具有改进延展性的高强度混凝土 采用混凝土添加剂及附加物料制成的高强度混凝土的特征是具有很高的强度。通过流动助剂的使用可在很低的水-水泥(W/Z)的比例范围达到相同的可加工性。微粒填料的加入,这里主要是使用硅铁合金制造中的副产物二氧化硅微粒来微调混凝土的结构。这种微粒填料能产生三种效果,即都是对混凝土强度地提高起到十分重要的作用。
第一是通过二氧化硅微粒的小粒度(d=0.1μm)可以填满水泥颗粒之间的孔隙,从而达到结构至密的目的。其次是通过二氧化硅微粒的白榴火山灰与氢氧化钙(CH)反应形成硅酸钙的水合物(CSH),它同样具有提高强度的作用。此外还减小了基体与添加物之间接触区的钙及钙矾石的含量。这些结合的改进导致所熟知的高强度混凝土的断层形成,它与普通强度的混凝土不同,该断层是通过添加颗粒贯穿渗化。这样会出现较少的粗糙断裂面,裂纹边界的咬合也大为减小。
由于按照规定的水泥块的基体的均匀度大为改善,微细裂纹的形成只在较高负荷的情况下才形成。一般强度的混凝土在中心压力负荷达到抗压强度的约40-60%时显示出线性弹性状态,而高强度混凝土则在压力负荷达到抗压强度的约90%时还保持线性应力-应变行为。出现的微裂纹将以超比例的增长速率随着顶锻压力的加大而发展,由于处在高的弹性能量状态,所以会在瞬间出现突然的结构失效,所达到的临界顶锻压强度要明显低于普通混凝土的数值。
按照当前的技术水平,对付上述问题的方法是加强环箍。用这种横向加强配置可防止裂纹向周围扩散开或在环箍内形成三轴向的压力状态以提高其延展性。可是通过对中心负荷的受压构件试验得出,在应力—应变曲线的降压支路部分的变形能力的明显的提高只是在方形支撑条件下必须超过2容积%的环箍或在圆形支撑条件下必须超过3容积%的环箍下才能达到目的。为了阻止混凝土盖板由于开裂而出现突然失效或接着出现斜向裂纹(形成一种局部的整块结构移位),那么横向加强程度至少为6容积%。在这种高加强度情况下,混凝土使用起来很不方便,而且混凝土的表面层的剥落还是不能完全避免。
按照当前技术水平,在文献中还可看到(例如DE-OS 2314 352)在混凝土内添加纤维,特别是钢丝,以提高高强度混凝土的弯曲抗拉强度。
从上述经验出发,已经做过试验,通过在脆性的高强度混凝土中添加提高弯曲抗拉强度的钢丝来进行改善其性能。但是试验指出,要添加到10容积%或更多才能达到在高强混凝土受压构件延展性的明显提高。添加这样多的纤维量必须采用特殊的方法,这在经济上或建筑施工都没有好处。
在文献中还看到(DE 195 10 338 AI),在高强度混凝土中添加有机纤维以改善混凝土在火灾中的性能。
本发明的目的是提供一种高强度混凝土,只添加了少量的无机纤维,而其延展性与通常的高强度混凝土对比有明显的改善。
本发明对这一目的是按照权利要求1提出的原理的高强度混凝土解决的。
值得惊奇的是,将为了提高混凝土的弯曲抗拉强度而添加的众所周知的无机纤维(钢纤维,碳素纤维,玻璃纤维)与按权利要求1中提出的数量范围加入的有机纤维相结合可以肯定地提高高强度混凝土的延展性。通过添加这种纤维混合物可以测得与普通强度的混凝土类似应力-应变线的降压点后的曲线,没有发现由于纤维混合物的加入而明显地降低强度的现象。
添加纤维后的高强度混凝土的断裂行为可通过裂纹形成的增多以及超比例的振实压变形来预计。由于振实压变形不断增长使材料减小了它的承载能力。这一过程在有控变形加载下是稳定的,不会出现突然结构失效。其临界振实压负荷与普通强度的混凝土相应。
混凝土在压应力下的崩溃从机械角度看由两种现象相结合造成,一方面是断裂性的裂纹出现,另一方面是局部的整块构件位移。断裂性裂纹促使构件顶锻压变形范围增大,而使结构件变弱,直到出现局部的整块裂纹构件位移以使构件系统失效。
两种纤维的作用可以下列的模拟试验进行描述:
由于与混凝土的基体相比,有机纤维的弹性模数很小,所以这种纤维在内部缺陷处起作用。它们加快了在周围的能量散逸的微细裂纹的分散形成。物料中存在的无机纤维则起到将这些微细裂纹“缝合”的作用,它使这些裂纹在继续加载中不断而稳定地变宽。裂纹宽度的增大将不断地降低系统的刚度。强度范围的高能状态一方面被有机纤维产生的微缺陷齿面的摩擦,另一方面通过无机纤维的裂纹缝合作用而分散开。这不只是避免了高强度混凝土构件爆炸性的失效,通过微裂纹的形成可及时预计受压构件的失效,并且有足够的变形能力以避免超负荷,由此在承重结构中有可能将负荷加到有足够承载贮备能力的构件上。
从附属权利要求中还可得出本发明的其他优越的实施方案。
本发明除能提高延展性以外,还有一个重要的优点,即由于纤维混合物所占份量比较小,可在混凝土的混合过程中加入,因而与现技术所熟知的方法不同之处在于它可按典型的建筑操作进行。这就在费用上有很大的优越性而且可以制成垂直的直立构件例如支柱以及水乎的建筑构件或两者结合的建筑构件。按照已知方法只能制造水平建筑构件如盖板之类。
本发明还可用下列的中心加压试验作进一步描述,所附的应力-应变曲线图为:
图1添加有钢丝以及不添加钢丝的高强度混凝土的情况。
图2添加有聚丙烯纤维及添加聚丙烯纤维的高强混凝土的情况。
图3按照本发明的一种实施方案在高强度混凝土中添加钢纤维及聚丙烯纤维混合物的情况。
图1所作的试验是在高强度混凝土B105的混合过程中加入钢丝,份量为120kg/m3,相当于1.5容积%。所用的钢丝是市场一般供应的钢丝,即约15-60mm长,直径0.15-1mm。图1中示出的应力-应变曲线为不添加任何附加纤维料的高强度混凝土(实线)与添加上述钢丝后的(带空心方块的实线)进行对比。结果指出,通过添加钢丝,混凝土B105的作功能力明显提高。但是高强度混凝土的应力—应变曲线在质量上接近普通混凝土,因此以裂纹预报类似的延展性的失效行为的目的却没有达到。
图2中表示的试验结果是在高强度混凝土B105的混料过程中添加2kg/m3(0.2容积%)聚丙烯纤维。塑料纤维的长度约为20mm及直径为约100μm。
从图2中可以看出,添加聚丙烯纤维后,混凝土的作工能力提高不大(带实心方块的实线)。但是应力-应变曲线降压点后的曲线在负荷达到抗压强度的约40%以后变得比较平坦。
从表示分别添加钢丝及聚丙烯纤维的试验结果的图1及2对比,应得出的结论为当添加这两种纤维的混合物时(120kg/m3钢丝及2kg/m3聚丙烯纤维),得到的应力-应变曲线位置应在上述两种曲线之间,但是结果非常不能令人满意。值得惊奇的是,结果如图3所示,当添加上述的纤维混合物后得出如图3表示的协同效果。图中表示出普通混凝土B45(虚线)的应力-应变曲线,不带添加纤维的高强混凝土B105(实线)及添加纤维混合物后的高强混凝土B105(带三角形的实线)的应力-应变曲线。这些试验指出,钢丝与聚丙烯纤维组合的添加,在高强度混凝土中可以产生消除脆性后期断裂行为。可通过许多分离裂纹预告断裂,并且进展是平稳的。“纤维混合物”的应力-应变曲线在较高负载下相当于普通强度的混凝土。它达到类似的临界振实压。