混凝土及其增強(qiáng)材料的發(fā)展和應(yīng)用

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摘要: 對(duì)混凝土(高性能混凝土、活性微粉混凝土、低強(qiáng)混凝土、輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、自密實(shí)混凝土、智能混凝土等)以及混凝土增強(qiáng)材料(非金屬配筋、新型預(yù)應(yīng)力鋼棒等)近年的應(yīng)用與發(fā)展,作了簡(jiǎn)要的論述.

關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)材料 混凝土

混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料,我國(guó)每年混凝土用量約10億m3,鋼筋用量約2500萬(wàn)t,規(guī)模之大,耗資之巨,居世界前列?？梢灶A(yù)見(jiàn),鋼筋混凝土仍將是我國(guó)在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料,物質(zhì)是基礎(chǔ),材料的發(fā)展,必將對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)以至維護(hù)管理起著決定性的作用。本文對(duì)構(gòu)成鋼筋混凝土的主要材料--混凝土及其增強(qiáng)材料的應(yīng)用與發(fā)展,從工程應(yīng)用角度作簡(jiǎn)要介紹。

1 混凝土

組成鋼筋混凝土主要材料之一的混凝土的發(fā)展方向是高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久(抗磨損、抗凍融、抗?jié)B)、抗災(zāi)(地震、風(fēng)、火〕、抗爆等。

1.1 高性能混凝土(high performance concrete, HPC)

HPC是近年來(lái)混凝土材料發(fā)展的一個(gè)重要方向,所謂高性能:是指混凝上具有高強(qiáng)度、高耐久性、高流動(dòng)性等多方面的優(yōu)越性能。從強(qiáng)度而言,抗壓強(qiáng)度大于C50的混凝土即屬于高強(qiáng)混凝土,提高混凝土的強(qiáng)度是發(fā)展高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)的重要措施。采用高強(qiáng)混凝土,可以減小截面尺寸,減輕自重,因而可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益,而且,高強(qiáng)混凝土一般也具有良好的耐久性。我國(guó)己制成C100的混凝土。已有文獻(xiàn)報(bào)道1),國(guó)外在試驗(yàn)室高溫、高壓的條件下,水泥石的強(qiáng)度達(dá)到662MPa(抗壓)及64.7MPa(抗拉)。在實(shí)際工程中,美國(guó)西雅圖雙聯(lián)廣場(chǎng)泵送混凝土56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)133.5MPa。

在我國(guó)為提高溫凝土強(qiáng)度采用的主要措施有[1]:(1)合理利用高效減水劑,采用優(yōu)質(zhì)骨料、優(yōu)質(zhì)水泥,利用優(yōu)質(zhì)摻合料,如優(yōu)質(zhì)磨細(xì)粉煤灰、硅灰、天然沸石或超細(xì)礦渣。采用高效減水劑以降低水灰比是獲得高強(qiáng)及高流動(dòng)性混凝土的主要技術(shù)措施;(2)采用525,625,725號(hào)的硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥及相應(yīng)的外加劑,這是中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院制備高性能混凝土的主要技術(shù)措施;(3)以礦渣、堿組分及骨料制備堿礦渣高強(qiáng)度混凝土,這是重慶建筑大學(xué)在引進(jìn)前蘇聯(lián)研究成果的基礎(chǔ)上提出的研制高強(qiáng)混凝土的技術(shù)措施;(4)交通部天津港灣工程研究所采用復(fù)合高效減水劑,用525號(hào)水泥320kg/m3,水灰比0.43,和425號(hào)水泥480kg/m3,水灰比0.32,在試驗(yàn)室中制成了抗壓強(qiáng)度分別為68MPa和65MPa的高強(qiáng)混凝土。

文獻(xiàn)[2]報(bào)告了采用某些金屬礦石粗骨料如赤鐵礦石、鈦鐵礦石等,可以比用普通石料作粗骨料獲得強(qiáng)度更高、耐久性和延性更好的高性能混凝土。

高強(qiáng)混凝土具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能及良好的耐久性,其主要缺點(diǎn)是延性較差。而在高強(qiáng)混凝土中加入適量鋼纖維后制成的纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土,其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度均有提高,其韌性(延性)和抗疲勞、抗沖擊等性能則能有大幅度提高。此外,在高層建筑的高強(qiáng)混凝土柱中,也可采用X形配筋、勁性鋼筋或鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)方面的措施來(lái)改善高強(qiáng)混凝土柱的延性和抗震性能[3]。

1.2 活性微粉混凝土(reactive powder concrete, RPC)[4]

RPC是一種超高強(qiáng)的混凝土,其立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)200-800MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)25~150MPa,斷裂能可達(dá)30KJ/m2,單位體積質(zhì)量為2.5-3.0t/m3。制成這種混凝土的主要措施是:(1)減小顆粒的最大尺寸,改善混凝土的均勻性;(2)使用微粉及極微粉材料,以達(dá)到最優(yōu)堆積密度(packing density);(3)減少混凝土用水量,使非水化水泥顆粒作為填料,以增大堆積密度;(4)增放鋼纖維以改善其延性;(5)在硬化過(guò)程中加壓及加溫,使其達(dá)到很高的強(qiáng)度。

普通混凝土的級(jí)配曲線是連續(xù)的,而RPC的級(jí)配曲線是不連續(xù)的臺(tái)階形曲線,其骨料粒徑很小,接近于水泥顆粒的尺寸。RPC的水灰比可低到0.15,需加入大量的超塑化劑,以改善其工作度。RPC的價(jià)格比常用混凝土稍高,但大大低于鋼材,可將其設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)或薄壁的結(jié)構(gòu),以擴(kuò)大建筑使用的自由度。在加拿大Sherbrook已設(shè)計(jì)建造了一座跨度為60m、高3.47m的B200級(jí)RPC的人行-摩托車(chē)用預(yù)應(yīng)力桁架橋。

1.3低強(qiáng)混凝土[4]

美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)(AC1)229委員會(huì),提出了在配料、運(yùn)送、澆筑方面可控制的低強(qiáng)混凝土,其抗壓強(qiáng)度為8MPa或更低。這種材料可用于基礎(chǔ)、樁基的填、墊、隔離及作路基或填充孔洞之用,也可用于地下構(gòu)造,在一些特定情況下,可用其調(diào)整混凝土的相對(duì)密度、工作度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo),而且不易產(chǎn)生收縮裂縫。荷蘭一座隧洞工程中曾采用了低強(qiáng)度砂漿(1ow-strength mortar, LSM〕,其組分為:水泥150kg/m3,砂;1080kg/m3,水570kg/m3,超塑化劑6kg/m3,膨潤(rùn)土35kg/m3,所制成的LSM的抗壓強(qiáng)度為3.5MPa,彈性模量低于500Mpa。LSM制成的隧洞封閉塊,比常規(guī)的土壤穩(wěn)定法節(jié)約造價(jià)50%,故這種混凝土可望在軟土工程中得到發(fā)展應(yīng)用。

1.4輕質(zhì)混凝土[5]

利用天然輕骨料(如浮石、凝灰?guī)r等)、工業(yè)廢料輕骨料(如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等)、人造輕骨料(頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等)制成的輕質(zhì)混凝土具有密度較小、相對(duì)強(qiáng)度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)利用工業(yè)廢渣如廢棄鍋爐煤渣、煤礦的煤矸石、火力發(fā)電站的粉煤灰等制備輕質(zhì)混凝土,可降低混凝土的生產(chǎn)成本,并變廢為用,減少城市或廠區(qū)的污染,減少堆積廢料占用的土地,對(duì)環(huán)境保護(hù)也是有利的。

1.5纖維增強(qiáng)混凝土[6]

為了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點(diǎn),在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能的研究,發(fā)展得相當(dāng)迅速。目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。

在承重結(jié)構(gòu)中,發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是鋼纖維混凝土。而鋼纖維主要有用于土木建筑工程的碳素鋼纖維和用于耐火材料工業(yè)中的不銹鋼纖維。用于土木建筑工程的鋼纖維主要有以下幾種生產(chǎn)方法:(1)鋼絲切斷法;(2)薄板剪切法;(3)鋼錠(厚板)銑削法;(4)熔鋼抽絲法。

當(dāng)纖維長(zhǎng)度及長(zhǎng)徑比在常用范圍,纖維摻量在1%到2%(體積分?jǐn)?shù),本文中的摻量均指體積分?jǐn)?shù))的范圍內(nèi),與基體混凝土相比,鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度可提高40%~80%,抗彎強(qiáng)度提高50%~120%,抗剪強(qiáng)度提高50%~100%,抗壓強(qiáng)度提高較小,在0~25%之間,彈性階段的變形與基體混凝土性能相比沒(méi)有顯著差別,但可大幅度提高衡量鋼纖維混凝土塑性變形性能的韌性。

中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于1992年批準(zhǔn)頒布了由大連理工大學(xué)等單位編制的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS 38:92),對(duì)推廣鋼纖維混凝土的應(yīng)用起到了重要作用。

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