陶粒在混凝土中的應用技術發展現狀

陶粒在混凝土中的應用技術發展現狀

陶粒是一種多孔隙的固體，表面粗糙，質量較輕，通常以球狀較多，陶粒堆積密度一般為300～ 900 kg /m3，在陶粒制備的過程中，原材料之間發生反應產生氣體，充滿陶粒內部，陶粒體積膨脹，氣體排出后，陶粒表面布滿排氣細孔，使陶粒具有輕質多孔的特點?？惥晖ㄟ^對陶粒進行微觀結構觀察，發現陶粒結構分為外殼和內核兩個部分，陶粒外殼粗糙堅硬、有光澤、強度較高，而陶粒內核多孔隙，孔隙封閉不相互連通，呈現細密蜂窩狀。陶粒這種特殊的結構特性，在園藝、化工、石油以及建筑材料等各方面發揮重要作用。

1 陶粒的性能及分類

1．1 按原料分類

陶粒制備所用原材料不同，來源不同，制成陶粒的外觀、工作性能以及應用場景有所不同。

1) 黏土陶粒。黏土陶粒是一種以黏土、亞黏土為原材料，加入適量的膠凝材料以及外加劑燒制而成的陶粒，圖1為黏土陶粒，黏土陶粒的粒徑一般在5 mm 以上，具有質量輕、高度強以及保溫隔熱的特點，大量應用于高層建筑結構混凝土的制備、隔熱保溫工程、園林綠化、飲水凈化等領域。李文斌以兩種不同類型黏土陶粒為骨料，制備出黏土陶粒輕骨料混凝土，實驗測量發現陶?；炷恋拿芏容^輕，一般小于1 900 kg /m3。在對陶?；炷吝M行力學抗壓測試時，能滿足實驗目標力學性能。進行熱工測試，黏土陶粒輕骨料混凝土密度較低，相應其導熱系數較普通混凝土低。

圖1 黏土陶粒

2) 頁巖陶粒。頁巖陶粒的原材料多為頁巖、板巖等。由于制備工藝不同，大致分為普通型頁巖陶粒，圓球形頁巖陶粒。兩者區別在于，圓球型頁巖陶粒較普通型陶粒多了“成球”的制作步驟。李國昌等研究不同制備方法對頁巖陶粒的影響，發現破碎法的孔隙率還是孔徑等都和成球法沒有差別，用這兩種燒結辦法都能制作出高性能的頁巖陶粒。

3) 粉煤灰陶粒。粉煤灰陶粒主要原材料是發電廠廢料———粉煤灰，粉煤灰陶粒廢物利用更加環保。粉煤灰陶粒加入粉煤灰、膠凝材料、水，成球燒結而成。粉煤灰陶粒內部的孔隙較多，強度相對較低，較少用于配制高強度混凝土，但其保溫隔熱的性能較好，所以粉煤灰陶粒普遍應用于隔音隔熱材料中。由于粉煤灰陶粒燒結工藝復雜、投入較大等缺點，其發展應用較為困難，降低生產耗能成為現在粉煤灰陶粒研究的重點。

1．2 按生產工藝分類

1) 燒結型。燒結法是比較常用的制備陶粒的工藝，在燒結時，通過氧化鈉、氧化鉀、氧化鎂以及氧化鐵等氧化物的氧化作用下，使原材料的氧化硅、氧化鐵、氧化鋁等物質生產硅酸鹽化合物，并在該化學反應過程中生產大量氣體，使陶粒體積得到膨脹，并在內部形成多氣孔，待陶粒冷卻，內部呈現多孔隙，而陶粒的表面則發生還原反應，生成堅硬的釉質外殼。

2) 免燒型。免燒型陶粒不需要高溫燒結，在制備陶粒時，加入水泥作為激發劑，水泥在陶粒的制作過程中提供堿性環境，使原材料可以相互反應。陶粒原材料具有火山灰活性，通過原材料之間發生化學反應，生成具有膠凝性能的物質，固結原材料中有害的重金屬物質。溫久然利用粉煤灰和水泥為原材料，加入輕質填充材料，經過免燒法制備出了粉煤灰陶粒。該陶粒具有堆積密度低、性能優良的特點。

2 陶粒對混凝土的影響

2．1 陶粒用量對混凝土的影響

1) 力學性能。輕骨料經過高溫的煅燒，表面活性較強，在與水泥接觸時，發生化學反應，加固接觸面，同時陶粒表面粗糙多孔，與水泥石的接觸面積較大，彼此之間的咬合力也更能提高界面的粘結力。

混合骨料混凝土是在原有混凝土基礎上進行改良，用一部分輕骨料代替原有舊骨料。Bing Han 等研究混合骨料混凝土軸心受壓應力－應變時發現，當陶粒體積分數占總骨料的20%時，混凝土的抗壓強度是最低，當陶粒體積分數占總骨料60%時，混凝土的抗壓強強度達到最大，從以上實驗數據可以知道，普通骨料和輕骨料之間存在合理的容積率大致在50%～ 60%，其工作性能和力學性能可以達到最佳。隨著陶粒用量在一定范圍內的提升，陶?；炷撩芏认陆?，保溫隔熱性能得到提升，但超出一定范圍，其力學性能下降較快，并且出現骨料上浮的現象，影響混凝土的運輸和泵送。

在進一步研究混合骨料混凝土力學性能影響時，圖2 是陶粒不同取代率的混凝土抗壓強度，由圖2 可知，抗壓、抗折強度在陶粒用量小于50%時，次輕混凝土的抗壓強度變化基本平穩; 當陶粒用量大于50%后，次輕混凝土的強度隨著陶粒用量的增加而不斷減少，在40% ～ 50%處混凝土抗壓強度下降幅度較大。由此可見，陶粒用量在40%時，混合骨料混凝土在保持較低密度的同時，力學性能最佳，陶粒是一種圓形或橢圓形的球體，該形態使水泥砂漿能夠均勻包覆在陶粒表面，在承受外部荷載的時候，陶粒受力較為均勻，較少出現應力集中的現象，提高了混凝土的力學性能，并且在振動成型的時，顆粒之間的摩擦較小，緊密排列，形成較為緊密的均質結構。

圖2 陶粒不同取代率的強度等級混凝土抗壓強度

2) 工作性能。吳勇在研究混合骨料混凝土工作性能影響因素時，以普通混凝土配合比為基準，改變陶粒在粗骨料中的體積取代率，在取得輕質同時獲得更高的強度。實驗結果表明: 陶粒體積分數占總骨料50%的時候，工作性能較好，混合骨料混凝土擴展度最大，同時離析率最小。這是因為在混合骨料混凝土中，粗骨料由陶粒和石子組成，在粗骨料與膠凝材料拌和時，陶粒和石子兩種不同顆粒在漿體中互相干擾，形成互相阻礙的局面，影響混合骨料混凝土的工作性能。當陶粒取代率為50%時，陶粒和石子的數量大致相同，工作性能取決于陶粒和碎石的相互影響，上層的陶粒和底部的碎石之間的相互影響可以達到最小，漿體移動速度可達到最快，此時的工作性能表現優異。

2．2 陶粒預濕對混凝土的影響

目前研究較多的高性能混凝土，由于水膠比較低，在水泥水化過程中，常會出現嚴重的自收縮現象，以往在混凝土加入膨脹劑解決混凝土收縮的問題，但隨著混凝土朝著高強、高性能方向發展，混凝土的水灰比不斷減少，出現膨脹劑爭奪水泥水化有限水分，造成混凝土的水泥顆粒不能完全水化現象。由楊全兵通過研究發現混凝土在水中養護雖會在一定程度緩解自收縮現象，但是混凝土內部收縮仍在繼續。最佳解決混凝土自收縮的辦法是尋找特定材料，以取代混凝土中組成部分。陶粒內部存在大量相互連通的孔隙，這些孔隙使陶粒具有吸水的能力，在混凝土養護過程中，隨著水泥的硬化，陶粒內部水分“反哺”給水泥，使水泥進一步充分水化。陶粒的“微泵”作用降低了集料與水泥接觸面的水灰比，硬化過程中，提高了水泥石的致密度，同時減少了集料表面分層現象的出現，陶粒與水泥石界面結合更加緊密，大為改善陶?；炷恋男阅?。

預濕陶粒會為水泥水化補充水分，使水泥漿水化更加徹底，自收縮減少。如陶粒沒有預濕，制備出的輕骨料混凝土出現明顯自收縮，導致混凝土的早期開裂。Cusson使用預濕和未預濕兩種陶砂，試驗中預濕后的輕骨料混凝土自收縮程度減少，而未預濕的陶?；炷恋氖湛s程度較高，由試驗可以總結，輕骨料的預濕有利于減少輕骨料混凝土自收縮現象。

陶粒預濕時長對混凝土的工作性能有影響，高英力等研究不同預濕程度對經時坍落度損失的影響，他們分別選用未潤濕、潤濕1、12、24、72 h 的陶粒制備成混凝土，并分析混凝土坍落度經時損失的差異。圖3 為預濕時間不同，輕骨料混凝土坍落度經時損失有差異，由圖3 可知，未預濕的陶?；炷恋奶涠葥p失在5 組中為最大，陶粒預濕時間越長，混凝土的坍落度經時損失越少，而預濕時間超過24 h的混凝土，其坍落度損失明顯得到抑制，基本達到了飽和吸水的狀態，此時混凝土坍落度經時損失較小并且坍落度較大。

圖3 不同預濕時間下輕骨料混凝土坍落度經時損失

2．3 陶粒吸水率對混凝土的影響

陶粒吸水率對混凝土性能影響較大，陳上偉等將陶粒置于不同溫度下，測量其吸水率，實驗表明: 隨著溫度的升高，陶粒中空氣體積變大，水的表面張力下降，陶粒的吸水率也下降，“微泵”作用減弱?？梢缘贸鼋Y論: 不同溫度下，陶粒吸水率會改變，同時陶粒的“微泵”作用也會有差異。

陳建武等研究陶粒吸水率對研究陶粒－水泥石界面影響，選用三種不同吸水率的陶粒，分別為低吸水率、中吸水率以及高吸水率的陶粒。將三種不同吸水率的陶粒分別和W/C= 0．30 的水泥漿進行拌和制備成輕骨料混凝土，測定陶粒－水泥石界面( 陶粒表面附近1 mm 內) 的水化程度。

圖4 是吸水率不同的陶粒制備的輕骨料混凝土，由圖4可知，隨著陶粒吸水率的增大，陶粒與混凝土石邊界的水化反應也愈加明顯，“自養護”效果顯著。在90d 的時候，水泥內含水量仍在不斷增加，水泥仍在繼續水化，“自養護”仍在繼續。

鄭秀華等探討了不同吸水率陶粒對輕骨料混凝土力學性能的影響。在研究力學性能時，分別使用4 種不同吸水率陶粒，吸水率分別為0、2．4%、7．1%以及14．1%。

圖4 不同吸水率陶粒的輕骨料混凝土吸水率

圖5 是不同吸水率陶粒制成的輕骨料混凝土抗壓強度隨時間變化，如圖5 所示，通過對比吸水率不同的陶粒配制混凝土的強度，隨著陶粒吸水率的增加，配制成的混凝土的強度也在不斷變強，尤其是在混凝土養護后期，這種增長尤其明顯，這是因為高吸水率的陶粒在水泥石水化后期，仍能提供充足的水化用水，使混凝土的強度一直在增加。

圖5 不同吸水率陶粒的輕骨料混凝土抗壓強度

總結陶粒不同吸水率對混凝土耐久性影響，陶粒吸水率與輕骨料混凝土凍融情況有關，實驗顯示，吸水率大的陶?？箖瞿芰Υ笥谖市〉奶樟Ｖ苽涞幕炷?，當陶粒吸水率越高時，對混凝土養護越徹底，水泥石在吸水率高的陶粒養護下，變得致密，圖6 是凍融次數不同時輕骨料混凝土相對彈性模量，由圖6 可知，當吸水率在7%左右時，達到了最佳狀態。

圖6 凍融次數不同時輕骨料混凝土相對彈性模量

鄭秀華等在探討了陶粒不同吸水率下的混凝土抗滲性能時，陶粒吸水率與混凝土抗滲性也有一定的關系。實驗研究證明，越小的陶粒，自養護的性能也就越差，其抗滲性能表現也較差，高吸水率陶粒配制的混凝土尤其在后期，其抗滲性能提高越多。

3 陶?；炷链嬖诘膯栴}

目前陶?；炷翉V泛應用于橋梁、高層、大跨度結構以及舊的橋梁加固維修中。但在使用過程中，陶?；炷寥源?/span>在很多問題，如陶粒自身質量較輕，振搗時會造成混凝土輕骨料的上浮，從而混凝土力學性能下降。在陶?；炷脸尚?/span>時，還易出現收縮干裂的現象，影響結構的性能等大量問題仍需攻克。

3．1 離析泌水問題

在混凝土振搗過程中，骨料和膠凝材料之間的密度差和骨料的移動速度呈正比關系，圖7 是輕骨料上浮現象，如圖7 所示，輕骨料的質量較輕，在流動度較大時，會出現輕骨料上浮的情況，骨料上浮對混凝土的各項性能指標都會降低，影響建筑的正常使用。

圖7 輕骨料上浮

當使用泵送施工時，陶?；炷镣瑯右装l生分層離析現象，并且坍落度的損失也會加快，在壓力作用下，陶粒吸收混凝土中的水分從而導致混凝土水膠比下降，混凝土無法泵送。當泵送的壓力減小時，在壓力作用下，陶粒吸入的水分被擠出，當陶粒中的水進入混凝土中，會導致混凝土的泌水以及上下分層，并且堵塞泵管，當在澆筑現場時，壓力的消失，擠出的水分會引起混凝土的力學強度和耐久度變差。

3．2 收縮與徐變問題

高吸水率的陶?；炷猎缙诘氖湛s變形會比同等輕度的普通混凝土低，但是在養護后期，其收縮變形仍會很大。

目前混凝土徐變研究較多的是受壓徐變，但是混凝土受拉徐變破壞的研究比較少，尤其是輕骨料的受拉徐變需要研究人員進行研究。

3．3 耐久性問題

輕骨料吸水率大于普通骨料，當輕骨料吸水率較高的時候，抗凍性能就會下降，內部毛細孔水在溫度降低時，發生形態的變化，體積膨脹，造成混凝土耐久性變差，同時隨著凍融次數的增長，混凝土的力學性能也會急劇降低。

4 總結與展望

輕骨料混凝土在我國快速發展，取得了令人矚目的成就，不僅可以節約砂石等自然資源的使用，與普通混凝土相比，可以大幅度減輕結構自身重量，減輕了地基的荷載，節省了材料的運輸量，隨著大跨度結構以及海事工程的日益增多，陶?；炷恋陌l展勢不可擋。隨著土木工程的科研人員對輕骨料混凝土的深入研究，我們要面對大量問題，這些問題的解決有利于陶?；炷恋耐茝V使用。陶?；炷林挥?/span>付諸于實際工程中，才能發揮最大的價值。