浮石混合骨料混凝土配合比 设计及其性能研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-04-25 20:20
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:土木工程
混合骨料混凝土是在普通混凝土与轻骨料混凝土的基础上发展应运而生的一种 过渡性混凝土。混合骨料混凝土较轻骨料混凝土具有比强度和弹性模量高、收缩变 形和徐变小的优点;较
摘要
混合骨料混凝土是在普通混凝土与轻骨料混凝土的基础上发展应运而生的一种 过渡性混凝土。混合骨料混凝土较轻骨料混凝土具有比强度和弹性模量高、收缩变 形和徐变小的优点;较普通混凝土降低了密度、提高了水化程度等。目前对于混合 骨料混凝土的配合比设计主要考虑强度或耐久性等单一性能指标。浮石骨料在我国 产量很丰富,且在实际工程中混凝土配合比相关研究很少。为了满足实际工程中综 合性能的浮石混合骨料混凝土配合比设计,更好的推进浮石混合骨料混凝土在我国 的普及和应用。本试验以浮石骨料代替普通碎石配制浮石混合骨料混凝土。基于正 交试验法对浮石混合骨料混凝土配合比设计和试验研究展开了大量工作。
(1)采用正交试验法进行浮石混合骨料混凝土配合比设计,选用四因素五水平 的正交设计表,分别考虑了水胶比、轻骨料取代率、砂率、骨料级配四个因素的五 个变化水平。讨论分析了随着各因素不同水平的变化对浮石混合骨料混凝土的工作 性能、力学性能、抗冻性、表观质量的影响情况。其中对坍落度的影响顺序为:水 胶比〉砂率〉轻骨料取代率 > 骨料级配;28d立方体抗压强度和轴心抗压强度影响 顺序是:轻骨料取代率 >水胶比〉砂率〉骨料级配;抗冻性和表观质量影响顺序因 素为:轻骨料取代率 > 水胶比〉骨料级配〉砂率。
(2)通过核磁共振技术对浮石混合骨料混凝土孔隙特征进行研究分析。随着水 胶比、轻骨料取代率参数增大,浮石混合骨料混凝土内部有害孔的占比都是增大趋 势,骨料级配分维数分维数为2.5时有害孔占比最少。随着砂率的增大有害孔的占比 整体呈下降趋势,在50%达到最小值59.68%o
(3)利用客观权重赋予■灰色关联度分析法进行多指标性能下浮石混合骨料混凝 土的最优配合比设计。满足坍落度为70mm、28d立方体抗压强度56MPa、轴心抗压 强度50MPa、冻融循环100次强度损失率25%、表观密度1950kg/m\孔隙度 0.175%多性能指标要求下,基于客观权重赋予■灰色关联度分析法得出各因素下参数 水胶比为0.40,轻骨料取代率为50%,骨料级配分维数为2.5,砂率为40%o
第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1混合骨料混凝土发展
混合骨料混凝土,又称特定密度混凝土,它是在普通混凝土与轻骨料混凝土发 展的基础上应运而生的一种过渡性混凝土,是以轻骨料代替部分普通粗、细骨料, 干表观密度一般介于1950kg/m3-2300kg/m3之间、强度介于40〜80MPa之间的中高强 度的过渡性混凝土⑴。
随着现代工程结构日益朝着高层、大跨度方向的发展,普通混凝土自重大、保 温隔热性能差、比强度低的缺点也日益凸显出来⑵。轻骨料混凝土(LWAC)在大跨 度桥梁、海洋浮式采油平台、高层乃至超高层建筑等结构物中得到广泛应用。《轻 骨料混凝土技术规程》(JGJ51—2002)规定,由轻质粗骨料、细骨料配制而成的干 表观密度不大于1950kg/m3的混凝土,称为轻骨料混凝土。由表观密度可直观看出质 量轻是轻骨料混凝土的最突出优点。与同等强度普通混凝土相比,轻骨料混凝土的 自重可降低20%〜25%。同时轻骨料混凝土还兼具热稳定性好、抗冻和抗震性能优、 无碱骨料反应危害的特点。是建造高层、大跨土木工程最理想的结构材料⑶。
对于轻骨料混凝土的运用主要集中在大跨桥梁以及高层建筑上。在美国80年代 初的时候,不完全统计下已有超400座桥梁中应用了 LWAC^o LWAC不仅在美国得 以重用,日本以及欧洲国家也是很早之前就在LWAC上有大量应用。在国外轻骨料 混凝土运用较典型的有,横滨亮马大厦七层以上楼板、Monbegawa桥、Ha hawa 桥、Ogatayama桥以及纽约世贸中心、德克萨斯商业大厦等⑷。在国内轻骨料混凝土 的运用也是相当广泛,譬如将LC35轻骨料混凝土运用于武汉证券大厦64〜68层楼 板、将LC30泵送轻骨料混凝土运用于珠海国际会议中心,将LC40高强轻骨料混凝 土运用于天津永定新河大桥引桥等⑸。
但是纯轻骨料混凝土最大优点也是它最大的缺陷,由于轻骨料本身强度比普通 碎石低很多,故轻骨料制作的轻骨料混凝土强度很难得以提高,也因此轻骨料混凝 土大多应用于非承重结构中,承重结构应用很少⑹。在此基础上,又发展了混合骨料 混凝土。混合骨料混凝土相比于普通骨料混凝土降低了混凝土表观密度,使得普通 骨料混凝土结构自重降低,且具有更好的保温隔热性能、耐火性能以及耐久性能; 混合骨料混凝土相比于轻骨料混凝土具有更好的弹性模量,同时降低了轻骨料混凝 土的收缩变形⑴。
发展混合骨料混凝土的目的也就是使混凝土兼具普通骨料混凝土的强度和轻骨 料混凝土的轻质的特点,为了更好的适用于实际工程中。最早混合骨料混凝土的应 用是在二十世纪六十年代的德国莱茵河上修建的预应力桥梁上,他们在桥端用普通 骨料代替部分轻骨料,提高了轻骨料混凝土的弹性模量和解决了桥端部位的局部受 压状态。混合骨料混凝土的初步使用取得很好的效果之后,在荷兰、挪威等欧洲国 家相继使用混合骨料混凝土在桥梁上⑺。混合骨料混凝土的优势不仅让它在桥梁和高 层建筑上得到充分发挥,在海工建筑上也得到相应的利用。对于海上作业来说,普 通混凝土的自重是对于材料的运输以及解决浮力矛盾的关键问题。无论是1996年在 挪威建成的Heidmm TLP浮体石油平台⑹还是1998年美孚石油公司在Hibernia沿海 施工的Hibernia石油平台⑼都是利用轻骨料代替部分普通骨料制成特定密度的混合骨 料混凝土,在满足一定强度的前提下,大大降低的混凝土本身自重问题。混合骨料 混凝土的多方面的优越性使得它在多方面得到充分利用。但是混合骨料混凝土的发 展使用还是少之又少。
1.1.2浮石和浮石混凝土
浮石是由火山喷发出的岩浆岩经过冷却凝固后形成具有密集气孔的玻璃质熔 岩。天然浮石的孔隙率可高达71.8%〜81%,吸水率可达50%〜60%。浮石因为容重 小,孔隙多能浮于水面故因此得名浮石。它的特点是质量轻、强度高、耐酸碱、耐 腐蚀,且无污染、无放射性等,是理想的天然、绿色、环保的产品。我国浮石储量 非常多,主要集中于东北、山西、内蒙古等地。就目前正在使用的火山群经过勘察 知道浮石储量超20亿mW。】。无论是从储量还是生产,以浮石取代普通碎石应用于 土建工程不仅经济,更是对生态环境的一种保护。
以浮石制成的轻骨料混凝土比普通混凝土具有更小的自重,可减轻大约 1/4〜1/3,有利于结构的减轻,质量轻有利于结构的抗震,从而增加了混凝土的耐久 性;同时浮石的多孔特性,改善了混凝土的保温性能[1戈 此外,以轻骨料取代普通 碎石,随着取代率的增加,混凝土的质量损失率减少,相对动弹性模量和混凝土的 剩余使用寿命相应的增加,当浮石替代率达到百分之百时达到最大QI。国内外对于 浮石轻骨料混凝土的研究应用自19世纪末到21世纪初以来相当丰富,大量的浮石 混凝土应用于各种桥梁、超高层建筑上,但是纯轻骨料混凝土的强度低缺陷也限制 了它的承重结构上的发展[⑶。基于此,发展混合骨料混凝土来弥补轻骨料混凝土强 度不足的缺点。对于以浮石来代替部分普通骨料配制浮石混合骨料混凝土的研究应 用相对较晚,尚有诸多不足之处。
1.2浮石混合骨料混凝土研究现状
国内外对于浮石混合骨料混凝土工作性能、力学性能、耐久性能都有研究,并 且取得了一定的研究成果。
(1)浮石混合骨料混凝土的工作性能方面研究
混凝土的工作性能是混凝土最基本的性能,良好的工作性能不仅是浮石混合骨 料混凝土强度和质量达到预期效果的基本保障,同时良好的工作性能有利于混凝土 浇筑和成型。
张全贵、隗功磊等人研究了浮石配制的混凝土施工泵送的效果网,以普通混凝土 配制规范,浮石混凝土出搅拌机时和易性良好,坍落度达240mm,满足浮石混凝土 的泵送要求。此外,武汉理工大学的田耀刚从骨料的级配及最大粒径、矿物掺合 料、纤维、外加剂等多方面因素对混合骨料混凝土的坍落度、分层度、扩展度等工 作性能的影响规律进行了试验研究Q]。结果表明,轻骨料在拌制混凝土前,最好进 行预湿,且时间lh左右最佳;对于轻骨料粒径的选取,最好控制在5mm〜20mm; 其中骨料的粒径、级配对混合骨料混凝土匀质性的影响最大。
(2)浮石混合骨料混凝土的力学性能方面研究
混凝土的力学性能是混凝土最基本也是最重要的性能指标,力学性能是保证混 凝土作为建筑结构设计的标准[⑹。根据资料"I知道,随着浮石代替普通碎石的取代 率的增大,浮石混合骨料混凝土的比强度度随之下降,当浮石的代替率达到100%的 时候,浮石混合骨料混凝土的比强度下降最低,达普通碎石混凝土的85%O其中浮 石的取代率为30%、70%、100%的时候,其强度分别为普通混凝土强度的0.93、 0.78和0.68o在0%〜30%这个浮石取代率之间,大部分的骨料还是碎石,混凝土的 破坏界面主要是骨料和水泥浆的界面处。取代率在70%〜100%之间,混凝土的破坏 界面主要是浮石的破坏,这是由于浮石的强度比普通碎石的强度和水泥浆的强度低 很多,当浮石骨架遭到破坏,混凝土的整体结构也就随之崩塌。林艳杰通过对浮石 混凝土进行聚丙烯纤维的掺入来改善浮石混凝土的力学性能[同,浮石混凝土的抗压 强度会随着聚丙烯纤维掺加的增大而呈先增后减的趋势,当聚丙烯纤维的掺入量为 0.9kg/m3时为最佳。同时随着聚丙烯纤维的加入也改善了浮石混凝土的折压比,减小 T混凝土的脆性破坏而增加了混凝土的韧性。
(3)浮石混合骨料混凝土的耐久性能方面研究
耐久性是指混凝土能够抵抗各种不利的环境条件还能够保持混凝土良好的外观 性和使用性,从而维持混凝土的结构安全性和正常使用功能,耐久性作为混凝土重 要的性能指标,通常包括抗渗、抗冻、体积变形、抗碳化等。浮石混合骨料混凝土 作为一种新型混凝土材料,关于耐久性方面的研究才刚刚起步,研究成果相对较 少。
霍俊芳,储建军等人研究了通过不同取代率的浮石取代普通碎石对混合骨料混 凝土抗冻性能的影响[19】。由于浮石的多孔特征,在混合骨料混凝土中起到了引气剂 的效果,故此随着浮石的取代率增加,混合骨料混凝土的抗冻性能增加。同时随着 浮石的代替率上升,混合骨料混凝土质量损失率和强度损失率随之减少,而弹性模 量随之增加。霍俊芳、宋的添等人为了提高浮石混凝土抗渗性,通过掺加掺合料来 研究抗氯离子渗透性能的影响㈤]。按6h通过的库仑量,知道尤其当20%粉煤灰与 10%硅粉复掺时抗氯离子渗透能力最显著。混凝土因为内部含有孔隙,在潮湿的环境 下,浮石因为多孔具水的特征使得混凝土孔隙中吸水后碳化程度增加。周运灿认为 给浮石混凝土增加5〜10mm保护层厚度,会降低钢筋的锈蚀程度0]。
1.3存在的不足
通过对国内外混合骨料混凝土研究应用和浮石混凝土的研究应用发现,浮石混 合骨料混凝土的研究尚且处于刚刚起步阶段,研究主要集中在对混合骨料混凝土的 力学和耐久性上,对于浮石混合骨料混凝土的配合比的研究几乎没有,而配合比的 设计依照轻骨料混凝土的规范,往往都是通过单一性能的指标进行配合比的设计, 如通过抗压强度的要求进行混合骨料混凝土的配合比设计,或者是以工程上一定的 耐久性要求进行配合比的设计。这种通过单一性能指标设计的混合骨料混凝土往往 有很大的局限性,不能很好的推进混合骨料混凝土的广泛发展使用。
1.4研究的主要内容
混合骨料混凝土是在普通混凝土与轻骨料混凝土的基础上发展应运而生的一种 过渡性混凝土。同时伴随着混凝土工程建设规模及技术的快速增长,其对混凝土的 综合性能(工作性能、力学性能、耐久性能)的要求越来越高[22】。传统的凝土配合 比设计方法成熟,并有国内国际标准,但配合比的设计主要是以设计强度进行设 计,对混合骨料混凝土多目标性能下的配合比设计,仍未有很好的研究⑹。为了更好 的推进混合骨料混凝土在我国的普及和应用,研究并实现多目标要求下混合骨料混 凝土配合比设计意义重大。
基于此,本文主要进行以下研究内容:
(1) 采用正交试验法进行浮石混合骨料混凝土试验配合比研究,选用四因素五 水平正交设计表。考虑了水胶比、轻骨料取代率、骨料粒径、砂率四个因素的五种 变化水平,分析随着各因素不同水平的变化下对浮石混合骨料混凝土各项性能影响 规律。
(2) 采用线性回归分析方法,建立浮石混合骨料混凝土的7d立方体抗压强度 与28d立方体抗压强度;立方体抗压强度与轴心抗压强度、表观质量;孔隙度与28d 立方体抗压强度、表观质量之间的变化规律。
(3) 基于核磁共振技术研究分析浮石混合骨料混凝土内部有害孔受各因素影响 变化规律。
(4) 利用客观权重赋予技术来确定各项性能指标的权重,再利用灰色关联度进 行分析,找出多指标下浮石混合骨料混凝土最优配合比。
1・5研究技术路线
本文研究内容设计如下技术路线见图1.1:
图1.1技术路线

第二章 试件制备和性能检测方法
本章主要从原材料的选取以及性能检测、试件的制作成型和养护、浮石混合骨 料混凝土的各项性能检测三方面展开。
2.1试验原材料
试验原材料主要包括水泥、骨料(浮石轻骨料和普通碎石)、砂、外加剂、水 五种,并详细阐述各种材料的相关性能指标是否符合相关试验规范。
第三章正交试验数据分析
本章介绍了正交试验设计浮石混合骨料混凝土的配合比,通过极差分析法进行 试验结果的分析,讨论了各个性能指标在不同因素水平下的影响规律,再通过方差 分析法验证试验结果的合理性。
3.1正交试验设计
本试验依据轻骨料混凝土的设计规范进行混合骨料混凝土配合比适配西。采用 四因素五水平正交试验方法,进行配合比设计。水胶比的不同将会影响混凝土的工 作性能、力学性能和耐久性能等各方面性能,试验中水胶比因素包括0.36、0.38、 0.40、0.42、0.44o而以浮石代替普通碎石的不同取代率,将直接影响混合骨料混凝 土的强度,试验分别取0%、25%、50%、75%、100%o砂率的不同将会影响混合骨 料混凝土的工作性能,试验中选取30%、35%、40%、45%、50%不同水平进行讨 论。前面谈到骨料粒径会影响混合骨料混凝土的匀质性和强度,选取JI、J2、J3、 J4、J5,见表3.1。具体影响因素和水平见表3.2,正交试验L25 (5巧 设计见表3.3, 最终试验配合比见表3.4。
第四章 基于核磁共振技术细观试验研究
在混凝土配合比设计研究中,宏观力学性能和耐久性一直是混凝土设计的主要 指标,混凝土细观特征同样影响宏观性能。
本章通过不同因素水平对浮石混合骨料混凝土细观特征的结果、细观特征和宏观 力学与耐久性相关性进行分析,为浮石混合骨料混凝土的细观特征作为其配合比设 计指标提供依据。
4.1基于核磁共振技术孔隙特征分析
孔隙特征这部分主要通过核磁共振技术成型T2谱,在T2谱的基础上分析不同孔 径的占比以及不同因素对于浮石混合骨料混凝土内部孔径的影响规律。
4.1.1 Tilt
T2谱也叫T2弛豫谱,是反映不同弛豫时间下电磁波信号强度,其中横坐标弛豫 时间越大表示混凝土孔隙尺寸越大,反之越小,纵坐标振幅越大表示对应尺寸下孔 隙数越多,反之越少。本试验考虑水胶比、骨料取代率、骨料级配、砂率四因素对 浮石混合骨料混凝土孔隙特征影响,T2谱见图4.1。
   
第五章 多指标性能浮石混合骨料混凝土配合比设计
目前通过正交试验结合极差分析法找出混凝土配合比设计最优值有很多,极差 分析法可以找出影响混凝土性能的主次因素,针对某一项性能可以找到一个因素的 最佳水平,通过将各个因素对不同性能影响结果取交集,这样做可以满足基本要求 的配合比设计。但是缺少考虑到各个指标之间的关联程度,无法满足综合性能混凝 土的最优配合比设计。
5.1客观权重赋予---灰色关联度分析法
本章将通过客观权重赋予…灰色关联度分析法结合正交试验结果进行满足多项 性能指标下浮石混合骨料混凝土的最优配合比设计。灰色关联度分析法在对单项性 能指标配合比设计中使用较常见厲]。但是随着工程建设的发展,工程建设同样需要 面临许多不同环境因素条件下的挑战。为了满足多种环境耦合影响作用下的混凝土 的发展使用,满足混凝土多种性能指标配合比设计研究提上日程。
第六章结论与展望
6.1 •结论
工程建筑朝高层、大跨度方向发展,混合骨料混凝土集中普通混凝土和轻骨料 混凝土的优点,有着很广阔的发展前景。本文基于正交试验,共制作300个试块, 研究了浮石混合骨料混凝土宏观性能和细观孔隙特征,并基于客观权重赋予■灰色关 联度分析法研究满足多性能指标最优配合比。
(1)影响浮石混合骨料混凝土的坍落度主次因素为水胶比〉砂率〉轻骨料取代 率 > 骨料级配,在水胶比为0.40〜0.42时为塑性混凝土;
(2)对于浮石混合骨料混凝土的28d立方体抗压强度和轴心抗压强度影响主次 为轻骨料取代率 > 水胶比〉砂率〉骨料级配,轻骨料取代率在50%之前立方体抗压 强度都大于50MPa,轴心抗压强度都大于40MPao轻骨料取代率为100%时立方体 抗压强度和轴心抗压强度最低为42.12MPa和33.90MPao
(3)7d 和 28d 抗压强度拟合结果为:/ = 1.31568r + 9.53243 7?2 =0.89189,式
中/为7d立方体抗压强度,/为28d立方体抗压强度,用为相关性系数。
(4)28d抗压强度和轴心抗压强度拟合结果为:
/ = 0.31555z + 0.00916z2+21.83267 7?2 = 0.90477 ,式中 z 为轴心抗压强度,f 为 28d立方体抗压强度。
(5)浮石混合骨料混凝土的抗冻性和表观质量影响因素主次同强度,但是抗冻 性与强度之间没有必然联系。表观质量与28d抗压强度之间拟合结果为:
7 = 59.17876/)-72.16348疋=0.81811 ,式中〃为表观质量,/为28d立方体抗压 强度。
(6)浮石混合骨料混凝土内部孔隙度与坍落度、抗冻性之间没有必然联系,孔 隙度与抗压强度拟合结果为:/ =-37.34623^ + 70.88947疋=0.44985,式中k为孔 隙度,/为28d立方体抗压强度。
(7)孔隙度与表观质量拟合结果为:/ = -0.61795^ + 2.41141疋=0.52941, 式中*为孔隙度,/为表观质量。
(8)针对本试验结果满足坍落度为70mm、28d立方体抗压强度56MPa、轴心 抗压强度50MPa、冻融循环100次强度损失率25%、表观密度1950kg/m\孔隙度 0.175%多性能指标下,基于客观权重赋予■灰色关联度分析最优配合比设计验证结果 相较于原始值浮石混合骨料混凝土流动性提升了 5.71%, 28d立方体抗压强度提高了 6.07%,棱柱体轴心抗压强度提高了 1.8%,冻融强度损失率较之前降低了 9.2%o实 现了多指标性能浮石混合骨料混凝土要求。