（材料学专业论文）纤维增强高强度轻骨料混凝土的性能与质量控制技术研究.pdf

东龠大掌工程硕士掌位论文捕要 摘要 普通混凝土作为混凝士结构的主体材料，被广泛应用：r 包括建筑l 程、交通工程、水利工程、 地一f i r e 程以及其他特殊结构工程在内的各种土木工程领域。随着现代土木工程日益向着高耸、人跨、 重载的方向发展，使用天然密实骨料如碎石、卵石等制备的将通混凝士材料自重过大的缺点也日趋 明显，限制了混凝土结构在高层建筑、人跨度桥梁、海洋浮式采油平台等结构物中的应川。使州轻 质骨料制备轻骨料混凝土，为减轻混凝十的自重提供了有效的途径。此外，轻骨料混凝十：还具有抗 震性能强、耐火性能佳、耐久性良好以及综合经济性优良等优点。 本文采用高强轻骨料，通过活性矿物掺合料( 矿渣微粉) 与高效减水荆双掺技术，掺加不同类 型的纤维，制备纤维增强高强轻骨料混凝土，并对其物理力学性能进行了研究。 本文主要研究内容如卜： 纤维增强高强度轻骨料混凝土物理力学性能研究本文研究的纤维增强轻骨料混凝_ 【：的物理力 学性能主要包括表观密度、立方体抗压程度、劈裂抗拉强度、棱柱体抗压强度、弯曲抗折强度、弹 性模量和弯曲韧性等。试验结果表明，钢纤维能够明显提高轻骨料混凝土的力学性能，压痕型钢纤 维的增强效果比端钩型钢纤维要蚶一些。有机纤维对轻骨料混凝土的力学性能改善不明显，只有在 合适的长度和合适的掺量下，才能在一定程度上改善轻骨料混凝土的力学性能。 纤维增强高强轻骨料混凝土韧性性能研究高强轻骨料混凝土的脆性比较大，纤维可以改善高 强度轻骨料混凝土的脆性，提高其韧性。本文研究了不同类型纤维对轻集料混凝土韧性的影响。结 果表明，钢纤维对轻集料混凝土的韧性增强效果优于聚丙烯纤维，增加纤维掺量有利于韧性效果的 提高。 纤维增强高强轻骨料混凝土抗冻性能研究本文研究了轻骨料不同预吸水方式条件f ，不同类 型纤维对轻骨料混凝十抗冻性能的影响。试验结果表明，钢纤维使得轻骨料混凝土的抗冻性有所下 降，聚丙稀纤维能够提高轻骨料混凝十的抗冻性性能；加压预吸水的轻骨料降低了轻骨料混凝十的 抗冻性，掺加纤维可以减少这种不利影响。 纤维和膨胀组分对高强度轻骨料混凝土收缩性能研究本文研究了不同种类的纤维和膨胀组分 对轻骨料混凝土收缩性能的影响。试验结果表明，钢纤维干聚丙烯纤维都能够降低轻骨料混凝土的 收缩值钢纤维和聚丙烯纤维混掺具有叠加效果，对控制轻骨料混凝土的早期收缩更加有效，膨胀 组分也能有效减小轻骨料混凝土的收缩变形。 轻骨料混凝土的生产质越控制技术轻骨料的质量是轻骨料混凝_ 十质量控制的关键，制备高强轻 骨料混凝土应选择高强度的轻骨料，通过轻骨料的预湿处理，控制合理的振捣时间等措施，可以保 证轻集料混凝土的质量。 关键词：纤维，轻骨料，高强度，轻骨料混凝土，抗冻性，韧性，收缩，质量，控制 东南大掌工程司仕掌位论文捕- w - a b s t r a c t a so n eo f t h em a i nc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s ，o r d i n a r yc o n c r e t eh a sb e e nw i d e l yu s e di nc i v i le n g i n e e r i n g ， t r a n s p o r te n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g , u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n ga n do t h e rs p e c i a ls t r u c t u r e s ，w i t h t h et r e n do f h i g h - r i s e ，l o n g - s p a na n dh e a v y - l o a d i n gt h a ts t r u c t u r ed e v e l o p i n g ，t h ed i s a d v a n t a g e so f c o n c r e t e w i t hn a t u r a lp e b b l ea n dg r a v e la r eo b v i o u s b e c a u s eo ft h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h i sk i n do f n o r m a lc o n c r e t ei nh i g h r i s eb u i l d i n g s ，l o n g - s p a nb r i d g e so rp e t r o l e u mp l a t f o r m sa ts e ai sl i m i t e d u s i n g l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ei so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d st or e d u c et h es e l f - w e i g h to fc o n c r e t es t r u c t u r e a d d i t i o n a l l y , s t r u c t u r e sm a d eo fl i g h t w e i g h tc o n c r e t eh a v eg o o dr e s i s t a n c ea g a i n s tf i r ea n ds e i s ma t t a c ka s w e l la sd u r a b i l i t y c o m p a r e dt on o r m a lc o n c r e t es t r u c t u r e ，t h em o s ti m p o r t a n ta d v a n t a g eo fl i g h t w e i g h t c o n c r e t es t r u c t u r ei si t sl o wc o s t i nt h i sp a p e r , s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dl i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t hc o n c r e t ew a sp r e p a r e dw i t hl i g h t w e i g h t h i g hs t r e n g t ha g g r e g a t e ，b o t ha c t i v em i n e r a lb l e n d ( s l a gf u r n a c e ) a n ds u p e r p l a s t i c i z e r i t sp h y s i c a l p r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e da l s o t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e r s t u d yo nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i b e rr e n f o r c e dl i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t h c o n c r e t e t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dl i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t h c o n c r e t ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e ri n c l u d es p e c i f i cd e n s i t y , c u b i cc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s p l i t t i n gt e n s i o n s t r e n g t h ，p r i s mc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b e n dt e n s i o ns t r e n g t h ，e l a s t i cm o d u l u s ，b e n d i n gt o u g h n e s s ，e t c e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d d i t i o no fs t e e lf i b e ri m p r o v e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f l i g h t w e i g h tc o n c r e t es i g n i f i c a n t l y i ti s a l s os h o w e dt h a tt h er e i n f o r c e m e n to ff i b e rw i t hc u r v e dg r o o v ei s m o r ee f f e c t i v et h a nt h a tw i t hh o o k e de n d t h ei n f l u e n c eo f o r g a n i cf i b e ro nt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f l i g h t w e i g h tc o n c r e t ei sn o to b v i o u su n l e s si t sd o s a g ei sb i ge n o u g h s t u d yo nt h et o u g h u e s so ff i b e rr e i n f o r c e dl i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t hc o n c r e t e g e n e r a l l y , l i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t hc o n c r e t ei sq u i t eb r i t t l e t h ea d d i t i o n o ff i b e ri m p r o v e di t sb r i t t l e n e s sa n d t o u g h n e s ss i g n i f i c a n t l y t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf i b e r so nt h et o u g h n e s so fl i g h t w e i g h tc o n c r e t ew a s i n v e s t i g a t e da l s o t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e m e n tb ys t e e lf i b e ri ss u p e r i o rt ot h a tb y p o l y p r o p y l e n ef i b e r a l s ot h ei n c r e a s eo ft h ed o s a g eo ff i b e ri se f f e c t i v et oi m p r o v et h et o u g h n e s so f l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e f r o s tr e s i s t a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e dl i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t hc o n c r e t e i nt h i sp a p e r , t h ef r o s t r e s i s t a n c eo fl i g h t w e i g h tc o n c r e t ep r e p a r e dw i t hd i f f e r e n tf i b e ra n dl i g h t w e i g h ta g g r e g a t es o a k e di n d i f f e r e n tc o n d i t i o nw a si n v e s t i g a t e d i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ea d d i t i o no fs t e e lf i b e rr e s u l ti nt h ed e c r e a s e o fi t sr e s i s t a n c ea g a i n s tf r e e z e - t h a wc y c l e sh o w e v e r , t h ea d d i t i o no f p o l y p r o p y l e n ef i b e ri m p r o v e st h ef r o s t r e s i s t a n c eo fl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e t h ef r o s tr e s i s t a n c eo fl i g h t w e i g h tc o n c r e t em a d ew i t hs o a k e d l i g h t w e i g h tu n d e rh i g hp r e s s u r ei sp o o r e rt h a nt h a to fn o r m a ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ( n op r e s s u r es a t u r a t i o n ) c o n c r e t e t h i s s i t u a t i o nc o u l db ei m p r o v e db yt h ea d d i t i o no f f i b e ri n t ol i g h t w e i g h tc o n c r e t e t h ee f f e c t o f f i b e r a n de x p a n s i o na g e n to n t h es h r i n k a g eo f l i g h t w e i g h th i g hs t r e n g t hc o n c r e t e i n t h i s p a p e r , t h ee f f e c to fv a r i o u sf i b e r s a n dv a r i o u se x p a n s i o na g e n t so nt h es h r i n k a g eo fl i g h t w e i g h t c o n c r e t ew a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e da l s o t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h r i n k a g eo fl i g h t w e i g h t a g g r e g a t ec o n c r e t ec o u l db er e d u c e db yb o t hs t e e la n dp o l y p r o p y l e n ef i b e r t h ea d d i t i o no fb o t hs t e e la n d p o l y p r o p y l e n ef i b e rg e n e r a t e ss y n e r g e t i ce f f e c t ，w h i c ha r em o r ee f f e c t i v et oc o n t r o lt h es h r i n k a g eo f l i g h t w e i g h tc o n c r e t ea te a r l ya g e ，t h ea d d i t i o no fe x p a n s i o na g e n tc o u l dr e d u c et h es h r i n k a g eo f l i g h t w e i g h tc o n c r e t es i g n i f i c a n t l ya l s o t h et e c h n o l o g yo fq u a l i t yc o n t r o lo fl i g h t w e i g h tc o n c r e t ep r o d u c t i o n i nt h ep r e p a r a t i o no fh i g h 束龠夫掌工程硕士掌位论文捕要 s t r e n g t hl i g h t w e i g h tc o n c r e t e h i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t es h o u l db ee m p l o y e d t h eq u a l i t yo f l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ec o u l db eg u a r a n t e e db yp r e - w e t t i n gt r e a t m e n to fl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ， a p p r o p r i a t ev i b r a t i o nt i m e ，e t c k e yw o r d s ：f i b e r , a g g r e g a t e ，h i g hs t r e n g t hc o n c r e t e ，l i g h t w e i g h tc o n c r e t e ，f r o s tr e s i s t a n c e ，t o u g h n e s s ， s h r i n k a g e ，q u a l i t yc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，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，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日 期： 束南大掌工墨l 硕士掌位论文第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 普通混凝土材料作为混凝土结构的主体材料，被广泛应用于包括建筑工程、交通工程、水利工 程、地下工程以及其他特殊结构工程在内的各种土木工程领域。混凝土材料是近现代最为广泛使用 的建筑材料，也是迄今为止最大宗的人造材料。根据欧洲水泥协会( c e m b u r e a u ) 2 0 0 1 年年度报 告显示：2 0 0 1 年全球水泥总产量为1 6 9 亿吨，按每平方米混凝土使用2 5 0 k g 水泥计，全球混凝士的 年使用量约为6 7 6 亿立方米。另据我国国土资源部发布的( 2 0 0 3 年度中国国土资源公报，我国2 0 0 3 年水泥产量为1 2 亿吨，屠世界第一位，按上述方法推算。我国混凝土的年使用量约为4 0 亿立方米。 按着目前的发展趋势，可以预见，在2 1 世纪混凝土结构仍然将是土木工程的主导结构形式。但是 随着现代木工程日益朝着高耸、大跨、重载的方向发展以及建造各种新型特种结构物需求的增加， 普通混凝士表观密度大的缺点也日益明显。限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、海洋浮式 采油平台等结构物中的应用。目前怎样有效提高混凝土的强度等级，同时减少其自身质撮已经成 为国内外专家学者的研究焦点。 轻骨料混凝土作为轻质混凝土的一个品种，为减轻混凝土结构的自身质量提供了有效的途径口】。 轻骨料混凝土是用多孔轻质骨料( 即轻骨料) 和水泥等配制而成的一种轻质混凝土口j 。轻骨料混凝 土使用内部多孔同时具有一定强度的轻质骨料代替天然密实骨料在混凝土中间接引入孔隙，从而 达到减轻混凝土材料表观密度的目的。古罗马工匠使用天然火山渣作为骨料建造的跨度达们3 米的 罗马万圣殿穹顶至今仍完好无损。但是限于天然轻骨料的来源和产量，使用这些骨料制作的建筑物 只在一些天然资源比较丰富的地区出现。轻骨料混凝土得以广泛的应用，是在人造轻骨料被研制出 来之后。上世纪之初，美国堪萨斯城的陶瓷工程师s t e p h e nj h a y d e 从烧胀后的废粘土砖中得到启发， 使用回转窑烧制由页岩、桔、扳岩等制得的颗粒，通过有限的破碎，制成了满足混凝土骨料级配 要求的人造轻骨料。最早成功应用人造轻骨料的场合是船舶工业。在第一次世界大战中，由于钢铁 板材的供应不足，同时天然轻骨料不能满足船舶工业对材料比强度的要求，使得人们开始关注人造 轻骨料及其制备的轻骨料混凝土。与此同时，轻骨料混凝土在高层建筑中也开始应用。1 9 2 9 年，在 美国堪萨斯城西南贝尔电话公司1 4 层办公大楼的楼层扩建工程中，就是采用轻骨料混凝十替代普通 混凝土从原来的扩建8 层提高到扩建1 4 层”。 相对于普通混凝土材料来说，轻骨料混凝土具有以下的优点”： 1 结构效益好在强度等级相同的情况下，轻骨料混凝土比普通混凝土材料表观密度低2 0 4 0 ，轻骨料混凝土的比强度大于普通混凝土材料，结构质量减轻。丽且，使用轻骨料混凝土可以 减少结构断面，提高结构的高度，增大结构跨度，以及减少钢筋、强应力钢筋和结构钢材的_ 量。 在结构断面相同的条件下由于结构自身质量的减少，可以提高结构承载力。 2 抗震性能强轻骨料混凝土由于密度小、质量轻、弹性模量低，结构承受动荷载能力强，在 地震荷载作用下所承受的地震力小，震动波的传递速度也较慢，且结构的自震周期长，对冲击能量 的吸收快，减震效果显著。 3 耐火性能佳轻骨料混凝土由于导热系数较低，热阻值大，在高温作用下，温度由表及里的 传递速度将大大减慢，可保护钢筋。对同一耐火等级的构件来说，轻骨料混凝土扳的厚度可比普通 混凝土减薄2 0 3 0 。 4 耐久性良好由于轻骨料混凝土具有优良的轻骨料和砂浆间的粘结和界面过渡区，而界面过 渡区是影响混凝士材料耐久性的重要因素之一，因此，轻骨料具有良好的抗渗透性、抗冻性以及抵 抗各种化学侵蚀的能力。另外，轻骨料和砂浆组分弹性兼容性好，内部裂缝和戍力较少。 5 经济性优良尽管轻骨料单方造价比同强度等级的普通混凝土要高，但由于其减轻了结构的 东南大掌工薯l 号l 士掌崔【论文 第一章墙论 白重、缩小了结构断面，增加使用面积，减少钢材用量，降低基础造价而具有显著的综合经济效益。 密度等级和强度等级是轻骨料混凝土两个最为重要的指标。由于所使用的轻骨料不同各国规 科一般均按照两者的不同将轻骨料混凝土按使用场合分为保温用轻骨料混凝土、结构保温用轻骨料 混凝土和结构用轻骨料混凝土。本文主要讨论结构用轻骨料混凝土，因此如无特殊说明，结构_ j 轻 骨料混凝土均简称为轻骨料混凝土。 同普通混凝土向高强发展一样，轻骨料混凝土也随着人造轻骨料性能的提高，朝高强的方向发 展。由于轻骨料的特殊性，在我国一般均认为强度等级在c l 3 0 以上的轻骨料、琨凝土可以称为高强 轻骨料混凝土1 1 。鉴于国内外的习惯，本文规定，按边长为l o o m m 立方体试件测定轻骨料波凝士 2 8 d 抗压强度，大于4 0 m p a 时称为高强轻骨料混凝土。相对应的干表观密度为1 4 0 0 k g m 3 9 5 0 k g , m 3 。 显而易见，高强轻骨料混凝土的使用可以更为有效的提高结构效益，同时发挥轻骨料混凝土所特有 的优点。高强混凝士在土木工程中，特别是在高层建筑、大跨度结构、海洋工程中具有广泛的应用 前景。 但不容忽视的一点是材料的脆性，轻骨料混凝土随着其强度等级的提高，破坏时较普通混凝土 表现得更具脆性，这种破坏往往发生在受拉应力的系统或冲击荷载情况下。另外，从结构的裂缝观 点来看，高强轻骨料混凝土的优越性得不到充分发挥，在设计强度的3 0 以内，材料已经开裂，而 且高强材料往往伴随着高的脆性。同时，轻骨料混凝土的收缩变形较丈，使混凝士更易于开裂。研 究表明，多数裂缝与荷载无关，塑性裂缝、千缩、温度变化等开裂因素才是混凝士众多问题的根源。 因此，如何增强轻骨料混凝土的抗裂性能及韧性是发展高性能轻骨料混凝土的技术关键。 纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，在某种意义上可看成是纤维增强混凝土脆性基体的复合材 料。目前，美国、欧洲、加拿大、日本等国的大量实践证明，解决混凝土因塑性收缩、干缩等内部 应力作用产生的微裂缝的最有效的方法是采用纤维增强。 纤维增强轻骨料混凝土则是以轻骨料混凝土为基材，以非连续的短纤维或连续的k = 纤维作为增 强材料所形成的水泥基复合材料。由于纤维的乱向分布，形成网络结构，能有效阻止裂纹扩展，提 高混凝土的断裂能，从而使混凝土的延性增大。提高混凝士的韧性及抗裂性能1 9 1 。 i 2 国内外纤维增强高强度轻骨料混凝土的研究现状 1 2 1 国外研究现状 以美国为代表的北美地区、以挪威为代表的北欧地区以及亚洲的日本等国是世界上轻骨料耀凝 士研究与应用较为先进的国家和地区。在这些国家和地区，高强度轻骨料混凝土的研究与应用也走 在世界的前列。 美国是轻骨料混凝土应用较早、最广泛的国家之一。2 0 世纪7 0 年代初，美国的轻骨料产量已 达1 8 0 0 万立方米，并以每年5 8 的速度增长。在美国j ，高强轻骨料混凝土广泛应用于高层 建筑、桥梁工程等各种建筑物，在高强轻骨料混凝土的制备方面积累了丰富的经验。应用于高层建 筑最著名的例子是5 2 层2 2 0 m 高的休斯顿贝壳广场大厦，所用混凝土的干表观密度为1 8 4 0 k g m 3 ， 抗压强度3 2 m p a 4 2 m p a 。国际知名的t y ：l i ni n t e r n a t i o n a l 在轻骨料混凝土用于桥梁t 程中有着丰 富的设计施工经验，1 9 8 4 年美国联邦政府委托其编制了 c r i t e r i af o rd e s i g n i n gl i g h v n , e i g h tc o n c r e t e b r i d g e ) ) 。2 0 0 1 年，该公司和c h 2 m l q i l l 合作设计了位于美国c a l i f o m i a 的b e n i c i a - m a r t i n e z 桥，该桥 总欧2 7 1 6 m ，最大跨度2 0 0 n l ，典型跨度1 6 1 m ，抗震按照1 0 0 0 2 0 0 0 年一遇设计。所用轻骨料混凝 十2 8 d 抗压强度为4 5 m p a ，干表观密度1 9 2 0 k g m 5 。 在挪威i i 。1 3 1 , 挪威混凝协会，从上世纪8 0 年代起，该会就是联合国高强高性能涅凝土和轻 骨料混凝土研究的技术力量，对桥粱用轻骨料混凝士进行系列研究，已有十余座主要桥梁使用轻骨 料混凝_ 十制造i l “。其中两座悬臂桥跨度分别为2 9 8 m 和3 0 1 m ，两桥分别是当时悬臂桥跨度的世界记 2 束龠大掌工程司e 士掌位论文第一章培论 录。同时挪威还在北海上的h e i d r o n 漂浮离岸平台结构工程中在世界上首次使用了展大干表观密度 为2 0 0 0 k g m 3 抗压强度为6 0 m p a 的轻骨料混凝土”。对这些结构的检测表明轻骨料混凝土的耐久 性是可靠的，甚至优于普通混凝土。1 9 9 5 年和2 0 0 0 年，在挪威的s a n d e t j o r d 和k r i s t i a n s a n d 分别召 开了由挪威混凝土协会，美国混凝土协会( a c i ) ，国际结构混凝十联合会( f i b ) 联合资助的第一和 第二届国际结构轻骨料混凝土会议。这个国际会议代表了当今对结构轻骨料混凝土研究的最高水平 平最新研究动向。 1 2 2 国内研究现状 我国高强轻骨料混凝士的研究始于七十年代，天津建筑科学研究院等单位在实验室用高强粉煤 灰陶粒配制出c l 4 0 干硬高强轻骨料混凝土。八十年代初铁道部大桥局桥梁科学技术研究所在实 验室采用高强粘土陶粒和5 2 5 级水泥配制出c l 6 0 干硬高强轻骨料混凝土，将c l 4 0 粉煤灰陶粒高 强混凝土应_ i j 于金山公路跨度为2 3 m 的箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻2 0 以上，是我国高强轻 骨料混凝土应用的一个成功范例”“l 。 近年来，随着国产优质轻骨料的批量供应，结构中对减轻结构自重要求的提高，结构轻骨料混 凝土又重新引起人们的高度重视。国内的一些科研院所、大专院校、设计施工等单位开展了一些采 用国产轻骨料配制高强轻骨料混凝土的工作，并取得了一定的成果。1 9 9 9 年末，在唐律高速公路二 期t 程永定新河大桥的优化设计中使用了轻骨料混凝士，该殴计是由天津市市政殴计研究院和 一v l i ni n t e r t i o n a l 共同完成的。经优化设计后由高强轻骨料混凝土取代普通混凝土，跨度从原来的 2 4 m 增加到3 5 m ，并且不再铺装沥青层。所用的轻骨科混凝士强度等级为c l 4 0 ，密度等级为 1 9 0 0 k g m 3 。通过优化设计，改变了主粱结构类型和减少了下部结构尺寸，节省了造价”。 目前，我国在轻骨料混凝土应用方面，正朝着轻质、高强、多功能方向发展。随着建筑节能、 高层、抗震的综合要求，轻骨料混凝土的质量和产量还远远不能满足建筑业高速发展的需要。提高 轻骨料混凝土的质量，大力推广应用轻骨料混凝土，这是摆在所有技术人员面前的一项重要任务。 1 3 本文研究目的、研究思路和主要研究内容 1 3 1 研究目的 借鉴普通骨料高强高性能混凝土研究经验。基于对国内外高强轻骨料混凝土研究现状了解，针 对目前国内研究的不足之处。本文的研究目的主要是： 1 解决纤维增强高强轻骨料混凝土的制备技术。 2 通过纤维增强技术，改善高强轻骨料混凝士的力学性能，尤其是改善高强轻骨料混凝土的脆 性。 3 通过掺加纤维、膨胀组分减少高强轻骨料混凝土的收缩变形。 4 考察轻骨料的不同处理方式对高强轻骨料混凝七抗冻性能的影响。 5 解决轻集料混凝土的生产与施工等技术问题。 1 3 2 研究思路 使用活性掺台料、高效减水剂双掺技术，选用高强轻骨料是制备高强轻骨料混凝十的主要技术 线路，在此基础上，采用钢纤维、有机纤维配制纤维高强轻骨料混凝土并研究其物理力学性能。 由于轻骨料混凝土单方水泥用量大，骨料的弹性模量低。导致轻骨料混凝土的收缩变形大，通 过对轻骨料混凝土收缩性能的研究，提出减少轻骨料混凝土收缩的措施。 随着建筑施工技术的发展，混凝土施丁均采用泵送- t 艺，如轻骨料不进行预吸水处理，贝可能 东南大掌工程号仕掌位论文 】s 一章j w 论 无法满足轻集料混凝士运输和泵送要求。研究预吸水处理的轻骨料对混凝土抗冻性的影响，并从微 观角度分析其性能的变化。 1 3 3 主要研究内容 1 研究纤维增强高强度轻骨料混凝土的配制技术。 2 研究纤维增强高强度轻骨料混凝士的力学性能。 3 研究加压吸水的轻骨料对轻骨料混凝土抗冻性和抗压强度等的影响。 4 研究纤维对高强轻骨料混凝土收缩变形的影响。 5 研究膨胀组分对高强轻骨料混凝土收缩性能的影响。 6 研究轻集料混凝土的生产技术。 4 东南大掌工租司e 士掌位倒 二3 i t ；= _ - j t t - 尿利r 料反试验方案设计 第二章原材料及试验方案设计 2 1 试验原材料及其基本性能 2 1 1 水泥 试验所_ l j 的水泥为江南小野田水泥有限公司生产的p i l 5 2 5 r 硅酸盐水泥。水泥化学成分和物 理力学指标如下： 蠢z ；! 盔泥化堂盛盆( 磐箜竖2 鲤q1 2 垡e 墼垒丛殴垡& qm 艘 l q ! ( ! ) 吐5 q2z | 姓。2 3 。l qq 。2 2l 。2 q= 1 q ( 1 ) l o i ：烧失量，下同。 基2 ：2 丞涅毖理出堂监能 密厦 比表面积 鞋缝盟间( 地鱼2速蚯强度( 丛礁1遗压强廑( 丛p 勤 ( g m ! ) ( 盟! 出g ) 扭掇 终凝 3 i 2 望 3 d 2 8 d 3 。2 q3 丝 1 迹 1 5 5 6 ；1 ；23 1 。q5 8 。q 2 1 2 粗骨料 粉煤灰一页岩高强轻骨料，上海申威陶粒制品有限公司生产，如图2 一l 所示，其各项物理力 学性能如表2 3 。 图2 1 高强轻骨科 表2 3 轻骨料各项物理力学性能 性能指标颗粒级配麓黧黼黧1 “黔率觚( m p 强度a ) 黻( m p 鞭a ) k g m ( k g m (3 )。)( ) 实测值 5 - 1 6 r a m1 4 7 09 0 05 0 9 5 4 0 连续级配 国标对高强 轻骨料要求 9 0 0 级 6 54 0 东南大掌工程硕士掌位论文 第；章原材料及试验方案设- t l - 2 1 3 细骨料 中砂，细度模数2 5 9 ，表观密度为2 6 9 c m 3 。 2 1 4 矿渣微粉 钟山牌$ 9 5 矿渣微粉，南京汀南粉磨有限公司生产化学成分如表2 4 ，密度为2 9 0 9 c m 3 ，比 表面积为4 2 5 m 2 k g 。sem 颗粒形貌观察如图2 m 2 所示。 孟2 ：4 芷渣啦猃业主盛盆【尘签竖) s i q 2e 笪q 31 2 坠曼qm g qs q 3l 盟1 31 。2 2q 。矗31 5 ：3 壶3 2 ：1 窆l q 。1 5 l l 盎l 。q 2 2 1 5 钢纤维 图2 2 矿渣微粉 1 佳密克丝钢纤维上海贝卡尔特二钢有限公司生产，主要性能如下： 表2 5 钢纤维主要性能 2 武南牌新型特种钢纤维武进东南新犁建筑材料厂生产，主要性能指标如p 表2 , 6 钢纤维主要性能 2 i 6 聚丙烯纤维 6 束南大掌工程司e 士掣啦论文3 p ；= t 原材料及讨啦方案设计 美国格雷斯公司生产，主要性能指标如下 表2 7 聚丙烯纤维主要性能 2 1 7 聚丙烯腈纤维 深圳海川工程科技有限公司生产，主要性能指标如； 表2 8 聚丙烯晴纤维主要性能 细度 比表面积c m 2 ，g 3 0 0 0 0 3 1 s m m 筛筛余 胶砂限制膨胀率 水中7 d 空气中2 8 do 0 1 5 2 1 9 外加剂 萘系高效减水剂( 粉状) ，江苏博特新材料有限公司生产。 2 1 1 0 永 普通自来水。 2 2 试验方案设计 根据本文研究目的和研究思路，本文的试验研究主要包括：纤维增强商强轻骨料混凝十制备技 术、纤维增强高强轻骨料混凝土物理力学性能研究、纤维增强高强轻骨料混凝土收缩变形研究，以 及轻骨料加压吸水对轻骨料混凝土抗压强度和抗冻性的影响研究。 2 2 1 纤维增强轻骨料混凝土的配制 在广。泛参考了美国a c l 2 1 1 2 结构轻骨料混凝土配合比选择的实用标准和我国轻骨料混凝 土技术规程( j g 5 1 - - - 9 0 ) 等规范，以及国内外各种相关的文献基础上，采用活性掺合料、高效减水 荆双掺技术，选用5 2 5 级硅酸盐水泥、制备纤维高强轻骨料混凝 t 。 2 2 2 纤维增强高强度轻骨料混凝土的物理力学性能研究 研究不同品种纤维在不同掺量的情况下，对高强度轻骨料混凝土力学性能的影响，各项力学性 能包括立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、棱柱体抗压强度、弯曲抗折强度、弹性模鼙和弯曲韧性等。 7 东南大掌工程司n b 掌位论文 ， = 章最材料a 试验方案设计 2 2 3 轻骨料加压吸水对轻骨料混凝土抗冻性和抗压强度的影响 对于轻骨料混凝土而言，由于轻骨料与天然骨料相比有较大的吸水率，在轻骨料混凝土泵送时， 网泵送压力作用必然对轻骨料混凝土性能产生影响。本文研究了轻骨料不吸水和骨料加压吸水对混 凝士抗冻性和抗压强度的影响。 2 2 4 研究纤维对高强轻骨科混凝土收缩变形的影响 对于轻骨料混凝土而言，由于单方水泥用量大，轻骨料与天然骨科相比弹性模量比较低，使得 轻骨料混凝土的收缩比较大，本文测试了高强轻骨料混凝土收缩变形，并研究了不同品种纤维及膨 胀组分对高强轻骨料混凝土收缩变形的影响。 8 东南犬掌工程硕士掌位论文 第三章纤雄增强高强轻骨料漶鬻土物理力掌性能研究 第三章纤维增强高强轻骨料混凝土物理力学性能研究 现代建筑高层化和大跨度的发展方向给建筑材料提出了轻质、高强的要求。轻骨料混凝十具有 质量轻、耐久性能好和抵抗热应力能力强等优点。在土木工程，特别是在海洋工程、高层建筑利大 跨度桥梁等重要工程领域得到了广泛应用。因此轻集料混凝土已成为当今世界混凝十材料领域的研 究热点其应用也日益扩大。本章研究了纤维增强高强轻骨料混凝土的配制技术，同时研究了不同 品种纤维、掺量对高强轻骨料混凝土物理力学性能的影响。 纤维增强轻骨料混凝土的物理力学性能主要包括表观密度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、 棱柱体抗压强度、弯曲抗折强度、弹性模量和弯曲韧性等。 3 1 纤维增强高强轻骨料混凝土的配制 3 1 1 高强轻骨料混凝土的配制 轻骨料混凝土配合比设计的任务是确定获得预期性能而又经济性优良的各组成材料用量。在这 点上和普通混凝土配合比设计的目的是相同的，即在保证结构安全使用的前提下，力求达到便于施 _ 丁：和满足经济性的要求。但是考虑轻骨料的各项性能与背通骨料有着明显不同进行轻骨料混凝土 配合比殴计也有着很大的特殊性。对轻骨料混凝土来说，在满足强度等级要求的同时，还需满足密 度等级要求。而强度与密度等级对轻骨科混凝土来说是有矛盾的，这就给其混凝土配合比的设计带 来很大的复杂性睁2 3 1 , 轻骨料对轻骨料混凝土配合比设计的影响主要体现在以下三个方面： 1 轻骨料颗粒表观密度 强度和表观密度是轻骨料混凝： = 两个最为主要的性能考察指标。在轻骨料泄凝_ ：中占很大比例 的轻骨料的袁观密度的大小，将直接影响制备的轻骨料涅凝土的表观密度。 2 轻骨科吸水率 由于轻骨料和普通骨料相比具有较大的吸水率，这一部分吸水量必须在配合比设计中加以考虑， 否则将引起一i ：作性不良的问题。 3 轻骨料表面状态 由于轻骨料的多孔性及表面的粗糙性，同表面较为光滑的普通骨料相比，一般需要较多的水泥 浆体包裹，这使得轻骨料混凝土的水泥用量一般较大。 上e 是由于这些特点，使得轻骨料混凝土的配合比设计，虽然各国学者都提出过些方法，但均 未达劐实际可用的程度，轻骨料混凝的配合比设计很大程度的依赖于试验试配和经验积累。对 于高强轻骨料混凝士的配合比设计而言，则更是如此。 试验配合比设计的总体思路是：首先确定不掺活性掺台料的基准轻骨料混凝土配合比；其次， 确定掺活性矿物掺合料的轻骨料混凝土的配合比。 3 1 2 基准配合比设计步骤 在较为广泛的参考了国内外文献和有关国家的轻骨料混凝土配合比设计规程，主要是美国 a c l 2 1 1 2 结构轻骨料混凝土配台比选择的实用标准和我国轻骨料混凝土技术规程( j g j 5 1 9 0 ) 后，可以发现： 1 在轻骨料混凝土配合比设计时，水抛强度等级和增量、砂率、水灰比是三个最为重要的改计 参数。轻骨料混凝土配合比设计的关键住于确定三者。 2 轻骨料混凝土配合比设计推荐采用绝对体积法。绝对体积法是按每立方米轻骨料混凝_ 十绝对 9 查! 查竺苎苎! 主竺竺竺至! 三! 竺苎兰! 兰! 竺竺! 竺兰兰兰竺兰竺兰竺苎要墨 体积等于各组分材料绝对体积之和来进行计算的a “绝对体积法”是我国规程中的提法，在美国规程 中相似的方法被称为“质量法”。 鉴丁- p 1 1 4 2 5 r 级和p 1 1 5 2 s r 级硅酸盐水泥是目前普遍使用的硅酸盐水泥，本文的试验使_ 了 p i l 5 2 5 r 级硅酸盐水泥，外加剂使用了萘磺酸盐类高效减水剂。配合比设计步骤具体如卜： 1 确定水泥用量 水泥用量是混凝土配合比设计中晟主要的设计参数。根据国内外的经验高强轻骨料混凝十的单 方水泥用量一般在4 5 0 , - - 5 5 0 k g 之间。我国轻骨料混凝土技术规程( j g j 5 1 9 0 ) 轻骨料混凝士的单 方水泥用量一般不应大于5 5 0 k g 。这主要是考虑到单方水泥用量过大，会影响轻骨料混凝十的耐久 性和收缩性能。同时过大的水泥用量对于轻骨料混凝土的经济性也是不利的。这一点