一级结构基础辅导:高强轻质混凝土的应用与发展

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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。

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