新型混凝土技术.ppt

新型混凝土技术,混凝土发展状况,(一)高强趋势的发展 平均强度将超过5060MPa；100MPa以上将大量应用.(二)混凝土的高性能化(三)轻型混凝土发展,混凝土存在的最大问题,(一)混凝土耐久性(二)混凝土脆性(或韧性)（三）混凝土配合比设计合理性（四）混凝土施工技术（五）外加剂的使用技术,1、混凝土的高性能设想 1.1、结构材料的耐久性的重要不亚于强度，不少混凝土建筑因材质劣化引起开裂破坏甚至崩塌，有些重要建筑物，如高层建筑、大跨桥梁、采油平台等对耐久性的要求更高，以保证安全。1.2、施工技术的进步和混凝土均匀性要求的提高，工作性成为另一重要性能指标。此外，体积稳定性、变形、耐磨、疲劳等性能也受到重视。由此混凝土的高性能设想出现。,第一章 高性能混凝土,2、高性能混凝土定义的提出,1990年5月美国国家标准与技术研究院（NST）与美国混凝土协会（ACI）首次提出高性能混凝土（HPC）这个名词，并同时给出如下说明：HPC是同时具有某些性能的均质混凝土，必须采用严格的施工工艺与优质原材料，配制成便于浇筑、不离析、力学性能稳定、早期强度高、并具有韧性和体积稳定性的混凝土，特别适于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑物。,我国部分学者的看法：,高性能混凝土应根据用途与经济合理等条件对性能有所侧重，现阶段高性能混凝土强度低限可向中等强度等级适当延伸，但以不损及混凝土内部结构（如孔结构、界面结构、水化物结构等）的发展与耐久性为度，例如水胶比不应低于0.4，胶结材不应少于300kg/m3，当含气量高时（抗冻融要求）强度还可以适当降低。随着材性、工艺、结构设计的进步，HPC的强度低限自然会提高。如果现在将HPC强度规定在5060Mpa 以上，则用途很受限制，大大妨碍了HPC的推广应用。,HPC是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理条件下制成的。除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与外加剂。HPC研制的技术途径和措施：,改善水泥石集料界面结构,改善水泥石的孔结构,改善混凝土生产施工工艺,控制水灰比,3、高性能混凝土配制设想,高性能混凝土制备技术-材料特征：,优选骨料,高性能混凝土材料组成,活性矿物掺合料，降低水泥用量,使用高效减水剂和其它必要的化学外加剂，降低水胶比,高性能混凝土制备技术-结构特点：,孔隙率较低，而且基本上不存在大于100nm的大孔；水化物中Ca（OH）2减少，CSH和AFt增多；未水化颗粒较多，未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多，各中心质间距离缩短，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架得到加强。界面过渡层厚度小，并且孔隙率低、Ca（OH）2数量减少，取向程度下降，水化物结晶颗粒尺寸减小，更接近于水泥石本体水化物的分布，因而得到加强。,水泥浆组成与水灰比关系（水泥水化程度100%）,水泥凝胶,未水化水泥,孔隙,凝胶水,毛细孔,体积%,水灰比（W/C）,b、含超细粉的水泥石孔结构,孔径/nm,a、不含超细粉的水泥石孔结构,孔径/nm,细孔分布（cm2/g）,细孔分布（cm2/g）,7d,a、不含超细粉的水泥石孔结构 b、含超细粉的水泥石孔结构,细孔分布（cm2/g）,孔径/nm,孔径/nm,28d,高性能混凝土制备技术-性能特点：,高工作性；低渗透性；高强度；体积稳定好；长期耐久性能好；,高性能混凝土,4、HPC的新组分,形态效应 三个作用，即:填充作用、润滑作用、均化作用 磨细粉煤灰中含有大量空心或实心的玻璃珠，促使水泥浆体的需水量降低，可起减水作用。同时，比水泥熟料粒度更细的、级配连续的磨细粉煤灰微粒均匀地分布在浆体中，会增强保水性和匀质性，改善浆体的初始结构，减小混凝土的早期收缩。,（1）掺和料作用-以磨细粉煤灰为例 形态效应、活性效应、微集料效应,均匀分布于水泥石中的粉煤灰微珠,活性效应 磨细粉煤灰本身不具有或只有很弱的胶凝性质，但在水存在的情况下与CaO化合将会形成水硬性固体，这种性质称为火山灰性质。超细粉煤灰是一种比较典型的火山灰质材料，粉煤灰活性越大，混凝土力学、耐久性越好。由于活性的影响因素很多，而且活性的发挥也受到很多因素的影响，要准确建立活性与混凝土性能之间的关系是比较困难的。一般认为，玻璃体含量越高，活性越大，硬化浆体的强度也越高。,3、微集料效应 磨细粉煤灰的微集料效应是指磨细粉煤灰微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中，就像微细的集料一样。由于磨细粉煤灰微粒在水泥浆体中分散状态良好，有助于混凝土中孔隙和毛细孔的充填和“细化”，减少了水泥浆体中的含气量，降低混凝土的泌水性。对于一般的混凝土来说，浆集界面联结薄弱，但超细矿粉界面层的显微硬度大于水泥凝胶的显微硬度，且水化层扩散速率比熟料颗粒的水化层扩散速率要缓慢得多，在保持微集料状态的时间上更长。,(2)高性能混凝土外加剂,普通减水剂（减水率8%)木质素磺酸盐糖蜜类高效减水剂（减水率12%)萘磺酸盐甲醛缩合物（1962年服部健一博士）多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物三聚氰胺（密胺）系减水剂（1964年德国SKW)氨基磺酸盐减水剂脂肪族羟基磺酸盐减水剂(丙酮类减水剂)高性能减水剂聚羧酸类接枝共聚物（1986年日本）,萘系减水剂不能认为是高性能减水剂,接枝共聚物满足高性能混凝土外加剂的要求，世界性的研究热点,高性能外加剂要求大减水、高增强（混凝土强度持续增长）优异的坍落度保持性能良好的和易性（不泌水、不离析）气泡质量好（气泡间隔系数小,含气量损失小），且含气量可调不增大混凝土收缩对混凝土性能副作用小材料组成和生产工艺对环境影响小对水泥、工业废渣、集料和气温具有广泛的适应性,高性能聚羧酸外加剂 由含有羧基的不饱和单体和大单体共聚而成，对混凝土具有高减水、高保坍、高增强、低收缩等优异性能的环保型系列减水剂。,Side chain,Main chain,.,.,.,.,.,.,.,.,.,水中的聚羧酸盐,7 nm,20 nm,Rh 15 nm,聚羧酸盐超塑化剂分子构象,高性能聚羧酸外加剂对水泥的作用机理,聚羧酸系减水剂的“吸附分散”机理,链的作用,主链和侧链决定分子量大小，影响静电斥力和位阻斥力。弱极性的-OH、-SH、-COR、-CONH2、-CN、-NH2以及短PEO链等，影响静电斥力和位阻斥力；强极性短侧链的COO、SO3基团密度越高，在极性的水泥颗粒表面锚固作用增强，有助于阻止水分子通过紧密的绒化层，具有明显的缓凝作用，影响静电斥力。,采取交联措施,碱性条件下逐步降解,空间位阻,水泥水化不影响分散,优异的保坍性能,高性能聚羧酸外加剂的构效关系,引入两性聚电解质结构,改善吸附性提高饱和掺量,采用长聚醚侧链,空间位阻效应,高减水率,减少收缩,接枝化学减缩组份,降低混凝土孔隙内部界面张力,高性能聚羧酸外加剂的构效关系,高性能聚羧酸外加剂的性能特点,化学外加剂生产现状,表1 2007年我国各品种混凝土外加剂产量（万吨）,我国聚羧酸系减水剂年用量的统计,铁路PCA用量约占全国总量的三分之一,混凝土结构研究的不同尺度和对象,外加剂对混凝土微观结构的影响,研究方法XRD-水化产物的组成SEM-水化产物的形貌MIP-水化产物的孔结构,不同外加剂对微观结构的影响,XRD,基准试样(3d),基准试样(28d),3d中存在Ca(OH)2和较多的未水化水泥颗粒,28d中仍存在未水化的水泥颗粒，但是其数量明显减少，尤其是C4AF、C3S含量明显减少,掺FDN(3d),掺FDN(28d),3d水化产物主要为Ca(OH)2、未水化水泥颗粒以及水化C-S-H凝胶。,28d无定形凝胶物质几乎消失，未水化的C4AF颗粒衍射峰也随着水化龄期的增长而消失，C-S-H凝胶谱峰强而尖锐，表明生成了结晶良好的水化产物。,掺PCA(3d),掺PCA(28d),与掺FDN减水剂类似，但对3d水化的影响程度不同，无定形凝胶增多，水化28d后无定形凝胶物质几乎消失，试样中C-S-H凝胶谱峰强而尖锐。,XRD衍射结果表明:掺加PCA超塑化剂的水泥浆体和纯水泥浆体的水化产物是相同的，只是水化程度的差异，随龄期的增加掺PCA超塑化剂的水泥浆体水化程度加深，C3S和C2S峰明显降低，而Ca(OH)2和C-S-H凝胶峰不断增加。掺外加剂的水泥浆体水化28d 时Ca(OH)2比纯水泥浆减少，C-S-H凝胶峰增多，说明生成了更多的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物。掺聚羧酸系外加剂和萘系减水剂的水泥浆体呈现出相同的变化规律。,纯水泥浆水化 3d水化形貌,300,1000,3000,10000,纯水泥浆水化 28d水化形貌,300,1000,3000,10000,掺FDN 水化产物形貌,3d,28d,300,3000,300,3000,掺PCA 水化产物形貌,3d,28d,300,5000,10000,300,5000,10000,从SEM的照片分析中可以发现：纯水泥浆体在水化初期，有大量的钙矾石以及Ca(OH)2晶体，甚至到水化28d后仍可以见结晶颗粒较大的Ca(OH)2晶体。掺加了FDN减水剂或PCA减水剂，在水化初期就形成了均匀的C-S-H凝胶，且相互连接，紧密堆积，随水化的继续进行，这种紧密堆积的结构发展更为广泛，Ca(OH)2晶体已基本不易发现，尤其是掺PCA超塑化剂形成的水化产物更为致密。,Ref.FDNPCA,3d样品的孔径分布图,28d样品的孔径分布图,Ref.FDNPCA,MIP,浆体最可几孔径纯水泥（Ref）58nm掺萘系减水剂（FDN）40nm掺聚羧酸系减水剂（PCA）35nm,孔径分布比例/%,(a)3d样品的孔径分布比例图(b)28d样品的孔径分布比例图,孔径分布比例/%,MIP分析结果表明外加剂掺入水泥浆体后，改善了水泥浆体内部的孔结构。掺PCA水泥浆体孔径持续减小，28d后有害孔和多害孔基本没有。,外加剂对混凝土氯离子渗透性能的影响,外加剂对混凝土耐久性的提升作用,外加剂对混凝土混凝土抗冻性能的影响,含气量经时变化,外加剂对混凝土碳化性能及钢筋锈蚀能力的影响,掺聚羧酸减水剂混凝土具有更高的密实性更强的抗氯离子渗透能力更强的抗CO2渗透能力,用聚羧酸减水剂配制的混凝土具有更强的钢筋保护能力更好的减少或避免钢筋锈蚀提高混凝土结构的安全性,中央电视台央视大楼新址工程,使用聚羧酸系减水剂配制的大掺量粉煤灰和矿渣C40混凝土，混凝土厚13米，混凝土和易性好，无离析泌水，保证2小时内运输到现场，泵送前坍落度，出泵后混凝土坍落度，混凝土泵送顺利。,央视大楼新址工程使用PCA,客运专线掺高性能外加剂砼性能指标,Dewey&Almy 30 年代开发用于橡胶工业的专利技术，1962 年日本开发成用于混凝土高效减水剂。我国最早用于染料助剂（NNO,MF）有钠和钙盐两种类型（钙盐为低碱高浓型,成本较高）不同厂家工艺流程大致相同,差异在于工艺控制水平,如磺化、中和和缩合程度，造成氯离子、碱含量、硫酸盐含量、不溶物等的差别，以及减水率和与水泥相容性的差别,萘磺酸盐系高效减水剂(NSFC),萘磺酸盐系高效减水剂的优缺点,优点：减水率可达30，减水作用与水泥化学及添加方式有 关，后掺效果好。高掺量或超量时性能可预测性较好，有轻微缓凝和引气作用。生产和使用技术较成熟缺点：非线性掺量减水率关系，在低掺量时减水效果差。混凝土拌和物较硬，触变性突出，坍落度小于160mm 时泵压较大。,至今为止，我国砼化学外加剂产品生产以高效减水剂为主，其中萘系占高效减水剂总量的80。萘系高效减水剂分两类：低浓型（占85）和高浓型（占15）。萘系高效减水剂的化学性能指标见下表：,低浓型萘系减水剂对砼次生耐久性的危害,低浓型萘系减水剂对砼次生耐久性的危害,低浓型萘系减水剂硫酸钠含量高，含碱量高，对混凝土抵抗钢筋锈蚀不利。高浓度和低浓度不是浓度差别，而是品位差别：低浓度低品位；高浓度高品位。,外加剂有害物测控项与质控模式,外加剂有害物质控未考虑掺量因素，给工程、生产方和监理部门带来困难。为此建议：质控模式应采用外加剂有害物质量控制和由外加剂带入砼中有害物总量控制双控模式。日本已经考虑这个问题了，混凝土中由外加剂加入的碱含量0.3kg/m3，氯离子含量0.02kg/m3,聚羧酸系高效减水剂的优点,强力分散作用，减水率可高达40%。掺量-减水率关系接近于线 性，性能可预测性好。设计合成的产品，可通过分子结构设计和工艺 控制来获得不同要求的性 能碱和氯离子含量低,混凝土收缩较小有适量的引气性,对水泥品种其是水泥碱含量敏感,聚羧酸系高效减水剂的缺点,原来的认识有误：坍落度经时损失未必较小。混凝土配合比合适时，拌和物工作性好,动粘度低,抗离析泌水能力较好，但对掺量极为敏感。低强度等级混凝土泌水严重。复配技术难度大，使用技术不成熟。原料和工艺不同时性能差别很大。成本较高。,减水剂的选择和使用,用产品“代”评价减水剂是不合适的，因为任何产品都有利必有弊。没有好与不好的，只有合适与不合适的外加剂不是灵丹妙药，必须配合混凝土材料其他组成及配合比。混凝土是非常复杂的系统,甚至不同性能之间是相互矛盾的.如何平衡是关键。,C20C25 混凝土：掺入粉煤灰，用普通减水剂时,坍落度12030mm即可很好地泵送，离析泌水可能性大为降低，混凝土单方成本也低.关键是减水剂质量的稳定性C30C60混凝土：使用普通减水剂+高效减水剂的组合，技术经济指标均较好C60以上高强、高性能、自密实混凝土、高流态：常规减水剂不能或很难达到要求(25%)的混凝土工程,或对混凝土表面质量有较高要求的混凝土,可使用聚羧酸减水剂,5、高性能混凝土的配合比设计,高性能混凝土的配合比设计与其性能密切相关，其配合比设计要综合权衡混凝土的搅拌工作性、强度、耐久性和经济性后，给出混凝土中各组分的适宜比例，因此高性能混凝土的配合比设计与普通混凝土的配合比设计有较大的不同。,满足工作性的情况下，用水量要小满足强度的情况下，水泥用量少，细掺量多掺材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求掺加新型高效减水剂，改善与提高混凝土的多种性能,（1）配合比设计简述 HPC配合比设计的基本原则,5.1 全计算配合比设计方法,混凝土配合比组成图,流态混凝土(FLC),高性能混凝土(HPC),高强混凝土(HSC),混凝土配料及搅拌系统(PLC),混凝土配合比设计方法,两个基本方法:绝对体积法;假定容重法共同点:强度与水胶比的关系都遵从波罗米公式 fcu,p=Afcu,km(c)/m(w)B不同点:前者以1m3混凝土绝对体积为基础;后者以假定混凝土容重为一定值(正常2400kg/m3)为基础.,高性能混凝土配合比设计方法,美国Metha和Aitcin教授推荐的方法法国路桥试验中心(LCPC)建议的方法日本阿部道彦方法基于最大密实度理论的方法 Domone.P.L.J的方法 Carbouari.B.T的方法 清华大学陈肇元,王怀德的方法-颗粒堆积密度计算线形模型的修正,高性能混凝土配合比设计的计算机化,法国路桥中心 LCPC软件Dunstan.M.R.H方法Day.K.W的Couad配合比设计系统陈肇元-王怀德设计系统,对国内外多种设计方法的评述,经验性,半定量设计方法通常体系较庞杂,包括CAD设计核心参数用水量和砂率仍多为经验取值根源:未掌握和揭示混凝土材料内在组分关系其中以美国Mehta和Atitcin教授的方法有较多的可取性.,从理论上推导确定了用水量VW和砂率SP的计算公式:,（2）全计算配合比设计,用水量通式:,砂率通式:,就使混凝土全计算配合比设计成为可能.,该两式加上著名的波罗米公式:,特点:,建立了普遍适用的混凝土体积模型。数学推导确定了用水量和砂率的计算公式。建立了混凝土全计算配合比设计新方法。1）混凝土各组成材料（包括固、液、气三相）具有体积加和性。2）石子的空隙由干砂浆来填充。3）干砂浆的体积由水来填充。4）干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气隙所组成。,普遍适应的混凝土体积模型,以此模型为基础，用数学方法推导出用水量和砂率计算公式，,砂率通式：,公式的推导及物理意义的表述,S=g 则,对HPC，Ve=350L，Ves=450L则,用水量通式：,令 c=3.15kg/L，f=2.51kg/L Ve=350L，Va=20L则,或,（碎石混凝土，A=0.46，B=0.07）,HPC全计算配合比设计步骤:三公式+现行规范,配制强度水胶比用水量,全计算配合比设计的步骤与讨论,胶材组成与用量砂率超塑化剂掺量试配与配合比调整,表1 HPC配合比计算结果（单方混凝土组成材料用量）,例证,表2 HPC配合比计算结果（单方混凝土组成材料用量）,例证,表3 HPC计算配合比与美国HPC配合比对比,例证,表4 HPC计算配合比与美国HPC配合比对比,例证,配制强度与水胶比之间的关系,配制强度与用水量之间的关系,HPC砂率与用水量之间的关系,HPC砂率与配制强度之间的关系,建立了普遍适用的混凝土体积模型，以此为基础推导求得了两个重要的基本关系式，即用水量和砂率公式。这两个公式揭示了混凝土组成材料内在的客观规律和必然联系，成为HPC全计算配合比设计的基础。它使得HPC配合比设计从半定量走向定量、从经验走向科学，是混凝土配合比设计上一较大的改进。,结语,由于模型的普遍适用性，这两个基本关系式及全计算配合比设计方法不仅适用于高性能混凝土，也适用于普通混凝土、高强混凝土、流态混凝土及其它混凝土。用本方法设计的HPC配合比与美国资料中的HPC配合比总体上完全一致。本技术在北京、厦门、珠海等全国各地应用，效果良好，大大降低了试验工作量，提高了工作效率及可靠性，受到质检站、混凝土公司工程技术人员的普遍欢迎。,第二章 纤维混凝土,也称纤维增强混凝土,它是在混凝土基体中均匀分散一定比例短而细的纤维,以提高混凝土的韧性、抗拉、抗弯、抗冲击等性能的一种特种混凝土。,1.纤维混凝土的概述1.1 纤维的发展 目前使用的纤维主要有：高弹性模量纤维:钢纤维、玻璃纤维、碳纤维(可大幅度提高混凝土的抗拉、抗弯强度及韧性)低弹性模量纤维:聚丙烯、尼龙、芳纶、聚酯纤维(变形较大，虽对强度贡献不大，却可大幅度提高其韧性)近来合成纤维发展较快，使用量已占混凝土总量的7，已超过先期开发的钢纤维混凝土(3)。,改性聚丙烯纤维(合成纤维的代表)普通聚丙烯纤维有柔性大、不吸水的缺点，因此易结团，与水泥搅拌较为困难。近年做了如下改性：根据异相成核理论，在聚丙烯中加入成核剂共混材料，改变其结晶行为，使纤维表面出现部分微孔，因而提高纤维的亲介质性，可与水泥结合得更好。通过增加改性纤维的刚度，同时提高短切改性纤维在水中也的分散悬浮性，使水泥的拌和性得到了改善,1.2 纤维混凝土对纤维的要求为高拉伸强度:应比水泥基体的拉伸强度高2个数量级；高弹性模量:以便在受荷载时能分担较大的拉力；高变形能力:增加混凝土的延性；高粘接强度:提高纤维与混凝土的粘接作用；高 耐 碱 性:在水泥碱性水化产物环境中不受侵蚀；,水泥混凝土专用聚丙烯网状纤维,聚丙烯纤维,包装好的聚丙烯纤维,纤维拉伸试验,2.钢纤维混凝土,钢纤维混凝土是一种新型复合建筑材料。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土以其优良的抗拉、抗弯、抗剪、抗裂、阻裂、耐冲击、抗疲劳、高韧性等性能受到国内外学术界和工程界的极大重视；钢纤维混凝土及其配筋构件和结构性能的试验研究、理论分析、数值模拟、设汁方法较为完善；钢纤维混凝土的工程应用领域涉及道路桥梁工程、水利工程、港口工程、铁路工程、矿山工程、军事工程等。,2.1 钢纤维的生产方法2.1.1 钢丝切断法 用冷拔钢丝，按照规定的长度用切刀、冲床或旋转刀具切断成短纤维。冷拔钢丝制作的钢纤维的抗拉强度可达1000一2000MPa。但是它的表面较光滑，与混凝土或水泥砂浆基体粘结强度较差。为了增强钢纤维与基体的粘结强度，通常可改变钢纤维的外形，即生产异型钢纤维。其常用的方法有：(1)压棱法:在切断钢丝前，压出棱形凹坑后再切断。(2)波形法:在切断钢丝前，夹出波形后再切断。(3)弯钩法:在切断钢丝前，用进给钢丝的夹送辊等距离压出弯钧后再切断。,2.1.2 薄钢板剪切法 用冷轧薄钢板剪切而成。剪切前，用特制的小型纵剪机将冷轧薄钢板剪成带状钢卷。其宽度与钢纤维的长度相同，然后将带状钢卷连续送入旋转刀具或普通冲床切断成矩形截面的钢纤维。3.1.3 厚钢板铣削法 用旋转的平刃铣刀对厚钢板或钢锭进行铣削而成。铣削时钢纤维产生很大的变形，轴向扭曲，截面为月牙形，与混凝土或水泥砂浆基体的粘结性能良好。,2.1.4 熔钢抽丝法(简称熔抽法)用电炉将回收的废钢融成1500一1600的钢液，然后在钢液表面，以一个高速旋转的熔抽轮接近钢液，熔抽轮上按照所需要的钢纤维尺寸的要求，刻出许多槽子。当熔抽轮下降到钢液面时，钢液被槽刮出，以高速旋转的离心力抛出，以极快的速度冷却成形。熔抽轮内必须通水，以保持冷却速度。,、钢丝；、胎具；、薄钢板；、切削刀轮；：钢纤维；、钢锭；、运送；、熔钢；、熔抽轮。,（a）钢丝切断法；（b）薄钢板剪切法；（c）铣削法；（d）熔钢抽丝法。,2.2 钢纤维的类型 钢纤维的类型，可按外形、截面形状、生产工艺、材料品质、施工用途划分：2.2.1 按钢纤维的外形分,a、长直形；b、压痕形；c、波浪形；d和e、弯钩形；f和g、大头形；h、扭曲形,2.2.2 按钢纤维的截面形状分,圆形(a)、矩形(b)、月牙形(c)、不规则形(d),冷拉端勾形钢纤维,冷拉端勾形钢纤维,冷拉波浪形钢纤维,波浪形钢纤维,冷拉波浪形钢纤维,超细、超短、高强钢纤维(6mm),超细、超短、高强钢纤维(13mm单丝),预制件钢丝压痕筋,片状波纹形钢纤维,扭曲波浪形钢纤维,纤维切削机,2.3.1 钢纤维长度：不能太小，否则将影响其增强效率，但也不能过长，因为钢纤维太长不仅难以在混凝土中均匀分散，而且会在搅拌过程中结团，影响钢纤维作用的发挥。当钢纤维长度大于其临界长度时，钢纤维将产生拉断破坏，虽其强度得到了充分发挥，但增韧效果变差。钢纤维长度可为1560mm，常用的是2530mm。,2.3 钢纤维的几何及体积参数 表示钢纤维几何及体积的参数有钢纤维长度、直径(或等效直径)、长径比、体积率钢纤维含量等。,2.3.2 钢纤维截面的直径或等效直径：钢纤维与周围混凝土粘结面积与截面周界长度成正比，而拉力与截面面积成正比，二者的比值与钢纤维的直径有关，反映了钢纤维与混凝土的相对粘结面积。直径较大的钢纤维的相对粘结面积减小，不利于极限粘结强度的改善。通常钢纤维直径为0.3-1.2mm,2.3.3 钢纤维的长径比：长径比指钢纤维的长度与直径或等效直径之比，长径比越大，对混凝土的增强效果越好。但如果过大，钢纤维的破坏不是拔出而是拉断，影响增韧效果；另外，过长过细的钢纤维与混凝土的拌合过程中容易结团弯折，使钢纤维难以均匀分布和配向良好。若长径比太小，钢纤维易于拔出，其承载力下降，对混凝土的增强作用降低。因此，长径比通常为30一100，用得最多的是50一70。影响长径比的主要因素为钢纤维混凝土界面粘结强度和钢纤维自身抗拉强度，界面粘结强度越高，其值相应减小，钢纤维本身抗拉强度越高，其值相应增大。,2.3.4 钢纤维体积率：指钢纤维所占钢纤维混凝土体积的百分数，钢纤维体积率的大小，决定了对混凝土增强增韧的程度以及破坏形态。但是钢纤维体积率也不能过大，钢纤维过多将使施工拌合更加困难，钢纤维不可能均匀分布，甚至严重结团；同时包裹在每根钢纤维周围的水泥胶体少，钢纤维混凝土就会因钢纤维与基体间粘结不足而过早破坏。因此，为了钢纤维作用的有效发挥，用钢纤维增强普通和高强混凝土基体的钢纤维体积率不宜低于0.5，也不宜大于3，以0.6一2为宜。,2.4 钢纤维的性能（特点）2.4.1 抗拉强度:为使钢纤维混凝土具有良好的力学性能，要求钢纤维具有一定的抗拉强度。试验表明，用冷拔钢丝切断的钢纤维抗拉强度较高，一般为6001000MPa，剪切型、熔抽型和铣削型钢纤维的抗拉强度一般为380一800MPa。由于普通钢纤维混凝土主要是由于钢纤维拔出而破坏，并不是因为钢纤维拉断而破坏，钢纤维在破坏时承受的最大拉应力为100-300MPa，因此,只要钢纤维的抗拉强度在380MPa以上一般能满足使用要求。,2.4.2 弹性模量：弹性模量为200GPa，极限延伸率为0.5一3.5。2.4.3 粘结强度：由于钢纤维混凝土的破坏主要是因钢纤维拔出引起的，因此提高钢纤维与混凝土基体界面的粘结强度是十分重要的。粘结强度的提高除与基体的性能有关外，就钢纤维本身来说。应该从改进钢纤维表面和形状来改善它与基体的粘结性能。常用的方法有：使钢纤维表面粗糙化，截面呈不规则形状，增加与基体的接触面积和摩擦力；将钢纤维表面压痕，或压成波形，增加机械咬合力；使钢纤维两端异型化，将两端制成弯钩或大头形等，以提高其粘固力或抗拔力。,2.4.4 硬度：要求钢纤维的表面硬度较高，在与混凝土一起搅拌时，不发生弯折现象。2.4.5 耐腐蚀性：浇筑在钢纤维混凝土内部的钢纤维，只要捣固密实，与空气隔绝，钢纤维一般不发生锈蚀现象。暴露于泥凝土表面或在裂缝宽度超过0.25mm时，跨越裂缝处的钢纤维易锈。,2.5 钢纤维混凝土的基本性能钢纤维混凝土在多轴应力状态下的力学性能极为复杂，建立一套形式简单、精度满意的强度理论和计算模型是十分困难的。因此简单受力状态下直接由试验得到的强度值等性能指标是钢纤维混凝土设计与应用的主要依据，也是钢纤维混凝土设计与应用的基础。,2.5.1钢纤维混凝土抗压强度由于钢纤维混凝土抗压强度受钢纤维性能及其体积率的影响较小，并且与抗拉强度、抗折强度等相关性很差，因此在评定强度时，钢纤维混凝土立方体抗压强度的重要性远不及普通混凝土立方体抗压强度。,2.5.2 钢纤维混凝土抗拉强度 抗拉强度是钢纤维混凝土重要的力学性能,影响钢纤维混凝土抗拉强度的主要因素是钢纤维和基体的特性以及钢纤维体积率、长径比。当钢纤维体积率在1一2范围内，抗拉强度提高40一80；当混凝土基体强度提高时，抗拉强度的提高率更大。国内外大多采用劈裂法测定钢纤维混凝土的抗拉强度，钢纤维混凝土劈裂抗拉强度的试验方法与普通混凝土基本相同。,2.5.3 钢纤维混凝土抗折强度 钢纤维混凝土在路面、桥面、机场跑道等领域的应用中主要是承受弯曲应力。研究钢纤维混凝土的抗折强度，为设计提供数据和作为检验施工期钢纤维混凝土质量的指标，具有重要的实际意义。钢纤维混凝土小梁弯折试验是测定钢纤维混凝土抗拉强度的间接试验方法，所得到的抗拉强度称为抗折强度。钢纤维混凝土抗折强度的试验方法与普通混凝土基本相同。当钢纤维体积率在1一2，抗折强度约提高60一120。,2.6 钢纤维混凝土主要应用,在铁路工程中，钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕以及铁路桥面防水保护层。钢纤维混凝土在水利工程中的应用比较广泛，主要用于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位，如送洪道、泄水孔、有压输水道、消力池、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大坝防渗面板以及护坡等。在建筑工程中，钢纤维混凝土主要用于预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等。钢纤维混凝土在公路中的应用十分广泛，已遍及公路桥梁、桥面铺装、城市快速路高架桥面、公路路面和机场道面等工程领域。,2.7 钢纤维混凝土的配合比设计 由于钢纤维混凝土拌合料的持性和工程应用特点，钢纤维混凝土配合比应根据对钢纤维混凝土的使用要求和钢纤维混凝上配合比的特点进行合理的设计。,2.7.1 配合比设计的基本要求 钢纤维混凝土配合比设计的基本目的是使组成材料在设计配制成钢纤维混凝土后满足下列要求：(1)满足结构设计和质量验收的强度要求。对建筑工程一般应满足抗压强度和抗拉强度的要求；对路(道)面工程一般应满足抗压强度和抗折强度的要求。(2)满足施工和易性的要求。(3)满足耐久性的要求。(4)满足经济性的要求。在满足工程要求的条件下，充分发挥钢纤维的增强作用，尽量降低高价材料(如水泥、钢纤维)的用量，降低钢纤维混凝土的成本。,2.7.2 配合比设计的特点钢纤维混凝土的配合比设计与普通水泥混凝土相比，其主要特点有：(1)配合比设计除由抗压强度控制外，还应根据工程性质和要求，分别按抗折强度或抗拉强度控制，以充分发挥钢纤维混凝土的增强作用。(2)配合比设计时，应考虑掺入到拌合料中的钢纤维能分散均匀，并能使钢纤维的表面包满砂浆，以保证钢纤维混凝土的质量。(3)在拌合料中加入钢纤维后，其和易性有所降低，为了获得适当的和易性，有必要适当增加单位用水量和单位水泥用量。,2.7.3 钢纤维混凝土配合比设计原理(1)以抗压强度与水灰比、水泥强度等级的关系确定水灰比；(2)以抗拉强度或抗折强度与水灰比、钢纤维体积率的关系确定钢纤维体积率(3)在初步确定水灰比和钢纤维体积率后，根据和易性的要求确定砂率和用水量，得到计算配合比；(4)在计算配合比的基础上，通过试验并结合施工现场的条件调整计算配合比，以考虑钢纤维混凝土原材料品种、类型的差异以及施工条件的影响，得到最终的施工配合比。,2.7.4 配合比设计方法在进行钢纤维混凝土配合比设计时，需预先明确钢纤维混凝土的各种技术要求，包括钢纤维混凝土的强度要求、耐久性要求、和易性要求。对各项原材料需预先进行检验，明确所用材料的品质及技术指标，包括(1)钢纤维的类型、形状、直径与长度；(2)水泥品种及强度等级；(3)砂的细度模数及级配情况；(4)石子的种类；(5)是否掺用外加剂及掺合料；(6)水泥的密度，砂石的表现密度、密度及吸水率等。,设计钢纤维混凝土配合比的主要步骤可概括为：(1)估算初步配合比；(2)试拌调整，得出供检验强度及耐久性的基准配合比试祥，得出满足和易性要求的配合比；(3)进行钢纤维混凝土强度及耐久性检验，确定满足各项设计指标要求的钢纤维混凝土的配合比。,(一)初步配合比计算 1水灰比的确定由于钢纤维混凝土的抗压强度主要取决于水泥石的强度及其与骨料间的粘结力，水泥的强度及其与骨料间的粘结力又主要取决于水泥强度等级和水灰比的大小，而钢纤维的体积率或长径比对抗压强度影响不大(仅可提高抗压强度的5一10)。因此钢纤维混凝土的水灰比可按普通混凝土的抗压强度与水泥强度等级、水灰比的关系式求得：,28=Ace(C/W-B),2.钢纤维混凝土的配制抗压强,3钢纤维体积率的确定对于有抗压强度和抗折强度要求时，钢纤维体积率的确定 根据抗折强度和由抗压强度确定的水灰比及水泥抗折强度确定钢纤维体积率 根据抗折强度和由抗压强度确定的水灰比及水泥抗压强度确定钢纤维的体积率对有抗压强度和抗拉强度要求时，钢纤维体积率的确定,cuo=cuk+t,4.单位体积用水量的确定 5.砂率的确定 6.单位体积内砂、石用量的确定(二)检验强度及耐久性，确定钢纤维混凝土配合比,纤维混凝土其它应用,钢纤维混凝土雨水井盖,钢纤维混凝土沙井,定义：（自密实混凝土，简称SCC）能够保持不离析和均匀性，不需要外加振动完全依靠重力作用充满模板每一个角落、达到充分密实和获得最佳的性能的混凝土。,第三章 免振自密实混凝土,2004年中国工程建设标准化协会编制了自密实混凝土应用技术规程（征求意见稿）2005年5月，全国首届自密实混凝土技术国际学术会议在中南大学召开，就自密实混凝土原材料、配置技术、工作性、材料性能、结构性能、施工与应用技术进行交流和探讨。,一、自密实混凝土的优点1.能够在困难断面或密集钢筋结构中完成混凝土的浇筑,保证质量,减少缺陷;2.不需要震动捣实,简化了混凝土浇筑过程;3.施工速度快,节省劳动力;4.混凝土匀质性好,构件外观好,不透水性好;5.模板使用寿命长;6.由于无需震动捣实,减少了施工噪声。,二、自密实混凝土工作性评价方法 SCC 工作性的评价是进行配合比设计和现场质量检验的基础。为了方便有效地评价SCC 的高流动性、高稳定性和穿越钢筋间隙能力,发展了一些新试验方法,如倒坍落度筒、L型仪、U型箱、J环、牵引球粘度计、密配筋模型填充试验等。,L仪流动度试验 L型流动仪法是先将混凝土装在L型筒的竖直筒内,再将插板提起使其向水平槽内绕过钢筋流动。通过测定最终流动时间及混凝土在水平槽内的坡度来判断混凝土的自流平特性。,自密实混凝土透过间隙扩展度670mm,普通混凝土透过间隙扩展度650mm,混凝土阻滞性测定仪,混凝土流变仪,流动性和粘性检测装置，这个设备由一个有出口的圆锥体和一个流动度测试平板装配组成。,测试两个指标：1、扩展度；2、流完所需时间,扩展度测量,自密实混凝土的粘度通过漏斗中混凝土流出时间 tTr 确定。通常情况下自密实混凝土的流出时间 tTr 在 520s之间。,V形漏斗，测量粘稠性和抗离析性,U型箱测量混凝土通过钢筋间隙与自行填充模板角落的能力,矩形箱,三、自密实混凝土性能要求 自密实混凝土除了满足混凝土基本力学性能和耐久性要求外，还要达到高流动性稳定的自密实要求:1.流到 50cm的时间 515s 2.漏斗流下时间 520s 3.填密度 90%4.U形或箱形填满高度 300mm,四、自密实混凝土应用,、汉江桥钻孔灌注桩：在水下混凝土浇筑的施工中,由于受到限制,无法进行振捣,选择自密实混凝土。、株州体育场钢管混凝土劲性柱、斜拉结构柱：在钢管柱底部适当位置开孔并焊接带单向阀的混凝土输送管，利用混凝土泵的压力将自密实混凝土自下而上挤压顶升灌入钢管内，直至注满整根钢管。,、华京大厦改造工程：板柱抗震墙框剪结构，结构和配筋复杂，选择C40自密实混凝土，浇筑混凝土施工中,对梁、柱模板采用橡皮锤或木锤进行敲击辅助振动，确保了混凝土内部和外观质量。,自密实混凝土制作盖板构件,泵从下面将混凝土压入模板,五、SCC流变机理分析,新拌混凝土是由固、液、气三相组成的一种非匀质、各项异性的黏-弹-塑性混合材料，而且是一种骨料悬浮在水泥浆体中的悬浮体。其流变性能符合普通Bingham流体模型,Bingham模型是由牛顿流体模型和圣维南固体模型并联，再与虎克固体模型串联而成。流变方程为：t=t0+0dv/dt 式中：t剪切应力；t0屈服应力；0黏度系数；dv/dt剪切速率。,黏度系数0和屈服应力t0是反映SCC工作性的2个主要参数：首先要得到较高的流动性的拌合物应当减小t0，而要确保混凝土稳定性，不出现离析和泌水，又要求拌合物具有足够的塑性黏度0，使骨料悬浮于水泥浆中。当普通混凝土采用机械振捣时，因触变作用令t0大幅度减小，使振动影响区内的混凝土呈液化而流动并密实成型。而SCC必须靠自身的力量使得t0减小到适宜范围，这样才能获得所需的流动性，同时由于有足够的塑性黏度0，保证了能自由流淌的混凝土充分填充模型内的空间，形成密实且均匀的结构。,从流变学模型出发设计良好工作性的SCC，必须在早期塑性阶段有和谐的屈服应力及塑性黏度。具体措施：降低剪切屈服应力：采用高效减水剂对水泥产生的强烈分散作用，减小颗粒的表面张力。高效减水剂在水泥粒子界面的吸附和形成的双电层，使水泥粒子间产生静电斥力作用。拆散其絮凝结构，释放约束水，水泥粒子间相互滑动能力增大，使混凝土开始流动的屈服剪切应力降低，获得高流动性能。同时能有效控制混凝土用水量，保证力学和耐久性的要求。,获得高稳定性：加黏度改性剂，如增稠剂，使SCC必须具有较好的抗离析性，不泌水、不离析，为了解决其流动性与抗离析性的平衡，另外掺加矿物掺合材料，使新拌混凝土具有较强的保水能力，并使浆体在不降低新拌混凝土流变性能条件下具有抵抗离析所需要的黏性。,六、自密实混凝土的配合比设计 制备自密实混凝土就是在保证所需强度的前提下,通过合理选择原材料及比例,使t0减小到适宜范围,同时又具有足够的0值,获得既具有高流动性,又不出现离析泌水的混凝土拌合物。、原材料 a、水泥 优先选择C3A 和碱含量小、标准稠度需水量低的水泥。,b、骨料 粗骨料针片含量少,最大粒径一般在16mm20mm范围。细骨料宜选用级配良好的中砂或粗砂,小于0.125 mm 的细粉不低于10%。c、化学外加剂 宜采用减水率20%以上的高效减水剂,除此之外,还需掺入增粘剂和引气剂等外加剂。,d、矿物掺合料粉煤灰:改善SCC的流动性,有利于硬化混凝土的耐久性。微硅粉:改善SCC 的流变性能和抗离析能力,提高硬化混凝土的强度和耐久性。磨细矿渣:改善和保持SCC 的