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(工程力学专业论文)钢筋干拌自密实混凝土简支梁基本力学性能实验研究.pdf.pdf 免费下载
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钢筋干拌自密实混凝土简支梁基本力学性能实验研究 摘要 干拌自密实混凝土是一种高强、高流态、自密实、微膨胀、抗渗性能好的 高性能混凝土。在房屋加固改造工程中,干拌自密实混凝土已逐步用于浇筑新 增梁、板、柱。但是关于于拌自密实混凝土构件的受力变形性能等还缺乏系统 的研究。干拌自密实混凝土有很多的优点,为推广干拌自密实混凝土,本文研 究了不同配比情况下干拌自密实混凝土的标准试块抗压强度、抗拉强度、弹性 模量、泊松比,与钢筋的粘结性能。1 5 根钢筋干拌自密实混凝土简支梁在三种 配合比、不同配筋率、三分点加载情况下正截面抗弯性能、斜截面抗剪性能, 受力变形曲线、裂缝开展规律,受力钢筋和干拌自密实混凝土的应变发展规律 及正常使用承载力和极限破坏状态,为干拌自密实混凝土的设计和旋工提供科 学的依据。 本文的主要成果如下: ( 1 ) 了解干拌自密实混凝土的基本力学性能,钢筋干拌自密实混凝土简支梁 正截面抗弯、斜截面抗剪承载力,并将试验结果与现行混凝土结构设计 规范的计算值进行了对比分析。 ( 2 ) 钢筋干拌白密实混凝土简支梁的抗弯、抗剪裂缝开展规律,推导短期抗 弯刚度公式。 ( 3 ) 获得钢筋干拌自密实混凝土简支梁的抗弯、抗剪荷载一挠度曲线。干拌 自密实混凝土的基本力学性能实验研究表明,干拌自密实混凝土是一种 力学性能优异的自密实混凝土。同时,本文对干拌自密实混凝土梁进行 了相关的理论分析,并与普通钢筋混凝土梁对比分析,提出了干拌自密 实混凝土梁的设计方法。 关键词:干拌自密实混凝土;简支梁;基本力学性能;裂缝:荷载一挠度曲线 抗弯刚度;粘结力 e x p e r i m e n tr e s e a r c ha b o u tb a s i cm e c h a n i c sf u n c t i o no f r e i n f o r c e dd r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t es i m p l eb e a m s a b s t r a c t d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ei sa k i n do fc o n c r e t et h a th a sp r o p e r t yo f h i g hf l o w i n g ,s e l f - c o m p a c t i n ga n dt i n yi n f l a t i o n i nt h eh o u s er e i n f o r c i n ga n d r e f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ,d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n t e n th a sb e e ng r a d u a l l y u s e dt ob u i l dn e w b e a m s ,p l a n k s ,p i l l a r sa c t u a l l y b u tt h ec o n c e r n i n gd r y - m i x i n g s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ea n t i c i p a t e st h em e m b e r st ob es u b j e c t e dt ot h ed i n t t r a n s f o r m sf u n c t i o n ,e t c s t i l ll a c k ss y s t e mo fr e s e a r c h d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t eh a sal o to fa d v a n t a g e s ,i no r d e rt oe x p a n dd r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ,t h i sa r t i c l es t u d i e si nd i f f e r e n tm i xp r o p o r t i o n s ,p r o p e r t yo fd r y m i x i n g s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t es u c ha sd i s s i m i l a r i t yt og ot o g e t h e rw i t har a t i os t e m u n d e rc i r c u m s t a n c em i xt h es t a n d a r do ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t et ot r ya p i e c eo fa n t it ot h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h ,p u l l e d s t r e n g t h ,t h ep r i s m a t i cs t r e n g t h ,g l u e k n o tf u n c t i o nb e t w e e nd r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ea n dr e i n f o r c i n g b a r 15 r e i n f o r c e dd r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t es i m p l eb e a m su n d e r c i r c u m s t a n c e s ,t h r e ek i n d so fd i f f e r e n tm i xp r o p o r t i o n s ,d i f f e r e n tc a t e g o r yo f r e i n f o r c i n gs t e e lb a r ,t h r e ea v e r a g ep o i n t st oa d dl o u d ,l o a d d e f l e c t i o nc u r v e s f u n c t i o n ,t h en o r m a lc r o s ss e c t i o n a ls t r e n g t hp r o p e r t i e s ,t h ee f f e c t so ft h e s h e a r s p a nt od e p t hr a t i oo nt h es h e a rc a p a c i t y ,d i n t i n gt r a n s f o r mc u r v e ,t h e d e v e l o p i n gr e g u l a t i o no fc r a c k ,c o n n e c td i n tp e r f o r m a n c eo fb l a s tl o a dr e i n f o r c i n g s t e e lb a ra n dd r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ,t h ec o n t i n g e n c yo ft h ec o n c r e t e d e v e l o p m e n tr e g u l a t i o na n dn o r m a lu s a g ea n dl o a dt h ed i n te x t r e m el i m i tb r e a k a g e a p p e a r a n c e p r o v i d i n gt h eb a s i so fs c i e n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f d r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n t e n tm a i nr e s u l ti sa sf o l l o w s : ( 1 ) t ok n o w na b o u tt h eb a s i cm e c h a n i c sf u n c t i o no fr e i n f o r c i n gs t e e l d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ,d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n t e n t t h e n o r m a lc r o s ss e c t i o n a ls t r e n g t hp r o p e r t i e s ,t h ee f f e c t so ft h es h e a r s p a nt od e p t h r a t i oo nt h es h e a rc a p a c i t y ,a n dc a r r yo nc o n t r a s ta n a l y s i sb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t r e s u l ta n dt h ec a l c u l a b l er e s u l to nt h eb a s i so fc u r r e n tc o n c r e t es t r u c t u r ed e s i g n n o r mo fc o n c r e t es t r u c t u r e ( 2 ) t h er e i n f o r c i n gs t e e lb a rd r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t es i m p l e b e a m sb e n d i n ga n ds h e a r i n gc r a c kd e v e l o p i n gr e g u l a t i o n ,t od e d u c et h eb e n d i n g r i g i d i t y ( 3 ) a c q u i r e dt h er e i n f o r c i n gs t e e lb a rd r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e s i m p l eb e a m s b e n d i n g ,s h e a r i n gl o a d - d e f l e c t i o nc u r v e s se x p e r i m e n tr e s e a r c h s h o w st h a td r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ei sas e l f _ c o m p a c t i n gc o n c r e t et h a t h a ss o m ee x c e l l e n tb a s i cm e c h a n i c sf u n c t i o n a tt h es a n l et i m e ,t h i sa r t i c l ec a r r yo n r e l a t e dt h e o r i e sa n a l y s i so nd r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t es i n g l eb e a m s ,a n d c o n t r a s ta n a l y s i st ot h ec o m m o nr e i n f o r c i n gs t e e lb a rc o n c r e t eb e a m s ,p u tf o r w a r d t h ed r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t eb e a m sd e s i g nm e t h o d k e y w o r d :d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ;s i m p l eb e a m s ;t h eb a s i c m e c h a n i c sf u n c t i o n :c r a c k :l o a d d e f l e c t i o nc u r v e s ;f l e x u r a ls t i f f n e s s ;c o n n e c td i n t 插图清单 图2 1 含1 5 石子的干拌混凝土应力泊松比关系1 7 图2 2 含2 5 石子的干拌混凝土应力一泊松比关系1 8 图2 3 构件尺寸示意2 1 图3 1r c l - 1 r c l - 3 配筋2 5 图3 2r c l - 4 r c l - 9 配筋2 5 图3 3r c l 一1 r c l 一3 混凝土应变片布置2 5 图3 4r c l 1 r c l3 钢筋应变片布置2 5 图3 5 试验梁的构造图及加载装置2 6 图3 6r c l 1 r c l3 加载示意2 6 图3 7r c l 1 r c l3 典型荷载钢筋应变图2 9 图3 8r c l 一4 梁底纵筋荷载一应变2 9 图3 9r c l - 5 梁底纵筋荷载一应变2 9 图3 1 0r c l 一6 梁底纵筋荷载一应变2 9 图3 1 1r c l 一7 梁底纵筋荷载一应变2 9 图3 1 2r c l 一8 梁底纵筋荷载一应变3 0 图3 1 3r c l - 9 梁底纵筋荷载一应变3 0 图3 1 4 r c l 一4 跨中混凝土荷载一应变3 0 图3 1 5r c l - 5 跨中混凝土荷载一应变3 0 图3 1 6r c l 一6 跨中混凝土荷载一应变3 1 图3 1 7r c l 一7 跨中混凝土荷载一应变3 l 图3 1 8r c l - 5 跨中混凝土荷载一应变3 l 图3 1 9r c l 一6 跨中混凝土荷载一应变3 l 图3 2 0 抗弯极限承载力与纵筋配筋率的关系图3 2 图3 2 1 单筋矩形梁受弯构件正截面计算简图3 3 图3 2 2 抗弯梁荷载一挠度曲线3 4 图3 2 3r c l 一4 r c l 一9 荷载一绕度曲线图3 4 图4 1r c l l o r c l 一1 2 配筋图3 9 图4 2r c l 一1 3 r c l 1 5 配筋图4 0 图4 3r c l 一1 0 r c l 一1 2 箍筋应变片布置图4 0 图4 4r c l 1 0 r c l 一1 2 混凝土应变片布置图4 0 图4 5c l 1 3 r c l 一1 5 钢筋应变片布置图4 0 图4 6r c l 一1 3 r c l 1 5 混凝土应变花布置图4 1 图4 7 抗剪梁跨中混凝土应变片布置图4 1 图4 8 试验梁的构造图及加载装置图4 l 图4 9 ( 剪跨比a = 2 7 8 ) 加载示意图4 2 图4 1 0 ( 剪跨比五= 4 1 7 ) 加载示意图4 2 图4 1 l ( 剪跨比兄= 0 9 6 ) 加载示意图4 2 图4 1 2r c l 一1 3 r c l - 1 5 加载示意图4 2 图4 1 3r c l 一9 跨中混凝土荷载一应变图”4 4 图4 1 4r c l 一8 跨中混凝土荷载一应变图4 4 图4 1 5r c l 一7 梁底纵筋荷载一应变图4 5 图4 1 6r c l 一7 跨中混凝土荷载一应变图4 5 图4 1 7r c l 一8 梁底纵筋荷载一应变图4 5 图4 1 8r c l 一7 箍筋荷载一应变图4 5 图4 1 9r c l 一8 箍筋荷载一应变图4 5 图4 2 0r c l 一9 箍筋荷载一应变图- 4 5 图4 2 1r c l 一1 3 混凝土p 一晶关系图4 6 图4 2 1r c l 一1 3 混凝土p 一岛关系图4 6 图4 2 3r c l 一1 4 混凝土p 一晶关系图4 6 图4 2 4r c l 一1 4 混凝土p s ,关系图4 6 图4 2 5r c l 1 5 混凝土p 一关系图4 7 图4 2 6r c l 一1 5 混凝土p 一岛关系图4 7 图4 2 7 混凝土应变片测点位置图4 7 图4 2 8r c l i o r c l l 2 抗剪梁荷载一挠度图4 9 图4 2 9r c l l 3 r c l l 5 抗剪梁荷载一挠度图4 9 图5 1 干拌自密实混凝土抗弯梁荷载一挠度曲线图5 3 图6 1 南京新百货大楼转换层平面图6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是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,除了文中特别加咀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,也不包含为获得盒蟹王些盔堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我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。 学位论文作者签名签字日期:泸0 车a | o a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅。本人授权盒月b 业厶堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一躲如倔一:锕7 矽钾 签字日期:驴。7 年如缈日 学位论文作者毕业后去向: 丁作单位:汐删涩懈c 固 通讯地址: 签字e t 期:,“年月t 月日 签字期:,年易月彳日 - 电话:, h , a - a p , 7 k 订 邮编: 致谢 经过一年多的努力,终于完成论文的撰写。本文的完成,得到了导师何沛 祥老师的悉心指导。何老师渊博的知识、严谨的治学态度和一丝不苟的工作作 风使我受益终身,生活中也给予照顾和关心。他和蔼可亲,严以律己,宽以待 人,是我们的良师益友。在此,谨向何老师致以最诚挚的谢意! 在准备本次试验 材料时,得到了江苏建华建设有限公司李延和教授级高工,李树林高工的指导 和帮助。在江苏建华建设有限公司实习期间得到公司老总们和同事们的帮助和 关心,在此表示由衷的感谢。同时衷心感谢同学吴坤铭、许正松,师弟汪秀石 及南京工业大学实验室老师在试验和论文撰写过程中的热情帮助。同时感谢我 的母校合肥工业大学! 感谢所有帮助我的老师和同学! 姜晓海 2 0 0 7 年5 月2 0 日 第一章概述 高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称h p c ) 是二十一世纪混 凝土材料技术发展的重点和方向。高性能混凝土是指具有高强度、高流动性等 多方面的优越性能的混凝土。混凝土是土木建筑工程最重要的材料,自1 8 2 4 年水泥问世及随之诞生混凝土及钢筋混凝土以来,至今已有1 8 0 多年的历史 2 - e e 据资料”介绍,当前国际上混凝土年产量约3 0 多亿m 3 ,我国每年混凝土用量约1 2 多亿m 3 。混凝土工程技术总是伴随着工程建设的需要和科学技术的发展而进步 的。在混凝土发展初期,人们使用的混凝土强度很低,后来经过不断的试验研 究配制成的混凝土强度指标和易施工性都有所提高和改善”1 。到2 0 世纪中叶, 混凝土技术的发展和相关设备的进一步改进,使混凝土向着高强度方向发展, 但拌制的混凝土为干硬性与半干硬性的,导致施工难度随之增加。随着外加 剂技术的开发,混凝土拌和物向着塑性和流动性方向发展,混凝土强度和流动 度得以兼顾,工程质量和施工速度同时得到了提高。但是随着种种工程事故的 不断发生,人们越来越意识到,在结构设计时,对使用材料的耐久性应像力学 性能一样予以高度重视,现在很多人已经提出要把结构的耐久性放在首位。因 此近十多年来,人们把混凝土的耐久性作为追求的主要目标,并引入超细活性 掺合料作为混凝土的重要组分,从而发展成具有高强、高耐久性、高流动性和 体积稳定性,且具有适宜强度的高性能混凝土。 密集配筋结构以及钢筋混凝土结构加固工程施工中,因振捣困难甚至无 法振捣而严重影响施工质量,而且钢筋混凝土结构加固规范要求加固使用的 混凝土应比原混凝土高一个强度等级,自密实混凝土是解决上述问题的有效途 径。但目前国内外对自密实混凝土的研究大部分限于配合比设计等配制工作及 其材性方面,对硬化后配筋结构的力学性能,结构的变形能力等涉及结构使用状 态下安全性的重要问题均缺少深入的研究“1 。因此本文就于拌自密实混凝土简 支梁基本力学性能展开研究。 1 1高性能混凝土的概念 高性能混凝土( p h c ) 是在1 9 9 0 年在马里兰州,由美国n i s t 与a c i 主办会议 上首先提出来的,高性能混凝土定义为具有所要求的性能和均质性的混凝土。 这些性能包括:易于浇注、捣实而不离析,稳定的力学性能,早期强度高、韧 性高和体积稳定性好,在恶劣的使用条件下寿命长。也就是说,h p c 要求高强度、 高流动性与优越的耐久性。随后立即得到各国学者和工程技术人员的积极响 应。应该说高性能混凝土是在高强混凝土研究与应用达到较高水平基础上发展 起来的。人们认识到,混凝土强度愈高,材料愈脆,对结构的抗震性能愈不利。 混凝土强度越高,水泥用量就越大,混凝土硬化时水化热就越大,越容易引起 混凝土的早期裂缝。此外,对现存的水工、海港、桥梁等混凝土结构工程的检 查,发现大部分混凝土的碳化深度已至钢筋表面,有些钢筋已经锈蚀,体积膨 胀引起了混凝士剥落,这很容易诱发结构崩塌事故的发生l l o l 。因此,人们渐渐 地把注意力集中到混凝土结构的耐久性与安全性上,作为混凝土技术的发展方 向不仅仅是高强混凝土,而应该是更全面的高性能混凝土技术。对高性能混凝 土,国内外尚无统一的定义,一般认为高性能混凝土应有下列一些特点“。 耐久性。根据工程使用的环境与部位,对混凝土的耐久性必须有严格的 要求。因此,控制混凝土设计的并不仅是强度,而更要考虑其耐久性。即混凝 土的碳化深度一定要满足工程设计寿命的需要; 体积稳定性。即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热,硬化后应具有 较小的收缩变形或体积膨胀; 施工性能。混凝土拌合物应有较高的流动性,不分层、离析,易充满模 型,泵送混凝土还应有良好的可泵送性; 具有适宜的强度和密实度,但不一定是高强高性能,亦可以是中、低强 度高性能。由此可见,高性能混凝土不同于普通混凝土,普通混凝土的设计是 以强度作为主要控制指标,而高性能混凝土是以耐久性作为主要控制指标。高 强度不一定是高性能,而高性能必须要求混凝土具有较高的密实度与高抗渗能 力,故其强度也不会太低。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅 度提高常规混凝土性能基础上,采用现代混凝土技术,选用优质材料,在严格 的质量控制下制成的。除采用优质水泥、集料和水外,必须掺加适量的超塑化 剂和超细活性掺合料,作为混凝土的第五和第六组份。混凝土拌合物也应具有 良好的流变学特性,不泌水、不离析、甚至可达到自流密实,从而确保混凝土 工程质量、防止因泌水、离析或振捣不密实造成的混凝土早期缺陷”1 。如混凝 土表层疏松、水泥浆体与钢筋或粗骨料之间的界面出现孔隙乃至蜂窝、麻面等, 这均对混凝土的耐久性不利。高性能混凝土在硬化过程中也应保持体积稳定, 使用水化热低、温升小的水泥,冷却时的温度收缩和干燥收缩变形小,硬化后 不易产生有害裂缝。一般情况下,高性能混凝土硬化后具有致密的微观结构, 抗渗性能好。 1 2 高性能混凝土的应用与发展方向 1 2 1混凝土外加剂的发展与应用 1 9 个世纪末,法国( 1 8 9 2 ) 和俄国( 1 8 9 5 ) 先后发现了在保证混凝土和易性的 条件下混凝土强度随水灰比的降低而增大的规律“1 。水泥是一种人造水化材料, 已知水泥水化所需要的水量远低于一般混凝土实际所用的水量,而多余的水是 为了浇筑混凝土时所必需的和易性而加入的。这些水分大部分要蒸发掉而只有 极少的未蒸发性的水残留在凝胶中,这样在混凝土内造成空隙,使混凝土不密 实。为了降低含水量即降低水灰比,提高混凝土的强度和改善混凝土的其它性 质,后来发明了减水剂。减水剂的使用,降低了混凝土的水灰比,并使混凝土 具有较大的流动性和保塑性能,保证施工和浇注混凝土密实性。减水剂真正成 2 为工业产品是从1 9 1 0 年开始的,至二十世纪六十年代逐渐发展成高效减水剂。 此外,在混凝土的应用中也需要配制速凝、早强、抗冻、微膨胀、缓凝等特种 用途的混凝土1 。随着科技的发展,人们发现通过加入相应组份的外加剂对混 凝土进行改性,可以达到上述目的。因此,用于混凝土的早强剂、微膨胀剂、 速凝剂、缓凝剂等外加剂相继开发成功,并应用于工程。目前,混凝土外加剂 已成为制备高性能混凝土不可缺少的第五组份。我国早在2 0 世纪5 0 年代就开始 研究和应用混凝土外加剂,但较大量应用还是在7 0 年代以后。据统计,我国现 有生产外加剂的骨干企业有5 0 0 余家,年产量1 2 5 万多吨,产品品种除高效减水 剂外还有膨胀剂、速凝剂、缓凝剂以及各种复合型的外加剂,基本上满足国内 市场的需要。近年来,国外的外加剂厂商也看准了我国的市场,通过外加剂的 直接贸易或通过在华独资、合资建厂方式生产外加剂,促进了国内混凝土外加 剂市场的繁荣与发展“”。 1 2 2混凝土活性矿物掺合料技术的进步 近十多年来,随着混凝土技术的发展,在原材料中又引入超细活性掺合料 作为混凝土的第六部份。超细活性掺合料包括磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰、 沸石粉以及稻壳灰等,细度必须在4 0 0 0 c m 3 g 以上6 1 。用超细活性掺合料取代部 分水泥熟料,不仅可降低熟料用量而节省能耗,而且可提高混凝土的耐久性、 流动性和后期强度。这些活性矿物掺合料的作用,一方面由于超细粉的粒子, 水泥颗粒粒子起填充料的物理作用,充填混凝土的部分气孔和毛细管孔;另一 方面其本身含有活性氧化硅及活性氧化铝,与水泥水化产生的氧化钙起二次水 化反应,成为凝硬材料,增强了混凝士的密实性;再者,矿物颗粒的流化效应 改善了混合料的可浇注性,可进一步减少用水量,且易被高效塑化剂分散,从 而降低混凝土的泌水量,改善粗骨科与水泥界面的状况,提高混凝土的强度。 目前,混凝土中活性矿物掺合料的应用已非常普及,如北京国际机场航站 楼工程应用c 6 0 t j 密实混凝土,就是用细度4 0 0 0 - 6 0 0 0 c m 3 g 的矿碴代替3 0 一5 0 的水泥熟料配制的。因此,在混凝土中使用粉煤灰及其他活性掺料并不是仅仅 为了节约水泥,更主要的是为了改善和提高混凝土的性能。粉煤灰及其它活性 掺合料大多为工业废料,大量掺入混凝土同时也有利于保护环境。混凝土掺合 料技术的进步,实际上是混凝土材料科学技术进步的重要标志。混凝土掺合料 应用技术的日趋成熟,复合胶凝材料的概念也已逐步为混凝土工程科技人员所 接受。混凝土工业要走可持续发展的道路,高效活性掺合料和硅酸盐水泥复合 组成高效复合水泥基胶凝材料,是胶凝材料变革的必然趋势“1 。 1 2 3 顸拌混凝土的迅速发展与泵送混凝土技术的普及 高效减水剂、缓凝剂及磨细掺合料在混凝土中的广泛应用,使得预拌混凝 土和泵送混凝土成为可能。混凝土的集中搅拌是土木建筑工程生产方式的重要 变革,其具有保证混凝土质量、节约施工用地、实现文明施工等优点。世界上 第一座预拌混凝土工厂于1 9 0 3 年在德国建成,二次世界大战后受到了各国的重 视,得到了迅速推广。我国混凝土搅拌站始建于2 0 世纪8 0 年代初的上海、常州 两城市。2 0 多年来,由于我国城市化进程的推进,城市建设规模的持续扩大, 建筑物密度加大,部分工程旌工场地的狭窄以及文明施工的要求,混凝土搅拌 站在沿海城市得以迅猛发展。目前,上海、北京等一批大城市应用预拌混凝土 量已达到该城市混凝土总量的6 0 以上,接近了经济发达国家的水平。随着高层 建筑和预拌混凝土的兴起,我国的泵送混凝土才开始起步,到9 0 年代逐步走向 普及。泵送混凝土的普及既涉及混凝土拌制的可泵性能又涉及混凝土机械的发 展。目前,泵送混凝土技术已为我国所掌握。高层建筑采用泵送浇筑后,劳动 生产率大大提高,旌工现场文明程度、混凝土均质性和工程质量都得到了提高。 混凝土泵送高度的增加是混凝土综合技术的又一体现。上海东方明珠电视塔一 次泵送高度达3 5 0 m ,上海金茂大厦泵送高度达到3 8 2 5 ,说明我国的混凝土配 合比设计技术、混凝土外加剂技术、掺合料技术以及混凝土泵送技术性能均达 到或接近国际先进水平1 9 。 1 2 4 高强混凝土的发展和现状 从二十世纪3 0 、4 0 年代以来,随着水泥品种的改善以及外加剂的使用,工 程中普遍应用的混凝土强度在国际范围内得到稳步的增长。到6 0 年代,美国已 有强度相当于我国c 5 0 到c 6 0 的商品混凝土,n s o 年代末期,美国芝加哥地区高 层建筑中的混凝土设计强度已提高到c l l o 。除美国外,近几十年来,日本、加 拿大、澳大利亚、德国等发达国家均在工程中应用了c 6 0 至u c l 0 0 的高强混凝土。 我国目前大量采用的混凝土强度等级在c 4 0 以下,近年来c 5 0 、c 6 0 混凝土的应用 也逐渐扩大,泵送c 8 0 混凝土仅在少数工程中进行试验性应用。但在预制构件中, c 8 0 混凝土应用已相当普遍,如c 8 0 高强预应力混凝土管桩。在试验室,我国也 成功配制出强度达到2 0 0 m p a 和高工作度的高强混凝土。从目前掌握的混凝土技 术看,通过仔细选择水泥、骨料及合适的配比,采用高效减水剂可使混凝土强 度达到c 8 0 。如果再掺加矿渣、沸矿粉等活性材料,强度上限可达到c 9 0 。如果 掺加硅粉更易获得高强,可达到c 2 0 0 的量级1 。 混凝土强度达到多高才算高强? 按照高强混凝土结构技术规程c e c 5 1 0 4 : 9 9 “”,超过c 5 0 的混凝土为高强混凝土。根据我国目前混凝土的应用发展水平 来看,这一划分是比较合适的。相对而言,可将c 2 5 及以下混凝土称为低强混凝 土,c 3 0 一c 4 5 之间混凝土称为中强混凝土。 1 2 5 高性能混凝土的发展方向 高性能混凝土是以耐久性作为主要控制指标,并能满足工程建设中的某些 特殊要求。从近几年高性能混凝土的应用,可以看到高性能混凝土今后的发展 4 方向1 1 1 。 自密实高性能混凝土:自密实混凝土即拌和物不离析而流动性很高,在不 振捣或小振捣的情况下能密实地充满模型、不产生蜂窝、空洞等质量缺陷而且 耐久的混凝上。这种混凝土虽然比相同强度等级的普通混凝土材料费用略高, 但由于节省动力和劳力并解决噪音扰民问题,其综合效益是显著的。自密实混 凝土的配制关键是满足良好的流变性能要求,其不仅有高流动性,而且应能顺 利通过钢筋间隙和狭小模板空间,填充到模板的各个角落,需具有较高的抗堵 塞能力和充填性。 清水混凝土技术:城市的基础设施和大型公共建筑要求混凝土不仅具有 结构的功能,同对还应有装饰的功能。这就是清水混凝土在城市桥梁( 包括高架 桥) 工程、电视塔工程、体育场馆工程和机场候机楼等工程上广泛应用的原因。 清水混凝土目前还没有统一的涵义和技术标准,但其原材料和工艺技术都远较 普通混凝土严格,混凝土外观质量十分苛刻,这就要求制定标准来确保清水混 凝土的工程质量。采用清水混凝土不仅提高了混凝土结构的外观质量,而且大 大节约了装饰费用,并给人以自然清纯、古朴凝重的质感,引起了人们的重视。 高层建筑过去的外饰面大多采用磁砖,内饰面是抹灰。由于磁砖与抹灰同墙面 粘结不够牢固,曾发生过坠落伤人事件,有些地方已禁止使用。这也促使其从 清水混凝土和装饰混凝土寻找出路。清水混凝土应是表面光滑平整,色泽均匀 一致,一次成型后不需另作饰面的混凝土。清水混凝土在我国还没有一本可供 遵循的技术标准,有关企业根据工程实践取得了一些经验,其关键技术可供在 今后施工中借鉴。清水混凝土的关键技术涉及清水混凝土的制备和施工工艺两 方面。在清水混凝土制备方面,保持清水混凝土的色泽一致、拌和物的工作性 与粘聚性,不允许出现混凝土的分层、离析和表面气泡是关键在清水混凝土的 旌工工艺方面,混凝土的模板和支模质量以及后期养护是关键。 轻集料混凝土技术:轻质、高强、耐久是混凝土技术的发展方向。发展轻 集料混凝土是减轻结构自重,使混凝土向轻质、高强方面发展的主要途径。在 国外,早在七十多年前就开始研究与应用轻集料混凝土。我国的科研机构对轻 集料及其混凝土的性能、工程应用等进行了系统的试验研究,也编制出一系列 的技术标准,为轻集料混凝土的工程应用创造了条件。但是,我国的轻集料混 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。 “绿色”混凝土技术:二十世纪水泥混凝土为人类文明与进步做出了卓越 的贡献,同时也损坏了环境,给人类带来了危害。二十世纪,我们有可能利用 现代高科技手段,使混凝土高性能化,应用工业废料,降低水泥熟料用量,并 回收利用粗细骨料,使混凝土走上“绿色的道路”。此外,可降低水利工程大坝 混凝土浇筑时水泥水化热的碾压混凝土技术,具有高耐磨、高抗折强度的路面 混凝土技术,高抗冻性的混凝土等特殊混凝土技术也是今后高性能混凝土技术 的发展方向。 1 3 国内外研究现状 美国在二十世纪六十年代通过应用普通减水剂和外加粉煤灰等技术,研制 工作度较好的c 6 0 - c 7 0 混凝土。七十年代末期,随着科技的发展,土木工程对混 凝土的强度和混凝土泵送技术提出了高要求,高效减水剂得以迅速发展并应用, 掺合料方面除粉煤灰品质进一步提高外,还出现了商品化的矿渣,硅粉等高活 性的磨细掺合料,在美国、日本、加拿大等国家已将c 1 0 0 以上混凝土应用于工 程。国内研究和应用高强高性能混凝土发展也很迅速。7 0 年代以来。高效减水 剂和高标号水泥的生产为制备高强混凝土提供了技术条件,特别是九十年代以 来,掺合料的发展和应用,高效减水剂的改性及品种扩大,混凝土泵送技术的 引进与混凝土泵的研制,为制备与推广高强高性能混凝土提供了更有利的条件 l j o 目前,我国c 6 0 - c 8 0 混凝土已应用于工程。对混凝土的研究,从二十世纪八 十年代末九十年代初的单纯提高混凝土强度的高强混凝土研究方向,向具有高 耐久性、高工作度及适宜强度的高性能混凝土研究方向发展,对混凝土的配合 比和混凝土材料的力学性能的研究已较深入。对于大掺量磨细掺合料配制高性 能混凝土的材料力学性能方面的研究,目前国内外同样涉及得较多。从混凝土 配合比、立方体抗压强度与棱柱体抗压强度、抗折强度、劈裂强度及应力应变 曲线、混凝土的收缩、徐变,抗渗性等均有试验数据。从文献报道的数据看”1 , 大掺量粉煤灰和磨细矿渣,可提高混凝土的弹性模量,并根据掺合料的活性, 其抗折强度也略有提高,虽然其早期强度低于普通混凝土的早期强度,但后期 强度增长较大,尤其是掺加磨细矿渣对后期强度的贡献十分明显。 此外,早期混凝土的收缩值较大,但2 8 天后的收缩值均小于普通混凝土。 从劈开的混凝土裂面看,混凝土更加致密,混凝土的脆性有所降低。从材料的 研究结果看。大掺量磨细掺合料高性能混凝土与普通混凝土的材料力学性能有 所不同。在结构性能研究方面,八十年代末期到九十年代,国家自然科学基金 和建设部重点资助了高强混凝土结构性能及设计方法等一系列课题。从发表的 文献资料看,对混凝土的下述领域进行了研究:高强混凝土的力学性态:高 强混凝土结构性能及设计方法;钢纤维混凝土的力学性能与结构性能及设计 方法;钢骨混凝土的结构性能及设计方法;钢管混凝土结构性能及设计方 法;轻骨料混凝土力学性能与结构性能及设计方法。依据上述研究成果,我 国分别颁布了高强混凝土结构技术规程c e c s l 0 4 :9 9 “”,钢骨混凝土结 构设计与施工规程c e c s 2 8 :9 9 “”,轻骨料混凝土结构设计规程j 6 j 1 2 9 9 “”;钢纤维混凝土结构设计与施工规程c e c s 3 8 :9 9 钉我国目前混凝土结构 设计计算依据是混凝土结构设计规范g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 “”,但其计算公式和系 数的确定是依据普通强度的试验资料而高强混凝土结构技术规程c e c s l 0 4 : 6 9 9 “”中所提出的参数修正值的试验数据从资料上分析大量是九十年前后的试 验数据,试验配合比掺加了高效减水剂和硅灰,没有大掺量粉煤灰和矿碴,且 在高强混凝土构件的试验研究中,由于高强混凝土特别适用于柱,因此对高强 混凝土柱的研究较深入,并针对高强混凝土脆性较大的结果,又进行了提高高 强混凝土构件延性的研究,最近,我国新的混凝土结构设计规范在混凝土强度 适用等级上,综合了混凝土结构设计规范g b j l o - 8 9 “”和高强混凝土结 构技术规程c e c s l 0 4 :9 9 “们并结合近几年在混凝土材料性能方面的试验数据 对一些系数进行了调整,但未反应出高性能混凝土在结构计算中与普通混凝土 或与高强混凝土的不同之处。 对于与本文相关的研究,近年查询到九八年东南大学蒋永生所发表的高 强钢筋高强混凝土受弯构件的变形性能试验研究“”,在该文献中,共进行了 1 1 根梁的试验,混凝土强度等级为c 7 0 ,但未注明混凝土的配合比。该研究的特 点是将高强钢筋与高强混凝土结合,使两者的性能充分发挥,研究两者结合后 梁的变形性能。该文献的结论有:高强钢筋与高强混凝土梁的裂缝开展性能优于 普通混凝土梁,并可采用较高的配筋率。目前混凝土材料的研究方向已由单纯 提高混凝土强度的高强混凝土向着具有高耐久性的混凝土方向发展,根据文献 资料在构件和结构层次上有下述几个趋势: 提高钢筋混凝土结构耐久性方面的研究,如涂层钢筋、高强纤维筋混凝土 的力学性能研究: 高强高性能混凝土构件在不同受力状态下的结构性能研究: 提高混凝土结构延性,如掺加纤维、化学聚合物等性能研究; 为满足建筑要求而对钢筋混凝土结构所做的研究,如劲性混凝土技术、异 型柱结构体系研究等; 减轻自重方面的研究,如轻骨料混凝土结构的力学性能研究; 从可持续发展战略考虑的绿色混凝土技术的研究。 1 4 免振捣自密实混凝土的发展 1 4 1 免振捣自密实混凝土的发展历史及现状 混凝土是现代工程结构的主要材料,也是应用最广泛的人造建筑材料,混 凝土的耐久性和高工作性( 高流动性、黏聚性与可浇筑性) 已经成为衡量混凝 土性能的首要标准。而免振捣自密实混凝土就是一种具有高工作性能和较好耐 久性的高性能混凝土。 免振捣自密实混凝土是种具有很高的流动性、黏聚性和抗离析性,能够 不经振捣而自动流平并充满模板和包裹钢筋的混凝土。这种新型混凝土是在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初才出现的,区别于传统混凝土的振捣密实成型。8 0 年 代末,日本东京大学教授冈村甫开发了“不振捣的高耐久性混凝土”,称之为高 性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称h p c ) 。1 9 9 6 年在美国泰可塞 7 斯大学讲学中,冈村甫称该混凝土为自密实高性能混凝土,之所以是高性能, 是因为其具有很高的施工性能,能保证混凝土在不利的浇注条件下也能密实成
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