高性能輕集料的分析與發(fā)展

摘　要: 輕集料的性能可設(shè)計(jì)性和多孔性, 使其具有特殊的用途和特點(diǎn), 文中介紹了輕集料的性能特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況和高性能輕集料的發(fā)展趨勢(shì)。采用合適的原材料和特殊加工工藝可以制造出不同密度等級(jí)、高強(qiáng)度、低孔隙率的人造輕集料。這種輕集料的某些性能與普通密實(shí)集料相似, 但某些性能更為優(yōu)越。因此, 在天然砂石集料資源日益枯竭的今天, 人造輕集料的生產(chǎn)與應(yīng)用更引起人們的興趣。

1 　輕集料的分類

輕集料中粒徑在5mm 以上堆積密度不大于1100kg/ m3 的, 稱為輕粗集料, 也稱陶粒; 粒徑不大于5mm , 堆積密度不大于1200kg/ m3 的, 稱為輕細(xì)集料, 也稱陶砂。

輕集料以其來(lái)源可分為二類: (1) 天然輕集料。是天然形成的多孔巖石, 經(jīng)加工而形成的輕集料, 如浮石、火山渣等; (2) 人造輕集料。是以工業(yè)廢料或地方材料為原料, 經(jīng)加工而成的輕集料, 如粘土陶粒、頁(yè)巖陶粒、粉煤灰陶粒、膨脹礦渣珠等。

輕集料還可按性能分為超輕集料、普通輕集料、高強(qiáng)輕集料和高性能輕集料。

根據(jù)其生成條件及性能看來(lái),輕集料中可用來(lái)配制高性能混凝土的只有經(jīng)過(guò)特殊加工的人造輕集料, 國(guó)外一般稱它為高性能輕集料,我國(guó)稱為高性能陶粒。

2 　國(guó)內(nèi)外輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用

2. 1 　國(guó)外輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用

挪威是世界上結(jié)構(gòu)輕集料混凝土和高強(qiáng)輕集料混凝土應(yīng)用最先進(jìn)的國(guó)家之一。其應(yīng)用最多的是膨脹粘土輕集料。這種輕集料含部分開(kāi)口孔, 在常壓下吸水率為5～10 % , 泵壓下將增加到20～40 %。日本由于經(jīng)濟(jì)衰退, 輕集料生產(chǎn)商已經(jīng)由70 年代的6 家減少到3 家, 1999 年產(chǎn)量已經(jīng)減少為277 萬(wàn)噸, 比最高峰時(shí)期的1990 年減少4 成。1998 年, 日本成立了一個(gè)由18 家公司組成的高強(qiáng)人造輕集料混凝土研究委員會(huì), 研究高強(qiáng)粉煤灰輕集料。它是將90 % 的粉煤灰、適量的膨潤(rùn)土和碳酸鈣、煤粉混合、成球, 在1200～1300 ℃下煅燒膨脹而成。其表觀密度約為1800kg/ m3 , 吸水率小于3 %。在0. 3 水膠比下, 用這種輕集料不經(jīng)預(yù)濕, 就能配制出28 天強(qiáng)度80MPa、干燥表觀密度小于2100kg/ m3 的高強(qiáng)輕集料泵送混凝土。最近, 日本又成功地開(kāi)發(fā)出另一種低吸水率高強(qiáng)度的高性能輕集料。其主要原料為珍珠巖、SiC(發(fā)泡材料) 和膨潤(rùn)土(膠結(jié)材料) , 其典型配比依次為95. 5 %∶0. 2 %∶4. 3 %。這種輕集料的干表觀密度為600～1500kg/ m3 , 24 小時(shí)吸水率小于5 %。70 年代初, 美國(guó)輕集料年產(chǎn)量達(dá)1800 萬(wàn)噸, 并以每年5～8 %的速度遞增。自1993 年以來(lái), 其輕集料的年使用量都維持在350 萬(wàn)噸～415 萬(wàn)噸的高水平上, 其中用于結(jié)構(gòu)混凝土的部分在80 萬(wàn)噸左右。其主要品種有粘土類、頁(yè)巖類和粉煤灰類輕集料。他們生產(chǎn)的高強(qiáng)型粉煤灰輕集料, 粒徑5～20mm、堆積密度800～ 1000kg/ m3 、筒壓強(qiáng)度6 ～ 8MPa , 吸水率< 10 %。威斯康辛公司下屬的粉維基輕集料廠利用粉煤灰、城市污水淤泥和工業(yè)淤渣生產(chǎn)人造輕集料。產(chǎn)品性能符合美國(guó)輕集料標(biāo)準(zhǔn), 年利用粉煤灰10 萬(wàn)噸, 城市污水淤泥和工業(yè)淤泥約6 萬(wàn)噸, 顯示其充分利廢、節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的綠色功能。

2. 2 　國(guó)內(nèi)輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用

我國(guó)輕集料工業(yè)的發(fā)展始于人造輕集料的研究與開(kāi)發(fā), 近半個(gè)世紀(jì)以來(lái), 經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而又曲折的過(guò)程。1956 年在山東博山利用水泥回轉(zhuǎn)窯試制成功我國(guó)第一批粘土輕集料之后, 至1975 年輕集料的生產(chǎn)有了一定的規(guī)模, 生產(chǎn)廠家發(fā)展到十幾個(gè), 輕集料及其砼的研究取得一定成績(jī)。1975 年以后, 隨著我國(guó)建筑工業(yè)化和墻體改革的深入, 輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用有了較大發(fā)展, 天然輕集料開(kāi)始大量開(kāi)采和利用。至1978 年各種輕集料年產(chǎn)量達(dá)115 萬(wàn)m3 , 其中人造輕集料約30 萬(wàn)m3 。八十年代, 我國(guó)輕集料生產(chǎn)穩(wěn)中有降, 至1990 年, 我國(guó)人造輕集料生產(chǎn)廠有30 余家, 設(shè)計(jì)年產(chǎn)量53 萬(wàn)m3 , 1990 年實(shí)際生產(chǎn)又得到進(jìn)一步發(fā)展, 但總的生產(chǎn)格局仍然是超輕集料迅速發(fā)展而高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)輕集料卻沒(méi)有得到應(yīng)有重視的不平衡狀態(tài)。

總的來(lái)說(shuō), 我國(guó)人造輕集料生產(chǎn)、應(yīng)用起步較早, 發(fā)展速度十分緩慢, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)國(guó)家。造成這一現(xiàn)狀的主要原因是對(duì)人造輕集料的發(fā)展始終沒(méi)有一個(gè)明確的、穩(wěn)定的、符合實(shí)際的技術(shù)政策, 在新型建筑材料中也沒(méi)有給它一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈恢?。因? 人造輕集料的發(fā)展缺乏指導(dǎo)性, 時(shí)起時(shí)伏, 處于自流狀態(tài)。此外, 輕集料砼主要用于非結(jié)構(gòu)場(chǎng)合, 沒(méi)有產(chǎn)生綜合經(jīng)濟(jì)效益, 也制約了輕集料生產(chǎn)企業(yè)的積極性。

1994 年10 月, 我國(guó)第四屆輕集料及輕集料混凝土學(xué)術(shù)討論會(huì)在濟(jì)南召開(kāi), 很多代表對(duì)我國(guó)輕集料生產(chǎn)與應(yīng)用的不平衡發(fā)展進(jìn)行了討論, 大力呼吁“應(yīng)注意開(kāi)發(fā)高強(qiáng)陶?！?。隨后, 1997 年10 月在常州召開(kāi)的第六屆學(xué)術(shù)討論會(huì)上, 又圍繞高強(qiáng)陶粒的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用交流經(jīng)驗(yàn), 進(jìn)一步探討了其發(fā)展的可行性。目前,全國(guó)已有幾家生產(chǎn)出了高強(qiáng)輕集料,如宜昌的寶珠陶粒有限公司、上海申威粉煤灰陶粒廠、天津硅酸鹽制品廠等。試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐已經(jīng)表明,上海、宜昌的高強(qiáng)輕集料,質(zhì)量完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,其技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或超過(guò)國(guó)外某些老牌高強(qiáng)輕集料的水平(見(jiàn)表1) ,并已在工程中應(yīng)用,可配制出強(qiáng)度等級(jí)為CL30～CL60 或更高的高強(qiáng)輕集料混凝土,展現(xiàn)出我國(guó)高強(qiáng)輕集料具有很好的發(fā)展前途。

3 　輕集料的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

3. 1 　多孔性給輕集料帶來(lái)的優(yōu)缺點(diǎn)

輕集料混凝土和普通混凝土的主要不同點(diǎn)在于前者是用多孔的輕質(zhì)集料配成的一種水泥混凝土。正是這種輕集料的多孔性決定了它自身的性質(zhì)及其混凝土的一系列特性。

輕集料的多孔性既有正面影響又有負(fù)面影響。首先, 輕集料的多孔性給集料帶來(lái)很多正面影響: 與普通集料相比, 它可以根據(jù)不同需要、不同程度地減少混凝土的質(zhì)量。由此, 也可以大大改善砼的保溫、隔熱、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凍性和抗氯離子滲透性能。同時(shí), 還賦予它通常不為人們了解和重視的無(wú)堿集料反應(yīng)危害的特性。由此也決定了輕集料混凝土具有良好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性, 使它成為僅次于普通砼的一種新型砼。

輕集料的多孔性給其帶來(lái)的負(fù)面影響主要表現(xiàn)在其吸水率增大, 且因輕集料形成條件、品種不同而變化, 在很大范圍內(nèi)使混凝土的施工性能、物理力學(xué)性能和耐久性受到不同程度的不良影響。這主要是因?yàn)樵诋?dāng)前生產(chǎn)工藝條件下制造出來(lái)的輕集料, 孔隙結(jié)構(gòu)較差, 不僅球狀孔直徑大,且開(kāi)孔率高,分布不均勻, 裂縫缺陷也較多,因而吸水率較大。這種吸水率高的輕集料,一方面不能適應(yīng)現(xiàn)代泵送混凝土施工的要求; 另一方面因?yàn)槭┕で绊毰菟柡皖A(yù)濕,不僅給施工帶來(lái)很大麻煩,而且還大大降低輕集料混凝土的一些性能。這也給高性能輕質(zhì)混凝土的配制帶來(lái)很多新問(wèn)題,使其研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用比起高性能混凝土更為復(fù)雜困難。但恰恰是這個(gè)負(fù)面影響給現(xiàn)代輕集料砼的發(fā)展帶來(lái)了新的推動(dòng)力。因此,生產(chǎn)出一種具有更低吸水率,施工時(shí)不需預(yù)濕,而又具有更好耐久性的人造輕集料,即高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)輕集料,就成為人們關(guān)注的首要問(wèn)題。高性能輕集料就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的。

3. 2 　輕集料的表面形狀和特性

不同的原材料和燒結(jié)工藝會(huì)產(chǎn)生不同的顆粒形狀結(jié)構(gòu)和表面特性。輕集料的形狀包括從棱角形到圓形多種,其表面也有從粗糙到光滑等多種。旋轉(zhuǎn)窯能夠生產(chǎn)表面光滑的輕集料,尤其是對(duì)粘土、頁(yè)巖、板巖等原材料進(jìn)行預(yù)處理時(shí)。MinHong Zhang (1989) 觀察了膨脹粘土陶粒和粉煤灰陶粒的差異:膨脹粘土陶料粒1 (圖1) 表觀密度1440kg/ m3 ;膨脹粘土陶粒2 (圖2) 表觀密度1270kg/ m3 。可見(jiàn),膨脹粘土陶粒具有相對(duì)密度較大的外殼和相對(duì)密度較小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中,陶粒1 比陶粒2 的外殼密度厚,但粉煤灰陶粒(表觀密度1420kg/ m3) 的外殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別不大(圖3) 。

輕集料不同的多孔性和特殊的表面, 支配著輕集料在混凝土中的表現(xiàn), 尤其是輕集料的吸水率。這些不同的性質(zhì)影響著混凝土的拌和、運(yùn)輸、泵送和澆筑。因此需要充分利用輕集料的優(yōu)點(diǎn)來(lái)獲得性能優(yōu)異的混凝土, 而盡量避免輕集料所帶來(lái)的對(duì)混凝土物理力學(xué)性能和耐久性的不利影響。

3. 3 　高性能輕集料的發(fā)展

研制和生產(chǎn)高性能輕集料, 是一條解決高強(qiáng)、高泵送性以及高耐久性問(wèn)題的有效而且簡(jiǎn)單的途徑, 但有關(guān)高性能輕集料混凝土的開(kāi)發(fā)應(yīng)用目前只有少數(shù)試驗(yàn)室研究報(bào)道。具體來(lái)說(shuō)高性能輕集料有如下特性:

(1) 輕質(zhì)高強(qiáng)的特性更為突出　它比普通輕集料具有更高的顆粒強(qiáng)度, 即與同密度等級(jí)的輕集料相比, 它的筒壓強(qiáng)度至少要比我國(guó)新修輕集料國(guó)際GB/ T17431. 121998 規(guī)定的指標(biāo)高一個(gè)等級(jí)。

(2) 孔隙小、吸水率低　這是高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)輕集料必要的一個(gè)性能, 與普通輕集料相比, 內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)應(yīng)該是含有大量封閉的、分布均勻的球狀孔(直徑2～50μm) , 顆粒表面無(wú)裂縫和大的缺陷。吸水率在5 % 左右, 在高壓水作用下其吸水率增加很少或不增加。

(3) 優(yōu)良的顆粒級(jí)配　輕集料的粒型應(yīng)為圓球型或普通型, 其最大粒型系數(shù)應(yīng)不大于1. 2～1. 5 , 按不同用途其最大粒徑應(yīng)不大于10mm 或15mm , 與新修訂的國(guó)標(biāo)要求相比, 應(yīng)具有更合理的粒級(jí)和級(jí)配。

作者認(rèn)為, 高性能輕集料是一種采用特殊工藝精心制造的比同密度等級(jí)的普通輕集料具有更高顆粒強(qiáng)度和低吸水率的一種優(yōu)質(zhì)人造輕集料。另外, 用廢棄物生產(chǎn)高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)輕集料具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1997 年吳中偉院士提出發(fā)展“綠色高性能混凝土”的主張。他對(duì)綠色涵義概括為:“節(jié)約資源、能源; 不破壞環(huán)境, 更有利于環(huán)境; 可持續(xù)發(fā)展, 既滿足當(dāng)代人的需求, 又不危及后代滿足其需要的能力”; 要求人們?cè)诎l(fā)展混凝土材料時(shí)應(yīng)加深對(duì)綠色的認(rèn)識(shí), 自覺(jué)地提高高性能混凝土的綠色含量和加大其綠色程度。在當(dāng)前地球環(huán)境問(wèn)題已十分嚴(yán)峻和邁向綠色建材的情勢(shì)下, 發(fā)展推廣粉煤灰陶粒和陶?；炷? 無(wú)疑將進(jìn)一步提高混凝土的綠色含量和加強(qiáng)其綠色程度。這也是混凝土可持續(xù)發(fā)展的必由之路?？捎玫膹U棄物包括污水處理廠淤泥煅燒后的灰渣、垃圾焚燒后的灰渣、浮石細(xì)粉、污染的港口河流和隧道所挖淤泥、水處理廠的淤泥等。上述廢棄物采用燒結(jié)法處理均可生產(chǎn)出合格的高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)輕集料。

4 　小　　結(jié)

“十五”期間是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展時(shí)期, 大量基礎(chǔ)設(shè)施在建和待建, 混凝土需求量十分巨大。隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷加大, 我國(guó)平均每年混凝土需求量將超過(guò)20 億立方米。如按用于結(jié)構(gòu)部位的混凝土需求量為60 %計(jì), 則年需結(jié)構(gòu)混凝土12 億立方米。如果其中10 %采用輕集料混凝土, 則年需輕集料混凝土1. 2 億立方米, 市場(chǎng)十分巨大, 有著寬廣的應(yīng)用前景, 將是建材市場(chǎng)的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn), 并將為社會(huì)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益。高性能輕集料及高性能輕集料混凝土的有關(guān)研究將是21 世紀(jì)混凝土技術(shù)研究的前沿項(xiàng)目, 必將帶動(dòng)混凝土技術(shù)產(chǎn)生又一次革命。