Легкий заполнительный бетон: производство, свойства и промышленное применение

Введение и классификация LWACЛегкий заполнительный бетон (LWAC) является конструкционным бетоном, в котором нормальные плотные заполнители заменены на пористые легкие, такие как керамзит, керамзит, спеченная летучая зола или натуральная пемза. Согласно ACI 213R предел плотности дна составляет 1120 кг/м (70 фунтов/фут), а верхний - 1920 кг/м (120 фунтов/фут) с минимальной прочностью на сжатие 17 МПа (2500 фунтов на квадратный дюйм) 70 МПа в высокопрочном типе. Он может выполнять ту же функцию, что и типичный весовой бетон, при этом положительно снижая мертвую нагрузку 20-30%, уменьшая тоннаж транспортировки и обеспечивая внутреннюю тепловую и противопожарную защиту.

В этом руководстве обсуждается, что определяет LWAC, как сравниваются шесть типов коммерческих заполнителей, какие изменения необходимы для механического поведения по сравнению с бетоном обычного веса, детали конструкции смеси и перекачки согласно ACI 211.2, какую выгоду получают реальные дома и мосты, автоклавированный корпус из газобетона (AAC) и стоящее за ним оборудование для производства автонклавов, что можно и что нельзя делать и куда отрасль планирует двигаться в 2026 году.

Что такое легкий заполнительный бетон?

Из трех веток в семействе легковесных бетонов い рядом с вспененным бетоном и автоклавным газобетоном いлегковесный заполнительный бетон - самый крупный У Американского института бетона Руководство ACI 213R для конструкционного легкого заполнителя бетона, материал построен вокруг конструкционного легкого заполнителя, как определено АСТМ С330, с 28-дневной минимальной прочностью на сжатие 17 МПа и равновесной плотностью между 1120 и 1920 кг/м³ (70-120 фунтов/фут³). Еврокод 2 расширяет потолок до 2200 кг/м³ и использует обозначение класса прочности LC 30/33, например, обозначает прочность цилиндра 30 МПа и прочность куба 33 МПа.

Историческая родословная имеет значение. римский пантеон, завершенный около 125 г. н.э, до сих пор охватывает 43 метра с неармированным куполом, отлитым из натурального пюмиса, легкого заполнителя бетона (англ.)русск. и остается в эксплуатации после девятнадцати веков. первое американское структурное применение пришло в 1928 году с вертикальным расширением здания Юго-западного колокола в Канзас-Сити, где уменьшенный собственный вес позволил дизайнерам добавить 14 этажей вместо первоначально спроектированных 8. Сегодня та же физика приводит в движение настилы пола в высотных башнях, балки моста и сборные панели.

Для более широкого обзора легких подтипов бетона (ячеистые, вспененные, AAC и агрегатные (см. наш) обзор типов легкого бетона.

Шесть типов легких совокупных материалов

Производство и использование LWAC

Каждое из более чем дюжины коммерческих семейств заполнителей происходит в результате одного из трех производственных процессов: спекания побочных продуктов промышленных отходов; теплового расширения встречающихся в природе и легкодоступных веществ; или измельчения бесконечно пористой вулканической кладки. Решение, принятое также влияет на конечную плотность, прочность на сжатие и пределы автоматизации. Объединив три истории производства с результатами, основанными на стандартах раздела "Смежная работа", таблица ниже конденсирует кажущуюся плотность засыхания в печи:

Расширенная глина, сланец и сланец, безусловно, являются доминирующей формой конструкционного материала, поскольку процесс расширения вращающейся печи использует тепло для достижения температуры ок. 1200 °C приводит к быстрому увеличению объема частиц и развитию сети закрытых пор размером 5 300 м. Относительная плотность падает примерно с 2,65 до предварительного нагрева примерно до 1,55 после охлаждения и получения стекловидной керамической поверхности, которая прочно связывается с цементным пастом. Спеченная летучая зола (Lytag) следует несколько другому пути, при котором пылевидная топливная зола гранулируется связующим и спекается при определенной температуре.

Поскольку сырье является побочным продуктом производства угольной энергии, спеченная летучая зола имеет более низкое содержание углерода, чем первичный керамзит.

Что такое самый легкий легкий агрегат?

Вермикулит вспученный на сегодняшний день является самым легким из коммерчески поставляемого легкого заполнителя (сухая плотность 60-160 кг/м около 0,1 от плотности керамзита).Перлит аналогичен по своему характеру. Ни один из них не подходит для использования конструкционного неизоляционного бетона, имея слишком низкую прочность.

Но для огнезащитных стяжек, изоляции полостных стенок и легких штукатурок они подходят, поскольку объемная теплопроводность вермикулитового бетона часто составляет <0,10 Вт/мК. Очевидным недостатком является присущая хрупкость и низкая прочность на сжатие, часто <3 МПа с вермикулитом и перлитом, поэтому они используются только в условиях отсутствия нагрузки, при которых основным критерием является изоляция, а не прочность.

Механические свойства: как LWAC ведет себя по-разному

Наиболее значимым механическим различием является не прочность, а жесткость, поскольку LWAC принимает ту же нагрузку, но при этом деформируется больше, поскольку его модуль упругости меньше. В следующей таблице обычно показаны средние значения из справочных данных Портландцементной ассоциации, первоначально цитировавшихся Холмом (2000):

Режим разрушения учитывает пониженный модуль упругости. для нормального веса путь трещины бетона проходит через матрицу цементного теста окружая частицы заполнителя, потому что заполнитель намного жестче, чем паста. в LWAC, легкий частица заполнителя более сопоставимы как жесткий по сравнению с (или слабее, чем) паста и он дробит приводя к прохождению трещины через заполнитель (согласно этой причине, уровень прочности структурного сжатия определяется по прочности заполнителя и этот установленный предел известен как потолок прочности, первоначально записанный в ACI 213R-03.

Следовательно, увеличение потенциала содержания цемента не может привести к улучшению f'c для W/см рациона, большего, чем тот, где появляется потолок прочности (может быть достигнуто за счет уменьшения максимального размера заполнителя).

Просто кажется, что чем легче материал, тем хрупче будет бетон, а сдвиг и выдвижение станут самой большой проблемой.

Дискуссионный инженер на форуме Eng-Tips

Эта обеспокоенность практикующих специалистов объясняется кодом: Еврокод 2 Раздел 11 вводит понижающие коэффициенты прочности на сдвиг и связи между арматурой и LWAC на основе более низкой жесткости заполнителя, уменьшающей вклад прерывания заполнителя в сдвиг. Дизайнер изменяет с уменьшением расстояния между стременими или указанием более прочной смеси LWAC.

Легкий заполнительный бетон прочнее обычного бетона?

С точки зрения абсолютной прочности на сжатие, нормальный вес бетон является победителем — достижение 70-100 МПа в производственных смесях, в то время как LWAC закрывает около 50-70 МПа в типичных конструкциях Однако с точки зрения соотношения прочности к весу LWAC постоянно превосходит. мост Столма в Норвегии по-прежнему удерживает мировой рекорд для свободно-консольного бетонного строительства с 301-метровым основным пролетом, достигаемым с использованием 70,4 МПа LWAC для центральной секции (эквивалент нормального веса бетон вышел бы из строя при собственном собственном собственном собственном весе до достижения пролета. Выбор того, на какую меру прочности или нагрузки полагаться, практически не имеет значения в зависимости от того, контролируется ли конструкция нагрузкой или пролетом.

Тепловые и пожарные характеристики

Ячеистая структура пор, которая обеспечивает легкий заполнитель с его определением, также обеспечивает LWAC его значительные теплоизоляционные свойства — но величина производительности резко зависит от того, какой класс плотности находится в эксплуатации. В литературе сообщается о двух диапазонах, и смешение этих двух вызывает ошибки спецификации.

Структурный LWAC с плотностью около 1850 кг/м³ проводит тепло примерно при 0,58-0,86 Вт/м·К — примерно одна треть нормы бетона с нормальным весом, но все же значительно выше специально разработанной изоляции. неструктурный изоляционный LWAC, включающий капли вермикулита или перлита в диапазон 0,09-0,16 Вт/м·К, приближающийся к характеристикам минеральной ваты, но с прочностью на сжатие менее 3 МПа. Спецификация должна соответствовать правильному продукту в правильном режиме загрузки.

Что касается огнестойкости, LWAC дает ощутимую выгоду. Здесь также ячеистая поровая структура, которая снижает теплопроводность, коррелирует с уменьшением тепла, поступающего в арматурную сталь во время пожара. Рейтинги огнестойкости ACI 216.1 для плит LWAC позволяют уменьшить эквивалентную толщину для того же почасового рейтинга по сравнению с бетоном с нормальным весом (это практическая причина, по которой LWAC доминирует на настилах пола в высотных конструкциях со стальным каркасом, где отказ от напыления огнестойкости на металлическом потолке настила снижает затраты и упрощает торговлю.

Смешать дизайн и производство

Два метода дозирования вступают в игру, когда ACI 211.2 Стандартная практика выбора пропорций для конструкционного легкого бетона используется для указания LWAC для проекта: метод абсолютного объема (основанный на удельном весе и пикнометре) и объемный метод (с использованием влажных сыпучих объемов). Метод абсолютного объема будет наиболее распространен при использовании готового смешанного дозирования; объемный метод используется чаще всего для дозирования на месте. Оба метода должны одновременно устранять отдельные осложнения, чем усложнение легкого веса с нормальной массой: легкий заполнитель будет поглощать значительное количество избыточной воды со скоростью быстрее, чем то, что произошло бы в бетоне без заполнения, изменяя эффективную массу воды в момент схватывания.

Почему вы предварительно принимаете маковое легкое заполнение?

Предварительное приготовление также называется предварительным смачиванием (до смачивания). Это намеренно погружает или распыляет легкий заполнитель перед дозированием, чтобы вытеснить воздух в порах заполнителя свободной водой, которая будет поглощена цементным тестом. Это направлено на уменьшение содержания порового воздуха в заполнителе без полного насыщения. Загрузить заполнитель достаточно близко к 24-часовому значению поглощения, чтобы дополнительное поглощение в смеси и через насос в конечном итоге было минимальным. Это затем стабилизирует эффективное соотношение вес/см и позволяет избежать двух режимов разрушения: низкой прочности на сжатие, для “жажда агрегата, удаляющего всю воду для смешивания, и блокировки линии насоса, вызванные продолжающимся поглощением, вызывающим увеличение кажущейся жесткости смеси во время заливки.

Благодаря агрегату, который медленно поглощает при смачивании окружающей средой, насыщение вакуумом сокращает период выдержки с недель до часов.

Аналогично предварительно замоченный заполнитель предлагает возможность для того, что в Руководстве ACI 213R называется внутренним отверждением: как только внешнее поверхностное отверждение прекратится, заполнитель, смоченный снаружи, будет продолжать исходить от воды внутри полностью проявляющейся матрицы, задерживая напряжения, полученные от гидратации цемента и пуццоланового действия, еще долгое время после того, как внешний отвержденный бетон может быть помещен. Преимуществом может быть улучшение межфазного характера переходной зоны, более низкая проницаемость и менее раннее усадочное растрескивание, которое для Lam (2005) считалось критическим преимуществом долговечности, а не удачным побочным эффектом.

For pumping current practice as indicated in the guide lines by the National Ready Mixed Concrete Association CIP36 is a minimum 75mm (3″) slump before adding water-reducing admixtures, pump lines of a minimum 125mm (5″) diameter; clean and well-lubricated pipe work, transitions from the fixed pipe section to a flexible pipe should be free from abrasion and areas of restriction, pump pressure should be minimized for the hydraulic system used. 4-8% air entrainment for 19mm (3/4″) maximum aggregate or 5-9% for 9.5mm (3/8″)-4500 psi LWAC following testing using ASTM C173 (don’t use the pressure method, use the volumetric method).

• Determine slump and the nominal maximum aggregate size for the placement method.
• Estimate mixing water at SSD pour dried aggregate
• Choose approximate w/cm which target the equilibrium density, not fresh density. (W0 is target water content which is dependant on mix design)
• Calculate cement content (more than NWC for same f’c)
• Estimate coarse and fine aggregate volumes; trial mix; adjust
• Since measured volumetrically, air content should be verified with ASTM C173, not C231.

Промышленное и структурное применение

Light weight aggregate concrete is expensive where reduction in dead loads equates to reduction in the total structure – taller, longer span, lighter foundations or more seismic access. Five application categories account for the bulk of volume.

High-rise floor decks dominate as the largest single market. The 50 story One Shell Plaza, Houston, completed in 1971, used LWAC throughout the structure including the mat at a design density of 1840 kg/m³ and 42 MPa compressive strength. The same logic was used in Bank of America Plaza in Atlanta at 55 stories (height 311.8 m). In steel frame high rise buildings, LWAC used on a metal deck achieved the same fire rating as NWC at a thinner deck depth/ thickness, saving the expense associated with firing spraying of the fireproofing under the deck soffit.

Bridge decks and girders exploit the strength-to-weight advantage. The original San Francisco-Oakland Bay Bridge upper deck (1936) remains in service. The Chesapeake Bay Bridges (1952,1975) and the Benecia-Martinez Bridge (2007) have followed.

The Stolma Bridge, in Norway, showed the limits that can be reached in the world record free-cantilever span of 301 m by utilizing high-strength LWAC at 70.4 MPaf ‘c where NWC self-weight is not possible. Coweta County, Georgia, has demonstrated that 70 MPa LWAC at 1920 kg/m³ can build prestressed girders with 46 m spans

Precast panels are easier to ship if each panel is lighter with more cubic meters per truck load and smaller crane on site. Then lighter cinder blocks, lighter building blocks, lightweight concrete panels and lightweight concrete floor systems.

For Geotechnical fill a lightweight aggregate fill (usually expanded shale or clay) is used to deliver ¼ the surcharge load onto weak soil, retaining walls and bridge abutments. A dry density in the 600-900 kg/m³ range reduces the effect of the surcharge pressure on the soil below by a factor of 2.

Marine and off-shore structures are not a new thing for LWAC. WWI and WWII world wide concrete ships used LWAC for hulls construction; some hulls that remain functional are used as breakwaters. Interviews for hulls of 55 to 80 years who remained fell corroborated a tight interfacial transition zone with low permeability an empirical long term evidence of LWAC utilization shown to stand severe marine weathering equal or better than NWC with like binder contents.

Автоклавный газированный бетон (AAC): вариант LWAC с отверждением под давлением

Alongside lightweight aggregate concrete, autoclaved aerated concrete is in the lightweight concrete family, but it is produced quite differently. Instead of combining lightweight aggregate with cement mortar, a large volume of slurry of fine silica sand (or fly ash), cement, lime and water is prepared; followed by addition of aluminum powder, as a gas forming agent. Aluminum powder reacts with calcium hydroxide to liberate hydrogen and expand a narrow 50-80% air-void structure in the mix.

The mix is initially set pre-cure, then final cured in an autoclave in an industrial process.

It is the autoclave step which provides the name AAC (autoclaved) and mechanical properties. As [King et al. 2001] a paper from the Technical University of Munich states, the main steps of hydrothermal treatment of the AAC in question are at 180-200 °C under saturated steam pressure of 12-15 bar (1.2-1.5 MPa) for a total cycle length of 8-12 hours including ramp-up, dwell and depressurization. It is at these parameters, that the calcium silicate hydrate phases re-arranged to progress to tobermorite, which confers the compression strength (average of 2-7 MPa, in our case) and dimensional stability of the finished blocks.

Since autoclave is a manufacturing bottleneck and largest capital line-item in an AAC plant, equipment selection impacts project economics. Diameter of pressure vessel, working pressure, cycle automation, and steam delivery rates in combination to achieve specific throughput per shift. For AAC manufacturers entering the AAC market – or scaling-up existing capacity to meet regional demand – industrial autoclaves engineered for AAC production are designed in accordance with ASME and GB/T 150, available in sizing across the standard 2.68-3.2 m diameter range.

For a side-by side comparison of AAC versus cellular concrete on production process, density class, and end-use applications, see the cellular concrete vs AAC comparison.

Недостатки и ограничения

Three trade-off categories determine when LWAC is the wrong call: cost, mechanical sensitivity, and constructability.

Cost premium. According to the ESCSI 2026 cost comparison ready-mix lightweight aggregate concrete costs $175-180 per cubic yard in major US cities vs. $145 per cubic yard for NWC a $30-35 premium per cubic yard or approximately 21-24%. The premium reflects additional cement content necessary to compensate for a lower aggregate strength, production of lightweight aggregate in a rotary kiln vs. quarrying subsumed in transportation distance from a limited set of lightweight aggregate suppliers. The structural savings- thinner slabs, smaller columns, and lighter foundations- need to justify a $30-35 material premium for the economics of the project to work:

High creep and shrinkage. One-year drying shrinkage of LWAC averaging close to 600 microstrain verses 550 for NWC, and specific creep establishing between 70 and 150 microstrain per MPa verses 70 and 120 MPa per NWC. The increase is modest but for long span slabs or post-tensioned structures it must be explicitly modeled in the deflection calculation- under-estimating one-year shrinkage in LWAC has led to unforeseen ponding on flat roofs and cracking in continuous spans:

Constructability friction. Based on forum reports from practicing structural engineers, an understood failure mode with LWAC at plants: aggregate wetter than it should be at batching, resulting in less aggregate (by volume) in the mix than intended with more moisture than anticipated and a 28-day strength deficit. The fix is well documented at the plant- weigh aggregate moisture content per ASTM C127/C128 and compensate by increasing batch water- but requires plant discipline that not all ready mix providers can sustain. Pumping segregation and bleed water also act differently than NWC and require pump-line set-up as outlined above and trowel-finish delay adaptations described in ACI 302.1:

Что такое “Бетон” бедняка 北” и легкий ли он бетон?

No. The phrase so called ” poor man’s concrete” usually would imply soil-cement (a stabilized combination of native soil, Portland cement, and water for use as road base and erosion control) rather than LWAC or other design lightweight. Typically soil-cement is at a lower compressive strength (1.5-7 MPa) and no engineered aggregate. The confusion abounds online as both materials sacrifice some of their structural capabilities to attain lower cost, but they are similar in neither composition nor standard governance:

Соображения закупок

Lightweight aggregate supply base is concentrated. In North America: in rotary-kiln expanded shale, clay and slate, considered the standard LWAC aggregate, Arcosa Lightweight, Stalite, Buildex, and Utelite – most are members of Expanded Shale, Clay and Slate Institute. In Europe: Leca (expanded clay) and Lytag (sintered fly ash) dominate. Pumice supplies tend to be regional and follow volcanic deposits. In such a concentrated supplier market, transport distance alone frequently makes or breaks delivered cost – an 800 km project from the nearest LWAC aggregate plant isn’t economical versus NWC even where the structural savings would otherwise argue for LWAC.

For makers deciding on vertical integration into AAC block production, in preference to buying LWAC ready-mix, the capital structure shifts: the production line, encompassing AAC production autoclave systems and ancillary cutting, mixing and curing equipment, becomes the project and the unit economics depend on plant location, throughput and access to fly ash or silica sand feedstock.

Перспективы отрасли на 2026 год

Independent market research over the last few years has consistently forecast single digit compound annual growth for lightweight aggregate concrete through the early 2030s. GrandView Research cites a 5.9% compound annual growth between 2025 and 2033, while Skyquest puts the figure at 5.4% through 2032. Market sizing figures published by different research firms vary by tenfold, depending whether aggregate market, LWAC ready-mix market or lightweight concrete overall market figures are quoted, so stable growth rate ranges are a far more reliable indicator than absolute dollar benchmarks.

Three drivers explain the demand:

Sustainability/ embodied carbon. A 2026 LWAC industry report from Saudi Arabia reports approximately 30% lower embodied carbon footprint versus conventional concrete. Not an independent audit, but directional logic quite persuasive: Its lower self-weight reduces transport tonnage, its lower dead loads reduces reinforcement steel, and sintered fly ash aggregate sacrifices a coal power by-product from landfill. As LEED v5 and California’s embodied carbon procurement rules tighten through 2027, its case for embodied carbon advantages remains persuasive.

MENA and Asia-Pacific construction of tall buildings in Saudi Arabia, the UAE, India and Southeast Asia is increasing in intensity – and adoption of AAC for partition wall construction is following. Both are likely to enlarge LWAC demand.

Updates to ASHRAE 90.1, IECC, and the EU Energy Performance of Buildings Directive also favor thermal mass insulants in envelopes. Non-structural insulating LWAC and AAC cladding blocks will pick up share.

If you are scoping a 2026 project, get aggregate supplier qualification and delivered cost early in design – choice is concentrated and quotes can vary widely – and find out whether your AAC production market has seen any capacity expansion, so block lead-times stay between 4 and 6 weeks. Both have huge decision-making influence than a 5% cost difference.

Часто задаваемые вопросы