]Fig.5 Surface deterioration of coal gangue ceramsite concrete[44]

圖6 煤矸石陶粒混凝土質(zhì)量損失[44] (CO、COM2、COM4、COM6分別表示煤矸石陶粒 替代石子的體積分數(shù)為0%、20%、40%、60%的混凝土)Fig.6 Mass loss of coal gangue ceramsite concrete[44] (CO, COM2, COM4, COM6 for concretes with coal gangue ceramsite volume fraction 0%, 20%, 40%, 60% instead of coarse aggregate)

圖7 煤矸石陶?；炷料鄬訌椥阅Ａ縖44] (COM2、COM4、COM6三組試塊相對動彈 性模量分別下降56.1%、55%、51.5%)Fig.7 Relative dynamic elastic modulus of coal gangue ceramsite concrete[44] (relative dynamic elastic modulus of COM2, COM4, COM6 decreased 56.1%, 55%, 51.5%)

在嚴寒環(huán)境中孔隙率更大的陶粒混凝土能夠吸收更多的Na2SO4、NaCl，阻止其向混凝土內(nèi)部滲透，提高了陶?；炷恋目箖鲂?。李博[45]研究了在凍融循環(huán)過程中采用介質(zhì)為水、Na2SO4溶液(見圖8)、NaCl溶液(見圖9)時陶?；炷恋目箟簭姸葥p失，結(jié)果表明溶液中Na2SO4和NaCl可以降低抗壓強度損失。圖中C50-H2O是C50混凝土在水中凍融；LC50-H2O是陶?；炷猎谒袃鋈冢籆50-5%Na2SO4是C50混凝土在濃度為5%(質(zhì)量分數(shù))Na2SO4溶液中凍融；LC50-5%Na2SO4、C50-10%Na2SO4、LC50-10%Na2SO4、C50-3%NaCl、LC50-3%NaCl、C50-5%NaCl、LC50-5%NaCl以此類推。

圖8 普通混凝土和陶?；炷猎谒蚇a2SO4溶液 中不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強度損失[45]Fig.8 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with water and Na2SO4 solution[45]

圖9 普通混凝土和陶?；炷猎贜aCl溶液中不同凍 融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強度損失率[45]Fig.9 Compressive strength loss rate of normal concrete and ceramsite concrete in the freezing-thawing durability with NaCl solution[45]

方明偉等[46]研究了爐渣陶粒混凝土砌塊的抗凍性能，研究結(jié)果表明隨著膠凝材料用量的增加，爐渣陶?；炷恋目箖鲂阅芴岣?見圖10、圖11)，相對動彈性模量低于60%時，其質(zhì)量損失率不超過5%(見圖12、圖13)。

圖10 爐渣陶粒取代率20%試樣相對動彈性模量[46]Fig.10 Relative dynamic elastic modulus of samples with 20% slag ceramsite[46]

圖11 爐渣取代率40%試樣相對動彈性模量[46]Fig.11 Relative dynamic elastic modulus of samples with 40% slag ceramsite[46]

圖12 爐渣取代率20%試樣質(zhì)量損失率[46]Fig.12 Mass loss rate of samples with 20% slag ceramsite[46]

圖13 爐渣取代率40%試樣質(zhì)量損失率[46]Fig.13 Mass loss rate of samples with 40% slag ceramsite[46]

加入纖維增強材料是陶?；炷撂岣邚姸鹊囊环N常見方法，纖維材料可以在不同程度上提高混凝土的韌性，提高混凝土的抗凍性。龐家賢等[47]研究表明纖維的加入可以改善陶?；炷恋目箖鲂阅埽軆鋈谟绊懙奶樟；炷猎诮?jīng)過20～400 ℃后，無纖維陶?；炷恋臍堄嗫箟簭姸群蜌堄嗯芽估瓘姸雀哂趽剿茕摾w維(HPPF)和聚丙烯腈纖維(PANF)的陶粒混凝土。凍融循環(huán)作用在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，影響了混凝土的吸水性，陶粒混凝土孔隙率較高，在凍融循環(huán)作用后其吸水性也會發(fā)生變化。邱繼生等[48]研究了在凍融損傷后煤矸石陶?；炷恋拿毼阅埽芯勘砻?，凍融循環(huán)次數(shù)不超過30次時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，煤矸石陶粒混凝土初始吸水率增加，二次吸水率總體為先下降后趨于穩(wěn)定，而普通混凝土總體呈增加趨勢。

5 纖維在陶?；炷林械膽?yīng)用

隨著社會的發(fā)展，對混凝土的性能提出更高的要求，纖維材料作為混凝土的增強材料引起研究者的注意。在普通混凝土中加入適量的纖維材料形成纖維混凝土，其抗拉強度提高，抗裂性提高，韌性提高，收縮性降低，整體工作性能優(yōu)化。

張學(xué)元等[7]研究了稻草纖維長度、摻量、形狀和纖維夾層對輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響，圖14是經(jīng)NaOH溶液處理的不同形狀的稻草纖維。研究表明，加入較粗的稻草纖維會降低粉煤灰陶?；炷恋目箟簭姸?、劈裂抗拉強度，但能提高抗沖擊強度，而經(jīng)過NaOH處理的稻草細纖維可以提高陶?；炷恋目箟簭姸群涂箾_擊強度，但劈裂抗拉強度降低，并且纖維長度對混凝土性能影響不顯著。

圖14 稻草秸稈纖維[7]Fig.14 Straw fiber[7]

錢元弟等[49]研究表明，在陶粒混凝土中加入占膠凝材料質(zhì)量0.4%的秸稈纖維時，混凝土28 d抗折強度可以達到4.1 MPa，同時抗壓強度隨著秸稈纖維含量的增加持續(xù)提高，導(dǎo)熱系數(shù)、干縮率持續(xù)下降，如圖15所示。

圖15 秸稈含量對陶粒混凝土性能的影響[49]Fig.15 Influence of straw fiber content on perperties of ceramsite concrete[49]

聚丙烯短纖維不易分散，在混凝土中使用時需要人工分散。熊志文等[13]在輕骨料混凝土中加入長度3～9 mm、直徑48 μm的聚丙烯短纖維，研究結(jié)果表明聚丙烯纖維的加入能夠有效提高陶粒混凝土的抗壓、抗裂強度，并能控制裂縫的擴展。黃科運等[14]利用落錘試驗機研究了聚丙烯纖維對陶?；炷量箾_擊性能的影響，首先是受落錘沖擊后混凝土試塊外觀區(qū)別明顯(見圖16)，加入纖維后抗沖擊能力明顯提高；其次，纖維越短，混凝土抗沖擊能力越強(見圖17)。朱楚翔等[15]在頁巖陶粒中加入玄武巖纖維，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻量從0 kg/m3增加到3.0 kg/m3時，摻量為0.5 kg/m3的混凝土試塊的抗壓強度值最高，而抗折強度隨著纖維摻量的增加持續(xù)增加，陶?；炷帘碛^密度則持續(xù)降低。

鋼纖維在混凝土中應(yīng)用較多，石燚等[10]研究了鋼纖維對陶?；炷凛S心抗拉強度及鋼纖維在混凝土中粘結(jié)錨固性能的影響，研究表明鋼纖維的增加能夠提高陶?；炷恋妮S心抗拉強度，鋼纖維摻加量和混凝土強度增加值大致呈二次函數(shù)關(guān)系(見圖18)。呂衛(wèi)國等[23]研究表明，鋼纖維體積分數(shù)從0%增加到3%時，陶?；炷恋目箟簭姸取⒖拐蹚姸?、劈裂抗拉強度都有所提高，抗折強度最大可以提高70.73%，劈裂抗拉強度最大可以提高160.61%。李原等[8]采用ZWT(朱王唐)本構(gòu)模型模擬沖擊荷載對鋼纖維頁巖陶?；炷恋淖饔茫芯拷Y(jié)果顯示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，此模型對鋼纖維頁巖陶?；炷翉椥噪A段的擬合效果較好，能有效描述鋼纖維頁巖陶?；炷猎趶椥噪A段的動力響應(yīng)。

圖16 空白試樣和纖維陶?；炷恋膶Ρ萚14]Fig.16 Comparison of ordinary concrete and fiber ceramsite concrete after impact test[14]

圖17 落錘高度40 cm時的位移-時間圖像[14](A-1表示纖維 長度12 mm，B-1表示纖維長度9 mm，C-1表示纖維長度6 mm)Fig.17 Image of the displacement-time with 40 cm high of drop weight[14] (A-1 means 12 mm fiber, B-1 means 9 mm fiber, C-1 means 6 mm fiber)

圖18 鋼纖維體積分數(shù)對陶?；炷凛S心抗拉 強度的影響[10]Fig.18 Influence of steel fiber volume rate on axial tensile strength of ceramsite concrete[10]

鋼筋是一類比較粗的纖維材料，鋼筋混凝土是現(xiàn)代工業(yè)建筑的基礎(chǔ)建筑材料，鋼筋陶?；炷恋牧W(xué)性能[16]也是目前研究的一個重要方向。谷倩等[17]研究了鋼筋在頁巖陶?；炷林械腻^固性能，研究表明試件接頭的極限抗拉強度隨著頁巖陶?；炷翉姸鹊奶岣叨兴岣?，錨固連接接頭滿足JGJ 107—2010對鋼筋級連接接頭性能的要求。周瑩山[18]研究了鋼筋與輕骨料混凝土的粘結(jié)性能，并提出了高強鋼筋受拉錨固強度(τu)的計算公式(見式(2))，根據(jù)規(guī)范對輕骨料混凝土中的鋼筋的錨固長度的規(guī)定，提出在高強混凝土中高強鋼筋的錨固長度(lab)建議公式(見式(3))。

(2)

式中：c為鋼筋保護層厚度；d為鋼筋直徑；la為鋼筋錨固長度；ρsv為配筋率；fcu為陶粒混凝土的強度。

(3)

式中：a1為錨固鋼筋的外形系數(shù)；a2為混凝土強度影響系數(shù)；a3為最小保護層影響系數(shù)；a4為混凝土類型影響系數(shù)；a5為鋼筋直徑影響系數(shù)；fy為極限錨固承載力；ft為陶?；炷翉姸?。

圖19 鋼筋直徑對HRB400鋼筋粘結(jié)強度的影響[50]Fig.19 Influence of steel bars diameters on bonding strength of HRB400 steel bars[50]

王永合等[50]研究表明，鋼筋與輕骨料混凝土的粘結(jié)強度隨鋼筋直徑增大而降低(如圖19所示，圖中C30陶?；炷恋呐浔葹椋篜·O 42.5水泥380 kg/m3，砂680 kg/m3，水灰比0.4，體積砂率0.37，7 d強度33.5 MPa，28 d強度41.6 MPa；C60陶?；炷恋呐浔葹镻·O 42.5水泥500 kg/m3，砂765 kg/m3，水灰比0.3，體積砂率0.45，7 d強度55.7 MPa，28 d強度70.2 MPa)。并且粘結(jié)強度隨混凝土強度提高而增加，球形陶粒相比于碎石陶粒更有利于增加粘結(jié)強度。漢莫德等[51]的研究結(jié)果顯示，光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土在無側(cè)向拉力時，化學(xué)附著力和摩擦力決定粘結(jié)強度，有側(cè)向拉力時，拉力增大，粘結(jié)強度和殘余強度降低，而極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量上升到一定程度，開始保持不變。馬茁[52]通過試驗得出了變形鋼筋與早齡期自密實輕骨料混凝土粘結(jié)強度、滑移量、殘余粘結(jié)強度之間的關(guān)系，并提出了拔出破壞和劈裂破壞的判斷準則，以及粘結(jié)強度、滑移量、殘余粘結(jié)強度隨齡期的變化規(guī)律及擬合公式。研究結(jié)果顯示拔出破壞的粘結(jié)滑移曲線分為三個階段，而劈裂破壞的粘結(jié)滑移曲線分為兩個階段。

6 路用性能

陶?；炷辆哂辛己玫目箖鲂?、抗鹽凍性[53-55]，經(jīng)過調(diào)整混凝土配合比，可以達到高強、低脆及增韌的效果[56-59]。韓梓依[60]研究了粉煤灰陶?；炷恋穆酚锰匦?，研究結(jié)果顯示粉煤灰陶粒混凝土比普通混凝土具有較低的熱傳導(dǎo)性和滲透性(見圖20)，較高的抗凍融性，并且具有足夠的耐磨性(見圖21)，研究結(jié)果顯示粉煤灰陶?；炷猎诠饭こ讨芯哂幸欢ǖ耐茝V應(yīng)用價值?；唇ǚ錥61]研究結(jié)果顯示陶粒混凝土中陶粒的加入量不宜超過30%(質(zhì)量分數(shù))，否則會導(dǎo)致抗壓強度過低而影響使用，并且不超過30%時對混凝土的耐磨性影響不大，抗凍性能優(yōu)于普通混凝土(見圖22)。朱萬旭等[62]研究了在地鐵軌道中應(yīng)用吸聲性能良好的陶粒混凝土來降低噪聲，用陶?；炷两ㄔ煳暟搴臀暟珘Γ浣翟肓靠蛇_10～12 dB。蔣方河[63]將LC50頁巖陶?；炷翍?yīng)用在漢北河大橋的加固中，其具有自重輕、強度高、抗震、抗碳化、耐腐蝕、保溫和防凍等特點，在橋面鋪裝工程中，取得了良好的使用效果。

圖20 滲透高度測試結(jié)果[60]Fig.20 Results of impermeability tests[60]

圖21 耐磨試驗結(jié)果對比[60]Fig.21 Results of wear resistance tests[60]

圖22 不同陶粒摻量對混凝土質(zhì)量損失率的影響[61]Fig.22 Influence of ceramsite content on mass loss rate of ceramsite concrete[61]

劉柳[64]通過試驗研究，分析了摻粉煤灰的頁巖陶?；炷恋目箟?、抗折、斷裂韌性及斷裂能等性能參數(shù)，得到粉煤灰陶?；炷恋膹姸仍鲩L規(guī)律和斷裂力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)摻粉煤灰的頁巖陶?；炷磷鳛槁访嬗没炷粒淞W(xué)性能指標能夠滿足規(guī)范要求，可應(yīng)用于路面工程。并采用有限元軟件ABAQUS分析了帶裂縫工作的粉煤灰陶?；炷谅访姘宓膽?yīng)力強度因子，研究結(jié)果顯示應(yīng)力強度因子隨著路面板彈性模量增長而增長，混凝土路面板的抗裂性能由其剛度劣化和韌度強化二者決定。陳新[65]研究了摻粉煤灰陶?；炷恋目?jié)B性能、抗凍性能以及抗疲勞性能等指標參數(shù)，研究結(jié)果顯示，摻粉煤灰的陶?；炷辆哂袃?yōu)良的耐久性，并且水灰比越小，耐久性越好。陳新還提出了摻粉煤灰陶?；炷恋氖┕ひc以及對應(yīng)的控制和解決方法。陳波[66]的研究結(jié)果顯示摻粉煤灰的頁巖陶粒混凝土耐磨性與普通混凝土相當，能滿足路用要求，抗凍性、抗?jié)B性優(yōu)于普通混凝土。并且摻粉煤灰的頁巖陶?；炷恋淖畲鬁囟葢?yīng)力和最大溫度應(yīng)力變形均小于普通混凝土，因此與普通混凝土相比，可用于更大的路面結(jié)構(gòu)。

7 存在的問題

(1)陶粒的問題。目前陶粒產(chǎn)品的性能不理想，高強陶粒往往會導(dǎo)致較高的表觀密度，而降低表觀密度則會使陶粒的筒壓強度大為降低。市場中供應(yīng)的主要是600～900 kg/m3的粘土陶粒和頁巖陶粒，缺少配置高強混凝土的高強陶粒，并且缺少配制保溫混凝土的超輕陶粒。陶粒的顆粒級配不合適，缺少粒徑小的陶砂產(chǎn)品，粘土陶粒粒型為圓柱形，限制了陶?；炷恋陌l(fā)展[67]。

(2)陶粒混凝土的應(yīng)用問題。輕質(zhì)高強陶?；炷猎诠こ讨袘?yīng)用，主要存在兩個問題，一是使用的混凝土強度等級低。受限于現(xiàn)階段技術(shù)水平，工程中應(yīng)用的陶?；炷恋膹姸绕?，據(jù)公開報道，陶?；炷恋膽?yīng)用主要集中在LC40以下的輕質(zhì)陶粒混凝土，并沒有成熟的技術(shù)來制備強度等級更高的陶?；炷粒こ躺弦不緵]有應(yīng)用。二是應(yīng)用范圍受限于傳統(tǒng)觀念，陶?；炷聊壳爸饕獞?yīng)用于非結(jié)構(gòu)承載的圍護結(jié)構(gòu)和保溫結(jié)構(gòu)，而并未應(yīng)用于承載力較大或受力條件復(fù)雜的主體結(jié)構(gòu)。

(3)缺乏系統(tǒng)性研究，亟待突破性發(fā)展。我國陶粒混凝土發(fā)展晚，技術(shù)較為薄弱，缺乏突破性技術(shù)攻關(guān)。陶?；炷烈蚱渥陨硖攸c，理論上相對于普通混凝土具有一定的性能優(yōu)勢，但實際產(chǎn)品性能優(yōu)勢并不明顯，比如保溫隔熱性能，耐久性能。陶粒混凝土的密度較低，但帶來的價值并不明顯，并且產(chǎn)品性能存在一些不足，導(dǎo)致發(fā)展前景不樂觀。

8 結(jié) 語

受原材料和生產(chǎn)技術(shù)的限制，陶?；炷翍?yīng)用范圍目前還不能像普通混凝土一樣廣泛，鑒于陶?；炷猎诮Y(jié)構(gòu)減重、保溫隔熱等方面的價值，解決陶?；炷猎趹?yīng)用方面存在的問題，是推廣應(yīng)用陶?；炷撩媾R的主要問題。當前陶?；炷列枰鉀Q的主要問題有：

(1)研制高強輕質(zhì)陶粒，在保持較高筒壓強度的前提下，降低陶粒的密度；

(2)陶粒上浮是陶?；炷涟韬蜁r所面臨的一個難題，在保持陶?；炷了涠鹊那疤嵯?，解決陶粒的上浮問題；

(3)優(yōu)化陶?；炷恋念w粒級配，解決陶?；炷翉姸绕偷膯栴}，是推廣陶?；炷恋囊粋€重要措施；

(4)研究陶?；炷列碌膽?yīng)用方向，提高其實用價值。