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2.1.2自密实混凝土主要性能特点4
2.1.3自密实混凝土在土木工程中的应用5
2.2钢纤维混凝土6
2.2.1钢纤维混凝土概括6
2.2.2钢纤维混凝土主要性能特点6
2.2.3钢纤维混凝土在土木工程中的应用7
2.3智能混凝土7
2.3.1智能混凝土概括7
2.3.2智能混凝土主要性能特点8
2.3.3智能混凝土在土木工程中的应用9
3结束语10
参考文献11
引言
同时,随着社会和科技的发展,建筑物的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化,对混凝土质量以及性能的要求也日渐提高,普通的混凝土材料系由胶结材料(石灰、水泥)、细骨料(砂子)、粗骨料(石子)和水所组成,在其性能及应用与发展的上,根据添加材料和施工工艺的不同,派生出名目繁多、性能特异、用途不一的新型混凝土,本文以三种高性能新型混凝土为例,阐述了高性能混凝土的特点,探讨了其在建筑工程领域中的应用,这也是新型混凝土的应用对土木工程的一次重要贡献,随着研究的深入,将会有更多的各种能够适应工程要求的新型混凝土出现,新型混凝土材料在工程建设中的地位也将日益重要。
1.混凝土简介及其历史和发展
1.1混凝土简介
混凝土简称为“砼(tó
ng)”:
是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。
通常讲的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料,砂、石作集料;
与水(加或不加外加剂和掺合料)按一定比例配合,经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土,也称普通混凝土,它广泛应用于土木工程。
1.2混凝土的历史
1900年,万国博览会上展示了钢筋混凝土在很多方面的使用,在建材领域引起了一场革命。
法国工程师艾纳比克1867年在巴黎博览会上看到莫尼尔用铁丝网和混凝土制作的花盆、浴盆、和水箱后,受到启发,于是设法把这种材料应用于房屋建筑上。
1879年,他开始制造钢筋混凝土楼板,以后发展为整套建筑使用由钢筋箍和纵向杆加固的混凝土结构梁。
仅几年后,他在巴黎建造公寓大楼时采用了经过改善迄今仍普遍使用的钢筋混凝土主柱、横梁和楼板。
1884年德国建筑公司购买了莫尼尔的专利,进行了第一批钢筋混凝土的科学实验,研究了钢筋混凝土的强度、耐火能力。
钢筋与混凝土的粘结力。
1887年德国工程师科伦首先发表了钢筋混凝土的计算方法;
英国人威尔森申请了钢筋混凝土板专利;
美国人海厄特对混凝土横梁进行了实验。
1895年——1900年,法国用钢筋混凝土建成了第一批桥梁和人行道。
1918年艾布拉姆发表了著名的计算混凝土强度的水灰比理论。
钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料。
混凝土可以追溯到古老的年代,其所用的胶凝材料为粘土、石灰、石膏、火山灰等。
自19世纪20年代出现了波特兰水泥后,由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性,而且原料易得,造价较低,特别是能耗较低,因而用途极为广泛(见无机胶凝材料)。
1.3混凝土的发展
20世纪初,有人发表了水灰比等学说,初步奠定了混凝土强度的理论基础。
以后,相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土,各种混凝土外加剂也开始使用。
60年代以来,广泛应用减水剂,并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土;
高分子材料进入混凝土材料领域,出现了聚合物混凝土;
多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。
现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。
目前,混凝土技术发展又处在一个变革时期。
新型外加剂和胶凝材料的出现使既有良好的工作性,又有优异的力学性能和耐久性能的混凝土的生产成为现实。
这种新型混凝土称为高性能混凝土(HighPerformanceConcrete),简称HPC。
混凝土的应用将对混凝土建筑施工技术和混凝土结构性能起重要作用。
因此,美国、日本、英国、法国、加拿大、挪威等国都将混凝土作为跨世纪的新材料,投入大量人力物力进行研究和开发。
20世纪80年代以来,一些发达国家相继研制成功高性能混凝土,使混凝土进入了高科技时代,日益受到国际材料界和工程界的重视。
2.不同性能混凝土的主要性能特点及应用
本文通过以三种高性能混凝土的应用和研究现状为出发点,主要针对各自的性能特点和应用范围,最后结合实例分析了它们在工程应用中出现问题及解决措施,以便为现实的工程应用提供良好的技术支持。
2.1自密实混凝土
2.1.1自密实混凝土概括
自密实混凝土(简称SCC)是指在自身重力作用下,能够流动、密实,即使存在致密钢筋也能完全填充模板,同时获得很好均质性,并且不需要附加振动的混凝土。
对于自密性混凝土,为满足建筑物多样的外形、复杂的内部结构要求,多数建筑物工程结构配筋稠密、复杂,振捣棒不容易插入,难以震动成型;
而且多数工程地处繁华闹市区,施工噪音必须加以控制。
以上这些都要求混凝土在不加振捣的情况下即可自行通过钢筋,充填模板的空间,即要求混凝土具有高的流动性、高的填充性、高的间隙通过能力和高的稳定性。
这些要求的存在,给自密实混凝土提出了新的要求:
进行自密实混凝土的工作性研究,改变高强混凝土粘度非常高而不能实现自密实的工作性现状,使之既达到高工作性要求又具有高的尺寸稳定性和耐久性,更易于在工程中推广应用,使之成为一种既可持续发展又可获得较大经济效益的绿色建材,从而使得对自密性混凝土研究更加迫切
2.1.2自密实混凝土的主要性能特点
自密实混凝土有它不可替代的优越性,我国在这方面的研究和应用还处于起步阶段。
自密实混凝土具有免去混凝土施工过程中的振捣工序解放人力的优点;
同时在满足混凝土强度设计要求的前提下还具有大坍落度、高流动性、良好的和易性、粘聚性和保水性能,可以解决钢筋局部过密部位普通混凝土无法通过的问题,保证了工程的施工质量要求。
自密实混凝土具有如此多好的性能和优点,但是不是任何工程部位都可以使用,这也是由于设计配合比时确定的一些条件决定了其使用范围的局限性。
自密实混凝土被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”,因为自密实混凝土拥有众多性能:
(1)保证混凝土良好地密实。
(2)提高生产效率。
由于不需要振捣,混凝土浇筑需要的时间大幅度缩短,工人劳动强度大幅度降低,需要工人数量减少。
(3)改善工作环境和安全性。
没有振捣噪音,避免工人长时间手持振动器导致的“手臂振动综合症”。
(4)改善混凝土的表面质量。
不会出现表面气泡或蜂窝麻面,不需要进行表面修补;
能够逼真呈现模板表面的纹理或造型。
(5)增加了结构设计的自由度。
不需要振捣,可以浇筑成型形状复杂、薄壁和密集配筋的结构。
以前,这类结构往往因为混凝土浇筑施工的困难而限制采用。
(6)避免了振捣对模板产生的磨损。
(7)减少混凝土对搅拌机的磨损。
(8)可能降低工程整体造价。
从提高施工速度、环境对噪音限制、减少人工和保证质量等诸多方面降低成本。
2.1.3自密实混凝土在土木工程中的应用
自密实混凝土有它不可替代的优越性,在国外,这种技术已经非常成熟,并在隧道、大坝、铁路设施、地下结构等工程中得到广泛应用,我国在这方面的研究和应用还处于起步阶段。
2008年,秦山核电站二扩工程项目的业主委托浙江大学进行了自密实混凝土的设计和试配工作,配合比设计的前提条件为:
钢筋加密为间距不小于30mm,使用碎石粒径为5mm~16mm。
设计完成后,在YA厂房选取了一根构造柱做灌注试验,从现场情况看,这样设定的条件下生产出来的自密实混凝土浇筑的构造柱,外观效果还是好的,但分析其设定的配合比设计条件即:
钢筋加密间距不小于30mm,使用碎石粒径为5mm~16mm,这样设计出来的自密实混凝土配合比在实际的工程应用中是有一定局限性的,在一些高层建筑和重要结构的部位,特别是底板梁、柱、墙的节点区域,钢筋配筋无法满足间隙不小于30mm。
比如PX泵房A段底板墙面钢筋间距,笔者曾实地测量过一段墙体,620mm的间距范围内,分布了14根直径为32mm的钢筋,钢筋之间平均间隙不到12.3mm,如果在类似部位使用碎石最大粒经为16mm的配合比设计的混凝土,混凝土是不能完全均匀分布到各个部位的,局部出现无浆导致缺陷的可能性很大,这样条件下设计生产出来的混凝土解决不了工程钢筋密集部位混凝土通过的问题;
另外,自密实混凝土本身的缺陷也导致其使用范围有一定的局限性。
自密实混凝土在保证大流动性(坍落度一般为240mm~270mm,普通混凝土为10mm~70mm,泵送混凝土为80mm~180mm)条件下,还必须同时具有混凝土的和易性、粘聚性和保水性,为了防止混凝土离析,除了使用必要的外加剂之外,还大量使用粉煤灰、矿粉等外掺料,由于使用的细粉量大,在与其他混凝土采取同样抗裂措施的前提下,自密实混凝土抗裂性能相对较差,容易出现收缩裂纹等外观质量问题,不适用于连续墙、大面积楼板等部位的浇筑。
因此,混凝土配合比的设计还应该考虑极端条件下的浇筑,比如备用增加一组使用5mm豆石(或者米石)设计的同样性质的混凝土配合比以及一组同样性质的砂浆,以便在极端条件下使,才能真正确保不同钢筋密集部位的使用,以及确保无振捣的施工条件下工程质量的万无一失。
为了达到浇筑的混凝土无需振捣并同时满足混凝土外观质量和强度要求的目的,自密实混凝土必须要具有大坍落度、高流动性、良好的和易性、粘聚性、保水性的特点。
如果仅仅按照普通混凝土配合比设计条件和常规方法进行配制,无法使混凝土的性能达到要求,这就需要在水灰比、强度要求不变的情况下在混凝土中加入大量的外加剂、外掺料等以改善混凝土的性能。
外加剂和外掺料已经在建筑工程的混凝土生产中大量使用,但成本随之增加也是不可否认的事实,自密实混凝土的坍落度要求为240~270之间,要保证水灰比不要过大,满足强度要求,只有减少用水量,使用的减水剂性能要非常优越,减水效果很好,价格也非常昂贵,其他外掺料的要求也是如此,这些要求是普通的房屋与结构工程的造价成本无法满足的,在国外自密实混凝土也主要应用在造价相对较高的大型结构建筑上,经济成本也使自密实混凝土的应用受到一定限制。
2.2钢纤维混凝土
2.2.1钢纤维混凝土概括
钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。
这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。
研究钢纤维混凝土的配制与施工具有非常重大的意义。
2.2.2钢纤维混凝土的主要性能特点
钢纤维混凝土是在混凝土或砂浆中,掺入随机乱向分布的短钢纤维,使混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度以及韧性(延性)、抗疲劳能力、抗冲击能力等得到显著的提高,使高强混凝土结构在工程实践中得到了更加广泛的应用。
与传统混凝土相比,无论是原材料选择、拌合物配合比设计,还是生产和施工中的各个环节,钢纤维高强混凝土都有其自身的特点和要求。
所以研究钢纤维混凝土的配制与施工具有非常重大的意义。
(1)钢纤维混凝土其抗裂,抗拉,抗弯,抗剪,耐磨性能,疲劳强度和抗冻融性能均较变通砼有大幅提高。
因此,可减少钢筋材料消耗并减少混凝土的用量。
(2)大大提高了砼的抗裂强度和抗冲击韧性,每立方米混凝土中分散有数百万根钢纤维,可用于有抗裂和承受冲击强度要求的各种构造物中。
(3)使用钢纤维喷射混凝土,可以方便地解决年久失修或失火烧损的建筑物补强修复问题。
(4)由于改善了混凝土的性能,纲纤维砼的寿命能够大大延长,维护修理费用也能大幅度降低。
2.2.3钢纤维混凝土在土木工程中的应用
钢纤维混凝土在这方面的应用也是相当广泛的,使用方式包托新建和修补工程。
由于钢纤维混凝土具有良好的抗裂性、弯曲特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点,使面层厚度减少,伸缩缝间距加长,路面和跑道的使用性能优良,维修费用降低,寿命延长。
据日本的经验,面层厚度较普通混凝土可减少30%-50%,公路伸缩缝间距可达30-100m,机场跑道的伸缩缝间距可达30m。
用于路面和桥面修补罩面层厚仅为3-5cm可减少工程量,特别是降低了桥面的自重荷载。
我国目前每年生产的碳钢纤维约有40%用于路面工程。
大庆、安徽省、辽宁盘锦市、山西太原市等先后在车流较大的公路段用钢纤维混凝土修筑试验路面。
大庆的试验段长500m、宽7m,纤维掺量为0.8%,路而厚12cm,与厚24cm的普通混凝土路面相比,造价接近。
经一年多的营运,路面无裂缝,无破碎,状况良好。
国外在用钢纤维混凝土筑路时大都采用专门的施工机械。
美国还试用了辗压钢纤维混凝土筑路。
与普通的浇注方法相比,在获得相同路面性能情况下可减少水泥和纤维用量。
钢纤维混凝土的应用,特别是旧路面处理,结构加固等方面显示出钢纤维混凝土具有很强的应用市场。
钢纤维混凝土除了具有与普通钢纤维混凝土一样抗裂性强、耐老化、耐冲击、耐疲劳、抗冻、抗渗性好等优良性外,还快硬化、超早强、耐磨损,可以提高混凝土的抗拉强度,改善抗冲击力、抗疲劳等性能,且施工方便,浇注方法及浇注后外观基本与普通混凝土相同,造价相对合理。
从实际效果来看,经济效益和社会效益都较好。
实例中生米大桥第四段上部结构全部为连续箱梁,3—6跨联。
桥面铺装面积47015平米,伸缩缝373m/48条。
桥面铺装及伸缩缝槽口混凝土分别采用C40和C50钢纤维混凝土。
2.3智能混凝土
2.3.1智能混凝土概括
智能材料,指的是“能感知环境条件,做出相应行动”的材料。
它能模仿生命系统,同时具有感知和激励双重功能,能对外界环境变化因素产生感知,自动作出适时、灵敏和恰当的响应,并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。
智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分,使混凝土具有自感知和记忆,自适应,自修复特性的多功能材料。
根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤,满足结构自我安全检测需要,防止混凝土结构潜在脆性破坏,并能根据检测结果自动进行修复,显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。
正如上面所述,智能混凝土是自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能的综合,缺一不可,以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。
但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现,为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。
2.3.2智能混凝土主要性能特点
自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝士研究的初级阶段,它们只具备了智能混凝土的某一基本特征,目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究,以实现桥梁结构的内部损伤自诊断、自调节、自修复和抗震减振的智能化。
(1)自感应性能。
自诊断智能混凝土具有压敏性和温敏性等性能。
普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能,但在混凝土基材中掺如部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能。
目前常用的导电组分可分为三类:
聚合物类、碳类和金属类,二最常用的是碳类和金属类。
碳类导电组分包括石墨、碳纤维及炭黑;
金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。
(2)自修复性能。
综合了自然愈合、基体增强和有机物释放邓机制,在混凝土材料组分中复合活性无机掺和料、微细底弹模纤维和有机化合物,从而在混凝土内部形成自增强、自愈合网络,是混凝土裂缝重新愈合,恢复甚至提高混凝土材料的性能。
(3)自调节性。
对于通常作为建筑材料使用的混凝土,其结构除了承受正常负荷外,人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间,能够调整承载能力和减缓结构振动。
混凝土本身是惰性材料并没有自调节功能,要达到自调节的目的,就要在混凝土中复合驱动器材料,如形状记忆合金(SMA)和电流变体(ER)。
有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求,如各类展览馆、博物馆及美术馆等。
为此,可在混凝土中掺入沸石粉,即可对室内湿度进行自动调节,它具有如下特点:
优先吸附水分;
水蒸气气压低的地方,其吸湿容量大;
吸放湿与温度有关,温度上升时放。
2.3.3智能混凝土在土木工程中的应用
具有广阔的应用前景,但作为一种新型的功能材料,相关技术上面都还不是很成熟。
人们逐渐地把一些科技成果应用到材料科学领域中,从而使材料的发展出现了向智能化方向发展的趋势。
随着电子信息技术和材料科学的不断进步,社会及其各个组成部分,如交通系统、办公场所、居住社区等等向智能化方向发展。
作为最主要的建筑材料的混凝土材料已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。
智能混凝土正在朝着混凝土中智能组件的集成化和小型化,智能控制材料的开发和实现混凝土材料结构、智能一体化方向发展,将来会有更广的应用前景
混凝土本身并不具备自感知能力,但是在其中复合部分的导电成分,就可以使混凝土具备自诊断和感知的能力。
所谓自诊断,是指混凝土能够通过自身物性的变化,来反应外界环境对自身的作用情况,并能作出材料安全与否的判断。
这种判断通常是通过颜色变化、电学信号和声学信号的变化来反映出来。
目前常用的导电材料有:
聚合物、碳类和金属类。
其中最常用的是碳类和金属类。
金属类导电组分包括金属微粉末、金属纤维、金属网、金属片等;
常用的碳类导电组分有石墨、碳纤维和碳黑。
其中国内外对于碳纤维智能混凝土的研究比较多,并且取得了一系列的成果。
比如在1989年,美国的D.D.L.Chung发现将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中,可以使混凝土材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。
通过对材料的宏观行为和微观结构进行观测,发现材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的,如可逆电阻率的变化对应着材料结构的弹性变形,电阻率的不可逆变化对应着结构材料的非弹性变形甚至断裂破坏。
据此,可通过碳纤维混凝土电阻率的变化来确定其处于安全、损伤或破坏的哪一阶段通过与碳纤维相连的计算机可直接反映所在结构部位混凝土的工作状态,实现结构工作状态的在线监测。
当结构内部应力接近损伤区或破坏区时,即可自动报警。
同时利用复合材料的敏感性可有效地监测拉、弯、压等情况以及在静态或动态荷载作用下材料的内部情况。
比如当在水泥净浆中掺加0.5%体积分数的碳纤维时,它作为应变传感器的灵敏度可达700,远远高于一般的电阻应变片。
自适应自调节智能混凝土应用混凝土结构除了正常负荷外,人们还希望它在受到台风、地震等自然灾害期间,能够调整承载能力和减缓结构振动。
混凝土本身是惰性材料,要达到自调节的能力,就需要在混凝土中复合具有驱动功能的组合材料。
常见的驱动功能的材料有形状记忆合金(SMA)和电流变体(ER)等。
20世纪90年代初,日本建筑省建筑研究所曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑结构承载能力的自调节混凝土材料。
其方法是在混凝土中埋入形状记忆合金,利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能,在混凝土结构受到异常荷载干扰时,通过记忆合金形状的变化,使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力,从而提高混凝土结构的承载力。
近年来,同济大学混凝土材料研究国家重点试验室尝试在混凝土中复合电流变体,利用电流变体的流变特性(对电场的敏感性,即在外界电场的作用下,电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶,其黏度随电场增加而变稠到完全固化;
当外界电场拆除时,仍可恢复其流变状态),当混凝土结构受到台风、地震袭击时调整其内部的流变特性,改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。
自修复智能混凝土应用混凝土结构在使用阶段,由于受到各种荷载及作用的共同作用下,不可避免的发生各种各样的损伤,因此对混凝土的修复就成为大家重视的一个研究方向。
模仿生物组织对受创伤部位能自动分泌某种物质,从而使受创伤部位愈合的机理,混凝土研究人员研制了自修复智能混凝土。
自修复智能混凝土是在混凝土中加入某些特殊的成分,如内含粘结剂的空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤,使混凝土材料在受到损伤时部分空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤破裂,粘结剂流到损伤处,从而弥补混凝土内部的缺陷,使混凝土的裂缝重新愈合。
3.结束语
三种新型混凝土材料的应用前景通过材料研选,采用特殊工艺、制造出来的具有特殊结构与表面特性的混凝土,能减少环境负荷,并能与生态环境相协调,从而为环保做出贡献的新型混凝上材料在我国的应用虽然才刚刚起步,但其发展前景被众多建筑人士所看好。
因此,新型混凝土材料应向着智能化、规模化,理论化,体系化和集成化方向发展,以适应经济全球化的发展模式,促进我国建筑界更广阔的发展。
总而言之,随着环境保护、保持生态多样性及维持社会可持续发展的呼声日益高涨,新型混凝土材料的应用会越来越得到世界各国材料与环境学者的重视,我们相信,只要我们都意识到新型混凝土材料性能研究的重要性,通过全面推进新型混凝土材料在我国建筑中的应用工作,可以预见未来的我国建筑业必定进入一个全新的建筑时代。
参考文献
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