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高强混凝土高强混凝土 高性能混凝土高性能混凝土轻质混凝土轻质混凝土纤维混凝土纤维混凝土第1页/共30页3.1 高强混凝土高强混凝土 混凝土强度等级C50以上的混凝土3.1.1 应用和制备应用和制备制备高强混凝土的途径一般有三类：u 1提高水泥的强度，加速其水化作用，增强混凝土的密实性u 2减小水灰比u 3便用各种聚台物作为胶结材料替代水泥第2页/共30页 制备高强混凝土的最现实、经济的途径是降低其水灰比。制备高强混凝土的最现实、经济的途径是降低其水灰比。国内外研制成多种高效减水剂，又称超塑性剂。它是表面活性剂，在搅拌混凝土时掺入，吸附在水泥颗粒的表面，使各颗粒相互排斥，保持分散状态，大大地提高水泥浆的流动性，使得很低水灰比配制的混凝土获得高坍落度。它又能促进水泥的水化作用，提高早期强度。还可在搅拌混凝土时掺加进粉煤灰、硅粉、F矿粉等颗粒细微的活性材料，以改善混凝土的和易性，提高强度，替代水泥，并降低造价。一般，这些掺合料需要和减水剂配合使用。第3页/共30页工程中应用的领域：u 高层建筑u 桥梁u 地下结构和隧道u 防护工事u 港口和海洋工程u 预应力结构第4页/共30页主要优点：u 抗压强度高u 缩小构件截面u 增大建筑的有效净空u 减轻结构自重u 早期强度高，加速施工进程u 材料密实，耐久性好，抗渗、抗冻、耐冲刷性能好u 总体造价不贵第5页/共30页注意问题：u 高强混凝土的塑性变形小；u 延性稍逊于普通混凝土，宜加强构造措施；u 沿用普通混凝土的构件计算公式将降低高强混凝土结构的安全度；u 施工管理和制配技术需严格控制，以确保结构的质量和安全度。第6页/共30页高性能混凝土（high performance concrete），是指具有高强度、高流动性和高耐久性的混凝土。由于至今尚未对高性能混凝土制定一致认可的、明确的定量指标，各研究人员仍有不同的观点。多数人强调以提高混凝土的强度和耐久性为主要目标，有些人则更重视混凝土施工时的流动性，甚至追求浇注混凝土的自流和免振，而仍能达到较高的密实性。第7页/共30页现今，配制高性能混凝土的最主要措施是：掺加足量的高效减水剂，降低水灰比和掺加超细活性矿物粉料;选用优质水泥，增加水泥用量和砂率；采用抗腐蚀性的优质粗细骨料，控制粒径和级配；改进施工工艺，强化搅拌、浇注、振捣和养护等。第8页/共30页3.1.2 基本力学性能基本力学性能高强混凝土本质上仍是混凝土，它的基本特性和一般性能规律与普通混凝土的一致。只是由于强度的范围扩大后，某些材性指标的外延带来较大的变化，逐渐产生明显的区别。高强混凝土立方体抗压强度的标准试验方法与普通混凝土的相同。但试件破坏更为突然，常伴随着脆裂的声响，且加载板对试件表面的摩擦约束作用较弱，试件常被劈成碎块剥落，形不成普通混凝土破坏时的正倒角锥形状。试件的形状和尺寸不同时，其抗压强度的相对比值也有别于普通混凝土。第9页/共30页高强混凝土棱柱体试验测得的应力应变全曲线。弹性极限：A点的应力随混凝土强度而提高，主要原因是高强混凝土的密实性好，骨料界面粘结强，内部微裂缝和缺陷少，只有在高应力下才促使微裂缝的扩展和延伸。内部裂缝开展：应力达此值后，可听到试件内部的劈裂声，混凝土的变形加速增长，但表面上仍未见裂缝。不久，即达混凝土的棱柱强度（C点），并随即应力下降，形成曲线上的尖峰。出现裂缝和开始剥落：应力过峰点后，裂缝迅速发展至表面可见，并发出劈裂声。随即出现表层片状剥落，剥落面大致平行于受力方向。应力很快下跌，而变形增加较少，形成陡峭的下降段。当表面裂缝发展并贯穿全截面时，曲线有最大曲率（正点）。此后，试件分割成小柱体，靠柱体间的咬合和摩擦支撑不大的残余应力，曲线缓慢地下降。破坏后的试件表面裂缝较少，破裂带窄；且试件常被劈裂成数块和片状碎块，断裂面上多有粗骨料被劈碎。主斜裂缝与应力垂直方向的夹角比普通混凝土的大。第10页/共30页高强混凝土的棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值一般为并随强度的提高而有所增大。其原因是高强混凝土性脆，立方试件承载端面摩阻约束的有利作用较小，立方强度比棱柱体强度的提高幅度小。我国设计规范对（）取用了偏低的数值，规定C50时取为0.76；C80时取为0.82；在C50C80之间按线性插值。第11页/共30页高强混凝土（C50）主要特征随着抗压强度的提高，混凝土的“脆性”增加。表现为：内部裂缝在很高应力水平下突然出现和发展，破坏过程急促，残余强度跌落快；应力应变全曲线的峰部尖锐，曲线下面积小，即吸能能力差，极限应变小；抗拉强度增加幅度小等。第12页/共30页高强混凝土（C50）与普通混凝土（C50）使用同类的基本原材料，材性的本质相同，力学性能指标互相衔接。如果对于强度全范围（例如由C15至C100）的混凝土进行性能统计、分析和回归，就可得到统一的规律和经验式。反之，若将局部强度范围（如C15C40）混凝土的试验结果和经验公式，外推至其它强度（如C50）混凝土，就可能带来不同程度的误差。第13页/共30页过去对混凝土的材料和结构性能的认识和分析，以及建立的相应计算公式，主要基于强度C40混凝土的试验结果，例如受弯构件的适筋和超筋的界限或平衡配筋率，大、小偏心受压构件破坏的界限和其承载力，极限状态的截面应力（变）图和等效矩形应力图的参数，构件的延性比，抗剪承载力，等等。如果将这些公式连同其中的参数值，直接用于高强混凝土结构的分析和设计，计算的误差将导致不安全的后果。有关规范明确告诫设计人员，当将有关公式应用于C50混凝土时应加慎重。第14页/共30页3.2 轻质混凝土轻质混凝土采用轻质混凝土（密度5001900kgm3）在承载力相同的条件下可减轻重量2040。轻质混凝土都是多孔性材料，导热系数和线膨胀系数都小于普通混凝土，热工性能较好，所建造结构的保温、抗高温和耐火极限等性能均明显超过普通混凝土结构。3.2.1 分类分类1.“匀质匀质”多孔性混凝土（多孔性混凝土（=500800 kgm3）2.轻骨料混凝土（轻骨料混凝土（=9001900 kg m3）第15页/共30页1.“匀质匀质”多孔性混凝土多孔性混凝土如加气混凝土，以水泥或石灰、粉煤灰作为主要胶结材料，掺人细砂或矿渣，加水后拌成料浆，同时掺人发气剂，在料浆内产生大量均匀、稳定的气孔（直径12mm），经过静停和高温高压蒸养后定型，成为一种密布气孔的宏观均匀材料。2.轻骨料混凝土轻骨料混凝土采用轻质多孔粗骨料替代普通粗骨料（碎石或卵石），与普通砂、水泥和水配合而成砂轻混凝土。若还使用轻砂，则称全轻混凝土。用作结构混凝土的轻（粗）骨料，按其来源和成分有三类：天然生成如浮石、火山渣等多孔岩石，经破碎、筛分而成；工业废料如自然煤矸石、煤渣等，以及经烧制的粉煤灰陶粒；人造材料如经煅烧制成的页岩或粘土陶粒、膨胀珍珠岩等。粗骨料本身的强度不高，用于结构工程的骨料最大粒径不宜大于20mm。第16页/共30页3.2.2 基本力学性能基本力学性能 轻骨料混凝土在受压状态下的全曲线的总体形状与普通混凝土无异。试件开始受压，至弹性极限的应力为（0.30.6），取决于骨料的种类和强度等级。其后，出现塑性变形，并加快发展，曲线凸向纵坐标。当应力达（0.90.96），应变为（0.80.87）时，曲线的切线泊松比p，内部裂缝开展，而试件表面仍未见裂缝。不久，试件即达最大应力，即轻质混凝土的棱柱体抗压强度，相应的峰值应变为（C点）。随后，曲线进入下降段。在时，试件表面上出现第一条裂缝（D点，）。裂缝刚一出现就比较长，方向陡。继续试验，此裂缝沿斜向发展，发出劈裂声响，试件承载力很快下降，但很少出现新裂缝。当形成贯通试件全截面的斜裂缝（E点）时，承载力已下降过半，应变约为。此后，试件靠残存的强度和缝间摩阻力支持，承载力趋于稳定下降，时而从主裂缝上分出几条纵向或略斜的裂缝。当应变达时，试件的残余强度约（0.150.24）。继续增大变形，残余强度缓缓下降。陶粒混凝土试件的破坏主斜裂缝与荷载垂线的夹角为660690，明显大于普通混凝土的夹角。试件破坏面的断口整齐，有劈裂碎片，许多陶粒粗骨料被劈成两半。第17页/共30页轻骨料混凝土与普通混凝土的基本区别在于粗骨料。轻骨料混凝土与普通混凝土的基本区别在于粗骨料。普通混凝土是网状的水泥砂浆包围、粘结着更强、更硬、更实的粗骨料，成为构造的薄弱部位；而轻骨料混凝土恰好相反，水泥砂浆包围、粘结着的是更弱、更软、多孔的轻骨料，薄弱部位转移为轻骨料，因此引发了混凝土性能的差别。轻骨料一般都是多孔、脆性材料，其抗压、抗拉强度和变形模量值都低，甚至低于其周围的水泥砂浆相应值。轻质混凝土受力后，粗骨料的应力较低，而水泥砂浆承受更大的力，形成近似于以骨料作填充、以水泥砂浆作骨架的受力模型。此外，轻骨料颗粒的表面粗糙，与水泥砂浆的粘结良好，界面裂缝的出现较晚，开展较慢；粗骨料本身的变形大，加大了轻质混凝土的变形，包括峰值应变；当水泥砂浆中出现裂缝后，粗骨料不能阻滞裂缝的开展，裂缝将穿过粗骨料很快地延伸，故下降段曲线陡峭，强度跌落快，但裂缝数量少；在试件的破坏断口可见很多粗骨料被劈开。所以，轻质混凝土的强度和变形性能在很大程度上取决于粗骨料的性质和强度。第18页/共30页3.3 纤维混凝土纤维混凝土3.3.1 分类分类 在搅拌混凝土或水泥砂浆时，掺人一定数量的分散的短纤维，称纤维混凝土。主要目的是增大脆性基材抵抗裂缝开展的能力，防止突然破坏，增大韧性和延性。按其来源或生产方法可分成三大类：u 天然纤维u 人造纤维u 钢纤维第19页/共30页纤维除了其力学性能之外，还要满足几何形状的要求.长径比一般为其中纤维长度为676mm。过短的纤维降低其抗拔强度，过长的纤维不易拌合均匀，都影响纤维混凝土的性能和质量。第20页/共30页3.3.2 基本力学性能基本力学性能纤维混凝土中掺添了大量的抗拉强度很高的细纤维，其力学性能比普通素混凝土有很大改善：u 抗拉和抗折强度增长（1.42.5）倍u 抗裂性大大提高u 抗压强度虽然提高不多，但延性大大增强u 疲劳强度显著提高u 动力强度增大（510）倍u 耐磨和抗冲刷性能增强等。第21页/共30页纤维混凝土的力学性能，除了与基材即混凝土或砂浆的性能密切相关外，主要取决于纤维的种类纤维的种类、形状形状、掺入量掺入量和分布分布状况状况。第22页/共30页u一般的天然纤维，质量不均匀，且强度低，耐久性差，只用作次要构件。石棉有损人的健康。u人造纤维的种类繁多，性能各异，工业化制作易于控制质量。玻璃纤维质脆易折断，合成材料纤维的强度和弹性模量都低，且多数纤维受水泥的酸性侵蚀，强度随时间而降低，影响耐久性。u 钢纤维混凝土（SFRC）具有优良而稳定、持久的力学性能，在工程中取得很好的技术、经济效益。第23页/共30页3.3.2 基本力学性能基本力学性能其力学性能比普通素混凝土有很大改善：其力学性能比普通素混凝土有很大改善：抗拉和抗折强度增长（1.42.5）倍，抗裂性大大提高；抗压强度虽然提高不多，但延性大大增强；疲劳强度显著提高，动力强度增大（510）倍；耐磨和抗冲刷性能增强等。工程应用：工程应用：机场的跑道和停机坪公路和桥面水坝水池和消能池地下隧道和矿区巷道的衬砌桥梁加固板壳结构地震区框架节点和梁端抗剪防护工事。第24页/共30页在试件开裂之前，钢纤维中的应力很小，纤维混凝土与素混凝土的应力应变曲线相近。当纤维混凝土的基材开裂后，与裂缝相交的各纤维，因变形增大而应力倍增，渐次替代基材的受拉作用。当试件全截面开裂后，由纤维承受全部拉力。由于钢纤维的抗拉强度很高而长度有限，且在基材内随机分布，其方向和形状没有规律，锚固长度无充分保证，纤维在高应力作用下逐根地发生滑动，并渐渐地被拔出，构成了应力应变曲线的下降段。试件最终破坏时，钢纤维都是因粘结破坏而被拔出，极少有被拉断的。钢纤维混凝土的抗拉强度和相应的峰值应变随纤维的体积含量而增大，应力应变全曲线的峰点明显地提高和右移。抗拉强度约可增大2050，峰值应变约增大20100，曲线的下降段渐趋抬高和平缓。第25页/共30页钢纤维混凝土受弯试验量测的试件荷载中点挠度曲线。试件截面的受拉区出现裂缝之前，荷载（应力）与挠度（应变）接近直线变化。当基材开裂后，纤维应力突增，继续发挥承载作用，提高了试件的极限承载力。随着裂缝的开展，截面的中和轴上升，基材逐渐退出受拉工作，纤维更多地承担内力。当受拉区下部的纤维因粘结破坏而逐根地被拔出时，形成平缓的曲线下降段。有些试件的荷载挠度曲线上，在峰点附近出现若干小波折。当基材开裂时，纤维应力和试件挠度突然增大，荷载稍有跌落；纤维应力的增大和更多纤维参与受力，使承载力回升，形成一个波折。基材裂缝的多次突然开展，就有相应的波折。过了峰部的下降段，荷载跌落不再明显，曲线又趋平缓光滑。第26页/共30页钢纤维混凝土的弯曲抗拉强度和极限荷载时的最大拉应变随纤维的体积含量而增大，弯曲抗拉强度可增大一倍以上。如果以荷载挠度曲线下的面积表示材料韧性，则钢纤维混凝土的韧性比素混凝土的增大十多倍。第27页/共30页钢纤维混凝土的轴心受压应力应变全曲线形状和几何特征都与素混凝土的相同。在曲线的上升段，纤维的掺人对于基材（素混凝土）的性质几乎没有影响。只有当曲线进入下降段，试件出现纵向裂缝后，与裂缝相交的纤维才明显地发挥作用，阻滞裂缝的开展，从而提高了峰值后的残余强度，曲线下降平缓。往后，纤维的应力增大，产生滑动，以至逐根地被拔出，试件的承载力缓缓地下降。试件的最终破坏形态与素混凝土的相同，形成贯通全截面的宏观斜裂缝带，但倾斜角稍小。钢纤维混凝土的抗压强度和相应的峰值应变随纤维的体积含量而变化。但是强度增长有限，峰值应变增长较大，而延性和韧性增长更大。第28页/共30页钢纤维混凝土的基本力学性能一般受力规律：u在基材（混凝土或砂浆）开裂之前，掺人的纤维所起作用很小；u纤维的主要作用是在基材开裂之后，阻滞和约束裂缝的开展，因而提高其强度，特别是变形的能力（延性和韧性）。u最终的破坏形态是纤维的滑动和拔出。第29页/共30页混凝土内掺人钢纤维，获益最大的受力状态是弯曲，其次是受拉，最后是受压；对于限制裂缝和提高韧性的效益超过强度的增长。为了提高纤维混凝土的质量和性能，主要措施是增大纤维的粘结强度，如适当增加长径比，端部弯折、截面异形等，以提高纤维的受力效率。第30页/共30页