混凝土及其增強材料的發(fā)展與應(yīng)用.doc

混凝土及其增強材料的發(fā)展與應(yīng)用本文由c40vecdqog貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 混凝土及其增強材料的發(fā)展與應(yīng)用 編輯：zhoubin117 作者：網(wǎng)友投稿 出處：中國論文下載中心 日期：2005-5-31 摘要： 對混凝土（高性能混凝土、活性微粉混凝土、低強混凝土、輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混 凝土、自密實混凝土、智能混凝土等）以及混凝土增強材料(非金屬配筋、新型預應(yīng)力鋼棒 等)近年的應(yīng)用與發(fā)展，作了簡要的論述. 關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)材料 混凝土 混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料， 我國每年混凝土用量約 10 億 m3， 鋼筋用量約 2500 萬 t，規(guī)模之大，耗資之巨，居世界前列?？梢灶A見，鋼筋混凝土仍將是我國在今后相當長 時期內(nèi)的一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料，物質(zhì)是基礎(chǔ)，材料的發(fā)展，必將對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè) 計方法、施工技術(shù)、試驗技術(shù)以至維護管理起著決定性的作用。本文對構(gòu)成鋼筋混凝土的主 要材料-混凝土及其增強材料的應(yīng)用與發(fā)展，從工程應(yīng)用角度作簡要介紹。 1 混凝土 組成鋼筋混凝土主要材料之一的混凝土的發(fā)展方向是高強、輕質(zhì)、耐久（抗磨損、抗凍 融、抗?jié)B） 、抗災(zāi)（地震、風、火 、抗爆等。 1.1 高性能混凝土（high performance concrete， HPC） HPC 是近年來混凝土材料發(fā)展的一個重要方向，所謂高性能：是指混凝上具有高強度、 高耐久性、高流動性等多方面的優(yōu)越性能。從強度而言，抗壓強度大于 C50 的混凝土即屬 于高強混凝土，提高混凝土的強度是發(fā)展高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)的重要措施。采 用高強混凝土，可以減小截面尺寸，減輕自重，因而可獲得較大的經(jīng)濟效益，而且，高強混 凝土一般也具有良好的耐久性。我國己制成 C100 的混凝土。已有文獻報道 1)，國外在試驗 室高溫、高壓的條件下，水泥石的強度達到 662MPa（抗壓）及 64.7MPa（抗拉） 。在實際工 程中，美國西雅圖雙聯(lián)廣場泵送混凝土 56 d 抗壓強度達 133.5MPa。 在我國為提高溫凝土強度采用的主要措施有1：(1)合理利用高效減水劑，采用優(yōu)質(zhì)骨 料、優(yōu)質(zhì)水泥，利用優(yōu)質(zhì)摻合料,如優(yōu)質(zhì)磨細粉煤灰、硅灰、天然沸石或超細礦渣。采用高 效減水劑以降低水灰比是獲得高強及高流動性混凝土的主要技術(shù)措施；(2)采用 525,625,725 號的硫鋁酸鹽水泥、 鐵鋁酸鹽水泥及相應(yīng)的外加劑， 這是中國建筑材料科學研究院制備高性 能混凝土的主要技術(shù)措施；(3)以礦渣、堿組分及骨料制備堿礦渣高強度混凝土，這是重慶 建筑大學在引進前蘇聯(lián)研究成果的基礎(chǔ)上提出的研制高強混凝土的技術(shù)措施；(4)交通部天 津港灣工程研究所采用復合高效減水劑，用 525 號水泥 320kgm3，水灰比 0.43，和 425 號水泥 480kgm3，水灰比 0.32，在試驗室中制成了抗壓強度分別為 68MPa 和 65MPa 的高 強混凝土。 文獻2報告了采用某些金屬礦石粗骨料如赤鐵礦石、鈦鐵礦石等，可以比用普通石料 作粗骨料獲得強度更高、耐久性和延性更好的高性能混凝土。 高強混凝土具有優(yōu)良的物理力學性能及良好的耐久性， 其主要缺點是延性較差。 而在高強混 凝土中加入適量鋼纖維后制成的纖維增強高強混凝土，其抗拉、抗彎、抗剪強度均有提高， 其韌性（延性）和抗疲勞、抗沖擊等性能則能有大幅度提高。此外，在高層建筑的高強混凝 土柱中，也可采用 X 形配筋、勁性鋼筋或鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)方面的措施來改善高強混凝土 柱的延性和抗震性能3。 1.2 活性微粉混凝土（reactive powder concrete， RPC）4 RPC 是一種超高強的混凝土，其立方體抗壓強度可達 200-800MPa，抗拉強度可達 25 150MPa，斷裂能可達 30KJm2，單位體積質(zhì)量為 2.5-3.0tm3。制成這種混凝土的主要措 施是： （1）減小顆粒的最大尺寸，改善混凝土的均勻性； （2）使用微粉及極微粉材料，以達 到最優(yōu)堆積密度（packing density）（3）減少混凝土用水量，使非水化水泥顆粒作為填料， ； 以增大堆積密度； （4）增放鋼纖維以改善其延性； （5）在硬化過程中加壓及加溫，使其達到 很高的強度。 普通混凝土的級配曲線是連續(xù)的，而 RPC 的級配曲線是不連續(xù)的臺階形曲線，其骨料粒徑 很小，接近于水泥顆粒的尺寸。RPC 的水灰比可低到 0.15，需加入大量的超塑化劑，以改 善其工作度。RPC 的價格比常用混凝土稍高，但大大低于鋼材，可將其設(shè)計成細長或薄壁 的結(jié)構(gòu)，以擴大建筑使用的自由度。在加拿大 Sherbrook 已設(shè)計建造了一座跨度為 60m、高 3.47m 的 B200 級 RPC 的人行-摩托車用預應(yīng)力桁架橋。 1.3 低強混凝土4 美國混凝土學會（AC1）229 委員會，提出了在配料、運送、澆筑方面可控制的低強混 凝土，其抗壓強度為 8MPa 或更低。這種材料可用于基礎(chǔ)、樁基的填、墊、隔離及作路基或 填充孔洞之用，也可用于地下構(gòu)造，在一些特定情況下，可用其調(diào)整混凝土的相對密度、工 作度、抗壓強度、彈性模量等性能指標，而且不易產(chǎn)生收縮裂縫。荷蘭一座隧洞工程中曾采 用了低強度砂漿（1ow-strength mortar， LSM ，其組分為：水泥 150kgm3，砂；1080kg m3，水 570kgm3，超塑化劑 6kgm3，膨潤土 35kgm3，所制成的 LSM 的抗壓強度 為 3.5MPa，彈性模量低于 500Mpa。LSM 制成的隧洞封閉塊，比常規(guī)的土壤穩(wěn)定法節(jié)約造 價 50，故這種混凝土可望在軟土工程中得到發(fā)展應(yīng)用。 1.4 輕質(zhì)混凝土5 利用天然輕骨料（如浮石、凝灰?guī)r等） 、工業(yè)廢料輕骨料（如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃 煤矸石等） 、人造輕骨料（頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等）制成的輕質(zhì)混凝土具有密 度較小、相對強度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點利用工業(yè)廢渣如廢棄鍋爐煤渣、煤礦的煤 矸石、火力發(fā)電站的粉煤灰等制備輕質(zhì)混凝土，可降低混凝土的生產(chǎn)成本，并變廢為用，減 少城市或廠區(qū)的污染，減少堆積廢料占用的土地，對環(huán)境保護也是有利的。 1.5 纖維增強混凝土6 為了改善混凝土的抗拉性能差、 延性差等缺點， 在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能 的研究，發(fā)展得相當迅速。目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、 聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。 在承重結(jié)構(gòu)中，發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是鋼纖維混凝土。而鋼纖維主要有用于土木建筑 工程的碳素鋼纖維和用于耐火材料工業(yè)中的不銹鋼纖維。 用于土木建筑工程的鋼纖維主要有 以下幾種生產(chǎn)方法： （1）鋼絲切斷法； （2）薄板剪切法； （3）鋼錠（厚板）銑削法； （4）熔 鋼抽絲法。 當纖維長度及長徑比在常用范圍，纖維摻量在 1到 2（體積分數(shù)，本文中的摻量均指體 積分數(shù)）的范圍內(nèi)，與基體混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗拉強度可提高 4080，抗彎 強度提高 50120，抗剪強度提高 50100，抗壓強度提高較小，在 025之間，彈 性階段的變形與基體混凝土性能相比沒有顯著差別， 但可大幅度提高衡量鋼纖維混凝土塑性 變形性能的韌性。 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會于 1992 年批準頒布了由大連理工大學等單位編制的鋼纖維 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程 （CECS 38： ， 92） 對推廣鋼纖維混凝土的應(yīng)用起到了重要作用。 鋼纖維混凝土采用常規(guī)的施工技術(shù)，其鋼纖維摻量一般為 0.62.0。再高的摻量， 將容易使鋼纖維在施工攪拌過程中結(jié)團成球， 影響鋼纖維混凝土的質(zhì)量。 但是國內(nèi)外正在研 究一種鋼纖維摻量達 527%的簡稱為 SIFCON 的砂漿滲澆鋼纖維混凝土，其施工技術(shù)不 同于一般的攪拌澆筑成型的鋼纖維混凝土， 它是先將鋼纖維松散填放在模具內(nèi)， 然后灌注水 泥漿或砂漿，使其硬化成型。SIFCON 與普通鋼纖維混凝土相比，其特點是抗壓強度比基體 材料有大幅度提高，可達 100200MPa，其抗拉、抗彎、抗剪強度以及延性、韌性等也比普 通摻量的鋼纖維混凝土有更大的提高7。 另一種名為砂漿滲澆鋼纖維網(wǎng)混凝土（SIMCON）的施工方法與 SIFCON 的基本相同， 只是預先填置在模具內(nèi)的不是亂向分布的鋼纖維，而是鋼纖維網(wǎng)，制成的產(chǎn)品中，其纖維摻 量一般為 46， 試驗表明， SIMCON 可用較低的鋼纖維摻量而獲得與 SIFCON 相同的強 度和韌性，從而取得比 SIFCON 節(jié)約材料和造價的效果。 雖然 SIFCON 或 SIMCON 力學性能優(yōu)良，但由于其鋼纖維用量大、一次性投資高，施 工工藝特殊， 因此它們只是在必要時用于某些特殊的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的局部， 如火箭發(fā)射臺和高 速公路的搶修等。 在砂漿中鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)及網(wǎng)與網(wǎng)之間的骨架鋼筋（簡稱鋼絲網(wǎng)水泥）所做成的薄壁結(jié)構(gòu)， 具有良好的抗裂能力和變形能力， 在國內(nèi)外造船、 水利、 建筑工程中應(yīng)用較為廣泛。 近年來， 在鋼絲網(wǎng)水泥中又摻人鋼纖維來建造公路路面、漁船、農(nóng)船等，取得了更好的雙重增韌、增 強效果。 1.6 自密實混凝土（self-compacting concrete） 自密實混凝土不需機械振搗，而是依靠自重使混凝土密實。混凝土的流動度雖然高，但 仍可以防止離析。 配制這種混凝土的方法有4： 1） （ 粗骨料的體積為固體混凝土體積的 50； （2）細骨料的體積為砂漿體積的 40%； （3）水灰比為 0.9-1.0； （4）進行流動性試驗，確定 超塑化劑用量及最終的水灰比，使材料獲得最優(yōu)的組成。 這種混凝土的優(yōu)點有：在施工現(xiàn)場無振動噪音；可進行夜間施工，不擾民；對工人健康 無害；混凝土質(zhì)量均勻、耐久；鋼筋布置較密或構(gòu)件體型復雜時也易于澆筑；施工速度快， 現(xiàn)場勞動量小。 1.7 智能混凝土（smart concrete）4 利用混凝土組成的改變， 可克服混凝土的某些不利性質(zhì)， 例如： 高強混凝土水泥用量多， 水灰比低，加入硅灰之類的活性材料，硬化后的混凝土密實度好，但高強混凝土在硬化早期 階段，具有明顯的自主收縮和孔隙率較高，易于開裂等缺點。解決這些問題的一個方法是， 用摻量為 25的預濕輕骨料來替換骨料，從而在混凝土內(nèi)部形成一個蓄水器，使混凝土 得到持續(xù)的潮濕養(yǎng)護。這種加入預濕骨料的方法，可使混凝土的自生收縮大為降低，減少 了微細裂縫。 高強混凝土的另一問題是良好的密實性所引起的防火能力降低 這是因為在高溫 （火災(zāi) 時， 砂漿中的自由水和化學結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樗畾猓?但卻不能從密實的混凝土中逸出， 從而形成氣壓， 導致柱子保護層剝落，嚴重降低了柱的承載力，解決這個問題的一種方法是，在每方混凝土 中加 2kg 聚丙烯纖維，在高溫（火災(zāi)） 時，纖維熔化，形成了能使水氣從邊界區(qū)逸出的通道， 減小了氣壓，從而防止柱的保護層剝落。 1.8 預填骨料升漿混凝土 1） 國內(nèi)在大連中遠 60000t 船塢工程中，因地質(zhì)條件復雜，船塢底板首次采用了坐落于基 巖上的預填骨料升漿混凝土，即用密度較大的厚 45m 的鐵礦石作為預填骨料，礦石層下再 鋪設(shè) 1m 厚的石灰石塊石。礦石層上是厚 6080cm 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板在預填骨料層中布 置壓漿孔注入砂漿，形成預填骨料升漿混凝土。采取這種工藝，縮短了工期，取得了良好的 經(jīng)濟效益。 1.9 碾壓混凝土8 碾壓混凝土近年發(fā)展較快，可用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)（如水工大壩、大型基礎(chǔ)） 、工業(yè) 廠房地面、公路路面及機場道面等。 用于大體積混凝土的碾壓混凝土的澆筑機具與普通混凝土不同， 其平整使用推土機， 振實用 碾壓機，層間處理用刷毛機，切縫用切縫機，整個施工過程的機械化程度高，施工效率高， 勞動條件好，可大量摻用粉煤灰，與普通棍凝土相比，澆筑工期可縮短 131/2，用水量 可減少 20，水泥用量可減少 3060。 碾壓混凝土的層間抗剪性能是修建混凝土高壩的關(guān)鍵問題， 國內(nèi)大連理工大學等單位曾開展 這方面的研究工作。 在公路、工業(yè)廠房地面等大面積混凝土工程中，采用碾壓混凝土，或者在碾壓混凝土中再加 入鋼纖縫，成為鋼纖維碾壓混凝土，則其力學性能及耐久性還可進一步改善。 1.10 再生骨料混凝土 新中國建國至今己逾 50 年，建國前后修建的不少混凝土結(jié)構(gòu)，因老化或隨著經(jīng)濟的發(fā) 展，需拆除重建，其拆除量十分巨大，在拆除的混凝土中，約有一半是粗骨料，應(yīng)該考慮如 何使之再生利用。以減少環(huán)境垃圾，變廢為用。 文獻4報道，在荷蘭的德爾夫特，一個 272 所住宅的方案中，所有的混凝土墻均利用了再 生骨料，該方案下一步的計劃，是在混凝土樓板中也利用再生骨料。當然，在利用這些再生 骨料時，需對這種餛凝土的性能進行試驗，例如，文獻9報道了有關(guān)再生輕質(zhì)混凝土收縮 和徐變較為顯著的試驗成果，值得重視。 2 配筋及增強材料 2.1 纖維筋6 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋材料， 主要是鋼筋最近在國際上研究較多的是樹脂粘結(jié)的纖維筋 （fiber reinforced plastics， FRP）作餛凝土及預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的非金屬配筋，常用的纖維 筋有樹脂粘結(jié)的碳纖維筋（GFRP） 、玻璃纖維筋（GFRP）及芳綸纖維筋（AFRP）國外研究 指出，這幾種纖維筋的強度都很高，只是玻璃纖維筋的抗堿化性能較差。纖維筋的突出優(yōu)點 是抗腐蝕、高強度，此外，還具有良好的抗疲勞性能、大的彈性變形能力、高電阻及低磁導 性，其缺點是斷裂應(yīng)變性能較差、較脆、徐變（松弛）值較大，熱膨脹系數(shù)較大。 國外已有日本、德國、荷蘭等國將纖維筋用于預應(yīng)力混凝土橋，包括體外預應(yīng)力橋的實 例4。 2.2 雙鋼筋1 為了減小裂縫寬度和構(gòu)件的變形，國內(nèi)在一些工程中，采用焊成梯格形的雙鋼筋，在構(gòu) 件內(nèi)平放或豎放布置。 2.3 冷軋變形鋼筋1 為了節(jié)約鋼材用量，國內(nèi)引進國外設(shè)備或自制設(shè)備，用光圓鋼筋，經(jīng)過冷軋，軋成帶肋 的直徑小于母材直徑的鋼筋，稱為冷軋帶肋鋼筋。另一種類似的鋼筋，是用 I 級光圓用筋冷 軋扭轉(zhuǎn)成型，稱為冷軋變形用筋或冷軋扭鋼筋。這兩種冷軋鋼筋的抗拉強度標準值（極限抗 拉強度）及設(shè)計值都比母材大大提高，與混凝土的粘結(jié)強度也得到提高，但直徑較小。它們 主要用作板式構(gòu)件的受力鋼筋或梁、柱構(gòu)件的箍筋或作預應(yīng)力筋。由于強度提高，可以節(jié)約 材料用量，獲得經(jīng)濟效益。這兩種鋼筋，國內(nèi)己制訂了規(guī)程。為將這種小直徑鋼筋的用途擴 展至梁、柱的受力鋼筋，也可采用雙筋或三筋的并筋，但需適當增大其錨固長度。 2.4 環(huán)氧樹脂涂敷鋼筋1 在海洋環(huán)境或者有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中（如冬季撒鹽的橋面） ，鋼筋銹蝕是影響結(jié)構(gòu)耐 久性的重要原因。為了防止鋼筋銹蝕，用不銹鋼制造鋼筋是一個途徑，但是價格昂貴。另一 個途徑是用環(huán)氧樹脂涂敷鋼筋表面，形成防銹的涂層，以防止鋼筋生銹，這種方法在日本、 美國應(yīng)用較多。鋼筋在工廠中校直、加熱、噴涂樹脂粉末，形成防護薄膜，冷卻后經(jīng)檢驗合 格，用于有嚴格防銹蝕要求的工程，可使結(jié)構(gòu)的耐久性大大提高。 2.5 預應(yīng)力混凝土用鋼棒、預應(yīng)力混凝土用螺旋肋鋼絲 在傳統(tǒng)用于預應(yīng)力混凝土的鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋的基礎(chǔ)上，從國外引進生產(chǎn)線， 己生產(chǎn)出直徑達 12.6mm、 抗拉強度達 1570MPa 的預應(yīng)力混凝土用的帶螺旋肋的鋼棒 （stee1 bar） ，及直徑達 12.0mm、抗拉強度達 1570MPa 的帶螺旋肋的鋼絲。這種新產(chǎn)品的特點是： 高強度、低松弛，與混凝土的粘結(jié)強度好，易墩粗，可點焊，可盤卷等。 2.6 纖維布、纖維條、纖維板 國內(nèi)在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固時， 常用的一種技術(shù)是鋼板粘結(jié)加固技術(shù)， 但是鋼板 質(zhì)量重、運送不便，剪切成型也比較復雜。 最近在國內(nèi)外發(fā)展并應(yīng)用了以質(zhì)量很輕、易于加工、單向抗拉強度很高的纖維布（條、板 代替鋼板進行構(gòu)件加固的技術(shù)，取得了良好的效果。例如，冶金工業(yè)局建筑研究總院使用從 日本進口的碳纖維，開發(fā)了加固改造修復混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)10，其使用的碳纖維布，厚 0.111-0.165mm，單向抗拉強度 30003550MPa，這種碳纖維布的特點是：具有很高的單向抗 拉強度 （為普通鋼材的 10 倍） 彈模與鋼材接近， ， 很適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固； 質(zhì)量輕， 密度僅為鋼的 1/4，加固層厚度一般不大于 1mm，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；施工方 便，功效高；耐腐蝕，無須定期維護。 國外在用碳纖維布或碳纖維條時，還利用不同彈模的碳纖維進行優(yōu)化組合，降低造價。 除碳纖維外，與纖維筋類似，也有用芳綸纖維和玻璃纖維制成的產(chǎn)品（布、條或扳 值 得指出的是， 國際橋梁與結(jié)構(gòu)工程學會 （IABSE） 1999 年 11 月出版的 Structural Engineering 在 第 9 卷第 4 期中，集中報道了加拿大、美國、日本、歐洲諸國在發(fā)展使用這種新型材料方面 的經(jīng)驗，對激發(fā)我國開展這種新材料的生產(chǎn)與應(yīng)用很有意義。 3 結(jié)束語 混凝土是水泥、砂、石、水、外加劑、摻合料等多組分構(gòu)成的一種性能多樣化的材料， 其性能不僅與組成材料的性能有直接關(guān)系， 而且還與施工技術(shù)、 所處環(huán)境及維護條件等有關(guān)； 筆者只是從一個結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員的工程實用角度出發(fā)， 對于所涉及過的研究領(lǐng)域和知之不 多的混凝土及其增強材料的發(fā)展與應(yīng)用等方面， 作了拋磚引玉的介紹。 期望在混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng) 域內(nèi)， 有更多的專家學者開發(fā)出更多新的材料， 并