高强混凝土的性能特点分析及其改进措施（论文） .pdf

2 0 1 5 年第3 期 总2 0 3 期 安徽建筑 一 i l i 一 i 一 建 筑 材 料 d o i 10 16 3 3 0 j c n k i 10 0 7 7 3 5 9 2 0 15 0 3 0 7 9 高强湿邃 的蛙篚犍点佥堑亟墓改进撞旌 p e r f o r m a n c ef e a t u r e sa n a l y s i so fh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ea n di t si m p r o v e m e n tm e a s u r e s 锅 永波 安徽省建筑设计研究院有限责任公司 安徽合肥2 3 0 0 0 1 摘要 高强混凝土被广泛应用于建筑 桥梁 铁路等土木工程中 已 成为混凝土研究的一个重要发展方向 为保证高强混凝土在土木工程 中更好地应用 文章对高强混凝土的性能特点进行了分析 分析表明 高强混凝土具有强度高 负荷能力大 耐久性优异等优点 但同时也存 在黏度大 水化温升高及脆性大等问题 最后针对高强混凝土黏度大 水化温升高 白收缩开裂风险高和脆性大 韧性低的缺点 介绍了相关 的改进措施 从而为高强混凝土的优化提供了参考 关键词 高强混凝土 性能特点 黏度 水化温升 胞巨 中图分类号 t u 5 2 8 3 1 文献标识码 a 文章编号 1 0 0 7 7 3 5 9 2 0 1 5 0 3 0 1 7 4 0 3 1 慨述 近年来 随着外加剂技术的迅速发展 高性能化 高强混凝 土越来越多的应用到高层及超高层建筑 桥梁 铁路及特殊工 程中 高强混凝土的发展已成为混凝土研究的一个重要发展方 向 高强混凝土指强度等级在c 6 0 级以上的混凝土 它是由水 泥 砂 石 减水剂 水及其他外加剂等拌合而成的混合物f l 2 1 欧 美等国家从2 0 世纪6 0 年代就已经开始推广高强混凝土 我国 研究起步相对较晚 在房屋建筑方面 位于北美西雅图的5 8 层 2 2 0 m 高的t w ou n i o ns q u a r e 工程实际混凝土强度达到 1 3 0 m p a 3 现代日本很多建筑物以钢筋混凝土或钢管混凝土形 式使用1 3 0 m p a 高强混凝土 最高强度甚至达到1 5 0 m p a 以上 4 1 位于迪拜的世界最高建筑b u dd u b a i 将8 0 m p a 高强混凝土 应用到混凝土框架结构囹 我国沈阳的富林大厦和皇朝万鑫大 厦 采用了c 1 0 0 高强混凝土 而高1 0 1 层 高度4 9 2 m 的上海 环球金融中心采用了c 6 0 高强混凝土嗍 尽管高强混凝土具有 强度高 负荷能力大 资源和能用消耗少以及耐久性强等特点 5 1 但在其应用过程中也出现了收缩变形大 水化温升高 脆性 大 任性差等缺点 为了保证高强混凝土在建筑工程中更好地 应用 本文对高强混凝土的性能特点进行了分析 并针对高强 混凝土的典型缺点提出了改进措施 2 高强混凝土的性能特点分析 2 1 高强混凝土的优点 高强混凝土是现代混凝土技术发展的主要方向 具有如下 典型的优点 簧 2 1 1 高抗压强度 徽 高强混凝土由于掺入了高效减水剂 可使得高强混凝土的 建早期强度显著提高 高强混凝土应用于以受压为主的构件时 茧 作者简介 徐永波 1 9 8 0 一 男 湖 i g 天门人 毕业于武汉理工大学 硕 士 工程师 主要从事结构工程设计工作 构件的承载力将增强 荷载作用相同的情况下 可有效减小构 件的截面尺寸 另外 高强混凝土的强度并不能明显增加构件 的抗弯能力 但能降低受弯构件截面的受压区挠度 提高构件 的延性 允许有较高的配筋率 进而提高构件的抗弯能力和降 低构件的截面尺寸 从而使得高强混凝土在高层建筑中使用时 可增加有效空间 尽管高强混凝土具有高抗压强度 但其抗拉 强度仅为抗压强度的1 1 1 5 1 1 4 1 1 日 高强混凝土的抗拉强度 不会随着抗压强度的增大而提高 这是由于混凝土的抗拉强度 一般取决于砂浆和粗骨料过渡区的粘结强度 2 1 2 强度增长速率高 高强混凝土的早期强度增长速率快 而在后期高强混凝土 和普通混凝土增长速率相差不多 这是由于高强混凝土水泥用 量大 较高的水化热使试件内部温度较高 加速了早期强度的 增长 2 1 3 应力一应变曲线的上升段及下降段斜率增大 随着混凝土强度等级的提高 应力一应变曲线上升段和下 降段的斜率增大 曲线变得更加陡峭 更接近于线性关系 且最 大应力 应变值随着强度等级的提高略有增加 2 1 4 高弹性模量 混凝土的弹性模量随抗压强度的增加而增大 但一般的混 凝土弹性模量与抗压强度的关系式并不适用于高强混凝土 为 此 美国的康奈尔大学教授m a r t i n e z 等提出了高强混凝土弹性 模量与抗压强度的关系1 7 1 2 1 5 强耐久性 由于高强混凝土水灰比低 非结合水减少 内部缺陷和空 隙减少 添加超细活性掺合料 在混凝土中发挥微集料效应和 微晶核效应 使混凝土结构更加均匀 缺陷减少 结构更加密 实 所以它的抗冻 抗渗 抗碳化 抗氯离子渗透性能等耐久性 能强 因此 露天 遭海水侵蚀或易受碰撞损害的工程建筑物 宜采用高强混凝土 2 1 6 收缩徐变小 高强混凝土的收缩一般较低强混凝土小一些 但其徐变显 著低于低强混凝土 2 2 高强混凝土的缺点 尽管高强混凝土具有上述较多的优点 但在其性能上也存 在许多突出的缺点亟待解决 2 2 1 新拌高强混凝土黏度大 施工困难 目前 高强混凝土黏度大的认识仅限于表象 对其黏度大 的本质尚无详细报道 与普通混凝土相比 高强混凝土中水胶 比较低 单位体积内水体积减小 固体颗粒体积增大 导致颗粒 表面水膜厚度降低 浆体粘度增大 另外 由于水膜层厚度减小 将导致颗粒间距减小 颗粒间摩擦增大 从而导致黏度进一步 增加固 由于混凝土在施工过程中要求一定的流动性 而高强混 凝土的高黏度将降低其流动性 从而导致施工困难 万方数据 安徽建筑2 0 1 5 年第3 期 总2 0 3 期 2 2 2 胶凝材料用量大 水化温升高 高强混凝土结构设计与施工指南 中明确规定c 7 0 与 c 8 0 混凝土的水泥用量不宜超过5 0 0 k 咖3 胶凝材料总量不超 过6 0 0 k 咖 对于胶凝材料用量的限制是为了防止高强混凝土 水化温升过高 研究认为 水胶比在0 2 3 6 0 4 时 混凝土的最 高温升随水胶比的降低而降低1 8 1 2 2 3 自收缩开裂机率大 自收缩开裂是由于水泥石内部的白干燥而产生收缩导致 的开裂 高强混凝土的高凝胶材料用量以及低水胶比导致其收 缩显著增大 9 1 这是由于低水胶比时 水泥不能完全水化 在凝 结硬化过程中 未水化的水泥进一步水化吸收水泥石中毛细管 中水分 使毛细管内部产生负压 从而使水泥石产生自收缩 最 终产生裂纹 高强混凝土由于白干燥产生自收缩 使其产生早期裂纹 这与长期的干燥收缩是不同的 自收缩开裂将降低高强混凝土 的耐久性 需要在高强混凝土的配制过程中尽可能的克服 2 2 4 脆性大 低韧性 高强混凝土 由于高效减水剂和活性掺合料的使用 过渡 区的结构得到改善 强度得到提高 破坏时粗骨料对裂缝扩展 的阻碍作用减小 会有裂缝直接把粗骨料劈裂继续扩展的现 象 而且随混凝土强度等级的提高 粗骨料被劈裂的现象增多 所以高强混凝土破坏时 没有明显的横向膨胀 断面较普通混 凝土平整 裂缝一旦出现 很快就会贯穿试块使其破坏 而普通 混凝土的破坏是一个逐渐破坏的过程 能看到多条裂缝和明显 的横向膨胀 破坏截面的粗骨料有脱落的现象 因此 高强混凝 土的延性比普通混凝土差 素混凝土的延性随强度的增加而降 低 文献 1 0 从微观层次化学键的角度和细观 宏观层次的断裂 力学角度解释了高强混凝土的脆性根源 认为构成混凝土材料 的化学键主要为共价键和离子键 而在细观上混凝土式非均质 多相材料 内部本身存在大量的微裂缝 薄弱粘结层及空隙等 缺陷 在荷载作用下易发生破坏 高强混凝土的破坏不同于普 通混凝土 破坏时裂缝可能直接贯穿骨料 使得破坏从耗能最 快的路径发展 从而导致高强混凝土脆性大 韧性低 3 高强混凝土的改进措施 高强混凝土由于具有高强度 强耐久性 负荷能力强等优 点而在土木工程中得到广泛应用 而高强混凝土也具有新拌高 强混凝土黏度大 水化温升高 自收缩开裂风险高和脆性大等 显著劣势 为了保证高强混凝土的大面积应用 本文对高强混 凝土的典型缺点提出优化措施 3 1 高强混凝土的黏度调控措施 高强混凝土的黏度大主要是由低水胶比造成的 因此 黏 度调控措施主要从减水剂和掺和料两个方面着手 高效减水剂 可显著改变混凝土的工作性能 大量研究表明高效减水剂虽然 能提高混凝土的流动度 但对调控混凝土的黏度作用并不明 显 相关试验认为 采用侧链长度大且单体比例高的聚羧酸外 加剂具有更多的吸附基团和更为伸展的侧链 可在水泥颗粒表 面形成更强的空间位阻能力 从而降低低水胶比浆体的黏度 1 1 1 粉煤灰的掺人可减少用水量 其滚珠效应也能有效降低混 凝土黏度 从而改善混凝土的施工性能 因此 可通过掺入一定 量和合适颗粒级配的粉体颗粒 如硅灰 粉煤灰 矿渣等 实现 高强混凝土黏度的降低 除优选减水剂和掺和料外 还可以通 过调整混凝土的配合比改善其黏度 如选用球形度较高的骨料 可减小颗粒间摩擦力 从而降低流动阻力 改善黏度 同样 掺 人少量的优质引气剂 在混凝土中引入封闭微细孔 可起到滚 珠的作用 降低混凝土的黏度 但含气量的增加会明显降低混 凝土的强度 3 2 高强混凝土水化放热调控技术 针对高强混凝土水化温升高的特点 主要对其水化放热过 程进行调控 对水化放热过程进行控制 主要是控制水泥水化 产生的温度过高 降低水化放热速率 延长水泥水化放热过程 选用矿物成分含量较低的水泥品种尽管可以降低水化放 热速率 但其对混凝土的收缩性能影响较大 水泥强度等级低 价格较高 高强混凝土中不建议采用中 低热水泥 而掺入粉煤 灰和磨细矿渣是抑制高强混凝土早期温升的有效措施 1 2 1 这是 由于掺入粉煤灰和矿渣可以延迟水泥水化进程 降低水泥水化 放热速率 石英粉 石灰石粉等活性较低的惰性掺合料具有相 同的功能 缓凝剂和缓凝型减水剂也是常有的控制水化放热的技术 措施 尽管缓凝剂或缓凝型减水剂能延缓水泥的水化过程 对 降低高强混凝土早期水化温升效果较好 但无法从根本上抑制 混凝土的集中放热现象 3 3 高强混凝土自收缩开裂改善措施 引起高强混凝土收缩开裂的主要原因是自收缩 抑制高强 混凝土自收缩的措施可使用高c 2 s 和低c 3 a 或c 4 a f 的硅酸 盐水泥 同时尽量避免使用高细度的水泥和矿渣和选用高弹性 模量的骨料配制高强混凝土 另外通过掺入适量的粉煤灰 纤 维材料 膨胀剂或减缩剂等来改善高强混凝土的自收缩 在养 护过程中 采用 内养护 降低高强混凝土的自收缩开裂 内养 护是指在混凝土中引入一种组分作为养护剂 它均匀的分散在 混凝土中 起到内部蓄水池的作用 1 3 1 为改善高强混凝土易收缩开裂的缺点 可以通过优化原材 料性能及配合比和掺加纤维等物质来提高高强混凝土的抗裂 性 3 4 高强混凝土增韧降脆措施 混凝土是一种脆性材料 研究其增韧降脆措施是扩大其应 用范围的重要前提 高强混凝土的性能决定于其组成和内部结 构 可认为由水泥浆体 界面过渡区和集料三个重要环节组成 因此为降低混凝土的脆性 可以从宏观 细观的角度来增强高 强混凝土的韧性 降低其脆性 在微观方面 高强混凝土组成中 加入高分子聚合物乳液 如氯丁橡胶 使水泥与聚合物成为胶 结材料与骨料结合 增强其断裂韧性 在细观方面可以在高强 混凝土中掺入分散性好的高强高韧纤维 如钢纤维 玻璃纤维 聚丙烯纤维等形成纤维增强混凝土 或者选用高强坚韧的粗骨 料来改善高强混凝土的脆性 1 4 1 在宏观方面 则可以采用钢筋 混凝土或钢管混凝土 利用钢管 钢筋和混凝土两种材料在受 力过程中相互之间的组合作用 充分发挥两者的优点 改善混 凝土的韧性和脆性 因此 高强混凝土增韧降脆的措施主要有选用高强坚韧的 粗骨料 掺入矿物掺合料改善界面过渡区的微结构 掺入高强 高韧纤维 形成钢筋或钢管混凝土等 其中纤维的掺入能够阻 止高强混凝土中裂缝的扩展 并耗散高强混凝土的断裂能 进 而提高高强混凝土的断裂韧性 被认为是增韧降脆的最有效方 i 一 i 一 建 筑 材 料 安 徽 建 筑 万方数据 2 0 1 5 年第3 期 总2 0 3 期 安徽建筑 一 一l l 高 一 建 筑 材 料 安 徽 建 筑 法 且已得到广泛认可和应用 4 结论 高强混凝土因其具有高强度 强耐久性的显著特点 在土 木工程中得到了广泛应用 因此本文对高强混凝土的性能特点 进行分析 并针对其典型缺陷提出了相应的改善措施 得到如 下结论 高强混凝土具有高抗压强度 强度增长速率快 高弹性 模量和耐久性优异的优点 高强混凝土在应用过程中存在黏度 大 水化温升高 开裂风险高和脆性大 韧性差的缺点 通过掺入高效减水剂和适当颗粒级配的掺和料 可降低 高强混凝土的黏度 引入优质引气剂可以提高高强混凝土的流 动性 掺入粉煤灰和磨细矿渣是抑制高强混凝土早期温升的 有效措施 缓凝剂和缓凝型减水剂也是常有的控制水化放热的 技术措施 为改善高强混凝土易收缩开裂的缺点 可以通过优化原 材料性能及配合比和掺加纤维等物质来提高高强混凝土的抗 裂性 优选骨料 优化孔结构 界面改性和掺入纤维均能改善 高强混凝土脆性大 韧性差的缺点 其中掺入纤维材料是增韧 降脆最有效的办法 3 2 吴芳 贾福根 李瑞瑕 王瑞燕 新编土木工程材料教程 m 北京 中 国建筑工业出版社 2 0 0 7 3 m i c h a e la c a l d a r o n e h i g h s t r e n g t hc o n c r e t e ap r a c t i c a lg u i d e m u s aa n dc a n a d a t a y l o r f r a n c i s 2 0 0 9 4 张洪波 快凝快硬高强混凝土的制备与性能 d 重庆 重庆大学 2 0 1 4 5 缪昌文 刘建忠应用高强混凝土应注意的几个问题叨 施工技术 2 0 1 3 1 0 6 李木 陈伟 对高强混凝土的特性及设计有关问题的研究叨 沈阳大 学学报 2 0 0 6 5 7 美国钢筋混凝土协会3 8 7 委员会报告网 北京 清华大学 1 9 9 5 8 吴忠伟 廉慧珍 高性能混凝土 m 北京 中国铁道出版社 1 9 9 9 9 v i c t o ryg l a w r e n c efk k i m b e r l yek s h o r t t e r mt e n s i l ec r e e pa n d s h r i n k a g eo fu l t r a h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 叨 c e m e n ta n dc o n c r e t e c o m p o s i t e s 2 0 0 9 3 1 0 刘刚 高强混凝土的断裂脆性及其增韧减脆措施试验研究唧 武 汉 武汉大学 2 0 0 4 1 1 u uj z s u nw m i a oc w e ta 1 i n f l u e n c eo fs u p e rp l a s f i c i z e ma n d m i n e r a la d m i x t u r e so nt h ew o r k a b i l i t yo fm o r t a ra tl o ww a t e r c e m e n t r a t i o c t h e2 n di n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo hm i c r o s t r u c t u r er e l a t e d d u r a b i l i t yo fc e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s a m s t e r d a m 2 0 1 2 1 2 刘建忠 孙伟 缪昌文 等 超高强混凝土用低水胶比浆体的水化 热研究叨 建筑材料学报 2 0 1 0 2 1 3 高美容 秦鸿根 庞超明 高性能混凝土内养护技术的研究现状硼 混凝土与水泥制品 2 0 0 9 3 参 考文献 1 4 姚武 陈兵 严安 高性能混凝土的脆性研究 a 全国高强与高性 1 林耀 高强混凝土收缩开裂的研究及应对措施叨 福建建材 2 0 1 3 能混凝土及其应用第四届学术讨论会 c 2 0 0 1 j i 譬j k j k j k 鲁 j 蟹捌 坐捌 坐坐啦萱 业业j k j i j 誊 j l t 瑚 蕾 j k 瑚 坐坐誊坐啦 i 翻 鬻誓 业 业省 业业j k 譬 上接第1 5 8 页 雨篷板配筋裹1跨度5 4 m 下雨篷梁截面尺寸及配筋表3 3 2 雨篷梁配筋 当悬挑长度为1 5 m 雨篷梁配筋随计算跨度的变化规律 当跨度改变后 弯矩减小 剪力减小 扭矩不变 所以顶层与中 间层的抗扭钢筋2 盐1 4 不变 箍筋双肢t 1 0 1 0 0 不变