高強(qiáng)混凝土的研究現(xiàn)狀

摘　要:分析了影響混凝土強(qiáng)度的因素，闡述了高強(qiáng)混凝土的單軸受壓性能及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)混凝土；鋼筋混凝土；單軸受力性能

引言

隨著建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)混凝土以其優(yōu)越的性能在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，許多建筑物正向著高強(qiáng)、大跨、高承載力方面發(fā)展。因此，研究高強(qiáng)混凝土具有十分深遠(yuǎn)的意義。本文就高強(qiáng)鋼骨混凝土的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述。

1　影響混凝土強(qiáng)度的因素

1. 1　水泥強(qiáng)度等級(jí)

用42. 5MPa普通硅酸鹽水泥和52. 5MPa硅酸鹽水泥進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土中摻高效減水劑的結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，水泥等級(jí)對(duì)混凝土流動(dòng)性及強(qiáng)度均有較大的影響。

1. 2　膠凝材料的用量

膠凝材料的用量(分別為550 kg/m3、600 kg/m3、650 kg/m3 )對(duì)超高強(qiáng)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響，摻高效減水劑的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，增加膠凝材料的用量，會(huì)使混凝土拌和物的流動(dòng)性大幅度增加。當(dāng)水膠比恒定時(shí)，增加膠凝材料的用量，不僅會(huì)增加用水量和水泥漿體的數(shù)量，而且還會(huì)減少骨料的用量。此外，膠凝材料的用量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度也有一定的影響，這說(shuō)明膠凝材料的用量并非越多越好。

1. 3　摻合料品種

硅粉與磨細(xì)礦渣、硅粉與粉煤灰、磨細(xì)礦渣與粉煤灰3種摻合料混摻對(duì)超高強(qiáng)混凝土流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響，摻高效減水劑的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，硅粉與磨細(xì)礦渣混摻的強(qiáng)度最大，磨細(xì)礦渣與粉煤灰混摻的強(qiáng)度最小。這是因?yàn)楦鞣N摻合料的活性不同，對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率有所差別而造成的。

1. 4　水膠比

多余的水在水泥硬化后蒸發(fā)，一方面會(huì)在水泥石、水泥石與骨料界面區(qū)域出現(xiàn)大量的各種孔徑的孔隙；另一方面，還會(huì)因水分泌出和混凝土收縮引起微管和微裂縫，這些現(xiàn)象是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降和其他性能指標(biāo)低劣的根本原因。因此，為了減少或消除這些缺陷，其措施就是摻入高效減水劑，采用較低的水膠比，以便于改善混凝土的結(jié)構(gòu)。

1. 5　減水劑用量

摻高效減水劑可以提高混凝土的強(qiáng)度，其原因主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是高效減水劑能分散拌和物中的水泥，降低水灰比；一是高效減水劑能夠改善水泥的水化程度。但是，摻加過(guò)量的減水劑往往會(huì)出現(xiàn)一些不利影響，如降低混凝土的流動(dòng)性等。因此，在配制超高強(qiáng)度的混凝土?xí)r，一定要通過(guò)試驗(yàn)確定減水劑的最佳用量。

1. 6　砂率

選用膠凝材料用量為600 kg/m3 ，砂率采用45 %、38 %、35 % ，摻高效減水劑進(jìn)行試驗(yàn)[ 1 ] 。當(dāng)膠凝材料用量為600 kg/m3 ，水膠比為0. 2時(shí)， 38 %的砂率對(duì)混凝土有最好的流動(dòng)性和最高的抗壓強(qiáng)度，這表明超高強(qiáng)混凝土存在最佳砂率。

1. 7　粗骨料最大粒徑

超高強(qiáng)混凝土粗骨料最大粒徑最好≯20 mm。因?yàn)楣橇献畲罅皆叫?，骨料顆粒越細(xì)，表面積越大，包裹粗骨料所需漿量就越大，混凝土拌和物流動(dòng)性也就越低。粗骨料粒徑越大，混凝土受荷時(shí)內(nèi)部應(yīng)力越不均勻。因此，超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度隨骨料最大粒徑的增大而呈降低的趨勢(shì)。

1. 8　養(yǎng)護(hù)齡期

養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度也具有一定的影響。隨著齡期的延長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。在普通混凝土中，這種增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)曲線的關(guān)系。在超高強(qiáng)混凝土中，混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)特點(diǎn): 早期強(qiáng)度增長(zhǎng)得很快， 28 d以后，則呈十分緩慢增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

2　單軸受壓性能及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

2. 1　破壞過(guò)程和形態(tài)

由于超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度很高，文獻(xiàn)[ 2 ]中所有試件都以突然炸裂而遭破壞。試件在未破壞前，試件表面無(wú)可見(jiàn)裂縫，僅在破壞前的瞬間，試件內(nèi)部有較明顯的劈裂聲。破壞時(shí)，試件外表和中部混凝土炸飛，一般只剩下上、下部錐體，破壞面較平整光滑。試件破壞面穿越的粗骨料被整齊地劈開(kāi)，一般未見(jiàn)粗骨料和水泥凝膠體面的粘結(jié)破壞。這和普通混凝土、強(qiáng)度較低的高強(qiáng)混凝土的破壞有著較明顯的區(qū)別。

2. 2　棱柱體抗壓強(qiáng)度

由于試驗(yàn)試件的立方體抗壓強(qiáng)度都在100 MPa 以上，試件在試驗(yàn)后期所受的垂直力相當(dāng)大，使試件初始缺陷的影響和幾何上、物理上難以精確對(duì)中所造成的偏心影響較顯著，從而造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性很大。

2. 3　峰值應(yīng)變

從文獻(xiàn)[ 2 ]的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，超高強(qiáng)高性能混凝土的峰值應(yīng)變除與棱柱體石灰?guī)r試件峰值應(yīng)變、棱柱體強(qiáng)度關(guān)系有關(guān)外，還與粗骨料的類型有關(guān)。一般高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變的計(jì)算公式①: ε0 = (10. 3fc， 10 + 1 320) ×10- 6 (1) 文獻(xiàn)[ 2 ]中，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的公式: ε0 = (7. 74fc， 10 + 1 580) ×10- 6 (2) 兩者在高強(qiáng)混凝土階段基本吻合，但對(duì)于中、低強(qiáng)混凝土(1)式計(jì)算的結(jié)果就偏低了些。

2. 4　變形模量

變形模量和粗骨料類型有一定的關(guān)系，采用玄武巖試件的變形模量要偏低一些。普通混凝土變形模量E0 的計(jì)算公式:

E0 = 105 /2. 2 + 34. 74 / fcu， 10 (3)

一般高強(qiáng)混凝土變形模量的計(jì)算公式[ 3 ] : E0 = (0. 45 fcu， 10 + 0. 5) ×104 (4)

文獻(xiàn)[ 2 ]中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性擬合算式: E0 = (0. 287 fcu， 10 + 1. 438) ×104 (5)

式(1)和式( 2)分別對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的下限和上限，而式(3)和式(4)都和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。對(duì)于強(qiáng)度較低的混凝土，式(4) 、(5)的計(jì)算結(jié)果和普通混凝土式(3)的結(jié)果比較接近。因此，可以用的式(5)作為計(jì)算普通混凝土、高強(qiáng)混凝土以及超高強(qiáng)混凝土變形模量的公式。

2. 5　泊桑比

中國(guó)鐵道科學(xué)院曾測(cè)定過(guò)兩組強(qiáng)度為63. 9MPa和102. 0MPa的高強(qiáng)混凝土，得到的泊桑比分別為0. 22和0. 23。ACI高強(qiáng)委員會(huì)報(bào)導(dǎo)的強(qiáng)度55～80MPa的高強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果為0. 20～0. 28?？偟膩?lái)說(shuō)，超高強(qiáng)高性能混凝土的泊桑比要比普通混凝土的略微偏大些，而與高強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

2. 6　應(yīng)力—應(yīng)變曲線規(guī)律

應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的曲線規(guī)律，見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，超高強(qiáng)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段，由曲線變成了直線。對(duì)于超高強(qiáng)混凝土，在峰值應(yīng)力前，增量泊桑比都< 0. 5，這說(shuō)明應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段已不存在裂縫臨界應(yīng)力點(diǎn)，即臨界應(yīng)力點(diǎn)和應(yīng)力峰值點(diǎn)非常接近。在應(yīng)力到達(dá)應(yīng)力峰值點(diǎn)時(shí)，超高強(qiáng)混凝土試件內(nèi)部?jī)?chǔ)存了相當(dāng)高的能量，并且由于超高強(qiáng)混凝土水泥凝膠體的強(qiáng)度已接近粗骨料的強(qiáng)度，使裂縫的發(fā)展不受粗骨料的阻擋和緩沖。這樣，試件內(nèi)部積蓄的能量便以迅速和劇烈的方式釋放，即發(fā)生爆裂型破壞。因此，超高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線已不再有下降段。

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作者簡(jiǎn)介:王俏梅(1969 - ) ，女，遼寧大連人，工程師、碩士， 1991年7月畢業(yè)于日本鹿兒島大學(xué)耐震工學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。