高强混凝土运用在高层建筑工程中的性能研究

高强混凝土运用在高层建筑工程中的性能研究摘要：随着建筑业的飞跃发展，高强混凝土的应用越来越普遍。本文就高强混凝土在高层建筑结构中应用时出现的问题进行了探讨，并给出了具体的对策。关键词：耐火性；收缩开裂；脆性；坍落度；配合比目前工程上获得高强混凝土主要是通过加高效减水剂降低水灰比、添加外掺剂如粉煤灰、沸石岩粉、硅粉及减小骨料粒径来实现的。高强混凝土由于自身的优势，广泛运用在建筑工程中，例如它强度高可以减小一些构件的截面尺寸，减轻建筑物的自重，节约空间等等。但是又由于它的耐火性差，在高温时会发生爆裂的现象;水胶比较低、水泥用量较大，以及砂率较高等特点，使得混凝土收缩较大，容易开裂；高强混凝土的强度越高，脆性越显著，这样对结构抗震产生不利影响；高强混凝土坍落度损失快，不易控制。针对高强混凝土上述性能问题本文做详细阐述并给出解决途径。1高强混凝土的耐火性研究1.1高温对高强混凝土的性能影响：高强混凝土在高温中会引起物理变化，包括由于热膨胀、内应力以及和失水相关的蠕变所引起的一系列较大的体积变化，这些体积变化可使得内应力增大而导致微裂缝和断裂。对于湿度较大的混凝土，遭受瞬时高温作用后，可导致混凝土的爆裂，尤其是高强混凝土，从而导致内应力迅速增大而发生破坏。火灾也会导致混凝土微结构及化学性质的变化，如失水、水分的迁移以及骨料和水泥浆体的化学分解；在高温情况下，混凝土强度的变化主要有以下三个阶段：强度初始损失阶段、强度恢复阶段以及强度永久损失阶段。强度的初始损失阶段，在温度升高的过程中，温度越高，高强混凝土的强度就越低，高强混凝土强度的降低速度要远远快于普通混凝土，而且强度越高的混凝土强度降低得越多；在强度的恢复阶段，由于高温条件下，混凝土中的胶体会因为自由水的丢失而不断收缩，使得骨料之间的咬合力有所增加，提高了混凝土的强度。但到了强度永久损失阶段，混凝土的强度会永久损失，不能恢复。高强混凝土的弹性模量也会随着温度的升高而不断降低。在低温条件下不会有太大的变化，在高温时变化比较明显。混凝土弹性模量的变化程度主要由高温时的最高温度决定，而与温度升降变化的次数没有太大的关系。主要是因为随着温度的不断升高，会导致裂缝在混凝土内部产生，再加上空隙失水降低了吸附力，增大了变形，降低了弹性模量，与抗压强度的降低相比，弹性模量的降低幅度更大。1.2提高高强混凝土的耐火性措施：混凝土在高温条件下发生破坏是由多种因素引起的，主要包括骨料的热膨胀与水泥浆体的不协调、水泥浆体失水以及含湿量等。其中含湿量的影响最大。含湿量是引起高强混凝土发生爆裂的主要原因，混凝土的含湿量越大，蒸汽累积的压力就越大，爆裂的影响就越大；同时含湿量对试件表面裂缝的深度和分布也有一定的影响，含湿量越高，试件表面裂纹的深度和数量就越多。掺入适量的聚丙烯纤维在高强混凝土中可有效防止爆裂的发生。聚丙烯纤维在高温下熔化，形成了释放蒸汽的通道，有效防止了蒸汽的累积，从而避免了爆裂的发生。但经高温后混凝土残余强度得不到保证，而钢纤维有较高的强度，能保证混凝土的残余强度。因此可通过掺入钢纤维和聚丙烯纤维的方法进行改良。在相同条件下，采用玻璃渣作骨料的混凝土经高温处理后的力学性能要比采用普通砂石作骨料的混凝土的力学性能好，利用玻璃渣配制的混凝土在高温环境下，由于水分的缺失，可避免碱-骨料反应的发生。综上所述，高温会对高强混凝土性能产生严重的影响，使其不能正常使用，对建筑物的安全构成了一定的威胁。而在日常生活中，火灾时有发生，为了增加建筑物的使用寿命，就必须提高高强混凝土的耐火性能，以防止火灾时因混凝土发生爆裂而发生安全事故。2高强混凝土的收缩开裂性研究2.1混凝土的收缩是指混凝土在凝结硬化和使用过程中，由于混凝土内部水份变化、化学反应和温度变化等形成的混凝土整体体积减小，同时对外界温度和湿度也产生较大影响。混凝土的收缩，主要分为六大类，它们包括塑性收缩、自生收缩、化学收缩、干燥收缩、温度收缩和碳化收缩。在这五种收缩中，碳化收缩一般影响较小，自生收缩只有在小水灰比的混凝土中才有较大的影响，温度收缩一般对大体积混凝土影响较大，在一般的结构混凝土中并不明显。塑性收缩则是经常发生在大面积浇筑的混凝土工程中，而且无论塑性收缩造成的可见与不可见的裂缝，都会为混凝土的耐久性留下一定的隐患。而干燥收缩则是非常重要的，由于空气本身是不饱和的，所以混凝土自浇注完成后，就发生干燥收缩。混凝土的收缩是导致其自身开裂的最主要原因,是材料开裂的导火线。可见，研究收缩的意义，并不仅仅在于收缩值的大小,主要还包括收缩对混凝土开裂趋势的影响,但也不能忽视其他影响混凝土开裂的因素,例如混凝土的徐变、弹性模量、抗拉强度以及断裂韧性等。2.2高强混凝土收缩开裂的防治措施高强混凝土虽然有较高的抗拉强度，可是弹性模量也高，在相同收缩变形下会引起较高的拉应力，由于与它自身的徐变能力低，应力松弛量小，所以抗裂性能差。由于引起高强混凝土收缩的主要因素是自生收缩，。因此，抑制高强混凝土的自生收缩可采取下列几种办法。①使用高C2S和低C3A或C4AF的硅酸盐水泥；②要尽量避免使用高细度的水泥和矿渣；③参入适量的粉煤灰等矿物掺合料；④选用高弹性模量的骨料配制高强混凝土；⑤掺入纤维来抑制高强混凝土的自收缩；⑥掺加膨胀剂、减缩剂等外加剂；⑦将轻质材料浸水饱和后，作为骨料掺入到高强混凝土中，通过“自养护”来抑制收缩。高强混凝土的收缩开裂明显大于普通混凝土，且与其所使用的矿物掺合料有着紧密的关系。为了改善高强混凝土易于收缩开裂的缺点，可以从另外两个方面进行。一方面是通过优化原材料性能及配合比，从混凝土材料本身来克服其收缩开裂大的缺陷；另一方面，可以采取“复合”的手段，通过掺加纤维等物质来提高混凝土的抗裂性。针对收缩引起的开裂问题的原因分析与研究，我们还可以从纤维增强、膨胀剂补偿收缩及减缩剂减小收缩三个方面进行，进而初步概括出提高高强混凝土抗收缩开裂能力的措施。⑴可以掺入有较大的弹性模量和较好的粘接的钢纤维，这样可以有效的阻止混凝土中裂纹的产生和扩展，降低高强混凝土的收缩开裂趋势；⑵在高强混凝土中，掺入适量的膨胀剂，能明显地提高高强混凝土早期抗收缩开裂的能力；⑶掺入适量的减水剂在高强混凝土中，可以降低高强混凝土在龄期内的收缩量，也就可以显著地降低高强混凝土的收缩开裂趋势。3高强混凝土的脆性性能研究3.1脆性一般指材料破坏过程中的能量消耗值，是和韧性相对的指标。其实质是断裂临界点以前材料内部积累起来的最大弹性能快速地转化为主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，其取决于材料的组成结构和显微结构的特性参数。因此改善材料的脆性，应从提高材料的断裂表面能入手。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性而改善混凝土的脆性也变得相对困难。国内外学者对混凝土的脆性进行了大量的研究从本质上讲，改善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。3.2混凝土的脆性可以从原材料配合比制作工艺以及与通过金属材料或高分子材料的复合等途径来改善。材料的宏观行为取决与材料的组成和内部结构，混凝土的性能也取决于其组成和内部结构。硬化混凝土由粗观、细观和微观三个不同的尺度的内部结构,由水泥浆体,界面过渡区和集料三个重要环节组成。因此,改善混凝土的脆性,可以从粗观、细观的角度来提高混凝土水泥浆体、界面过渡区和集料的性能。混凝土的搅拦、成型和养护等制作工艺也能影响界面的结构和性质。资料显示,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。而硅灰裹石掺合材混凝土可以大幅度提高混凝土抗折强度,降低混凝土脆性系数。但是,通过原材料、配合比及制作工艺等来改善混凝土的孔结构,降低孔隙率,改善界面过渡层的性能,提高混凝土的密实度来降低混凝土的脆性,毕竟是有限的,而对高强混凝土似乎更加力不从心。所以现在工程中常用复合法来改善其脆性。如采用掺入纤维、三维配筋、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启裂、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。将聚合物掺入新拌混凝土中,可使混凝土的性能得到改善,这类材料称之为聚合物改性混凝土。聚合物能在水化水泥表面凝聚成一连续的薄膜并粘附在水化水泥上面成一均匀网状结构,聚合物和水泥互相渗透,而骨料也通过复合材料而粘接到硬化混凝土中,从而使应力作用的裂缝被聚合物薄膜架桥连起来,从而避免了裂缝的进一步扩展,使得拉伸强度和开裂韧度增加；把钢筋进一步细化成短细钢纤维,掺入到脆性混凝土基体中形成一种新型、多相、多组分水泥基复合材料———钢纤维混凝土。钢纤维混凝土受到荷载作用,形成多点开裂,即基本开裂后,乱向分布而细微的钢纤维能承担因基体开裂而转移的荷载,而不会被立即拔出或拉断,而是借助于与混凝土界面的粘接力将荷载传递至基体中,使裂缝形成于基体各处,不仅如此,纤维还能承受更大的荷载直至峰值荷载时产生裂缝的失稳扩展。由于钢纤维的阻裂强韧化作用,显著地提高混凝土的抗拉、抗弯强度,阻裂、限缩能力,抗冲击、耐疲劳性能及变形能力,大幅度提高混凝土的韧性。钢纤维混凝土是一种典型的纤维增强混凝土,而其它各种纤维,如聚丙烯纤维,碳纤维,玻璃纤维等,也是很理想的混凝土增强材料,掺入混凝土中可以很好的减少混凝土裂缝的形成、开裂、扩展,对混凝土起到阻裂强韧化作用,从而改善混凝土的脆性。改善混凝土的原材料、配合比和制作工艺只能一定程度的改善混凝土的脆性,而通过与金属材料或高分子材料的复合,可以显著、有效的改善混凝土的脆性,扩大了混凝土的应用范围。混凝土的结构、组成决定了其本质上是脆性的,这也决定了通过改进原材料、配合比和制作工艺来改善混凝土的脆性是相当有限的,只有通过复合的途径才能真正的改善混凝土的脆性。4结束语随着高强混凝土在建筑工程当中的广泛应用，其自身暴露出的一些问题，如脆性过大，和易性差，抗裂性差等等，引起了国内外学者的广泛关注,也取得了丰硕的研究成果,种种研究结果表明，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,不断创新,运用科学的思维方法,高强混凝土的性能可以得到进一步改善,并取得良好的经济效益和社会效益!参考文献[1]王莉，刘利先.高强混凝土的耐火性能[J].消防科学与技术.2011.（06）：31~32.[2]张晓玲，马慧，贠英伟，张广峻.高强度混凝土的耐火性能研究[J].山东建材.2007.（03）：12~13.[3]肖建庄，李杰，孙振平.高性能混凝土结构抗火研究最新进展[J].工业建筑.2009.[4]周双喜.混凝土的自收缩机理及抑制措施[J].华东交通大学学报.2007(5)：13-16[5]马新伟,等.高性能混凝土自由收缩与限制收缩[J].低温建筑技术，2004(3)：14-15[6]刘加平,等.膨胀剂和减缩剂对于高性能混凝土收缩开裂的影响[A].第五届混凝土结构耐久性科技论坛论文集[C]，2006：203-207.[7]安明喆,等.高性能混凝土自收缩的抑制措施[J].混凝土，2012(5)：37-41