建筑工程新型混凝材料研究

作者：江湖笑笑生目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状11.2.1相关领域国内外技术现状、发展趋势11.2.2国内现有工作基础31.2.3课题单位现有工作基础51.3本文研究的内容和目标61.3.1研究目标61.3.2研究与开发的主要内容62影响新型混凝土几个因素的分析82.1水胶比对新型混凝土性能的影响82.1.1水胶比对高性能混凝土抗压强度的影响82.1.2不同水胶比对高性能混凝土的影响92.1.3不同水胶比抗压强度及CL离子通电实验结果102.2外加剂种类与掺量对新型混凝土性能的影响112.2.1外加剂种类对新型混凝土性能的影响122.2.2不同外加剂掺加量对新型混凝土力学性能的影响123新型混凝土发展的重点领域153.1概述153.2新型混凝土的简介153.3例举及特点164建筑工程新型混凝土材料应用特点分析204.1活性粉末混凝土204.1.1活性粉末混凝土定义204.1.2RPC的发展和应用前景214.2纤维混凝土224.2.1纤维混凝土发展史224.2.2纤维混凝定义234.2.3纤维混凝类别234.2.4纤维混凝发展和应用前景254.3生态混凝土264.3.1生态混凝土概念264.3.2生态混凝土分类274.3.3生态混凝土性能特点274.3.4应用现状274.3.5发展趋势285结论281绪论1.1选题背景随着世界经济和科技的发展，建筑形式也在逐步发展。而混凝土有原料相对丰富，价格相对低廉，生产的工艺也相对简单的优点，因此其使用量也越来越大，并且新型的混凝土抗压的强度高，其耐久性也比较好，强度的等级范围较宽，所以使用范围也更加广泛，不仅一些土木工程使用新型的混凝土，机械工业、造船业、地热工程、海洋开发等其他作业中，新型的混凝土也占据重要的位置。总之，随着维持社会的可持续发展、保护环境和保持生态的多样性的呼声不断高涨，新型的混凝土材料在应用方面也会得到各国环境和材料学者的密切重视。混凝土技术的发展已有170多年历史，在此发展过程中，曾经出现几次影响深远的变革：1919年发现了水灰比定理；1938年发现了引气剂；60年代初出现高效减水剂。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，让既有良好的工作性，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。HPC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。这给我们提出一个新的课题“建筑工程新型混凝土材料研究”。1.2国内外研究现状1.2.1相关领域国内外技术现状、发展趋势钢筋混凝土结构自诞生以来，经历了两个世纪的发展，已经成为当今世界土木工程领域主要的结构形式。混凝土作为其中主要的抗压和填充材料，起着保护钢筋、提高结构耐久性、提升构件抗压承载力、调节结构整体周期频率指标的重要作用，其各方面特性直接影响到结构的安全性、可靠性、适用性以及经济性。随着我国综合国力的提升，以及环境友好型社会和新时代新发展理念的提出，土木工程材料学作为一项重要基础性研究课题，是决定整个建筑业转型和工民建结构推陈出新的关键一环。为改善传统混凝土自重大、抗裂性差、抗弯能力低、高耗能、性能单一等弊端，以自愈混凝土、生态型混凝土、聚合物混凝土、泡沫混凝土等为代表的新型混凝土发展迅速，针对其配制过程、骨料与添加剂配比、应用技术、有限元特性、本构关系等方面的学术研究逐步展开，并越来越受到国内外学者的重视。图1-1 万神殿：公元128年Hadrin大帝时期建造的一座建筑物，它的圆形壁厚6.1m；穹顶的直径43.3m、高21.6m，使用了12000吨轻混凝土。随着当前建筑工程施工技术水平的提升，研发人员开发出了很多新型混凝土材料，得到了广泛的应用。在传统混凝土施工过程中，施工单位非常重视混凝土的强度，忽视了混凝土的耐久性，导致混凝土经常出现裂缝问题，从而影响到工程建设施工质量。为了保证工程建设施工质量，施工单位要依托现有施工技术，分析新型混凝土的特性，控制好配合比，明确施工技术标准，提升施工质量。图1-2 美国桥梁破坏案图1-3 施工破坏图1-4 经济损失鉴于以上叙述，迫切需要课题成立，对于新型混凝土的研究迫在眉睫。1.2.2国内现有工作基础我国以前在建筑工程新型混凝土方面的研究较少。近年来国家加大可对该项技术的研究。进入新世纪以来，我国的工业生产水平不断提升，这有力地促进了社会经济的发展，但同时也造成了对环境资源的破坏，如何对废弃的矿物材料进行再利用引起了越来越多人的重视。其中，将废弃的矿物材料进行简单的处理后用于混凝土的掺合料不失为一个有效途径。事实上，针对粉煤灰等传统矿物掺合料在混凝土中的应用研究已经开展了多年，而且经过实践检验被证明对混凝土的结构和性能具有改善作用。但因为受到我国工程建设项目大力发展的影响，这些传统的矿物材料逐渐开始短缺，所以有必要开发出更多新型的矿物掺合料。对新型矿物掺合料在混凝土中的应用进行研究适应了绿色环保的要求，表现出了显著的经济、社会和环境效益。图1-5 大规模基础设施建设在1992年，吴中伟首次将高性能混凝土介绍到国内。如今，我国高性能混凝土的研究、应用发展迅速。随着高性能混凝土的性能不断地得到认可，混凝土应用技术的进步，城市建设速度的加快。高性能混凝土获得了迅速发展。高性能混凝土在实际工程中获得了越来越广泛的应用，尤其是在高层建筑、大跨度桥梁、海上采油平台、矿井工程、海港码头等工程中的应用日益增多。例如：上海金茂大厦（C60）、北京静安中心大厦（C80）、辽宁物产大厦（C80）、南京希尔顿国际大酒店（C50）、长春国际商贸城（C55）、广州虎门大桥（C50）、上海杨浦大桥（C50）等都是应用的典范。全国很多研究单位已经研制出普通泵送高性能混凝土、大掺量粉煤灰高性能混凝土、高流态自密实高性能混凝土、纤维增加高性能混凝土、轻骨科高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工与海工高性能混凝土、高抛纤维高性能混凝土等等，研制出C50以上的各种强度等级的高性能混凝土和完备的混凝土耐久性检测设备，以及掌握了配套的施工成套技术和各种混凝土耐久性检测技术等。对于新型高效混凝土减水剂而言：20世纪60年代初，我国市场出现了三种高效减水剂，它们是萘磺酸盐甲醛缩合物、多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物和三聚氰胺磺酸盐甲醛聚合物，并开始得到广泛应用。而20世纪80年代初出现了以聚丙烯酸盐为代表的聚羧酸盐系超塑化剂，从时期上划分，被称为新型高效减水剂。伴随着高性能混凝土的发展，新型减水剂的研究、开发和应用得到许多国家的重视。1.2.3课题单位现有工作基础我局对景远建材有限公司等从事混凝土生产研究的企业进行实地走访。这些企业通过引进或自主创新，对于新型混凝土有着较为成熟的研究的使用经验。我局借鉴相关经验理论，着重研究了外加剂种类与掺量对新型混凝土性能的影响。水灰比取0.35不变，采用不同成分组合，不同掺量的外加剂进行HPC的抗压、抗折、抗冻、抗渗以及早期抗裂试验。对拌合混凝土的工作性能、抗压强度、耐久性等进行研究，汇总试验数据并进行规律总结。相关学者和厂商就开始了对利用废弃玻璃来生产混凝土的研究，而且经过多年的发展，已经开发出了两种应用方式：第一，用废弃玻璃来替代部分砂石；第二，用废弃玻璃来替代部分水泥。前者是将废弃玻璃作为骨料，而后者则将其作为辅助凝胶材料来使用。我局将其作为辅助凝胶材料来使用。除此之外，钢渣粉，镍渣粉，石灰石粉都成为我们作为新型混凝土外加剂的研究对象。研究发现，用普硅水泥、玻璃粉、硅灰和减水剂是可以制备强度高达100MPa以上的活性粉末混凝土。当玻璃粉的掺量在20%以内时，混凝土的强度随着玻璃粉掺量的增加而增大；当玻璃粉掺量达到30%时，强度略有降低。经过微观测试观察发现，磨细的玻璃粉通过填充作用进入到体系的孔隙中，提高体系的强度；同时玻璃粉自身也发生了火山灰反应，生成低碱度的水化硅酸钙凝胶，与周围水化产物相互交错连接成为一个整体，有效提高了该活性粉末混凝土的性能。废弃玻璃粉作为掺合料可用于制备自密实混凝土，试验结果表明废弃玻璃粉的最佳掺量为25%，并且掺入玻璃粉的混凝土结构致密，抗氯离子和抗侵蚀能力提高，并且玻璃粉后期发生水化生成的水化产物也能使体系结构变得更加致密，对混凝土后期强度增长有利。试验表明，相同掺量下玻璃粉混凝土具有比粉煤灰混凝土更好的力学性能、抗碱硅酸盐反应以及更低的电导率和更高的水泥水化程度。1.3本文研究的内容和目标1.3.1研究目标完成新型混凝土材料的研究并应用与推广。调研国内当前HPC混凝土研究应用现状，同时，完成国内外资料收集，试验研究方案设计等。采用试验法，以外加剂掺量、水胶比、砂率、养护方式四个因素为研究对象，分析不同因素对拌合混凝土工作性能以及硬化混凝土性能的影响，并根据使用需要确定最佳配合比范围。进行推广应用研究，收集应用过程中出现的漏项问题，并进行补充试验，完善研究内容。1.3.2研究与开发的主要内容1）水胶比对新型混凝土性能的影响新型混凝土的强度随着水泥用量的增加而提高。在其他条件不变的情况下，单增加水泥用量，相当于降低了水灰比，同时又减少了单位体积中水泥石内气孔的含量，从而大大提高了水泥石的强度，也就大大提高了新型混凝土的强度。外加剂掺量不变，分别取水胶比为0.25、0.3、0.35、0.4进行HPC的性能试验：（1）进行抗压和抗折强度试验，形成曲线图，并分析趋势线走势；图1-6 混凝土抗压和抗折强度试验曲线图（2）进行早期抗裂试验，确定水灰比对早期抗裂影响；早期容易出现裂缝现象，早期裂缝的贯穿深度大约为10厘米左右，宽度可达毫米级以上。有的在浇筑四至十二小时之内出现裂缝，有的在混凝土一拆模就产生裂缝。裂缝不仅对建筑物的美观造成致命的影响，还严重威胁建筑物的使用寿命以及安全性能。因此，研究粉煤灰对商品混凝土早期抗裂性能就有了较为现实的意义。早期抗裂性能的试验研究材料以及方法： 1、实验材料。粉煤灰：本次实验所选三氧化硫含量为2%、含水率为0.7%、烧失量为4%、需水比为91%、细度为9.2%的一级粉煤灰；水泥：实验选用新峰水泥厂生产的初凝时间为一百二十五分钟、终凝时间为二百五十分钟的42.5r的普通硅酸盐水泥；砂：所选砂的级配所属区是区，细度模数为2.36，轻物质含量为0.5%、泥块含量为0.2%，含泥量为1.5%，且堆积密度为每立方米1400千克，表观密度为每立方米2520千克；石子：实验选择的石子的针片状含量为7.8%，含泥量为0.4%，堆积密度为每立方米1420千克，表观密度为每立方米2580千克；拌合水：选用的拌合水为自来水；减水剂：选用的减水剂为泵送萘系减水剂。 2、实验中粉煤灰和混凝土的配合比例详细见表。 3、实验方法。本次实验的实验方法采取混凝土结构耐久性设计与施工指南中推荐的操作较为简单的混凝土早期抗裂性实验设计方法和实验评价方法，可以模拟混凝土早期收缩开裂的板式结构收缩状态，能够对混凝土的干缩性能有一个较为透彻地理解，将混凝土随着龄期的变化特点进行了较为直观地反映。 4、实验过程。使用五种掺量的粉煤灰浇筑混凝土试件，每一种不同的粉煤灰试件都要制作两组。浇筑完成后，会将试件静置于湿度为60%左右、温度为22摄氏度左右的环境中约20分钟，在这期间需要打开房间的风扇，确保试件的中心风速在每秒3米左右，在此试验下观察试件的3d裂缝，并同时对试件最大裂缝的宽度、不同时间段裂缝的数量以及首条裂缝出现的时间进行详细地观察。根据普通混凝土力学