高强混凝土研究背景及意义论文

用简单的材料生产复杂的混凝土 提高混凝土的性能

省钱，节能，促发展。

摘 要： 介绍高强轻质混凝土的性能及国内外的应用和发展状况。探讨了轻集料混凝土的分层离析控制的关键技术，并提出了相应解决思路。 关键词： 高强轻集料混凝土； 发展； 优势； 控制技术 随着现代化建筑工程的发展，建筑设计在诸如形状、高度、不规则柱网、无梁楼盖等方面越来越要求具有极大的自由度，更高效、高强度的轻质混凝土就应运而生了。高强轻质混凝土HSLC(High—StrengthLightweight Concrete)具有重量轻、强度高和耐久性好等特点，美国、德国、日本等国家将HSNC广泛应用于海王构筑物、高层建筑、大跨度桥梁和城市立交桥等工程中。如1936年美国建造的旧金山—奥克兰海湾桥的桥面，采用高强轻质混凝土与普通混凝土相比，仅钢材一项就节约造价300万美元；又如澳大利亚广场的圆形塔楼50层，7层以上楼板、梁和柱使用3．1万m‘的轻质混凝土，工程总造价降低13％。 国外越来越多地使用高强轻质混凝土的重要原因是它的耐久性、抗疲劳性、抗渗性等特性均优于石子骨料高强混凝土HSNC(High—strength NormalWeight aggregate Concrete)。在我国，高强轻质混凝土的研究和在结构中的应用刚刚起步，近年来发展很快，但混凝土的强度等级偏低，轻骨料质量有待提高。 1 国内外高强轻集料混凝土的发展及优势 一般把以人造轻集料为其基本材料的轻混凝土的最早使用年代追溯到1920年左右，S．J海德是最初运用回转窑烧粘土的先驱者之一。到1928年，美国开始把这种方法用于商业生产。西欧在第二次世界大战以后才开始有了轻集料的生产。轻集料混凝土根据其用途和功能分为3类，一是以结构为主的工程，二是结构与保温同等重要的工程，三是以保温为主的工程。国外高强轻集料混凝土主要应用于高层建筑、桥梁和预应力结构。早在1969年，美国就用高强轻集料混凝土建成了高217．6 m，52层的休斯敦贝壳广场大厦。这幢按筒中筒结构体系设计的大厦只有采用高强轻集料混凝土经济上才算适宜。从结构设计观点来讲，217．6m的建筑高度，加上高空的强大风载，必须选用质量的轻集料来拌制轻集料混凝土，使其结构性能不低于普通混凝土。根据结构和建筑要求，2．51 m厚的筏型基础，内柱和外柱以及剪力墙要用强度为42MPa的高强轻集料混凝土浇制，11 m跨距的楼板要用强度为31．5 MPa的高强轻集料混凝土浇制，混凝土用量达7万m3。统计资料表明，预应力钢筋混凝土桥梁自重随跨度增大呈指数系数增加，经济分析认为，跨度超过30 m的桥梁，由于自重在总荷载中起着重要的作用，采用轻混凝土就具有相当的经济性了。 我国轻集料混凝土的生产和应用是从人造轻集料的研制开始的。1956年在山东博山利用水泥回转窑试制成功我国第一批粘土陶粒之后，至1975年轻集料的生产有了一定的规模，生产厂家发展到十几个。至1990年，我国人造轻集料生产厂有30余家，设计年产量53万m3，土990年实际生产量为30万m3，仅达生产能力的57％。同年由中国建筑科学研究院主持编制出《轻集料混凝土技术规程》GJ51—90，新规程更具我国特色，而且达到了美、俄、德等国同类标准水平，为我国进一步发展轻集料混凝土技术提供了科学理论依据和技术保证。1986年，由国家建工总局和上海市建委下达的岚皋路高层试点项目建筑3幢20层钢筋粘土陶粒混凝土全大模剪力墙住宅楼，该工程是由原设计18层的普通混凝土改造成20层陶粒混凝土的，由于采用了轻集料混凝土，每平方米自重减轻13％，使用面积净增1 200m2，基础造价减少10％，节约钢材3．7％，实际降低建筑造价16％，与临近同结构的18层普通混凝土住宅建筑相比，沉降量小32．5％，具有显著的技术经济效益。但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。我国高强轻集料混凝土的研究始于20世纪70年代，天津建筑科学研究所等单位在实验室用高强粉煤灰陶粒配制出CL40干硬高强轻集料混凝土。20世纪80年代初，铁道部大桥局桥梁科学技术研究所在实验室采用高强粘土陶粒和625#水泥配制出CL60于硬性高强轻集料混凝土，将CL40粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为22m的箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻20％以上，是我国高强轻集料混凝土应用的一个成功范例。 2 高强轻集料混凝土存在的问题 目前，影响高强轻集料混凝ix：程应用的主要原因是其易所导致的工作性能差，不能满足现代混凝土建筑施工的要求，为此，开展控制轻集料混凝土分层离析技术的研究十分必要。 轻集料混凝土拌和物主要是由轻集料、细集料、胶结材和水组成。这4种组成部分的密度各不相同，在混凝土拌和后会产生分层现象。一般对于普通混凝土，密度较小的水、水泥浆及带有较小细集料的水泥砂浆上浮，粗集料及较大颗粒的细集料及包裹它们的水泥浆下沉，造成混凝土整体的不均匀，形成了混凝土的外分层结构。但对于轻集料混凝土，则是密度较小的轻集料、水等上浮，水泥浆和细集料砂下沉，造成混凝土整体的不均匀，形成了轻集料混凝土的外分层结构。由于轻集料与水泥石的密度相差悬殊，轻集料混凝土的离析问题十分严重，很难满足现代混凝土建筑施工的工艺要求。只有有效控制轻集料混凝土的离析问题，才能促进这种集结构与功能一体化的建筑材料更为广泛的应用。 3 轻集料混凝i分层的控制技术 3．1 控制轻集料的粒径 轻集料的运动速度与粒径的平方成正比。因此，轻集料的粒径无疑是影响轻集料混凝土作性的最主要因素。粒径越大，轻集料越容易上浮。颗粒越大，在相同配合比条件下，扩展度越大，集料的分层离析越严重，相应混凝土的强度越低。轻集料的粒径越小，颗粒分布越均匀，但是由于粒径减小，轻集料的表面积增加，将会导致水泥用量的增加，而水泥用量的增加会进一步增加 差值，这对于减轻轻集料混凝土的离析反而不利。资料表明：对于泵送轻集料混凝土，轻集料的粒径在5～20mm为宜。 3．2 掺加矿物掺和料 混凝土与轻集料的密度差( )越大，轻集料上浮的运动速度越大，混凝土越易离析。混凝土的粘度越大，轻集料的上浮速度越小。众所周知，相对水泥的密度3．15 kg／m3而言，粉煤灰、矿渣和硅灰的密度较小。因此，采用粉煤灰、矿渣和硅灰替代部分水泥，一方面可以减小水泥石的密度，进而减小水泥石与轻集料的密度差( )；另一方面，由于矿渣和硅灰的掺人，会使得混凝土拌和物的粘度增加，降低轻集料上浮的运动速度。 据资料表明：掺人20％粉煤灰后混凝土的坍落度明显增加，如果掺A20％的矿渣，混凝土的坍落度达到18cm，混凝土基本没有离析，而硅灰的掺人使混凝土的坍落度在一定条件下减小。单掺粉煤灰或同时掺加粉煤灰和矿渣的混凝土可以配制出既流动性好，又不分层离析的混凝土拌和物。 3．3 调整砂率 水泥石密度与轻集料密度差值越大，混凝土越易离析。然而，当砂率增加时，颗粒的表面积增加，在水泥用量一定的情况下拌和物的粘度会增加，因此，砂率对混凝土性能的影响必然存在一个值。据文献实验结果结论可知，在一定范围内，随着砂率的增加，坍落度增加，混凝土的流动性变好。当砂率增加到39％之后，混凝土的坍落度达到值22cm，但继续增大砂率，拌和物的粘聚性增加，坍落度反而降低；而当砂率较低时，混凝土拌和物则容易产生分层离析，这说明拌和物存在一个砂率，即在该值时拌和物不易产生分层离析，此时拌和物的工作性能。 3．4 掺入纤维 纤维可以在混凝土中形成网络结构，因此可以有效地抑制轻集料的运动。由于有机纤维非常细小，表面积大，需要吸附大量的水泥浆包裹其周围，结果使得混凝土的粘度增加。在相同纤维掺量条件下，纤维越短，纤维的数量越多，需要包裹纤维的水泥浆的量越多，混凝土粘度越大，越不易离析。对不同品种的纤维进行试验研究。由文献试验结果可知，掺加纤维对混凝土的工作性有较大的影响。加入聚丙烯纤维和碳纤维坍落度下降不大，但扩展度下降较大，并能有效阻止轻集料混凝土的分层、离析，这是因为均匀分布在混凝土中的大量纤维起到了一种“承托”作用，降低了混凝土的表面析水和轻集料的上浮，提高了轻集料混凝土的粘聚性。掺加长度为6mm纤维的混凝土I。30A06扩展度小于掺加长度为19mm纤维的混凝土L30A19。但加入钢纤维后，由于钢纤维表面需大量砂浆包裹，因此坍落度大幅度降低。因此，纤维种类对混凝土的工作性能有较大的影响。另外，加入钢纤维后，轻集料混凝土的表观密度迅速增大，对降低结构物自重不利。不同的是，加入有机纤维后，轻集料混凝土的表观密度变化不大。 4 结 论 (1)轻集料混凝土具有和普通密度混凝土不同的分层特点。轻集料混凝土的集料易于漂浮在拌和物表面，产生上大下小的分层离析结构。 (2)轻集料混凝土的离析程度受轻集料粒径、水泥砂浆粘度和水泥石与轻集料的密度差控制，通过掺加矿物掺和料、调整砂率、掺加适宜品种的纤维和减小轻集料粒径的技术措施可配制工作性能好，易泵送的CL40一CL60高强轻集料混凝土。 (3)坍落度与扩展度之比在0．4～0．5范围内，混凝土拌和物工作性，利于泵送；坍落度与扩展度之比大于0．5，混凝土拌和物过于粘稠，不宜泵送；坍落度与扩展度之比小于0．4，混凝土拌和物则容易分层离析，轻集料易漂浮至表面，砂浆沉人拌和物底层。

摘 要: 建筑结构的现场检测，按结构、材料不同可分为混凝土和钢结构现场检测。通过对混凝土建筑结构、砌体结构及钢结构现场检测方法的总结、分析、评价，结合检测技术的现场应用，提出对结构现场检测技术的展望。 关键词: 建筑结构；检测方法；非破损检测；强度 引言 建筑结构的现场检测，按不同结构、不同材料可分为:混凝土结构现场检测和钢结构的现场检测，本文试对其现状和发展趋势进行分析和展望。 1、混凝土结构现场检测方法 混凝土结构宏观性能试验方法是“试件试验”。这类方法以试件破坏时的实测值，作为判断混凝土性能的依据较为直观，称为破损性实验，由于试件中的混凝土与结构中的混凝土质量、受力状况及各种条件不可能完全一致，而且对于建筑结构的现场检测也不太适用。 20 世纪30 年代混凝土非破损检测方法发展起来了，如回弹法、超声脉冲法等在不破损混凝土的条件下进行现场检测。 1. 1 回弹法 回弹法是用回弹仪弹击混凝土表面，由仪器重锤回弹能量的变化，反映混凝土的弹性和塑性性质，测量混凝土的表面硬度推算抗压强度，是混凝土结构现场检测中常用的一种非破损试验方法，我国已编制了规范。 回弹法的主要优点是:仪器构造简单，方法易于掌握，检测效率高，费用低廉，影响因素较少，但还存在一定不足:回弹值受碳化深度、测试角度的影响，石子种类对其也有影响，要对回弹值进行不同的修正，对存在有质量疑问区域的混凝土，需用其它方法进行进一步检测。 1. 2 超声脉冲法 用超声脉冲法检测混凝土强度是测试超声波在混凝土中的传播参数，找出混凝土抗压强度与这些参数的关系，确定其抗压强度。 混凝土是各向异性的多相复合材料，内部存在广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷，使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多，产生反射、折射和散射现象，并出现较大衰减，因此超声脉冲法检测混凝土强度虽然能够检测出混凝土内部存在的问题，但是对测试仪器、换能器与混凝土的强度和超声传播声速间的定量关系受到混凝土的原材料性质及配合比的影响；测试试件的温度和含水率的影响等，只有综合考虑各种因素和条件，建立高拟合度的专门曲线，使用时才能得到比较满意的精度。 1. 3 超声回弹综合法 超声回弹综合法是建立在超声传播和回弹值与混凝土抗压强度之间相互关系上，以声速和回弹值来综合反映混凝土抗压强度的一种非破损检测方法。 超声回弹综合法在一定程度上克服了以单一指标评定混凝土强度的不足，它把石子和测试面的影响，从检测结果中加以修正，对于多指标综合，能较全面地反映与混凝土强度有关的各种要素的作用，提高了测试精度。 1. 4 钻芯法 钻芯法与前3 种方法不同。它用专用取芯机从被检测的结构或构件上直接钻取圆柱型的混凝土芯样，并根据芯样的抗压试验强度，推定混凝土的抗压强度，是一种较为直观可靠的检测混凝土强度的方法，由于需要从结构上取样，对原结构有局部损伤，所以是一种现场检测的半破损试验方法。 钻芯法为许多国家所采用，俄罗斯、美国、英国、日本、法国等都制定了各自的标准，国际标准化组织也提出了相应国际标准草案（ ISO/ DIS7034） 。 1. 5 拔出法 拔出法试验也是一种半破损检测方法，它是用一金属锚固件预埋入未硬化的混凝土浇筑构件内，或在已硬化的混凝土构件上钻孔埋入一膨胀螺栓，然后测试锚固件或膨胀螺栓被拔出时的拉力，由被拔出时的锥台型混凝土块的投影面积确定混凝土的拔出强度，并由此推算出混凝土的抗压强度。 拔出法在美国、加拿大、丹麦等国家已广泛得到应用，国际标准化组织（ ISO） 曾提出关于测定硬化混凝土拔出强度的国际标准草案（ ISO/ DIS8046） 。 1. 6 超声脉冲法 超声脉冲法是检测混凝土内部缺陷和操作应用最广泛的方法，当结构混凝土中存在缺陷或损伤时，超声脉冲通过缺陷时会产生绕射，传播的声速要比相同种类材质无缺陷混凝土的传播声速要小，声时偏长；缺陷界面上产生反射，因而能量显著衰减，波幅和频率明显降低，接收信号的波形平缓，甚至发生畸变，因此可判别混凝土的缺陷与损伤，这在工程验收、事故处理和已建建筑物可靠性鉴定工作中，可为结构补强和维修，提供可靠的判别依据。 需要特别注意的是，有波形显示的超声检测仪方可用于探伤，而无波形显示的数字式声速仪，只能提供声时和声速作为唯一的判别依据，容易造成误判。 1. 7 混凝土结构中钢筋位置和钢筋锈蚀检测1. 7. 1 钢筋位置的检测 对已建混凝土结构作可靠性诊断和对新建混凝土结构施工质量鉴定时，要求确定钢筋位置、钢筋情况，当采用钻芯法检测混凝土强度时，为所取部位避开钢筋，也常作钢筋位置检测。常用的电磁感应法检测，比较适用于配筋稀疏和混凝土保护层不太厚的情况，当钢筋位置在同一平面或在不同平面内距离较大时，测得的结果比较满意。 1. 7. 2 钢筋锈蚀的检测 混凝土若质量差、工作环境恶劣或其它原因使结构产生各种裂缝，就会造成钢筋的锈蚀。而钢筋锈蚀则导致混凝土保护层胀裂、剥落，钢筋有效面积削弱等，直接影响结构的承载能力和使用寿命，而对已建结构进行结构鉴定和可靠度诊断时，必须对钢筋锈蚀进行检测。 用半电池法测量钢筋表面与探头之间的电位差，以判断钢筋锈蚀的可能性及锈蚀程度。 2、砌体结构的现场检测方法 砌体结构主要指砖砌体，砌体强度是由砖块和砂浆强度或施工时制做的砌体试块强度来决定的，传统的检测方法是直接从砌体结构上截取试样，进行抗压强度试验而砌体结构的特点导致取样存在较大难度，取样时的扰动又会对试样产生较大损伤，从而影响试验结果。因此，砌体结构的现场原位非破损或半破损试验方法理所当然地受到重视，并广泛开展研究和工程实际应用。 2. 1 砌体强度的间接测定法 砌体强度与砂浆和砖块强度有直接关系。由砂浆和砖块强度等级可确定砌体的抗压强度，间接测定法就是使用专门的仪器和专门的测试方法，测量砂浆和砖块的某一项强度指标或与材料强度有关的某一项物理参数，并由此间接测定砌体强度。 （1） 冲击法。依据物体破碎时所消耗的功与破碎过程中新产生表面积成正比的基本原理、由事先建立的单位功表面积增量和抗压强度之间的经验公式，求得砂浆或砖块试样的强度。 （2） 回弹法。检测砖块和砂浆强度的基本原理与混凝土强度检测的回弹法相同，只是采用专门的砂浆回弹仪，因为砖的表面硬度与强度有良好的相关性，所以，此法精度高，且简单、适用。 （3） 推出法。推出法又称顶推法、剪法，具体称单砖单剪法。即把一单砖的顶面、两侧面砂浆清除，只留底面，用特制的小千斤顶将其“顶出”，在极限状态时，测得砖与砂浆的粘接抗剪强度，并根据抗剪强度与抗压强度的关系，推出抗压强度。 此外尚有筒压法、点荷法等通过测定砂浆的强度来测定砌体强度的方法，都已进行了大量的研究，取得了一定成果。 2. 2 砌体强度直接测定法 （1） 抽样检测法。主要包括切割法与取芯法，切割法切割的试件宠大，搬运过程中扰动大，造成试验结果的离散性大，耗费大量的人力、财力，只限于庞大砌体工程质量事故处理及对其它方法的校准。取芯法是对芯样作抗压和抗剪试验，对砌体扰动也很大，其试验结果不太一致。 （2） 原位检测法。主要包括扁顶法、原位轴压法和原位剪切法。扁顶法是采用扁式液压测力器装入开挖的砌体灰缝中进行砌体强度的原位检测方法，它较好地克服了取样法的不足，但设备复杂，允许的极限应变较小，测定砌体的极限强度受到限制。原位轴压法是对扁顶法的改进，其原理与其一致，测定砌体的极限抗压强度，推算其标准抗压强度，缺点是设备较沉重，使用不便，原位剪切法是在墙体上直接测试砌体通缝的抗剪强度，由于对测试部位有限制，使其应用有一定的局限性。 （3） 动测综合法。动测综合法是振动反演理论在工程上的应用。在脉动、起振机共振、自由释放或冲击等激振方式的作用下，通过测量砌体结构的频率和振型等参数，根据系统识别理论得到层间刚度，推算出各层砌体轴心抗压强度，此法从房屋整体出发，不仅能得到砌体的强度，鉴定房屋的质量，便于对房屋进行安全性评定，随着检测仪器技术的改进，算法的优选，结果的精度不断提高，很有发展前途。 （4） 微观结构法。声、波、射线等在材料中传播时，会因材料的微观结构的判别而不同，由此可推断出材料的强度。我国在砌体房屋检测的方法有应力波法和超声波法。应力波法测低强和高强砂浆砌体时，精度不高，超声波法由于影响因素较多，测试结果不理想，有待进一步提高。 3、钢结构的现场检测方法 在我国的建筑结构形式中，钢结构也是一种重要的结构形式，对已建钢结构鉴定时，检查钢结构材质，了解结构钢材的力学性能，最理想的方法就是在结构上截取试样，由拉伸试验确定其强度，但会损伤结构，影响它的正常工作，因此，常用的方法有表面硬度法、超声法等。 3. 1 表面硬度法 表面硬度法由布氏硬度仪测定，由硬度计端部的钢珠受压时在钢材表面和硬度标准试样上的凹痕直径，测得钢材的强度，换算得到钢材的强度、屈服强度。此法在检测中，由于仪器简单、使用方便、基本无损害而得到广泛的应用。 3. 2 超声法检测钢材和焊缝缺陷 超声法检测钢材，多采用脉冲反射法。超声波脉冲发射进入被测材料传播，无缺陷时，不出现缺陷反射波，反之产生部分反射，由于钢材密度比混凝土大得多，为了能检测到较小的缺陷，要求选用较高的超声频率，此法比磁粉探伤、射线探伤更有利于现场检测。 4 、结构现场检测技术展望 结构现场检测技术对工程质量事故的检测、处理方面，具有重大的应用价值，从国内外的发展状况来看，该项技术涉及到多个学科的应用技术，应进一步研究、完善，应从以下几个方面来努力、创新。 （1） 新参数、新性能指标的测试。随着材料科学的发展，许多新材料被工程所应用，建筑结构设计的不断改进，一些新的参数和新的性能指标能够说明新材料和新结构的可靠性，需要不断研究这些参数指标的测试方法，为工程实践服务，是当前测试技术发展的趋势。 （2） 新思想的引入、对数学模型的创新和改善。在建筑结构检测方法的研究中，引入新思想，不仅要考虑宏观力学，还要考虑微观力学，深入全面地看问题。已有的检测方法中用到的经验公式有一定的局限性、在新的数学模型建立时，应更加注意其边界条件，扩大使用范围，提高拟合程度。 （3） 测量仪器的改进。随着计算机的普及与发展，改进测量仪器成为必然，测量仪小型化、智能化，使测试精度不断提高，以保证现场检测的需要。 （4） 操作方法的改进。结构检测仪器的操作方法要日趋简单化，使其更适合于大面积建筑工程质量的检测。