专利名称:一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为c110的混凝土的制作方法自从1824年波特兰水泥发明之后,使混凝土技术得到了迅速的发展,其用量之 大,适用范围之广堪居世界之最。尽管混凝土这种人造材料是一种传统的建筑材料,但由于 这种材料具有不可取代的优越性以及混凝土材料科学与技术的不断进步,混凝土已成为土 木工程用材的主体,在未来的土木工程和国家建设中也将是不可缺少的主材之一。随着城 市规模的不断扩大,人口的不断增多,地价的不断升高,建筑技术的不断进步及经济的高速 发展,建筑物越来越向空中延伸,即建筑(超)高化、(超)大跨化,及重型结构的发展,尤 其是型钢混凝土结构在(超)高化、(超)大跨化建筑等的广泛应用,对混凝土这种建筑材 料的要求也越来越高。因此,混凝土的高强化、超高强化,同时保证其耐久化、超耐久化的研 究和实践将成为该领域的发展趋势。型钢超高强高性能混凝土组合结构是新型高技术混凝土在型钢混凝土组合结构 (简称SRC结构)中的应用。其中,SRC结构是钢-混凝土组合结构的一种主要形式,由于 其承载能力高、刚度大、延性好、抗震性能优越、防火防腐、便于施工等一系列优点,已被越 来越广泛地应用于大跨、重型结构及地震/台风区的高层和超高层建筑。与钢结构相比, SRC结构可节省大量钢材,增强截面刚度,克服钢结构耐火性和耐久性差及易屈曲失稳等缺 点,使钢材的能力得以充分的发挥;与普通钢筋混凝土结构(简称RC结构)相比,型钢混凝 土结构可减小构件的截面尺寸,减小所占的空间,从而增大建筑使用空间;在施工上,型钢 混凝土结构的钢骨架本身可作为混凝土挂模、滑模的骨架,不仅大大简化了支模工程,还是 承受全部施工荷载(包括挂、滑模与所浇混凝土)的支承体系;另外,由于SRC结构具有整 体性强,延性性能好等优点,能大大改善钢筋混凝土受剪破坏的脆性性质,使结构的抗震性 能得到明显的改善,承载能力及延性均比RC结构有较大的提高。因此,在日本和欧美等发 达国家,具有良好抗震性能的SRC结构已成为一种公认的新型抗震结构体系,且与钢结构、 木结构、钢筋混凝土结构并称为四大结构。我国也是一个多地震国家,绝大多数地区为地震 区,部分位于高烈度区,因此在我国,特别是经济欠发达而且受地震影响较大的西部地区推 广SRC结构就具有非常重要的现实意义。因此,SRC结构在我国有非常广阔的应用前景,尤 其是随着我国经济实力的不断增强及高强钢材和高强/超高强高性能混凝土(它们是被公 认的21世纪材料)的成功研制与应用,将促进这种结构体系的推广应用和发展进步。型钢混凝土结构中,型钢与混凝土之间良好的粘结作用是保证型钢混凝土构件中 型钢与混凝土协调工作的基础,型钢、钢筋和混凝土三种材料元件协同工作,以抵抗各种外 部作用效应,才能够充分发挥型钢混凝土组合结构的优点。但型钢混凝土结构与钢筋混凝 土结构的显著区别之一在于型钢与混凝土之间的粘结力远远小于钢筋与混凝土之间的粘 结力,型钢与普通混凝土的粘结力大约只相当于光面钢筋粘结力的45%。国内外诸多试验研究结果表明,型钢与混凝土之间存在着粘结滑移现象,且对SRC构件的受力性能乃至承 载能力有显著影响。因此,如何保证型钢与混凝土有效地协同工作成为型钢混凝土组合结 构研究的重点之一。目前工程设计中对型钢与混凝土之间粘结滑移问题的处理方法一股有 两种其一是通过计算在构件表面加设一定数量的剪切连接件,这样势必造成施工中的不 便并提高造价,且易造成混凝土内部先天性微裂缝等缺陷;其二是不设或仅设置少量剪切 连接件,在承载能力计算中考虑粘结滑移的影响,相应降低构件的承载能力,这样必然存在 不经济的因素。另一方面,在工程结构设计中普遍存在着重强度而轻耐久性的现象,国内 外已出现过诸多混凝土结构在使用过程中的安全性和耐久性方面的问题。一些混凝土结 构工程在使用不足设计年限一半即由于碱骨料反应、氯离子侵蚀等原因而完全丧失使用功 能乃至承载能力,个别工程甚至出现局部坍塌或整体倒塌,造成人员伤亡或建筑设施破坏。 因此,提高型钢与超高强高性能混凝土之间的自然粘结性能,在型钢表面不设或仅按构造 要求设置少量剪切连接件就可保证型钢与混凝土有效地协同工作的研究具有重大意义;同 时,混凝土结构工程的耐久性也日益引起人们的密切关注和高度重视。现有技术用于型钢混凝土组合结构的混凝土的强度等级类别为C60、C70、C80、C90 及ClOO的高强高性能混凝土的制备技术,上述各强度等级混凝土显著提高了型钢与高强 混凝土之间的粘结性能,并提高了结构的耐久性;但是,还存在不能由此延伸到超高强高性 能混凝土,即混凝土的超高强化、超耐久化,且将其用于型钢混凝土组合结构时不能解决型 钢与超高强高性能混凝土之间的自然粘结性能差的问题,故不能满足土木工程建筑向空中 延伸,即建筑(超)高化、(超)大跨化、(超)耐久化及重型结构等发展这一趋势的要求。 另外,现有技术中也存在部分将混凝土超高强化、超耐久化的制备技术,但是它们均未涉及 或未解决用于型钢混凝土组合结构时型钢与超高强高性能混凝土之间的自然粘结性能差 的问题。
本发明的目的是提供一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的超高强高 性能混凝土,该混凝土应用在型钢混凝土组合结构中,能在自然状态(亦即型钢表面不设 或仅按构造要求设置少量剪切连接件)下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能,有效发 挥钢与混凝土两种材料各自的能力与协同工作性能,从而大幅度提升结构构件的承载能力 与性能;另外,该混凝土能提高结构的耐久性,并具有良好的工作性能、高体积稳定性和经 济性。为解决上述技术问题,本发明是这样实现的一种用于型钢混凝土组合结构强度 等级为CllO的混凝土,其特征在于,该混凝土的配合比为(单位kg/m3)水泥细骨料粗骨料水减水剂硅灰粉煤灰= 450 496 1276 138 9 60 90。本发明还给出了该用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的混凝土的制备方 法,该方法采用水泥裹砂法混凝土二次搅拌工艺,具体工艺步骤如下按照重量配比在强制式搅拌机中每立方米混凝土加入496kg的细骨料和用水总 量的1/2的水69kg,均勻搅拌1 2分钟后,加入446. 6kg的粗骨料(粒径为Φ 5 Φ IOmm 单粒级碎石),均勻搅拌1 2分钟后加入829. 4kg的粗骨料(粒径为Φ 10 Φ 20mm单粒级碎石),均勻搅拌2分钟后,再加入全部胶结材料450kg的水泥、60kg的硅灰和90kg的 粉煤灰,均勻搅拌2 3分钟后,加入9kg的聚羧酸系高效减水剂和剩余水69kg,最后均勻 搅拌2 3分钟后,出料,即得所制备混凝土拌合物。所述的水泥选择质量稳定、性能较好的525R普通硅酸盐水泥,使用前需与高效减 水剂进行两者之间的适应性试验,试验方法采用现行建材行业标准《水泥与减水剂相容性 试验方法》JC/T 1083-2008中的方法,并选择与高效减水剂相容性好的水泥品种。所选水 泥性能指标(包括细度、SO3含量、MgO含量、初凝时间、终凝时间、3天强度、28天强度)应 不低于国家现行相关标准的要求,并选用碱含量少、水化热低、需水性也低的水泥品种。所述的细骨料采用颗粒圆滑、质地坚硬、级配良好的中偏粗河砂,砂的品质应不低 于现行建材行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006及国家标准 《建筑用砂》GB/T 14684-2001中规定的优质砂标准。其细度模数为2. 4 3. 2之间,含泥 量控制在1.0%以下。所述的粗骨料采用质量致密坚硬、强度高、表面粗糙、粒形为近似球形、针片状含 量小、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等人工碎石,碎石的品质应不低于现行建材行业 标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JC/T 52-2006等相关标准的规定要求。骨 料母体岩石的立方体抗压强度不应比所配制的混凝土强度低。最大粒径应控制在20mm,含 泥量控制在0. 5%以下,针片状颗粒含量不宜大于5%,且不得混入风化颗粒。进行该混凝 土配制时,采用单粒级碎石粒径为Φ5 ΦΙΟπιπι和Φ10 Φ20πιπι的两级配投料,投料比 例为 3. 5 6. 5。所述的粉煤灰采用燃煤工艺先进的电厂生产的优质I级特细粉煤灰。其品质应不 低于国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005等相关标准的规定要求, 其烧失量应不大于4%,SO3含量应不大于3 %,需水量比应不大于95 %,比表面积应大于 700m2/kgo所述的硅灰应采用超细硅灰,其品质应不低于国家标准《高强高性能混凝土用 矿物外加剂》GB/T 18736-2002等相关标准的规定要求,硅灰中的二氧化硅含量应不小于 90 %,含水率应小于3 %,烧失量应小于6 %,火山灰活性指数应大于90 %,比表面积应不小 于 20000m2/kg。经过大量尝试性对比试验及与水泥相容性试验,该发明所选用的减水剂为聚羧酸 系高效减水剂,其品质应不低于现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标准的 规定要求,所选用高效减水剂的减水率应大于30%。所选用高效减水剂的最大掺量不小于 全部胶凝材料总量的2%,采用同掺法,且使用前需与所选择的水泥品种进行相容性试验。所述的拌合水选用自来水,其品质应不低于国家建设部部标准《混凝土拌合用水 标准》JGJ 63-89等相关标准的规定要求,并要求所选用自来水的碱含量少。本发明的有益效果是1.本发明生产的混凝土是一种适用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的超 高强高性能混凝土。该混凝土在能确保其所应具备的力学性能(即CllO强度等级、塑性 等)以及具有高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性的基础上,显著地改进该混凝土 与型钢之间的自然粘结性能,使其应用在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求 少许地)在型钢表面加设剪切连接件,即可保证型钢与该混凝土的有效协同工作,从而减少了施工工序,节约了钢材,提高了施工效率,并避免了在型钢表面大量设置剪切连接件且 易造成该混凝土内部先天性微裂缝等缺陷,具有显著的经济效益和施工质量改进效果,其 力学性能对比试验结果见表2。2.本发明中使用的高效减水剂选择聚羧酸系高效减水剂(减水率应大于30% ), 相比其它类型的减水剂,与普通硅酸盐水泥的相容性良好,其不含Na2SO4,可进一步提高该 混凝土的耐久性。3.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的超高强高性能混凝 土是在普通混凝土生产工艺条件下,并采用尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝 土搅拌时到处飞扬的水泥裹砂搅拌工艺的投料方法实现的,制备工艺简单并易于实现,适 合于工程化,便于大规模推广应用,具有较好的社会效益。4.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的超高强高性能混 凝土的原材料中含有大量的粉煤灰、硅灰,它们是工业废料和废弃物,为大量生产的市场流 通、买售产品,原材料易得;其消纳可对环境保护做出巨大贡献,符合可持续发展的要求,是 一种绿色混凝土,一种环境友好材料。5.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的超高强高性能混凝 土的原材料中采用单粒级碎石粒径为Φ5 Φ IOmm和Φ 10 Φ20mm的两级配投料,投料 比例为3. 5 6. 5,不仅可以避免或减少粗骨料质量的不稳定对所配制超高强高性能混凝 土强度和性能的影响,还使混凝土材料中粗骨料的颗粒级配得到更好的优化,并使粗骨料 中不同粒径颗粒之间及其与细骨料颗粒之间有良好的填充,减少了骨料的空隙率。6.本发明生产的用于型钢混凝土组合结构强度等级为CllO的超高强高性能混凝 土是通过加入超细活性矿物惨料(粉煤灰和硅灰),利用活性矿物掺合料的火山灰反应、增 强效应、填充效应、耐久性改善效应及超高强高性能混凝土水化热的温峰消减效应,并充分 利用活性矿物掺合料复合掺入及活性矿物掺合料与高效减水剂的复合掺合料所产生的超 叠加效应,根据它们与水泥颗粒粒径不在同一级的特点优化超高强高性能混凝土材料中胶 凝材料部分的颗粒级配,不仅使超高强高性能混凝土中集料与水泥石之间的界面结构以及 水泥石的孔结构均得到了大幅改善,提高了水泥石的致密度、抗渗性,同时典型的致密结构 能扩展到骨料表面,从而使超高强高性能混凝土更加密实坚硬,超高强高性能混凝土的力 学性能(尤其是与型钢之间的粘结性能)、耐久性能和工作性能均有很大的提高。4.硅灰选用的硅灰的品质符合国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T 18736-2002等相关标准的规定要求,硅灰中的二氧化硅含量为92%,含水率为2. 8%,烧失 量为3. 8%,火山灰活性指数为95%,比表面积为21000m2/kg。5.高效减水剂经过大量尝试性对比试验及与水泥相容性试验,该发明所选用的高效减水剂为聚 羧酸系高效减水剂,其品质符合现行国家标准《混凝土外加剂》GB 8076-2008等相关标准的 规定要求,所选用高效减水剂的减水率大于30%。所选用高效减水剂的最大掺量为全部胶 凝材料总量的2. 5%,采用同掺法,使用前与所选择的水泥品种进行相容性试验且相容性良 好。6.拌合水选用自来水为拌合水,其品质符合国家建设部部标准《混凝土拌合用水标准》JGJ 63-89等相关标准的规定要求,且碱含量少。(二)配合比本发明对于将会在型钢混凝土结构中大量应用的强度等级为CllO的超高强高性 能混凝土提供的配合比如表1所示。表1用于型钢混凝土组合结构的超高强高性能混凝土配合比(单位kg/m3) (三)搅拌工艺该方法采用水泥裹砂法混凝土二次搅拌工艺,具体工艺步骤如下按照重量配比在强制式搅拌机中每立方米混凝土加入496kg的细骨料和用水总 量的1/2的水69kg,均勻搅拌1 2分钟后,加入446. 6kg的粗骨料(粒径为Φ 5 Φ IOmm 单粒级碎石),均勻搅拌1 2分钟后加入829. 4kg的粗骨料(粒径为Φ 10 Φ 20mm单粒 级碎石),均勻搅拌2分钟后,再加入全部胶结材料450kg的水泥、60kg的硅灰和90kg的 粉煤灰,均勻搅拌2 3分钟后,加入9kg的聚羧酸系高效减水剂和剩余水69kg,最后均勻 搅拌2 3分钟后,出料,即得所制备混凝土拌合物。这种工艺能尽量减少水泥颗粒及超细活性矿物颗粒在混凝土搅拌时到处飞扬,并 可提高所制备混凝土的强度,且所制备的混凝土不宜形成离析现象,泌水少,工作性能相对 较好。(四)力学性能试验结果对比按照上述配合比所配制的适用于型钢混凝土组合结构的强度等级为CllO的超高 强高性能混凝土与普通混凝土(强度等级为C30 C50的混凝土)、一股高强混凝土(强度 等级为C60 ClOO的混凝土 )和一股超高强混凝土(强度等级为CllO的混凝土 )的力学 性能对比试验结果如表2所示。表2混凝土力学性能对比试验结果 从表2可以看出,按该技术制备的强度等级为CllO的超高强高性能混凝土,实现 了在能确保其所应具备的力学性能(即CllO强度等级、塑性等)以及具有高耐久性、高工 作性、高体积稳定性和经济性的基础上,显著地改进混凝土与型钢之间的(自然)粘结性 能,使在型钢混凝土结构设计中无需(或仅需按构造要求少许地)在型钢表面加设剪切连 接件,即可保证型钢与混凝土的有效协同工作,从而减少了施工工序,节约了钢材,提高了 施工效率,并避免了在型钢表面大量设置剪切连接件且易造成混凝土内部先天性微裂缝等 缺陷,具有显著的经济效益和施工质量改进效果。
本发明公开了一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为C110的混凝土,其特征在于,该混凝土配合比为水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂∶硅灰∶粉煤灰(kg/m3)=450∶496∶1276∶138∶9∶60∶90。其制备方法为按照重量配比在强制式搅拌机中加入细骨料和用水总量1/2的水,均匀搅拌1~2分钟后,加入粗骨料,均匀搅拌2~4分钟后,再加入水泥、硅灰和粉煤灰,均匀搅拌2~3分钟后,加入减水剂和剩余水,最后均匀搅拌2~3分钟后,出料即得混凝土拌合物。该混凝土能在自然状态下显著改进型钢与混凝土之间的粘结性能,有效发挥该两种材料各自的能力与协同工作性能,从而大幅度提升构件的承载能力与性能,提高其耐久性、高体积稳定性和经济性。
一种用于型钢混凝土组合结构强度等级为c110的混凝土制作方法
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