钢纤维轻骨料混凝土

钢纤维轻骨料混凝土（精选8篇）

钢纤维轻骨料混凝土 第1篇

1 实验情况分析

1.1 实验材料

塑钢纤维:我们采用浙江宁波某公司生产的改良型聚丙烯纤维, 其长度在38毫米, 直径0.91毫米左右, 密度950kg/m3, 抗拉伸强度为530MPa, 弹性模量为7GPa。

钢纤维:采用天津市某科技公司所生产的波纹钢纤维, 其长度为38毫米, 等效直径是0.7毫米, 抗拉伸强度是785Mpa。

1.2 配合比与实验分组

我们结合目前的实际情况, 强度等级为C30的混凝土在使用量上比较大, 所以我们在实验的时候应该选用等级为LC30的轻骨料混凝土作为试验的标准材料。为了有效地避免外加剂、矿物掺合料等对纤维轻骨料的混凝土力学特性的影响, 实验中的轻骨料混凝土并没有掺入外加剂以及矿物掺合料, 其配合比例参见表1:

我们参考了相关的文献资料从而给出了纤维的掺入体积的积极建议, 最终确定了纤维轻骨料的混凝土当中的钢纤维的体积比率的掺量具体为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%。为了将结果进行对比, 我们在实验的时候, 设置了一个不掺入任何纤维的基准轻骨料混凝土作为对照。

2 实验结果分析

对于纤维轻骨料的混凝土, 我们至今也没有编织出来相应的实验方法的标准以及规程, 所以本文所进行的轻骨料混凝土的力学特性实验研究大多是在一些文献资料的基础上所进行的不同掺量纤维轻骨料的混凝土以及钢纤维的实验研究, 并且主要针对的是抗压性能、抗弯性能、抗冲击的强度以及弯曲性能。

3 抗压性能的实验研究

实验发现, 不掺纤维的轻骨料混凝土破坏的形态主要是不同的, 其最终形成的两个对定的锥形的破坏面, 呈现出来了较为明显的脆弱性。纤维增强之后挤压轻骨料混凝土, 加载到极限之后, 试件便会呈现出来外鼓的状态, 横截面积明显会增大。在整个加载的过程中, 试件的完整性得以很好的保存下来, 裂却不碎, 轻骨料的混凝土的变形也在一定程度上降了下来。纤维掺入对于轻骨料混凝土在单向受压的时候发出的横向的套箍作用都会使得试件在抵抗压力的时候成为了一个整体, 从而呈现出来一定程度的三向受压的现象, 这就起到了对于轻骨料的混凝土的抗压性能的增强。在试件破坏的时候也没有剥落的现象出现, 试件依旧是一个完整的立方体。

我们根据各分组轻骨料混凝土的抗压强度测验数据可以发现:当轻骨料混凝土的强度在LC30的时候, 塑钢纤维并没有对其产生较为明显的增强作用, 反之, 钢纤维对其具有较为明显的稳定作用, 但是增强的幅度也不是很大。相比较塑钢纤维以及钢纤维对于轻骨料混凝土的增强作用, 这两种纤维掺量在0.5%的时候对于试件抗压性的增强作用基本上相同, 在此之后, 塑钢纤维的增强作用较为明显的小于钢纤维的增强作用[5]。

4 抗拉性能的实验

对于轻骨料混凝土的力学特性中的抗拉弯性能的研究主要包括两个个部分:抗折强度的试验以及抗弯曲性能的试验。

(1) 抗折强度的试验。我们所选取的材料尺寸在100×100×400毫米, 实验主要采用的是三分点弯曲的方式来进行实验。

在实验当中, 我们对于不掺纤维的轻骨料混凝土的破坏方式主要是一裂即坏。相反掺加纤维的轻骨料混凝土却并没有出现上述现象。试验当中的轻骨料混凝土的断面显示了塑钢纤维被拉断之后数量以及密度, 而钢纤维对于轻骨料混凝土的增强作用其试件的断面表现出来钢纤维全部被拔了出来。从中我们可以发现, 轻骨料钢纤维混凝土的粘结对于混凝土的弯拉性都起到了很大的作用。塑钢纤维轻骨料混凝土的粘合性能比较好, 这主要是由塑钢纤维以及其材料的强度所决定。

通过上述实验研究发现:轻骨料混凝土中掺入纤维之后, 其抗折性有了一定的提升, 可是当掺入的纤维体积在0.5%到2.5%之间的时候, 掺加钢纤维的轻骨料混凝土的抗折性得到了较大幅度的提升。而塑钢纤维对于轻骨料混凝土的抗折性能有着一定的提升作用, 但是效果却不是那么的明显。掺入塑钢纤维的轻骨料混凝土的抗折强度要比掺入钢纤维轻骨料的混凝土抗折强度小, 其增强作用也不明显。

(2) 弯曲韧性的实验。在进行弯曲韧性实验的时候, 我们将数据采集仪器所采集到的数据经过处理之后得到的相应结果绘制成曲线图, 图1以及图2便是体积率为0.5%的钢纤维轻骨料混凝土以及体积率为0.9%的塑钢纤维轻骨料混凝土的荷载曲线。

我们从掺量不同的塑钢纤维以及钢纤维对于轻骨料混凝土的荷载—挠度曲线的影响的研究并且结合公式进行计算可以发现:不同掺量的钢纤维以及塑钢纤维对于轻骨料混凝土的增强有着等效的弯曲强度。并且我们可以发现:轻骨料的混凝土中掺加钢纤维之后等效弯曲曲线的强度有着较为明显的提升, 而且等效弯曲的强度会随着掺入纤维的体积率的增大而增大, 当纤维的体积率到达2%—2.5%的时候, 轻骨料混凝土的弯曲幅度涨幅相对较小, 曲线相对比较缓和。掺加塑钢纤维之后轻骨料混凝土的弯曲强度也有着明显的提升, 但是总体的趋势是先升再降。

5 结语

经研究, 发现掺入钢纤维或塑钢纤维对于轻骨料混凝土力学性能的影响作用是不同的。通过实验对比, 掺入钢纤维的轻骨料混凝土力学性能明显优于掺入塑钢纤维的轻骨料混凝土的力学特性。这些基础数据的取得, 为我们日后研究超高层, 大跨度, 大尺寸的混凝土结构, 以及具备轻质, 高强, 高韧性特征的混凝土发展提供必要的帮助, 也为改善轻骨料混凝土的脆性提供了理论依据。

摘要：本文主要通过对不同掺量的轻骨料钢纤维混凝土进行力学的抗压性、抗弯拉性、抗冲击性的实验, 得到掺加钢纤维的轻骨料混凝土与掺加塑钢纤维的轻骨料混凝土的力学特征, 从中我们发现掺加钢钎维的轻骨料混凝土在抗压、抗裂、抗韧等性能上具有优越性, 这有助于轻骨料混凝土在承重结构中的有效运用以及发展。

关键词：轻骨料混凝土,钢纤维,力学特征,研究

参考文献

[1]牛建刚, 李伯潇, 张缜等.纤维增强轻骨料混凝土力学性能试验研究[J].混凝土, 2013 (11) :93-96, 100.

[2]沈鸿珍, 申向东.不同分维级配的轻骨料混凝土力学性能的研究[J].内蒙古农业大学学报 (自然科学版) , 2011 (3) :222-225.

[3]高矗, 申向东, 王萧萧等.应力损伤轻骨料混凝土抗冻融性能[J].硅酸盐学报, 2014 (10) :1247-1252.

[4]李京军, 牛建刚, 张缜等.塑钢纤维含量对轻骨料混凝土力学性能的影响[J].四川建筑, 2015 (1) :231-233.

[5]沈鸿珍.不同轻骨料级配的混凝土早期力学性能的试验分析[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2013 (24) .

轻骨料混凝土在旧桥改造中的应用 第2篇

轻骨料混凝土在旧桥改造中的应用

轻骨料混凝土具有良好的抗裂、抗震、抗渗、抗冻等耐久性能,且减轻结构自重,降低维修成本.文中介绍了轻骨料混凝土的特点和配合比设计过程,并结合国道G324线广州长平至金坑公路扩建工程实例介绍了轻骨料混凝土施工工艺.

作 者：覃志学 QIN Zhi-xue 作者单位：广州市公路工程公司,广东广州,510075刊 名：广东交通职业技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF GUANGDONG COMMUNICATIONS POLYTECHNIC年，卷(期)：8(3)分类号：U445.6关键词：轻骨料混凝土 旧桥改造 施工工艺

仿钢纤维增强轻骨料混凝土性能研究 第3篇

轻骨料混凝土(LWAC)由轻骨料(天然轻骨料、工业废料轻骨料、人造轻骨料)、轻砂(或普通砂)、胶凝材料和水配制而成,干表观密度不大于1950 kg/m3。与普通混凝土相比,轻骨料混凝土具有轻质、保温、耐火隔声、抗震性能好等特点,在现代建筑中得到应用。但轻骨料混凝土的抗拉强度和脆性问题比普通混凝土更为突出,提高轻骨料混凝土的抗拉强度、改善脆性、增强韧性的要求也越来越迫切。

以纤维轻骨料混凝土为代表,能有效改善轻骨料混凝土的脆性,提高混凝土的抗拉强度、抗开裂性和韧性,其中发展最为迅速的是钢纤维轻骨料混凝土,但钢纤维的造价较高、易腐蚀、易结团、磨损机械、运输及施工困难等问题,尤其在潮湿工况下的海港工程、易于出现渗水的隧道工程、接触腐蚀气体等恶劣环境中,减少了安全运行寿命。近几年来用仿钢纤维掺于混凝土中以提高混凝土的抗裂、韧性和抗疲劳等性能,从而解决钢纤维应用中存在的诸多问题,已引起工程界的关注[1]。

本文研究仿钢纤维对轻骨料混凝土基体的增强效果、强度发展规律以及弯曲韧性的影响,探索有机仿钢纤维的最佳掺量,探讨仿钢纤维部分取代钢纤维的可能性。

1 试验

1.1 原料

水泥:P·O 42.5R普通硅酸盐水泥,其性能指标见表1。

粗骨料:选用页岩陶粒,其物理性能如表2所示。

细骨料:河沙,细度模数2.4,堆积密度1465 kg/m3,表观密度2650 kg/m3,含泥量2%,颗粒级配良好。

钢纤维:采用波纹型钢纤维,规格为30 mm,长径比50,抗拉强度不低于700 MPa。

仿钢纤维(又称波形聚丙烯纤维):以聚丙烯为原料经过独特纺丝工艺加工而成,本身具有强度高、耐酸碱性强、与混凝土握裹力强等特点。使用该纤维可明显改善混凝土的抗弯强度和弯曲韧性,增加混凝土的抗冲击和抗疲劳性能,降低喷射混凝土的回弹率、克服塑性收缩裂缝。该纤维施工操作容易,克服了钢纤维腐蚀生锈、易结团、磨损机械、运输困难、反弹伤人等缺陷,而且对混凝土的增韧、抗裂作用与钢纤维相当。材料的主要性能如表3所示。

矿物掺合料:Ⅰ级粉煤灰。

外加剂:JS-3型萘系磺酸盐高效减水剂。

1.2 配合比设计

纤维增强轻骨料混凝土的配合比设计分2步进行。首先按照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》,采用松散体积法对素轻骨料混凝土进行配合比设计,水灰比为0.42,砂率为40%。然后在素轻骨料混凝土中分别掺入体积率为0、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的仿钢纤维,为对比,在轻骨料混凝土掺入质量为1.0%钢纤维[2],试验共6组,对每一组混凝土拌合物按照CECS 13:1989《钢纤维混凝土试验方法》进行表观密度、抗压、抗折、劈裂、弹性模量以及韧性试验。所得纤维增强轻骨料混凝土的具体配合比见表4。

kg/m3

2 试验结果与分析

各组纤维轻骨料混凝土28 d的性能测试结果见表5。

2.1 纤维对轻骨料混凝土表观密度的影响

在一些情形下,混凝土的表观密度常常比其强度显得更为重要,对于有着同样强度等级的混凝土而言,表观密度降低可以对结构设计和基础设计等方面起到重要的作用。在混凝土结构所承受的荷载中,混凝土的自重占了很大的比例,因此,减小混凝土的表观密度意味着在相同的强度水平下可提高结构的承载能力,或减少对基础的投入。轻质骨料混凝土与普通混凝土最显著的区别在于密度小,由表5可知,素轻骨料混凝土的干表观密度为1844 kg/m3。对于掺仿钢纤维的轻骨料混凝土,由于仿钢纤维自身密度低,其表观密度随仿钢纤维掺量的提高而缓慢增大。当仿钢纤维体积率达到0.9%时,其干表观密度达到1862 kg/m3。对于掺钢纤维体积率1.0%的轻骨料混凝土,比素轻骨料混凝土表观密度增加了3%,由于钢纤维密度大,对轻骨料混凝土的表观密度有较大的影响。因此,相比于钢纤维,仿钢纤维的掺入对轻骨料表观密度影响甚微。

2.2 仿钢纤维对轻骨料混凝土力学性能的影响

从表5可以看出:(1)混凝土的弹性模量、抗压强度和劈裂强度随着仿钢纤维掺量的增加都出现了较为明显的先增后减的趋势。在纤维掺量为0~0.7%时,抗压强度均有一定幅度的提高,这是由于纤维的掺入相当于在轻骨料颗粒周围形成了坚实的“套箍”,形成致密、具有整体性的网格结构,协同轻骨料受力,当应力自基体传递给纤维时,纤维因变形而消耗能量,使得轻骨料混凝土的强度均有所提高[2]。当纤维量为0.7%~0.9%时,由于纤维掺量偏大,使纤维混凝土成型试件的密实度变差,因而出现下降趋势。

(2)抗折强度随着仿钢纤维掺量从0增加到0.7%时明显提高,当纤维掺量为0.7%时,轻骨料混凝土的抗折强度提高了45%。其原因由于仿钢纤维具有较好的延性,混凝土一经开裂,将荷载传递给仿钢纤维,而仿钢纤维可以约束裂缝的延伸和横贯裂缝传递内力,这时仿钢纤维与基体作为整体共同承担荷载,使承载能力显著提高。当仿钢纤维与混凝土基体之间的界面粘结强度达到极限时,此时仿钢纤维从纤维锚固最短、受力最大的裂缝处开始,依次从基体中拔出,仿钢纤维混凝土的承载能力逐渐降低直至破坏。因此,仿钢纤维的掺量增大,对裂缝的约束作用和传递内力的作用越强,所以增强效果越好。但是,当纤维掺量超过0.7%时,由于纤维掺量过大,出现分布不均匀的现象,降低了混凝土的密实度,轻骨料混凝土的强度并没有继续提高,而出现下降的趋势[3]。

从表5可以得出,仿钢纤维掺量0.7%的轻骨料混凝土与掺1%钢纤维的轻骨料混凝土相比,28 d抗压强度可提高10%以上,仿钢纤维轻骨料混凝土28 d抗折强度、劈裂强度分别提高2%、5%,而弹性模量略有下降,二者的力学性能相当。

2.3 仿钢纤维对轻骨料混凝土弯曲韧性的影响

混凝土在受弯开裂后,能继续承受一定的弯曲荷载,这种特性称为弯曲韧性。纤维混凝土的弯曲韧性计算方法有很多,各国标准也不尽相同。本文按照CECS 13—89中的韧度指数法来计算仿钢纤维轻骨料混凝土的弯曲韧度指数I5,I10,I30,其分别表示3、5.5、15.5倍初裂挠度所对应的荷载-挠度(P-δ)关系曲线下的面积与初裂挠度所对应的荷载-挠度关系曲线下的面积之比,计算方法类似于ASTM C 1018韧性指数法。表6是仿钢纤维轻骨料混凝土韧性试验结果,其对应的荷载-挠度曲线如图1所示。

从图1可以看出,未加纤维时荷载-挠度曲线只有上升段,初裂强度即是抗折极限强度,表现为一裂即坏。而掺仿钢纤维体积率越大,其荷载-位移曲线的上升段曲线的斜率总体趋势越大,反映了仿钢纤维在复合材料开裂前的阻裂作用。当荷载较小时,基体通过界面粘结力将荷载传至纤维,仿钢纤维与轻骨料混凝土基体作为一个整体共同承担荷载,二者变形协调处于弹性阶段,故荷载-挠度曲线呈直线。当荷载继续增大,轻骨料混凝土基体挠度增大,直至变形达到仿钢纤维轻骨料混凝土初裂应变时,混凝土基体出现裂缝,跨越裂缝的纤维通过界面传递应力,使试件截面受力保持平衡,而不像轻骨料混凝土那样,一旦裂缝扩展便很快导致试件的断裂,随着荷载的增大,基体内部微裂缝稳定扩展成为宏观裂缝,荷载-挠度曲线逐渐呈非线性变化。在此阶段,钢纤维通过界面粘结横贯裂缝传递应力,仿钢纤维轻骨料混凝土仍能承受更大的荷载。随荷载的增长,混凝土基体的裂缝继续扩展,仿钢纤维轻骨料混凝土处于弹塑性阶段。此后,仿钢纤维在逐渐拨出的过程中,横跨裂缝连接混凝土,使仿钢纤维轻骨料混凝土的承载能力仍有一定提高,且随Vf的增大而增大。仿钢纤维轻骨料混凝土达到其极限承载能力的临界值后,裂缝失稳扩展,因仿钢纤维与基体间界面粘结强度逐步达到极限,仿钢纤维不断被拔出或被拉断,承载能力下降,裂缝两端的混凝土几乎变成刚体转动,跨中挠度增长很快。在此过程中,由于数目越来越多的仿钢纤维脱粘、拔出或拉断,需要吸收很多能量,故荷载-度曲线缓慢下降,呈现出良好的韧性,并有裂而不断的特征。

由图1还可以看出:仿钢纤维体积率越大,荷载-挠度曲线的下降段越丰满,仿钢纤维轻骨料混凝土表现出更高的韧性。另外,仿钢纤维比钢纤维韧性略有降低,由于纤维弹性模量较高,对裂缝扩展的控制能力强[4]。

仿钢纤维不仅具有较好的增韧效果,有效抑制了轻骨料的上浮、并提高了轻骨料混凝土的均匀化,其较高的弹性模量和抗拉强度使得其可协同轻骨料受拉、抑制裂纹的扩展,从而提高了轻骨料混凝土的弯曲韧性。根据ASTM C1018-85,对于理想弹塑性体的I5、I10、I30应为5、10、30,由表6可以看出,当仿钢纤维掺量0~0.7%时,随着仿钢纤维掺量的增大,混凝土韧性指数达到或接近弹性材料韧性指数值,这表明仿钢纤维混凝土具有良好的弯曲韧性,与钢纤维混凝土相当;当仿钢纤维体积率较大时,仿钢纤维混凝土弯曲韧性指数已经超过理想弹塑性材料值,说明当仿钢纤维掺量达到一定数值后,再继续增大掺量对轻骨料混凝土韧性改善的效果就不很明显了。

2.4 仿钢纤维轻骨料混凝土技术经济性分析

仿钢纤维是一种独特的新型纤维,其形状类似于钢纤维,是针对钢纤维而研制的替代产品,同时兼顾合成细纤维的一些特点。仿钢纤维具有类似于钢纤维强度高的优点,同时耐酸碱性强、易分散和握裹力强。其与钢纤维的技术经济性见表7。

有机仿钢纤维截面形状及比表面积和钢纤维相似,因此在比较2种材料的经济性时,可假设它们比表面积相同,由表7可知,有机仿钢纤维的密度为0.92 g/cm3,钢的密度为7.8 g/cm3,同样体积掺量下,钢纤维的质量是有机仿钢纤维的8.0倍左右。相比于钢纤维轻骨料混凝土,将有机仿钢纤维加入轻骨料中,其干密度变化比较平缓,影响较小。在仿钢纤维与钢纤维各自最佳掺量下,仿钢纤维轻骨料混凝土与钢纤维轻骨料混凝土韧性以及力学性能效果相当。素轻骨料混凝土价格为490元/m3,钢纤维的掺入对轻骨料混凝土的材料成本影响很大,在1.0%的掺量下,轻骨料混凝土费用为1019.87元/m3,已经是素轻骨料混凝土的2倍左右,而仿钢纤维掺量为0.7%轻骨料混凝土费用为512.54元/m3,比钢纤维轻骨料混凝土便宜507.33元/m3,费用减少近1倍。故采用仿钢纤维代替钢纤维在实际工程中应用,能达到钢纤维增强增韧的效果,且可较大幅度降低成本。

3 结论

(1)在轻骨料混凝土中掺入仿钢纤维能提高其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度,其力学性能随着钢纤维掺量的增加呈先升后降的趋势。当仿钢纤维掺量为0.7%时,仿钢纤维轻骨料混凝土的力学性能达到最大值,当掺量超过0.7%时,其力学性能略有下降。仿钢纤维的掺入,对轻骨料混凝土的表观密度、弹性模量影响不大。

(2)仿钢纤维的掺入改变了轻骨料混凝土的破坏形态,能够降低脆性,有效提高了轻骨料混凝土的韧性。

(3)仿钢纤维化学稳定性优于钢纤维,在各自最佳掺量下,仿钢纤维轻骨料混凝土与钢纤维混凝土的力学性能相当,且每立方仿钢纤维轻骨料混凝土比钢纤维轻骨料混凝土便宜507.33元/m3,费用减少近1倍,可取代钢纤维作为轻骨料混凝土的增强增韧材料。

参考文献

[1]龚洛书,柳春圃.轻集料混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1996:3-4.

[2]霍俊芳,李金帅,申向东,等.纤维混合对轻骨料混凝土力学性能的影响[J].内蒙古工业大学学报,2008,31(1):26-27.

[3]李志龙.有机仿钢纤维增强混凝土试验研究[J].桥梁检测与加固,2009(1):43-45.

钢纤维轻骨料混凝土 第4篇

1 试验

1.1 原材料

水泥:冀东P·O42.5水泥,其物理性能见表1;粗骨料:内蒙古锡林浩特市产浮石轻骨料,其物理性能见表2;细骨料:天然河砂,细度模数2.56,堆积密度1465 kg/m3,表观密度2645 kg/m3,含泥量1.8%,含水率1.987%,颗粒级配良好;外加剂:RSD-8型萘系高效减水剂,掺量为3%时减水率20%,对钢筋没有锈蚀作用;玻璃纤维性能指标见表3;水:自来水。

1.2 试验方案

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》要求,抗压强度和劈裂强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100mm,标准养护3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、90 d后进行测试,抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

本试验采用LC40强度等级普通轻骨料混凝土作为本实验的基准组混凝土,不同玻璃纤维掺量的轻骨料混凝土作为试验组。玻璃纤维掺量分别0.5、0.9、1.2 kg/m3。配合比设计中仅改变玻璃纤维的掺量,基准组混凝土配合比见表4。

1.3 试样制作

玻璃纤维轻骨料混凝土的制作要点是干拌,将玻璃纤维与轻骨料、水泥、砂子进行机械搅拌1~2 min,然后加水和减水剂,再搅拌4~5 min后装模,最后在震动台上震动成型,24 h后脱模,置于标准养护箱中养护。干拌的目的是利用粗细骨料间的摩擦使玻璃纤维均匀分散于粗细骨料中。

2 试验结果与分析

2.1 玻璃纤维轻骨料混凝土的抗压强度(见表5)

由表5可知,90 d时,基准组轻骨料混凝土的抗压强度为46.32 MPa,玻璃纤维掺量为0.5、0.9 kg/m3的轻骨料混凝土抗压强度分别为53.24 MPa和49.20 MPa,比基准组轻骨料混凝土提高了14.9%和6.2%;当玻璃纤维增加到1.2 kg/m3时,其抗压强度比基准组轻骨料混凝土降低了12.7%。说明玻璃纤维的掺量并不是越多越好,而是有一个最佳掺量范围。

由表5还可以看出,随着养护龄期的增加,玻璃纤维轻骨料混凝土的强度整体呈现增长的趋势。玻璃纤维掺量为0.5和0.9 kg/m3时,随龄期的增加,轻骨料混凝土的抗压强度增幅较大。玻璃纤维掺量为0和1.2 kg/m3时,随着龄期的增加,轻骨料混凝土的抗压强度的增长较平缓。当试件达到7 d龄期时,玻璃纤维轻骨料混凝土强度已经达到28 d极限抗压强度的68%以上。在90 d时,玻璃纤维掺量为0.5 kg/m3的轻骨料混凝土的强度增加最为明显,养护时间的延长并没有减弱其强度的增长,说明玻璃纤维掺量为0.5 kg/m3的轻骨料混凝土比较密实,玻璃纤维掺量较为合理,为试验所得最佳掺量。玻璃纤维掺量为1.2 kg/m3的轻骨料混凝土的抗压强度低于基准组混凝土的强度,原因是纤维在混凝土中以三维乱向均匀分布为主,同时纤维也是一种非极性憎水材料,分散性能较差,纤维掺量增多容易导致纤维成团,影响纤维在混凝土中的均匀分布;同时,纤维与砂浆之间的粘结情况对混凝土的强度影响也很大[6]。大量玻璃纤维的掺入将增加玻璃纤维的表面积,但是水泥浆体的质量不变,因而造成水泥浆对纤维的包裹不足,影响两者的粘结效果,从而影响其强度。

2.2 玻璃纤维轻骨料混凝土的劈裂及抗折强度(见表6)

由表6可见,随着玻璃纤维掺量的增加,轻骨料混凝土的劈裂强度先提高后降低,在掺量为0.5 kg/m3时劈裂强度最大。玻璃纤维掺量分别为0.5、0.9 kg/m3的轻骨料混凝土3 d劈裂强度比基准组轻骨料混凝土提高了39.9%和44.6%,28 d劈裂强度比基准组轻骨料混凝土提高了21.9%和5.3%。这说明玻璃纤维对轻骨料混凝土早期劈裂强度的影响更为明显。

由表6还可以看出,玻璃纤维掺量分别为0.5、0.9、1.2kg/m3的轻骨料混凝土28 d抗折强度比基准组轻骨料混凝土提高了44.3%、41.4%和15.1%。

玻璃纤维的掺入提高了轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂强度及抗折强度,其中劈裂强度和抗折强度提高的幅度比抗压强度大,其原因是纤维具有良好的延性,极限变形值大,当混凝土开裂时,纤维跨接在裂纹的表面,阻止裂纹的迅速扩展,因而劈裂和抗折强度有所提高。

2.3 玻璃纤维轻骨料混凝土抗压应力-应变关系曲线(见图1)

由图1可知,不同掺量玻璃纤维轻骨料混凝土的应力-应变曲线形状类似,当压应力为0~0.6σmax(图中箭头所示)时,应力-应变曲线呈线性递增,当应力为0.6σmax~1.0σmax时,应力-应变关系开始非线性递长,达到峰值应力后,曲线随之下降;当应力为峰值的40%左右时,曲线趋于水平[7]。与基准轻骨料混凝土相比,玻璃纤维轻骨料混凝土的应力-应变关系曲线直线段较长。由于轻骨料混凝土中含有玻璃纤维,可在混凝土的内部形成致密的结构,在很大程度上消除了过渡区的不均衡性,改善了混凝土的结构,使玻璃纤维轻骨料混凝土的界面粘结强度有所提高,从而有效地提高了混凝土的韧性[8,9]。

玻璃纤维的加入,使得应力-应变曲线的下降段更加平缓规则,更具有延展性,增加了玻璃纤维轻骨料混凝土的压缩变形能力[9]。同时在试验过程中发现,未掺玻璃纤维的轻骨料混凝土试件从出现裂缝到完全破坏过程很短暂,中间没有缓冲过程,属于明显的脆性破坏。而掺加玻璃纤维后,破坏过程相对缓慢,中间有明显的缓冲过程,从裂缝里可以看到细丝状的纤维贯穿于轻骨料混凝土中,混凝土试件显示出塑性破坏的特征。未掺玻璃纤维的轻骨料混凝土力学性能要优于玻璃纤维掺量为1.2 kg/m3的轻骨料混凝土,由于掺入的纤维过多,导致纤维在混凝土中成团,分散不均匀,以致影响到轻骨料混凝土的工作性能。

2.4 玻璃纤维轻骨料混凝土破坏后的

纤维-浆体界面(见图2)

由图2可见,玻璃纤维掺量为0.5 kg/m3的轻骨料混凝土破坏后,纤维发生断裂,表明了玻璃纤维在混凝土受力变形过程中的作用,破坏面向内部扩展,因此导致玻璃纤维脱粘或断裂,由此也就增加了轻骨料混凝土界面的抗剪性能。图2(a)中,2根纤维并列在一起,纤维在混凝土分散不均匀,导致纤维与基体之间的粘结非常薄弱,由纤维的难分散性导致纤维掺量越多,这种情况越明显。从图2(b)中可以清楚的看出纤维与水泥结合较好,纤维与基体界面过渡区较小,只是在图2(b)中,纤维与基体交界处有明显的裂纹,这是纤维在抵抗外力时与浆体共同作用的结果。同时纤维表面有些扭曲,可见在混凝土中纤维与混凝土基体之间的相互作用比较强烈,以致在混凝土表面形成了扭曲和不平整的外观[10]。

图2中,轻骨料混凝土试件的破坏面处不见明显孔隙,说明玻璃纤维在最佳掺量下,不会导致混凝土内部细小气孔的增加。若纤维掺量过多,由于纤维与纤维之间的孔隙及纤维与浆体的接触不够紧密,会导致试件在成型过程中引入大量空气,造成试件表面出现大量的蜂窝状气孔,混凝土试件的密实程度下降,随着龄期的增长,试件内水分的蒸发,混凝土强度下降。

3 结语

(1)在轻骨料混凝土中掺加玻璃纤维可对拌合物起到套箍的作用,同时降低轻集料的沉降和混凝土表面的析水,减小轻骨料混凝土拌合物表面的分层离析程度,提高混凝土粘聚性。

(2)玻璃纤维掺量是影响纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的重要因素,在0~0.5 kg/m3内,掺量越大其劈裂强度越大。无论是玻璃纤维轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂强度,还是抗折强度,玻璃纤维的最佳掺量均为0.5 kg/m3。

(3)玻璃纤维轻骨料混凝土的强度与养护龄期的关系,符合一般混凝土的龄期对混凝土强度影响的规律。玻璃纤维掺量合理的条件下,养护龄期越长,轻骨料混凝土强度越高。

(4)从微观结构上看,纤维的掺量直接影响混凝土内部结构的致密程度,在最佳掺量下,混凝土较为密实,混凝土的强度发育最佳。

参考文献

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钢纤维轻骨料混凝土 第5篇

1 试验用原材料

1.1 水泥

河北省唐山冀东水泥厂生产的盾石牌42.5 普通硅酸盐水泥 (P.0) , 主要性能见表1。

1.2 砂子

阜新市他本镇他本河中砂, 细度模数为2.98, 堆积密度为1 550 kg/m3, 及配合格。

1.3 聚丙烯纤维

江苏省射阳县强力纤维有限公司生产的聚丙烯纤维, 技术参数见表2。

1.4 外加剂

上海花王化学有限公司生产的“迈地”早强高效纯萘系减水剂, 掺量为水泥用量的0.3%~1.0%, 减水率可达15%~35%, 在保持水泥用量和水灰比不变的情况下, 可提高塌落度15~20 cm。

1.5 水

自来水, 符合规范对水质的要求, 即《混凝土拌合用水标准》 (JGJ63-89) 规定。

1.6 煤矸石

阜新高德矿自燃煤矸石, 主要化学成份见表3, 主要物理指标见表4、表5。

2 影响因素变化范围的确定

本试验采用均匀设计安排试验[3]。 选定水泥、水、砂率、Y型聚丙烯纤维含量、减水剂等5 个影响因素。安排10 组试验, 试验选用均匀设计表的使用表S=5, 均匀度偏差D=0.2 414。 试验选用水泥范围是490~535 kg/m3, 用水范围是165~210 kg/m3;砂率是36%~45%, 混凝土中掺入0.9 kg/m3的聚丙烯纤维最佳, 所以在保证纤维总量不变的情况下, 取Y型和圆型聚丙烯纤维总含量的范围是0.0~0.9 kg/m3 (通过掺加不同掺量、不同截面纤维, 达到增强﹑增韧的目的) 。 减水剂掺量范围是1.0~2.0 kg/m3。

随着荷载的增加, 当纤维混凝土的裂缝扩展通过纤维增强效应区时, 裂缝将受到纤维的阻挡而缓慢发展或改变方向绕过纤维而在另一个较易通过的区域内通过, 然后又被其它纤维阻挡。与此同时, 开裂区的纤维将提供拉拔阻力, 阻止裂缝张开。 由于纤维乱向分布的特点, 使这种开裂和阻裂也是乱向的, 这样就增加了裂缝开裂路径的曲折性, 使纤维混凝土材料在荷载作用下表现为裂缝缓慢的增长。 由于裂缝缓慢增长的结果, 混凝土中扩展延伸裂缝所需的能量随裂缝延伸而增加直至能量达到临界值而发生裂缝快速扩展而断裂, 使整个破坏过程延缓, 改善了混凝土的脆性。 而微裂缝的扩展速度对抗拉强度的影响远大于对抗压强度的影响。

因此, 纤维的掺入大幅度提高了混凝土的抗拉性能进而提高了混凝土的韧性, 减缓了混凝土脆性破坏的过程。

实验室实验的配合比见表6, 劈裂抗拉强度结果见表7。

Mpa

3 结论

当水泥∶水∶砂子∶煤矸石∶Y型聚丙烯纤维∶圆型聚丙烯纤维∶外加剂∶附加水的配合比为505∶165∶693∶831∶0.8∶0.1∶1.222∶71 时, 可配制出28 d劈拉强度为3.21 MPa的聚丙烯纤维自燃煤矸石轻骨料混凝土。

参考文献

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轻骨料混凝土的配制研究 第6篇

关键词：轻骨料混凝土,复合掺合料,增粘剂

0 引言

随着现代技术的发展和混凝土技术的进步, 超高层及大跨建筑不断的出现, 人们对于混凝土的要求也越来越高, 由于普通混凝土的自重大, 对于结构设计带来一定的浪费, 轻质混凝土的出现, 可以大大降低建筑自重, 进而节约成本、节省资源。当前美国、日本等国已实现了轻骨料混凝土的大量应用, 我国也在大力推进轻骨料混凝土研究, 未来必将得到广泛应用。轻骨料混凝土是一种多功能材料, 相同条件下可减少混凝土自重20%~40%, 利用轻质高强混凝土的建筑物可以取得良好的经济效益[1,2]。但是在轻质混凝土中由于轻骨料的表观密度小于浆体的密度, 使得混凝土在搅拌震动以后容易出现骨料上浮现象, 造成混凝土分层离析[3]。轻骨料混凝土分层离析的程度和混凝土的粘性、骨料粒径、骨料和混凝土的密度差有关[4]。本文通过采用复合掺合料、添加增粘剂、控制骨料粒径及采用特制预湿溶液等措施, 成功的研制出工作性良好, 强度合格的LC30混凝土。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥:冀东P.O42.5普通硅酸盐水泥。矿渣粉:采用北京生产的S95级矿渣粉, 比表面积为470 m2/kg, 密度2.89 g/cm3。粉煤灰:采用Ⅱ级灰, 比表面积为400 m2/kg, 密度2.2 g/cm3。粗骨料:5 mm~20 mm碎石型页岩陶粒, 堆积密度836 kg/m3, 吸水率3.9%, 筒压强度5.5 MPa。细骨料:采用页岩轻质砂, 细度模数2.9, 堆积密度893 kg/m3, 吸水率4.2%。外加剂:西卡聚羧酸高效减水剂, 固含量15%。增粘剂:自配复合增粘剂, 提高混凝土粘度和工作性。

1.2 试验方法

以坍落度、扩展度、表观密度和抗压强度为指标对轻集料混凝土工作性能和物理力学性能进行评价。

坍落度和扩展度按照GB/T 50080—2011普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行测试;轻骨料混凝土的表观密度和抗压强度按照JGJ 51—2002轻骨料混凝土技术规程进行测试。

2 试验结果和讨论

为了更好的研究各个因素对混凝土性能的影响, 试验采用0.40的水胶比, 胶凝材料用量为450 kg/m3, 减水剂掺量为1.3%, 砂率为41%。为了使得实验结果更加的准确, 试验进行了骨料的预处理工作和搅拌工艺的选择。

2.1 骨料的预处理及工艺选择

通过对轻骨料的大量预湿处理实验, 我们最终选择以水泥、粉煤灰作胶凝材料, 水胶比为5∶1的预湿溶液, 将骨料在预湿溶液中进行特定的浸泡处理, 降低骨料的吸附作用, 以及减少骨料和胶凝体系之间的密度差, 降低混凝土的分层度。

在进行搅拌工艺选择时, 为防止预处理的骨料对减水剂的吸附, 可采用先加入骨料和40%的水, 搅拌40 s, 后续加入胶凝材料和剩余的水, 最后加入外加剂, 这种方法可以充分发挥外加剂的作用, 使所配混凝土具有优异的和易性能。

2.2 矿物掺合料对LC30轻骨料混凝土性能的影响

为了研究粉煤灰和矿渣粉对LC30的作用, 试验中设定了如表1所示比例。试验中, 检测了混凝土的工作性 (流动度/扩展度) , 坍落度7 d, 28 d强度, 干表观密度, 以及混凝土的分层度, 试验结果如表2所示。

由表2可以知道, 所配制混凝土干表观密度能够达到1 700 kg/m3级别, 能够满足轻骨料混凝土要求, 且随着粉煤灰掺量增加, 密度逐渐降低。单掺粉煤灰 (40%) 可以提高混凝土的工作性, 分层度也有一定程度的降低, 这是因为粉煤灰的填充效应和滚珠效应使得混凝土流动性改善, 但是粉煤灰的掺入使得混凝土抗压强度降低, 为此应调整粉煤灰的掺量。当粉煤灰和矿渣复掺时, 可以明显的改善混凝土的工作性和分层度, 而且相比于对照组, 复掺以后的强度并没有明显降低。这是因为粉煤灰和矿渣复掺以后, 发挥了叠加效应, 提高了混凝土的综合性能。在本试验中, 当矿渣掺量为25%, 粉煤灰为15%时, 混凝土性能最佳。

2.3 增粘剂对LC30轻质混凝土性能的影响

为了进一步改善LC30混凝土的工作性和匀质性, 改善轻质混凝土的分层问题, 实验研究了复配增粘剂对LC30混凝土性能的影响。胶凝材料组成为:胶材总量460 kg/m3, 水泥60%, 粉煤灰15%, 矿渣25%, 减水剂2%。试验结果如表3所示。

从表3可以看出, 随着复配增粘剂的增加, LC30混凝土的流动度增大, 分层度降低, 混凝土不离析、不泌水, 一方面是因为增粘剂的加入引入了一定的含气量, 这些气泡很小, 起到了滚珠润滑的作用。另一方面, 增粘剂可以提高混凝土的保水性[5], 增加了浆体的粘度, 提高了浆体对骨料的包裹能力, 改善了混凝土的工作性。从表3还可以看出增粘剂虽然对早期强度略有降低, 这是由于增粘剂的加入, 增加了混凝土拌合物的含气量, 一定程度上降低了其早期强度, 但是对其28 d强度影响不大。综合考虑工作性和强度因素, 试验适宜的增粘剂掺量为0.6%。

3 结语

1) 经特定预湿处理的轻骨料, 按一定搅拌工艺配制的轻质混凝土, 干表观密度可达到1 650 kg/m3级别, 满足清混凝土要求。

2) 矿物掺合料影响着LC30混凝土的工作性能和强度, 本试验中矿物掺合料宜选用25%矿渣, 15%粉煤灰取代水泥用量。

3) 自制复配增粘剂可以改善混凝土的粘度和保水性, 增加混凝土的可泵性能, 本试验中宜采用0.6%的增粘剂作为添加剂。

参考文献

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[4]陈岩.高强轻骨料混凝土配合比设计及性能研究[D].长春:吉林大学, 2007.

轻骨料混凝土的研究现状与展望 第7篇

轻骨料混凝土 (又名轻集料混凝土, Ligh Weight Aggregate Concrete) 是指用轻粗骨料、轻细骨料 (或普通砂) 、水泥和水, 必要时加入化学外加剂的矿物掺合料配制而成, 并且在标准养护条件下, 28 d龄期的干表观密度<1950 kg/m3的混凝土。它的容重一般只有800kg/m3~1800kg/m3, 抗压强度l0MPa~30MPa, 导热系数0.208 W/ (m·K~0.42W/ (m·K) , 与普通混凝土相比, 重量减轻

20%~40%。

随着建筑技术的日新月异, 建筑正朝着高层、大跨度的方向发展, 而普通混凝土自重大的缺点也日益凸显, 解决的途径一是提高普通混凝土的强度, 二是发展和生产轻骨料混凝土。轻骨料混凝土除了轻质的特性以外, 其保温隔热、耐火、隔音及抗震等性能也是普通混凝土所无法比拟的;在对建筑节能环保要求不断增加的21世纪, 轻骨料混凝土有着广阔的发展前景。因此, 越来越多的国内外学者们把目光投向了轻骨料混凝土。

2 轻骨料混凝土的应用研究现状

2.1 国外的应用研究现状

美国早在1913年就研制成功了页岩陶粒 (国外又称膨胀页岩) , 很快就用它配制成抗压强度为30MPa~35MPa的轻集料混凝土, 并应用在了房屋建筑、船舶制造和桥梁工程中。20世纪60年代中期, 美国采用轻骨料混凝土取代普通混凝土, 修建了52层218米高的休斯顿贝壳广场大厦, 所用轻骨料混凝土的干表观密度为1840 kg/m3, 抗压强度32~42MPa, 取得了显著的技术经济效益。2001美国在California用轻骨料混凝土建成的Benicia-Martinez桥, 该桥总长2716米, 最大跨度200米, 所用轻骨料混凝土28天抗压强度为45MPa, 干表观密度1920kg/m3。1993年以来, 美国每年轻骨料使用量都在350~415万m3, 其中用于结构混凝土部分在80万m3左右。

20世纪90年代初期, 挪威、日本等国家研究了高性能轻骨料混凝土的配方、生产工艺、高性能轻骨料等, 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CL60级轻骨料混凝土建造了世界上跨度最大的悬臂桥;日本则在1998年成立了一个由18家公司组成的高强轻骨料混凝土研究委员会, 专门研究粉煤灰轻骨料混凝土。

如今, 国外发达国家高性能轻骨料混凝土的应用已取得了丰富的经验。CL50~CL60轻骨料混凝土已在工程中大量使用, 结构轻骨料混凝土的抗压强度最高为80MPa, 其表观密度在1800~2000kg/m3之间。

2.2 国内的应用研究现状

我国的轻骨料混凝土的研究始于20世纪50年代, 以陶粒混凝土的研制居多, 沸石和煤矸石等轻骨料混凝土产量较少。先后研制成粘土陶粒、页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒等人造轻骨料。我国轻骨料混凝土在承重结构中的应用与发展始于60年代初期;1960年在河南平顶山建成了第一座轻骨料混凝土大桥-洛河大桥, 此后在其他桥梁上也部分应用了轻骨料混凝土。到了90年代初期, 由于我国的轻骨料质量较差, 以粉煤灰为主的其它品种陶粒的质量不尽人意, 所配制的结构用轻骨料混凝土的表观密度一般为1800~1950kg/m3, 抗压强度为5.0~25MPa, 即密度较大, 而强度偏低, 轻骨料混凝土主要用作一些非承重结构, 而很少用于结构工程。同时由于造价原因, 在非结构工程中的应用经济效益不显著, 使其应用和发展受到一定的限制。直到20世纪90年代中后期, 在国内外轻骨料混凝土技术迅速发展的推动下, 我国高强轻骨料混凝土的研究和应用开始出现了新的转机, 高强轻骨料的生产已形成一定的规模。在此背景下, 轻骨料混凝土又开始在高层建筑和桥梁工程中获得应用。如珠海国际会议中心采用了LC30泵送轻骨料混凝土, 武汉证券大厦64~68层楼板使用了LC35轻骨料混凝土, 云南建工医院主体结构使用LC40轻骨料混凝土, 天津永定新河大桥引桥应用了预应力LC40高强轻骨料混凝土, 京珠高速公路湖北段蔡甸汉江大桥桥面使用了LC40泵送纤维增强轻骨料混凝土。

目前, 我国轻集料混凝土的应用仍主要用于低强度的非承重结构, 如生产小砌块。在高层建筑和大跨度的桥梁中应用与国外相比还很少, 虽然现在也能配制出抗压强度达70MPa的结构轻集料混凝土, 但在工程中实际只用到LC40。在桥梁工程中的应用近几年虽有所突破, 但最大跨度仅达35m。全用轻集料混凝土的工程 (包括桥梁、桥面板、承台、桥墩、基础) 和在旧桥改造 (修复、加固、加宽等中应用仍然很少。在采油平台、水上漂浮物、船坞等特殊工程中应用更未见报导。高强轻集料新品种、高性能轻集料的研制和应用进展缓慢。在工程施工中, 混凝土的浇灌技术, 南京等地成功的尝试泵送施工, 但大量轻集料混凝土仍采用常规的方法, 泵送混凝土技术应用很少, 尚未能适应现代化施工的要求, 与发达国家仍有不小的差距。

3 轻骨料混凝土的特点

3.1 轻骨料混凝土组成结构特点

轻集料混凝土的组成除用轻集料代替普通混凝土的天然岩石集料外, 其余材料组成与普通混凝土基本相同。而轻集料对混凝土主要性能的影响与普通集料对混凝土主要性能的影响有许多相同之处, 但轻集料与普通集料的不同点主要是质轻、内部具有高度的多孔性、在水泥浆中具有吸水放水的作用, 本身强度低, 弹性模量低。轻集料多孔性使轻集料混凝土内部结构发生了以下变化:

(1) 轻集料与水泥石界面层致密, 缺陷减少:轻集料吸收水泥中水分, 使界面区水灰比降低, 硬化水泥石密实度增加;轻集料中预湿吸收的水随水泥水化进程不断释放出来, 补充水泥水化用水, 进一步提高了界面区结构密实性;轻集料早期吸水, 使普通集料表面常见的水囊在轻集料混凝土中消失, 减少了界面缺陷;吸入轻集料表面开放孔中的水泥浆的锚固作用, 提高了界面强度。

(2) 轻集料混凝土中孔含量增加:轻集料中孔的存在, 可以有效的缓解冻涨、碱集料反应等膨胀作用。

(3) 水泥石内受返水的养护作用, 使水泥水化度提高, 水泥石孔隙率降低、孔径小:返水作用减少早期的开裂, 且随轻集料预湿程度的提高, 养护龄期延长, 水泥石结构变化愈明显。

3.2 轻骨料混凝土的性能特点

与普通混凝土比较轻集料混凝土具有如下独特的性能特点:

(1) 比强度高:40MPa~50MPa的轻集料混凝土体积密度可保持在1700kg/m3~1900kg/m3, 比普通混凝土轻1/5左右。

(2) 具有隔热、保温、保湿功能:体积密度为1750kg/m3的轻集料混凝土的导热系数大大低于普通密度混凝土的导热系数, 因此从建筑节能方面考虑, 采用轻集料混凝土作墙体材料, 较传统的实心粘士砖或普通混凝土可节能约30%~50%。

(3) 耐火性好:耐火能力是普通混凝土的4倍。在650℃高温下, 轻集料混凝土能维持室温时强度的85%, 而普通混凝土只能维持35%~75%。

(4) 抗震性能好:其构筑物在地震荷载下对冲击波能量吸收快, 减震效果好。陶粒混凝土相对抗震系数为109, 普通混凝土为84, 砖砌体为64。

(5) 耐久性好:HPLC具有与高性能普通密度混凝土相当的耐久性。如50MPa~100MPa的高强轻集料混凝土具有非常低的渗透性和良好的抗冻性。Holm等人把轻集料混凝土的高抗渗性归结于轻集料与水泥石之间优良的界面以及混凝土整体结构更加均匀等原因;同时, 轻集料的多孔性可以缓解水结冰而产生的膨胀应力, 使得HPLC具有良好的抗冻性。

(6) 抗裂性好:同普通混凝土相比, 轻集料混凝土的热膨胀系数和弹性模量小, 使得由于冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小;同时, 轻集料具有自养护作用, 可减少轻集料混凝土的开裂, 这对改善结构的耐久性是十分有利的。

(7) 无碱-集料效应:轻集料中虽然都含有活性成分, 但至今尚未见到有关轻集料混凝土由于碱集料反应造成破坏的报道。

(8) 综合经济效益好:尽管轻骨料自身的价格比普通石子贵, 导致轻骨料混凝土的单方造价高于同强度等级的普通混凝土, 但是由于其减轻了结构自重, 缩小断面尺寸, 增加使用面积, 降低基础荷载而具有显著的综合经济效益。采用陶粒混凝土建造高楼, 可降低建筑物自重30%~40%, 减少劳动强度20%, 减少材料运输重量30%~40%, 降低工程造价10%。尤其用于桥梁及高层、大跨结构或旧桥的维修加固工程会产生更大的经济效益。

4 轻骨料混凝土应用研究中的主要问题

人们对轻骨料混凝土的力学性能和耐久性的研究已经积累了一定的经验, 但是对工作性的研究大部分还停留在认识阶段, 对工作性尤其是匀质性的认识和研究还很肤浅, 而工作性中存在很多问题, 因此工作性的研究工作就显得很紧迫。

4.1 可泵性差

轻骨料混凝土工作性差使其很难满足现代施工的技术要求, 由此在较大程度上限制了其应用。轻骨料混凝土工作性差主要表现在:干燥陶粒吸水会导致混凝土拌和物的坍落度很快损失, 吸水率越大, 坍落度损失越快, 而且由于轻骨料和水泥砂浆的密度差大, 易分层离析等。这是由轻骨料自身的性能特点所决定的, 也正是配制高性能轻骨料混凝土的技术难点所在。

另外轻骨料混凝土的可泵性特别差。一方面, 在泵压作用下轻集料的吸水率相对常压吸水率增加较大, 容易导致混凝土流动度很快降低和堵泵。另一方面, 在当混凝土流出泵管后, 由于泵送压力的突然释放, 轻集料内的水分又会随着压力的突然释放而“泵出”, 泵出的水将冲刷集料与水泥浆的过渡带, 破坏轻骨料与水泥石的粘结, 进而导致混凝土力学性能的降低和耐久性变差。

美国、挪威、英国和日本等国家在泵送轻集料混凝土的研究方面取得了一定的进展, 并进行了一些工程试用。例如, 美国、英国主要使用预湿轻集料进行结构轻集料混凝土的泵送施工, 预湿程度达到20%以上, 1982年美国将就采用这种方法强度为21MPa的泵送膨胀粘土结构轻集料混凝土用于75层、305m高的德克萨斯商业大厦。但是无论是在美国, 还是在欧洲, 轻集料混凝土泵送施工易分层离析、堵泵的技术难题都还没有得到有效解决, 目前仍然在结合非结构轻集料混凝土工程进行一些探索性实验。欧洲一些国家采取集料常压预湿处理、加压预湿、沸煮预湿等探索, 部分工程中有应用。总的来说, 研制具有良好工作性与可泵性的高性能轻集料混凝土仍然是本领域研究的一个难点与重点。

4.2 轻骨料的上浮

轻骨料上浮现象一直是轻集料混凝土领域内公认的难题之一, 国内外都十分关注这一问题。G C.Hoff, R.Elimov研究发现引气对泵送非常有利, 因此在混凝土泵送施工中常加入引气剂。欧洲在非结构轻集料混凝土的泵送施工中也积累了一定经验, 使用稳定剂和高效减水剂获得可泵性, 泵送距离为20m~80m。美国、英国主要对集料进行预湿处理, 减小其在水泥砂浆中的吸水量, 实现泵送施工 (集料含水率一般为6%~8%) 。而日本主要使用吸水率小于3%的轻集料, 不经预湿处理配制出28d强度80MPa、干表观密度小于2100kg/m3的高强泵送混凝土。

我国对这一热点问题也进行了大量研究, 取得了一些成果, 有些已应用于工程。有文献采用1h吸水率为9.2%的陶粒, 运用浸渍处理的方法使陶粒表面粘附憎水溶液, 使吸水率明显降低, 1h吸水率只有未处理的15%, 明显改善了工作性而且强度并未降低, 还有文献采用1h吸水率为6%的页岩陶粒, 掺入适量的粉煤灰配制出强度等级为LC30~LC40, 表观密度为1700kg/m3~1900kg/m3, 压力泌水率小于40%的混凝土, 又有应用高效减水剂和矿物掺和料复合技术配制和生产出坍落度大于240mm、扩展度达到650mm以上的LC60~LC80高强普通密度混凝土。但是, 目前还缺少准确评定轻集料混凝土工作性的方法, 如何全面评价工作性尚无定论。

5 轻骨料混凝土的展望

轻骨料混凝土未来主要的发展方向是轻质、高强、节能等;其也会越来越多应用到结构承重部位, 而不再仅仅局限于非承重结构。

5.1 高强高耐久性轻骨料混凝土

高强、高耐久性的轻骨料混凝土将会越来越多地用于高层建筑、大跨桥梁、隧道以及海洋工程中。挪威已在北海石油平台用混凝土的研究制备出一种高强轻骨料混凝土, 其28d抗压强度为50MPa~100MPa, 而干表观密度不到1865kg/m3。

5.2 用废弃物生产轻骨料

研究显示, 可用的废弃物包括:污水处理厂淤泥煅烧所得的粉煤灰、垃圾焚烧所得的粉煤灰、浮石细粉、污染港口、河流和隧道所挖淤泥、采石场石粉、回收混凝土所产生的石粉、水处理工厂的淤泥。上述废弃物采用烧结法均可以生产出合格的轻骨料, 并可以极大地降低陶粒的生产成本, 有条件的企业和地区可以综合利用进行开发。

5.3 超轻骨料混凝土

德国采用废玻璃制造的膨胀玻璃轻骨料, 配制出干燥密度80kg/m3~1200kg/m3, 28d强度6MPa~25MPa的超轻骨料混凝土, 特别适合于生产预制隔墙板。日本则采用一种膨胀页岩轻骨料生产干燥密度1400kg/m3的预制混凝土隔墙板, 并已实际使用了约20000 m3。

总之, 轻骨料混凝土无论在组成、结构还是性能方面, 与普通混凝土相比, 都有很大的不同, 还需要进行大量的试验研究和理论分析。但轻骨料混凝土由于其独特的优点, 使人们对它的研究逐渐增多, 应用日渐广泛, 必将有更加广阔的发展前景。

摘要：轻骨料混凝土除了轻质的特性外、其保温隔热、耐火、隔音及抗震等性能也是普通混凝所土无法比拟的;在高层、大跨度结构不断发展的今天, 在对建筑节能环保要求不断增加的21世纪, 轻骨料混凝土有着广阔的发展机遇和前景。

关键词：轻骨料混凝土,陶粒混凝土,页岩陶粒,高强

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[5]喻晓, 高强页岩陶粒制备及其混凝土性能研究: (硕士学位论文) [D], 重庆大学, 2004.5。

[6]程智清, 高性能页岩轻集料混凝土试验研究: (硕士学位论文) [D], 中南大学, 2007.5。

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[10]林常青, 杨进东, 姜涵, 重庆地区页岩陶粒及陶粒混凝土发展前景初探[J], 重庆建筑, 2003, (4) :49-51.

轻骨料混凝土破坏准则研究进展 第8篇

自20 世纪初人造轻骨料问世以来, 轻骨料混凝土因重度小、保温隔热与隔音性能优越等特点, 在各国均得到了广泛发展与应用, 当前在混凝土材料中其用量已位居第二, 仅次于普通混凝土。

随着仿真软件在工程中的推广运用, 对轻骨料混凝土结构的数值模拟分析成为了必然需求, 而建立完善的破坏准则与模型是进行数值计算的必要前提, 因此对轻骨料混凝土破坏准则的研究是一项不可或缺的基础性工作。

1 轻骨料混凝土的破坏特征

宋玉普等人[1]对轻骨料混凝土的试验研究表明, 在三轴高围压条件下, 其会发生平台流塑现象。这是由于在砂浆骨架破坏后, 轻骨料不能像粗骨料一样继续承担更大荷载, 其内部已形成不可恢复的损伤, 在三向围压作用下产生了较大的压缩变形, 即为平台流塑现象。虽然轻骨料因挤压而密实, 应力应变曲线呈强化趋势, 但由于此时骨料大部分已破坏且内部结构亦发生了不可逆的变化, 因此将平台流塑应力作为轻骨料混凝土在三向轴压下的极限强度较为合理。相比普通混凝土开口的破坏曲面, 轻骨料混凝土的破坏曲面为闭合的, 拉伸与压缩子午线相交, 并且该曲面与静水应力轴分别相交于三轴等压和等拉极限强度点, 如图1所示。由上述可知, 已有的普通混凝土破坏准则并不能描述轻骨料混凝土的破坏特征, 所以国内的学者相继提出了一些针对性的破坏准则。

2 轻骨料混凝土破坏准则

2. 1 四参数破坏准则

宋玉普、王立成等研究者在进行大量试验和理论分析后提出了四参数多轴强度准则[2]。为使偏平面上的破坏包线对称、光滑且外凸, 其采用Willam-Warnke模型中的椭圆曲线。拉、压子午线采用二次抛物线形式, 由于破坏曲面与静水应力轴交于两点, 则两条抛物线亦与横坐标 ξ 有两个共同的交点, 其表示为:

其中, a0, a1, a2和k均为参数。

显而易见, 破坏曲面可由子午线与偏平面上的椭圆曲线来描述。从而, 只需确定未知参量便可以建立破坏曲面的数学表达式。通过对比分析, 四参数准则能够较好地吻合大连理工大学的试验数据。

该准则的特点是拉、压子午线采用由四个参数确定的二次抛物线形式, 其与坐标轴相交于两点, 这符合轻骨料混凝土破坏曲面为闭合的特征。

2. 2 基于统一强度理论的破坏准则

王立成等学者基于统一强度理论, 同时考虑轻骨料混凝土在多轴压条件下的破坏特征, 提出了相应的多轴强度准则[3]。

统一强度理论以图2 所示正交八面体双剪单元体为研究对象, 考虑了中间主应力 σ2的作用, 克服了摩尔—库仑准则仅考虑最大主剪应力的缺陷[4,5,6]。中间主剪应力通过权重系数b ( 0 ~ 1) 调整, 如图3 所示, 可以涵盖偏平面上位于两个界限六边形间的所有曲线。

由统一强度理论得到拉、压子午线的表达式为:

其中, m0, m1, m2及n0, n1, n2均为待定系数。

采用特征应力点法, 即选取几个特征应力点, 如单轴拉、单轴压、双轴等压以及拉压缩子午线的两个交点, 便可推导出拉、压子午线的数学表达式。而在两者间的破坏曲面可通过对子午线方程进行插值计算得到。

该破坏准则所得的数学表达式, 能够较好地体现轻骨料混凝土在多轴压条件下特殊的破坏形态, 其物理力学概念清晰, 方程较为简单, 方便运用。

2. 3 椭圆曲线的破坏准则

王万祯[7]将金属断裂准则中椭圆形断裂面的坐标系向静水压力轴拉端平移, 且使得拉伸与压缩子午线顶点处于不同高度, 从而形成了子午线与包络曲线均为椭圆曲线的破坏准则, 如图4所示。

通过对椭圆断裂面的修正, 得到轻骨料混凝土拉、压子午线表达式为:

方程中的未知量 α, β, fttt和fccc可以通过两条子午线上的特征应力点确定。

该准则的子午线与破坏包线均为椭圆曲线, 实现了函数类型上的统一, 同时使得子午线上各点导数均连续, 曲线光滑, 因此具有较高的理论与实用价值。

2. 4 蛋形破坏面模型

考虑到轻骨料混凝土是岩土类材料, 其破坏面应具有相应类似的特征, 王万祯等人借鉴任放等研究者[8]提出的岩土类材料的蛋形破坏准则, 用以描述轻骨料混凝土的破坏特性[9]。

蛋形屈服函数表达式为:

蛋形屈服面上拉、压子午线具有很好的特性, 其上处处连续且光滑, 退可化为椭圆, 进可化为顶角光滑的曲边三角形, 如图5所示。

π 平面上的形状函数g ( θ) 确定时, 式 ( 7) 便可作为子午面的曲线方程, 其展开为:

将式 ( 8) 用于描述破坏面上的拉、压子午线方程分别如下:

其中, a0, a1, a2, a3, a4和k均为待定参数。

采用最小二乘法进行回归分析, 即可得到上述方程参数。经验证, 方程与试验结果吻合较好, 能较好地描述轻骨料混凝土在各种应力条件下的破坏特性。另外, 蛋形破坏面同样采用William-Warnke破坏模型中的椭圆曲线作为其破坏包线。

3 结语

轻骨料混凝土在三向高围压条件下会发生平台流塑现象, 其破坏曲面与静水压力轴交于两点, 为封闭的空间曲面。根据轻骨料混凝土的这一特性, 一些学者相继提出了具有针对性的破坏准则, 它们的共性如下:

1) 均具有清晰的物理力学概念, 并得出了多轴强度准则的数学表达式。

2) 均能够描述出轻骨料混凝土在三向高压应力状态下的破坏特征, 表现出了破坏曲面在静水应力轴压端趋向收缩的特点。

3) 拉、压子午线均考虑了材料抗拉强度与抗压强度不等的性质。

另外, 这些准则亦有各自特点。例如, 除基于统一强度理论破坏准则外, 其余均采用William-Warnke破坏模型中的椭圆曲线作为破坏包线方程; 椭圆曲线破坏准则与蛋形曲线破坏准则对应的破坏曲面不存在尖角, 处处光滑; 蛋形破坏准则考虑了子午线软化与硬化阶段并不对称的情况。

这些学者的研究为进一步建立完善的轻骨料混凝土多轴应力下的强度理论与破坏准则奠定了良好的基础。

参考文献

[1]宋玉普, 赵国藩, 彭放.三轴受压状态下轻骨料混凝土的强度特性[J].水利学报, 1993 (6) :10-16.

[2]王立成, 宋玉普.一个针对轻骨料混凝土的四参数多轴强度破坏准则[J].土木工程学报, 2005, 38 (7) :27-33.

[3]王立成, 日和田·希与志.基于统一强度理论的轻骨料混凝土多轴强度准则[J].工程力学, 2006, 23 (5) :125-131.

[4]俞茂宏, 曾文兵.工程结构分析新理论及其应用[J].工程力学, 1994, 11 (1) :9-20.

[5]俞茂宏.混凝土强度理论及其应用[M].北京:高等教育出版社, 2002.

[6]Yu Mao bong.Unified strength theory and its applications[M].Springer, Berlin, 2004.

[7]王万祯.轻骨料混凝土破坏准则[J].甘肃科学学报, 2008, 20 (1) :119-121.

[8]任放, 盛谦, 常燕庭.岩土类工程材料的蛋形屈服函数[J].岩土工程学报, 1993, 15 (4) :33-39.