混凝土及其增強材料的發(fā)展和應(yīng)用

摘要: 對混凝土(高性能混凝土、活性微粉混凝土、低強混凝土、輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、自密實混凝土、智能混凝土等)以及混凝土增強材料(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,我國每年混凝土用量約10億m3,鋼筋用量約2500萬t,規(guī)模之大,耗資之巨,居世界前列?？梢灶A(yù)見,鋼筋混凝土仍將是我國在今后相當長時期內(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,必將對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、施工技術(shù)、試驗技術(shù)以至維護管理起著決定性的作用。本文對構(gòu)成鋼筋混凝土的主要材料--混凝土及其增強材料的應(yīng)用與發(fā)展,從工程應(yīng)用角度作簡要介紹。

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、輕質(zhì)、耐久(抗磨損、抗凍融、抗?jié)B)、抗災(zāi)(地震、風、火〕、抗爆等。

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

HPC是近年來混凝土材料發(fā)展的一個重要方向,所謂高性能:是指混凝上具有高強度、高耐久性、高流動性等多方面的優(yōu)越性能。從強度而言,抗壓強度大于C50的混凝土即屬于高強混凝土,提高混凝土的強度是發(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)濟效益,而且,高強混凝土一般也具有良好的耐久性。我國己制成C100的混凝土。已有文獻報道1),國外在試驗室高溫、高壓的條件下,水泥石的強度達到662MPa(抗壓)及64.7MPa(抗拉)。在實際工程中,美國西雅圖雙聯(lián)廣場泵送混凝土56 d抗壓強度達133.5MPa。

在我國為提高溫凝土強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)磨細粉煤灰、硅灰、天然沸石或超細礦渣。采用高效減水劑以降低水灰比是獲得高強及高流動性混凝土的主要技術(shù)措施;(2)采用525,625,725號的硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥及相應(yīng)的外加劑,這是中國建筑材料科學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度混凝土,這是重慶建筑大學在引進前蘇聯(lián)研究成果的基礎(chǔ)上提出的研制高強混凝土的技術(shù)措施;(4)交通部天津港灣工程研究所采用復合高效減水劑,用525號水泥320kg/m3,水灰比0.43,和425號水泥480kg/m3,水灰比0.32,在試驗室中制成了抗壓強度分別為68MPa和65MPa的高強混凝土。

文獻[2]報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度更高、耐久性和延性更好的高性能混凝土。

高強混凝土具有優(yōu)良的物理力學性能及良好的耐久性,其主要缺點是延性較差。而在高強混凝土中加入適量鋼纖維后制成的纖維增強高強混凝土,其抗拉、抗彎、抗剪強度均有提高,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)方面的措施來改善高強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是一種超高強的混凝土,其立方體抗壓強度可達200-800MPa,抗拉強度可達25~150MPa,斷裂能可達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)在硬化過程中加壓及加溫,使其達到很高的強度。

普通混凝土的級配曲線是連續(xù)的,而RPC的級配曲線是不連續(xù)的臺階形曲線,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的價格比常用混凝土稍高,但大大低于鋼材,可將其設(shè)計成細長或薄壁的結(jié)構(gòu),以擴大建筑使用的自由度。在加拿大Sherbrook已設(shè)計建造了一座跨度為60m、高3.47m的B200級RPC的人行-摩托車用預(yù)應(yīng)力桁架橋。

1.3低強混凝土[4]

美國混凝土學會(AC1)229委員會,提出了在配料、運送、澆筑方面可控制的低強混凝土,其抗壓強度為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)整混凝土的相對密度、工作度、抗壓強度、彈性模量等性能指標,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,膨潤土35kg/m3,所制成的LSM的抗壓強度為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、相對強度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點利用工業(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,對環(huán)境保護也是有利的。

1.5纖維增強混凝土[6]

為了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點,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。

當纖維長度及長徑比在常用范圍,纖維摻量在1%到2%(體積分數(shù),本文中的摻量均指體積分數(shù))的范圍內(nèi),與基體混凝土相比,鋼纖維混凝土的抗拉強度可提高40%~80%,抗彎強度提高50%~120%,抗剪強度提高50%~100%,抗壓強度提高較小,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。

中國工程建設(shè)標準化協(xié)會于1992年批準頒布了由大連理工大學等單位編制的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(CECS 38:92),對推廣鋼纖維混凝土的應(yīng)用起到了重要作用。

本新聞共3頁,當前在第1頁123