轻骨料混凝土的力学性能研究

轻骨料混凝土的力学性能研究作 者：指导教师：摘要：随着建筑技术的不断发展，人们对建筑功能的要求日益提高，加之建筑节能要求，轻骨料混凝土成为未来混凝土的发展方向。本文主要介绍了关于轻骨料混凝土的特点、分类以及国内外的研究状况，重点研究了轻骨料混凝土的抗压强度，抗拉强度两种力学性能，并在此基础上，按照有关规定与现有的研究成果，通过分析得到了轻骨料混凝土立方体抗压强度分别与轴心抗压强度、轴心抗拉强度的换算关系。关键词：轻骨料混凝土；抗压强度；抗拉强度；换算关系AbstractSince the advent of concrete, to reduce the dead weight of the concrete has been an important issue. With the continuous development of building technology, architectural features increasing, coupled with the building energy efficiency requirements, lightweight aggregate concrete future direction of development of concrete. This paper describes the characteristics of lightweight aggregate concrete, classification and research status at home and abroad, focusing on lightweight aggregate concrete compressive strength, tensile strength, two mechanical properties, and on this basis, in accordance with the relevant provisions of the existing research by analyzing the lightweight aggregate concrete cube compressive strength and axial compressive strength, axial tensile strength scaling relations.Keywords: lightweight aggregate concrete; compressive strength; tensile strength; conversion relationship目 录第 1章 绪论 .11.1概述 .11.2轻骨料的特点与分类 .11.2.1轻骨料混凝土的特点 .21.2.2轻骨料混凝土的分类 .21.3轻骨料的研究状况 .31.3.1轻骨料混凝土的国外研究状况 .31.3.2轻骨料混凝土的国内研究状况 .31.4本文研究的意义与主要内容 .4第 2章 轻骨料混凝土的抗压强度的研究 .52.1抗压强度概述 .52.2轻骨料混凝土的抗压性能 .52.3立方体抗压试验及结果分析 .62.3.1试验方法 .62.3.2立方体抗压试验结果分析 .62.4轻骨料混凝土抗压强度的影响因素 .72.5本章小结 .7第 3章 轻骨料混凝土的抗拉强度的研究 .93.1抗拉强度概述 .93.2轻骨料混凝土的抗拉性能 .93.3劈裂抗拉试验与结果分析 .103.3.1试验方法 .103.3.2劈裂抗拉试验结果分析 .103.4本章小结 .11结论 .12致谢 .13参考文献 .14第 1章 绪论1.1概述自 19 世纪 20 年代以来，经过硅酸盐水泥，混凝土出现，凭借其原料一应俱全，抗压强度高，耐久性，低成本，低功耗的特点，已被广泛使用。然而混凝土材料的抗拉和抗折强度却很低，为了改善这种现象，于 1850 年出现了钢筋混凝土，大大提升了混凝土的发展速度。安克雷奇出生于 1928 年，在法国制造预应力混凝土进一步提高混凝土的抗裂性，拉伸强度和耐久性，拓宽领域的具体应用。1910 年美国 H. F. Porter 发布时间短纤维增强混凝土的一份研究报告，直到 1963 年 J.P.Romualdi 和 G.B.Baston 发表了一系列关于钢纤维混凝土裂纹开展的机理，提出了纤维间距理论，才开始了这种新型复合材料的实用化开发研究阶段 123。更大程度的应用纤维增强混凝土混凝土开裂，抗拉和抗弯强度，混凝土的应用范围进一步扩大。随着建筑技术的不断提升，未来建筑正逐步向高层，超高层以及大跨度发展，另外，人类对环境保护与能源节约的意识逐渐增强，所以混凝土今后将主要沿着高强、轻质、高性能、复合、环保以及节能的方向发展。为满足未来超高层(1000m 以上)，超大跨度（300500m 以上)结构的需要，目前一般有两种途径 4：第一，采用超高强混凝土，强度提高一倍，就相当于自重下降一半。第二，选用人造轻骨料。轻骨料具有表面粗糙多孔的特点，一方面吸收水分可以改善材料的界面粘结，从而提高其整体强度，另一方面，水分在养护期间释放出来有利于水泥可以进行充分的水化作用。另外，轻骨料混凝土还具有较好的物理力学性能、热工性能、耐久性能和无碱骨料反应等优点，因此发展轻骨料混凝土是混凝土向轻质、高强、环保等方面发展的主要途径 5。1.2轻骨料的特点与分类轻骨料混凝土又称为轻集料混凝土（Light Weight Aggregate Concrete 简称 LWAC）,是指用轻粗骨料、轻细骨料（或普通砂） 、胶凝材料和水，必要时加入化学外加剂和矿物掺合料配制而成的，并目在标准养护条件下， 28 天龄期的干表观密度不大于 1950kg/m3 的混凝土 4。1.2.1轻骨料混凝土的特点与普通混凝土相比，轻骨料混凝土的最大特点就是多孔。正是由于这个特点，轻骨料混凝土的许多优势，主要是重量轻，强度高，保温性能好，防火性，抗震性能好，抗渗性和经济环保。虽然普通骨料的强度高于多孔轻骨料，但轻骨料的空隙具有吸收水分的作用，增加了骨料和水泥石的粘结力。因此，周围的聚集体形成的固体水泥净浆外壳体的侧向变形的总接收的约束，聚集一个三向应力状态下的极限强度得到了改善，从而轻骨料混凝土的强度也接近普通混凝土。1.2.2轻骨料混凝土的分类轻骨料混凝土的种类繁多，通常采用以下三种方法进行分类：（1） 根据细骨料的不同分类表 1.1 轻骨料混凝土依据细骨料不同分类混凝土名称 细骨料品种全轻混凝土 细骨料全部采用轻砂，如粉煤灰砂、陶砂等砂轻混凝土 细骨料部分或全部采用普通天然砂（2） 根据粗骨料的不同分类表 1.2 轻骨料混凝土依据粗骨料不同分类轻骨料混凝土类别 轻骨料品种堆密度（kg/m 3） 抗压强度范围（MPa）浮石火山灰天然轻骨料混凝土多孔凝灰岩12001800 15.020.0炉渣工业废料轻骨料混凝土 碎砖 16001800 20.030.0自燃煤矸石膨胀矿渣珠粉煤灰陶粒 16001800 40.050.0膨胀珍珠岩 8001400 10.020.0页岩陶粒人造轻骨料混凝土粘土陶粒8001400 30.050.0（3） 根据用途分类表 1.4 轻骨料混凝土按用途分类类别 混凝土强度等级（MPa）混凝土堆密度范围（kg/m 3）用途保温轻骨料混凝土 C5.0 800 主要用于要求保温的围护结构或热工构筑物结构保温轻骨料混凝土C5.0 C7.5C10 C151400 主要用于不配筋或少配筋的围护结构结构轻骨料混凝土 C15 C20C25 C30C40 C501900 主要用于承重的配筋构件、力构件或构筑物1.3轻骨料的研究状况1.3.1轻骨料混凝土的国外研究状况1920 年左右开始使用人造轻骨料，到 1928 美国将这种方法应用到商业生产中。第二次世界大战之后西欧才开始生产轻骨料。因缺少天然的普通骨料，美国和前苏联只能大量生产并使用人造轻骨料，在这两个国家轻骨料混凝土得到迅速发展。然而，自 50 年代中期，美国采用轻骨料混凝土取代普通混凝土，修建了休斯敦贝壳广场大厦 6并取得了显著的技术经济效益，使得高性能轻骨料混凝土越来越受到了重视。90 年代初期，在普通轻骨料混凝土的研究基础上，英国、挪威和日本等国家先后对高强轻骨料混凝土和高性能轻骨料混凝土进行了研究。美国自 1993 年以来，轻巧的年度总使用量一般维持在 3.5 亿至 4.15 亿吨的水平，包括结构混凝土量 80 万吨。当前，在美国轻骨料的 61%都用于了混凝土空心砌块的生产。1996 年，日本开始研究钢纤维增强轻骨料混凝土，1999 年便投入使用。日本开始了高性能轻骨料，纤维增强轻骨料混凝土粉煤灰高强轻骨料混凝土的性能和自密实轻骨料混凝土构件，材料特性和设计。挪威也已开始研究在高层，超高层，大跨度建筑钢 - 轻骨料混凝土进度。1.3.2轻骨料混凝土的国内研究状况与国外轻骨料混凝土的发展相比，我国的轻骨料混凝土起步较晚。最初研究人造轻骨料是在 50 年代，但我国所配制的轻骨料混凝土一般密度大，而强度低，所以限制了它的发展和应用。到了 90 年代，我国轻骨料混凝土在承重结构当中的应用并没有得到提高，反而下降了，而在墙体材料的应用中发生了变化。当前对建筑功能性要求不断提高，建筑节能意识不断增强，对高强、高性能轻骨料混凝土的应用与研究受到人们的重视，因而得到了迅猛的发展。在2003 年，人工轻骨料陶粒生产约 3.8 万立方米，在 20 世纪七，八十年代，平均每年生产 6.3 倍，1993 年产量的 2.9 倍，1996 年产量的 1.5 倍，2001 年产量的 1.2 倍 7。在 2002 年，中国最重要的人造陶瓷粘土，可以约占总数的70以上，其次是页岩粉煤灰陶粒账户大约只有总量的 8。据不完全统计，目前我国陶粒的使用情况为：大多使用超轻陶粒与普通陶粒的陶粒混凝土小型砌块，大约占 76%；主要选用超轻陶粒与普通陶粒的陶粒混凝土板材大约占11%；全部使用高强陶粒的现浇高强陶粒混凝土，约占 1.6%；主要选用超轻陶粒与普通陶粒的在其他方面的应用，约占 11.4%。应用情况同国外的比较接近，但是在轻质结构混凝土、高速公路、声屏障和各类防湿保温防冻陶粒填料等方面的应用相对较少。目前我国的技术可以配制抗压强度为 70MPa 的结构轻骨料混凝土，而在实际工程中仅用到 CL40。近几年在桥梁工程中的使用虽有进步，但最大跨度仅达35 米。用于轻骨料混凝土的所有作品与旧桥的改造仍然是非常小的，应用程序的特殊项目，如造船厂，石油平台，甚至没有突破。1.4本文研究的意义与主要内容随着现代建筑技术的发展，传统混凝土已不能满足发展的需要，如高层、超高层以及大跨度建筑均因自重过大而难以实现，轻骨料混凝土的出现解决了这一问题。不仅减轻了建筑本身的自重，而且轻骨料混凝土轻质高强，隔热保温性能好，耐火性能好，抗震性能好，抗渗性能好以及经济环保，因此，轻骨料混凝土成为未来混凝土发展的方向。轻骨料混凝土的特点，分类和研究，审查，分析研究轻骨料混凝土意义的研究。轻骨料混凝土的力学性能，本文主要分析的抗压强度和抗拉强度，其各项性能指标转换关系。第 2章 轻骨料混凝土的抗压强度的研究2.1抗压强度概述混凝土在结构中主要承受压力，抗压性能是混凝土最基本最重要的力学性能指标 8。混凝土的抗压强度采用立方抗压强度与轴心抗压强度来表示。立方体抗压强度是确定的唯一基础的混凝土强度，或确定其它机械性能（如弹性模量，峰值应变，延性系数，耐久性，破坏模式，多轴强度和变形的主要因素）和值。同普通混凝土相同，轻骨料混凝土的强度等级也应按立方体抗压强度标准值确定 9。实际的结构设计中，往往采用压缩成员棱镜（或圆柱） ，而不是一个立方体，棱柱体试件，以更准确更真实地反映混凝土抗压强度。选用棱柱体试件测量得到的抗压强度为轴心抗压强度，并将其作为以受压为主的构件的抗压强度，而且它也是混凝土结构最基本的强度指标。该研究显示，当棱镜高纵横比为34，在主压缩部件测得的压缩强度和压缩强度混凝土是几乎相同的。但在实际工程中结构构件的轴心抗压强度很少直接测量，但测量的立方体抗压强度，这是由于立方体试样节约材料，操作简单，易于在测试过程中对测试数据加载翻译和离散小。2.2轻骨料混凝土的抗压性能轻骨料混凝土与普通混凝土的抗压强度是一个基本的机械性能。此外，与其他的机械性能指标，如轴向压缩强度，剪切强度，拉伸强度，轻骨料混凝土的抗压强度是密切相关的。轻骨料混凝土依据强度和容重进行分类。按照 28d 的立方体抗压强度，将轻骨料混凝土划分为 13 个强度等级，用来作为力学计算中的依据；按其容重又将轻骨料混凝土分为 14 个等级，用来作为选择导热系数、弹性模量，以及设计重量的依据。通常将容重作为轻骨料混凝土的主要特性。然而，在实践中，在轻骨料混凝土的压缩强度在很大程度上取决于颗粒的强度，粒子与粒子密度的强度密切相关的。也就是说轻骨料混凝土越是致密，即容重越大，它的强度也就越大。一般情况，随着混凝土容重的提高，混凝土强度呈上升趋势，但这里要注意一下两点:第一，混凝土抗压强度应具有下限。通常其平均强度不应低于15N/mm2 。轻骨料中的颗粒强度较低，所以即便两种混凝土在硬化后水泥砂浆的强度一样，但结构采用轻质混凝土测得的强度仍比普通混凝土要低。因为硬化水泥砂浆的密度有助于防止腐蚀，因此，轻质混凝土能够防止钢筋锈蚀，虽其强度较低。第二，一定容重的轻骨料混凝土的抗压强度应有一个上限值。轻骨料混凝土的压缩强度在很大程度上取决于其颗粒强度，颗粒强度和颗粒的堆积密度有密切的关系，应具有的轻骨料混凝土的堆积密度的上限，当然，其抗压强度是上限，不论如何提高基板的强度（砂浆，水泥浆硬化） ，混凝土的上限值仅略有增加。当基体材料的强度来实现的极限强度混凝土骨料，和其后的混凝土的强度很少会继续增加。此种情况下，混凝土 7 天的抗压强度也许已经相当于它的最终强度。因此，硬化强度随时间而变化，适用于普通混凝土控制指标，采用轻骨料混凝土结构是无效的。2.3立方体抗压试验及结果分析2.3.1试验方法标准混凝土的抗压强度试验片是 150150150mm 的试验立方体的边长。首先取出养护好的试件，用湿布擦拭干净，检查外观并测量尺寸，然后计算试块的承压面积 (如同公称尺寸相差小于 1 毫米，则按公称尺寸计算)。测试使用200 吨的压力试验机，试样下面的压板中心放置在一个试验机的试验片的受压面，使垂直于模制的顶表面上。启动试验机，在上压板和试件接近时，为使接触均衡需调整球座。试验机以每秒钟 O.5MPa 的均匀的速度和连续负载应用，试样迅速变形破坏，停止转动完整的试件破坏，最后记录的故障负荷试油门。2.3.2立方体抗压试验结果分析轻骨料混凝土的立方体抗压强度依据下式计算:(2-1)cuPfA式中： -轻骨料混凝土立方体抗压强度（MPa）cuf-破坏荷载（N）P-试件承压面积（mm 2）A径的算术平均值的三个试块从测试结果，作为一组使用的试验片的抗压强度时的三个测试值的中间值之差的最小值或最大值大于所述中间值 15，不包括的最大值和最小值的中间值的值组的抗压强度。如果两个测量值与中间值的差值超过 15的中间值的一组测试结果无效。本方法适用于轴心受压立方体抗压强度，弯曲弯曲，劈裂抗拉强度的实际测试值较大的离散数据处理。本试验立方体抗压强度测试结果见