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1、1高强混凝土增韧减脆措施的研究摘要：高强度混凝土在国内外得到了广泛的应用，并且其强度等级也在不断的提升，但高强混凝土的脆性也往往给结构的耐久性、安全性带来巨大的威胁，因此研究如何提高高强混凝土的韧性、增加结构的延性具有重大的现实意义。当前高强度混凝土的增韧减脆主要通过两个方面的措施来实现：1. 从原材料的选择、配合比和制作工艺方面降低混凝土脆性；2. 混凝土与其他材料复合以提高混凝土韧性。其中复合是当前高强度混凝土增韧减脆的主要发展方向。Abstract: At home and abroad ，High-strength concrete have been widely used, and
2、 its intensity level are also constantly upgrading, but the brittleness of high-strength concrete is often a huge threat,to the durability and security of the structure, the study of how to improve the high-strength concrete toughness, increased ductility of the structure is of great practical signi
3、ficance. At the present, high-strength concrete are increased toughness and reduced britleness mainly through by two ways to achieve: 1. reducing concrete brittleness, by Selection and mix of raw materials, and production process; 2 composite concrete and other materials to increase concrete toughne
4、ss. Compositing concrete and other materials is the current main development direction , by the way high-strength concrete brittle toughened are increased toughness and reduced britleness.水泥混凝土是近现代最广泛使用的建筑材料，也是当前使用量最大的人造材料，与钢材、木材、塑料等其他常用建材相比，水泥混凝土具有生产能耗低，原料来源广，工艺简便，生产成本低等优点，另外它还具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。
5、因此，在今后相当长的时间内，水泥混凝土仍将是应用最广、用量最大的建筑材料 1。由于工程科技发展的需要，高强度混凝土在国内外得到了广泛的应用，并且其强度等级也在不断的提升。研究发现使用高强度混凝土，其综合经济指标能较高地补偿配制高强混凝土所增加的成本费用，而具有较好的技术经济效益 2。当前，高强度混凝土的好处已为许多人认同，可是己有的工程实践也相继暴露出它自身的一些弱点。高强混凝土的许多优良特性来自致密的细观结构和低水胶比，可后者也同时带来材料的脆性和易于收缩开裂的倾向。混凝土的脆性也往往给结构的耐久性、安全性带来巨大的威胁，因此，研究如何提高高强混凝土2的韧性、增加结构的延性具有重大的现实意义
6、。通常材料的强度与韧性是一对矛盾体，强度的增加会导致韧性的降低，所以提高水泥的强度就会导致其韧性的相对降低。脆性一般是指材料破坏过程中能量的消耗值，是和韧性相对的力学指标。脆性断裂的本质是材料在断裂临界点以前内部积累起来的最大弹性能快速转化为主要裂纹断裂表面能的能量转化过程。断裂表面能起着抵抗裂纹扩展，抑制材料断裂的作用，是材料脆性大小的一种量度，其值取决于材料的组成、结构等特性参数。因此从理论上来看降低材料的脆性实质上就是要提高材料的断裂表面能。由于原材料，制作工艺等方面的限制，混凝土内部存在大量的微裂缝及不均匀性，内部结构显得极端的复杂，因此降低混凝土的脆性就变得相对困难。国内外学者对混凝
7、土的脆性进行了大量的研究，从本质上讲，降低混凝土的脆性应寻找有效的方法，改善其内部结构，改善孔结构，降低孔隙率，改善水泥石与骨料过渡层的界面结构和性能，减少内部微裂缝，控制破坏时的微裂缝的开裂和扩展等。下面就介绍一下当前混凝土增韧减脆的一些方法，及相关方面的研究现况。1.从原材料的选择、配合比及制作工艺方面来降低混凝土脆性方法及研究混凝土的性能决定于其组成和内部结构，混凝土的组成材料中 ,砂石起骨架作用 ,不参与化学反应 ,水泥浆体则通过一系列的物理、 化学反应 ,逐渐硬化 ,将松散的砂石粘接在一起 ,组成坚固的混凝土整体。硬化混凝土由水泥浆体，界面过渡区和集料三个重要环节组成，因此，降低混凝
8、土的脆性，可以从提高混凝土水泥浆体、界面过渡区和集料的性能入手。水泥胶砂抗压强度与抗折强度之比值称为水泥的脆性系数，脆性系数的大小与水泥矿物有关，改变水泥中的矿物成分，可以改变水泥脆性系数。水泥中主要矿物成分是C3S、C 2S、C 3A 和 C4AF，C 2S 和 C4AF 的含量增加有利于降低水泥的脆性增加韧性而 C3S和 C3A 的水化产物则不利于水泥的韧性，因此应尽量减少其含量 3。通过提高水泥的韧性，在某种程度上也能提高相应混凝土的韧性，降低其脆性。高效减水剂及其他各种外加剂对高强棍凝土的发展及应用起到了至关重要的推动作用。科技工作者也希望通过掺加合适的外加剂来提高混凝土的韧性。尽管在
9、高强混凝土中加入引气剂会降低混凝土的强度，但却能够改善混凝土的韧性 4。另外，粉煤灰与复合早强减水剂双掺技术有显著的提高混凝土3抗折强度、降低脆性的效应 5。界面过渡区是由集料表面向水泥石本体过渡的区域，是混凝土中相对比较薄弱的部位。由于界面过渡区的水灰比较大，Ca(oH) 2 的含量大，结晶颗粒大且晶体取向生长，在受荷载前就充满了微裂缝，因此，改善混凝土界面性能，能够提高混凝土的断裂能和断裂韧度 5-6。合理选用胶凝材料、水灰比、制作工艺等来改善过渡区的性质，减少 Ca(oH)2 量，降低ca(oH)2 的取向生长，提高粘结力，减少微裂缝的数量。表面粗糙的集料可以降低 Ca(OH)2的取向，
10、选用高强低脆的最佳粗骨料粒径，可以一定程度的降低混凝土的脆性，而对于高强混凝土，选择不仅具有高强度且具有坚硬胶结物的非匀质集料如花岗岩，可增加脆性断裂能，进而大幅度降低脆性；活性矿物细掺料，如粉煤灰、硅粉、矿渣等，掺入可以消耗界面处 Ca(OH)2 并限制 Ca(OH)2 的取向，从而改善过渡层的性质，同时，矿物细掺料的填充作用，还可以降低过渡层的孔隙率。混凝土的搅拌、成型和养护等制作工艺也能影响界面的结构和性质。文献6显示，先用部分水润湿的砂、石和水泥搅拌再加剩余水的裹石工艺，可以使界面过渡层的 Ca(OH)2 生成量不富集，结晶颗粒减少，取向性不再出现，孔隙率也大大减少。集料是混凝土重要组
11、成部分，通常占混凝土总体积的 75%以上，构成了混凝土骨架，因此其在一定程度上决定了新拌混凝土流变性、硬化混凝土强度以及混凝土耐久性。通过集料粒径的大小、集料体积率以及集料材质的合理选择可以提高高强度混凝土的韧性。当骨料的最大粒径小于 40mm 时，混凝土的断裂韧度随骨料的最大粒径增大而增大，当骨料的最大粒径大于 40mm 时，混凝土的断裂韧度随骨料的最大粒径增大而减小，采用花岗岩制作的混凝土韧度远高于砂岩制作的混凝土，用花岗岩机制砂代替普通砂配制的混凝土，韧度会进一步提高 7 。对于高强混凝土，集料体积率在 60%，混凝土断裂能和断裂韧性达到最大，过大和过小的集料体积率均使混凝土断裂能和断裂
12、韧性降低 8-9。2.混凝土与其他材料复合以提高混凝土韧性的研究改善混凝土脆性的另一种有效的途径是通过与金属材料或高分子材料的复合，如采用掺入纤维、钢管约束，聚合物改性等复合方式。这些复合方式一般是通过提高裂缝起裂、扩展和聚合及失稳扩展的阻力，即阻裂强韧化的途径来实现混凝土的韧化。通过在混凝土中掺加抗拉强度高的纤维，纤维在混凝土中形成随机乱向分布，使其在4混凝土裂缝扩展过程中发挥阻碍裂缝扩展、耗散混凝土断裂能量，进而提高混凝土的断裂韧性。该方法是目前应用最有效与最为广泛的材料增韧技术之一。纤维增强水泥基复合材料的韧性应主要归功于纤维，并且在很大程度上取决于纤维的长度、直径、体积率与取向以及纤维
13、与水泥基材的界面粘结强度等因素。若纤维混凝土中配置一维取向的连续纤维，且纤维与水泥基材间有足够的界面粘结强度，混凝土破坏时因纤维的应力达到其抗拉强度而断裂，在此情况下虽有助于提高混凝土的韧性，但其提高幅度比较有限。当纤维混凝土中所用纤维为非连续的短纤维，在其破坏过程中，纤维由开裂的水泥基材中拔出，为克服纤维与水泥基体间界面摩擦剪力需要耗用较大的功，因此就有可能使混凝土具有较高的韧性。Pigott、Kelly 等曾对短纤维增强水泥基复合材料的断裂韧性做了理论上的探讨，并提出了计算单根纤维由水泥基材中拔出时的平均功 10。目前常用于水泥与混凝土材料增韧的纤维有金属纤维(主要是钢纤维 )、聚丙烯纤维
14、、玻璃纤维、碳纤维以及芳纶纤维等高性能纤维，关于纤维增韧混凝土技术目前的研究动向是纤维分散技术、高性能低成本纤维制备与应用技术以及各类纤维的混杂效应研究等等。钢管混凝土就是由混凝土填入薄壁型圆管而形成的组合结构材料，其基本原理是是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。钢管混凝土优越的力学性能和施工性能，一开始就受到美欧各国土木工程界的重视，竞相开发利用。由于现代高强、高性能混凝土技术和泵灌混凝土技术的迅速发展，给钢管混凝土结构技术的发展增添了新的活力，在欧、美、澳的一些桥梁工程和高层建筑工程中，钢管高强混凝土技术
15、悄然兴起。这是因为:圆形钢管的套箍约束作用能最有效地克服核心高强混凝土的脆性;泵灌混凝土工艺的发展，解决了现场钢管内混凝土的浇灌工艺问题，而圆形钢管本身就是耐侧压的模板，能最有效地适应先进的泵灌混凝土工艺; 钢管兼有纵筋和箍筋的功能，其用钢量较普通钢筋骨架为省，而且因有钢管分隔，管内高强混凝土浇灌与管外梁板结构的普通混凝土浇灌互不干扰，无交错浇灌的麻烦;钢管外无混凝土保护层，能充分发挥高强混凝土的承载能力。我国也对钢管高强混凝土技术进行了积极的研究，这些研究为钢管高强混凝土的推广应用提供了技术上的后盾。聚合物掺入混凝土之中通过破乳、成膜、粘结等作用，均匀分布在水泥基体中，由于高分子材料的存在，
16、可提高混凝土基体对裂缝扩展过程的耗能能力，进而起到增韧作用。5日本的 Ohama 教授是国际上较早开展此类研究的专家学者，他提出的聚合物混凝土结构模型被认为是本领域的经典模型 11。在配比合适与制备条件适宜的情况下，聚合物还可与水泥水化产物发生化学结合，进而形成有机无机互穿网络结构，使混凝土的韧性得到大幅提高。通常用于混凝土的聚合物材料主要是水溶性聚合物，根据胡曙光教授的研究，聚乙烯醇、聚丙烯酞胺类水溶性聚合物具有较高的增韧作用 12。关于聚合物增韧技术方面目前主要的研究方向是如何提高聚合物混凝土的耐水性、抗老化性。在轻集料混凝土中掺入有机聚合物，其韧性虽可得到改善，但仍面临混凝土中聚合物长期抗老化性能不良的问题。3.总结近年来，随着混凝土技术的发展，混凝土脆性问题越来越突出，引起了国内外学者的广泛关注，也取得了丰硕的研究成果，然而其经济效益和社会效益并不理想。水泥基材料的发展史告诉我们，复合和综合是其发展的方向和改性的途径。我们有理由相信，通过各种复合方法和手段，继承前人的成果，不断创
