土木文献综述

1文献综述一、引言混凝土材料的发展在历史上可以追溯到很古老的年代。相传数千年前我国劳动人民及埃及人就用石灰和砂混合配制成的砂浆砌筑房屋，后来罗马人又使用石灰、砂及石子配制成混凝土，并在石灰中掺入火山灰配成用于海岸工程的混凝土。这类混凝土强度不高，使用范围有限。1824年J.Aspdin发明了波特兰水泥，使混凝土胶结材料发生了质的变化，大大提高了混凝土强度，并改善了其它性能。此后混凝土的生产技术迅速发展，用量巨增，使用范围日益扩大。特别是近几十年内，混凝土材料经历了许多重大变革。混凝土之所以能有如此广泛的用途，主要是因为它具有原料丰富、价格低廉，可就地取材；抗压强度高，耐久性好；工艺简单，适应性强以及可改造性强等优点[1]。但与此同时，在工程应用以及试验中人们又发现了混凝土存在一些不足，其主要缺点有抗拉强度低、韧性差；体积不稳定、自重过大。法国人Lambot在1850年发明了用钢筋加强混凝土，在一定程度上弥补了混凝土抗拉及抗折强度低的缺陷。1960年后，各种混凝土外加剂不断涌现也改善了体积不稳定性。由于普通混凝土存在的自重大、保温隔热性能差等缺点，从而影响了它在某些工程中的应用。随着建筑技术的发展，建筑物趋向高层化和大型化，因此减轻高层建筑和大跨度构件的自重，增加结构的保温隔热性能已显得十分重要[2]。为满足社会需要和工程要求，目前有两种主要途径[3]：一种是添加掺和物来改善混凝土的性能，这样可以将混凝土的强度提高一倍，但目前高强混凝土的研究大多数尚处于实验室阶段，而且随着强度的提高，混凝土的脆性显得越来越明显。第二种就是在满足各种要求的条件下出现的混凝土的新品种—采用人造轻骨料，生产应用轻骨料混凝土。二、轻骨料分类与特点轻骨料（LWA）是堆积密度小于1200kg/m3的天然或人工多孔轻质骨料的总称。根据集料粒径大小，轻集料分为轻粗集料与轻细集料，轻粗集料简称轻集料，轻细集料简称轻砂，分类方法见表一：表1轻粗、细集料的划分名称粒径/mm堆积密度/（kg/m3）轻粗集料≥51000轻细集料天然集料人造集料5510001200轻集料按原料来源可分为工业废料轻集料、天然轻集料和人造轻集料。由于天然和工业废渣轻集料的性能有一定局限性，因此在工程上大量应用的是人造轻骨料[4]。根据轻骨料的颗粒形状，又可以将轻骨料分为以下三类，见表二：表2轻粗集料按粒型分类类别定义主要品种圆球型原材料经破碎、煅烧或非煅烧而成的，呈圆球状的轻集料粉煤灰陶粒、黏土陶粒、超轻陶粒2普通型原材料经破碎烧胀而成的，呈非圆球状的轻集料用干法加工的页岩陶粒、膨胀珍珠岩碎石型由天然轻集料、自然煤矸石或多孔烧结块破碎加工而成的，或由页岩块烧胀破碎而成的，呈碎石状的集料浮石、火山渣、煤渣、自然煤矸石、页岩陶粒等轻骨料的强度标号是以轻骨料混凝土的抗压强度来表示轻粗骨料的颗粒强度，这是表征轻骨料强度的方法之一。1990年颁布的《轻集料混凝土技术规程》对轻骨料混凝土强度作了技术要求并列出了筒压强度和强度标号两个指标。多年实施情况表明，强度标号能较好反映轻粗集料的强度，且便于轻骨料的选用。与筒压强度相比，强度标号的优点在于可反映轻骨料在混凝土中的真实受力状态，但缺点是方法较复杂，测试周期长。轻骨料的筒压强度与强度标号及密度等级的关系见下表：表3轻集料的密度、筒压强度与强度等级的关系密度等级筒压强度/MPa强度标号/MPa碎石型普通型和圆球型普通型圆球型3000.2/0.30.33.53.54000.4/0.50.55.05.05000.6/1.01.07.57.56000.8/1.52.010157001.0/1.23.015208001.2/2.54.020259001.5/3.05.0253010001.8/4.06.53040注：天然碎石型轻骨料取斜线的左值，其他碎石型轻骨料取右值。人造轻骨料目前使用最普遍的是膨胀黏土陶粒、膨胀页岩桃李和膨胀粉煤灰陶粒三种，①膨胀陶粒简称黏土陶粒，是目前应用最为广泛的一种人造轻骨料，长期以来，黏土陶粒在我国人造轻骨料市场占有主导地位，其产量占人造轻骨料总产量的70%以上。一般的黏土陶粒为圆球形或圆柱形，表面比较粗糙。黏土陶粒的特点是密度小，吸水率高，但强度一般较低。②膨胀页岩、板岩陶粒简称页岩陶粒、板岩陶粒。页岩和板岩陶粒的结构不同于黏土陶粒，表面较为密致。页岩陶粒的特点是吸水率较低，强度高。③粉煤灰陶粒的颜色呈淡黄色或略带黑色，表面比较粗糙但是很坚硬，在其内部有蜂窝状的气孔。主要特点是强度较高、热导率低、保温隔热和化学稳定性好等。根据欧洲建筑规范（FIP）所给出的弹性模量与颗粒密度的关系式：20.008aaE，则轻骨料由于颗粒密度较小，故有弹性模量较小的特点。轻骨料具有多孔结构，这使得其吸水率比普通骨料高得多。吸水率对混凝土的工作性能有较大影响。吸水率高的陶粒不能适应现代泵送混凝土施工的要求，另一方面，因为施工前必须泡水饱和预湿，给施工带来困难且影响强度的反站，大大降低了陶粒混凝土的耐久性，但目前有各种途径可以尽量减少吸水率[5]。在混凝土中，粗骨料体积占混凝土体积50%～60%，因此，轻粗骨料密度很大程度上决定了混凝土密度，它是混凝土密度得以减小的主要原因。其材质、形状、筒压强度大小、吸水率等性能又是影响轻混凝土强度的重要因素，其中轻骨料筒压强度大小是最主要的影响因素。[6，7，8]三、轻骨料混凝土概述3轻骨料混凝土（lightweightaggregateconcrete,LWAC或LC）是指采用轻粗集料、轻砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土[9]。3.1轻骨料混凝土的分类轻骨料混凝土的密度等级按其干表观密度分为14个等级，如表四所示[10]：表4轻骨料混凝土密度等级密度等级干表观密度的变化范围/（kg/m3）密度等级干表观密度的变化范围/（kg/m3）600700800900100011001200560～650660～750760～850860～950960～10501060～11501160～125013001400150016001700180019001260～13501360～14501460～15501560～16501660～17501760～18501860～1950混凝土的强度等级按标准立方体试件抗压强度标准值确定。按有关规程，可划分为LC5.0、LC7.5、LC10、LC15、LC20、LC25、LC30、LC35、LC40、LC45、LC50、LC55和LC60。轻骨料混凝土的分类方法在我国主要有三种。3.1.1按用途分类轻骨料混凝土按其用途分为保温轻骨料混凝土、结构保温轻骨料混凝土和结构轻骨料混凝土，见下表五[10]：表5轻骨料混凝土按用途分类类别名称混凝土强度等级的合理范围混凝土密度等级的合理范围/（kg/m3）用途保温轻骨料混凝土LC5.0300～800主要用于保温的围护结构或热工构筑物结构保温轻骨料混凝土LC5.0LC7.5LC10LC15800～1400主要用于既承重又保温的围护结构结构轻骨料混凝土LC15LC20LC25LC30LC35LC40LC45LC50LC55LC601400～1900主要用于承重构件或构筑物ACI213委员会根据强度和密度将枪骨料混凝土划分为三类：用语隔热的低密度、低强度混凝土，4该类混凝土的强度约为0.7～2.0MPa，密度小于800kg/m3；用作混凝土砌块和具有必要强度的其他应用的中强度轻混凝土，该类混凝土的强度一般为7～14MPa，密度约800～1400kg/m3；结构用轻混凝土，该类混凝土的强度为17～63MPa，密度约1400～1900kg/m3。与上表对比可见，ACI213委员会的分类方法与我国的这一分类方法基本相似。3.1.2按轻粗集料的品种分类轻骨料混凝土按其轻粗集料的种类，可分为以下几种[10]：①工业废料轻集料混凝土，由工业废料轻粗集料配制而成的轻骨料混凝土，如粉煤灰陶粒混凝土、自然煤矸石混凝土、炉渣混凝土等；②天然轻集料混凝土，由天然轻粗集料配制而成的轻集料混凝土，如浮石混凝土、火山渣混凝土等；③人造轻集料混凝土，由人造轻粗集料配成的轻集料混凝土，如黏土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、膨胀珍珠岩混凝土等。3.1.3按细集料的品种分类按细集料的种类不同，轻集料混凝土又可分为以下两种[10]：①全轻混凝土，粗集料采用轻集料，细集料也采用轻砂的混凝土；②砂轻混凝土，粗集料采用轻集料，而部分或全部用普通砂作细集料的混凝土。3.2轻骨料混凝土的结构特征轻骨料混凝土在组成和结构上与普通混凝土的不同在于其使用了多孔性的轻骨料，其他材料与普通混凝土相同，正是由于使用了轻骨料，使得其内部结构特征与普通混凝土相比有较大的不同。材料的宏观行为取决于其组成与内部结构。对混凝土内部结构的研究一般在粗观、细观和微观三个尺度上进行，不同尺度的体系及所研究的对象各不相同。目前对混凝土内部结构和性能的研究以宏观和细观为主。在宏观上，混凝土可看作是均质材料，表现出统一的物理力学性质和工程性能。在细观上，混凝土通常被看作是两相或三相材料。混凝土的细观结构对其宏观行为有重要影响，吴中伟院士对不同尺度研究的对象进行了概括[11]，认为细观结构研究的主要对象是混凝土中的水泥及其与集料间的界面。硬化的混凝土由水泥浆体、界面过渡区和骨料三个环节组成。混凝土的性质取决于它们各自的性质及其相互间的关系和整体的均匀性，其中界面过渡区是将性质完全不同的水泥浆体和骨料连成一个整体的关键环节，它的性质对混凝土的性质起着决定性的作用，但是界面过渡区的性质又受水泥浆体和骨料性质的支配。对普通密度混凝土而言，界面过渡区的性质主要受水泥浆体的支配，而对于轻骨料混凝土，骨料（表面特性、结构和含水量）与水泥浆体对界面过渡区的性质都有非常重要的影响。根据复合材料学观点，硬化混凝土可看作是由基体相和颗粒相组成的两相符合材料，基体相是水泥浆体，而颗粒相是骨料，包含粗细骨料。轻骨料混凝土颗粒相包含两种不同性质的骨料，可把水泥砂浆看作是砂分散在水泥浆体中的两相材料，而把轻骨料混凝土看作是轻骨料与水泥沙浆组成的两相材料。在材料拌和与成型阶段，无论是普通密度混凝土还是轻骨料混凝土，都可看作是又水泥浆体和骨料组成的两相复合材料。在此阶段，材料非均质的特点非常显著。在混凝土的硬化阶段，混凝土的非均质程度逐渐减弱，均质性逐渐变强。骨料与水泥石的强度和弹性模量的相对大小决定了混凝土内部的应力分布、初始微裂纹产生的位置以及混凝土的断裂行为。普通混凝土由于墙壁效应的存在，使得界面区是最薄弱区域。从细观层次而言，轻骨料混凝土的均质性较普通混凝土高。轻骨料与水泥石的强度、弹性模量比普通骨料与水泥石更为接近，使得轻骨料混凝土内部的应力分布更加均匀。一般情况下轻骨料的弹性模量都5低于水泥石，这导致水泥石将吸收更多的应力，拉应力产生于水泥石，界面区将处于横向压应力作用下，这使得裂缝的发源地更多的集中在水泥石基体中而不是在界面区。此外，在轻骨料混凝土中存在两套微孔微管系统，即水泥石中的微孔微管系统和轻骨料中的微孔微管系统。轻骨料的微孔微管系统在新拌混凝土中具有吸水和供水作用，吸水作用使得轻骨料附近处于局部低水灰比状态，因此减少或避免了骨料下部由于内分层作用而形成的“水囊”，避免了界面处Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了骨料与水泥石的界面黏结力。供水作用使得骨料附近的水泥石能够水化充分，从而增加了骨料表面附近水泥石的密实性。通过轻骨料的吸水与供水作用，使轻骨料混凝土中界面区不再是混凝土中的最薄弱区。3.3轻骨料混凝土的性能优点基于以上结构特征，轻骨料混凝土与普通混凝土相比有众多优点。其主要优点集中体现在以下几个特点上[10]：3.3.1轻质、高强特征明显比强度是混凝土抗压强度与密度的比值。比强度越高，材料的轻质、高强特征越显著。相对于钢材而言，普通混凝土的比强度显然很低。虽然100MPa以上超高强混凝土的研究与开发使混凝土的比强度得到较大的增加，但是随着强度的提高，混凝土的脆性也显著增加，因