（固体力学专业论文）高强混凝土试验及破坏过程模拟.pdf

摘要 本文首先按照混凝土试验规程，对二种强度等级的混凝土c 5 0 、c 8 0 进行了高强混凝 土拌合物性能测定和力学性能测试试验，包括立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压 强度、静力弹性模量、泊松比和弯曲韧性等实验。结合试验现象及试验成果系统研究了不 同配合比及外加剂在相同养护条件( 标准养护) 下的性能差别，对高强混凝土的高强机理在 细观层次上进行了讨论。研究得到：试验试件中掺入的4 0 的活性矿物掺合料，不仅减 少了水泥的用量，而且也大大减少了水泥石与骨料之间的孔隙和裂缝，使二者结合更为紧 密，而且水泥石和界面区之间的气孔液也被排出，从而使得配制的混凝土结构更为密实， 达到增强混凝土强度的目地。 其次，在细观力学的基础上将混凝土考虑为骨料、砂浆和它们之间的粘结层组成的三 相复合材料，在对有关材料参数试验的基础上，采用数值模拟方法研究高强混凝土断裂破 坏的全过程，首先利用2 d r a s 随机骨料生成软件，在计算机上随机投放骨料，生成三组具 有相同含量和配比的圆形骨料的高强混凝土随机骨料模型，采用大型有限元软件a b a q u s 模拟高强混凝土弯曲韧性试件的受力、破坏过程，研究中为了得到试件变形的全曲线，采 用了位移加载的方式进行。并对有关相材料参数变化对高强混凝土性能的影响进行了探 讨。得到：各相弹模对提高混凝土的强度有一定的改善，但效果不佳；而骨料的抗拉强度 对混凝土的开裂形态影响很大。 关键词：高强混凝土( h s c ) 高强机理二维随机骨料数值模拟 a b s t r a c t t h es t a t eo fh i 出s 打e n g c l lc o n c r e t ei sb r i e n yi n 昀d u c e di n t h i sp a p m ec o m p o s m o n c h a r a c t e r i s t i c ，m e c h m i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a i l i s mo fh i 曲s t r 即g mo fh s c i sd e p i c t e di n d e t a i l ，t 1 1 es a m et or e s e a r c hs t a t i l sq u oo f h i 班s t r c n g mc o n c r c t e n ep r o j e c td e s i 驴sm e c h a n i c a l p r o p e n i e st e s t so f h s c 姐dp r 6 p e n i e st e s t so f h s f c ，m c l u d i n g 汕i cc o m p r e s s i v es 仃c i l g l ht e s t ， t e n s i i es 订e n g t l lt c s t ，a x i l ec o i n p r e s s i v es h n g 血t e s t ，s t a t i ce l a s 石cm o d l i l i l sa i l dp o i s s o a 删o t e s f l e x u r a lt 0 1 l g h l l e s st e s t e t cw h j c hs t i l d i c so nt l l ep r o p 硎c sd i 丘b r e n c eo fa l lm i ) 【p m p o n i o n s i nac u r i n gc o n d i t i o n t h er e s e a r c hi n d i c a t e sf h a t4 0 a c t i v e l i n e r a lm i x e si nm ee x p c r i m e i l t a lt c s ts a i l l p l en o t o i l l yr e d u c et h ec 锄e n t 锄o u mu s e d ，m o r e o v e r 尊e a yr e d u c ea l s 0h o l ea n dc r a c kb e 栅e e nt h e 1 i m e s t o n ea n d 出ea 邑兽胛窖a t e ，w h i c hc 哪e st h et w o1 1 1 1 i o nt ob ec l o s e r ；m o r e o v e rs t e 锄一n u i dp o n b e 时e c nt h el i i n e s t o n ea n dm e 丘o n t a lz o n ci sa l s od i s c h a r g e d ，t h l l sc a u s e st h e n f i g u r a t i o nm e c o n c r e t es t n l c t u r et ob ed e 璐e la c h i e v e s 也e9 0 a 1o fe i l l l a i l c c i i l e n 血培h s cm t e s i t y hm i c r o v i e wc o n c r e t ed e f i n e da s 1 r e e m a s ema i i 越a lm a k c su po fa g g r c g a t e ，p a s t ea n d i n t e m c eb e 觚e e nt l l 锄o nb a s eo fm a t 商a lv 撕a b l e se 】【p 嘶m e n t a lr e s u l t s ，t h ep a p c ru s e s n u m 商c a lt e c h n o l o g y2 d - r a sp r o 孕锄m et os i r n u l a t et l l e 伍l u r cp r o c c s so fh s c 讪l i c h i n c l u d e sg e n e r a t i n gm od i m e n s i o n a lc i r c l ea g 孕e g a t ea n 埘1 d o m 锄dd i s s e c t i i l ge l e m e i l t sa i l d l o a d i n ga 1 1 ds e tp o 柚dc o m p u t i n 昏a b a q u sw h c h i sn o n l m a r6 n i t ed e i n e n ts o 胁盯ei s l i s c dt o 锄a l y s et l l en u m e r i c a lm o d e l 1 1 1 em e t l l o do fd i s p l a c e m c l l t1 0 a d e di sc a 耐e di no r d 叮t o o b a i ne n t i r ec u e 血s i m u l a t i o n 1 1 忙s m d yo fm e c h a i l i c a lp r o p e n i e sp a r a m e t e ro fh s ci sa 1 1 e m p h a s i s o b t a i n i n g ：t h r e e - t 1 1 a s em a t e r i a lm o d u l e s l a v ec 盯t a i ni m p r 0 v e m e n tt oe n h a i l c em e c o n c r e t ei n t c n s i t y b u tt h ee 仃c c ti sn o tg o o d ；m ea g g r e g a t et e n s i l es t r e n 舀hd o e sb i gi n n u e n c et o 血ec o n c r c t ef 甑l u r e k ，e yw o r d s ：h i 啦s t r e r l g ( hc o n c r e l e ；m e c h a n i s mo fh i 曲s t r e n g m ；觚od 沛c n t i o n a l r a n d 咖 a g g r e g a t e ；n u m 耐c a ls i m u l “o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：童! l 坐塞! l 坐 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年6 月1 1 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：! 13 坐2 0 0 6 年6 月1 1 日 第一章绪论 第一章绪论 混凝土材料是在水利工程、建筑工程中广泛使用的重要工程材料。由于普通混凝土的 缺点，高强混凝土越来越多地被用于土建施工中，因此高强混凝土性能，特别是高强机理 和破坏机理的研究，对于充分发挥材料强度、提高设计水平、提高利用率、减少材料使用 量、降低工程造价、提高结构的安全性以及延长工程的使用年限都具有十分重要的实际意 义。 1 1 概述 混凝土主要是由水硬性胶结材料水泥和骨料、加水混合，经过搅拌均匀、浇注成 型、振捣密实和温湿养护等工序后逐渐凝固而成的人工建筑材料。我国吴中伟院士认为： 高强混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土强度的基础上，采用现 代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理条件下制成的“”。在我国现阶段， 通常是把用普通水泥、砂、石、水及外加剂、掺和料等材料和常规工艺生产的，强度等级 6 0 m p a 的混凝土称为高强混凝土。当然，它的强度指标也在逐步提高。c 8 0 c 9 0 的高 强混凝土可以掺超细矿渣为主，c 6 0 c7 0 的高强混凝土可以掺优质粉煤灰为主。1 。 由于混凝土的一些明显缺点，如自重较大、抗拉强度低及易于开裂等，它在建筑工程 中的应用受到了一些限制“。高强混凝土是一种能够反映当代技术水平的结构材料，无 论是发达国家或发展中国家都给予极大关注，投入资金和力量对它进行研究。直到十几年 前，国际上对减水剂或超塑化剂的研究和应用，尤其是高效减水剂的使用，才使混凝二匕的应 用和发展有了突破。目前在国际上使用的高强混凝土抗压强度己达1 0 0 1 5 0 m p a 。 随着高强混凝土多项性能的改善以及我国高强度等级水泥的生产，高强高性能混凝土 己成为我国混凝土结构一个主要的发展方向“3 。但对高强混凝土的力学性能问题，如高温、 疲劳及地震作用下的抗力性，收缩、徐变、抗冻性和抗渗性的研究以及高强混凝土的高强 机理研究还处于较为空白的阶段”3 。 高强混凝土除常用的组成材料( 水泥、砂、石、混合材和水) 外，还需加入超塑化剂、 膨胀剂、增稠剂等外加剂。结合试验进行配比设计，同时配置合适的外加剂，对高强 混凝土的高强机理进行探时，从细观角度研究高强混凝土的高强机理“”。宏、细观相结合 第一章绪论 的方法是研究混凝土的破坏和力学机理的有效途径已成为许多学者的共识。 1 1 1 粗、细骨料 粗骨料是混凝土的主要组成部分，在混凝土承受压力时，它起着支撑压力的骨架作用， 因此，常常被称为骨料。因为粗骨料的颗粒级配、含泥量及针片状含量对混凝土性能都有 较大的影响，对于制备高强混凝土的粗骨料，由于强度的要求，其选择有一定的限制，应 该优选的主要特征性能有：强度、弹性模量、粒形、表面特征以及最大粒径。一般在配制 高强混凝土时宜试验选用5 2 5 唧连续级配的碎石。 在普通混凝土中，混凝土强度往往比骨料的强度低得多，因此对骨料的强度未给予特 别的注意。与之不同的是，在高强混凝土中，骨料的强度是一个决定性的条件，因此，此 时混凝土的强度可能已经超过了某些岩石的强度。为了避免混凝土的破坏首先在骨料中引 发，骨料的强度要高出混凝土的强度。按理论分析“，由于混凝土的结构不均匀，骨料 粒子中的最大应力可能达到混凝土平均应力的1 7 倍。这样，宜采用密实高强的天然岩石 作为原料，经破碎加工而得到的碎石作为粗骨料，比较适用的如：辉绿岩、玄武岩、花岗 岩、石英岩、坚硬的石灰岩、安山岩、玢岩、闪长岩、片麻岩等，此外有专家建议，对于 强度为1 5 0 m p a 的混凝土，压碎值不应超过6 ，对于1 1 0 m p a 的混凝土，压碎值不应超过 9 “。另外，岩石的弹性模量应较高，因为混凝土的弹性模量在很大程度上取决于粗骨 料的弹性模量。 粗骨料的粒型决定了它们的堆实程度，用最圆的同一种尺寸的颗粒按规定方法将其填 满容器时，可得出固体体积份额为6 7 ，其空隙率为3 3 ，其他粒型的颗粒以同样方法 堆积在容器里，所得之固体体积将小于6 7 ，其空隙率将大于3 3 。空隙率的差值称为 棱角系数，空隙率的差值越大，表示该粗骨料的棱角系数越大，该骨料的粒型越不好，颗 粒棱角越多。对于实际的骨料，棱角系数为o 1 1 “。 高强混凝土的细骨料所占比例( 砂率) 比普通混凝土小，一般为2 6 3 2 ，如果配 制大坍落度或流态高强混凝土，则应选择较大的砂率，可选3 2 4 0 。骨料体积占混凝 土总体积的比例越高，混凝土的流动性能越差，但却能产生较高的强度；反之，则流动性好， 而强度偏低。一般建议骨料的体积分数占混凝土总体积的6 5 较适宜。 颗粒特征的另一种表示方法是用颗粒表面积与其体积之比，这个比值越小，越接近于 第一章绪论 球形；越大，则越趋向于长方体。针状颗粒及片状颗粒就是表面积与体积比值很大的颗粒。 目前混凝土市场用得较多的是随机生产的骨料，本文数值模拟试件中的骨料就是用软件随 机生成的。 1 1 2 水泥 配制高强混凝土采用的水泥最好是强度高且同时具有良好的流变性能，并且和目前工 程中大量使用的外加剂有良好的相容性；需综合考虑水泥的水化热高、需水量大、水泥和 高效减水剂相容性差、易导致混凝土的抗裂性能降低等问题。水泥是高强混凝土最主要的 原材料。高强混凝土所选用强度等级4 2 5 ，且质量稳定的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥， 水泥活性应不小于5 7 m p a ，且需水量小，水泥矿物组成中，c 4 含量应尽量低，因为水泥 中c 止含量大，对减水剂的吸附量大，坍落度损失也大。游离氧化钙、氧化镁等含量越少 越好，水泥中s o ，含量要与熟料中的碱含量相当，资料显示s 0 ，含量最佳值2 左右。不是 所有的水泥都可以应用于高强高性能混凝土的研制，应采用矿物组成合理、细度适中的高 强度等级水泥。 高强混凝土的水泥用量应由试配试验确定。在评估水泥用量时，必须综合考虑水泥、 火山灰材料和砂的影响。应尽量降低配合比中的水泥用量，配合比中采用较低的水泥用量 在满足可浇注性的前提下能够使混凝土获得较高的强度。 随着水泥生产技术的日益进步，为了混凝土的高强化与高性能化，国外已经出现了球 状水泥、调粒水泥以及活化水泥等“”。球状水泥是将一般水泥用高速气流使水泥颗粒互相 碰撞而成的。这些新品种水泥的一个很大的特点是，达到相同的标准稠度下，用水量很低。 1 1 3 高效减水剂 高效减水剂：是高分子表面活性剂，具有很强的固一液界面活性作用，能提高拌和物 的稳定性和均匀性，使水泥浆体的流动性大大提高。混凝土中掺高效减水剂可以大大减少 水的用量。 混凝土的流动性、耐久性和强度等方面的性能，主要受单方混凝土中用水量、水泥用 量和矿物质超细粉的影响。混凝土达到高性能的基本理念是：获得适合于施工作业的工作 度范围内，尽可能地降低单方混凝土的用水量。单方用水量少的混凝土具有以下几个特点： 第一章绪论 ( 1 ) 混凝土拌和物不易离析分层；( 2 ) 达到强度要求的前提下，得到经济的混凝土；( 3 ) 容易制造出高耐久性和不透水性的混凝土；( 4 ) 干燥收缩小。 高效减水剂是大分子阴离子表面活性剂，在降低水灰比增强混凝土密实性的同时，其 很长的碳氢链上含大量极性基，可在水泥颗粒周围形成扩散双电层使水泥颗粒相互排斥而 高度分散，有效表面积增大迸一步激发其活性，促进水泥的水化胶结使用高效减水剂或高 效减水剂与矿物质超细粉双掺，是降低单方混凝土用水量的主要途径。也是使混凝土获得 高性能的途径。高效减水剂成为高性能混凝土中不可或缺的组成材料。 值得注意的是高效减水剂对高性能混凝土具有一定的适应性要求，因减水剂对水泥无 缓凝作用，掺入后混凝土的塌落度损失快；配制高强混凝土时，其掺量一般控制在水泥的 o 5 1 8 之间。 1 1 4 高效活性掺合料 矿物质超细粉是指粒径d 1 0 加z 的矿物粉体材料。超细粉掺入水泥中起微观的填充作 用，并给混凝土带来了许多新的特性。作为高强混凝土超细粉的品种有硅粉、粉煤灰和超 细矿渣等。使用超细粉材料可使混凝土达到最优存储密度，改善混凝土的性能“。因此说， 混凝土界面过渡层的改善，空隙率的降低与改善都与矿物质超细粉有着密切关系。 高强混凝土根据不同强度掺合料的选取有一定的要求，因为只有选择适当粒径的掺合 料，掺入混凝土后，才能够起到叠加作用，弥补骨料以及水泥的缺陷，取长补短，还可以 调节需水量，进而提高混凝土的强度。 矿渣：是小水泥个量级的掺合料，粒径小于1 0 脚l 的颗粒参与混凝土的前中期强度， 1 0 4 5 朋的颗粒参与后期强度，大于4 5 ，聊的颗粒则很难水化。配制高强混凝土要求所 需矿渣磨细至比表面积不小于4 0 0 0 0 0 m 2 k g ，以便能充分发挥其活性。 粉煤灰：和矿渣属一个数量级，粒径一般在1 0 i 聊左右。粉煤灰的含钙量有高有低， 不低于l o 时才能充分体现其活性。粉煤灰的掺入可以减少水泥用量，改善混凝土的工 作性，提高其后期强度；降低水化热，减少收缩，提高抗渗性，也可以抑制混凝土中的碱 骨料反应。缺点是，掺入粉煤灰后，混凝土的抗碳化性能变差。 用于高强混凝土的粉煤灰要满足需水量小于l 、烧失量低、含碳量不高于3 。 硅灰：在混凝土中硅灰兼起活性粘结料和填料二种作用，掺入硅灰后，混凝土的需水 第一章绪论 量增大，混凝土的自干燥收缩增大，但对水化时的温度升高没有降低作用。一般硅灰的用 量控制在水泥重量的5 1 0 之间。要求硅灰的平均粒径在0 1 埘l 左右，比表面积为 2 0 2 5 m 2 k g ，比水泥细二个数量级。 1 2 实验配比及试件成形过程 相比于普通混凝土，高强混凝土的配合比优化设计显得尤为重要“8 ”1 。通常，必须精 心选择所用材料，特别是胶凝材料和化学外加剂等。当然，采用较小的水灰比是基本的要 求。在最终确定最优水灰比之前，必须进行大量的试验室试配试验。高强混凝土的配合比 应按照新拌混凝土的工作性和指定龄期的强度要求而科学设计。高强混凝土的配制强度确 定以满足强度保证率为前提。高强混凝土的水胶比确定需具体考虑混凝土强度等级、外加 剂的减水效率、混凝土工作性要求等因素而定。评估水泥单位用量时，必须综合考虑水泥、 火山灰材料和砂的影响，并尽量降低配合比中的水泥用量，以确保在满足可浇注的前提下 使混凝土获得较高的强度。配制大坍落度或流态高强混凝土，则应选择较大的砂率。 符合优化配比的原材料按一定的先后顺序，倒入搅拌机( 少量时可人工搅拌) ，充分 搅拌后，装入模子中；试模放置于振动台上，振动到混凝土内的气泡排出殆尽；存放于养 护室内养护适当的时间。到龄期后，拆模拿出试件，静放通风处二天以待风干后实验用。 其工艺流程图见图1 1 ： 图1 1 混凝土制作工艺流程图 第一章绪论 1 3 混凝土宏细观性能研究 很多学者经研究认为，混凝土宏观力学性能和内部裂隙发展紧密相关，其内部细观裂 隙和混凝土的宏观力学性能存在一定的关系，由于混凝土结构异常复杂，内部裂隙观测困 难，这种固有的内部关系却很难建立。但混凝土的研究者针对混凝土各个层次结构的特点， 还建立了众多不同的模型，并用此来进一步模拟宏、细观层次的物理力学特性。 1 3 1 普通混凝土的宏观模型 有多个学者提出了多个不同模型，其中比较典型的有： ( 1 ) 1 9 7 6 年，h i l l e r b o r g 提出了f i c t i c i o u sc r a c km o d e l ( f c m ) 简称虚拟裂缝模 型“，该模型将带状微裂区简化为一条分离的虚拟裂缝，其中虚拟裂缝面上作用的分布面 力用实际在混凝土断裂区( f p z ) 中传递的内力来表示，虚拟裂缝面上传递的应力和其张开 位移之间存在着服从软化曲线的反比关系。f c m 模型是最基本的混凝土断裂模型，它反映 了微裂区的存在，较好地模拟了 昆凝士损伤断裂过程。但因为该模型的裂缝扩展是通过节 点的分离来实现的，存在的缺点是随着裂缝的扩展，需要不断地重新划分网格“”1 ，这给 有限元的计算带来了很大的麻烦，往往会因为工作量的增大而无法继续进行。 ( 2 ) 在虚拟裂缝模型( f c m ) 的基础上b a z a n t 于1 9 8 3 年提出c r a c kb a n dm o d e l ( c b m ) 即断裂带模型“，该模型考虑了微裂区的宽度，认为：断裂过程区用一条含密集，平行裂 纹带来描述，裂缝带的宽度w 。是材料属性，其大小和最大骨料粒径有关，具体关系仍 难确定。在这个模型中，裂缝带的混凝土达到抗拉强度后，呈现应变软化，满足应力一应 变软化本构关系。 当有限元计算时，若网格尺寸划分h 大于w 。时，为保证计算结果不随网格划分大小而 变化，消除网格敏感性( m e s hs e n s i t i v i t y ) ，应调整应变软化段的本构关系，以保证宽度 为h 的断裂带吸收的能量和宽度为w 。断裂带吸收的能量相等，即裂缝扩展单位长度吸收的 能量相等。 断裂带模型只调整单元刚度矩阵，不需要重新划分单元，因此方便有限元的计算。但 网格的划分方式影响裂缝的开展方向。 已有的混凝土的宏观断裂模型。2 1 ”缺点是假定的缝端裂隙区和实际不同，要证明裂缝 带宽度w 。和最大骨料粒径口。的关系也是做不到的，组合应力作用下的裂隙区和实测相差 第一章绪论 较大。 ( 3 ) 基于虚拟裂缝模型( f c m ) 和断裂带模型( c b m ) 的损伤力学模型，不同的是前二 者没有具体定义一种概念即损伤度，只是最原始的模型。混凝土的破坏不是一下完成的， 从开始受力到最终破坏有一定的过程，损伤就是这一过程的开始，小的裂隙出现就是混凝 土有了损伤，损伤的极限是主裂缝的形成。而虚拟裂缝模型( f c m ) 和断裂带模型( c b m ) 反映的是主裂缝发展的结果。 损伤度在损伤模型中是一个很重要的概念，其代表的意义为： d = ( 4 4 ) 一 ( o sd 玉1 )( 1 1 ) 其中 ： 爿一指体积元的原面积： 彳一指材料受损后的有效面积； 。f o ，当材料无损时 1 1 ，当材料全损伤即断裂时 针对d 的具体定义还有三四种，分别有分段线性模型曲1 、m a z a r s 损伤模型。“、双线 性模型。“、s i d o r o f f 模型口2 1 等，这里不再一一详述。 1 3 2 高强混凝土的宏观模型 根据高强混凝土的材料特性，以及高强混凝土试件在浇注过程中，因外加剂掺合料的 加入，内部会发生一些化学变化，进而会或多或少地形成一些气泡；同时搅拌的过程也是 一个不完全过程，成型后的混凝土内部避免不了一些裂隙、微裂缝的存在。混凝土的加载 过程中，混凝土的损伤可以分为二个区域，一是：由于应力一应变曲线在应力达到最大值 ( 峰值) 前几乎为一直线，也就是说较小应力时几乎没有新损伤出现，应力、应变成线性 关系，此时应力、应变满足： 盯 ， ( 1 3 ) 第一章绪论 当损伤达到某一程度时，微裂纹逐步扩展贯通，最终导致试件破坏。 结合高强混凝土的这些特点，国内外很多学者在普通混凝土宏观模型研究成果的基础 上，经过进一步的深入研究，提出适合高强混凝土的宏观模型，为高强混凝土的性能研究 奠定了基础。其中何明。”提出的幂函数模型 其中 d = 皿p 0 ) 心邮删m 嚣卜 _ ( 嚣卜一卜僻，。4 雕郴( 嚣 。 ( 1 5 ) d i 为初始损伤；s ，、盯，分别为应变峰值、应力峰值；g 。为胆1 时的应变值；b 、c 为常 数，由试验确定。 本构方程为： p s ，) p q 气) ( 1 6 ) 本模型虽然考虑了初始损伤，但不计p 9 0 。 ( 5 ) 减水剂 c 8 0 混凝土采用南京水科院生产的h l c i x 型聚羧酸类高效减水剂，掺量为水泥用量 的1 6 ，减水效率3 5 以上；c 5 0 混凝土采用南京水科院生产的n a f ：b 复合减水剂，掺量为 水泥用量的1 8 ，减水效率1 5 一2 0 。 2 1 2 各成分对浆体性能的影响 水泥基相的强度高低主要取决于：搅拌完全后的浆体内部组成的均匀性。实验所用 c 5 0 、c 8 0 混凝土配合比见表2 7 。 水泥、矿渣、粉煤灰、硅灰各成分的细度不同，也就是说它们的粒径大小各不相同。 混合物是否均匀的关键，主要在于掺合料的粒径大小是否是连续的数量级。只有颗粒大小 级配适当，充分搅拌后，它们才能提高混凝土的致密性；起到影响强度的作用，如图2 2 、 2 3 加入掺合料前后浆体结构的对比。 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 表2 7 浆体配合比 编号水泥粉煤灰矿渣硅灰水水胶比 m 5 13 0 41 5 205 11 7 70 3 5 m 5 23 0 401 5 2 5 l 1 7 7 0 3 5 m 5 3 3 0 4 5 ll o l5 l1 7 70 3 5 m 8 13 8 91 9 5o6 41 7 00 2 6 m 8 23 8 9o1 9 56 41 7 00 2 6 m 8 33 8 96 41 3 16 41 7 00 2 6 注：m x y ，x 代表混凝土强度等级，5 表示c 5 0 ，8 表示c 8 0 ；y 为不同配合比的编号。 掺合料 粒子 水泥 粒子 图2 2 净浆体结构 图2 3 加掺合料的浆体结构 经试验观察分析其作用途径主要有以下二个方面： 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 ( 1 ) 活性矿物掺合料的加入，有利于改善浆体的颗粒级配，使混凝土材料中胶凝材 料部分( 水泥+ 掺合料) 的颗粒级配比较均匀。 由配制原料的性能可知，通常水泥的平均粒径为2 0 ，铆3 0 ，枷，粒径小于1 0 ，聊的 颗粒数量不足。这种情况使得水泥颗粒之间的填充性不是很好。所以在水泥中掺入更细的 矿物掺料，如细粉煤灰和细矿渣( 平均粒径5 脚1 5 朋) 后，胶凝材料( 浆体) 颗粒之间 的填充性得到大幅度的改善，从而提高水泥石的致密度和抗渗性。但粒径在5 ，铆1 5 ，聊 之间的细粉煤灰和细矿渣，仍不能充分弥补浆体的空间，再掺入粒径更小的适量的硅灰( 平 均粒径o 1 0 ，聊o 2 6 脚) ，由于其平均粒径比细矿渣和细粉煤灰又小了一个数量级，可 以进一步填充于超细矿渣或超细粉煤灰粒子之间，使胶凝材料的密实性进一步提高，强度 进一步增加。混凝土的强度也就随之提高。单独掺入硅灰时，也有良好的填充作用。 ( 2 ) 掺入活性矿物掺含料后水泥的水化更完全。另外不掺活性矿物掺合料的水泥浆 体，其水化产物晶体不利于粗骨料和水泥浆体的粘结。掺入硅灰、粉煤灰以及矿渣后，其 中的s i 0 ：和a l 。0 3 能和水泥水化产物发生二次反应，生成能改善混凝土强度的水化硅酸钙 和水化铝酸钙。同时活性掺合料的某些成分还具有一定的减水效果。 其掺入掺合料前后微观界面的不同见图2 4 、图2 5 ： 图2 4 掺矿物掺合料的混凝土微观界面图2 5 纯水泥混凝土微观界面 注：图中a 表示骨料的位置。 综上所述，活性矿物掺合料的掺入大大减少了水泥石与骨料之间的孔隙和空隙，使二 者接触极为紧密；而且水掘石和界面区之间的气孔液被排出，界面强度得到提高。整个混 凝土的内部结构更加致密，见图2 4 ，不存在明显的过渡区，强度的增强成为必然。而不 掺活性矿物掺合料的骨料界面含有较多的针状晶体，结构较为疏松，见图2 5 ，而且水泥 石本体有较多的气孔，这些气孔电分布于界面区，降低了界面区的强度。 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 也就是说高强混凝土内部界面结构更趋于均匀，这一现象在抗压强度以及劈拉强度试 验中也可以得到证实。在这些试验中，均可以看到断裂面直接从骨料中间穿过，水泥石与 骨料均发生破坏；而在普通混凝土中断裂路径一般都是绕过骨料而发展，试块破坏后骨料 一般都能保持完整。 2 2 骨料相 骨料的性能与混凝土的表观密度、弹性模量和体积变形关系甚大，为此通常对骨料的 粒径、粒形、强度以及吸水率的要求比其化学、矿物学方面的性质更加重要。高强混凝土 中骨料的体积约占混凝土体积的6 0 左右。而且随着混凝土强度增加，石子最大粒径还要 减小，因为1 ) 最大粒径较小，则骨料水泥浆界面应力差也较小，应力差可能会引起微裂缝：2 ) 较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高，因为岩石破碎时消除了控制强度的最大裂隙o “。冯乃 谦指出“，对w c ( 水灰比) 为0 2 5 和0 4 5 的高性能混凝土的试验结果表明，粗骨料的 质量对混凝土抗压强度的影响很明显。 一般情况下，普通混凝土受压破坏时，裂缝沿着界面，骨料不会破坏，而高强混凝土 破坏时，裂缝穿过骨料。因此骨料粒径不宣太大，一般最大粒径为1 2 1 5 珊时获得最高 的混凝土强度。所以，高强混凝土的骨料最大粒径一般限制在2 0 眦，最大不超过2 5 m ， 且宜采用连续级配。而且骨料石子的粒径、粒形、表面状况、级配以及软弱颗粒和水分 含量等既会影响混凝土的强度，又影响新拌混凝土的和易性。因此，正确合理的选择骨料 的品种和性能，符合有关技术标准的要求，是配制高性能混凝土的基础。 本文试验所选取的玄武岩碎石，是从江苏句容某山开采出来的玄武岩石块，经过粉碎， 得到的粒径为5 2 0 咖的玄武岩碎片，颗粒表面光滑，最大粒径2 0 i i l f n ，表观密度2 7 0 0k g m 3 ， 堆积密度1 5 0 0k g m 3 ，压碎值6 7 。玄武岩是岩石中强度比较高的一种，弹性模量一般 在5 3 2 1 6 8 g p a 。 高强混凝土的抗拉强度由灰泥强度决定，而抗压强度则主要受粗骨料的强度和表面性 质的影响“。配制高强混凝土的骨料与普通混凝土的要求不同，骨料本身的强度要求高， 一般采用花岗岩、硬质砂岩以及石灰岩等，特别的，卵石不能配制高强混凝土。因为在普 通混凝土中，浆体的强度远低于骨料，加载中一般是界面和浆体先破坏，故骨料的强度影 响不大。但在高强混凝土中，破坏面贯穿骨料，进一步提高高强混凝土强度的研究重点应 该放在骨料的改性上。 第二章高强混凝土备组成相的力学性能 本文所选玄武岩性能测试如下图所示 图2 6 岩石弹模实疆装置图2 7 试件破坏形状 。 世 啊 拦 据 2 0 0 0 1 5 0 0 1 2 0 0 图2 8 抗压强度吒随加荷速率的变化 从试验结果看本文所用骨料性能较好：四个试件的抗压强度平均达到1 5 0 m p a ，弹模 达到7 0 g p a ，能充分满足高强混凝土对骨料选择的要求。 2 3 砂浆 砂浆可以看作是细骨料( 砂予) 被水泥浆体粘结在一起的整体。本文作者查阅了很多 国内外文献，在混凝土的研究成果中，很少有关对砂浆的研究。为了全面分析组成成分对 高强混凝土强度的影响，本文将对砂浆的各项性能进行研究分析。本文试验采用的河砂， 最大粒径5 m m ，i i 区砂，细度模数2 6 ，表观密度2 6 5 0 k g m j 堆积密度为1 5 2 0 k g m 3 ，其筛 分结果见表2 8 。 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 表2 8 砂的筛分结果 筛孔尺 寸( m ) 52 51 2 5o 6 3o 3 1 50 1 60 0 8 分计筛 o8 91 5 22 3 6 3 2 61 7 81 7 余( ) 累计筛 08 92 4 14 7 78 0 39 8 19 9 8 余( ) 从砂浆材料组成和内部结构的发展来看，在原材料和养护条件一定的前提下，对砂浆 性能产生影响的关键因素主要在于：水灰比的大小、龄期的长短以及砂子的体积含量等； 各因素不同对砂浆的影响结果不同。其他因素一定的情况下，水灰比越小，砂浆的强度、 弹性模量和断裂韧度越高。”1 ；同时，随着龄期的发展，砂浆中的水泥浆体和界面的强度 随之增强，但最终的强度值也主要与水灰比的值有关。砂子掺入水泥浆体后，生成的新的 混合物的各项性能发生变化，即砂浆的弹性模量、强度会得到改善，砂子约占砂浆体积的 4 0 4 5 ，可以认为高强混凝土中的砂浆与净浆的抗压强度相等叭4 “。弹模、强度实验过 程见图2 9 2 1 3 。制作的三个试件性能较好：试验结果取平均，c 8 0 砂浆弹模达到3 l g p a ， 抗压强度达到1 2 0 m p a ；c 5 0 弹模为2 5 g p a ，抗压强度为7 0 m p a 。观察图2 1 1 2 1 3 ，破坏 面较平整，c 8 0 细骨料和净浆体之间孔隙极少，二者结合紧密。 图2 9 实验装置图2 1 0 测弹模试件应变片粘贴方式 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 图2 1 l 破坏面形态 图2 1 2c 5 0 微观结构图2 1 3c 8 0 微观结构 注：图2 1 2 ，2 1 3 为样本放大2 0 0 0 倍后的微观圈。 2 4 界面过渡层 界面过渡层是指硬化水泥浆和骨料之间的部分，是一个有一定厚度的特殊区域，也即 是目前所知的所谓混凝土的第三相。与砂浆不同的是，界面过渡层的微结构有较多的空隙， 其微分子结晶定向排列；由于是骨料和浆体的过渡层，而骨料和浆体的性能差别很大，从 而影响界面二侧的性能。对于普通混凝土来说，由于界面过渡层是薄弱环节，因此断裂的 引发、扩展往往始于界面过渡层。显然，要提高混凝土的强度，界面过渡层是个重要环节。 高强混凝土的界面层厚度最大约为1 5 ，柳，远小于普通混凝土的最大界面层厚度5 0 ，柳左 右；但在高强混凝土中，界面过渡层也是相当薄弱的环节，如何改善与提高界面过渡层的 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 性能，也是提高高强混凝土的强度与其他性能技术的关键。 从力学角度分析，界面层属于骨料和浆体的粘结区，这个粘结层是骨料和浆体通过化 学和物理共同作用形成的；因此界面的粘结强度反映了浆体和骨料的协同变形能力。 据观察所做的试验，c 5 0 、c 8 0 混凝土试件，最终破坏的断面大都是骨料被破坏如图 2 1 5 、图2 1 6 ，不同的是：c 5 0 破坏面粗糙，c 8 0 比c 5 0 脆性大破坏面比较平整。因此从 高强混凝土的破坏过程来看，随着强度的提高，大量的裂缝倾向于直接穿过骨料，这说明， 试验中加入的矿物掺合料，大大改善了骨料和浆体之间的界面层的性能，高强混凝土中的 界面过渡层不再是普通水泥石骨料的界面过渡层了。 图2 1 5c 8 0 混凝土断裂面 图2 1 6c 5 0 混凝土断裂面 根据于骁中“”的试验结果，结合本文的界面强度试验分析研究得出，影响界面粘结强 度的因素有很多，主要因素是水泥品种及性能，骨料性能、表面结构及颗粒形状、尺寸等， 水灰比，养护条件、龄期，还有外加剂及掺合料等等。综合考虑所有因素分析，浆体与骨 料的界面粘结强度总低于砂浆的抗拉强度。实验测得界面粘结强度与砂浆抗拉强度的比值 大约为o 4 5 o 6 。另外由于结构不够密实，界面的断裂能和断裂韧度都低于浆体“。 第二章高强混凝土各组成相的力学性能 图2 1 7 界面的试验装置图2 1 8 界面的断面形式 ， 虽然界面试验由于经验，得到的数据不能充分说明问题，但可以初步证明对高强混凝 土抑制和改善界面过渡层是十分必要的。骨料周围的空隙，对混凝土的强度、抗渗性和抗 冻性等都有不良影响。因此高强混凝土必须使骨料周围的空隙越少越好。这样就必须降低 混凝土的单方用水量，提高水泥浆体的粘度，因此矿物质超细粉和高效减水剂就成为必要 的组分了。 其次经初步实验研究还发现以下几个影响界面强度的主要因素： ( 1 ) 骨料的物理性能。确定骨料种类后，减小骨料粒径或者增大骨料表面的粗糙度， 对提高混凝土界面的粘结强度有利； ( 2 ) 水灰比的大小。适当降低水灰比，混合物中水泥颗粒比较密集，这样可以减少泌 水发生，也能起到提高界面密实程度的作用： ( 3 ) 活性矿物掺合料物理、化学作用。活性矿物掺合料的加入，不但对界面强度的提 高有明显的影响，同时对砂浆的强度也有影响。 从各相组成的性能研究分析看，改善高强混凝土的性能必须考虑浆体、骨料、界面三 相的共同作用。总的来说混凝土内部三缴骨料( 粗骨料、细骨料和微骨料) 界面对混凝土强 度均有影响，其中以粗骨料界面结构的作用突出组成混凝土的材料( 石、砂、水泥、高效 减水剂和矿物掺合料) 都可直接或间接地制约各级骨料界面，其中矿物掺合料对于改善界 面结构提高混凝土强度起决定性作用。 第三章高强混凝土的力学性能试验 第三章高强混凝土的力学性能试验 与普通混凝土相比，高强混凝土因致密的微观结构而具有良好的物理力学性能和耐久 性能。国内外学者对高强混凝土的力学性能及其影响因素进行了全面系统的研究，混凝土 的力学特性包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、收缩和徐变等，当然还有抗剪 强度、抗磨损和疲劳强度及其它。对这些性能的研究，是对高强混凝土研究的重点，经过 实验分析得出的各项参数也是进行数值分析前必要的准备工作。 高强混凝土本构模型是混凝土研究者关心的重点，因高强混凝土脆性较大和实验室加 载设备的限制，试验中很难得到完整的应力一应变曲线。 3 1 强度 混凝土的强度有抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗疲劳、粘结、及局部承压等。由于混凝 土是一种非均质材料，强度受到许多因素的影响，需要分别定义，并进行有关试验。此外， 混凝土的各种强度，受水灰比、骨料性能、龄期、试件尺寸、加载速率、混凝土浇注方向、 获得加载方向以及试验方法等影响。但各种强度之间又存在一定的关系，一般可以用抗压 强度的对比关系表现出来。 下面主要针对高强混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度进行研究。我国现行的钢筋混凝 土结构设计规范，关于混凝土强度等级，是按标养2 8 d 的1 5 删1 5 删1 5 洲试件来测定 的。但高强混凝土租骨料粒径玉2 5 f n m ，一般采用l o 册l o c 优1 0 试件，因此，需要换 算成标准试件。经许多专家试验验证二种试件抗压强度可以换算，清华大学的陈肇元教授 建议厶。，厶。的换算系数取o 9 0 或o 9 2 “”，换算公式如下： 厶”工“。= o 9 l + 1 丘“o ( 3 1 ) 立方体试件抗压强度计算公式为： 无= p ，一 ( 3 2 ) 式中：厶一立方体试件抗压强度，m p a ；p 一试件破坏时的荷载，n ：a 一立方体试件承压 面积，m m 2 。 劈拉强度公式为： 第三章高强混凝土的力学性能试验 丘= 2 p ，r 4 = o 6 3 7 p 彳 ( 3 3 ) 式中：五一混凝土劈裂抗拉强度，m p a ：p 试件破坏时的荷载，n ；卜立方体试件劈裂 面面积，m 2 。 为了进一步研究高强混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度随各影响因素不同的 发展变化趋势，分别配制了二种强度的混凝土c 5 0 、c 8o 配合比见表3 1 ，每种强度浇注 三组，考虑到可能出现意外情况( 如试件数据无效) ，每一组制作了五个试件，测得的实 验数据取有效值求其平均，即为所需的数据。 表3 1 混凝土配合比( k g h r ) 编水 减水剂水胶 号泥 粉煤灰 矿渣硅灰水砂石砂率 ( )比 m 5 13 0 41 5 2o5 l1 7 76 8 21 0 2 21 80 3 5o 4 m 5 23 0 4o1 5 25 11 7 76 8 21 0 2 21 8o 3 50 4 m 5 33 0 45 l1 0 15 l1 7 76 8 21 0 2 21 8o 3 5o 4 m 8 13 8 91 9 506 4 1 7 06 2 69 4 0l t6o 2 60 4 m 8 23 8 901 9 56 41 7 06 2 69 4 01 60 2 6o 4 1 8 33 8 9 6 4 1 3 16 41 7 06 2 6 9 4 0 1 i60 2 6o 4 c 5 0 、c 8 0 混凝土试件立方体抗压强度和劈裂抗拉强度实验结果见表3 2 表3 2 立方体抗压强度和劈裂抗拉强度 立方抗压强度( m p a )劈裂抗拉强度( m p a )坍落度 编号( 唧) 7 d2 8 d9 0 d7 d2 8 d9 0 d ( 1 h 后) m 5 l 3 4 1 5 4 16 2 61 73 34 67 0 m 5 2 3 7 25 2 46 1 9 2 2 3 1 4 56 7 m 5 33 6 65 5 36 4 32 23 24 78 0 m 8 16 2 58 2 78 9 73 85 o5 88 2 m 8 27 0 48 5 99 2 24 45 2 5 7 8 7 m 8 36 5 49 4 19 6 54 35 16 o7 8 注：m x y ，x 代表混凝土强度等级，5 表示c 5 0 ，8 表示c 8 0 ；y 为不同配合比的编号。 第三章高强混凝土的力学性能试验 二种混凝土强度随时间的变化见图3 1 和图3 2 图3