混凝土结构新材料的发展及应用

混凝土新材料及其结构

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发展及应用

混凝土新材料及其结构的发展及应用

1.概述

混凝土是有填充料、胶凝材料以及各种外加剂组成的复合材料。并具有取材方便、常温下凝结固化、易于浇筑成型、经济实惠、耐高温性能好、水中生成强度、耐水性能好、维修要求低等优点，至今已成为世界上用量最大、用途最广的材料，成为现代工程结构首选材料。同时也存在致命弱点，抗拉强度远小于抗压强度，在应用和解决问题的过程中，混凝土结构经历了素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土，素混凝土被称为第一代混凝土而预应力混凝土则被称为第三代混凝土。

随着社会发展以及人们对资源、环境、施工、使用及性能更进一步的需求，例如恶劣环境、高层大跨重载化、经济合理等。在不断的研究和实验过程中混凝土结构的材料在原有的基础上有了很大的发展。

2新材料及其结构的发展

2.1纤维混凝土

纤维混凝土的出现是现代建筑材料发展中的一大进步,它与钢筋混凝土、预应力混凝土的出现有同等的重大意义。,把短纤维均匀地分散在混凝土中来改善普通混凝土的脆性。纤维混凝土的抗拉强度要比普通混凝土高2/3。

最初使用的纤维材料是石棉纤维,近些年来又采用其它纤维材料,

其中钢纤维和玻璃纤维性能最好,最有发展前途。钢纤维作为增强材料时,其弹性模量比普通混凝土高4倍,其韧性可达一般普通混凝土的30倍以上。而玻璃纤维的强度相当于高碳冷拔钢丝的强度,约为2500~2500MPa。目前,各国除了研制纤维混凝土以外,又研究在纤维混凝土中再配以普通钢筋,这样除了明显地增强抗拉强度以外,对抗爆结构更有显著的效果,能大大提高混凝土的抗爆裂强度,并可减少混凝土的飞散速度。纤维配筋混凝土构件,还可代替普通混凝土构件中的箍筋和辅助钢筋,这对立体结构、落壁空间结构极为有利。

2.1.1技术原理

纤维混凝土是指掺加短钢纤维或合成纤维作为增强材料的混凝土，钢纤维的掺入能显著提高混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗疲劳特性及耐久性；合成纤维的掺入可提高混凝土的韧性，特别是可以阻断混凝土内部毛细管通道，因而减少混凝土暴露面的水分蒸发，大大减少混凝土塑性裂缝和干缩裂缝。

2.1.2.原材料与配合比

(1)原材料

1）水泥：钢纤维混凝土应采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥；合成纤维混凝土优先采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，根据工程需要，选择其他品种水泥；

2）骨料：钢纤维混凝土不得使用海砂，粗骨料最大粒径不宜大于钢纤维长度的2/3；喷射钢纤维混凝土的骨料最大粒径不宜大于10mm；

3）纤维：纤维的长度、长径比、表面性状、截面性能和力学性能等应符合国家有关标准的规定，并根据工程特点和制备混凝土的性能选择不同的纤维。

（2）配合比

纤维混凝土的配合比设计应注意以下几点：

1）钢纤维混凝土中的纤维体积率不宜小于0.35%，当采用抗拉强度不低于1000MPa的高强异形钢纤维时，钢纤维体积率不宜小于0.25%；各类工程钢纤维混凝土的钢纤维体积率选择范围应参照国家与有关标准。控制混凝土早期收缩裂缝的合成纤维体积率宜为0.06%～0.12%。

2）纤维混凝土的最大胶凝材料用量不宜超过550kg/m3；喷射钢纤维混凝土的胶凝材料用量不宜小于380kg/m3。

2.1.3质量保证措施

(1)纤维要选择合适的掺量，合成纤维会使混凝土强度降低，在同时满足抗裂性能和力学性能的前提下确定掺量，一般积率不超过0.12%。

(2)钢纤维或合成纤维掺量过多时，都会使坍落度损失增加，选择合适的掺量和调整配合比，使纤维的掺入对混凝土工作性不产生负面的影响；

(3)纤维混凝土的轴心抗压强度、受压和受拉弹性模量、剪变模量、泊松比、线膨胀系数以及合成纤维轴心抗拉强度标准值和设计值可按《混凝土结构设计规范》GB50010的规定采用。纤维体积率大于0.15%

的合成纤维混凝土的上述指标应经试验确定。

2.1.4纤维混凝土的作用

制造纤维混凝土主要使用具有一定长径比（即纤维的长度与直径的比值）的短纤维。但有时也使用长纤维（如玻璃纤维无捻粗纱、聚丙烯纤化薄膜）或纤维制品（如玻璃纤维网格布、玻璃纤维毡）。其抗拉极限强度可提高30～50%。

纤维在纤维混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂缝的扩展。在受荷（拉、弯）初期，当配料合适并掺有适宜的高效减水剂时，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。

若纤维的体积掺量大于某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从基料中被拨出，以致复合材料破坏。

与普通混凝土相比，纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯极限强度，尤以韧性提高的幅度为大。

2.2聚合物混凝土

由于普通水泥混凝土抗拉张力低、脆性大、易开裂、耐化学腐蚀性差等缺点，将普通混凝土与聚合物按一定的比例混合起来的材料克服了以上缺点，具有强度高、耐腐蚀、耐磨、粘结力强等优点。

2.2.1聚合物浸渍混凝土（PIC）

定义：将硬化干燥后的混凝土浸渍在可聚合的低分子单体或预聚体中，在单体或预聚体渗入混凝土中的孔隙后引发聚合所得到的聚合

物混凝土复合材料。

原理：聚合物渗填于混凝土内部孔隙后，提高了混凝土的密实度，也增加了水泥石与骨料之间的粘结力。

原材料：液态单体：凡能被混凝土基材吸收，并能在其中聚合成为固体的液体原料，都可用于浸渍混凝土。一般选用粘度低、沸点高、收缩率小、聚合方便、价廉而且应用广泛的原料，如甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等。

混凝土材料：任何类型混凝土不论其所用的水泥品种、掺和料或集料都可以成功地浸渍。

添加剂：稀释剂--可以降低粘度，提高浸渍渗透能力。

引发剂：采用热聚合时，应预先将引发剂混入单体中。引发剂在浸渍时被吸附在基体表面，起激发聚合反应的作用。

交联剂：将线型聚合物转化成体型聚合物。

促进剂：降低引发剂的正常分解温度，以促使单体在常温下聚合。

性能：具有高强、低渗、耐腐蚀及高的抗、抗冲、耐磨等特性，其抗压强度可提高2～4倍，一般为100～150Mpa,最高可达到260Mpa 以上，抗拉强度可以提高到10～20Mpa，最高能达到240Mpa以上。

用途：要求高强度，高耐久性的特殊结构工程，如高压输气管、高压输液管、高压容器、海洋构筑物、原子能反应堆等工程

2.2.2聚合物混凝土PC

定义：以聚合物（树脂或单体）代替水泥作为胶结材料与骨料结合，浇筑后经养护聚合而成的一种混凝土