（材料学专业论文）高强轻集料混凝土的脆性与增韧技术研究.pdf

武汉理： 大学硕士学位论文 摘要 高强轻集料混凝土虽然具有轻质高强、隔热保温、耐火、抗震、抗 渗等特点，在结构恒载占较大比例的高层建筑、大跨度结构、桥梁工程 等领域，具有非常广阔的应用前景。但与相同强度等级普通混凝土相比， 高强轻集料混凝土的抗折强度和弹性模量较低，脆性较大。这些缺点限 制了它在工程建设中的广泛应用。因此，如何提高其强度和改善其脆性 成为土木工程领域研究的热点。 本文研究了高强轻集料混凝土脆性的产生、脆性破坏特征、影响因 素、增韧技术以及增韧机理。建立了高强轻集料混凝土脆性破坏稹型， 其脆性破坏过程包括四个阶段：线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌 落阶段和应变软化阶段。通过实验分析了高强轻集料混凝土脆性的影响 因素：水胶比、砂率、胶凝材料组成和轻集料种类，以及它们与高强轻 集料混凝土脆性之间的关系：在实验和理论分析的基础上，建立了高强 轻集料混凝土的理想模型为设计、制备和生产高强高韧性轻集料混凝土 提供了理论依据。棂据该模型，提出了高强轻集料混凝土增韧的技术方 法：纤维增韧、聚合物增韧、集料表面增强处理、层布式钢纤维优化增 韧以及它们几种方法之间的复合增韧，并分析了这些增韧技术的作用机 理。最后采用这四种技术复合增韧，得到了和理想结构模型相符的高强 商韧性轻集料混凝土，较基准轻集料混凝土抗压强度增加1 6 3 ，抗弯 强度增加9 7 ，冲击韧性提高1 7 1 9 ；劈裂抗拉强度增加5 2 6 ，韧性 指数提高1 9 2 倍，并且具有耐久、经济等优良性能。 本文采用x r d 和s e b l 等现代微观测试手段对聚合物增韧高强轻集料 混凝土的水化产物和内部微观结构进行了研究，揭示了聚合物在轻集料 混凝土内形成“多相互穿网络结构”是聚合物轻集料混凝土具有优良韧 性的根本原因。 关键词：轻集料，高强轻集料混凝土，脆性，增韧，聚合物 武汉理工火学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h - 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 s l c ) h a v em a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h l i g h t q u a l i t y , t e m p e r a t u r ec o n t a i n i n g ，f i r e - r e s i s t a n t ，a n t i d e t o n a t i o o ，d u r a b i l i t y a n ds oo n ， w h i c hs u i tf o rh i g hb u i l d i n g sa n db r i d g e s n o wt h i sh a sa l r e a d yr e c e i v e dp e o p l e sg r e a t a t t e n t i o n h o w e v e rm a n yc h a r a c t e r i s t i c so fl 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 r ed i f f e r e n t f r o m o r d i n a r yd e n s i t yc o n c r e t e ，w h i c h c a u s es o m e s h o r t c o m i n g s o 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 e c o m p a r e d w i t ho r d i n a r yc o n c r e t ei nt h es a m eg r a d e ，h s l c s t o u g h b e s sa n de l a s t i c m o d u l u sa r el o wa n di t sb r i t c l e n e s si s r e l a t i v e l yh i g h t h i s s h o r t c o m i n gh a sl i m i t e d i t sw i d ea p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s oh o wt o i m p r o v es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f h s l c b e c o m e sf o c u so f c i v i le n g i n e e r i n g i nt h i s p a p e r , t h e c a u s eo fb r i t t l e n e s s ，b r i r l e n e s sd e s t r u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c ， i n f l u e n c ef a c t o r , i m p r o v i n gt o u g h r o s st e c h n o l o g ya n dm e e h a n l s ma r ei n v e s t i g a t e d o n t h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i s ，w eh a v es e tu pt h ei d e a lm o d eo fh i 曲t o u g h n e s sa n d s t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t e w h i c hs e t sa n i m p o r t a n t b a s i sf o rt h e d e s i g n a t i o n ，p r e p a r a t i o n a n dp r o d u c eo fh s l c ，a n dw ea l s os e tu pt h eb r i t t l e n e s s d e s t r u c t i o nm o d e lo f h i g h - s t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ea c c o r d i n g t o m a n y e x p e r i m e n t a ld a t a t h ec o u r s eo fh s l c s d e s t r u c t i o ni n c l u d e sf o u rs t a g e s ：e l a s t i cs t a g e o fl i n e ，s t r e n g t h e n i n gs t a g e ，s t a g eo ff a l l i n go fs t r e s sa n ds o f t e ns t a g e t h ei n f l u e n c e f a c t o r so f b r i t t l e n e s so f h s l cs u c ha sw br a t i o ，s a n dp e r c e n t a g e ，t y p eo f a g g r e g a t ea n d b i n d e rc o n s t i t u t i o na r ea n a l y z e dh yt h ee x p e r i m e n t ：i no r d e rt oi m p r o v et h et o u g h n e s so f h s l c ，w es t u d yt h ef u n c t i o no ff i b e r , p o l y m e r , a g g r e g a t ea n dl o w - l a y e rs t e e lf i b e ro o i m p r o v i n gt o u g h b e s s ，a n de x p l a i n t h em e c h a n i s m o f i m p r o v i n gt o u g h n e s s o f t h e m t h eh y d r a t e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fh s l ca r ea n a l y z e db yx r da n ds e m t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tp o l y m e ri nl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ef o r m s 。i n t e r p e n e t r a t i n g p o l y m e rc e m e n tn e t w o r ks t r u c t u r e ”，w h i c h i st h er e a s o nw h yp o l y m e rl 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 eh a s f i n et o u g h n e s s k e y w o r d s ：h i g h - s t r e n g t hl 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 ，b r i t t l e n e s s ， l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，i m p r o v i n gt o u g h n e s s ，p o l y m e r , 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 。 混凝土是现代土木工程最重要的建筑材料，它具有原材料来源广 泛、价格低廉、施工便捷等诸多优点。自1 8 2 4 年水泥问以来，至今已有 1 0 0 多年的历史。在过去的1 0 0 多年历史中，混凝土材料取得了长足的 发展。从普通混凝土到高性能混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土构件， 混凝土材料一直在向着满足人类发展需要的方向发展。随着结构恒载占 较大比例的高层建筑、大跨径桥梁和海洋工程等的快速建设，人们需要 轻质、高强、抗震、耐久的混凝土材料，轻集料混凝土就是在这种背景 下出现了。但是，混凝土的强度一直都是人们追求的目标，高性能是当 今混凝土科学研究与技术发展的热点与重点，而生态环境问题已成为全 人类在新世纪所面临的主题，与此相比，混凝土的轻质问题始终未能引 起人们应有的重视。 。 轻质混凝土主要包括加气混凝土和轻集料混凝土。其中，加气混凝 土的强度较低，主要用于对材料强度要求较低的非承重结构；而轻集料 混凝土则具有轻质、强度可设计性、耐久等性能优点以及保温、隔音、 抗震等功能特点，既可用于非承重结构，也可以用于主要承重结构。应 用领域非常广阔。因此发展轻集料混凝土被认为是减轻结构自重，使混 凝土向轻质、高强方向发展的主要途径。近几年来，轻集料混凝土在全 世界范围内都得到了迅速地发展，目前已成为世界各国建筑材料行业一 个新的经济增长点“1 。 1 2 高强轻集料混凝土的研究现状 轻质、高强、耐久是混凝土技术发展的方向，发展轻集料混凝士是 减轻结构自重，使混凝土向轻质、高强方向发展的主要途径0 3 。人造轻 集料的最早使用年代可以追溯到1 9 1 3 年，s j 海德是最初运用回转窑烧 制膨胀黏土轻集料的先驱者之一。到1 9 2 8 年美国才开始把这种方法用于 商业生产。美国配制成功l c 3 0 l c 3 5 的轻集料混凝土以后，行始在房屋 建筑、船舶制造和桥梁工程中应用。1 9 9 3 年以来其每年的使用量都维 武汉理j ：人学硕士学位论文 持在3 5 0 4 1 5 万m j 的水平上，其中结构混凝土的部分在8 0 万m 3 左右陆“。 由于相对缺少天然集料，前苏联轻集料产量最高、应用最广，2 0 世 纪8 0 年代最高年产量曾达到5 0 0 0 多万方，而技术水平却没有美国、德 国及挪威等国家高“”川。 日本是在二次世界战争后才大力发展人造轻集料的。1 9 7 0 年达最高 峰，年产量约3 0 0 万虬不仅用于工业与民用建筑，还广泛用于城市、 公路、铁道桥梁和海洋构筑物( 含采油平台) 。1 9 9 6 年同本人工轻骨料 协会( a l a ) 开始研究钢纤维增强轻骨料混凝土，主要目的是提高弯曲和 剪切强度，以用于道路桥面板。1 9 9 9 年在日本铁道建设公团阿佐线物部 川铁道桥的中间承受负弯矩的整个节点截面上采用了这种混凝土。日本 在1 9 9 8 年成立了一个由1 8 家公司组成的高强人造轻骨料混凝土研究委 员会，研究高强粉煤灰轻骨料“川。 挪威以生产超轻陶粒著称于世“。自1 9 8 7 年以来，已经用 高强轻骨料混凝土建造了1 1 座大跨度桥梁，其中1 9 9 9 年建成的2 座 ( r a f t s u n d 桥和s t o l m a 桥) 中跨分别为2 9 8 m 和3 0 1m ，是当前世界上 跨度最大的预应力轻骨料混凝土悬臂弓形桥，轻骨料混凝土强度等级达 l c 6 0 【6 ”。 我国从5 0 年代开始研究轻骨料和轻骨料混凝土，1 9 5 8 年在北京建 成第一幢轻骨料混凝土装配式大板试点建筑。目前，轻骨料年产量达5 0 0 万m 3 ，累计建成轻骨料混凝土建筑面积2 0 0 0 多万m 3 。我国轻骨料资源 丰富，品种齐全，天然轻骨料、工业废料轻骨料和人造轻骨料的原材料 比比皆是，特别是天然轻骨料东北、华北与海南省蕴藏量十分丰富，为 推广应用提供了十分有利的条件。在2 0 世纪8 0 年代前，我国着重于天 然和工业废料轻骨料的开发和应用，由于天然和工业废料轻骨料性能有 一定局限性，且随着轻骨料在工程中应用水平的日益提高，经过长期研 究和探索，至今我国已基本形成一个以地方资源及某些工业废料为主要 原材料的人造轻骨料的生产体系，为今后轻骨料生产与应用技术的大发 展奠定了良好基础。近十多年来，随着建筑工业化特别是墙体改革的 发展，我国的人造轻骨料，特别是超轻陶粒获得了迅速的发展，年产量 己超过4 0 0 万m 3 。轻骨料混凝土在建筑工程中的应用越来越多。一个重 2 武汉理工大学硕士学位论文 要的应用领域是用作墙体结构，因为轻骨料混凝土兼具自重轻的特点及 保温和承重的多重功能。在我国另一重要应用是用于预制构件和建造 桥梁、船舶以及烟囱和高温窑炉等的耐火内衬，取得了良好的技术经济 效果。与此同时，轻骨料混凝土也可用于工业与民用建筑工程中的承重 结构。中国建筑科学研究院曾组织对全国各有关地区。近二十多年来轻 骨料混凝土在建筑工程中使用情况的调查，结果说明，所有轻骨料混凝 土结构的使用是良好的。但是，我国的轻骨料及其混凝土无论在品种， 数量及其应用范围上与国外相比仍有较大的差距“。 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6 2 5 # 水泥配制出l c 4 0 干硬高强轻集料混凝土“3 ；2 0 0 4 年2 月武汉理工大学胡曙光教授等人。利用页岩陶粒和普通硅酸盐4 2 5 水 泥配制的c l 4 0 轻集料混凝土( 坍落度1 6 c m ) 成功应用于孝襄高速公路 团山河大桥，跨度为2 2 米的预应力空心板全部采用轻集料混凝土，是我 国高强轻集料混凝士应用的一个成功范例。 目前，我国关于高强混凝土技术的研究正方兴未艾。一些大专院校、 科研工程单位已经先后开展了高强轻集料混凝土和高性能轻集料混凝土 的研究，并在一些桥梁、高层建筑中应用，如珠海国际会议中心l c 3 0 泵 送高强轻集料混凝土o ；2 0 0 1 年，武汉理工大学胡曙光教授等人研制的 c l 4 0 泵送纤维增强轻集料混凝土成功应用于京珠高速公路蔡甸汉江大 桥，取得了显著的经济效益；2 0 0 4 年3 月胡曙光教授等人自行研发的商 品l c 4 0 高强轻集料混凝土在武汉市的证券大厦上得到了成功的应用，成 为高强轻集料混凝土商品化的先驱。虽然如此，我国的高强轻集料混凝 土的研究水平仍然很低。 1 3 高强轻集料混凝土存在的问题 高强轻集料混凝土虽然具有轻质高强、隔热保湿、耐火、抗震、抗 渗、综合技术经济效果好等特点。在结构恒载占较大比例的高层建筑、 大跨径结构、桥梁工程等领域，具有非常广阔的应用前最，现已受到人 们的普遍重视。然而轻集料混凝土的许多特征，如拌和、水化硬化阶段、 延展性、失效模式、抗渗性能与普通密度混凝土都有很大的区别，必然 武汉理工大学硕士学位论文 导致轻集料混凝土有某些不足之处与相同强度等级普通混凝土相比， 它的抗折强度和弹性模量较低，脆性较大。这些缺点限制了它在工程建 设中的广泛应用“”3 。因此，如何提高其强度和改善其脆性成为土木工 程领域研究的热点。 为了使高强轻集料混凝土能更好的服务祖国的工程建设，提高我国 轻集料混凝土的研究水平，针对目前高强轻集料混凝土所存在的问题， 应尽快开展如下几方面的工作： ( 1 ) 加快高强、低吸水率优质轻集料研究和工业化生产 制备高强、高性能轻集料混凝土需要采用低吸水率、高强优质轻集 料。我国把轻集料分为超轻集料、普通轻集料和高强轻集料三大类。目 前我国人造轻集料的年产量已超过3 0 0 万一。可是其中强度和吸水率指 标能够达到高强轻集料指标的优质轻集料年产量还不到3 0 万一。吸水率 小于5 的低吸水率轻集料年产量更少，不超过l o 万一。而美国自1 9 9 3 年以来，年使用轻集料一直维持在5 0 0 5 5 0 万一。其中用于结构混凝土 的轻集料就达到8 0 万m 3 左右“。由此可见，与发达国家相比，我国在这 方面的差距是十分明显的。高强与高性能轻集料的缺乏使得一些大型工 程建设缺乏充足的原料供应，性能上的不足也使轻集料混凝土的强度、 工作性以及可泵性难以满足设计与施工要求。以上原因已成为当前制约 轻集料混凝土广泛应用的关键因素m 。 ( 2 ) 高强轻集料混凝土的脆性及其增韧技术和机理研究 高强轻集料混凝土的相对水泥浆体较低强度轻集料混凝土和普通集 料混凝土大得多。增加水泥浆体积和提高水泥浆体强度的结果是提高混 凝土强度并使粗集料和砂浆相之间的弹性不相容，使得高强轻集料混 凝土的破坏源和破坏形式不同于普通集料混凝土。随着高强与超高强结 构材料在工程中应用，脆性破坏越来越成为材料研究与应用的关键问题 之一。按照经典力学的观点。材料破坏是当其承受的最大应力达到极限 值开始的。对于结构材料来说，在材料的应用与研究上，这种应力观点 在一个相当长的时期内甚至在今天仍起主导作用，在应用上尽可能采用 高强材料，在研究上着重于提高材料强度。但在g r i f f i t h 理论建立以后， 特别是在二次世界大战以后多次由于脆性破坏而引起灾难性后果，这种 武汉理工大学硕士学位论文 应力的观点已逐步被修正。随着近年来断裂力学学科的发展与完善，在 重视材料的强化的同时也重视材料的韧化，由于材料的强化与韧化是一 对矛盾，也就是说，材料强度的提高伴随有脆性增大的趋势，因此这方 面的研究有相当大的难度。在研究混凝土脆性的问题时，应该严格区分 脆性和脆性破坏这两种不同但又有联系的概念，前者是材料的性质，是 材料本身所固有的，后者则是混凝土的行为，是前者在环境中的表现。 与环境条件密切相关。不能认为材料发生了破坏，就认为其脆性很大“”。 一般认为，混凝土是种很脆的材料，极易发生脆性破坏。随着强度 的提高，轻集料混凝土的脆性增大，这限制了高强轻集料混凝土在土木 工程领域的广泛应用。因此，研究高强轻集料混凝土的脆性及其韧化具 有十分重要的理论和工程实际意义。 1 4 选题背景和意义 轻集料混凝土具有轻质、保温、抗震、耐久的显著特点，是一种新 型多功能结构材料。特别适用于结构恒载占较大比例的高层建筑、大跨 径桥梁和海洋工程等建设，应用前景非常广阔。在国外，高强轻集料混 凝土的研究与应用已有5 0 多年的历史，并且近十年来每年以较快的速率 递增。如美国的休斯顿贝壳广场大厦、西班牙的毕加索大厦、英国的 c a n a r yw a r y 塔楼、挪威的s t o m a 大桥等多座著名的建筑都采用了高强 轻集料混凝土。相比之下，高强轻集料混凝土在我国的研究与应用起步 较晚，整体水平较低“1 “”“。近两年来，随着上海、宜昌等趣优质轻集 料的生产初具规模高强轻集料混凝土逐渐在珠海国际会展中心、天津 新河大桥引桥和蔡甸汉江大桥等工程中得到了应用“。1 。但是高强轻集料 混凝土具有的高脆性限制了它在土木工程领域的广泛应用，因此为了提 高我国轻集料混凝土的研究水平和加快轻集料混凝土的广泛应用，我们 有必要而且必须搞清楚高强轻集料混凝土的脆性，以及其增韧技术和机 理。 为此，国家自然科学基金委员会对此已经立项，题目为“高强轻集 料混凝土的脆性特征及其增韧机理研究”。本文作为该项目的一部分，通 过阐述高强轻集料混凝土的组成、结构与性能的关系，研究了高强轻集 武汉理工大学硕士学位论文 料混凝土的脆性破坏特征、增韧技术及增韧机理，解决了高强轻集料混 凝土的高强高脆问题，为结构轻集料混凝土的广泛应用奠定了理论基础。 此项研究必将促进我国轻集料混凝土在更多领域的应用，这对提高我国 轻集料混凝土技术水平和节省资源、能源，实现可持续发展战略将具有 重要意义。 1 5 本文的主要工作 ( 1 ) 阐明了高强轻集料混凝土脆性的产生，建立了理想强韧高强轻 集料混凝土的结构模型。 ( 2 ) 通过实验和对比研究，建立了高强轻集料混凝土脆性破坏的特 征模型。 ( 3 ) 通过变化高强轻集料混凝土的组成，研究了影响高强轻集料混 凝土脆性的因素，研究了杜拉纤维、聚丙烯腈纤维、聚合物、钢纤维以 及他们多者混掺对高强轻集料混凝士脆性的改善效果。 ( 4 ) 提出了高强轻集料混凝土的多种增韧技术，并通过实验手段得 到了最小钢纤维掺璧的层布式钢纤维轻集料混凝土，该混凝土材料具有 强抗弯性能。 6 武汉理： 大学硕士学位论文 第二章高强轻集料混凝土的脆性 目前高强轻集料混凝土的应用已涉及到桥梁工程、房建工程、港口 海洋工程等许多土建工程领域，然而高强轻集料混凝土的研究与应用还 存在很大差距，表现在以下三个方面，其一是适合于生产高强轻集料混 凝土的优质轻集料的品种和产量都不多，不仅限制了高强轻集料混凝土 的应用范围，而且使得优质轻集料的市场价格偏高，增加了工程成本： 其次是高强轻集料混凝土由于单方水泥用量高，并且掺加的某些矿物掺 和料( 如硅灰) 与高用量高效减水剂的成本偏高，也使得工程造价较高； 再者高强轻集料混凝土本身也存在不足之处，主要是脆性增大，延性减 小。使得高强的轻集料混凝土在实际工程中应用并不完全有利。因此在 高强轻集料混凝土理论和实验方面，除了进一步降低材料成本以外，还 要做好以下三个方面的工作：( 1 ) 高强轻集料混凝土的组成、结构与性 能之间的关系及其内在特征；( 2 ) 高强轻集料混凝土的韧化；( 3 ) 用高 强轻集料混凝土浇注的钢筋混凝土和预应力混凝土构件的性能和强度。 在这当中，混凝土材料的脆性具有特殊的地位，脆性大小既反映了材料 的内在特征，又影响着混凝土实际结构的性能。 2 1 高强轻集料混凝土的组成 2 1 1 轻集料 轻集料按来源不同可分为天然轻集料和人造轻集料。按照粒径大小 又分为轻粗集料和轻细集料。轻粗集料习惯上称为轻集料，是指粒径大 于5 m m 、堆积密度不大于1 l o o k g m 3 的陶粒。轻细集料是指粒径不大于5 m m 。 堆积密度不大于1 2 0 0 k g m 3 的陶砂。制备高性能轻集料混凝土的粗集料需 要采用品质好且性能稳定的优质人造轻集料，而细集料主要采用质量较 好的河砂。目前使用最多的人造轻集料有膨胀粘士陶粒、膨胀页岩( 板 岩) 陶粒和粉煤灰陶粒三类o 。 武汉理工人学硕士学位论文 表2 一l 轻集料性能与混凝土性能之间的关系 混凝土性能轻集料性能 1 、和易性颗粒形状；表面特征：级配；吸水性 强度；变形模量；表面特征；颗粒形状：最大尺寸 2 、强度和级配：杂质；细颗粒的火山灰效应；粘土和其他杂质 的存在 3 、容重颗粒容重；颗粒形状：颗粒级配；晟大尺寸 4 、变形模量变形模量 颗粒级配； 变形模量；强度；颗粒形状；颗粒级配；最大尺寸； 5 、收缩和徐变 空隙率；含湿量；杂质的存在 空隙含量；空隙构造羽i 透水性；吸水饱和程度；抗 抗冻性 拉强度；变形模量 温度膨胀系数；变形模量；导热性；比热和容重； 6 、耐久性温度稳定性 尺寸：吸水饱和程度 温度膨胀系数；变形模量；导热性：比热和容重： 抗火性 吸水饱和程度；尺寸：劈裂强度 7 、与钢筋粘结力强度；变形模量；级配；吸水性 8 、导热性导热性；吸水饱和程度； 因原料和烧制工艺不同，轻集料的外形和质地有较大差别，从极不 规则的碎石形到圆球形各种粒形都有，我国轻集料混凝土技术规程将轻 集料分为圆球型、碎石型和普通型三种。如表2 一l 所示，轻集料的颗粒 形状、表面特征、级配以及强度等性能对混凝土的和易性、强度、容重 等各种性能都有重要影响。 评价轻集料品质的常用指标有堆积密度、颗粒表观密度，筒压强度、 强度标号，吸水率，级配，最大粒径，粒型系数，浮粒率，抗冻性等， 其中堆积密度、筒压强度和吸水率是最主要的指标，习惯上人们将它们 称之为三大指标。我国轻集料及其试验方法按照堆积密度大小将轻集料 分为不同级别，用于配制高强与高性能轻集料混凝土的轻集料一般为 6 0 0 9 0 0 级的高强优质轻集料，轻集料的级别主要依据混凝容重、强 武汉理工大学硕士学位论文 度要求进行选取。 轻集料是一种多孔材料，内部结构疏松多孔，其颗粒强度和弹性模 量较低。颗粒强度一般用简压强度表示，根据筒压强度的大小可将轻集 料划分为普通轻集料和高强轻集料。高强轻集料是指筒压强度大于 6 o m p a 、强度标号大于2 5 m p a 的陶粒，它是配制高强轻集料混凝土的重 要原材料，目前国内已有很多厂家能够生产出筒压强度达到7 o m p a 以上 的高强优质轻集料m ，。 轻集料的吸水率是一项非常重要的指标，其大小直接影响到混凝土 的拌和方式、工作性能和强度大小，甚至影响其耐久性能。表征轻集料 吸水率的指标有1 h 吸水率、压力吸水率、真空吸水率等，通常所指的吸 水率是1 h 吸水率，根据吸水率大小可将轻集料分为低吸水率陶粒( 吸水 率 5 ) 。低吸水率是高性能轻集料的主要 特征“4 ”1 。国内仅有宜昌宝珠陶粒公司、上海申威等少数几家陶粒厂能 够生产出这种类型的轻集料。 轻集料的粒径和级配对新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有重要 影响，尤其是在采用泵送施工时不宜采用粒径大于2 0 m m 的轻集料，为此 许多标准都设定了轻集料最大粒径的控制范围“。国外陶粒生产厂家 都十分强调对轻集料最大粒径的控制，基本上要求轻集料的最大粒径应 小于1 6 m m ，如l e c a 的最大粒径要求不大于1 2 m m 。而在我国，陶粒生产 厂家对粒径过大给混凝土性能造成的危害认识显得不够对粒径控制不 严格，很多厂家生产的轻集料最大粒径甚至超过3 0 m m 。 轻集料的多孔性使得轻集料在混凝土拌和与运输过程中将吸收水 泥浆体中的水分。进而造成混凝土坍落度损失。降低施工性能，所以在 混凝土拌和前一般需要对轻集料进行预湿处理。这是轻集料混凝土施工 工艺不同于普通混凝土的一个主要特征。预处理的目的主要是使轻集料 在混凝土拌和过程中不继续吸水，以减小混凝土的坍落度损失和满足泵 送施工的技术需要。预处理工艺主要有常压预湿饱水、热差饱水、真空 饱水以及表面处理等。其中常压饱水和真空饱水处理工艺较为简单，是 目前最主要的预湿处理工艺。经真空饱水之后轻集料吸水达到饱和，所 以在混凝土施工过程中，可避免因轻集料吸水而造成的坍落度损失。但 武汉理工大学硕士学位论文 是真空饱水将显著增大轻集料混凝土的容重降低抗冻性和耐久性。所 以预处理工艺的选择需要权衡各方面的利弊，进行科学选择。用石蜡涂 覆轻集料表面虽然可以有效降低吸水率1 ，提高轻集料混凝土的泵送性 能，但是这种方法使轻集料的生产过程变得较为复杂，而且在轻集料表 面涂覆石蜡之后对轻集料一水泥石的界面结合有不利影响，从而降低混凝 土的性能，所以石蜡表面处理的方法现在己很少使用。 2 1 2 胶凝材料 配制l c 4 0 以上高强轻集料混凝土一般应采用高标号的硅酸盐水泥 和普通硅酸盐水泥，并且水泥用量比较高，通常达到了4 5 0 5 5 0 k g 一”“。 粉煤灰、硅灰等辅助胶凝材料是配制高性能轻集料混凝土的常用原料。 因硅灰对轻集料混凝土具有显著的增强作用，所以配制高强轻集料混凝 土普遍使用1 0 左右的硅灰。有资料表明。“，配制l o o m p a 的超高强轻集 料混凝土必须掺加一定量的硅灰。硅灰除了具有显著的增强作用之外， 还可以提高新拌轻集料混凝土拌和物的稳定性。粉煤灰因其颗粒形同玻 璃微珠。具有润滑作用，可以增大混凝土的流动性。同时对防止轻集料 的上浮也具有重要作用，所以它已成为配制泵送轻集料混凝土不可或缺 的组分。珠海国际会展中心、蔡甸汉江大桥使用的泵送轻集料混凝土中 都使用了1 5 左右的一级粉煤灰，从而获得了较理想的施工效果。 轻集料混凝土的水泥用量较高，加之轻集料具有保温特点，综合作 用使得轻集料混凝土内部水泥水化温升比较高，高强轻集料混凝土最高 水化温升约比普通混凝土高出1 0 2 0 。c ，这对大体积混凝土结构是非 常不利的。因此。减小轻集料混凝土的水化温升是非常必要的。因矿渣 和粉煤灰的水化或化学反应速率迟于波特兰水泥，从而可以起到显著降 低混凝土早期水化温升、减小热应力裂纹的作用”1 ，所以有必要将其应 用于高性能轻集料混凝土的配制。 2 1 3 其他组分 离性能混凝土具有较低的水胶比，致使水泥浆体的流动性比较差， 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 所以高性能混凝土需要使用高效减水荆。高效减水剂的使用方法有先掺 法、后掺法以及二次添加法三种。选用掺加方式的原则是使减水剂能够 充分发挥作用，以降低新拌混凝土坍落度经时损失。鉴于轻集料表面含 有许多孔，轻集料能够吸附部分减水剂，从而降低减水剂的作用效果的 特点，建议轻集料混凝土中高效减水剂的加入宣采用后掺法或二次添加 法。同时，高效减水剂与水泥的相容性要好，以使混凝土具有良好的工 作性。高性能轻集料混凝土的胶凝材料用量较高，为保持低水胶比，必 须提高减水剂的用量，一般情况下其掺量可达到水泥用量的0 8 1 4 。 为使混凝土能够满足长距离泵送施工的技术要求有时还需要加入缓凝 剂、引气剂和超塑化剂等其他外加剂。 引气剂和增稠剂对轻集料混凝土是至关重要的，在混凝土中引入5 左右的含气量可降低水泥石的密度，有效防止轻集料上浮增加混凝土 的流动性。增稠剂的加入能够有效提高新拌混凝土的稳定性，减小离析， 是泵送轻集料混凝土必不可少的组分之一0 5 ”1 。 此外，在需要使混凝土具有其他方面的优异性能时，如高抗裂性能、 高韧性，还需要引入增强材料，如纤维、聚合物等。这些组分的加入会 在一定程度上改变混凝土拌和、施工和养护工艺，有的甚至还会影响水 泥的水化过程，最终带来混凝土结构上的变化。从而使混凝土的性能得 到有效改善。 2 2 高强轻集料混凝土的脆性破坏特征 2 2 1 高强轻集料混凝土脆性的产生 高强轻集料混凝土具有脆性特征，它的主要表现形式是混凝土试件 的脆性破坏。高强轻集料混凝土的组成不同于普通集料混凝土，决定了 高强轻集料混凝士的脆性产生原因有别于普通集料混凝土。本节将从微 观和细观两个角度论述高强轻集料混凝土的脆性产生原因。 一般认为，硬化水泥浆体是一种极复杂的非均质的多相体，而且对 于固定的原始组成，硬化水泥浆体微结构还是随着时间而变化的。它主 武汉理： 大学硕士学位论文 要由未水化的水泥熟料颗粒、水泥水化产物、水和少量空气组成。水泥 水化产物中存在的原子主要是c a 、s i 、0 。这些原子组份聚集成各种晶 体( c a ( o h ) 。、钙矾石晶体，占2 7 ) 、结晶度差的c - s - h 凝胶( 占7 2 ) 及无定形相。水泥凝胶最基本的结构单元是硅氧四面体。无论硅氧四面 体或是它们之间硅和氧都是以共价键结合，而钙等金属离子则多以离 子键形式与硅氧四面体结合0 1 。要使硬化水泥浆体断裂，必须克服晶体 中共价键和离子键键能，而共价键和离子键的断裂需要很高的能量。组 成共价键和离子键的原子不像金属原予那样排列紧密，有许多空隙，难 以引起位错的移动。共价键有方向性，使晶体结构复杂，具有较高的抗 畸变和阻碍位错运动的能力。同时共价键、离子键在断裂时几乎不产生 任何变形。这些微观结构特点反映在宏观上就是材料的强度高、延伸率 小、脆性大。 硅蔬予 0 牵【每子 钎蠢子 酗2 1 硅氧四面体幽2 2 硅酸盐结构二维示意幽 从细观层次来看，高强轻集料混凝土结构的显著特点是非均质，多 相多孔。轻集料自身含有大量孔洞和微裂纹，尺寸肉跟可见，除此之外 由于各种复合高效减水剂的掺入，使得胶凝材料形成的水泥石结构也含 有大量的孔洞和微裂纹，与金属等其它材料相比，高强轻集料混凝土在 更大尺度上表现出非均质性。这就使得高强轻集料混凝土在受荷时会产 生局部的应力集中，应力集中诱发的裂纹首先从含有大量缺陷的轻集料 里面开始发展，经过裂纹的稳定扩展和不稳定扩展阶段，高强轻集料混 凝土就产生破坏。 在荷载的作用下，混凝土的裂纹可能发生在：( 1 ) 水泥石或砂浆基 体里：( 2 ) 骨料颗粒内；( 3 ) 骨料与水泥石的界面过渡区内。对于普通 集料混凝土而言，其界面过渡区是薄弱部分，存在孔洞或者c a ( o h ) 。定向 武汉理l ：人学硕士学位论文 排列，在荷载的作用下板易产生应力集中现象导致裂纹扩展，进而引起 混凝土材料的破坏。普通集料混凝土中的集料强度和硬度1 般都要高于 水泥石基体。当荷载较小时，水泥石与界面过渡区只产生弹性变形，当 荷载达到能使集料与水泥石在界面处产生滑移时，裂纹首先在界面过渡 区产生。但裂纹很难直接穿过集料，而是绕过集料进行扩展，混凝土试 件的断面凸凹不平，有沿着集料破坏的痕迹( 见图a ) 。集料此时增加了 裂纹的扩展路径，消耗了更多的能量，降低了普通集料混凝土的脆性。 而在高强轻集料混凝土内，由于轻集料的孔吸附和自养护作用，骨料与 水泥石的界面过渡区得到根本上的改善，形成非常致密和高强的过渡层， 而且过渡层中的集料和水泥石相互“嵌锁”，不可能产生类似于普通混凝 土中集料和水泥石的剪切破坏。因此高强轻集料混凝土的裂纹最可能发 生在轻集料内部。由轻集料产生的裂纹逐步贯穿整个集料内部、集料表 面、集料与水泥石界面、水泥石基体、最后许多类似裂纹的突然贯穿而 破坏。高强轻集料混凝土的断面平整，破坏裂纹直接穿过轻集料本身( 见 图b ) ，使得整个破坏过程消耗的能量最小，导致高强轻集料混凝土的脆 性高于同等级的普通集料混凝土。 图a 普通集料混凝土断面图b 轻集料混凝土断面 总而言之，水泥混凝土材料的塑性，与金属材料的塑性有本质的区 别。由于其分子尺寸远比会属大，晶格点阵参数大，b o g e r s 矢量大到其 位错能远远超过金属材料。同时，硬化水泥浆体作为多相复合材料，位 错运动受到相界面的阻挡，即位错不可能发生”7 “。此外，水泥混凝 l 材料存在许多不连续的微裂缝丌展和破坏界面，能量以裂缝丌展的形 式释放。因此这种塑性实质上是微观的真脆性和宏观的假塑性”。 l3 武汉理t 人学硕士学位论文 2 2 2 高强轻集料混凝土的脆性破坏模型 长期以来，混凝土的力学性能一直是科学技术界极为关心的课题。 人们为了避免陷入微观、细观结构的麻烦，而将混凝土材料视为宏观的 均质各向同性材料。正如材料力学所指出，材料的破坏最终都可归结为 两个因素：滑移( 由于剪切作用) 或断裂( 由于拉伸作用) 。即便材料是 在受压情况下，实际上正应力本身也是不能导致材料破坏的。材料宏观 上的破坏性状取决于何种破坏机制居主导地位。一般晶态固体的塑性变 形，表现为结晶面之间的相对滑移。而混凝土往往是材料内先出现宏观 裂纹，然后该种宏观裂纹失稳扩展导致材料破坏；或在宏观裂纹并未形 成之前，即出现材料失稳崩溃。因此混凝土的宏观破坏性状是表现为脆 性破坏的”“1 。 混凝土是脆性材料，它具有脆性材料破坏时的特征。从理论上讲， 高强轻集料混凝土的脆性破坏形式，从丌始受载到最终破坏的过程中， 与其他脆性材料的破坏过程一样，其应力应变关系同样经历四个阶段( 见 图2 3 ) ：线弹性阶段( o a 段) 、非线性强化阶段( a b 段) 、应力突然跌 落阶段( b c 段) 和应变软化阶段( c d 段) a t q 对于某些特殊组成的脆 性材料和加载模式，最后二个阶段可能只会出现其一。它表示了一般脆 性材料的脆性破坏特征：应力达到极限值后，材料所能承受的应力突然 跌落( b c 段) 至某值，剩余强度逐步下降，直至某一定值( c d 段) 。 z y 、 蟠 槔 挠度，m m 幽2 3 脆性材料的单拉戍力应变曲幽2 4 高强轻榘料溉凝十实验实测曲线 武汉理：l ：大学硕士学位论文 o 吼 图2 5 金属的单轴拉伸应力应变曲线 z ￥ r 倒 应变，1 0 m 图2 6 高强轻集料混凝士的破坏模型 图2 3 是清华大学冯西桥、余寿文利用微裂纹扩展模型得到的准脆性 材料的理论单拉应力应变曲线，是脆性材料理论上的脆性破坏特征汹川。 图2 4 是相同标号的高强轻集料混凝土与普通集料混凝小试件梁的荷 载一挠度曲线，曲线由电脑采集实验数据绘制，实验采用i n s t r o n 一1 0 吨 伺服压力机测试。该图与脆性材料的单拉理论破坏曲线基本一致，只是 实测曲线的应变软化阶段很快就跌落为零，没有剩余强度。而且在该阶 段测得的数据很少，可见其应力跌落为零的速度之快。图2 4 也表明： 轻集料混凝土的弹性模量要小于相同标号的普通集料混凝土，即在应力 相同的情况下，轻集料混凝土的变形要大于普通集料混凝土( 见图2 4 中两者曲线的比较) ；轻集料混凝土的抗折强度要小于同等级的普通集料 混凝土；轻集料混凝土应力跌落阶段的曲线要比普通集料的陡，整个破 坏曲线所包围的面积比普通集料的要小，从能量的观点来讲，高强轻集 料混凝土的断裂能要小于同等级的普通集料混凝土，充分说明了高强轻 集料混凝土的脆性要大于同等级的普通集料混凝土。图2 5 是韧性金属 的典型单轴拉伸应力一应变曲线，与脆性材料有明显的不同。因此，高 强轻集料混凝土的脆性破坏特征是：应力达到极限值后，高强轻集料混 凝土所能承受的应力突然跌落至某一值，但很快就降为零。 虽然按照钢纤维混凝土j g t 3 0 6 4 1 9 9 9 进行的荷载一挠度曲线 测试是主要针对普通钢纤维混凝土抗弯韧性的”1 ，但是在试件被测试 的过程中，混凝土试件中线轴以上的部分是受压的，以下的部分是受拉 ： 武汉理：【大学硕士学位论文 的。一般认为混凝土的抗压强度远大于其抗拉强度，因此混凝土首先从 其受拉部分中的缺陷萌生裂纹，随后宏观裂纹的产生和扩展，使得混凝 土试件的有效截面变小，直至试件断裂。在该过程中。试件的中线轴随 之上升，中线轴以下没有断裂的部分总会由于受到拉力作用而断裂，可 见该实验中混凝土试件的断裂是由拉应力引起的“。限于当今科技水平 和实验本身的复杂性，混凝土试件的直接拉伸实验全曲线很难做成功， 即使做成功了，其可重复性也很差而该实验方法操作简单可重复性 相对较好，且所得应力一应变曲线与脆性材料的理论破坏过程相似，因 此该实验方法可以看作混凝土的间接拉伸实验。用来类似地表示高强轻 集料混凝士这种脆性材料的脆性破坏特征是可行的。高强轻集料混凝土 的宏观脆性破坏特征可以从轻集料混凝土小试件梁的荷载一挠度曲线上 看出( 见图2 4 ) 。 参考脆性材料的理论单拉应力一应变破坏曲线啪。”，结合普通集料 混凝土和轻集料混凝土的实测荷载挠度曲线，可以得出高强轻集料混 凝土和普通集料混凝土的脆性破坏模型( 见图2 6 ) 。该模型说明，高强 轻集料混凝土和普通集料混凝土的脆性破坏过程包括四个阶段：线弹性 阶段( o a 或o a 段) 、非线性强化阶段( a b 或a b 。段) 、应力跌落阶段( b d 或b d 段) 和应变软化阶段( d e 或d e 段) 。由于普通混凝土和轻集料混 凝的破坏机理不一样，上述四个阶段的过程也有所差别，下面简要分 析该脆性破坏模型的四个阶段。 a ) 在线弹性阶段( o a 段) ，当拉伸应力6 小于临界拉伸应力6 。时， 材料内部的微观细观结构不发生变化，没有新的裂纹或缺陷生成，原生 的裂纹或缺陷都只发生弹性变形，不发生扩展，材料自身结构保持原状 态不变，集料只发生弹性变形。该阶段在应力一应变曲线上表现为一段 线性的直线。普通集料混凝土的弹性模量( 直线段斜率) 大于高强轻集 料混凝土的弹性模量。 b ) 在非线性强化阶段( a b 段) ，当拉伸应力6 大于临界拉伸应力6 但小于材料的最大承载应力6 。时，轻集料内部发生连续的裂纹扩展， 随着应力的增大，越来越多的微裂纹发生稳定扩展，该过程限于组成一 致的集料内部，并不穿过各相的界面，是一个不可逆过程。这直接导致 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 了高强轻集料混凝土材料应变的增加速率大于应力的增加速率，使得该 阶段在应力应变曲线上表现为一段向右弯曲的曲线。普通集料混凝士 的微裂纹此时在界面过渡区这一薄弱环节开始形成和扩展，由于裂纹沿 着集料表面扩展，路径曲折。吸收能量也大，这一阶段在曲线为a b 段， 较高强轻集料混凝土的a b 段要长。 c ) 在应力跌落阶段( b d 段) ，当应力6 达到最大承载应力6 。后，某 些裂纹将穿过晶界或者多相的界面，在另一相里发生二次扩展。裂纹穿 过界面需要吸收更多的能量，界面在一定程度上能够阻挡裂纹的发展， 稍微延迟了高强轻集料混凝土的突然破坏( 应力突然陡降) 此过程表现 在应力一应变曲线图上为b c 段：当高强轻集料混凝土中轻集料内的裂纹 扩