（水工结构工程专业论文）钢纤维轻骨料混凝土物理力学性能及韧性的试验研究.pdf

摘要 钢纤维轻骨料混凝土具有轻质高强、韧性优、保温隔热等显著优点。将钢纤维和 天然浮石轻骨料混凝土结合起来成为钢纤维轻骨料混凝土，钢纤维轻骨料混凝土兼有 钢纤维混凝土的韧性高和轻骨料混凝土质量轻等优点。 本论文通过掺入钢纤维、高效减水剂、优质引气剂及矿物掺合料配制了三种强度 等级( l c 3 0 ，l c 3 5 ，l c 4 0 ) 的浮石轻骨料混凝土。本文对这种新型的多相复合混凝土 材料的力学性能开展初步研究，分析了钢纤维体积率变化对轻骨料混凝土的立方体抗 压强度、轴心抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响。试验结果表明， 钢纤维的加入能明显提高轻骨料混凝土的抗拉强度和抗折强度；掺入钢纤维使轻骨料 混凝土的抗压强度有一定程度的提高，增长幅度不大，但抗压韧性却有很大改善，使 钢纤维轻骨料混凝土裂而不散；钢纤维轻骨料混凝土的弹性模量随钢纤维体积率的增 大有一定提高，表观密度略有增加。 本文最后探讨了钢纤维对轻骨料混凝土的阻裂增韧机理，并对进一步的研究工 作提出了建议。本文的试验结果可为钢纤维轻骨料混凝土的研究与应用提供试验依据 和理论依据。 关键词：浮石；钢纤维轻骨料混凝土；力学性能；阻裂增韧机理 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s t e e l f i b e rr e i n f o r c e dl 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 a b s tr a c t t h ee x c e l l e n tt o u g h n e s si st h em o s to b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n tl 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 ( s f r l w a c ) b e s i d el o w e rd e n s i t y , h i g h e r s t r e n g t ha n di n s u l a t i n g t h i ss u b j e c ti st oc o m b i n e t h es t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew i t h t h el i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t et of o r mas t e e l f i b e rr e i n f o r c e dp u m i c el 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 ，w h i c ho w n st h ea d v a n t a g e so fh i g ht o u g h n e s so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ea n dt h el i g h tw e i g h to 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 e i nt h i sp a p e r , p u m i c el 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 ( l w a c ) o fl c 3 0 ，l c 3 5a n d l c 4 0 ，w h i c ha r ec o m p o u n d e dw i t ht h em e t h o do ft h es t e e lf i b e r , s u p e rp l a s t i c i z e r , h i g h q u a l i t ya i r - e n t r a i n i n ga g e n ta n dm i n e r a la d m i x t u r e s s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o n 弱 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h en e wc o n c r e t em a t e r i a lw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c et o s f r l w a cc a u s e db yt h ec h a n g eo fv o l u m er a t i oo fs t e e lf i b e rw a sa n a l y z e db yt h et e s to f c u b e c o m p r e s s i v es t r e n g t h , a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，m o d u l u s o f e l a s t i c i t y , s p l i t t i n g - t e n s i l es t r e n g t ha n dm o d u l u so fr u p t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h et e n s i l es t r e n g ha n db e n d i n gs t r e n g ho fs f r l w a cc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yt h e a d d i t i o no fs t e e lf i b e r ；t os o m ee x t e n t ，t h ea d d i t i o no fs t e e lf i b e rc a na l s oi n c r e a s et h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a l t h o u g hl i t t l e ，i tr a d i c a l l yi m p r o v e st h ec o m p r e s s i v et o u g h n e s s ，a n d t h es f r l w a cw i l ln o tf a l la p a r tw i t hc r a c k s ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ev o l u m ef r a c t i o no f s t e e lf i b e r , t h ee l a s t i cm o d u l u si sa l s or i s i n gs o m e w h a t ；s u r f a c ed e n s i t yi si n f l u e n c e dl i t t l e t h ee f f e c t f u r t h e r m o r e ，an e wf o r m u l ai se d u c e dt oc a l c u l a t et h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h a n dm o d u l u so fs f riw ac ，a n dg a i n sag o o dl i n e a rr e l a t i v i t y a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i t et h e o r yo fs f r ca c c o m p a n i e d w i t hc r a c kp r e v e n t i n ge f f e c t ，t h ef o r m u l ao f t o u g h n e s sc a l c u l a t i o no fs f r l a cw a sd e r i v e d t h e o r e t i c a l l y , a n dt h ec h o o s i n go ft h ep a r a m e t e r sw a sd i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y t h u s ，a c o r r e s p o n d i n gq u a n t i t a t i v ee x p r e s s i o nb e t w e e nt o u g h n e s sa n ds t e e l f i b e rc o n t e n ta n d m a t r i xs t r e n g t ho fs f r im ，a cu n d e rt h et y p i c a lc o n d i t i o nw a sg i v e n a ne v a l u a t i n gm e t h o d o ft o u g h n e s so fs f r l w a ci sp r i m a r i l yf o u n d e da sw e l l k e yw o r d s ：p u m i c e ，s t e e l f i b e rr e i n f o r c e dl 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 ；m e c h a n i c a l d ir e c t e db y ：p r o f s h e nx i a n g d o n g a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：z h a n gaij u n ( h y d r a u l i cs t r u c t u r a le n g i n e e r i n g ) ( c o l l e g eo f w a t e r c o n s e r v a n c y a n d c i v i l e n g i n e e r i n g ，i n n e r m o n g o l i a a g r i c u l t u r a l u n i v e r s i t y , h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 图l 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 图9 图l o 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图 图 图 图 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 0 图3 1 图3 2 插图和附表清单 天然浮石颗粒形貌8 端钩型钢纤维( h s f ) 形貌9 钢纤维轻骨料混凝土的成型工艺流程1 2 立方体抗压试验1 5 劈裂抗拉强度试验1 5 轴心抗压强度和弹性模量试验1 5 抗折强度试验机1 6 试件标准养护箱1 6 素轻骨料混凝土棱柱体受压破坏1 8 不同体积掺量钢纤维表观密度变化规律2 0 不同强度表观密度变化规律2 0 立方体抗压强度变化规律2 3 轴心抗压强度变化规律2 5 钢纤维对轻骨料混凝土轴压比的影响2 6 钢纤维轻骨料混凝土f c 与f c u 的关系2 6 钢纤维轻骨料混凝土受压破坏2 7 钢纤维轻骨料混凝土轴压破坏2 8 钢纤维轻骨料混凝土弹性模量变化规律2 9 钢纤维轻骨料混凝土劈拉强度变化规律3 5 钢纤维掺量对轻骨料混凝土劈压比的影响3 6 钢纤维轻骨料混凝土抗折强度的变化规律4 1 h s f _ 3 0 抗折抗压强度关系4 2 h s f - 3 5 抗折一抗压强度关系。4 2 h s f - 4 0 抗折一抗压强度关系4 2 钢纤维轻骨料混凝土劈拉强度与抗折强度关系4 4 素轻骨料混凝土劈拉破坏断面4 4 钢纤维轻骨料混凝土劈拉破坏形态一4 4 钢纤维轻骨料混凝土抗折破坏形态4 5 h s f - 3 0 试验结果总汇图4 6 h s f - 3 5 试验结果总汇图4 6 h s f - 4 0 试验结果总汇图4 7 弯曲韧度指数4 9 l 色 瓢 钆 氛 良 l & 玑 加 n 挖 捣 m 坫 协 盯 坞 增 加 孔 船 嬲 丝 沥 舱 卯 镐 凹 n 驼 3 3 图3 3 3 4 图3 4 3 5 图3 5 3 6 图3 6 3 7 图3 7 3 8 图3 8 4 0 表l 4 1 表2 4 2 表3 4 3 表4 4 4 表5 4 5 表6 4 6 表7 4 7 表8 4 8 表9 4 9 表l o 5 0 表l l 5 1 表1 2 5 2 表1 3 5 3 表1 4 5 4 表1 5 5 5 表1 6 5 6 表1 7 h s f - 3 0 荷载挠度曲线5 2 h s f - 3 5 荷载挠度曲线。5 2 h s f - 4 0 荷载挠度曲线，5 2 h s f - 3 0 韧度实测值和理论值对比图6 0 i t s f - 3 5 韧度实测值和理论值对比图6 0 h s f - 4 0 韧度实测值和理论值对比图6 0 浮石的化学组成7 轻骨料各项物理力学性能7 水泥主要物理性能8 钢纤维的主要技术参数8 轻骨料混凝土实际基准配合比1 0 钢纤维轻骨料混凝土配合比1 l 试验内容及试件尺寸、数量1 3 钢纤维轻骨料混凝土表观密度2 0 钢纤维轻骨科混凝土抗压强度2 2 钢纤维轻骨料混凝土轴心抗压强度2 4 钢纤维轻骨料混凝土弹性模量2 9 钢纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度试验结果3 5 钢纤维轻骨料混凝土劈拉强度立方体抗压强度3 6 各种混凝土轴拉强度劈拉强度的试验结果统计3 8 钢纤维轻骨料混凝土抗折强度4 0 钢纤维轻骨料混凝土抗折强度立方体抗压强度4 3 钢纤维轻骨料混凝土韧性指数和初裂强度5 l 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，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 含为获得我校或其他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 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：拯量翌日期：丝：兰：p 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，窜：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1引言 1 1 论文研究的背景 混凝土是当今建筑工程中用途最广和用量最大的建筑材料之一，它已经成为现代 土木建筑工程中最重要的材料。自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， 1 8 3 0 年左右就出现了水泥混凝土。此后，水泥混凝土的生产技术迅速发展，由于混 凝土材料不仅来源丰富、可塑性好、抗压强度高，而且与钢材、木材、塑料等其它建 筑材料相比，其具有耐久性好、维修工作量小等优点。因此用量急剧增加，使用范围 也曰益扩大各种形式的混凝土、钢筋混凝土不仅广泛应用于工业与民用建筑、交 通土建工程、农林、水工建筑和城市建设，而且还可以制成轨枕、电杆、压力管、地 下工程、宇宙空间站及海洋开发用的各种构筑物，同时，它也是一系列大型现代化技 术设旌和国防工程不可缺少的材料，所以水泥混凝土业已成为现代土木工程中最重要 的材料之一n 。但由于普通混凝土有自重大、抗拉强度和抗折强度低、保温隔热性 能差等缺点，也限制了其在更宽广领域的应用。随着建筑技术的不断发展，建筑物也 趋向高层化和大型化，为了适应土木工程建设这些变化的需要，未来的混凝土及其所 用骨料的数量与种类将不断增多，它们的性能也必将不断的得到改善。在这样的背景 下，如何减轻高层建筑和大跨度结构的自重问题成为一个十分重要的课题。 目前，解决这一问题主要有两条途径n 川：其一是发展超高强度混凝土，就是采 用高效外加剂、矿物掺和料等技术设计超高强混凝土，强度提高一倍，就相当于自重 下降一半。随着i o o m p a 以上的超高强混凝土的研究开发，为混凝土在超高强建筑中 使用提供了光明的前程。但也应该看到，目前的超高强混凝土还存在两大问题，一是 随着强度的提高，混凝土的脆性明显上升；二是超高强混凝土尚处于实验室研究阶段， 要将其应用到工程实际中还需要进行大量的研究工作；另条途径是发展轻质混凝 土。自罗马时代起，人们就已经开始利用轻混凝土来减轻圆形和拱形建筑特殊部位的 静荷载，其中许多建筑物在两千多年后的今天仍巍然耸立。轻骨料混凝土是用多孔轻 质骨料( 即轻骨料) 和水泥配制而成的一种轻质混凝土，它使用内部多孔同时具有一定 强度的轻质骨料来代替天然密实骨料，还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。我国最新的行业标准轻骨料混凝土技术规范 ( j g j 5 1 2 0 0 2 ) 将轻骨料混凝土定义为：用轻粗骨料、轻砂( 或普通砂) 、水泥和水配制 而成的干表观密度不大于1 9 5 0 k g m 3 的混凝土。轻骨料混凝土的发展及应用是与轻骨 料生产技术的进步息息相关的，人造超轻陶粒、高强轻骨料的出现使得轻骨料混凝土 的应用范围日益扩大。目前按照用途的不同，通常可以将轻骨料混凝土分为保温轻骨 料混凝土、结构保温轻骨料混凝土和结构轻骨料混凝土三大类伽。 轻骨料混凝土主要具有结构效益好、抗震性能强、耐火性能佳、耐久性能好、经 济性优良等优点。由于轻骨料混凝土的轻质、高强等优点，使它比相同强度等级的普 通混凝土自重降低2 5 3 0 ，而且使用轻骨料混凝土可以减小结构断面、提高结构 2 钢纤维轻骨料混凝土物理力学性能的试验研究 的高度、增大结构跨度，以及实现减少钢筋、预应力钢筋和结构钢材用量的目的：在 结构断面相同的条件下，由于结构自重的减小，结构承载力得以提高。轻骨料混凝土 由于密度小、质量轻、弹性模量低，结构承受动荷载的能力强，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比较慢，且结构的自震周期长，对冲击能量的 吸收快，减震效果显著。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。对于同一耐火等级的构件来说， 轻骨料混凝土板的厚度可比普通混凝土减薄2 0 3 0 。轻骨料与砂浆间的界面过渡 区是影响混凝土材料耐久性的重要因素之，由于轻骨料混凝土中界面过渡区密实、 具有较好的界面粘结性能，因此，轻骨料混凝土具有比普通混凝土更好的抗渗性、抗 冻性以及抵抗各种化学侵蚀的性能。由于轻骨料混凝土中轻骨料与砂浆组分弹性兼容 性好，因此内部裂缝和应力相对较少。此外，轻骨料中无活性组分，可使得轻骨料混 凝土无碱一骨料反应之虞。尽管轻骨料混凝土的单方造价比相同强度等级的普通混凝 土要高，但由于其可以减轻结构自重、缩小结构断面、增加使用面积、减少钢材用量、 降低基础造价，因而具有显著的综合经济效益。 目前轻骨料的成本较高，但在应用中往往可被结构构件尺寸的减小和钢筋的节约 所抵消。而且自重的减轻，还能有效地节省支柱和基础的费用，也是混凝土向轻质、 高强、环保等方面发展的主要途径。利用工业废料，如废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、 火力发电站的粉煤灰等制作轻骨料混凝土，可降低混凝土的生产成本，并变废为宝， 减少占用农田，减轻环境污染，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益，应大力 推广利用。而且轻质、高强、耐久是混凝土技术发展的方向，发展轻骨料混凝土是 减轻结构自重，使混凝土向轻质、高强和耐久方向发展的主要途径。 1 2国内外轻骨料混凝土研究动态及应用 1 2 1国外研究动态与应用 国外轻骨料混凝土的迅速发展是在二战以后，尤其是五、六十年代。1 9 6 8 年在 英国伦敦召开了第一届国际轻混凝土会议。7 0 年代初，美国轻骨料年产量就达1 8 0 0 万m 3 ，并以每年5 一- - 8 的增长速度递增。当时轻骨料混凝土的发展出现了两种倾 向：一是用于结构混凝土；二是用于生产混凝土制品( 砌块、肋间空心混凝土填充块、 隔墙、屋面板、外墙挂板) 。发展较快的前苏联，由于相对缺少天然骨料，虽然轻骨 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m 3 ，但技术水 平却赶不上美国、德国及挪威等国家。美国、德国等用于结构轻骨料混凝土的比例 约占3 0 - - 3 5 。早在1 9 6 9 年，美国就用高强轻骨料混凝土建成了高2 1 7 6 m ，5 2 层的休斯敦贝壳广场大厦。 9 0 年代初期，挪威、日本等一些国家在普通轻骨料混凝土的研究与应用的基础 上，先后开展了对高强、高性能轻骨料混凝土的研究。内容涉及到高性能轻骨料混凝 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 土的配方、生产工艺、高性能轻骨料的研究等方面，重点在于改善混凝土的工作性和 耐久性，并取得了一定的成果。例如，英国采用高强轻骨料混凝土建造了北海石油平 台；挪威已成功应用l c 6 0 级轻骨料混凝土在1 9 9 9 年建成了两座( r a f t k u n d 桥和 k t o l m a 桥) 中跨分别为2 9 8 m 和3 0 1 m 的预应力轻骨料混凝土悬臂弓形桥“”1 ：日本 则在1 9 9 8 年成立了一个由1 8 家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会，专f - i x 究 高强粉煤灰轻骨料。 1 9 9 3 年以来，美国轻骨料( l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e 简称l w a ) 的年使用量都维持在 3 5 0 4 1 5 万吨的高水平上，用于结构混凝土的部分在8 0 万吨左右。目前美国轻骨料的 6 1 用于混凝土空心砌块的生产。日本人工轻骨料协会( a r t i f i c i a ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t e 简称舢l a ) 1 9 9 6 年开始钢纤维增强轻骨料混凝土的研究，1 9 9 9 年日本铁道建设公团 在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。当前 日本主要涉及到高性能l w a 、粉煤灰高强l w a 及其混凝土、纤维增强l w a 、自密 实l w a 等的材性、构件性能和设计的研究。挪威以生产超轻陶粒著称于世n “”1 ，现 已开始进行钢一l w a 结构的研究，以期在高层建筑中取得更大的进展。 国外现今比较重视高性能轻骨料及其混凝土的研究和应用，并且大多用于建造高 层、大跨度和大体积的土木工程中，用运的大都是人造轻骨料，对天然轻骨料的应用 还不多，而且也是在刚起步阶段，随着高强高性能轻骨料的研究和复合材料( 如纤维 增强l w a 、型钢一u 愀组合结构) 的发展，轻骨料在高层建筑、桥梁和预应力结构中 必将发挥更大的作用。 1 2 2 国内研究动态与应用 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 2 。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。从5 0 年代初，我国就开始 利用煤渣和粉煤灰直接生产墙体材料制品，但其性能较差，不能很好满足使用要求。 后又研制烧结粉煤灰陶粒、自然煤矸石、膨胀矿渣和非锻烧粉煤灰轻骨料。在6 0 年 代先后研制成页岩陶粒、粉煤灰陶粒和粘土陶粒等人造轻骨料，至今品种已较齐全。 7 0 - - 8 0 年代，主要发展烧结粉煤灰陶粒，使利用工业废料制成的轻骨料约占其轻骨 料总产量的三分之二，但其产品不能满足墙体保温的使用要求，而结构用轻骨料混凝 土的表观密度一般为1 8 0 0 - - - 1 9 5 0 k g m 3 ，抗压强度为5 0 - - , 2 5 m p a ，主要用于房屋建 筑的外墙板( 约5 0 ) “”。9 0 年代国内轻骨料过多偏重于墙体材料的应用，而用于承重 结构的高性能陶粒的生产与开发，并没有受到应有的重视，致使轻骨料在承重结构中 的应用不仅没有提高，反而有所减少，轻骨料也由以高层建筑外墙板为主，改变成以 4钢纤维轻骨料混凝土物理力学性能的试验研究 高层建筑框架填充墙用的小型空心砌块为主的格局。 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，年产量已超过4 0 0 万m 3 。特别是对建筑节能和建筑物功能性要 求的提高，高性能轻骨料混凝土的研究和应用也得n t 快速发展。据不完全统计，2 0 0 3 年我国人造轻骨料一陶粒的产量约3 8 0 万m 3 ，是2 0 0 1 年产量的1 2 倍“”。但由于天 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发展奠定了良好 基础，使轻骨料混凝土在工程中的应用越来越多。 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 原料比比皆是，特别是天然轻骨料在黑、辽、内蒙、晋、冀、海南等东北、华北与华 南地区蕴藏量十分丰富，为推广应用提供了十分有利的条件。我国轻骨料混凝土的研 究应用领域也很广，如8 0 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 号水泥配制出l c 4 0 干硬高强轻骨料混凝土o 1 ：1 9 9 8 年珠海国际 会议中心l c 3 0 泵送高强轻骨料混凝土首次获得成功。1 9 9 9 年在天津永定河大桥引桥 在采用轻骨料混凝土后，混凝土强度达到了5 0 - - 5 5 m p a ，弹性模量为2 6 - - - 3 1 g p a ，桥 梁的跨距增大，工期大大缩短，建设费用大幅度的降低，总造价由原来的6 2 7 9 万元 降低到5 6 5 5 万元，节省幅度达到1 1 3 。可见，采用轻骨料混凝土后对桥梁经济性 的影响也十分显著。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 级水泥配制的l c 4 0 轻骨料混凝土( 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 m 的预应力空心板全部采用轻骨料混凝土，是我国高强 轻骨料混凝土应用的又一个成功范例。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。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。 目前只有上海、宜昌等厂家具备生产高强轻骨料的条件，且规模较小，在工程应 用上也处于起步阶段。同时，国内虽也能配制出抗压强度达7 0 m p a 的结构轻骨料混 凝土，但在工程中实际只用到l c 4 0 。在桥梁工程中的应用近几年虽有所突破，但最 大跨度仅达3 5 m 。完全用轻骨料混凝土的工程( 包括桥梁、桥面板、承台、桥墩、基 础) 和在旧桥改造中( 修复、加固、加宽等) 应用仍然很少。在采油平台，水上漂浮物、 船坞等特殊工程中应用更未见有所突破n ”。对于轻骨料混凝土的拌和物的工作性、轻 骨料混凝土力学性能的研究的还不够深入n 町，而且生产轻骨料的工艺水平、轻骨料混 凝土的应用范围同国外相比还有一定的差距，改进轻骨料生产工艺、发展轻骨料混凝 土与使用其他材料的复合技术、设计高性能轻骨料混凝土，已成为十分必要的课题。 1 3 本研究课题的目的和意义 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 随着我国经济建设的迅猛发展，出现了建筑高层、大跨的发展趋势。为缩小结构 断面，减轻结构自重，提高保温隔热等性能，使建筑结构向高强、轻质、多功能的方 向发展，而高强轻骨料混凝土可厂：泛应用在柔性地基、海洋工程以及各种工业与民用 建筑、水工建筑物和高层、大跨等构筑物上，具有良好的经济、社会效益和技术经济 价值。特别是在北方寒区，混凝土因冻融、碳化等影响，使很多建筑物和水工建筑物 都有很大程度的破坏。而轻骨料混凝土具有抗冻性好等优点，适合在寒区建筑物上的 使用。所以，在近几十年来，轻骨料混凝土在世界各国获得大量的发展和应用。 我国有许多地方藏有丰富的天然轻骨料，然而无论是开发利用天然轻骨料的总量 还是在轻骨料混凝土中占的比例都比较小。因此，加大研发力度，充分利用各地丰富 的天然轻骨料资源，发展有地方特色的新型建筑材料，推广和促进天然轻骨料的应用， 对于我国这个能源相对短缺的国家具有十分重要的经济和社会效益。天然轻骨料的生 产成本比粘土陶粒和页岩陶粒低，因此具有较强的竞争力。所以说天然轻骨料是一种 性能好、价格低廉、生产简单、投资小、见效快，具有广泛前途的新型建筑材料。但 目前我国的天然轻骨料应用技术水平落后，特别是在充分利用现代加工技术和复合技 术方面，天然轻骨料的应用更为落后，对于我国分布广泛的天然轻骨料，其构成分布、 组成结构和性能方面的差别为其优化应用带来了一定的困难，这需要针对不同地区的 天然轻骨料品种，进行系统深入的研究，在掌握其结构特征和性能特点的基础上，开 发其优化应用技术。对于充分开发天然资源和提高我国轻骨料混凝土的应用水平和应 用规模均具有重要的现实意义。 本论文就是针对内蒙古锡林郭勒盟地区的浮石进行较系统的研究。通过在轻骨料 混凝土中掺入钢纤维有望取得较好的增强、增韧效果，但轻骨料混凝土的表观密度会 相应增加。研究成果有望对工程实践中轻骨料混凝土脆性问题的解决发挥一定的参考 和借鉴作用，也为一般工业与民用建筑物及水工建筑物的结构天然轻骨料混凝土的广 泛应用奠定理论基础，给施工提供技术指导，也为北方寒区充分利用这一自然资源探 索更科学的应用技术。此项研究必将促进天然轻骨料混凝土在众多领域的应用，这对 提高我国天然轻骨料混凝土技术水平和节省资源、能源，解决天然砂石骨料资源将日 益枯竭等问题，实现可持续发展战略将具有重要意义，也是混凝土发展的方向之一。 1 4 本研究课题的主要内容 本文基于我国轻骨料混凝土研究与应用的现状，在天然轻骨料混凝土中掺入钢纤 维，对轻骨料混凝土的力学性能、破坏特点、增强机理和韧性的定量计算进行了深入 的研究。主要从以下几方面对钢纤维轻骨料混凝土进行研究： 1 、对试验原材料的基本性能进行测试，采用浮石轻骨料、选用恰当的制各工艺， 通过试配，得到了2 8 d 立方体抗压强度为3 0 m p a 、3 5 m p a 、4 0 m p a 的轻骨料混凝土。 2 、通过对钢纤维轻骨料混凝土的表观密度、立方体抗压强度、轴心抗压强度、 6 钢纤维轻臂料混凝土物理力学性能的试验研究 劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量等力学性能的试验研究，分析了钢纤维体积率的 变化对钢纤维天然轻骨料混凝土物理力学性能的影响，并给出相应的计算表达式，为 今后的研究和实际应用提供有价值的试验依据。 3 、通过试验研究，找出满足一般强度要求的工业与民用建筑物、水工建筑物及 灌区渠道衬砌等恶劣条件下，混凝土的工作性( 施工性能) 、耐久性、经济性等各方 面性能的结构天然轻骨料混凝土和结构钢纤维天然轻骨料混凝土的最优配合比。 4 、通过钢纤维轻骨料混凝土的研究成果，结合国内外学者己建立的理论和实验 成果，以损伤力学为基础，应用钢纤维混凝土的本构方程，得出钢纤维对天然轻骨料 混凝增韧效能模型，通过理论分析和试验验证，进一步研究钢纤维对轻骨料混凝土的 增强增韧性能，为钢纤维轻骨料混凝土的进一步研究和实际工程的应用提供参考。 内蒙吉农业大学硕士学位论文7 2 试验概况 2 ，试验原材料及其基本性能 2 1 1 浮石的特性及其化学组成 天然轻骨料的主要结构特点是多孔，物理性能特点是质轻、吸水率大、导热系数 小。浮石是火山喷发时“町，岩浆急速喷到空中，由于急剧降温、减压，其中的水气和 其它气体在冷却时急剧膨胀而形成的多孔状岩石，其具有质轻、多孔、吸水率大( 最 高可达6 0 以上) ，导热系数小等特点。大多浮石呈褐色或铁黑色，在火山口附近经 高温烘炼或风化呈红褐色，有发达的气孔构造，气孔有大有小不均匀，气孔尺寸约为 0 2 - 0 7 m m ，孔隙分布变异性较大，一般呈圆至椭圆形，孔壁光滑，颗粒表面形状 是多角形或不规则形。其主要矿物组成为嘲：水山玻璃，长石，石英，黑云母和角闪 石，因其能浮于水面，故得名浮石。浮石据s i o ：质量分数可分为酸性一流纹质浮石， 中性一安山质浮石和碱性一玄武质浮石三类，在三类浮石中，化学成分质量分数一 般在下列范围内变化：w ( s i 0 2 ) = 4 5 - , 7 0 ，w ( a 1 2 0 3 ) = 1 0 1 6 ，w ( f e 2 0 3 ) = 5 2 1 4 7 ，w ( f e o ) = 2 2 9 - - 8 6 ，w ( t i 0 2 ) = 0 2 4 - 3 0 0 ，w ( c a o ) = 0 5 7 - 8 8 1 ， w ( m g o ) = o 2 7 9 7 9 ， w ( p 2 0 5 ) = 0 1 2 5 ，w ( k 2 0 ) = 1 6 8 5 4 6 ， w ( n a 2 0 ) = 3 0 8 - - 6 0 8 。浮石自身的结构构造和化学组成( 本试验浮石的化学组成 见表1 ) ，特别是气孔构造是影响浮石质量和用途的主要因素。 表1 浮石的化学组成( ) 2 1 2 骨料基本性能 本试验粗骨料选用内蒙古锡林郭勒盟地区的天然浮石( 其颗粒外观形貌见图1 ) ， 依据国家标准轻骨料及其试验方法一第2 部分：轻骨料试验方法( g b t 1 7 4 3 1 2 1 9 9 8 ) 嘲对试验所用天然浮石轻骨料的各项物理力学性能进行了测试，测试结果见表 2 。 表2 轻骨料各项物理力学性能 8 钢纤维轻骨料混凝土物理力学性能的试验研究 图1 天然浮石颗粒形貌 水泥：内蒙古鄂尔多斯市生产的蒙西p 0 4 2 5 r 级普通硅酸盐水泥，其安定性 合格，烧失量为1 0 2 ，主要物理性能见表3 。 表3 水泥主要物理性能 细骨料：选用优质河砂，细度模数2 5 ，含泥量在2 左右，含水率在3 左右， 堆积密度1 4 6 5 k g m 3 ，表观密度2 6 5 0 k g m 3 ，颗粒级配良好。 钢纤维：浙江省嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的端钩型钢纤维( h o o ks t e e l f i b e r ，简记为h s f ) ，其形貌见图2 ，主要技术参数见表4 。 表4 钢纤维的主要技术参数 内蒙古农业大学硕士学位论文 苫 一 图2 端钧型钢纤维( h h s f ) 形貌 粉煤灰：呼和浩特市化肥厂i 级粉煤灰。 减水剂：u 盯一5 型高效减水剂，粉状，主要成分为萘磺酸盐甲醛缩合物。 引气剂：r s d 一5 型引气剂。 水：普通自来水。 2 2 实验方案及配合比设计 2 2 1试验方案 根据本文的研究目的和研究思路，主要对钢纤维轻骨料混凝土进行研究。轻骨料 混凝土虽然具有轻质、高强的特点，但其脆性很大、拉压比很低，限制了高性能轻骨 料混凝土的实际工程应用。吴中伟院士认为：复合化是水泥基材料高性能化的途径， 其中纤维增强是核心汹1 。本试验采用廉价的天然浮石将其破碎筛分后就直接用作粗骨 料，粒径较小的开采出来不经加工就直接使用。轻骨料粒径选用5 - - - 2 0 r a m ，优质河 砂作细骨料，水泥和粉煤灰作胶凝材料，同时掺入随机乱向分布的短钢纤维和一定掺 量的减水剂、引气剂和矿物掺和料所配制成的一种新型多相材料复合的混凝土。为了 改善天然轻骨料混凝土塌落度损失快，水灰比不易控制，拌和中出现的离析、泌水等 现象，提前2 4 小时将骨料进行预吸水处理，让骨料充分吸水达到饱和，同时采用干 拌法拌和，让轻骨料表面空隙全部由细骨料填充，这样可以有效地改善其性能。要求 新拌混凝土都具有较好的和易性，坍落度控制在7 0 - - - l o o m m 左右。 为了更好地推广应用这种新型混凝土，有必要通过试验了解和掌握其力学性能。 本文对不同强度配合比( l c 3 0 、l c 3 5 、l c 4 0 ) 及不同掺量钢纤维体积率( 0 ，0 5 ， 1 o ，1 5 ) 的钢纤维轻骨料混凝土进行了表观密度、方体抗压、劈裂抗拉、抗折、 轴心抗压及弹性模量等强度和变形性能的力学性能试验，着重研究了钢纤维体积率对 钢纤维轻骨料混凝土力学性能的影响效果和影响程度。 10 钢纤维轻骨料混凝土物理力学性能的试验研究 混凝土试件均在试验室制备，采用强制式搅拌机搅拌，在振动台上完成振捣，钢 模成型，振动密实以后，试件2 4 h 拆模，标准条件下养护2 8 d 后取出。每种配合比的 力学性能试验以3 个试件为1 组，共进行3 种配合比1 3 2 个试件的试验。试件的制作 按普通混凝土力学性能试验方法( g b j 8 卜8 5 ) 胁，和钢纤维混凝土试验方法 ( c e c s l 3 ：8 9 ) 汹，的有一关规定执行。 2 2 2 最优配合比设计 轻骨料混凝土配合比设计主要有两种方法：松散体积法和绝对体积法旧。其中绝 对体积法在普通混凝土设计中已经被普遍采用。这种方法设计混凝土配合比是建立在 每l m 3 混凝土的绝对体积是各组成材料绝对体积总和的基础上进行的；用松散体积法 设计轻骨料混凝土配合比，主要是以混凝土的干表观密度为其各组成材料质量的总 和。主要的区别就在于设计的出发点分别是绝对体积和表观密度。 本试验轻骨料混凝土最优配合比的设计分两步进行。首先确定出不钢掺纤维和粉 煤灰的素轻骨料混凝土的基准配合比，计算主要依据轻骨料混凝土技术规程 ( j g j 5 卜2 0 0 2 ) 的设计步骤c s ，设计抗压强度等级为l c 3 0 、l c 3 5 、l c 4 0 的轻骨料混凝 土。得出该轻骨料混凝土的基准配合比，然后通过试配调整得出符合实际要求的最优 基准配合比，最优基准配合比见表5 ；再在基准配合比中掺入体积率为0 5 - - 1 5 的钢纤维，水泥用量的1 5 用粉煤灰代替，而且粉煤灰的掺量为1 2 倍代替水泥的量， 最后得出实际钢纤维轻骨料混凝土的具体配合比，钢纤维轻骨料混凝土的具体配合比 见表6 。 表5 轻骨料混凝土最优基准配合比( k g m 3 ) 需要指出的是：上述最优基准配合比中的轻骨料为饱水状态下的质量，砂子为含 水率在3 左右的自然状态下的质量：同时用水量为净用水量，不包括骨料中的含水 量。减水剂的用量为水泥的用量的1 ，引气剂的用量是根据引气剂的特性而定的， 为o 1 3 3 k g m 3 。通过调节用水量使得所制备的轻骨料混凝土的坍落度在7 0 1 0 0 m m 的范围内。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 h s f 3 0 - o3 1 4 5 6 6 68 3 26 5 61 2 8 40 1 3 33 7 0 h s f 3 0 - o 53 1 4 56 6 ，68 3 26 5 61 2 8 4 0 1 3 33 70 5 l c 3 0 h s f 3 0 - 1 03 1 4 56 6 68 3 26 5 61 2 8 40 1 3 33 7 i 0 h s f 3 0 - - 1 53 1 4 5 6 6 68 3 26 5 61 2