混凝土及其增強(qiáng)材料的發(fā)展與應(yīng)用
關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)材料 混凝土
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(qiáng)、輕質(zhì)、耐久(抗磨損、抗凍融、抗?jié)B)、抗災(zāi)(地震、風(fēng)、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(gè)重要方向,所謂高性能:是指混凝上具有高強(qiáng)度、高耐久性、高流動(dòng)性等多方面的優(yōu)越性能。從強(qiáng)度而言,抗壓強(qiáng)度大于C50的混凝土即屬于高強(qiáng)混凝土,提高混凝土的強(qiáng)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(qiáng)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(jì)效益,而且,高強(qiáng)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(xiàn)報(bào)道1),國外在試驗(yàn)室高溫、高壓的條件下,水泥石的強(qiáng)度達(dá)到662MPa(抗壓)及64.7MPa(抗拉)。在實(shí)際工程中,美國西雅圖雙聯(lián)廣場泵送混凝土56d抗壓強(qiáng)度達(dá)133.5MPa。
在我國為提高溫凝土強(qiáng)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(xì)粉煤灰、硅灰、天然沸石或超細(xì)礦渣。采用高效減水劑以降低水灰比是獲得高強(qiáng)及高流動(dòng)性混凝土的主要技術(shù)措施;
(2)采用525,625,725號(hào)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(xué)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(qiáng)度混凝土,這是重慶建筑大學(xué)在引進(jìn)前蘇聯(lián)研究成果的基礎(chǔ)上提出的研制高強(qiáng)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(fù)合高效減水劑,用525號(hào)水泥320kg/m3,水灰比0.43,和425號(hào)水泥480kg/m3,水灰比0.32,在試驗(yàn)室中制成了抗壓強(qiáng)度分別為68MPa和65MPa的高強(qiáng)混凝土。
RPC是一種超高強(qiáng)的混凝土,其立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)200-800MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)25~150MPa,斷裂能可達(dá)30KJ/m2,單位體積質(zhì)量為2.5-3.0t/m3。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(dá)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(dá)到很高的強(qiáng)度。
美國混凝土學(xué)會(huì)(AC1)229委員會(huì),提出了在配料、運(yùn)送、澆筑方面可控制的低強(qiáng)混凝土,其抗壓強(qiáng)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(duì)密度、工作度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo),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(qiáng)度砂漿(1ow-strength mortar,LSM〕,其組分為:水泥150kg/m3,砂;1080kg/m3,水570kg/m3,超塑化劑6kg/m3,膨潤土35kg/m3,所制成的LSM的抗壓強(qiáng)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(jià)50%,故這種混凝土可望在軟土工程中得到發(fā)展應(yīng)用。
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(duì)強(qiáng)度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)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(duì)環(huán)境保護(hù)也是有利的。
為了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點(diǎn),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(dāng)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。
(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。
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0.6%~2.0%。再高的摻量,將容易使鋼纖維在施工攪拌過程中結(jié)團(tuán)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(dá)5%~27%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(diǎn)是抗壓強(qiáng)度比基體材料有大幅度提高,可達(dá)100~200MPa,其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)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(yù)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4%~6%,試驗(yàn)表明,SIMCON可用較低的鋼纖維摻量而獲得與SIFCON相同的強(qiáng)度和韌性,從而取得比SIFCON節(jié)約材料和造價(jià)的效果。
自密實(shí)混凝土不需機(jī)械振搗,而是依靠自重使混凝土密實(shí)。混凝土的流動(dòng)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(xì)骨料的體積為砂漿體積的40%;
(3)水灰比為0.9-1.0;
(4)進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn),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。
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(qiáng)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(shí)度好,但高強(qiáng)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(diǎn)。解決這些問題的一個(gè)方法是,用摻量為25%的預(yù)濕輕骨料來替換骨料,從而在混凝土內(nèi)部形成一個(gè)"蓄水器",使混凝土得到持續(xù)的潮濕養(yǎng)護(hù)。這種加入"預(yù)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(xì)裂縫。
高強(qiáng)混凝土的另一問題是良好的密實(shí)性所引起的防火能力降低.這是因?yàn)樵诟邷兀ɑ馂?zāi)〕時(shí),砂漿中的自由水和化學(xué)結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樗畾?,但卻不能從密實(shí)的混凝土中逸出,從而形成氣壓,導(dǎo)致柱子保護(hù)層剝落,嚴(yán)重降低了柱的承載力,解決這個(gè)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(shí),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(hù)層剝落。
1.8 預(yù)填骨料升漿混凝土1)
國內(nèi)在大連中遠(yuǎn)60000t船塢工程中,因地質(zhì)條件復(fù)雜,船塢底板首次采用了坐落于基巖上的預(yù)填骨料升漿混凝土,即用密度較大的厚4~5m的鐵礦石作為預(yù)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60~80cm的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板在預(yù)填骨料層中布置壓漿孔注入砂漿,形成預(yù)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(jì)效益。
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(jī)場道面等。
用于大體積混凝土的碾壓混凝土的澆筑機(jī)具與普通混凝土不同,其平整使用推土機(jī),振實(shí)用碾壓機(jī),層間處理用刷毛機(jī),切縫用切縫機(jī),整個(gè)施工過程的機(jī)械化程度高,施工效率高,勞動(dòng)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1/3~1/2,用水量可減少20%,水泥用量可減少30%~60%。
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(xué)性能及耐久性還可進(jìn)一步改善。
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(jì)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。
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,F(xiàn)RP)作混凝土及預(yù)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(qiáng)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(diǎn)是抗腐蝕、高強(qiáng)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(dǎo)性,其缺點(diǎn)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。
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(jìn)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(jí)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(極限抗拉強(qiáng)度)及設(shè)計(jì)值都比母材大大提高,與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)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(yù)應(yīng)力筋。由于強(qiáng)度提高,可以節(jié)約材料用量,獲得經(jīng)濟(jì)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(kuò)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(dāng)增大其錨固長度。
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(gè)途徑,但是價(jià)格昂貴。另一個(gè)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(hù)薄膜,冷卻后經(jīng)檢驗(yàn)合格,用于有嚴(yán)格防銹蝕要求的工程,可使結(jié)構(gòu)的耐久性大大提高。
在傳統(tǒng)用于預(yù)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(jìn)生產(chǎn)線,己生產(chǎn)出直徑達(dá)12.6mm、抗拉強(qiáng)度達(dá)1570MPa的預(yù)應(yīng)力混凝土用的帶螺旋肋的鋼棒(stee1 bar),及直徑達(dá)12.0mm、抗拉強(qiáng)度達(dá)1570MPa的帶螺旋肋的鋼絲。這種新產(chǎn)品的特點(diǎn)是:高強(qiáng)度、低松弛,與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度好,易墩粗,可點(diǎn)焊,可盤卷等。
國內(nèi)在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí),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(yùn)送不便,剪切成型也比較復(fù)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(qiáng)度很高的纖維布(條、板〕代替鋼板進(jìn)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(jìn)口的碳纖維,開發(fā)了加固改造修復(fù)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(qiáng)度3000~3550MPa,這種碳纖維布的特點(diǎn)是:具有很高的單向抗拉強(qiáng)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(hù)。
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(xué)會(huì)(IABSE)在1999年11月出版的Structural
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(hù)條件等有關(guān);筆者只是從一個(gè)結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員的工程實(shí)用角度出發(fā),對(duì)于所涉及過的研究領(lǐng)域和知之不多的混凝土及其增強(qiáng)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(xué)者開發(fā)出更多新的材料,并進(jìn)而研究將這些材料用于結(jié)構(gòu)工程所需解決的設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)以及維護(hù)要求等,以促進(jìn)我國混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
編輯:
監(jiān)督:0571-85871667
投稿:news@ccement.com