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雕工结构

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日志

 
 
 
 

自密实高性能混凝土力学性能的研究与应用  

2012-12-02 13:19:06|  分类: 结构 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       摘  要:以自密实高性能混凝土的配合比优化设计为基础,对自密实高性能混凝土的钢筋粘结锚固性能、受弯构件的抗弯、抗剪性能等进行了深入的试验研究。包括中强与高强自密实混凝土,共做了62个粘结强度拉拔试验、12根梁抗弯抗剪试验,研究结果为自密实混凝土结构的设计提供了参考。介绍了自密实高性能混凝土在3座高层建筑和1座厂房加固工程中的应用,总结了工程应用中的经验。
    关键词:土木建筑结构 自密实高性能混凝土 粘结强度 受弯构件 工程应用
 
    中图分类号:TU37  文献标识码:A
 
    1  引言
    近年来国内外对自密实混凝土技术的研究已引起了广泛的重视,并取得了重要的进展,特别是在自密实混凝土的配合比设计方面。日本和欧洲混凝土专家联盟针对自密实混凝土的配制、生产和检测分别制订了自密实混凝土规程和指南。在工程应用方面 国外出现了以自密实混凝土充填钢壳的新型结构。但目前国内外对自密实混凝土力学性能方面的研究还不够,对硬化后配筋结构的力学性能如钢筋粘结锚固性能、结构的变形能力等涉及结构使用状态下安全性的重要问题还缺少深入的研究,同时重 大工程应用的报道也较少。为了确保工程结构的安全性, 使自密实混凝土的生产、施工及其结构设计规范化,需要进一步开展这方面的研究工作。
    2  自密实高性能混凝土配合比优化
    由于自密实混凝土的胶结料用量较多、砂率较大等特点,若处理不妥其受力和变形性能方面可能存在一些不足。为了确保白密实混凝土结构的安全性和经济适用性,应该进一步优化其配合比:在实现混凝土靠自重均匀成型的情况下,降低胶结料用量、降低砂率以提高混凝土体积稳定性,同时提高自密实混凝土造价的合理性。自密实混凝土配合比的优化应注意以下几点:
    (1) 优选原材料,优化集料级配,降低胶结料用量,在保证白密实混凝土工作性的同时,尽量降低砂率。
    (2) 在混凝土拌合物中加入矿物细掺料,特别是掺入粉煤灰可以发挥其形态效应,增加混凝土的和易性,同时可以节约造价。
    (3) 根据所使用水泥品种的不同,精心选择合适的外加剂并进行适当的复合,得到符合具体工程要求的高效复合外加剂。
    (4) 自密实混凝土的工作性应采用坍落度、扩展度和带钢筋网片的L型流动仪联合测定,混凝土顺利穿过L型流动仪中的钢筋网并最终流平是测定自密实混凝土工作性的重要条件。
典型的自密实混凝土配合比及立方体抗压强度见表1。
表1  自密实混凝土配合比

 
    3  自密实高性能混凝土的钢筋粘结锚固性能
    3.1 试验概况
    本次试验共做了62个试件,其中自密实混凝土40个,普通混凝土22个。立方体试件尺寸a=160mm,粘结长度la=80mm,按《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-92)进行拉拔试验。
混凝土原材料采用细度模数为2.6的中砂,5~20mm粒径的碎石,炼石牌42.5普通硅酸盐水泥,复合高效减水剂等。白密实混凝土的配合比见表1,普通混凝土的配合比见表2,其中试件编号S表示自密实混凝土,N表示普通混凝土。采用月牙纹变形钢筋,弹性模量为1.96×105、屈服强度为373MPa,、极限强度为560MPa。
 
表2  普通混凝土配合比及抗压强度

 
    3.2 试验结果及分析
    3.2.1 试件破坏形式
    试件的破坏形式共有四种。拔出破坏:在拉拔过程中,混凝土始终未劈裂,钢筋也没有被拔断,最终由于钢筋被拔出而破坏;拔出且钢筋拉断破坏:在拉拔过程中,钢筋首先滑移,在荷载一滑移曲线的水平段或下降段钢筋被拉断,其实质属于钢筋与混凝土的粘结锚固破坏;拔出且劈裂破坏:在拉拔过程中,钢筋首先滑移,在荷载一滑移曲线的水平段或下降段发生混凝土劈裂破坏,其实质也属于钢筋与混凝土的粘结锚固破坏;劈裂破坏:是指在荷
载一滑移曲线的上升段由于混凝土的劈裂而发生的破坏。试件的破坏形式汇总于表3。
 
表3  拉拔试验破坏形式汇总(单位:个)

 
    从表中可以看出:强度越高的混凝土越不容易发生劈裂破坏,比较强度相似的自密实混凝土S-7、S-8与振捣成型的普通混凝土N-1、N-3,可以看出自密实混凝土的试件较不易发生劈裂破坏。S-12组的自密实混凝土强度不高,但发生劈裂破坏的也较少,这是由于自密实混凝土中掺加的粉煤灰经过二次水化反应生成的凝胶填充混凝土孔隙,提高了自密实混凝土的密实度,从而提高了自密实混凝土的劈拉强度。
    3.2.2 荷载与滑移关系曲线
    拉拔试验的荷载.滑移曲线如图1所示,从中可以看出各组试件自由端滑移随荷载的发展情况。
 

 
图 1  荷载-滑移曲线
 
    3.2.3 自密实高性能混凝土粘结强度计算式
    本文根据试验结果,回归出自密实混凝土的最大粘结锚固强度计算式(1):
 

    本文建议公式的计算值与试验结果吻合良好。试验值与计算值之比的均值与方差分别为:u=0.988,σ=0.53,n=40。
    4  自密实高性能混凝土受弯构件的受力性能
    4.1 试验概况
    制作了6根受弯破坏构件,其截面尺寸均为150×300mm,箍筋均为(1)6@150,混凝土强度与纵筋为变量,见表4。其中4根为自密实混凝土梁、2根为普通混凝土梁,对其在竖向荷载下的受力过程、裂缝的开展情况、跨中挠度以及构件的延性变形等进行了较为深入的研究。
    制作了6根受剪破坏构件,其截面尺寸均为150×300mm,纵筋配筋率均为2.79%,混凝土强度与箍筋为变量,见表5。其中4根为自密实混凝土梁,2根为普通混凝土梁,研究比较自密实混凝土和普通混凝土梁的抗剪性能。
    4.2 主要试验结论
    4.2.1 受力过程的主要特征参数
    1、受弯破坏构件
    自密实混凝土梁和普通混凝土梁的开裂弯矩Mcr、屈服弯矩My、极限弯矩Mu、最大裂缝宽度Wmax等试验结果如表4所示。其中SW表示自密实混凝土梁,W表示普通混凝土梁。
 
表4  受弯构件试验特征参数

 
    在混凝土强度和配筋率相等的情况下,本次试验中自密实混凝土梁的屈服弯矩接近于普通混凝土梁,极限弯矩略大于普通混凝土梁,而开裂弯矩略低于普通混凝土梁。从裂缝开展情况来看,二者在屈服荷载下的裂缝宽度相近,而自密实混凝土梁的裂缝分布更为均匀。
    2、受剪破坏构件
    试验特征参数见表5。其中SV表示自密实混凝土梁,V表示普通混凝土梁。在其他条件基本相同时,自密实混凝土梁的开裂荷载和破坏荷载与普通混凝土梁相比没有明显区别,破坏时的位移比普通混凝土梁略大。
 
表5  受剪构件试验特征参数

 
    5  自密实高性能混凝土的工程应用
    本课题组近年来将自密实混凝土应用于建筑结构、桥梁结构,包括新建工程和加固工程,取得了显著的技术与经济效益,同时积累了现场施工经验,为编制自密实混凝土技术有关规程提供参考。本文介绍其中四个较为典型的工程实例。
    5.1 工程概况
    厦门市“集美中学南薰楼历史风貌保护工程”。该工程为陈嘉庚先生于50年代初出资建造的多层石砌结构建筑,整座楼的加固方案采用保持外墙风貌不变,对内部墙体、梁和板进行加固,以完整保护原有的历史风貌,见图2所示。因加固部分的钢筋密集、截面尺寸小,使混凝土振捣困难同时影响外墙的整体性,设计要求采用C35自密实混凝土,很好地解决了施工中的困难,对确保工程质量具有重要的作用。
 

 
图2  厦门集美中学加固工程
 
     厦门市南湖明珠加固工程。该工程为33层框架剪力墙结构,因设计需要对已建的1~8层柱及部分剪力墙进行加固:截面边长增加100-150mm,大量增加纵向钢筋和角钢。由于无法用普通混凝土施工,设计要求采用C55强度等级的自密实混凝土,图3为加固柱截面图。
    海口市金谷公寓加固工程。该工程为28层高层住宅,因设计需要对大楼转换层的梁和剪力墙进行加固。增大的截面尺寸小、配筋量大,设计要求采用C45强度等级的白密实混凝土,见图4所示。
厦门市电厂厂房加固工程。该厂房柱的混凝土保护层大量剥落,钢筋锈蚀严重,在清除破损层混凝土和锈蚀的钢筋后,采用C35强度等级的白密实混凝土进行加固,见图5所示。
    5.2 自密实混凝土的材料与配合比
    厦门市“集美中学南薰楼历史风貌保护工程”其混凝土采用32.5R普通硅酸盐水泥,Ⅰ级粉煤灰,细度模数为2.6的河砂,5~16mm碎石。配合比为:水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶石子∶外加剂=1∶0.867∶0.567∶2.833∶2.90∶0.023。

 
图3  厦门市南湖明珠加固柱截面图

 
图4  海口市金谷公寓
 

 
图5  厦门市电厂
    厦门市南湖明珠加固工程,其混凝土采用42.5普通硅酸盐水泥,Ⅰ级粉煤灰,细度模数为2.56的河砂,5~20mm花岗岩碎石。配合比为:水泥:粉煤灰∶水:砂∶石子∶外加剂=l∶0.38∶0.405∶1.843∶2.048∶0.0193。
    海口市金谷公寓加固工程,其混凝土采用42.5普通硅酸盐水泥,Ⅱ级粉煤灰,细度模数为2.70的河砂,5~20mm火山灰岩碎石。配合比为:水泥:粉煤灰:水∶砂∶石子∶外加剂=1∶0.4∶0.495∶1.995∶2.08∶0.017 1。
    厦门市电厂厂房加固工程,其混凝土采用42.5普通硅酸盐水泥,Ⅰ级粉煤灰,细度模数为2.3的河砂,5~10mm碎石。配合比为:水泥∶粉煤灰∶水∶砂∶石子∶外加剂=1∶0.866∶0.540∶2.667∶2.833∶0.022。
    5.3 工程应用情况
    上述4个工程中,柱子、剪力墙及梁钢筋密集,尺寸小,无法用普通混凝土施工。采用自密实混凝土取得了很好的效果。拆模后混凝土表面与普通混凝土一样平整,说明自密实混凝土具有很好的穿越钢筋的能力。
    为了推广应用自密实混凝土,除了保证其优良的材料性能、力学性能外,通过优化配合比降低自密实混凝土的成本也很重要。本文的自密实混凝土与泵送商品混凝土、现场搅拌的普通混凝土相比,配制1立方米的自密实混凝土,比配制同强度的现场搅拌普通混凝土成本大约高15元,而与泵送商品混凝土对比,则费用基本相同。
    6  结论
    (1) 自密实混凝土与钢筋的粘结锚固性能不低于相同强度的普通混凝土。在拉拔试验的破坏形式上,强度越高的混凝土越不容易发生劈裂破坏,而在强度相近的情况下自密实混凝土的试件较不易发生劈裂破坏。本文提出的自密实混凝土粘结强度的计算式,其计算值与试验结果吻合良好。
    (2) 自密实混凝土梁与普通混凝土梁在竖向荷载作用下,无论是弯曲破坏还是剪切破坏其过程没有明显的区别。本文试验中在混凝土强度和配筋率相近的情况下,白密实混凝土梁的屈服弯矩接近于普通混凝土梁,其极限弯矩则略大于普通混凝土梁,抗剪承载力基本相同,而开裂弯矩略低于普通混凝土梁。
    (3) 工程应用表明,自密实高性能混凝土在新建建筑及已有建筑的加固工程中具有广泛的应用前景。
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