（材料学专业论文）活性粉末混凝土的配制技术研究.pdf

潮南大攀土木工稳l 掣渭巴爿明畦材牵p 等业硕士毕业论文 摘要 在国外研究基础上并考虑我国原材料资疆的获取与配置情况，通过对比研究 各种原材料如水泥、砂、石英粉、硅灰、高效减水剂、钢纤维等的性质及各组分 配合比对r p c 强度和流动性的影响，合理选材，优化颗粒级配，在未掺钢纤维( 素 r p c ) 的情况下，配翩出了流动性好、高温莽护( 2 0 0 ) 下抗压强度高达2 2 9 o l _ l p a 的超高强混凝二e ；而钢纤维r p c 的抗压强度在高温养护下高达2 9 8 6 m p a 。同时，通 过对水胶比、密实度和抗压强度关系的探讨，了解到上述两种混凝土都存在一晟 佳水胶比，在该水胶比下，密实度最大，抗压强度最高。 此外，还考虑了三种养护制度( 标准养护、热水养护和高温养护) 对r p c 强度 的影响，并在一定程度上对r p c 进行了微观机理的探讨。试验观察到热养护有利于 提高r p c 混凝土的抗压强度，然而热养护后的混凝土强度有倒缩现象。 最后，从r p c 良好的环保效果、优异的耐酸性及造价出发，论述了r p c 将在我 国土木工程中具有广阔的应用前景。 ，7 关键词：活性粉末混囊主【r p c ) ，原材料，配苦吒，强度，葡钿，养护萄度 湖南大掌土木工程掣堰e ，0 盹材荆 业萄i 士业论文 一2 a b s t r a c t t h r o u g hs t u d i e sm a d ea m o n g t h ee f f e c t so f p r o p e r t i e sa n dc o m p o s i t i o n so f k i n d so fm a t e r i a l ss u c h 勰c e m e n t ，s a n d , c r u s hq u a r t z , s i l i c af u m e ， s u p e r p l a s t i c i z e ra n d s t e e lf i b e ro nt h es t r e n g t ha n df l u i d i t yo fr e a c t i v ep o w d e r c o n c r e t e ( r p c ) b a s e do nt h er e s e a r c ho ff o r e i g nc o u n t r i e s 鹳s a m e 瞄 c o n s i d e r e do na v a i l 幽l em a t e r i a l si nc h i n a m a t e r i a l s w b - 。r es e l e c t e d r e a s o n a b l y a n dg r a d i n gw a so p t i m i z e d a sar e s u l t , u l t r a h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t ew i t h o u ts t e e lf i b e rw i t he x c e l l e n tf l u i d i t ya n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h u p t o2 2 9 o m p au n d e r h i g ht e m p e r a t u r ec u r i n g ( 2 0 0 c ) w 豁p r e p a r e d , w h i l e t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h ec o n c r e t ew i t hs t e e lf i b e rw a su pt o2 9 8 6m p a a tt h es a m et i m e ，a no p t i m a lw a t e r - b i n d e rr a t i ow a so b s e r v e d 船t oe i t h e r c o n d i t i o nm e n t i o n e dp r e v i o u s l yt h r o u g hp r o b i n gi n t ot h et e l a t i 0 1 1a m o n g w a t e r - b i n d e rr a t i o ，r e l a t i v e d e n s i t y a n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h 1 v a x i m r n l r e l a t i v ed e n s i t ya n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hw e r eo b t a i n e df o ro p t i m a lw a t e r - b i n d e rr a t i o m o r e o v e r , t h ee f f e c t so f t h r e et y p e so f c u r i n gs c h e d u l e ( s t a n d a r dc u r i n g ， h e a t | a t c rc u r i n ga n d h i g ht e m p e r a t u r ec u n n g ) 0 1 1 t h es t r e n g t ho fr p cw e r e s t u d i e da n dm i e r o s 删a n a l y s i so f r p cw e r e d o n et o8 0 m ed e g r e ei nt h e p a p e r i t w a sd e m o n s t r a t e dt h a tb e a tt r e a t m e n tw a sb e n e f i c i a l t ot h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fr p c n e v e r t h e l e s s ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hw a s d e c r e a s e da f t e rh e a tc u r i n g a tl a s t ，t h ep r o s p e c to fr p cw a sd i s c u s s e di nc i v i le n g i n e e r i n gi nc h i n a b a s e do i li t sb e n e f i tt ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , e x e e l l e c td u r a b i l i t ya n d i t s c o s t 2 湖南大学j 代工程学院0 托材中p 专羹士牛柚“e 丈三 第一章绪论 高强混凝土的发展史 ( 一) 概述 混凝士是当代最大宗的人造材料，也是最主要的建筑材料。目前，世界水泥 年产量已超过1 2 亿吨，我国在数量上占据首位，产量约为世界总产量的1 3 。混凝 土年使用置虽未见准确的统计资料，但如以水泥产量推测，混凝土用量每年达4 5 亿吨。其工程量之多，社会与经济意义之大，是人所共知的。 混凝土材料的使用可追溯到很古老的年代，如新石器时代用泥浆胶结大卵石 作为柱基( 西安半坡遗址) ；用草木筋增强黄土与黄土结核( 料浆石) 泥浆抹墙 打地坪，有的还用柴火烧，至今坚硬光亮( 甘肃先民遗址) ；古埃及用石膏砂浆 砌金字塔；古罗马甩火山灰石灰混凝土建筑斗兽场与水渠、桥梁等等。但混凝土 科学是1 8 2 4 年阿斯普丁( j a s p d i n ) 发明波特兰水泥之后才开始发生质的变化。 此后，水泥与混凝土的生产技术迅速发展，相继出现了波特兰水泥混凝土、钢筋 混凝土、预应力混凝土、纤维或聚合物增强混凝，以至晟近的高强、超高强、 高性能混凝土。混凝土的用量也急剧增加，使用范围日盏扩大。这是因为混凝土 具有原料丰富、造价低廉、制作简单、造型方便、坚固耐久、维修费低、耐火耐 震等优越性。但混凝土同时存在的抗拉、抗折强度低、脆性系数大、容易裂缝、 自重大等缺点，又限制了混凝士的使用范围。为了改善混凝的性能，克服这些 缺陷，在波特兰水泥发明后的一百多年的混凝土发展过程中，特别是近半个世纪 内，混凝土材料经历了许多重大变革。譬如，1 9 4 0 年意大利列维( l n e r v i ) 提出 了钢丝网水泥这种配筋材料，使得配筋混凝士具有某些匀质材料的性能，于是出 现了大跨度的钢筋混凝士建筑物和薄壳结构，后来，人们发现纤维对混凝土的分 散配筋，可以提高材料的多种技术性能，例如断裂韧性、抗疲劳性、抗冲击能力 和抗弯强度等，因而更进一步提出了纤维配筋的概念。又如，6 0 年代，商效减水 剂的发明与应用，大幅度地降低了混凝土水灰比，从而提高了强度，或者在相同 水灰比下急剧地提高了拌和物的流动性，使混凝土的拌制、运送、浇注和成型等 工艺过程变得容易，混凝性能得到改善，从此，混凝土技术进入了高强度与高 流态的新领域；而9 0 年代的粉体工程，即利用矿渣、粉煤灰、天然沸石等制造的 超细粉或者硅灰等掺入混凝土来改善和提商混凝土的性能，进一步使混凝土进入 了高性能时代，并使利用常规工艺生产超高强混凝土成为现实。 ， 湖龠犬掌氐术善鞠掌霸巴j 电鞠t 材料专业司r 吐? 牛柚。分义 一4 对代，并使裂用豢燕工艺生产超懿强港凝威戈瑗实。 ( 二) 强度等缴的刘分 鑫姨1 8 2 4 年波特兰永嚣翔整，1 8 5 0 年出现钢簸淫凝主班来，掩凝主作为鬟要 的结构材料，强度一囊是其主要性能搬标，随羞强度与彳l 骧攀关系积水灰比定则 等的建立，强度便成为配合比设计以及生产和应用的首要性能指标，甚蓬难一指 标。 混凝强度等级，在苓同的霉代和不同的匿家有誉同的撅念秘划分。在年 代，抗压强度为3 0m p a 以上的混凝土称为高强混凝土，在6 0 簪代，5 0m p a 以上的 混凝主被税为商强混鞭。在日本，舀前3 0 一7 0m p a 的混凝仍被视为商强潞凝 土，两8 0 悸乜以一e 鲍被稼为超毫强漫凝士。实际上，这与国嚣上的霹蠼苓相符。 根据目前国际上尉混凝土的研究与使用情况以及各国多数学者的习惯，常用 的普通棍凝与高强掩凝土是跌抗压强度5 0 胁米分界的，圈为性能的麓剐必定 带来安全套理使趣蓬罄数苓阉，镌妇美溪钢燕混凝设计撬程( h c l 3 t 8 - 8 9 ) 只适 用于抗压强度小于6 0 0 0 p s i ( 4 2 m p a ) 的混凝士。我国现行滟凝土结构设计规范 ( 6 b j r l o - 8 9 ) 的公式和规定，也都建立在抗压强度小于5 0 骶的混凝土的实验基 礁上。 高强混凝土乓超高强混凝土般燕以抗服强度为1 0 0 _ 嗡来划分的。吴中体教 授曾经提出这样一个观点，即特黼强与高强滤凝土混凝土材料可按下列兰个特征 来捌分： ( 3 ) 抗压强度大于1 0 0m p a ： ( 3 ) 抗压与抗拉强度之比小于4 ； ( 3 ) 与转统滋凝士霄臻显率同的制律工艺。 ( 兰) 超商强溜凝土发展横况 程混溅主的发展过程中，提商强发是混凝土研究者酉多年来的努力方向。他 们逶避不翳的技术将藐黢事降低鞋获缮亵强、超巍强漠凝土。然藤，囊于波本太 商无法应用于实际工稷、或者因为制备工艺太复杂、或者除了抗压强度外其他性 能不尽人意等等商面钓琢西，大多数成果始终未斑出实验室残用到工程中去。但 是，传稍获取骞强熬技零途径绘盛人提供了絮赛豹缀验。 我们知道，撩制脆性材j i 抗掇强度的主要因素是孔隙率。对于大多数固体材 料，其理论强度为( 0 1 一o 2 ) e ( e 为材料弹性模羹) ，而实际上的强度仪为 t o t o 2 ) l f f 麴戴大熊蓑异燕是出子实酥材辑存在蒲夫量强陈、微裂纹 等缺陷。农许多体系中，在报大的孔隙率范围内，能与实验数据缀好符食的毒| 犍 湖南大酋k 匕木工穗l 掌院建筑老h 牛 业习l 士牛业鼬吁 在许多体系中，在很大的孔隙率范围内，能与实验数据很好符含的材料强度与孔 隙率的关系是指数公式： s = s o e 一姊 ( 卜l 1 ) 式中s _ 畸l 隙率为p 时材料的抗拉强度； s 厂零孔隙率时材料的抗拉强度； b 常数，取决于孔形状和尺寸； r 百分孔隙率。 通过对陶瓷材料的强度和微观结构关系的研究发现除了孔隙率外，材料颗粒的尺 寸、非均匀性也是影响材料抗拉强度的因素。 然而，脆性材料的抗压强度远比抗拉强度高，这是因为少重裂缝的繁衍、扩 展便可导致材料的受拉破坏；而在受压时，需要一定数量的裂缝扩展、连接、贯 通后才导致破坏。尽管目前还没有一套理论方法来根据材料的微观结构确定材料 的抗压强度，但是可根据下述经验公式来估算其抗压强度： c = c o ( 1 一p ) 。 ( 1 一l 一2 ) 式中c - 吲隙率为p 时材料的抗压强度； c 0 _ 一零孔隙率时材料的抗压强度； m 一常数，取决于固体问的结合强度、裂缝的形状和尺寸、颗粒 尺寸以及杂质含量： p _ 一百分孔隙率。 从式( 卜卜2 ) 可看出对于混凝这种脆性材料，其增强的主要途径也就是刚氐总 孔隙率。基于这一思路，混凝土研究者先后采用了加压振捣、掺外加剂、掺活性 掺合料、纤维复合等技术路线，将混凝土技术不断推向高强、高工作性、高耐久 性以及绿色化等发展之路。 l 、加压振捣超高强混凝土时代 在早期混凝土研究中，水灰比的降低势必带来拌和、成型困难等问题。振捣 加压可破坏水泥浆的凝聚结构，降低水泥浆和骨料间的摩阻力，释放新拌混凝土 中的气泡，排除过量水等作用，从而降低水灰比，提高混凝土拌和物的流动性， 为提高混凝土的密实度和强度提供了可能。 在1 9 4 0 年，日本吉田( 株) 公司的吉田德次郎博士通过压力为l o a p a 的加压 振捣，将混凝的水灰比( w c ) 从0 3 1 降至0 2 2 ，并高温养护3 小时制得2 8 天抗 压强度达1 0 4m p a 、9 1 天抗压强度达1 1 6 肝a 的超高强混凝土，标志着第一代超高 强混凝土加压振捣超高强混凝士的产生。 2 、超塑化超高强混凝土时代 5 湖南大掌土木工覆掌兜奠u 盹材，卜专业a 奠士牛o 分文鱼 6 0 年代，高效减水剂的发明和应用，有效地释放了水泥浆絮凝结构中的水 分，在保持混凝土和易性不变的前提下，大大减少了拌和水的用量，从而为降低 孔隙率、改善混凝土性能作出了巨大的贡献。所以，1 9 6 2 年，日本学者服部健一 博士将分散剂b 一萘磺酸甲醛缩合物用于混凝土捧合料配制中，使混凝土拌和物 的水灰比降到0 3 0 ，获得了坍落度为1 0 1 2 c m ，抗压强度达8 0 一1 0 0m p a 的高强、 超高强混凝土，标志着第二代超高强混凝土超塑化超高强混凝土的产生。 3 、超塑化硅灰超高强混凝士时代 然而，要获得更高强度的混凝土，仅有高效减水剂还不够，它只是让我们知 道了如何简单、经济地在低水灰下获得高强、超高强混凝土。人们开始着手研究 如何通过优化颗粒级配来降低孔隙率，提高混凝土的密实度。球状超细活性粉体 硅灰在土木工程中的应用也就应运而生。硅灰有效地填充于水泥颗粒之间的 空间，并且其球状性质极大地促进了颗粒闻的最紧密堆积；另一方面，硅灰的火 山灰反应有刹于微观结构的改善和致密化。所以在近年来，出现了在掺入高效减 水剂的同时，又掺入微细活性矿物掺合料硅灰的超高强混凝土，如d s p 、r p c 等，这就是第三代超高强混凝土超塑化硅灰超高强混凝土时代。从此，超高 强混凝土的发展进入了现代超高强混凝土时期。 4 、纤维增强水泥基材料的未来 从材料发展史来看，无论是泥结卵石、火山灰石灰、各种三合土，还是近代 的水泥基复合材料，都说明复合化是材料发展的重要途径。随着混凝土强度的不 断提高，脆性阀题逐渐成为人们日益关注的问题，因此复合纤维在复合化中的地 位日显突出，它对增加高强、超高强混凝土韧性、抗冲击性等起着关键作用。如 8 0 年代出现的注浆纤维混凝土( s i f 0 0 n ) 和密实配筋复合材( c r c ) 表明钢纤维掺 入对改善混凝土的物理力学性能起着非常重要的作用。因此将各种纤维与优质水 泥基材料结合起来，进行新的复合化，使水泥基材料的缺点得到改进，性能得到 提高，是水泥基材料的发展方向，将为创造新的绿色建材开辟未来发展之路。 二 超高强混凝土的研究和应用现状 ( 一) 研究和开发超高强溜凝土的童义 随着建筑业、海洋业、交通业和环境保护业的飞跃发展，建筑物向着超高、 超强、超长、超深方向发展，新奇建筑和巨型工程的出现对混凝土的强度和耐久 性提出了更高的要求。为了适应这种要求，混凝土科学和工艺水平将不断提高， 6 潮龠火掣o b 术】o 糖l 掌院 筑材p 业习i 吐 j 吣雌二觳三 在许多情凝将使躅翅离强庭等级靛潺凝主。与骜避中低强囊等缓的混凝主籀跑， 使用超高强混凝土具脊如下优越性： i 、可有效地减轻结构自重。众所周知，钢筋混凝土的最大缺点魑自重大。谯一 簸建筑串，结掏鑫重为有效荷载匏8 1 0 倍。当溅凝土强度掇高对，结构裔羹降 低。国际预应力钢筋濑凝土协会簿圭磨c 格维竟教授与世界蓉名预应力混凝土专 家美籍华人林同旋教授曾预言，8 0 9 0 的钢结构工程可用预斑力钢箍混凝土结构 援替，当混凝强度这弱l o om p a 时，设计城的预应力诵筋混凝士缩构，应与钢结 梅一撵轻，因为这时骥者的比强发( 帮强度冬重鳖麴比馕) 大致摆笛。 2 、可大幅度提高混凝主的耐久性。由于趣离强混凝土内部缩构的改善和胶凝物 质相组成的优纯，其耐久住耨极大地改善，收缩大大减少，抗渗标号选4 0 号以 上，实际上不渗水，夺碳纯，抗猿性将达l 攘嚣漩主，建篾物弱毽瘸期聚褥遮数 世纪。 3 、可以大量减少材料用薰及建筑成本，节约天然资源，生产、运输和施工隧耗 憋大爨降摄，黯浚善秘擦轳久类薹l ：境姆佟鑫露太弱霾献。 因此，研究和开发趣高强混凝土具肖重大的意义和美好的鹿用魏景。 二) 爱辫豹辑究释撵惩嚣获 近年来，混凝土工芭得到了快速的发展，日盏增长她工趣需要及混凝材糕 科学和施工技术的创新，使漏凝土工艺从过去被认为是一种缀验技术发展成为材 j l 毒科学串的个离新技术杼娩。蒸子现代工艺，窝前可敬生产韵超高强滟凝土， 远远超过了琨代结梭设计实践中蜃应用麴漫凝强度。缀据文教【l ? 】，撵黢熬铺d e g j o r v 用晨然的高质爨矿物集料配制混凝土，抗眶强度已能达到2 3 0m p a 如果 用高质耋的羯瓷集j i 年代替矿物橐瓣，抗压强度可阱达到4 6 0m p a ；用优袋韵轻集 睾毒，摅莲强度霹以迭刭1 0 0m p a 以上，露漫凝枣羹在1 9 0 0 k g m 3 鞋下。 擞然矿物集料的超高强混凝土强度鼹臆达到2 3 0m p a ，但是，从已经疲用或在 不远的将来邸可应用羽超高强混凝土的强度鬣段为1 0 0 1 5 0m p a 的混凝，这个 强度嚣段鹁混凝士莲蓬甄上菠在大力疆宠翡热熹。 前苏联h b c b hph 且o b 等人用5 0 0 , i , 6 0 0 号硅酸盐水泥掺入e 一3 减水劐把承灰 比降鼙o 2 4 一o 2 6 ，剩成了抗压强度为1 0 0 , - 0 1 5 0 枘的港凝土，并研究了它们的 器静强度瞧麓彝交形槛能。 日本鹿岛建筑公司已开发成功擞用于超离层建筑、强度为1 4 0m p 8 的越褒强混 凝土，而且用这种混凝进行了足尺的配筋十分复杂的柱、鬃、板组成的钢筋混 凝结擒试验体鲍箍工试验。混凝主由商晶滏凝主工厂栉镧，总丽蠹为l o o m 2 ，泵 送浇渡。强度由抽芯试传测定，蜜验体各帮健抽芯试锋的强度摆在1 2 0m p a 以上， 湖南太掌生术羔覆掌捌巴奠e 筑毒r | 憎棚习n b j 卜舭论炎 遥过迸一步努力，在怒尺的柱试粹体上达黧了1 4 0m p a ，这一试验燕模藏超商鼷建 筑底层结构的熊工试验，以确认不会产生裂送、浇注秘捣实方嚣螅目题劳检验摊 工质熬。 激上怒舀前嗣际上开裁以及w 望莆遍斑用于土建工程中的超商强混凝土的凡 个实铡。然焉，羁翦豳际上配卷超离强混凝主翳艇达到的最舞技术承平是令人十 分惊异的。 8 0 年代初，英圜帝国化学公司与牛津大学联合研究的羌宏观缺陷( 鼢f ) 水 泥，系用9 溅戳上麴锻硅酸热水嚣( 或舞标号硅酸撬永溅) ，掺入l 键一溅匏东溶缝 高分子聚仑物( 聚乙烯醇、甲基羟丙熬纤维索、聚丙烯酰胺) 和适量外加剂( 也 可掺加硅获、耪煤灰、纤维以及菜些特性填料) ，加少器水( w c = o 1 一o 2 ) 混 会，经特嬲疆备辗篷畿均每的援蘩体，褥在4 。0 1 0 飘鹾力下成墼著绦疆定辩淘 ( 也可用8 0 0 1 0 0 热鹾加速成型域挤出、注模成型、真空脱水等) ，脱模后瀑莽 7 天而制得，其主要性能指标见表1 - 2 - 1 。 在牺f 之后取褥裁凌静趣蘸强水泥藿耪瓣有微粒密实( d s p ) 耪料稻纯学缩合 陶瓷( c b c ) 材毒斗。d s p 是由丹麦蠲家实验室联会a a l b o r gp o r l a n d 公司共同研制成 功的新材料体系，一般由水泥、榘料、超细粉体和高效减水剂组成，也可掺入纤 维，永获魄为( o 1 一o ，2 ) ，可搬掘藉要采桶适当酶减鬻方法，如若采蠲挠蕊成 型可以获褥2 7 0 m p a 的抗压强度，嚣选撵会适的本泥晶季申，热疆成型，抗滕强度甚 至更高。c b c 也畿水泥中掺加硅灰或用游胶凝胶法制褥的超细粉末，在高的压 力( 2 0 0 0 0 3 0 0m p a ) 下成登，箍稍问凭化学藏应来秸结，不德陶瓷工艺的高温扩 数和壤鞋，不掺趣聚会物。 以上几种材料的莱些性能与陶瓷相当，有些声、电、耐腐蚀、耐高淑等性能 更超过金属与有机材料，如表1 吨一1 所矛，可擅在某些商科技领域代替昂贵的金属 麓辩。理由予铡 擘工芑复杂，原枣| 辩瞧较奏，还不能大惹生产，毽既要程土建工 程中应用为时尚早。 二十世纪末。法阔的b o u y g u e s ，s a 研究成功了一种超商强、低脆性和优异 辩久牲势鬟有广澜饕录豹豢鼙灌凝活性粉末混凝主( r e a c t i v e 硝e r c o n c r e t e ，简写成r p c ) ，它是由缀配石英缨砂( 不含毂嚣辩) 、水泥、嚣英羚、 硅灰、超塑化剂和钢纤维组成，在凝结、硬化过程中可采取适当的成型养护工芑 魏攘舔、翔热两获褥。r p c 在材辩缀成帮翻备正艺等方面与d s 嗟本受儆，僮r p c 具 寿更优异的力学性能。攘据不藏的牲熊、造侩和王艺豹罐易援度，r p c 分2 0 0m p a 与8 0 0 蛐a 两级，p p c 2 0 0 在凝固期不加臌，热养护溢度为2 0 9 0 ，r p c 8 0 0 在凝固 期施加1 0 。0 5 0 m p a 豹压力，并在2 驹一4 高温下葬护获褥，其主要力学髋髓如表 l - 2 - i 。 s 倭 卜 h 蕊 s s _o o 叫 g l 器 蕊 s 黧 i 是 攫 8霪 涩 h o 。 冀 羹 甘| 态 西 s s s s l t j 尊 曲 蕊 o 吲 峙 州 奄 塞 襄 刊 no 星 s sss 2 o 黾 o 一 一 璩 n 窖 导 誊基 i o 式 一 虿 s键s 囊 ss 窭 呻 - o 赛c d 。 翰 嚣 o 基 幽 ss s黛 。 塞 o oo“ n 卜 “ 勰 。 od o岳 s 筠 卜 ss “ 螺 s s 啦 oo 寝 8 啦 一 粕 ，、，、 p 瑟 娄薹蒌 蕊 喾 气 v v量 v v 瓣 瑙赘毯 懿 v躐 巅 争 殛 裂 爆嘿穗 裂 掣 辎垛 、， 醴毁勰 器 器 拳漠 蜷 鼹摇 藤 簸懿 辍 蒜 璀 醛丑姑裁黎豁求疑誊斌坪葵葚礴聪繁搿i-n三群 状辩爿毒帮警d曩 i 曩誊册 湖南大掌土木工穗l 掌霸睫筑羽嶂p 专业硬士牛业论文 一l o 法国、加拿大等国家对r p c 的材料组成、微观结构、力学性能、成型工艺和耐久性 能方面展开了一系列研究，并已试用于桥梁、高压水管和核废辩罐等工程。 当前，超高强混凝土除了在实验室进行研究以外，也逐步在工程实践中获得 应用。世界各国已有应用i o o m p a 以上超高强混凝土的众多实例，具有代表性的 为： 1 、日本已生产和使用混凝士强度为i o o m p a 的预应力钢锭混凝士桩。 2 、美国西雅图市的( t w ou n i o ns q u a r 大厦应用了强度达1 3 5 m p a 的超高强混凝 土。该建筑为5 8 层大楼、高2 3 0 7 米。该建筑采用的结构体系为s l f 皿体系，其主要 特点是采用超高强混凝土的钢管混凝土柱，钢管的壁厚为1 6 毫米。混凝强度为 1 3 5 1 l i p a 。钢管起着模板以及受力的作用。建筑的结构设计及工程施工都是在没有 标准规范的情况下完成的。混凝士采用泵送施工，拌和物塌落度为2 5 厘米，输送 干管长达1 2 2 米。混凝土连续浇注的层段为两层楼高( 7 3 米) 。为了消除浇注工 作可能形成的空洞，摔和物是经钢管模壳上的开口对每一个浇注层段由下向上挤 送。拌和物不经振动。大厦的结构决策加上采用了超高强混凝土降低了结构成本 3 0 。这一工程是目前超高强混凝土用于超高层建筑的范例。 3 、挪威在使用高强混凝土和超高强混凝土方面更是走在世界前列，他们在北海 油田的海上钻井平台上，曾进行了立方强度越过1 0 0 0 k g f c m 2 的超高强混凝土施 工，并于1 9 8 9 年就制定和实施了抗压强度高达1 0 5 m p a 的超高强混凝土结构设计标 准。 4 、一座长6 0 米、宽4 2 米的r p c 人行轿子1 9 9 7 年秋季在加拿大s h e r b r o o k e 的n h g o g 河上建成。该桥由抗压强度为2 0 0 m p a 的r p c 混凝士预制构件吊装组成，并在腹杆部 分采用钢管r p c 混凝土，抗压强度达3 5 0 m p a ，这表明了r p c 混凝土完成了由理论到 实践的飞跃。 以上例证说明，超高强混凝土已开始走出实验室而应用于实际工程中。 ( 曼) 田内的研究和应用现状 与匿际上的技术水平相比，我国对抗压强度为1 0 01 # i p a 以上的趣高强混凝土研 究还很少。5 0 年代曾用8 0 0 号水泥。并将水灰比降低至0 3 0 c 0 0 3 2 ，制成过1 0 0 m p a 的混凝土，并应用于预应力屋架上，与同跨度的普通预应力钢筋混凝士相比， 节约钢材6 4 ，节省混凝土5 8 ，重量减轻5 8 。 西安交通大学曾用5 2 5 硅酸盐水泥掺入硅灰及高效减水剂制成过t 0 0 1m p a 的 超高强混凝土。重庆建筑大学的蒲心诚教授用同样的技术途径配制成了1 4 4 5m p a ( 2 8 天) 豹超高强混凝土，而湖南大学遇过掺硅灰、高效减水；f ! i 和钢纤维并加热 养护的技术途径配制了抗压强度高达2 0 0m p a 的超高强铜纤维混凝土这是目前我 1 0 瀑龠大攀生拳玉糟 攀翔9 t 筑材焖 趣碍l 士j 重。套文 国超高强混凝土研究的最高强度记录。 在我嚣个羽特种构译预稍工厂中将越高强灞凝土用予生产管桩、煤矿赣并支 护叛等，但湛凝搏和甥的流动性较低，铡如，安徽蚌埠水泥剁最_ r 墨为煤矿邦 门大量生产混凝土强度为1 0 0m p a 的巷井工程用钢筋混凝土支架和护板扳磷。此 外北京城建集团总公司构件厂在北京财税大横首层柱子施工中，有姻根鞋子采 臻了c l l e 级髓熬瑗撑瓣凝，实舔藏工强度鸯1 2 4 m p a 一1 3 1 m p a ，乎均这 1 2 7 5 m p a 。强度更高的混凝土柱我国尚无应用实例。 三活性粉米混凝土( r p c ) 简介 ( 一) 钎究释e 瓣意义 从靛文可知r p c 2 0 0 没有采用加压成型工艺，其捌各螯俘( 揽搀、振动) 接 近酱通高性能漏凝土，而力学蚀能却大大优于普通商性能混凝土。对予掺钢纤维 的r p c ，因为其有优懿豹韵理力学性簸，可将该枣于科用于大跨度绫构、离屡建筑的 底层粱、柱以及粱、柱苇点，蠛蠹用予宇航发瓣台、陵辐射核容嚣等建筑物和均 筑物的特殊部位，不但结构的受力性能将得到改瞢，而且由于材料的强度缎高， 构秤酶截面尺寸可戳减少，结构的自重可以减轻。对于承受弯翘( 粱和板) 或拉 力( 撂絮) 熬槐饽，r p c 较低静撬拉强度霹以遁j 霪捷爱颈应力技本来 接，褒这类 结构中，主拉应力可由预应力来抵抗，而次拉应力和压力则直接由r p c 澹凝土来承 担，这种情况下的构件璧薰要沈其宥相同承载力的普通混凝士构件重鬣轻三倍， 嚣戴疑这骞蔼寒说，r p c 鸯利予建筑成本浆降低。势基，r p c 2 0 0 鹣痘麓将对减多 砂、石矿物的消耗，节约天然赘源。增加对工业废料朝副产品的利用，保护人类 环境等方面作出巨犬的贡献。 r p c s 0 0 由予其符稼静翻备工艺( 翔压、趣热) ，仅辘在颈瓣榜件辛使瑙，徨 其优异的力学性能可望取代钢嶷用予机械零件的生产或者用予军事继构和装备 中。 在掇讴可耨续获震藏躲韵今天，科学技术静任务琶麸过去最丈限度商爨然索 取晃| 蛮，变先会理剥躅瓷源、保护瑶壤、保护生态平餐。r p c 混凝作为一秘县弯 优异耐久性的超高强混凝士，能节省大量水泥、钢筋与集料，将赍源、能源、环 境干价碱剿最小，运到最高的绿色度，并将对建筑结构带来巨大酌变革。 总之，r p c 漫凝因其优良豹性毙，篱攀的躺簧工芑纛较低麴能耗，加上蠢幕 于环境保护，所以，r p c 将会在隔音材料、低温材料、深海采油平台、核废料储 存，电磁辐射遮挡材辩、高强簸台材料以及各种特殊蘩求的涂覆材料等方面其有 广阚的戏用翦豢襄露绣翦慕，磷究r p c 也其蠢逵撰麴瑰蜜意义。1 1 湖龠大掌土本工撩掌霸9 t 筑材料专业磺士牛盥渖分文里 的应用前景和市场前景，研究r p c 也具有迫切的现实意义。 ( 二) 即c 的基本原捌 r p c 是通过合理选用原材料，优化颗粒级配，在凝结硬化过程中采取适当的成 型养护工艺获得。其设计是建立在减少孔隙率，优化孔结构，改善微观结构宗旨 上的，基本原则包括以下几点 2 0 。 1 、不含粗骨料，提高材料的均匀性 传统混凝土是一种不均匀复合材料，粗、细骨料在水泥石基体中起骨架作 用。一般说来，集料比基体要更为坚固。比如，石英质骨料的弹性模量为7 0 g p a ， 而水泥石仅为1 8 2 2 m p a ，集料颗粒较高的弹性模量有助于抑制各种收缩，如塑性 收缩、干燥收缩、自收缩等，这就导致在水泥石一租集料界砸上产生剪力及拉 力。剪力和拉力随颗粒尺寸增大而增加，若这些力超过了粘结强度，就会引起附 加开裂。在荷载作用下，集料和水泥浆体弹性模量问的差异会导致更严重的开 裂。另外，水泥石粗集料界面邵过度区是传统混凝土的最薄弱区域，由于分 层离析以及凝结硬化期间水泥浆体体积变化等原因，在未施加任何外荷载的情况 下，甚至在混凝土的养护期间，过渡区就已存在裂缝，因此减小混凝土中集料颗 粒尺寸，取消粗骨料，提高材料的均匀性，成为r p c 棍凝士的设计原则之一。 2 优化颗粒级配，并在成型和凝结过程中藏压，提高密实度 理论和实践证明多级粒径分布比二级粒径分布堆积更紧密。超细粒径硅灰的 掺入有助于填充于水泥颗粒之问的空间，并且其球状性质极大地促进了紧密堆 积。另外，硅灰可与水化释放的碱性c l 反应生成c _ s - h 。同时也促使c - s - h 在硅灰 的袭面成核，形成致密、无定形韵c 一 此外，在新拌混凝土中施加约束压力是增加密实度的一个有效措施。其作用 有减少新拌混凝土中的气泡，排除过薰水，补偿化学收缩等。虽然在凝结过程 中，施压可使滑凝土产生微裂缝，而且在撤除医力时，骨科也会产生膨胀而导致 裂缝，但是这些微裂缝在混凝土硬化过程中最终会自愈。 3 采用热养护，改善微观结构 据文献 2 0 2 1 报道，热养护有利于r p c 混凝土内部结构的改善，如降低临界 半径和总孔隙率加速水化反应，增加水化产物中结合水含量。另外，热养护可 大大加速硅灰的火山灰反应，生成低碱性水化硅酸钙，降低甚至消除氢氧化钙的 含量，从而改善水化产物的微观结构。在高温2 5 0 c ，还能生成晶体水化产物( 如 硬硅钙石等) ，因此有利于获得高强混凝土。s _ i s e 研究也发现在蒸汽养护和热 养护时d s p 强度增长幅度最大 1 。 1 2 湖龠大学土本工疆，掌睁t 筑材髓业嚷士毕业论文旦 4 加入钢纤维增加混凝土的韧性 随着混凝土强度的提高，其脆性也显著增大。混凝土的脆性问题，不可能从 混凝土的原材料和配比上获得解决，因为这种材料在微观结构上为共价键所主 导。只有通过与金属材料或商分子材料的复合途径，方能获得改善，如采用掺入 纤维、三维配筋，钢管约束等复合方式。在r p c 混凝土中常用的方法是与钢纤维复 合，钢纤维能够阻碍混凝土内部微裂纹的繁衍，扩展，对增加混凝土的韧性、抗 冲击性等起着关键作用，有效地避免无征兆的脆性破坏的产生。 5 制备工艺尽可能接近土木工程实际情况 为了保证r p c 能在土木工程中得到广泛的应用，r p c 的制备工艺力求简单和低 能耗，如搅拌和浇注与普通高性能混凝土并无区别。由于加噩涉及到工艺难易程 度，热养护考虑到经济与能耗，因此在r p c 的制备过程中，加压和热养护可根据实 际情况来取舍。 ( 三) 国外栅究文献缘述 自从法国的b o u y g u e s ，s a 研究r p c 成功以来，在短短的几年闻，法国、加拿 大、美国等各国学者对r p c 进行了一系列的研究，包括材料组成、微观分析、力学 性能、耐久性能等方面，并且已试用于土木工程中。以下是国外有关r p c 的文献综 述。 1 、材料组成 r p c 一般是由水泥、细砂、硅灰、石英粉、高效减水剂和钢纤维等组成。在 r p c 8 0 0 中还需掺入钢骨料。 水泥：根据流变性能和力学性能，最好采用高硅率水泥，然而其低水化率妨 碍了它在某些方面的应用。从化学成分的观点看，c 3 a 含量低的水泥具有较好的效 果。 砂：石英砂具有坚硬、与水泥具有很好的界面粘结的特性，且经济，来源 广。石英砂的颗粒范围宣限制在1 5 0 u m c 6 0 0 pm ，平均粒径2 5 0 p 1 1 1 。在某些情况 下，最大颗粒尺寸甚至不得大于3 2 5pm 。 硅灰：z i r c o n i a 厂生产的硅灰不含杂质，无凝聚现象，尽管比表面积为 1 4 舻g ，低于一般硅灰的比表面积( 18m 2 g ) ，但可获得最好的效果。 石英粉；石英粉是热养护r p c 的一种必不可少的组分，平均粒径为1 0um ，与 水泥在同一级配范围之内。 高效减水剂t 聚丙烯类分敖剂是最有效的塑化剂，其含量约占水泥量的 1 6 。 钢纤维t 长1 3 r a m ，宣径为0 1 5 r a m 的短直纤维。 1 3 蔫睦 鼻j i 攀土拳工撕 掌霸啊t 蓑糖。睾p 蟹a 囊士牛篮滹分文 一1 4 各材料闻的配比详见表1 - 3 - 1 。 2 、徽褒分析 国辨研究者采用多种方法对r p c 的徽观结构进行7 分析，具体鸯热重分辑、x 射线衍射、压汞测孔和s in 积法等方法。分析研究结果如下： ( 1 ) 采用热羲分耩发现热莽护有利予增翔承纯产物巾结合承含簧和硅灰的火山获 反应。穗灰躲火山获活性随瀑度的癸嶷蔼增加，当滠发达剽2 5 0 c 对，水证菠应生 成的c a ( 伽) 3 将会完全被火山获反成消耗掉，这时开始生成硬硅钙石。分析还发 现，在黼中，水泥承纯程度并不商( 水溺水纯率仅为4 0 9 6 6 0 9 6 ) 。程温度为2 3 0 列2 5 0 之闽时，由于水蝗产锈扶c 臆。l ( 对予托瑟葜寒匿e 菇c h = 1 转纯 为c h 焉的硬被钙石( c e & h ) ，因此有大量的结水释放出来，同时也说明当养护 温发达到2 5 0 甚至更高时，形成了赫体东化物硬硅钙石。 寝l q lr p c 典裂的配比参数( 羹基比) 及力学性能 r p c 2 0 0l p c 8 0 0 无纤维裔纤缝硅骨辩钢骨辩 硅酸盐水泥 llll 醴灰 0 2 3o 2 30 2 30 2 3 砂t 5 0 n m 一6 0 0 # m 1 11 1o 5 虿英粉d = l o # m o 3 9o 。3 98 3 90 姻 超塑剂( 聚丙烯 0 0 1 90 0 1 9o 0 1 90 0 1 9 类) 钢纤维l - - 1 2 咖0 1 7 5 镶纤维l = 3 m o 6 3o 0 3 钢骨料 8 0 0 pm 1 4 9 水o 1 70 1 9o 1 90 1 9 箍力( i 堍) 1 0 , - , - , 5 0 葵妒遗度 2 0 9 0 2 5 6 0 , 4 0 0 抗压强度( _ 噼a ) 1 7 0 船o4 9 0 , 0 8 1 0 抗折强度( m p a ) 3 0 6 04 5 1 4 0 弹性模爨( g p a ) 5 0 们6 06 5 7 5 断裂能( j 驴) 2 1 0 4 4 1 0 41 2 1 0 3 2 l 驴 ( 2 ) 采糟x 射线衍射研究的结巢迸一旁证鞠了热嚣分析结果，弼对，x 黼没霄发现 a f t ，这可能是水泥中岛a 含量( 3 8 ) 以及水获比缀低熬缘皴。对手2 5 0 c 一圣0 0 湖南大学土木工箱l j 攀倒u 毫筑素r | l 和专业司i - b 毕业论文 养护下的试件，在其内部找到了硬硅钙石而边缘却没有该产物，其原因可解释 为水化产物在外界高温下释放出的水因混凝土的低渗透性而残留在混凝土内部， 从而为产生硬硅钙石提供了条件。但养护温度在2 0 0 以下的 p c 中没有观察到硬 硅钙石。 ( 3 ) 采用压汞法对3 ，7 5 n m c - ，3 0 0pm 孔进行了测量。所测几组试件的累计孔隙率均 不超过9 且大多数孔径都小于临界半径。累计孔隙率的降低伴随有临界半径的相 应减小。对于某些试件，如在2 0 0 养护下( 未加压) 的试件其l 晦界半径很小，用 压汞法无法测出来，在这种情况下，累计孔隙率可忽略不计。另外，实验还统计 了在加压和不加压两种成型方法和不同养护温度( 2 0 一4 0 0 c ) 下试件的3 7 5 r i m 一1 0 01 tm 累计孔隙率。在2 0 c 一2 0 0 c 范围内随着养护温度的逐渐升高，结合水逐 渐增多，火山灰反应也逐渐充分，并且试件在加压成型的方法下逐渐密实，累计 孔隙率和临界半径值都逐渐下降。当养护温度为2 0 0 时，由于生成了密度较小的 托贝莫来石( 即雪硅钙石，d = 2 4 5 ) ，膨胀的体积较好地填充了未被填充的空 间，因此获得了最小的l 斑界半径值( 这只是一个假设，需要更好的方法来证 实) 。随着养护温度的进一步提高，孔隙率和临界值则增加，这要归因于硬硅钙 石的产生伴随有水的释放，因此对3 7 5 n m 一1 0 0 um 的孔隙率和临界半径影响较 大。总的来说，热养护对孔隙率影响大，其中，加压并进行了1 5 0 一2 0 0 热养 护的r p c 可获得最小孔隙率和很小的孔径。 ( 4 ) 采用s in 豫法研究了养护温度为2 0 一2 5 0 之闻r p c 的水化反应，c s _ h 硅 酸盐聚合程度、火山灰反应等。在2 0 下，2 8 天龄期的p s h 聚合度很小，火山灰 反应既弱又慢。随着养护温度的提高或者养护时间的延长，r p c 的水化反应和火山 灰反应得到了加强，c s - h 聚合度增大。在2 , 5 0 ( 3 时，由于硬硅钙石的形成，微观 结构发生了改变，出现了q 3 ( 即在偶联结构中与另外三个四面体相连的四面 体) 。 3 、力学性能 r p c 混凝土作为一种新型材料，具有优异的力学性能。对于养护温度为2 0 - 9 0 、常规成型的r p c ，其抗压强度介于1 7 0 一2 3 0 肝b 之间，抗弯强度为3 0 c 0 6 0 m p a ， 断裂能为2 1 0 4 4 1 0 4j m - 2 ，极限拉伸值为5 0 0 0 l o - 6 7 0 0 0 1 0 “nm - 1 ，弹 性模量为5 0 一6 0 g p 8 。而在5 0 m p a 压力下成型并且养护温度为2 5 0 4 0 0 c 时，抗压 强度为4 9 0 8 1 0 m p a ，抗弯强度为4 5 一1 4 1 m p a ，断裂能为1 2 x1 0 3 2 1 0 4j m 一， 弹性模量为6 5 c 0 7 5 g p a ，见表1 3 一i 所示。 4 、耐久性能 0 b o n f l e a u 等人对r p c 的耐久性能方面进行了冻融循环、氯离子渗透以及化冰 盐侵蚀等试验，结果表明r p c 在3 0 0 次快速冻融循环或者在化冰盐( n a t l ) 存在下 1 5 瀑鬻大察土拳工疆l 攀期静t 筑捌朝p 黛壤士毕盐 电客 的5 0 次冻融循环中几乎不受影响；对氯离子具商极好的抗渗性，甚至在有钢纤维 存在的试傅牵芬如诧。 5 、工程废用 横跨于加皋大i 蚰g o g 河上的r p c 混凝土人行桥是p p c 在结构工攫中的首例艘用， 也是如寨大、美国、法国和瑞典等国家r p c 研究者合作的成祭。它长6 0 m ，宽 4 。2 m ，垒部出r p c 溅凝土构件黪装组蔽，其拄燕强发2 0 铡晚，抗按强崖? p 硅，撬弯 强度4 0 1 l p a 。弹性模摄5 0 g p a 。其腹杆( 桁架) 是由r p c 和直径为1 5 0 衄，厚为3 m