（材料学专业论文）高强次轻混凝土的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 高强次轻混凝土是指在轻集料中掺入适量的普通集料，干表观密度在1 9 5 0 k g m 3 2 3 0 0 k g m 3 之间，强度在c 5 0 以上的混凝土。它具有强度高，自重小， 体积稳定性良好等优点，在高层建筑、桥梁等大跨度结构工程应用中有巨大的 经济优势和非常广阔的使用前景。次轻混凝土存在的主要问题是在凝结硬化前 易出现分层离析现象，影响其力学性能和耐久性。要满足现代建筑结构轻质、 高强和耐久的要求，需要对其工作性、力学性能、变形性能和耐久性进行系统 的研究。 本文在分析高强次轻混凝土拌和物中集料运动特点的基础上，建立了高强 次轻混凝土的集料运动方程。提出了集料分离因子概念，根据分离因子取值可 确定影响高强次轻混凝土匀质性的主要因素和解决匀质性应采取的关键技术措 施；开发出次轻混凝土匀质性的检测仪器；提出了次轻混凝土匀质性的评价方 法；建立了以坍落度、扩展度、坍落度与扩展度的比值并结合分层度为控制指 标的高强次轻混凝土拌和物工作性的评价体系；提出了高强次轻混凝土匀质性 的控制技术方法：严格控制粗集料粒径和级配、复掺矿物掺合料、复掺纤维、 高效减水增粘外加剂和振捣时间。 系统的研究了各组分对次轻混凝力学性能和体积变形性能的影响规律， 配制出具有优良工作性能和匀质性，不分层，不离析，干表观密度在1 9 5 0 k g m 3 2 2 0 0 k g m 3 之间，弹性模量在3 2 g p a 以上，收缩小，强度在c 6 0 以上的高强次轻 混凝土；提出了高强次轻混凝土弹性模量的计算公式。 系统的研究了高强次轻混凝土的体积变形性能和耐久性，研究结果表明： 与高强轻集料混凝土和高强普通混凝土相比，高强次轻混凝土干缩和自收缩均 降低，且体积稳定期短；与同强度等级的普通混凝土相比，在3 天加载持荷的 条件下，次轻混凝土的徐变值大于同龄期普通混凝土的徐变值，而两者的徐变 系数基本相当；高强次轻混凝土具有良好的耐久性，掺加矿物掺合料能明显提 高次轻混凝土的耐久性。 【关键词】高强次轻混凝土；匀质性；弹性模量；徐变；收缩：耐久性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hs t r e n g t hs e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t e ( h s s l c ) r e f e r s t ot h ec o a r s ea g g r e g a t e s c o m p o u n d e dw i t hn o r m a lw e i g h ta g g r e g a t ea n dl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，w h o s ed r y a p p a r e n td e n s i t yi sb e t w e e n 1 9 5 0k g m sa n d 2 3 0 0 k g m 3a n d t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h i sh i g h e rt h a n5 0 m p a h s s l ch a sm a n ym e r i t ss u c ha sh i g hc o m p r e s s i v es t r e n g t h ， s m a l ld e a dl o a d ，g o o dv o l u m es t a b i l i t y , e t c s oi t i se c o n o m i ct ou s eh s s l ci n h i g h r i s eb u i l d i n g sa n dl o n g s p a nb r i d g e s ，a n dt h ep r o s p e c to f i t s a p p l i c a t i o ni sv e r y e x t e n s i v e 西em a i nd e f e c to fs e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t ei s 曲耐i te a s i l y o c c l l r s l a m i n a t i o na n ds e g r e g a t i o np h e n o m e n ab e f o r ec o n c r e t ec u r d l e ，w h i c hw i l la f f e c tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t e i no r d e rt om e e tt h en e e do f m o d e ma r c h i t e c t u r e su s i n gl i g h t w e i g h t ，h i 曲s t r e n g t ha n dd u r a b l ec o n c r e t e ，i ti s n e c e s s a r y t or e s e a r c ht h ew o r k i n g p e r f o r m a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t yo f t h es e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t e o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g t h ea c t i v ep r o p e r t yo fc o a r s ea g g r e g a t ei nh s s l c m i x ， t h ea u t h o ro ft h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e dt h ea c t i v ee q u a t i o no ft h ec o a r s ea g g r e g a t eo f h s s l c r a i s e dt h es e p a r a t i o nd i v i s o ro ft h ec o a r s ea g g r e g a t et od e t e r m i n et h em a i n f a c t o r sa n dt h ek e yt e c h n i c a lm e a s u r e so ft h eu n i f o r m i t yo fh s s l c e x p l o i t e dan e w a p p a r a t u s t od e t e c tt h eu n i f o r m i t yo fh s s l c r a i s e dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do f u n i f o r m i t yo f h s s l c e s t a b l i s h e dt h ee v a l u a t i o ns y s t e mo ft h ew o r k i n g p e r f o r m a n c e o fh s s l c ，a n dd i s c l o s e dt h et e c h n i q u ep a r a m e t e r so ft h eu n i f o r m i t yo fh s s l c ， w h i c hi n c l u d eg r a i ns i z ea n dg r a d a t i o no fc 0 8 a s ea g g r e g a t e ，m i n e r a la d m i x t u r e ，f i b e r ， v i s c o s i t yi n c r e a s i n ga n d w a t e r r e d u c i n ga g e n t ，a n d v i b r a t i o nt i m e t h er u l eh o w i n g r e d i e n t sa f f e c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f h s s l cw a ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h i sa r t i c l e b a s e do nt h i s ，h s s l cw a sy i e l d ，w h i c hp o s s e s s e dm a n y m e r i t ss u c ha sg o o dw o r k a b i l i t ya n du n i f o r m i t y , d r ya p p a r e n td e n s i t yb e t w e e n19 5 0 k g m 3 a n d2 2 0 0 k g m 3 ，e l a s t i cm o d u l u sl a r g e rt h a n3 2 g p a ，s m a l l s h r i n k a g e a n d c o m p r e s s i v es t r e n g t hh i g h e r t h a n6 0 m p a ac a l c u l a t i o nf o r m u l at oe v a l u a t et h ee l a s t i c m o d u l u so f h s s l cw a sr a i s e di nt h i sa r t i c l e t h ev o l u m ed i s t o r t i o n p r o p e r t ya n dd u r a b i l i t y o fh s s l cw e r ea l s os t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h i sa r t i c l e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o m p a r e dw i t hh i 曲s t r e n g t h 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 ea n dh i 曲s t r e n g t hn o r m a lw e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 - 一一 t h e 奶rs h r i n k a g ea n da u t o g e n o u ss h r i n k a g eo f h s s l cw e r es m a l l e r , a n dt h ep e r i o d o fs h 工i n k a g et ob e c o m es t a b l ew a ss h o r t e r c o m p a r e dw i t hn o r m a lw e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t ei nt h es a m es t r e n g t hc l a s s ，t h ec r e e pv a l u eo fh s s l c w a sl a g e rw h i l et h e c r e e pc o e f f i c i e n tw a sa p p r o x i m a t e l yp r o x i m i t yw h e na p p l i e dl o a da t3 d a y s i tw a s f o u n dt h a tt h ed u r a b i l i t yo fh s s l cw a sg o o d ，m i x i n gw i t hp r o p e rd o s a g eo fm i n e r a l a d m i x t u r ec o u l di n c r e a s et h ed u r a b i l i v yo fs e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t eo b v i o u s l y k e yw o r d s ：h i 曲s t r e n g t h s e m il i g h t w e i g h tc o n c r e t e ，u n i f o r m i t y ，e l a s t i cm o d u l u s c r e e p ，s h r i n k a g e ，d u r a b i l i t y i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 水泥混凝土的应用与发展 自1 8 2 4 年水泥问世及随之诞生混凝土与钢筋混凝土以来，至今已有1 0 0 多 年的历史。由于混凝土结构具有许多优越性能，例如易于加工成型、生产能耗 低，原料来源广，工艺简单，因而成本低：它还具有耐久、防火、适应性强， 与钢材结合可以组成各类不同特性的承重结构，适宜于大规模生产和施工等特 点，得到了广泛的应用，成为现代最重要的工程结构材料之一。从一般的工业 与民用建筑结构、公路与铁路桥梁、轨枕、电杆、桩、压力管道、油罐与水塔 等到高层建筑、地下建筑、海洋结构、核电站防护壳与压力容器、大跨度空间 结构与高耸塔桅结构等，混凝土已经成为现代不可缺少的，将来越来越广泛使 用的一种工程结构材料。水泥混凝土也是近现代应用最广泛的人造建筑材料， 据不完全统计，世界水泥年产量已超过1 5 亿吨，折合成混凝土，应不少于4 5 亿m 3 。在今后相当长的时间内，水泥混凝土仍将是应用最广、用量最大的建筑 材料。因此采用现代混凝土技术，研制具有良好耐久性、工作性、物理力学性 能、适用性、体积稳定性和经济合理性的绿色高性能混凝土，不仅是混凝土与 建筑工程持续发展的需要，而且也是人类可持续发展的必需，具有十分重要的 意义卜5 1 。 近百年来，水泥与水泥基材料总的发展趋势是不断地向高强、轻质的方向 发展。顺应这一趋势，出现了高强普通混凝土和高强轻集料混凝土。但是这两 种混凝土的出现远远没有使混凝土材料潜在的性能得到最大发挥，只是使混凝 土某些方面的性能得到了一定改善，而与此同时又带来了新的问题。要进步 提高混凝土材料的性能，必须对高强普混凝土和高强轻集料混凝土各自的特性 和缺陷有明确的认识。 1 2 高强普通集料混凝土的优点及存在问题 以常规水泥、砂石为原材料并采用常规工艺配制生产的现代高强混凝土 武汉理工大学硕士学位论文 是从7 0 年代初期开始在混凝土组分中引入高效减水剂之后发展起来的，以后又 进一步引入细粉矿物掺合料如硅灰、超细矿渣、优质粉煤灰等，使其性能更趋 完善，克服了以往的高强混凝土因拌料高度干硬而难以施工的根本缺陷，使混 凝土在工作性、强度与抗渗性等方面具有综合的优良性能，适应了当代混凝土 结构工程向大跨、高层、重载方向发展和承受恶劣环境条件的需要，满足了工 业化生产要求，因而迅速在各个土建工程领域得到推广应用。高强混凝土的抗 压强度很高，能使钢筋混凝土柱子和拱壳等受压构件的承载能力大幅度增加， 而在承受相同荷载的条件下减少构件的截面尺寸。高强混凝土同样能给钢筋混 凝土受弯构件带来很大好处，尽管提高混凝土强度并不能明显增加构件的抗弯 能力，但是它能降低受弯构件截面的压区混凝土高度，提高构件的延性，允许 有较高的配筋率，进雨通过提高配筋率来增加构件的抗弯能力或降低构件的截 面高度。高强混凝土变形较小，使构件的刚度得以提高，这对某些由变形控制 截面尺寸的梁板来说特别有利。至于预应力钢筋混凝土构件，采用高强混凝土 可获得三重好处：施加更大的预应力，更早的施加预应力，以及因徐变较小而 导致较低的预应力损失。对于结构物来说，采用高强混凝土不仅节省了能源的 消耗( 承受1 0 0 0t 静荷载、高1 m 的柱子用混凝土与用钢相比，所消耗的能源可 减少约5 7 6 1 ) ，减小建筑构件的截面尺寸，还可以大幅度缩减混凝土用量，增 加建筑使用面积，减小截面尺寸意味着降低结构自重。当结构物白重占全部荷 载的主要部分时，应用高强混凝土就有着特殊的意义，而且还能减轻地基基础 的处理费用。桥梁结构中采用高强混凝土有着更大的潜力：高强混凝土能有效 降低桥梁结构自重并提高结构刚度，有利于增大桥跨、减少桥墩、增加桥下净 空，但更为重要的还在于降低平时维修费用和增加使用寿命。对地下建筑来说 意味着减少岩土开挖量。所有这些间接的好处远比节约结构本身的材料用量或 降低造价更为重要。高强混凝土材料致密坚硬，抗渗、抗冻性能均优于普通强 度混凝土，所以露天的、遭海水侵蚀的、受高速流体冲刷的、或易遭碰撞损害 的工程构筑物，皆宜采用高强混凝土。尤其是基础设施工程，有的需要有百年 以上的使用寿命，所以常选用高强混凝土作为结构材料【7 1 。 但是高强混凝土也有其不利条件和不足之处。首先是对各种原材料的要求较 高，并不是所有场合都有适合配制高强混凝土的水泥和骨料；其次是生产施工 的每一环节都要仔细规划和检查，并不是所有预制厂和施工现场都具有相应的 质量管理水平：另外，高强混凝土的质量特别容易受到生产、运输、浇注和养 护过程中环境因素的影响，尤其是过高的气温、远距离的运输以及水化热等问 2 武汉理工大学硕士学位论文 题更应引起注意。此外，在材料的性能上，高强混凝土还有许多突出的缺点殛 待解决。 7 9 】 1 早期收缩开裂 由于配制高强混凝土一般使用强度等级高的水泥和较低的水灰l l ( w c ) ，同 时，为了获得较高的强度和良好的工作性，水灰比很低的高强混凝土必须有较 大的水泥用量。高强混凝土的胶凝材料用量大，而高强混凝土的水灰比一般为 o 2 0 o 3 0 ，按照p o w e r s 理论，硅酸盐水泥在水灰比近似为o 4 4 的水泥浆体中 才能完全水化而留下最少的毛细孔【lo 】。随着水灰比的降低，未水化的水泥颗粒 增多。当水灰比为0 3 5 时，理论上( 无水分损失) 未水化的水泥占固体组分的 1 6 2 ，实际施工条件下，由于施工过程中的环境作用，未水化的水泥颗粒远大 于此值i i 】。一般来说，高强混凝土都有很高的致密性，i o o m p a 以上的超高强混 凝土基本上不碳化、不渗水、耐久性非常优异】。水泥在水化凝结硬化过程中， 由于高强混凝土的高致密性，大量存在的未水化水泥颗粒无法从外界获取水化 所需的水分而只能从毛细管中吸取水分，消耗毛细管水，甚至使毛细管变成真 空。毛细管失水会产生很大负压，从而使水泥浆体收缩，于是混凝土在宏观体 积上表现出较大的收缩变形。高强混凝土的弹性模量都较高，而抗拉强度相对 于普通混凝土增幅较小。因此，高强混凝土的收缩应力往往会大于其抗拉强度 而易产生早期裂缝。h i l l e r m e i e r 等 1 2 懈w i c = o 3 0 ，2 8 天抗压强度为1 3 0 m p a 的 高强混凝土放在9 06 c 热水中加速水化，7 天后就发现大量可见裂缝。混凝土 旦开裂就失去抵抗侵蚀的第一道防线，降低其抗渗性能和抗钢筋锈蚀性能，大 大地劣化了混凝土的耐久性。如果使高强混凝土在水化硬化过程中始终处于不 断有水分补充的环境条件下，并有效降低混凝土材料的弹性模量，则会大大减 少这种现象。 2 延性大大降低 素混凝土的延性随强度的增加而降低，高强混凝士的延性比普通混凝土差， 资料1 1 4 j 表明当普通混凝土的应变达到3 时其承载力仍然能保持一半以上，但对 于高强混凝土若产生同样的应变时，则其实际承载力近于零。混凝土中由于湿 度、温度梯度产生的应变，往往达到或超过3 ，在这种情况下，在高强混凝土 中会有裂纹形成。如何补偿高强混凝土的韧性损失，进一步推广高强混凝土技 术是目前迫切需要解决的问题。 针对高强混凝土材料性能上存在的主要问题，众多学者从不同的角度进行了 研究，力图解决高强混凝土的易开裂和韧性降低问题。例如优化高强混凝土的 武汉理工大学硕士学位论文 配合比设计，掺加矿物混合材，有机聚合物以及纤维等方法，虽然在不同程度 上都取得了一些效果，但目前仍没有一个尽乎完美的解决方法【l ”。而现代材料 设计技术的发展为解决高强混凝土材料性能缺陷提供了有力的技术保障，其基 本的技术思路如下： 1 如前所述，不论何种原因引起高强混凝土的体积不稳定性，都能导致裂 纹，但最常见的是在受限的条件下大量水泥水化颗粒因不能从外界获得水分补 充而消耗毛细孔中水分，毛细管负压引起较大收缩变形，大弹性模量导致较大 的收缩应力产生，而混凝土在成型、水化硬化过程中不可避免的产生微小裂缝， 在这些地方会产生很大的应力集中，往往大于混凝土的抗拉强度，从而导致混 凝土开裂。当孔缝尺度超过一定限度时，就会带来渗漏、强度降低、耐久性变 差，进而导致结构破坏i l ”。材料的宏观性能决定于材料的组成和内部结构，要 彻底提高材料的性能，必须从改善材料的组成和内部结构开始。导致高强混凝 土早期收缩开裂的主要原因是其弹性模量较高，大量末水化水泥颗粒不能及时 从外界得到水化用水补充而消耗毛细管水，进而产生的较大自收缩。混凝土的 弹性模量与材料组成及各组分在体系中所占的比例相关，如果我们在高强混凝 土中引入弹性模量较低且具有饱水释水功能的轻集料，可以适当降低高强混凝 土的弹性模量，并且及时为未水化的水泥颗粒补给水化所需水分，就可以有效 减少裂缝的产生与发展，从而提高高强混凝土的耐久性。 2 如何解决高强混凝土脆性大的问题，国内外对有效改善高强混凝土延性 措施的研究是极少的，解决这问题须得从强度与弹性模量之间的关系着手 1 3 1 。 混凝土在宏观上是个不均质体，其变形是骨料与水泥石变形的总和，如果把 问题简化来考虑，假定混凝土受荷时骨料与水泥石的应力相等，1 e c = ( 1 c ) e a + i e g 。如假定混凝土受荷时骨料与水泥石的应变相等，则e c = ( 1 c ) e a + c e 。， 式中e c 、e 。、e 套分别为混凝土、骨料、水泥石的弹性模量，c 为水泥石的体积 百分率。公式中表明，混凝土的弹性模量与骨料的弹性模量、水泥石的弹性模 量及骨料和水泥石占混凝土中的体积有关。改善混凝土的延性可以从骨料的弹 性模量及其体积数量进行考虑。而在高强混凝士中引入轻集料可以有效的调整 混凝土的弹性模量，从而有效地解决了高强混凝土延性差的问题，进一步降低 混凝土地自重，实现材料性能的最优化。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 高强轻集料混凝土的优点及存在的问题 轻集料混凝土是指用轻集料、轻砂( 或普通砂) 、水泥和水、必要时加入化学 外加剂配制而成的，干表观密度不大于1 9 5 0 k m 3 的混凝土。轻集料混凝土强度 等级用c l 表示。强度等级达到c l 3 0 及以上者称为高强轻集料混凝土。高强轻 集料混凝土具有如下特性： n ) 质轻高强：c l 3 0 以上的高强轻集料混凝土的表观密度为1 6 0 0 k g m 3 1 9 0 0 k # m 3 ，比相同强度等级的普通混凝土轻2 5 3 0 。能显著的降低基础处 理费用，或者在不增加基础处理费用的前提下，增加建筑高度，扩大使用面积， 具有显著的综合经济效益。国内外工程实践证明，2 0 层以上的高层建筑，采用 高强轻集料混凝士可节约建筑造价1 0 左右【1 7 】。 ( 2 ) 高耐久性：资料表明【l 啪2 l ，高强轻集料混凝土具有与高强普通密度混凝 土相当的耐久性。由于轻骨料本身是多孔材料，其微孔微管系统在搅拌时能吸 收一定量的水分，减少了贴近界面区的水膜层厚度，还能在水泥水化过程中不 断的释放水分加强水泥水化，促使强度快速提高。陶粒的表面构成主要为硅酸 盐和铝硅酸盐玻璃相，具有潜在的化学活性，能够与水泥水化生成的c a ( o h ) 2 发生化学反应 23 1 。此外，陶粒表面粗糙且具有大量的沟纹和凹槽，既防止了形 成任何择优取向的晶体，又增加了与水泥石的机械啮合作用。这些微观结构上 的特点使混凝土中最薄弱环节一界面过度区的性能得到了增强，使混凝土整体 结构更加均匀从而提高混凝土体系的耐久性。轻集料的多孔性可以缓解水结冰 而产生的膨胀应力，使高强轻集料混凝土具有良好的抗冻性。日本研究了由高 性能轻集料配制的混凝土的抗冻性，发现经过3 0 0 次冻融循环后其质量损失仅 o 2 1 4 。同时，轻集料的多孔和低弹性模量特点可以成功缓解碱集料反应形 成的巨大应力，从而使混凝土结构免遭冻结破坏f 2 4 5 1 。轻集料混凝土在近百年 的应用历史中，还没有发现遭受碱集料反应破坏的事例。日本在1 9 8 3 年对使用 已达2 0 年的3 6 0 例、混凝土总用量超过4 0 万m 3 的土木工程质量跟踪调查的结 果也证明了这一点。 ( 3 ) 多功能肛“j 1 隔热保温性能好表观密度为1 7 5 0 k m 3 的高强轻集料混凝土的导热系数 为0 8 4 w m k ，大大低于普通混凝土的导热系数1 5 w m k ，2 2 c m 厚的轻集料混 凝土墙板阻值相当于3 7 c m 砖墙。从建筑节能方面考虑，采用高性能轻集料混凝 武汉理工大学硕士学位论文 土作墙体材料，比传统的实心粘土砖或普通混凝土可节能约3 0 5 0 。如果考虑 用于夏季降温的能耗，全年总建筑的节能将达到4 0 6 0 。 2 耐火性优一般建筑物发生火灾时，普通混凝土耐火1 h ，而轻集料混凝 土可耐火4 h ，在6 0 0 。c 高温下，轻集料混凝土能维护室温强度的8 5 ，而普通 混凝土只能维持3 5 7 5 。 3 抗震性能佳轻集料混凝土由于密度轻，弹性模量低，变形性能好，因而 抗震性能佳。轻集料混凝土相对抗震系数为1 0 9 ，普通混凝土为8 4 ，砖砌体为 6 4 。1 9 7 6 年唐山地震，天津的四栋轻集料混凝土大板建筑基本完好，震后照常 使用，但周围的砖混建筑都有不同程度的破坏。这一事例有力地说明了轻集料 混凝土的高抗震性特点。 然而，在材料的性能上，高强轻集料混凝土仍有许多突出的缺点殛待解决。 体积稳定性差便是其中之一。 混凝土的收缩主要是由于水泥浆收缩所引起，而骨料则对水泥浆收缩起限 制作用。骨料限制作用的大小又与骨料颗粒的弹性模量有关，弹性模量越大， 限制收缩的能力就越强。而配制轻集料混凝土使用的人造陶粒弹性模量较小， 一般只有8 1 7 g p a ，远小于普通天然集料的弹性模量( 约为4 0 g p a 1 0 0 g p a ) ， 而且制备高强轻集料混凝土的胶凝材料用量较高，约比相同强度等级普通密度 混凝土高5 0 k g m 3 左右，两方面的综合作用使得轻集料混凝土的弹性模量小、收 缩和徐变大，体积变形稳定期长。低弹性模量和高徐变的特点会造成结构变形 过大、挠度下降，从而降低结构的安全性。对于连续结构体系的大跨度桥梁而 言，因其属于刚性连接，将形成对材料的约束，如果轻集料混凝土的收缩过大、 收缩稳定期长，势必增加结构开裂的风险。另外，轻集料混凝土弹性模量较小、 收缩变形和徐变变形大，会造成预应力钢筋混凝土结构中预应力损失较大等问 题，限制了其在预应力大跨度结构中进一步应用。而在轻集料混凝土中加入适 量弹性模量较高的普通集料就能明显地提高骨料对水泥浆收缩起限制作用，明 显地提高混凝土的弹性模量，有效的解决预应力钢筋混凝土结构中预应力损失 较大等问题。 1 4 问题的提出 由上面叙述可知，高强普通混凝土和高强轻集料混凝土具有各自不同的特 点，总结分析两种混凝土各自的特点，可以发现粗骨料对这两种混凝土所表现 武汉理工大学硕士学位论文 出的特点有突出的贡献。针对两种混凝土由于集料不同而表现出优势互补的特 点，我们可以设想采用轻集料和普通集料搭配的方案充分发挥高强普通混凝土 和高强轻集料混凝土两者的优势。这种采用集料复合技术配制的混凝土密度应 在普通混凝土和轻集料混凝土之间，一些学者称之为次轻混凝土。 1 4 1 次轻混凝土的定义及简介 次轻混凝土是指在轻集料中掺入适量的普通集料，干表观密度介于1 9 5 0 k g m 3 2 3 0 0 k g m a 之问的混凝土【2 8 1 ，在国外亦被称为特定密度混凝土( s p e c i f i e d d e n s i t yc o n c r e t e ) ；它是在轻集料混凝土中用普通粗集料适量取代部分轻集料配 制而得的一种比轻集料混凝土重，而又比普通混凝土轻的过渡性混凝土。具有 轻质、刚度适中等优点。据资料嘲介绍，早在2 0 世纪6 0 年代初，德国首先将 其用在预应力轻集料混凝土桥梁上。最初是为了改善l w a c 弹性模量低和预应 力梁式桥端部局受压状态，用普通混凝土直接取代部分轻集料混凝土，以后才 发展到在普通混凝土掺入部分轻集料的“特定密度混凝土”。在荷兰、挪威等地 大量建造的用悬臂法施工l w a c 弓形箱梁桥都在其支座附近的桥梁端部使用了 特定密度混凝土。近年来，还在严寒的北海采用这种混凝土建造了采油平台。 其混凝土的表观密度为2 0 0 0 2 2 5 0 k g m 3 ，抗压强度达7 5 m p a 。2 0 0 0 年6 月在 挪威召开的第二届结构轻集料混凝土国际会议上，a h o l 和p r i e s 的文章介绍了 他们的部分研究成果，成果说明，次轻混凝土随着普通粗集料含量的提高，其 表观密度也随之增长，混凝土的弹性模量也随之增加，但对其抗压强度却影响 不大。在其表观密度较高时，劈拉强度略有提高，显然这对长跨径桥梁端部力 学性能的改善将有很大影响。 1 4 2 次轻混凝土的工作机理 次轻混凝士不但能够解决高强普通混凝土在性能上存在的重要问题，而且 还能改善高强轻集料混凝土的性能。次轻混凝土的主要工作机理如下： 1 针对高强混凝土早期易收缩开裂和脆性大的问题，可利用轻集料的多孔饱 水性，在配制混凝土时加入适量的预饱水轻集料。这些预饱水的轻集料能不断 的为高度致密的高强混凝土中大量存在而无法从外界环境中获得水分水化的水 泥颗粒及时地补给水化用水，提高水泥的水化程度，减小因消耗毛细孔水而引 武汉理工大学硕士学位论文 起的自生收缩。轻集料的表面构成主要为硅酸盐和铝硅酸盐玻璃相，具有潜在 的化学活性，能够与水泥水化生成的c a ( o h ) 2 发生化学反应。轻集料的粗糙表面 和大量存在的沟纹和凹槽，既防止了形成任何择优取向的晶体，又增加了与水 泥石的机械啮合作用。另外，轻集料的加入能明显降低混凝土的弹性模量。这 些作用能明显减小混凝土的收缩值和收缩应力，同时使混凝土中的薄弱环节一 一界面过度区的性能得到增强，使混凝土整体结构更加均匀从而提高混凝土体 系的耐久性。 2 针对高强轻集料混凝土体积稳定性差、预应力损失大这一问题，解决的主 要方法是提高混凝土的弹性模量。混凝土在宏观上是一个不均质体，其变形是 骨料与水泥石变形的总和，如果把问题简化来考虑，假定混凝土受荷时骨料与 水泥石的应力相等，即：1 e c = ( 1 一c ) e 一1 】k 。如假定混凝土受荷时骨料与水泥 石的应变相等，即：e c = ( 1 一c ) e a + c e g ，式中e c 、e 。、e g 分别为混凝土、骨料、 水泥石的弹性模量，c 为水泥石的体积百分率。公式中表明，混凝土的弹性模量 与骨料的弹性模量、水泥石的弹性模量及骨料和水泥石占混凝土中的体积有关。 改善混凝土的延性可以从骨料的弹性模量及其体积数量进行考虑。在轻集料混 凝土引入弹性模量较高的普通集料则能有效的提高混凝土的弹性模量，从而有 效地解决高强轻集料混凝土的体积稳定性差、预应力损失大这一问题，实现材 料性能的最优化。 1 4 3 国内外的研究现状及存在问题 到目前为止，对次轻混凝土的研究尚处于初级阶段，国际上一些国家已对 次轻混凝土的工程应用有所报道，国内的一些学者在轻集料混凝土体系设计的 基础上，采用掺入少量普通集料配制出了混合集料型轻质混凝土【3 。q3 1 ，对次轻 混凝土的性能进行了一些初步探索。但这些研究的方法和侧重点有所不同，而 且主要研究大都局限于强度等级不大于5 0 m p a 的混凝土，并且对于次轻混凝土 材料设计及其与结构力学性能的关系、耐久性、工作性和匀质性等问题尚缺乏 深入的研究。 1 5 主要内容及意义 建立新拌次轻混凝土拌和物中集料的运动方程，分析、讨论影响次轻混凝 武汉理 二大学硕士学位论文 土匀质性差的主要因素及提高次轻混凝土匀质性的技术与方法，掌握配制工作 性良好次轻混凝士的关键技术和方法；研究集料组成、体积砂率及矿物掺合料 等因素对高强次轻混凝土物理力学性能的影响规律，掌握制备匀质高强次轻混 凝土的主要技术参数；研究高强次轻混凝土的收缩和徐变变形性能，探明集料 组成、矿物掺合料等因素对高强次轻混凝土收缩变形性能的影响规律，掌握提 高次轻混凝土体积稳定性的主要技术和方法；研究高强次轻混凝土的耐久性， 包括抗硫酸盐侵蚀性能、抗冻性能、抗钢筋锈蚀性能和抗碳化性能等，掌握提 高高强次轻混凝土的耐久性措施。 本课题源于国家8 6 3 科研项目( n o 2 0 0 2 a a 3 3 5 0 8 0 ) 。本课题的研究成果不仅 可以延伸并进一步完善高性能混凝土的研究内容，为推广高强混凝土的工程应 用提供必要的理论依据和实验数据支撑，解决高强混凝土的应用技术难题，推 动我国混凝土技术的发展，而且对于丰富材料学理论与实践也有重大意义。因 此，无论从材料科学发展、工程技术进步，还是从经济效益提高和可持续发展 战略实施来看，开展高强次轻混凝土性能研究与工程应用都具有十分重要的意 义和必要性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章次轻混凝土匀质性的控制技术与方法 具有良好的工作性是对新拌高性能混凝土最基本的要求，是保证硬化混凝 土获得预定质量目标的先决条件，新拌混凝土是否具有良好的流动性能 ( f l o w a b i l i t y ) 、填充性能( p l a c e a b i l i t y ) 、稳定。龇( s t a b i l i t y ) 不仅关系到混凝土的 施工质量。而且还影响到混凝土硬化后的物理力学性能和耐久性。工作性良好 的次轻混凝土拌和物就是要具有良好的流动性、高抗分层离析的稳定性( 粘聚 性) ，流动性和稳定性之间是一对矛盾体，流动性的增加相应会增大混凝土离析 的风险；稳定性越高，混凝土的粘聚力越大，必然会降低混凝土的流动性。对 于次轻混凝土来说，由于各集料组分的密度不同，其大小分布在基相水泥砂浆 密度的两侧，且相差甚大，所以在混凝土浇灌成型的过程中，两种不同密度的 集料会沿着相反的方向移动，必然加剧集料的分层离析倾向，导致混凝土的匀 质性降低。因此，不同密度的集料使得协调解决流动性和稳定性之间的矛盾具 有较大的技术难度，本章在分析次轻混凝土拌和物宏观堆聚结构分层离析现象 的基础上，引出次轻混凝土的匀质性机理，阐述了评价次轻混凝土工作性的评 价方法，并分析讨论了影响次轻混凝土匀质性的因素，提出了控制次轻混凝土 匀质性的有效措旄。 2 1 次轻混凝土宏观堆聚结构的分层现象 混凝土拌和物主要是由比重各不相同的集料、砂、水泥胶结材和水等材料 组成的。由于固体粒子的沉降作用，混凝士拌和物在浇灌成型的过程中和在凝 结以前，很少能保持稳定，一般都会出现不同程度的分层现象。不同集料混凝 土拌和物中各组成材料的分布各不相同。 对于普通密度混凝土，比重较小的水，水泥浆及带有较小细骨料的水泥砂 浆上浮，粗骨料及较大颗粒的细骨料及包裹它们的水泥浆下沉，造成混凝土整 体的不均匀，形成了普通集料下沉的外分层结构 3 4 】。对于轻骨料混凝土，则是 比重较小的轻骨料、水等上浮，水泥浆和细骨料却下沉，造成混凝土整体的不 均匀，形成了轻集料上浮的外分层结构。 以上是由单一密度粗集料配制的混凝土，虽然会因为粗集料与砂浆的密度 武汉理工大学硕士学位论文 不同导致混凝土体系的匀质性变差，但是由于粗集料的密度基本相当，集料在 外力作用下的运动方向一致，所以引起分层的因素单一，相对来说比较好控制。 而对于次轻混凝土，由于粗骨料由普通集料和轻集料复合而成，拌和物中粗骨 料粒子在混凝土中的运动方式既不同于普通混凝土也不同于轻集料混凝土。骨 料中密度大的普通集料和及较大颗粒的细骨料及包裹它们的水泥浆下沉，而比 重较小的轻骨料、水等上浮，两种骨料粒子的运动方向截然相反，与单一密度 粗集料相比，在其他条件相同的情况下，骨料之间的相对位移更大，产生更严 重的分层离析，造成次轻混凝土特有的整体不均匀性，形成了次轻混凝土特有 的外分层结构。 图2 - 1 、2 - 2 和2 ，3 是次轻混凝土外分层结构的形成过程示意图。由图可见， 外分层作用造成颗粒较大的轻集料和水分集中在混凝士表层，其下是携带水泥 颗粒的水泥浆体和夹杂较细颗粒的水泥砂浆，底层普通集料和及较大颗粒的细 骨料及包裹它们的水泥浆。混凝土外分层造成宏观上的不均匀，其下部抗压强 度和弹性模量大于顶部。由于水分被挤压上升，使表层混凝土成为最疏松和最 软弱的部分。 图2 - 4 混凝土拌和物图2 - 5 内分层正在形成图2 - 6 内分层形成 ：普通集料；口：轻集料；。：砂；：水泥 在外分层结构形成的同时混凝土中也形成了内分层结构，形成过程示意图 分别如图2 - 4 、2 - 5 和2 - 6 所示。内分层的形成主要是由于水在向上移动的过程 武汉理工大学硕士学位论文 中遇到较大的物质如集料、钢筋而聚集在这些物质下部，与外分层作用不同， 内分层作用将造成混凝土结构在细观上的不均匀。在粗集料或者钢筋的下部， 含水量很大，在其蒸发后则形成空穴，是混凝土最薄弱的环节，也是混凝土渗 水的主要通道和裂缝的发源地。由于混凝土的内分层作用，使混凝土具有各向 异性的特征，表现出混凝土沿浇灌方向抗拉强度较垂直该方向的小。然而次轻 混凝土的粗骨料是轻集料和普通集料复合而成，轻集料具有多孔饱水性，能够 在混凝土拌和过程和硬化过程中吸入水分，降低集料表面的水灰比，在混凝土 硬化后期，轻集料的供水作用又可以使集料周围的水泥水化充分，增加水泥石 的密实度，同时可以改善普通集料与水泥石的粘结性能，因而在一定程度上可 以减小内分层作用的负面影响。 总之，内外分层作用使混凝土在宏观和细观上变得不均匀，从而降低了混 凝土的强度、抗渗性、抗化学侵蚀、抗碳化侵蚀、抗冻性和抗钢筋锈蚀等一系 列性能。从次轻混凝土内、外分层结构的形成过程可知，消除或改善内、外分 层结构，提高混凝土的匀质性，是提高次轻混凝土力学性能和耐久性的关键所 在。 2 2 次轻混凝土的匀质性理论1 3 5 3 6 1 次轻混凝土是粗骨料由两种密度不同的集料组成，这直接导致了新拌次轻 混凝土工作性难以有效控制，容易产生分层离析。分层离析是由于混凝士中各 种固体粒子大小、密度不同而引起的各组分分离，进而造成整体结构不均匀和 失去连续性的现象。导致颗粒在分散介质中不均匀、不连续分布的直接原因是 组成混凝土体系的各粒子之间发生相对运动而产生了不同的位移。对于成型好 的混凝土，各种颗粒的相对运动速度不同就造成了颗粒分布不均匀的现象。这 里以粗集料颗粒作为考察对象，作用在每个集料颗粒上的作用力有重力、粘性 抵抗力和浮力。假设轻集料颗粒是半径为r l 的球体，普通集料颗粒是半径为r 2 的球体。根据流体力学原理，轻集料颗粒的运动方程可以写为： 扣日鲁= 扣一g 一咖”转见g + f ( p o 坝q ) ( 2 1 ) p i 轻集料的颗粒密度( g c m 3 ) p r 水泥浆体的密度( g c m 3 ) r 1 轻集料的颗粒半径( g i n ) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 混凝土的粘性系数( 泊达因秒厘米2 ) v 。颗粒的运动速度( 厘米秒) f ( p 1 ) 一压力相因子，表征压力变化对轻集料颗粒运动速度的影响 f ( h l 卜历史相因子，表征流体的历史对轻集料颗粒运动速度的影响 在静态条件下，历史相因子和压力相因子均可忽略，则经过整理式2 - 1 可得 到式2 - 2 ： 鲁+ 寺旧 弦z ， 通过对式2 - 2 积分，设定模型的初始条件为t = - o ，v l = o ，由此可得到式2 - 3 ： v - = 氆产卜寺 沼s ， 设vl 为轻集料颗粒的最终速度，则计算可得到式2 - 4 ： v 1 ：七丛二幽( 2 - 4 ) 叩 k 常数 同理，对于半径为r 2 的普通集料球体，其运动