（材料学专业论文）高性能纤维混凝土及其在大跨度桥梁中的应用研究.pdf

摘要 摘要 混凝土是目前土木建筑工程的主要材料，伴随着工程建设的需要和科技的发 展，混凝土性能及其应用技术也得到了快速的发展。围绕着混凝士的质量与施工 水平的提高，混凝土技术的发展，归纳起来，可以说由初期的大流动性混凝士发 展到塑性混凝土，二次大战后发展了半干硬性与干硬性混凝土，后来发展了流态 混凝土；直至今天又发展为高强度、高性能混凝土。 高性能混凝土是通过采用“双掺法而得到的一种新型混凝土，即在混凝土中 加入硅粉、磨细矿渣、粉煤灰及高效减水剂等一些外加剂和活性混合材所获得的 一种低水灰比、高耐久性、高强度及高流动性的混凝土。但是，混凝土的固有弱 点是因其具有脆性而容易产生裂缝，高强混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为 6 ( 当混凝土的强度等级超过c 4 5 时) ，脆性显著，塑性明显下降，因为脆性破 坏会随时产生，高强混凝土结构的跨度不能增幅太大。当结构受弯、荷载等于破 坏荷载的1 5 2 0 时就开始产生裂缝，裂缝的扩展会造成结构物抗渗性等的降 低，以致使用寿命缩短；在结构设计时因裂缝宽度的限制，高强建筑材料的优越 性得不到充分应用，对于大跨度桥梁这种结构，裂缝更是引起结构物破坏的一个 重要因素。 针对以上情况，根据目前研究出的纤维增韧机理，本文提出将纤维加入到混 凝土中，结合使用减水剂、矿渣、膨胀剂等材料来配置新型高性能纤维混凝土， 将其应用于大跨度桥梁结构中，来抑制混凝土裂缝的形成及发展，提高混凝土的 体积稳定性和耐久性，保证结构物的安全使用寿命。 本文首先进行理论分析，接着在此基础上进行室内试验，来研究新型高性能 纤维混凝土的性能，并结合实际工程应用，进一步验证本文的主旨思想。通过研 究证明纤维对混凝土有很好的抗裂性，本文中所提出的新型高性能纤维混凝土其 体积稳定性得到了很好的改善，从而提高了混凝土材料的耐久性，将这种新型材 料应用于大跨度桥梁结构中对于保证结构物的安全使用年限大有帮助。 本文依托重庆石板坡长江大桥科研专题项目“石板坡长江大桥加宽改造工程 高性能混凝土研究 进行。 关键字：混凝土，强度，裂缝，耐久性，纤维，膨胀剂 a b s t r a c t t h ec o n c d d t ei st h em a i nm a t e r i a lo ft h ec i v i lc o n m u c f i o ne n g i n e e r i n gc u r r e n t l y ， a c c o m p a n yw i t ht h ed e m a n do ft h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c l m o l o # e s ，c o n c d e t c 。sf u n c t i o na n da p p l i e dt e c h n i q u e sa l s og e tt h ef a s t d e v e l o p m e n t a r o u n dt h ee x a l t a t i o no ft h eq u a n t i t ya n dc o n s t r u c t i o nl e v e lo ft h e c o n c r e t c ，t h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fc o n c r e t e 。s u mu pt os a y ，s t a r t sf r o mi n i t i a l s t a g eo fl a r g ef l u i d i t yc o n c r e t et op l a s t i cc o n c r e t e a f t e rt h es e c o n dw o r l dw a r , t h e s e m id r yh a r d n e s sc o n c r e t ea n dh a r d n e s sc o n c r e t eh a v e b e e nd e v e l o p e d ，t h e nt h ef l o w p a t t e r nc o n c r e t e ，a n du pt on o w i sh i g hs t r e n g t ha n dh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e t h eh i g hp e r f o r m a n c ec o 咀c n 粕i san e wt y p eo fc o n c r e t ep r o d u c e db yp u t t i n g s o m es i l i c o nf l o u r ，m i l ls c o r i a ，f l ya s ha n ds u p e rw a t e rr e d u c i n ga g e n ti n t on o r m a l c o n c r e t e ，w h i c hh a v et h eq u a l i t yo fl o ww a t e rc e m e n tr a t i o ，h i g hd u r a b i l i t y ，h i g h s t m n g ha n dh i g hf l u i d n e s s b u tc o n c r e t ei se a s yt oc r a c ki n h e r e n t l yb e c a u s eo fi t s b r i t t l e n e s s w h e nt h er a t i oo ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e st e n s i l es t r e n g t ha n d c o m p r e s s i v es t r e n g t hi so n l y6 ( w h e nt h ec o n c r e t e ss t r e n g t hg r a d ei sh i g h e rt h a n c 4 5 ) ，t h eb r i t t l e n e s si sv e r yr e m a r k a b l e ，t h ep l a s t i c i t yd e s c e n d sv e r yq u i c k l y ，a n d b e c a u s et h eb r i t t l e n e s sb r e a k a g em a yc o m ei n t ob e i n ga t a n ym o m e n t ，t h eh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t es t r u c t u r e ss p a nc a n ti n c r e a s et o om u c h i tw i l lc r a c k sw h e n s t n l c t u r ei sb e n ta n dt h el o a dr e a c h e s1 5 - 2 0 o f 也ec o l l a p s el o a d c r a c ke x p a n s i o n m a yd e b a s et h ep e r c o l a t i o nr e s i s t a n c eo ft h es t r u c t u r ea n ds h o r t e ni t ss e r v i c el i f e b e c a u s eo ft h el i m i to fc r a c k sw i d t h ，t h es u p e r i o r i t yo ft h eh i g hs t r e n g t hb u i l d i n g m a t e d a lc a n tb eu s e da d e q u a t e l yw h e nd e s i g n i n gt h es t r u c t u r e ，t h ec r a c ki so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o r so f t b es t r u c t u r e sb r e a k a g ef o rs o m el a r g e - s p a nb r i d g e s a i m i n ga t t h ea b o v ec i r c u m s t a n c e s ，a n da c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo f i n c r e a s i n gt e n a c i t yb yf i b e rs t u d i e dn o w 。t h i st e x tp u t sf o r w a r dj o i n i n gt h ef i b e rt ot h e c o n c r e t e 。c o m b i n e d 砸t hw a t e rr e d u c i n ga g e n t ，s c o r i a ，e x p a n d i n ga g e n ta ne t c t og e t t h en e w h i g hp e r f o r m a n c ef i b e rc o n c r e t e ，u s e dw h i c h i nl a r g e s p a nb r i d g es t r u c t u r et o r e s t r a i nt h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ec o n c r e t ec r a c k ，r a i s et h ep h y s i c a l v o l u m es t a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yo fc o n c r e t ea n dg u a r a n t e es a f es e r v i c e so fs t m c t u m - t h i st e x tc a r r i e so nt h et h e o r i e sa n a l y s i sf i r s t l y ，t h e nm a k e se x p e r i m e n ti n d o o r s t os t u d yt h ec a p a b i l i t yo ft h en e wh i g hp e r f o r m a n c ef i b e rc o n c r e t e ，a n dv e r i f i e st h e t e x t u a ls u b j e c tt h o u g h tf u r t h e rw i t hc o m b i n i n gt h e a c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h r o u g ht h er e s e a r c h ，i tc e r t i f i c a t e st h a tf i b e ri sg o o dt or e s t r a i nc r a c k v o l u m e s t a b i l i t yo ft h en e wh i g hp e r f o r m a n c ef i b e rc o n c r e t em e n t i o n e di nt h et e x tg e t s i m p r o v e d ，w h i c hr a i s et h ed u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t em a t e r i a l ，a p p l y i n gt h i sk i n do f n e wm a t e r i a lt ol a r g e - s p a nb r i d g es t r u c t u r ew i l lb eh e l p f u lt oa s s u r r u c os t r u c t u r es a f e u s i n gt i m eg r e a t l y t h es t u d yi sr e l i e do i lt h ec h o n gq i n gs h i b a np oc h a n g j i a n gr i v e rb r i d g e s c i e n t i f i cr e s e a r c ho b j e c t ，w h i c hn a m e d “s h i b a np oc b a n g j i a n gr i v e rb r i d g ew i d e n c h a n g ee n g i n e e r i n g ，h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t er e s e a r c h ” k e y w o r d s ：c o n c r e t e ，s t r e n g t h c r a c k ，d u r a b i l i t y ，f i b e r , e x p a n d i n ga g e n t 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 详调千 日期：工口a 年歹月1 7 日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：群伯彳 指导教师签 日期：盔口一绊，月j 7e 1日期：d 0 年；月7 日 第章引言 第一牵引言 1 1 问题的提出及本课题的研究目的 混凝土是目前土木建筑工程的主要材料，伴随着工程建设的需要和科技的发 展，混凝土性能及其应用技术也得到了快速的发展，其中最明显的就是混凝土强 度的提高，现今已有c 6 0 、c 8 0 混凝土应用在工程中。然而，混凝土材料的性能并 不令人十分满意，特别是在桥梁使用环境中，耐久性往往不够好。1 9 8 7 年在美国 国家材料顾问委员会所提交的报告中指出，在大约2 5 3 0 0 0 座混凝土桥梁的桥面板 中，有些仅使用不到2 0 年就已经不同程度的损坏，且每年还要有3 5 0 0 0 座桥梁的 桥面板损坏。根据美国联邦公路管理署1 9 9 7 年统计，目前有3 1 的桥梁低于标准， 其中1 7 被划为有结构缺陷，将被关闭、限载或立即修复；另外1 4 划为功能过 时，即桥面构造、净空高度或承载能力不符合标准要求。低于标准的混凝土与预 应力混凝土桥梁中，有超过1 0 的属结构或功能不良。结构不良主要是混凝土劣 化而造成早期损坏。混凝土桥梁建成后1 0 2 0 年就需要维修的情况非常普遍。 其他诸如公路、大坝、高层建筑、大水塔等建筑物的材料破坏情况也十分严重， 研究讨论后，学者们普遍认为混凝土材料的耐久性不足是造成混凝土破坏的一个 主要原因。因此，这个时候则提出了高性能混凝土这一概念。 高性能混凝土是通过在混凝土中加入硅粉、磨细矿渣、粉煤灰及高效减水剂 等一些外加剂和活性混合材所获得的一种低水灰比、高耐久性、高强度及高流动 性的混凝土，是混凝土技术进入高科技时代的产物，现在很多国家都建议推广高 性能混凝土的应用。混凝土的固有弱点是因脆性而容易产生裂缝。高强混凝土的 抗拉强度与抗压强度之比仅为6 ( 当混凝土的强度等级超过c 4 5 时) ，脆性显著， 塑性明显下降，因为脆性破坏会随时产生，高强混凝土结构的跨度不能增幅太大。 当结构受弯，荷载等于破坏荷载的1 5 2 0 时就开始产生裂缝( 这时钢筋的应力 远小于屈服极限) ，裂缝的扩展会造成结构物抗渗性等的降低，以致使用寿命缩短； 在结构设计时因裂缝宽度的限制，高强建筑材料的优越性得不到充分应用跚。近年 来，高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热的结果， 自干燥作用产生的自身收缩和硫酸盐相的反应，可能也是重要起因。结构混凝土 或大体积混凝土意外地出现开裂，说明了在混凝土领域里有许多问题尚须进一步 研究。所以，高性能混凝土除了要提高混凝土的强度外，更重要的是能够减少混 凝土的裂缝，降低混凝土的变形性，提高混凝土的耐久性。纤维混凝土则是在对 混凝土改性过程中应运而生的。 早在民间时就有了将稻草或毛发混合拌入泥浆中制造土坯或土墙的经验，根 据此经验，在最近几十年逐渐出现了利用人造纤维来改善混凝性能的思路和做 第一章引言2 法。而且已有研究明确指出，低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作 用。对于大跨度的桥梁，由于其跨径较大，变形性则增强，因此为了保障桥梁体 系的结构安全，对于应用于桥梁建筑的混凝土则应该主要控制其变形性能，限制 混凝土裂缝的产生及发展。本课题就是根据纤维混凝土的阻裂和增韧作用，依托 重庆石板坡长江大桥加宽改造工程高性能混凝土研究这一项目，来研究将高 性能纤维混凝土应用于大跨度桥梁中，以达到降低混凝土的变形性，提高混凝土 的耐久性，保障桥梁结构的安全使用寿命这一目的的。 1 2 高性能纤维混凝土的发展及国内外研究现状 1 2 1 普通混凝土的结构特点 水泥混凝土是近现代最广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。 与其他常用建筑材料相比( 如钢铁、木材、塑料等) 相比，水泥混凝土生产能耗 低，原料来源广，工艺简便，因而生产成本低；它还具有耐久、防火、适应性强、 应用方便等特点。随着建设事业的发展，混凝土材料在工程中获得了更加广泛的 应用。许多专家学者预言，2 1 世纪混凝土仍为主要的建筑材料。 对混凝土内部结构的研究常在粗观、细观和微观三个尺度上进行。不同尺度 的体系及所研究的对象如图1 i 。 扭蟪 ( m b 。 m ) 携凝土 维戆 0 5 2 5 中热水泥，应满足g b l 7 5 - 9 9 要求及相关行业标准要求； 矿物组成；水泥熟料中c ，a s6 o 以内，水泥中碱含薰( 以n a 2 0 计) s 0 6 ， 氯离子曼o 0 2 ； 水泥3 d 胶砂抗压强度5 3 2 m p a ，2 8 d 胶砂抗压强度 5 6 m p a ，2 8 d 抗压强度标准 差曼1 5 m p a ，变异系数3 0 ； 水泥水化热：3 d 水化热：5 2 6 5 k j k g ，7 d 水化热殳9 5 k j ，l 【g ； ( 2 ) 磨细矿渣 磨细矿渣按g b t1 8 0 4 6 - 2 0 0 0 达到$ 9 5 质量要求并且比表面积不小于 4 1 0 m 2 k g ； ( 3 ) 膨胀剂 混凝土膨胀剂质量应符合j c 4 7 6 - 2 0 0 1 规定要求； ( 4 ) 泵送剂 满足j c 4 7 3 2 0 0 1 规定要求； 与工程用水泥、纤维、膨胀剂等材料具有良好的适应性； 泵送剂的减水率大于2 5 ，坍落度增加值大于1 5 0 m m ，经时性满足混凝土搅 拌、运输、浇捣要求； 引气量小于4 5 ； 碱含量小于8 o ； 氯离子含量小于1 o 缓凝时闻满足不同施工季节的缓凝要求； ( 5 ) 粗集料 满足g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 技术要求； 最大粒径严格控制为2 5 m m ，粒形良好，含粉量不大于1 o ，针片状颗粒含 量不大于1 0 o ； 母岩抗压强度不低于1 0 0 m p a ，压碎值不大于8 ； 粗集料中的水溶性氯化物折合氯离子含量不超过集料质量的0 0 2 ； ( 6 ) 细集料 满足g b t 1 4 6 8 4 - 2 0 0 1 及重庆市混凝土用机制砂质量标准d b 5 0 5 0 1 7 2 0 0 1 规定的技术要求； 特细砂细度模数不低于0 9 ，含泥量不大于2 o ； 机制砂细度模数不低于3 5 ，含粉量不大于5 0 ； 机制砂母岩强度不低于8 0 m p a ，压碎值不大于2 5 ； 细集料中的水溶性氯化物折合氯离子含量不超过集料质量的0 0 2 ； 3 1 2 砂石材料基本性能检测 表3 11 0 2 5 碎石 筛孔尺寸筛余质量分计筛余累计筛余 表观密度( g ，c m ? ) 2 7 2 ( r a m ) ( g ) ( ) ( ) 堆积密度松散 1 4 3 43 1 50 0 0 ( k g m 3 ) 紧密 1 5 4 82 51 7 03 43 4 空隙率松散 4 7 32 01 4 2 02 8 43 1 8 ( ) 紧密 4 3 11 62 4 7 54 9 5 8 1 3 含粉量( ) 1 01 07 7 81 5 69 6 9 压碎值( ) 7 451 4 83 09 9 9 来源巨成搅拌站送样 筛底 6 表3 25 1 0 碎石 筛孔尺寸筛余质量分计筛余累计筛余 表观密度( g e r a s ) 2 7 2 ( m m ) ( g ) ( )( ) 堆积密度松散 1 4 4 42 50oo ( k g m 3 ) 紧密 1 5 5 82 0oo 0 空隙率松散 4 6 91 60 o0 ( ) 紧密 4 2 71 01 8 66 26 2 含粉量( ) 1 9 7 51 9 4 56 4 87 1 o 压碎值( ) 2 58 0 82 6 99 7 9 来源 巨成搅拌站送样筛底 6 2 表3 3 机制秽 筛孔尺寸 筛余质量分计筛余累计筛余 表观密度( g c m 3 ) 2 7 0 ( r a m ) ( g ) ( ) ( ) 堆积密度 松散 1 5 2 053 3 8 6 8 6 8 f l r g ：m 3 )紧密1 6 7 52 5 1 9 1 4强4 5 1 空隙率 松散 4 3 71 2 5 6 2 。235 7 5 ( ) 紧密3 8 o0 6 3 1 0 7 81 2 47 9 1 n 3 1 ；5 7 2o1 4 49 3 5 舍粉量( ) 3 1 n 1 6b4l 7 9 5 2 0 0 882 1 1 69 6 8 压碎值( ) 1 7 5 6 缔底 1 4 7 来源 四方搅拌站送样细度模数 3 6 l 表3 4 渠河砂 筛孔尺寸筛余质量分计筛余累计筛余 表观密度f g t c m 3 ) 2 6 l ( m m ) ( g ) ( )( ) 堆积密度松散 1 3 5 050o0 ( k g m 3 )紧密 1 4 3 42 5180 4n 4 空隙率 松散 4 8 3 1 2 5 1 2 a 2 0 6 ( ) 紧密 4 5 10 6 31 40 3o f 9 03 1 51 4 5 22 9 d2 9 9 禽泥量( ) 07 3 a 1 62 5 8 15 1 68 1 5 a 0 8 8 9 81 8 09 9 5 压碎值( ) 筛底1 9 i来源四方搅拌站送样细度模数 i1 3 3 2 混凝土的基本性能 3 2 1 工作性 高性能混凝土拌和物的工作性比强度还重要，是保证混凝土浇筑质量的关键。 高性能混凝土拌和物的工作性比强度还重要，是保证混凝土浇筑质量的关键。 第三章 高性能纤维混凝土室内试验 优良的工作性是混凝土均匀性的保证。高性能混凝土拌和物具有高流动性、可泵 性。如果用坍落度来表示，则其坍落度应大于1 8 0 r a m ；要求免振时应大于2 5 0 m 。 混凝土的工作性包括流动性、充填性、黏聚性、可泵性等涵义，是混凝土拌 合、运输、浇捣、抹面等主要操作工序能够顺利并完满地进行的保证，故又称和 易性。优良的工作性不仅要求有好的流动性以利于输送和播料，而且要求有良好 的充填性，能填充密布的钢筋间隙和模板的角隅，还要求有良好的黏聚性，各组 分不分离、不泌水，并能粘裹钢筋和预埋件。要做到这些，必须要求原材料颗粒 级配良好、配合比合理、加水量适宜，还须使用高效外加剂( 减水率高达2 0 3 0 ) ，凝结时间适当，坍落度损失小等。掺加足够量矿物细掺料来改善粒子级配， 不仅对增加密实度及提高耐久性有显著作用，而且能提高混凝士的流动度、可泵 性和黏聚性。高性能混凝土就是充分利用上述各种措施来提高工作性，保证均匀 性的。 高性能混凝土拌和物由于水灰比低，掺入高效减水剂，其特点如下：坍落 度大，粘性大，泌水量低。由于水泥浆的粘度大，抗离析性好，因而即使坍 落度很大，也能施工应用。坍落度及坍落度流动值是表征混凝土拌合物工作性的 一种指标，作为材料的比较、评价时，引用这些评价指标是足够可以得。本试验 中即采取坍落度及坍落度损失来测定高性能混凝土的工作性。 3 2 2 强度 由于具有减小大跨度桥梁构件的断面、降低结构物的自重、扩大使用面积等 优势，高强混凝土在国内外发展很快。在允许减小断面的部位，应尽量提高混凝 土的强度，于是人们争相提高混凝土的强度。处于耐久性的考虑，高强混凝土又 逐渐发展成高强度的高性能混凝土。 ( 1 ) 抗压强度 如果只讲强度就是指抗压强度。同其他强度相比，混凝土的抗压强度高的多。 目前，钢筋混凝土结构设计中对混凝土的要求仍以抗压强度为主要指标，因此混 凝土配合比设计依据首先也还是抗压强度，混凝土的抗压强度一般以标准养护2 8 天龄期为基准。影响混凝土强度和密实度的主要因素是水胶比和矿物细掺料的用 量。受界面的影响，粗集料粒径、砂率和浆体数量也会对强度有所影响。 目前世界上测定混凝土抗压强度的试块主要有两种：一种是立方体，包括中 国、苏联和欧洲一些国家；另一种是圆柱体，包括美国、日本一些国家。本试验 中采用立方体抗压强度作为抗压强度指标。 ( 2 ) 抗拉强度 同抗压强度相比，混凝土的抗拉强度比较低。它与同龄期抗压强度的比率随 各种条件不同而变化。其他条件不变时，其比率主要随着抗压强度的增高而减小。 蔓三差堕堂堂堑丝望塑圭童堕堕墼 丝 为了防止或减少混凝土的裂缝，希望尽可能提高它的抗拉强度。测定混凝土抗拉 强度的试验方法通常采用劈裂法或轴向拉伸法，本试验采用的是劈裂法，试件是 立方体试件。图3 1 及图3 2 1 8 1 分别为立方体的劈裂抗拉试验及方块承受集中荷载 等色线的示意图。 矿飞 级么 夕z 哆9 嬲 p 图3 1 立方体的劈裂抗拉试验 图3 2 方块承受集中荷载等色线 劈裂法计算混凝土抗拉强度的公式，试根据弹性力学在圆盘上加两个方向相 反的径向集中荷载导出的。用劈裂法测定的抗拉强度与同条件下测定的轴向抗拉 强度往往不等，必须根据试验所得的规律给以换算。 3 3 高性能混凝土的力学性、工作性试验 现在众多关于提高混凝土性能的研究都是采用双掺法，即在混凝土中加入矿 物细掺料与外加剂来配置高强高性能混凝土，取得了很多令人满意的效果，本课 题也采用这一方法。除此以外，针对混凝土本身的固有弱点，即脆性大，容易开 裂，对于大跨度桥梁等大体积混凝土结构更是如此，本课题的重点则是研究如何 降低混凝土的变形性，提高混凝土的耐久性，提出利用纤维与膨胀剂限制混凝土 的开裂，与其他矿物细掺料组合使用来配制新型高性能纤维混凝土，并将这种新 型高性能混凝土应用于大跨度桥梁结构中，控制混凝土的变形性，提高桥梁的安 全使用寿命。为了验证这个想法的可行性，本课题进行了一系列的试验。 首先，采用多种配合比来研究原材料对混凝土性能的影响。此次试验中配置 了两种高强度的混凝土，即c 5 0 与c 6 0 ，试验数据如下。 原材料选用； c 一地维4 2 5 水泥，3 d 抗折强度6 9 3m p a ，2 8 d 抗折强度9 1 7m p a ，3 d 抗压 强度3 6 4m p a ，2 8 d 抗压强度5 3 6m p a ； 一 兰三兰蔓壁些堑丝望塑圭童堕堕竺 箜 s f _ 硅粉；b f s 一磨细矿渣；d l _ 杜拉纤维；g n a _ 一膨胀剂；一江韵外加 剂，掺量为1 2 。 试验数据： 表3 5c 6 0 混凝土主要材料组成及混凝土工作性能表 编号水胶比cs fb f s d lg n a 坍落度扩展度 1n 3 26 75 2 00 981 6 52 5 5 2o 3 2 6 752 081 7 02 7 0 3 0 3 2 78 05 51 4 50 92 2 0 3 5 0 40 3 2 77 45 51 4 5 n 962 2 03 5 0 5 o 3 2 17 95 71 5n 91 9 53 3 0 6 o 3 2 17 35 71 5a 96 42 0 83 柏 7 n 3 3 37 85 91 5 7n 9 1 9 0 3 1 5 8n 3 3 37 25 91 5 7 0 96 - 3 2 0 5 3 7 5 9 n 3 4 77 7 66 11 6 3o 91 7 52 7 0 1 0n 3 4 77 7 66 11 6 3o 98 ( 外)1 5 52 6 0 1 lo 3 6 27 6 66 41 7 1 7 52 6 0 1 2 n 3 6 27 6 66 41 7o 98 ( 外)1 5 l2 5 5 表3 6c 5 0 混凝土主要材料组成及混凝土工作性能表 编号 水胶比 cs fb f s d l g n a 坍落度扩展度 l 0 3 27 552 02 3 04 4 0 2o 3 27 552 0o 91 7 02 5 0 3o _ 3 3 37 85 91 5 72 3 05 4 0 4 n 3 3 37 25 91 5 7 6 - 32 3 04 8 0 5o 3 4 78 3 71 6 3o 92 1 04 2 0 6n 3 4 77 5 7l & 30 982 1 04 l o 7 0 3 4 77 7 6 6 11 6 32 3 05 0 0 8o 3 4 77 7 66 11 6 38 ( 外)2 3 0 5 5 0 表中的相应数据为各个原材料在混凝土中的百分含量。坍落度与扩展度为新 拌混凝土的对应工作性能，以i i m l 记，上述两组试验中混凝土均无泌水现象。下 为新拌的高性能混凝土，其坍落度大，粘性大，无泌水，工作性好。 坍落度是新拌混凝土流动性的一个指标。从施工操作来说，坍落度越太，流 动性越好，则认为和易性也越好。但坍落度大时，一般单位用水最也增大，容易 产生离析，匀质性变差，因此高性能混凝土必须使用高效减水剂，使混凝土的符 合坍落度要求的前提下，用水量尽量降低。从表中数据可以看出，在低水胶比的 高性能混凝土中使用高效减水剂，即可以减少用水量，又能使得混凝土有较好的 工作性，基本上都符合高性能混凝土的坍落度要求，同时，从数据中还可以看出， 加入纤维使得混凝土的坍落度有所减小。混凝土中加入低掺率的合成纤维，由于 粘聚性增大，离析和泌水减少，坍落度会略有所下降，因此在混凝土配合比及添 加其他外加剂时应作考虑，以使纤维和高强混凝土各自的优越性能够得到充分发 挥，取长补短，并与其他材料一起生产出新型的高性能混凝土。 使用内掺法加入膨胀剂使得混凝土的坍落度不变或有所增加，改善了混凝土 的工作性，使用外掺法加入膨胀剂使得混凝土的工作性略有所降低这说明了外加 剂的掺加方式影响着外加剂与水泥的相容性。 图3 1 、3 2 给出本次试验混凝土的相应强度值： 从图3 1 、图3 2 中2 8 天强度来看混凝土得到了较高的强度。随着硅粉掺量的 增加，混凝土的早期强度有所降低，但后期强度增加较快。从图3 2 中可以看出， 相同水胶比情况下5 、6 组未掺硅粉的混凝土强度高于7 、8 组掺硅粉的混凝土强 度。 图3 1 中还可以看到后四组的混凝土采用外掺法掺入膨胀剂，其早期强度有所 提高，因此，外加剂的掺入方式也对混凝土的强度有所影响。由以上可以得出， 原材料的组合使用对混凝土的工作性及力学性能都有很大的影响。为了进一步研 究原材料的组合使用对混凝土性能的影响，根据第一次实验结果，缩小了混凝土 的水胶比取值范围做了第二组实验。 第三章高性能纤维混凝土室内试验 图3 1c 6 0 混凝土立方体抗压强度 图3 2c 5 0 混凝立方体抗压强度 苎三兰壹竺堕堑丝塑墼主皇堕堡壁 垫 从图3 1 、图3 2 中2 8 天强度来看混凝土得到了较高的强度。随着硅粉掺量的 增加，混凝土的早期强度有所降低，但后期强度增加较快，从图3 2 中可以看出， 相同水胶比情况下5 、6 组未掺硅粉的混凝土强度高于7 、8 组掺硅粉的混凝土强 度。 图3 1 中还可以看到后四组的混凝土采用外掺法掺入膨胀剂，其早期强度有所 提高，因此，外加剂的掺入方式也对混凝土的强度有所影响。由以上可以得出， 原材料的组合使用对混凝土的工作性及力学性能都有很大的影响。 为了进一步研究原材料的组合使用对混凝土性能的影响，根据第一次实验结 果，缩小了混凝土的水胶比取值范围做了第二组实验。 原材料选用： c 一地维5 2 5 水泥，3 d 抗折强度6 8 9m p a ， 强度3 2 8 m p a ，2 8 d 抗压强度5 3 4m p a ； b f s 一磨细矿渣，本次试验采用环亚s 1 0 5 ： w 一江韵外加剂，掺量为1 2 。 试验数据t 2 8 d 抗折强度9 1 0 m p a ，3 d 抗压 d l _ 杜拉纤维；g n a 一膨胀剂； 表3 7混凝土主要材料组成 主要材料的组成( ) 编号 水胶比 cs fb f sg n a d l lo 3 3 8 51 5 2n 3 38 5 1 5o 9 3o 3 37 71 58 4n 3 3 7 71 580 9 5o 3 37 55 2 0 60 3 68 51 5 7o 3 68 5 1 50 9 8o 3 67 71 58 0 9 表3 8 工作性数据 编坍落度( m m )扩展度( m ) 号 ( 1 )( 2 )( 3 ) 2 o h 损失( 1 )( 2 )( 3 ) 2 0 h 损失 l2 1 02 0 52 柏1 9 57 1 3 8 54 1 05 5 03 3 01 4 3 21 7 01 9 02 0 51 7 002 8 53 1 53 4 52 8 01 8 32 1 02 3 02 3 02 3 504 1 56 1 05 4 54 9 51 8 9 42 1 5 2 2 5 2 3 02 0 54 7 4 7 05 4 04 7 03 5 82 3 8 第三章高性能纤维混凝土室内试验 52 3 02 ：，j2 2 52 0 01 3 06 2 54 9 55 7 54 1 03 4 4 62 0 52 2 02 l o2 2 09 8 3 7 54 3 0 4 0 04 0 5 5 8 72 0 02 2 02 2 01 8 01 03 8 04 4 04 8 52 7 5 2 7 6 仅从工作性来看，水胶比低的混凝土坍落度损失比水胶比高的混凝土小。单 独加入膨胀剂或纤维以及同时掺入两者都可以降低混凝土的坍落度损失，说明膨 胀剂及纤维的掺入可以改善混凝土的工作性。而表中数据显示出掺入硅粉的混凝 土工作性比没有掺硅粉的混凝土工作性要差( 第5 组) 。 试验强度如下图所示： 圈3 3 混凝土立方体抗压强度数据 上图中前5 组的混凝土水胶比是0 3 3 ，后三组水胶比是0 3 6 。由上图可以看 出，水胶比越大，混凝土的强度就越低，特别是后期强度提高的越慢，这跟理论 分析是吻合的，即水胶比增大，混凝土用水量相对增加，界面处水胶比就越大， 孔隙率也越大，故在较宽松环境中的c a ( o h ) 2 越容易沉积，结晶颗粒越大，使得 混凝土过渡区的强度降低，因此混凝土的强度降低，后期强度提高也随之减慢； 相反，对于高强混凝土，水胶比很小就能使混凝土抗压强度不成比例地增加，这 是因为随着水胶比降低，混凝土中的游离水减少，孔隙率降低、c a ( o i - d 2 数量减少， 界面过渡层取向程度下降，水化物结晶颗粒尺寸减小，更接近于水泥石本体水化 物的分布，过渡区的强度得到加强，进而可以提高混凝土的抗压强度，并使之后 期强度提高较快。因此，降低水灰比可改善界面过渡层的性质，即低水灰比提高 第三章 高性能纤维混凝土室内试验 了水泥石的强度和弹性模量，使水泥石和集料间弹性模量的差距减小，因而使界 面处水膜层厚度减小，晶体生长的自由空间减小，提高了混凝土的抗压强度。 同时还可以看出，纤维与膨胀剂的单独加入分别对混凝土的强度影响不是很 大，根据理论分析，膨胀剂与纤维对混凝土的影响也主要表现在对其抗裂性的影 响，本次试验仅证实纤维与膨胀剂的加入对混凝土的强度、工作性没有产生较大 的负面影响。第五组中加入硅粉，混凝土的早期强度较低，但后期强度增长较快。 这是因为硅灰颗粒细小，掺入混凝土中，具有优异的火山灰效用和微细集料效应， 能够增加混凝土的强度，不过从表3 8 种看到，掺入硅粉的混凝土工作性比没有掺 硅粉的混凝土工作性略差一些。 以上是从工作性、立方体抗压强度方面对高性能混凝土进行了试验研究，初 步得出在普通混凝土中掺入矿物细掺料、膨胀荆、纤维可以改善混凝土的性能这 一结论。众所周知，混凝土的优点是具有很高的抗压强度，但是其抗拉强度较低， 在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标，有时也用它来间接的衡 量混凝土与钢筋的粘结强度。接下来通过劈裂抗拉强度试验，对高性能混凝土的 抗拉强度也进行了试验研究。 原材料选用： w b 一水胶比；e 一地维5 2 5 水泥，3 d 折6 4 2 m p a ，3 d 压2 8 4 m p a ； b f s 一磨细矿渣；j 卜外加剂，1 、2 组采用s 1 0 5 ，3 1 0 采用$ 9 5 ；s p 一砂率； 机制砂含粉8 8 ；水泥胶砂3 d 折6 4 2 ，3 d 压2 8 4 。2 8 d 折8 4 2 ，2 8 d 压4 8 4 试验数据： 表3 9 混凝土主要材料组成 b f s 膨胀剂杜拉纤 编号w m c ( )a ( ) s p ( ) ( )( ) 维 l 0 3 37 71 5z y8j y l 23 8 2o 3 37 71 5z y 8j r 1 2o 93 8 3o 3 48 5 1 5j y l 23 8 4 n 3 4 8 51 5j y l 20 93 8 5 o 3 47 71 5g n a 8j y l 2 3 8 60 3 4 7 71 5g n a 8j y l 20 9 3 8 7a 3 48 0 2 0j y l 23 8 80 3 48 0 2 0j y l 20 93 8 5 9 0 3 47 22 0g n a 8j y l 23 9 1 00 3 4 7 2 2 0 g n a 8j y l 20 9 3 9 第三章高性能纤维混凝士宣内试验3 1 混凝土立方体抗压强度、混凝土劈裂强度及掺入纤维前后破坏对比图分别见图3 4 图 图3 4 混凝土立方体抗压强度数据 圈3 5 未掺纤维混凝土抗压破坏图像 图3 6 掺纤维混凝土抗压破坏图像 第三章高性能纤维混凝土室内试验 图3 7 混凝土劈裂强度数据 圈3 8 未掺纤维混凝土劈拉破坏图像 图3 9 掺纤维混凝土劈拉破坏图像 原材料对高性能混凝土抗压强度的影响已在前面几组试验中研究过，图3 4 所 表现出来的结果与以前的分析吻合，即采用低水胶比并且伴有矿物细掺料的使用， 对混凝土的抗压强度有改善作用。图3 7 中可以看到，膨胀剂与纤维的单独掺入对 混凝土的劈裂强度会有所提高，这是因为膨胀剂与纤维具有防止开裂的作用，而 膨胀剂与纤维以一定的比例掺入共同使用，可以更好的防止混凝土的开裂，提高 混凝土的抗裂性能。从图3 5 与3 8 中都可以看出未掺入纤维的高强混凝土表现出 来的是脆性破坏；而由于纤维的增韧阻裂机理，掺入纤维的混凝土破坏形式就好 于未掺纤维的混凝土，表明其韧性得到了提高，见图3 6 与3 9 。 混凝土抗压和抗拉强度间有密切关系，以下做出上述试验中后四组的拉压强 度比值图予以说明。 72 8 龄期( d ) 图3 1 0 高性能混凝土拉，压比值图 当混凝土抗压强度增加时，抗拉强度同样增加，但增加速率逐渐减小。也就 是说，拉，压强度比决定于抗压强度的总水平，抗压强度越高，比值越小。对于2 8 天的数据来看，从图3 4 中看到第2 组抗压强度最高，在3 1 0 中第2 组的2 8 天拉 ，压比值最小；并且，当养护龄期一定时，拉，压值同样随水胶比减小而减小。图3 1 0 中可以看到，当养护龄期为2 8 天时，水胶比低的l 、2 两组的拉，压强度比值较其 它几组水胶比大的混凝土拉，压强度比值低；从整体上看，图3 1 0 中的曲线基本上 都成递减状态。除此以外，不仅养护龄期，而且混凝土拌合物特性，如水胶比、 骨料品种和外加剂在不同程度上都影响拉，压强度比，因此，在材料的选择及混凝 土配合比的确定上，要在能保证混凝土的抗压强度的基础上尽量提高混凝土的抗 拉强度。 由以上几组试验结果可以看出，将矿物细掺料、外加剂、纤维加入普通混凝 土中，在保证其相容性的基础上配置出来的新型高性能纤维混凝