摘 要：自20 世纪60 年代采用轻骨料混凝土取代普通混凝土至今，在国内外已有大批成功事例。文章介绍我国开展轻骨料混凝土的研究使用状况，列举其性能优越性及发展前景。重点介绍了几个成功应用的工程实例。
关键词：轻骨料 混凝土 应用实例
1 国内外研究应用轻骨料混凝土概况
1.1 国外轻骨料混凝土的研究应用
轻骨料混凝土（又名轻集料混凝土，Light WeightAggregate Concrete） 是指用轻粗骨料、轻细骨料（或普通砂） 、水泥和水，必要时加入化学外加剂的矿物掺合料配制而成，并且在标准养护条件下，28 d 龄期的干表观密度< 1 950 kg/m3的混凝土。
人造轻骨料最早使用年代在1920 年左右。S.J 海德是最初运用回转窑烧制膨胀粘土轻骨料，1928 年，美国开始把这种方法用于商业生产。西欧在第二次世界大战以后才开始有了轻骨料的生产，美国和前苏联因缺少天然的普通骨料，大量生产和使用了人造轻骨料，使轻骨料混凝土在这两个国家得到飞速发展，但是轻骨料混凝土长期以来一直被当作非结构材料使用，应用范围受到了很大的限制。
自20 世纪60 年代中期，美国采用轻骨料混凝土取代普通混凝土，修建了休斯敦贝壳广场大厦并取得了显著的技术经济效益。如今，国外发达国家高性能轻骨料混凝土的应用已取得了丰富的经验。CL50～CL60 轻骨料混凝土已在工程中大量使用，结构轻骨料混凝土的抗压强度最高为80 MPa ，其表观密度在1 800～2 000 kg/m3之间。
20 世纪90 年代初期，挪威、日本等国家研究了高性能轻骨料混凝土的配方、生产工艺、高性能轻骨料等，重点在于改善混凝土的工作性和耐久性，并取得了一定的成果。例如，英国采用高强轻骨料混凝土建造了北海石油平台；挪威已成功应用CL60 级轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥；日本则在1998 年成立了一个由18 家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会，专门研究粉煤灰轻骨料混凝土。
1993 年以来，美国每年轻骨料使用量都在350～415 万m3 ，其中用于结构混凝土部分在80 万m3 左右。挪威自1987 年以来，已应用高性能轻骨料混凝土施工了11 座桥梁。
1.2 国内轻骨料混凝土的研究
我国从20 世纪50 年代开始研究人造轻骨料，先后研制成粘土陶粒、页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒，目前年产量达300 万m3 。据1990 年对10 个省市不完全统计，从20 世纪70 年代至80 年代用于房屋建筑外墙板的轻骨料混凝土约占其总用量的50 %；用于建筑砌块约占砌块的27 %。但是，由于我国的轻骨料质量较差，以粉煤灰为主的其它品种陶粒的质量不尽人意。所配制的结构用轻骨料混凝土的表观密度一般为1 800～1 950 kg/m3 ，抗压强度为510～25 MPa ，即密度较大，而强度偏低，使其应用和发展受到一定的限制。
20 世纪90 年代我国轻骨料混凝土的应用从以高层建筑外墙板为主，改变成以高层建筑框架填充墙用的小型空心砌块为主的格局；而在承重结构中的应用反而有所减少，显现极少应用结构轻骨料混凝土的奇怪现象。分析其原因主要是国内轻骨料过多偏重于墙体材料的应用，而用于承重结构的高性能陶粒的生产与开发并没有受到应有的重视，轻骨料混凝土发展缺乏统一的管理和协调。
随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高，高性能轻骨料混凝土的研究和应用也得到了快速发展。
据1995 年不完全统计，以超轻陶粒为主的各种陶粒年产量在20 万m3 以上。如今广州、乌鲁木齐、昆明、黑龙江和京津唐地区已成为超轻陶粒生产基地。上海生产出堆积密度为700～800 kg/m3 的粉煤灰陶粒和500kg/m3 以下的超轻陶粒；湖北宜昌生产的高强陶粒，可以配制出强度等级为CL30～CL60 或更高的轻骨料混凝土。
随着宜昌、上海等地高强、高性能轻骨料的规模化生产，高强轻骨料混凝土，结构轻骨料混凝土在我国已逐步应用。
2 轻骨料混凝土的优良特性
轻骨料混凝土的强度等级用CL 表示。强度等级达到CL30 及以上者称为高强轻骨料混凝土。一般来说，高强轻骨料混凝土具有如下优点：
2.1 轻质高强
采用轻骨料混凝土替代普通混凝土是减轻结构自重的最直接、最有效的措施，在承载力相同的条件下可减轻重量20 %～40 %。轻骨料混凝土所具有的性能优势主要是指同其它品种的混凝土相比，轻骨料混凝土能在保持具有高强度的基础上，使混凝土的自重显著下降。对于结构恒载（即自重） 占有较大比例且对材料性能有较高要求的高层建筑、大跨度桥梁等工程而言，轻骨料混凝土的这种优势表现出明显的优越性并使其具有很强的市场竞争力。J1Brakel 研究了普通混凝土（自重= 2 500 kg/m3 ） 和轻骨料混凝土（自重=1 750 kg/m3 ） 对桥梁荷载的影响，认为桥梁跨度越大，采用轻骨料混凝土建造桥梁，其降低结构的自重越大，经济性也就越显著（见表1） 。
当轻骨料混凝用于建造桥梁时，将带来显著的技术经济效益，可使桥梁的跨度增大，减少桥墩的数量，减少上部结构预应力钢筋的用量，降低基础处理的费用（尤其在沿海地基上，由于基础处理费用相对较高，节省的幅度将更大） ，降低原材料和构件运输和安装费用等。
2.2 抗震性能好
地震力和上部结构的自重成正比，当结构采用轻骨料混凝土后，由于自重的下降，将降低地震力。同时，由于轻骨料混凝土的弹性模量比同等级的普通混凝土低，结构的自振周期将变长，变形能力增强，结构破坏时将消耗更多的变形能。因此，轻骨料混凝土有利于改善建筑物的抗震性能和抵抗动荷载作用的能力。据介绍，陶粒混凝土相对抗震系数为109 ，普通混凝土为84 ，砖砌体为64 。从实际地震考验结果来看，位于京津地区的几十幢轻骨料混凝土工业与民用建筑，经1976 年唐山强烈地震后都基本完好，可正常使用，而周围的砖混结构建筑都有不同程度的破坏或倒塌。
2.3 抗裂性好
同普通混凝土相比，轻骨料混凝土的热膨胀系数和弹性模量较小，使得由于冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小，表现为轻骨料混凝土构件的抗裂性较好，这对改善结构的耐久性，延长结构的使用寿命是非常有利的，并有助于降低结构在使用期间的维护费用。
2.4 耐久性好
使用轻骨料能有效避免混凝土的碱集料反应问题，延长结构的使用寿命。同时由于轻骨料混凝土的骨料—基材界面粘结牢固，具有一定的自养护功能和水泥砂浆品相的质量相对较好等因素，轻骨料混凝土抗有害介质侵入的能力也相对较强。
2.5 耐火性好
轻骨料混凝土都是多孔性材料，导热系数和线膨胀系数都小于普通混凝土，热工性能较好，所建造结构的保温、抗高温和耐火极限等性能均明显超过普通混凝土结构。一般建筑物发生火灾时，普通混凝土耐火1 h ，而轻骨料混凝土可耐火4 h ；在600 ℃高温下，轻骨料混凝土能维持室温时强度的85 % ，而普通混凝土只能维持35 %～75 %。
2.6 综合技术经济效益好
尽管轻骨料自身的价格比普通石子贵，导致轻骨料混凝土的单方造价高于同强度等级的普通混凝土，但是由于其减轻了结构自重，缩小断面尺寸，增加使用面积，降低基础荷载而具有显著的综合经济效益。国内外工程实践证明，在高层、大跨度的土木建筑工程中，采用轻骨料混凝土可使工程造价降低10 %～20 %。根据美国咨询公司的使用经验，在沿海软土地基上建造大型桥梁时，即使不考虑桥梁后期维护费用的降低，使用轻骨料混凝土代替普通混凝土并经过合理的设计，桥梁建设的直接投资将降低10 %～15 %。若考虑由于轻骨料混凝土桥梁的耐久性相对较好等因素，进行桥梁使用寿命周期成本计算，节省的幅度将会更大。
3 国内外轻骨料混凝土应用实例
3.1 国外轻骨料混凝土应用典型实例
1） 休斯敦贝壳广场大厦 休斯敦贝壳广场大厦，建造时间1967 年—1969 年，52 层，高218 m ，建筑面积130 000 m2 。该建筑原设计为35 层的筒中筒结构体系，设计人员在仔细分析了所有结构地基的情况后，提出全部梁、板、柱、墙体、钢筋网基础采用轻骨料混凝土的主张，就地面标高- 7．18 m 浮型钢筋网基础而言，可在原采用普通混凝土建造35 层的相同重量情况下，以同样的开挖深度建成52 层的大厦，有效地提高了土地的利用率，取得了显著的经济效益。根据结构和建筑的要求：2．51 m 厚的筏形基础，内柱和外柱以及剪力墙要用强度为42 MPa 的高强轻骨料混凝土浇制，11m 跨距的楼板要用强度为31．5 MPa 的轻骨料混凝土浇制。混凝土用量达到了68 800 m3 ， 约减轻自重38 500～41 200 t 。该工程是减轻自重而取得增层的典型工程实例。
2） 挪威特若尔海洋采油（气） 平台 挪威特若尔（Troll） 海洋采油平台的大型钢筋重力式结构，高度为369 m ，其基础为19 室的大型沉箱。沉箱下面是深36m ，每个直径为32 m 的环形断面套筒群。套筒插入水下303 m 的很软的土层中，以防止平台移动。沉箱的9个室中每个延伸成平台的脚柱，高度> 300 m ，直径从33．0～15．4 m。顶部荷载为220 000 kN。为减少平台在岸上制作后向现场拖引的困难，采用了轻质高性能混凝土。其特点是用优质的轻骨料替代一部分粗骨料，现场浇筑混凝土的密度为2 250 kg/m3 ，28 d 抗压强度为75 MPa 。
3.2 国内轻骨料混凝土应用
1） 上世纪80 年代初，铁道部大桥局桥梁科学技术研究所在实验室采用高强粘土陶粒和625 # 水泥配制出CL60 干硬性高强轻骨料混凝土，并将CL40 粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为23 m 的箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻20 %以上，是我国高强轻骨料混凝土应用的一个成功范例。
2） 1998 年末，在唐津高速公路二期工程永定新河大桥的优化设计中使用了轻骨料混凝土，经优化设计后由高强轻骨料混凝土取代普通混凝土，跨度从原来的24 m 增加到35 m ，并且不再铺装沥青层。所用的轻骨料混凝土强度等级为CL40 ，密度为1 900 kg/m3 。
3） 珠海国际会议中心20 层以上部位采用CL40 轻骨料混凝土，阜新22 层的商业大厦，本溪20 层建溪大厦都是以自燃煤矸石混凝土为主体的结构材料。
4 结语
当前我国经济的高速发展，使得我国的能源、环境面临巨大的考验。为了可持续性发展，必须考虑到对能源的利用要充分、合理、节约，利用工业废料制造轻骨料可以变废为宝，同时减少天然骨料的开采，利于环境保护。轻骨料混凝土将有广阔的应用前景。
