高性能轻集料的分析与发展

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摘　要: 轻集料的性能可设计性和多孔性, 使其具有特殊的用途和特点, 文中介绍了轻集料的性能特点、国内外的发展情况和高性能轻集料的发展趋势。采用合适的原材料和特殊加工工艺可以制造出不同密度等级、高强度、低孔隙率的人造轻集料。这种轻集料的某些性能与普通密实集料相似, 但某些性能更为优越。因此, 在天然砂石集料资源日益枯竭的今天, 人造轻集料的生产与应用更引起人们的兴趣。

1 　轻集料的分类

轻集料中粒径在5mm 以上堆积密度不大于1100kg/ m3 的, 称为轻粗集料, 也称陶粒; 粒径不大于5mm , 堆积密度不大于1200kg/ m3 的, 称为轻细集料, 也称陶砂。

轻集料以其来源可分为二类: (1) 天然轻集料。是天然形成的多孔岩石, 经加工而形成的轻集料, 如浮石、火山渣等; (2) 人造轻集料。是以工业废料或地方材料为原料, 经加工而成的轻集料, 如粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、膨胀矿渣珠等。

轻集料还可按性能分为超轻集料、普通轻集料、高强轻集料和高性能轻集料。

根据其生成条件及性能看来,轻集料中可用来配制高性能混凝土的只有经过特殊加工的人造轻集料, 国外一般称它为高性能轻集料,我国称为高性能陶粒。

2 　国内外轻集料的生产和应用

2. 1 　国外轻集料的生产和应用

挪威是世界上结构轻集料混凝土和高强轻集料混凝土应用最先进的国家之一。其应用最多的是膨胀粘土轻集料。这种轻集料含部分开口孔, 在常压下吸水率为5～10 % , 泵压下将增加到20～40 %。日本由于经济衰退, 轻集料生产商已经由70 年代的6 家减少到3 家, 1999 年产量已经减少为277 万吨, 比最高峰时期的1990 年减少4 成。1998 年, 日本成立了一个由18 家公司组成的高强人造轻集料混凝土研究委员会, 研究高强粉煤灰轻集料。它是将90 % 的粉煤灰、适量的膨润土和碳酸钙、煤粉混合、成球, 在1200～1300 ℃下煅烧膨胀而成。其表观密度约为1800kg/ m3 , 吸水率小于3 %。在0. 3 水胶比下, 用这种轻集料不经预湿, 就能配制出28 天强度80MPa、干燥表观密度小于2100kg/ m3 的高强轻集料泵送混凝土。最近, 日本又成功地开发出另一种低吸水率高强度的高性能轻集料。其主要原料为珍珠岩、SiC(发泡材料) 和膨润土(胶结材料) , 其典型配比依次为95. 5 %∶0. 2 %∶4. 3 %。这种轻集料的干表观密度为600～1500kg/ m3 , 24 小时吸水率小于5 %。70 年代初, 美国轻集料年产量达1800 万吨, 并以每年5～8 %的速度递增。自1993 年以来, 其轻集料的年使用量都维持在350 万吨～415 万吨的高水平上, 其中用于结构混凝土的部分在80 万吨左右。其主要品种有粘土类、页岩类和粉煤灰类轻集料。他们生产的高强型粉煤灰轻集料, 粒径5～20mm、堆积密度800～ 1000kg/ m3 、筒压强度6 ～ 8MPa , 吸水率< 10 %。威斯康辛公司下属的粉维基轻集料厂利用粉煤灰、城市污水淤泥和工业淤渣生产人造轻集料。产品性能符合美国轻集料标准, 年利用粉煤灰10 万吨, 城市污水淤泥和工业淤泥约6 万吨, 显示其充分利废、节约能源、保护生态环境的绿色功能。

2. 2 　国内轻集料的生产和应用

我国轻集料工业的发展始于人造轻集料的研究与开发, 近半个世纪以来, 经历了漫长而又曲折的过程。1956 年在山东博山利用水泥回转窑试制成功我国第一批粘土轻集料之后, 至1975 年轻集料的生产有了一定的规模, 生产厂家发展到十几个, 轻集料及其砼的研究取得一定成绩。1975 年以后, 随着我国建筑工业化和墙体改革的深入, 轻集料的生产和应用有了较大发展, 天然轻集料开始大量开采和利用。至1978 年各种轻集料年产量达115 万m3 , 其中人造轻集料约30 万m3 。八十年代, 我国轻集料生产稳中有降, 至1990 年, 我国人造轻集料生产厂有30 余家, 设计年产量53 万m3 , 1990 年实际生产又得到进一步发展, 但总的生产格局仍然是超轻集料迅速发展而高强优质轻集料却没有得到应有重视的不平衡状态。

总的来说, 我国人造轻集料生产、应用起步较早, 发展速度十分缓慢, 远远落后于世界先进国家。造成这一现状的主要原因是对人造轻集料的发展始终没有一个明确的、稳定的、符合实际的技术政策, 在新型建筑材料中也没有给它一个恰当的位置。因此, 人造轻集料的发展缺乏指导性, 时起时伏, 处于自流状态。此外, 轻集料砼主要用于非结构场合, 没有产生综合经济效益, 也制约了轻集料生产企业的积极性。

1994 年10 月, 我国第四届轻集料及轻集料混凝土学术讨论会在济南召开, 很多代表对我国轻集料生产与应用的不平衡发展进行了讨论, 大力呼吁“应注意开发高强陶粒”。随后, 1997 年10 月在常州召开的第六届学术讨论会上, 又围绕高强陶粒的研究、开发与应用交流经验, 进一步探讨了其发展的可行性。目前,全国已有几家生产出了高强轻集料,如宜昌的宝珠陶粒有限公司、上海申威粉煤灰陶粒厂、天津硅酸盐制品厂等。试验研究和工程实践已经表明,上海、宜昌的高强轻集料,质量完全符合国家标准要求,其技术指标已达到或超过国外某些老牌高强轻集料的水平(见表1) ,并已在工程中应用,可配制出强度等级为CL30～CL60 或更高的高强轻集料混凝土,展现出我国高强轻集料具有很好的发展前途。

3 　轻集料的特点和发展趋势

3. 1 　多孔性给轻集料带来的优缺点

轻集料混凝土和普通混凝土的主要不同点在于前者是用多孔的轻质集料配成的一种水泥混凝土。正是这种轻集料的多孔性决定了它自身的性质及其混凝土的一系列特性。

轻集料的多孔性既有正面影响又有负面影响。首先, 轻集料的多孔性给集料带来很多正面影响: 与普通集料相比, 它可以根据不同需要、不同程度地减少混凝土的质量。由此, 也可以大大改善砼的保温、隔热、耐火、隔音、抗震等一系列性能, 采用一定措施也可大大改善其抗冻性和抗氯离子渗透性能。同时, 还赋予它通常不为人们了解和重视的无碱集料反应危害的特性。由此也决定了轻集料混凝土具有良好的实用性和经济性, 使它成为仅次于普通砼的一种新型砼。

轻集料的多孔性给其带来的负面影响主要表现在其吸水率增大, 且因轻集料形成条件、品种不同而变化, 在很大范围内使混凝土的施工性能、物理力学性能和耐久性受到不同程度的不良影响。这主要是因为在当前生产工艺条件下制造出来的轻集料, 孔隙结构较差, 不仅球状孔直径大,且开孔率高,分布不均匀, 裂缝缺陷也较多,因而吸水率较大。这种吸水率高的轻集料,一方面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须泡水饱和预湿,不仅给施工带来很大麻烦,而且还大大降低轻集料混凝土的一些性能。这也给高性能轻质混凝土的配制带来很多新问题,使其研究与开发应用比起高性能混凝土更为复杂困难。但恰恰是这个负面影响给现代轻集料砼的发展带来了新的推动力。因此,生产出一种具有更低吸水率,施工时不需预湿,而又具有更好耐久性的人造轻集料,即高强优质轻集料,就成为人们关注的首要问题。高性能轻集料就是在这种情况下应运而生的。

3. 2 　轻集料的表面形状和特性

不同的原材料和烧结工艺会产生不同的颗粒形状结构和表面特性。轻集料的形状包括从棱角形到圆形多种,其表面也有从粗糙到光滑等多种。旋转窑能够生产表面光滑的轻集料,尤其是对粘土、页岩、板岩等原材料进行预处理时。MinHong Zhang (1989) 观察了膨胀粘土陶粒和粉煤灰陶粒的差异:膨胀粘土陶料粒1 (图1) 表观密度1440kg/ m3 ;膨胀粘土陶粒2 (图2) 表观密度1270kg/ m3 。可见,膨胀粘土陶粒具有相对密度较大的外壳和相对密度较小的内部结构。其中,陶粒1 比陶粒2 的外壳密度厚,但粉煤灰陶粒(表观密度1420kg/ m3) 的外壳与内部结构差别不大(图3) 。

轻集料不同的多孔性和特殊的表面, 支配着轻集料在混凝土中的表现, 尤其是轻集料的吸水率。这些不同的性质影响着混凝土的拌和、运输、泵送和浇筑。因此需要充分利用轻集料的优点来获得性能优异的混凝土, 而尽量避免轻集料所带来的对混凝土物理力学性能和耐久性的不利影响。

3. 3 　高性能轻集料的发展

研制和生产高性能轻集料, 是一条解决高强、高泵送性以及高耐久性问题的有效而且简单的途径, 但有关高性能轻集料混凝土的开发应用目前只有少数试验室研究报道。具体来说高性能轻集料有如下特性:

(1) 轻质高强的特性更为突出　它比普通轻集料具有更高的颗粒强度, 即与同密度等级的轻集料相比, 它的筒压强度至少要比我国新修轻集料国际GB/ T17431. 121998 规定的指标高一个等级。

(2) 孔隙小、吸水率低　这是高强优质轻集料必要的一个性能, 与普通轻集料相比, 内部孔隙结构应该是含有大量封闭的、分布均匀的球状孔(直径2～50μm) , 颗粒表面无裂缝和大的缺陷。吸水率在5 % 左右, 在高压水作用下其吸水率增加很少或不增加。

(3) 优良的颗粒级配　轻集料的粒型应为圆球型或普通型, 其最大粒型系数应不大于1. 2～1. 5 , 按不同用途其最大粒径应不大于10mm 或15mm , 与新修订的国标要求相比, 应具有更合理的粒级和级配。

作者认为, 高性能轻集料是一种采用特殊工艺精心制造的比同密度等级的普通轻集料具有更高颗粒强度和低吸水率的一种优质人造轻集料。另外, 用废弃物生产高强优质轻集料具有重要的社会、经济效益。

1997 年吴中伟院士提出发展“绿色高性能混凝土”的主张。他对绿色涵义概括为:“节约资源、能源; 不破坏环境, 更有利于环境; 可持续发展, 既满足当代人的需求, 又不危及后代满足其需要的能力”; 要求人们在发展混凝土材料时应加深对绿色的认识, 自觉地提高高性能混凝土的绿色含量和加大其绿色程度。在当前地球环境问题已十分严峻和迈向绿色建材的情势下, 发展推广粉煤灰陶粒和陶粒混凝土, 无疑将进一步提高混凝土的绿色含量和加强其绿色程度。这也是混凝土可持续发展的必由之路。可用的废弃物包括污水处理厂淤泥煅烧后的灰渣、垃圾焚烧后的灰渣、浮石细粉、污染的港口河流和隧道所挖淤泥、水处理厂的淤泥等。上述废弃物采用烧结法处理均可生产出合格的高强优质轻集料。

4 　小　　结

“十五”期间是我国经济建设飞速发展时期, 大量基础设施在建和待建, 混凝土需求量十分巨大。随着国家对基础设施建设投入的不断加大, 我国平均每年混凝土需求量将超过20 亿立方米。如按用于结构部位的混凝土需求量为60 %计, 则年需结构混凝土12 亿立方米。如果其中10 %采用轻集料混凝土, 则年需轻集料混凝土1. 2 亿立方米, 市场十分巨大, 有着宽广的应用前景, 将是建材市场的一个新的经济增长点, 并将为社会带来极大的经济效益。高性能轻集料及高性能轻集料混凝土的有关研究将是21 世纪混凝土技术研究的前沿项目, 必将带动混凝土技术产生又一次革命。