用於型鋼混凝土組合結構強度等級為c80的混凝土的製作方法

2023-05-31 15:28:06

專利名稱：：用於型鋼混凝土組合結構強度等級為c80的混凝土的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種混凝土，特別涉及一種用於型鋼混凝土組合結構強度等級為C80的混凝土。
背景技術：
：型鋼高強高性能混凝土組合結構是新型高技術混凝土在型鋼混凝土(SRC)組合結構中的應用。其中，型鋼混凝土組合結構(簡稱SRC結構)是鋼一混凝土組合結構的一種主要形式，由於其承載能力高、剛度大及抗震性能好等優點，已越來越多地應用於大跨、重型結構和地震區的高層和超高層建築。SRC結構比鋼結構可節省大量鋼材，增大截面剛度，克服了鋼結構耐火性和耐久性差及易屈曲失穩等缺點，使鋼材的能力得以充分的發揮，一般可比純鋼結構節約鋼材50%左右。與普通鋼筋混凝土(RC)結構相比，型鋼混凝土結構中的配鋼率可比鋼筋混凝土結構中的配筋率大很多，因此可以在有限的截面面積中配置較多的鋼材，所以型鋼混凝土構件的承載能力高於同樣外形的鋼筋混凝土構件的承載能力一倍以上，從而可以有效地減小構件的截面尺寸，避免鋼筋混凝土結構中常出現的肥梁胖柱現象，增加建築結構的使用面積和淨空並減少建築的造價，取得顯著的經濟效益。在施工上，型鋼混凝土結構的鋼骨架可作為承受全部施工荷載(包括掛模與所澆混凝土)的支承體系，大大簡化了支模工程。由於SRC結構具有整體性強，延性性能好等優點，能大大改善鋼筋混凝土受剪破壞的脆性性質，使結構抗震性能得到明顯的改善，強度及延性均比RC結構有較大的提高，因此即使在高層鋼結構中，底部若干層也往往為SRC結構型式，如上海金茂大廈、深圳的帝王大廈、香港的九龍大廈和國際財政中心等。據日本1978年宮城縣衝地震的統計顯示，在調査的95幢層數為717層的SRC建築中，僅有13%(12幢)發生主體輕微損壞。因此在日本和歐美等發達國家，SRC結構與鋼結構、木結構、鋼筋混凝土結構並稱為四大結構。日本抗震規範規定高度超過45米的建築物不得使用鋼筋混凝土結構，而型鋼混凝土結構則不受此限制。我國也是一個多地震國家，絕大多數地區為地震區，部分地區位於高烈度區，因此在我國，特別是經濟欠發達而且受地震影響較大的西部地區推廣SRC結構就具有非常重要的現實意義。到目前為止，我國採用SRC結構的建築面積約為建築總面積的千分之一，而日本在六層以上的建築物中採用SRC結構的建築物佔總建築面積的62.8%。因此，SRC結構在我國有非常廣闊的應用前景，尤其隨著我國經濟實力的不斷增強及高強鋼材和高強高性能混凝土(他們是被公認的21世紀材料)的成功研製與應用，將促進這種結構體系的推廣應用。型鋼與混凝土之間良好的粘結作用是保證型鋼混凝土構件中型鋼與混凝土協調工作的基礎，型鋼、鋼筋和混凝土三種材料元件協同工作，以抵抗各種外部作用效應，才能夠充分發揮型鋼混凝土組合結構的優點。但型鋼混凝土結構與鋼筋混凝土結構的顯著區別在於型鋼與混凝土之間的粘結力遠遠小於鋼筋與混凝土之間的粘結力，型鋼與普通混凝土的粘結力大約只相當於光面鋼筋粘結力的45%。國內外諸多試驗研究結果表明，型鋼與混凝土之間存在著粘結滑移現象，且對SRC構件的受力性能有顯著影響。因此，如何保證型鋼與混凝土有效地協同工作成為型鋼混凝土組合結構研究的重點之一。目前工程設計中對型鋼與混凝土之間粘結滑移問題的處理方法一般有兩種其一是在構件表面加設剪切連接件，這樣勢必造成施工中的不便並提高造價；其二是降低構件的承載能力，以考慮粘結滑移的影響，這樣必然存在不經濟的因素。另一方面，在工程結構設計中普遍存在著重強度而輕耐久性的現象，國內外己出現過諸多混凝土結構在使用過程中的安全性和耐久性方面的問題。一些混凝土結構在使用不足設計年限一半即由於鹼骨料反應、氯離子侵蝕等原因而完全喪失使用功能乃至承載能力，個別工程甚至出現局部坍塌或整體倒塌，造成人員傷亡或建築設施破壞。
發明內容本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種用於型鋼混凝土組合結構的混凝土。該混凝土能改進型鋼與混凝土之間的粘結性能，並能提高結構的耐久性，而且具有良好的工作性能、高體積穩定性和經濟性。為解決上述技術問題，本發明是這樣實現的該混凝土的配合比是水泥粗骨料細骨料水高效減水劑矽灰粉煤灰為(單位Kg/m3):450:544:1156:156:12:30:120。所述高效減水劑選擇聚羧酸系高效減水劑，減水率大於25%。本發明的有益效果是1.本發明生產的混凝土是一種適用於型鋼混凝土組合結構的高強高性能混凝土。它在能確保其所應具備的力學(即強度和塑性)性能以及具有高耐久性、高工作性、高體積穩定性和經濟性的基礎上，大幅度地改進了混凝土與型鋼之間的粘結性能，使在型鋼混凝土結構設計中無需(或僅需少許地)在構件表面加設剪切連接件，即可保證型鋼與混凝土的有效協同工作，從而減少了施工工序，節約了鋼材，提高了施工效率，具有顯著的經濟效益。2.本發明中使用的高效減水劑相比其它類型的減水劑，其中不含有Na2S04，能進一步提高混凝土的耐久性。3.本發明生產的高強高性能混凝土是在普通混凝土生產工藝條件下實現的，生產原料均為當地可得的，便於大規模推廣應用，具有較好的社會效人/-4.本發明生產的高強高性能混凝土原料中含有大量的工業廢料，符合可持續發展的要求，是一種綠色混凝土。5.本發明是在不改變常規生產工藝的條件下生產的用於型鋼混凝土組合結構的高強高性能混凝土。具體實施例方式本發明是以改進型鋼與混凝土之間的粘結性能，並提高結構的耐久性為宗旨，來研究用於型鋼混凝土組合結構的高強高性能混凝土的製備技術。由於製作高強高性能混凝土所用的水泥品種質量高，並對活性礦物摻合料的加工要求高，加之高效減水劑、超塑化劑等基本原材料的研究與應用目前國內外均已取得了較大的進展，從而為上述研究宗旨的實現鑑定了基礎。同時，高強高性能混凝土要求的水泥用量較少，而生產水泥意味著二氧化碳的大量排放，從而一定程度地減輕了對地球造成的溫室效應；它要求有足夠數量的粉煤灰、礦渣等摻合料，意味著工業廢料的合理處置利用，將有利於形成良好的生產循環和環境保護，而這些條件正是改善混凝土材料自身性能所需要的。應用高強高性能混凝土可以節約原材料、延長工程使用年限，並最終保護生態環境和自然資源。綜上所述，用於型鋼混凝土組合結構的高強高性能混凝土的研究與開發將為更好地使用混凝土走出了一條可持續發展的道路。本發明研製的高強高性能混凝土除了與普通混凝土採用類似的材料一水泥、砂、石、水外，還加入了其不可缺少的組分高效減水劑和礦物摻合料。高強高性能混凝土與普通混凝土不同，其強度和性能均較普通混凝土有較大的提高。高強高性能混凝土的水灰比一般都小於0.38，而普通混凝土的水灰比一般在0.45以上，高強高性能混凝土的骨料最大粒徑亦小於普通混凝土。上述各項差異導致了高強高性能混凝土與普通混凝土在性能上有著很大的差別，通過加入礦物超細粉，高強高性能混凝土中骨料與水泥石之間的界面結構以及水泥石的孔結構均得到了改善，典型的緻密結構能擴展到骨料表面，從而使混凝土更加密實堅硬，混凝土的力學性能(包括與型鋼之間的粘結性能)和耐久性能均有很大的提高。與光圓鋼筋和混凝土的粘結相似，型鋼與混凝土的粘結力主要由化學膠結力、摩擦阻力和機械咬合力三部分組成。粘結力的每一構成部分都與混凝土的性能密切相關。化學膠結力是混凝土中的水泥凝膠體在型鋼表面產生的化學粘著力或吸附力，其(抗剪)極限值取決於水泥的性質和鋼筋表面的粗糙程度。澆築混凝土時，水泥漿體在鋼材的表面上產生表面張力，在表面張力的作用下，鋼材表面上的水泥漿體將形成自平衡；澆注混凝土一般要進行振搗，振搗力(擾動)能夠加強並加快水泥漿體向鋼材表面氧化層的滲透；在養護過程中水泥漿體結晶，進而晶體硬化形成化學膠結力。化學膠結力只在構件的原始形成狀態下存在，一旦發生連接面上的粘結滑移，水泥晶體就被剪斷並擠壓破碎，化學膠結力則喪失。影響化學膠結力的主要因數有混凝土強度、型鋼表面狀況、試件澆築方式與振搗程度以及後期的養護和混凝土的收縮情況。化學膠結力喪失後，由於鋼材表面的粗糙不平以及其它原因所引起的鋼材表面狀況變化(凹凸不平)，使其與接觸面上混凝土晶體顆粒咬合在一起，這樣就形成了機械咬合力。對於工廠生產並經後期處理的軋制工字鋼，一旦粘結滑移發展加大，鋼與混凝土接觸面上的混凝土晶體被壓碎整合，這時機械咬合力也基本上喪失。影響機械咬合力的主要因素為鋼材表面的粗糙程度與表面狀況、混凝土級配、混凝土強度以及試件的受力方式。型鋼周圍混凝土對型鋼的摩阻力亦是在混凝土的粘著力喪失後形成，且主要是在機械咬合力基本喪失後才發揮作用。當化學膠著力，尤其是機械咬合力喪失後，由於與型鋼接觸面上的混凝土晶體被剪斷壓碎且膨脹，加之保護層和箍筋等橫向約束，將在型鋼與混凝土的連接面上產生正壓力，加上連接面上摩擦係數較大，從而形成了摩擦阻力。摩擦阻力在化學膠結力喪失以後一直都存在，是型鋼與混凝土之間後期粘結力的主要部分。影響摩擦阻力的因素有型鋼的表面特徵、受力方式、混凝土級配以及影響橫向約束的因素(保護層厚度、配箍率、混凝土收縮)。本發明所要解決的關鍵技術問題是，在確保高強高性能混凝土所應具備的力學(即強度和塑性)性能以及具有高耐久性、高工作性、高體積穩定性和經濟性的基礎上，大幅度地改進混凝土與型鋼之間的粘結性能，使在型鋼混凝土結構設計中無需(或僅需少許地)在構件表面加設剪切連接件，即可保證型鋼與混凝土的有效協同工作。本發明從原理和設計原則上，打破"飽羅米"公式的限制，通過對比實驗法，同時考慮高效減水劑與水泥的相容性、骨料粒徑對材料強度及性能的影響以及礦物外加劑的火山灰活性等性能因素，選用優質粗細骨料並控制粒徑和級配，在材料中摻入一定量的高效減水劑和複合礦物超細粉，降低水灰比，立足於現有的地方材料，不改變常規生產工藝，充分利用礦物摻合料的填充效應和流化效應、高效減水劑與複合摻合料的超疊加效應，配製出力學性能(包括與型鋼之間的粘結性能)好、工作性能優異、耐久性能好、成本相對較低的適用於在型鋼混凝土結構中大量應用的高強高性能混凝土。礦物摻合料顆粒粒徑比水泥顆粒粒徑細小，能填充水泥顆粒之間的空隙。外部劣化因子對混凝土的侵蝕性很大程度上取決於混凝土的孔隙構造，而這正是造成混凝土耐久性問題的主要原因。當水泥石中大於0.1nm的大孔含量低時，將有利於混凝土的各項性能的改善，否則，對混凝土的強度、抗滲性能和耐久性能均不利。矽酸鹽水泥粒子粒徑為10.4nm，矽灰的粒徑小於lpm，平均粒徑為O.lMm，一級粉煤灰的粒徑小於lnm。當水泥與粉煤灰和矽灰按一定比例複合時，膠凝材料的孔隙率有很大的下降，水泥石的孔結構得到了改善，相應地混凝土材料的密實度提高。以礦物摻合料取代部分水泥後，還可以使水泥顆粒空隙中的一部分水分被填充其內的礦物摻合料擠出，隨之水泥淨漿的流動度增大。但也並不是所有的礦物摻合料都具有這種流化效應，主要是由於有的礦物摻合料的比表面積太大或者其本身具有多孔結構，雖然其取代水泥後能排出水泥淨漿中的部分水分，但由於其本身吸水或潤溼表面需要較多自由水，導致水泥淨漿的流動性並不增大。為了保證所研製混凝土的高工作性能，本發明採用高效減水劑和礦物摻合料雙摻的方法，當摻入了高效減水劑後，礦物摻合料顆粒吸附了高效減水劑分子，其表面形成的雙電層電位所產生的靜電斥力大於粉體粒子之間的萬有引力，促使粉體顆粒分散，並進一步加劇水泥顆粒的分散，使水泥淨漿的流動性增加，從而較好地改善了水泥漿體的流動性。對於普通混凝土，通常水泥漿體孔液中含有大量的鹼，其PH值可達到13，且骨料也具有鹼活性，因此當處於潮溼環境中時，其孔液中的氫氧根離子將與骨料中一定種類的矽發生鹼骨料反應，從而引起混凝土結構的膨脹和開裂。另外，氯鹽是一種最有害的侵蝕性化合物，當氯離子侵蝕到混凝土微結構中，將向析出的水泥水化相移動，並最終導致混凝土被侵蝕損壞。因此，改進混凝土的孔結構和抗滲透性能是提高其抵禦氯離子侵蝕能力的有效途徑。本發明採用低鹼水泥、活性矽含量小的骨料，並摻入礦物摻合料等措施來抑制鹼骨料反應和氯離子侵蝕。試驗結果表明，以摻入的矽灰取代一部分水泥後，可以有效地緩解甚至完全消除鹼骨料反應引起的膨脹。其作用機理是在混凝土強度發展之前，矽灰會迅速消耗掉孔液中的鉀鹼和鈉鹼，以使氫氧根離子濃度達到較低的水平；矽灰還會消耗掉由水泥水化釋放的氫氧化鈣。本發明的混凝土中加入礦物超細粉後，混凝土的導電量明顯下降，將氯離子滲透控制在很低的水平，從而實現了優良的耐久性。用於凝土材料的骨料應具有較高的固有強度、韌度和穩定性，以能夠抵禦各種靜態和動態應力、衝擊及磨蝕作用，而不會導致混凝土性能的下降。由於不同骨料的表面狀態不同，導致水泥漿體與骨料之間的粘結強度也不相同，通常情況下碎石較卵石有較高的粘結強度；另一方面，水泥漿體中含與不含矽灰時的粘結強度相差亦很大，摻矽灰時，水泥漿體與骨料之間的粘結強度比不摻時高得多。普通混凝土在破壞時，裂縫是沿著水泥漿體與骨料的界面出現的，骨料一般不會破壞，而高強高性能混凝土的破壞大多是由於骨料的破壞而導致的，因此骨料的性能對高強高性能混凝土的性能有較大的影響。本研究中選用的粗骨料為表面粗糙，級配良好的碎石。細骨料採用顆粒圓滑、質地堅硬、集配良好、含泥量小的中粗河砂。在型鋼與高強高性能混凝土的粘結性能試驗中，當型鋼與混凝土發生滑移後，型鋼表面與混凝土之間的化學膠著力喪失，當滑移較大時，型鋼與混凝土之間的機械咬合力也基本消失，其後的荷載主要由型鋼與混凝土之間的摩阻力承受，即依靠混凝土與型鋼接觸面上的混凝土晶體的抗剪來抵抗荷載。本發明研製的高強高性能混凝土中，隨著骨料強度的提高，混凝土強度也得到了較大增長，其抵抗剪切作用的能力也相應加強。所以，採用質地優良的碎石，可以提高型鋼與混凝土粘結力中的摩阻力部分。實施例(—)原材料1.水泥選擇質量性能穩定的P.O52.5R水泥，使用前需與高效減水劑進行流動性試驗，從而選擇與高效減水劑相容性好的水泥品種。所選水泥性能指標(包括細度、S03含量、MgO含量、初凝時間、終凝時間、3天強度、28天強度)必須達到國家相關標準的要求。2.骨料細骨料釆用顆粒圓滑、質地堅硬、集配良好的中粗河砂，砂的品質應達到GB/T14684—93建築用砂標準中規定的優質砂標準。其細度模數為2.53.4之間(配製的混凝土標號越高，砂的細度模數應儘量採取上限)，含泥量控制在1.0%以下。粗骨料採用質量緻密堅硬、強度高、表面粗糙、針片狀含量小、級配良好的石灰巖、花崗巖、輝綠巖等碎石。骨料母體巖石的立方體抗壓強度應比所配製的混凝土強度高20%以上。最大粒徑應控制在1020mm之間，含泥量控制在0.5%以下，針片狀顆粘含量不宜大於5%，且不得混入風化顆粒。3.粉煤灰採用燃煤工藝先進的電廠生產的I級粉煤灰。其燒失量不宜大於5%，S03含量不大於3%，需水量比宜不大於105%,比表面積應大於600m2/Kg。4.矽灰矽灰中的二氧化矽含量不應小於85%，平均粒徑0.10.2nm，含水率小於3%，燒失量小於6°/。，火山灰活性指數大於90%，比表面積不小於15000m2/kg。5.高效減水劑高效減水劑選擇聚羧酸系高效減水劑，減水率應大於25%。高效減水劑的摻量為全部膠凝材料總量的2%，採用同摻法，且使用前須與所選擇的水泥品種進行流動性試驗。6.拌合水選用自來水為拌合水。其質量應符合混凝土拌合用水標準JGJ63—89的規定。(二)配合比本發明對於將會在型鋼混凝土結構中大量應用的強度等級為C60C100的高強高性能混凝土提供的配合比如表1所示。表1用於型鋼混凝土組合結構的高強高性能混凝土配合比(單位Kg)complextableseeoriginalpage12(三)對比試驗結果按照上述配合比所配製的適用於型鋼混凝土組合結構的高強高性能混凝土與普通混凝土對比試驗的結果如表2所示(表中C30、C40、C50等級為普通混凝土)表2混凝土對比試驗結果complextableseeoriginaldocumentpage13上述試驗結果表明，按該技術製備的高強高性能混凝土，在能確保其所應具備的力學(即強度和塑性)性能以及具有高耐久性、高工作性、高體積穩定性和經濟性的基礎上，大幅度地改進了混凝土與型鋼之間的粘結性能，使在型鋼混凝土結構設計中無需(或僅需少許地)在構件表面加設剪切連接件，即可保證型鋼與混凝土的有效協同工作。權利要求1、一種用於型鋼混凝土組合結構強度等級為C80的混凝土，其特徵是該混凝土的配合比是水泥∶粗骨料∶細骨料∶水∶高效減水劑∶矽灰∶粉煤灰為450∶544∶1156∶156∶12∶30∶120，組分單位Kg/m3。2、根據權利要求1所述的用於型鋼混凝土組合結構強度等級為C80的混凝土，其特徵是所述高效減水劑選擇聚羧酸系高效減水劑，減水率大於25%。全文摘要本發明公開了一種用於型鋼混凝土組合結構強度等級為C80的混凝土，該混凝土的配合比是水泥∶粗骨料∶細骨料∶水∶高效減水劑∶矽灰∶粉煤灰為450∶544∶1156∶156∶12∶30∶120，組分單位Kg/m3。該混凝土力學性能(包括強度、塑性以及與型鋼之間的粘結性能)好、工作性能優異、耐久性能好、成本相對較低，並適用於型鋼混凝土組合結構。使用該混凝土減少了施工工序，節約了鋼材，提高了施工效率，具有顯著的經濟效益。文檔編號C04B28/00GK101195532SQ20071019912公開日2008年6月11日申請日期2006年3月22日優先權日2006年3月22日發明者亮張,磊曾,車順利,鄧國專,鄭山鎖申請人:西安建築科技大學