專利名稱：具有改進延展性的高強度混凝土的制作方法
采用混凝土添加劑及附加物料制成的高強度混凝土的特征是具有很高的強度。通過流動助劑的使用可在很低的水-水泥(W/Z)的比例范圍達到相同的可加工性。微粒填料的加入，這里主要是使用硅鐵合金制造中的副產(chǎn)物二氧化硅微粒來微調(diào)混凝土的結(jié)構(gòu)。這種微粒填料能產(chǎn)生三種效果，即都是對混凝土強度的提高起到十分重要的作用。
第一是通過二氧化硅微粒的小粒度(d＝0.1μm)可以填滿水泥顆粒之間的孔隙，從而達到結(jié)構(gòu)至密的目的。其次是通過二氧化硅微粒的白榴火山灰與氫氧化鈣(CH)反應形成硅酸鈣的水合物(CSH)，它同樣具有提高強度的作用。此外還減小了基體與添加物之間接觸區(qū)的鈣及鈣礬石的含量。這些結(jié)合的改進導致所熟知的高強度混凝土的斷層形成，它與普通強度的混凝土不同，該斷層是通過添加顆粒貫穿滲化。這樣會出現(xiàn)較少的粗糙斷裂面，裂紋邊界的咬合也大為減小。
由于按照規(guī)定的水泥塊的基體的均勻度大為改善，微細裂紋的形成只在較高負荷的情況下才形成。一般強度的混凝土在中心壓力負荷達到抗壓強度的約40-60％時顯示出線性彈性狀態(tài)，而高強度混凝土則在壓力負荷達到抗壓強度的約90％時還保持線性應力-應變行為。出現(xiàn)的微裂紋將以超比例的增長速率隨著頂鍛壓力的加大而發(fā)展，由于處在高的彈性能量狀態(tài)，所以會在瞬間出現(xiàn)突然的結(jié)構(gòu)失效，所達到的臨界頂鍛壓強度要明顯低于普通混凝土的數(shù)值。
按照當前的技術(shù)水平，對付上述問題的方法是加強環(huán)箍。用這種橫向加強配置可防止裂紋向周圍擴散開或在環(huán)箍內(nèi)形成三軸向的壓力狀態(tài)以提高其延展性。可是通過對中心負荷的受壓構(gòu)件試驗得出，在應力—應變曲線的降壓支路部分的變形能力的明顯的提高只是在方形支撐條件下必須超過2容積％的環(huán)箍或在圓形支撐條件下必須超過3容積％的環(huán)箍下才能達到目的。為了阻止混凝土蓋板由于開裂而出現(xiàn)突然失效或接著出現(xiàn)斜向裂紋(形成一種局部的整塊結(jié)構(gòu)移位)，那么橫向加強程度至少為6容積％。在這種高加強度情況下，混凝土使用起來很不方便，而且混凝土的表面層的剝落還是不能完全避免。
按照當前技術(shù)水平，在文獻中還可看到(例如DE-OS 2314 352)在混凝土內(nèi)添加纖維，特別是鋼絲，以提高高強度混凝土的彎曲抗拉強度。
從上述經(jīng)驗出發(fā)，已經(jīng)做過試驗，通過在脆性的高強度混凝土中添加提高彎曲抗拉強度的鋼絲來進行改善其性能。但是試驗指出，要添加到10容積％或更多才能達到在高強混凝土受壓構(gòu)件延展性的明顯提高。添加這樣多的纖維量必須采用特殊的方法，這在經(jīng)濟上或建筑施工都沒有好處。
在文獻中還看到(DE 195 10 338 AI)，在高強度混凝土中添加有機纖維以改善混凝土在火災中的性能。
本發(fā)明的目的是提供一種高強度混凝土，只添加了少量的無機纖維，而其延展性與通常的高強度混凝土對比有明顯的改善。
本發(fā)明對這一目的是按照權(quán)利要求1提出的原理的高強度混凝土解決的。
值得驚奇的是，將為了提高混凝土的彎曲抗拉強度而添加的眾所周知的無機纖維(鋼纖維，碳素纖維，玻璃纖維)與按權(quán)利要求1中提出的數(shù)量范圍加入的有機纖維相結(jié)合可以肯定地提高高強度混凝土的延展性。通過添加這種纖維混合物可以測得與普通強度的混凝土類似應力-應變線的降壓點后的曲線，沒有發(fā)現(xiàn)由于纖維混合物的加入而明顯地降低強度的現(xiàn)象。
添加纖維后的高強度混凝土的斷裂行為可通過裂紋形成的增多以及超比例的振實壓變形來預計。由于振實壓變形不斷增長使材料減小了它的承載能力。這一過程在有控變形加載下是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)突然結(jié)構(gòu)失效。其臨界振實壓負荷與普通強度的混凝土相應。
混凝土在壓應力下的崩潰從機械角度看由兩種現(xiàn)象相結(jié)合造成，一方面是斷裂性的裂紋出現(xiàn)，另一方面是局部的整塊構(gòu)件位移。斷裂性裂紋促使構(gòu)件頂鍛壓變形范圍增大，而使結(jié)構(gòu)件變?nèi)酰钡匠霈F(xiàn)局部的整塊裂紋構(gòu)件位移以使構(gòu)件系統(tǒng)失效。
兩種纖維的作用可以下列的模擬試驗進行描述由于與混凝土的基體相比，有機纖維的彈性模數(shù)很小，所以這種纖維在內(nèi)部缺陷處起作用。它們加快了在周圍的能量散逸的微細裂紋的分散形成。物料中存在的無機纖維則起到將這些微細裂紋“縫合”的作用，它使這些裂紋在繼續(xù)加載中不斷而穩(wěn)定地變寬。裂紋寬度的增大將不斷地降低系統(tǒng)的剛度。強度范圍的高能狀態(tài)一方面被有機纖維產(chǎn)生的微缺陷齒面的摩擦，另一方面通過無機纖維的裂紋縫合作用而分散開。這不只是避免了高強度混凝土構(gòu)件爆炸性的失效，通過微裂紋的形成可及時預計受壓構(gòu)件的失效，并且有足夠的變形能力以避免超負荷，由此在承重結(jié)構(gòu)中有可能將負荷加到有足夠承載貯備能力的構(gòu)件上。
從附屬權(quán)利要求中還可得出本發(fā)明的其他優(yōu)越的實施方案。
本發(fā)明除能提高延展性以外，還有一個重要的優(yōu)點，即由于纖維混合物所占份量比較小，可在混凝土的混合過程中加入，因而與現(xiàn)技術(shù)所熟知的方法不同之處在于它可按典型的建筑操作進行。這就在費用上有很大的優(yōu)越性而且可以制成垂直的直立構(gòu)件例如支柱以及水乎的建筑構(gòu)件或兩者結(jié)合的建筑構(gòu)件。按照已知方法只能制造水平建筑構(gòu)件如蓋板之類。
本發(fā)明還可用下列的中心加壓試驗作進一步描述，所附的應力-應變曲線圖為

圖1添加有鋼絲以及不添加鋼絲的高強度混凝土的情況。
圖2添加有聚丙烯纖維及添加聚丙烯纖維的高強混凝土的情況。
圖3按照本發(fā)明的一種實施方案在高強度混凝土中添加鋼纖維及聚丙烯纖維混合物的情況。
圖1所作的試驗是在高強度混凝土B105的混合過程中加入鋼絲，份量為120kg/m3，相當于1.5容積％。所用的鋼絲是市場一般供應的鋼絲，即約15-60mm長，直徑0.15-1mm。圖1中示出的應力-應變曲線為不添加任何附加纖維料的高強度混凝土(實線)與添加上述鋼絲后的(帶空心方塊的實線)進行對比。結(jié)果指出，通過添加鋼絲，混凝土B105的作功能力明顯提高。但是高強度混凝土的應力—應變曲線在質(zhì)量上接近普通混凝土，因此以裂紋預報類似的延展性的失效行為的目的卻沒有達到。
圖2中表示的試驗結(jié)果是在高強度混凝土B105的混料過程中添加2kg/m3(0.2容積％)聚丙烯纖維。塑料纖維的長度約為20mm及直徑為約100μm。
從圖2中可以看出，添加聚丙烯纖維后，混凝土的作工能力提高不大(帶實心方塊的實線)。但是應力-應變曲線降壓點后的曲線在負荷達到抗壓強度的約40％以后變得比較平坦。
從表示分別添加鋼絲及聚丙烯纖維的試驗結(jié)果的圖1及2對比，應得出的結(jié)論為當添加這兩種纖維的混合物時(120kg/m3鋼絲及2kg/m3聚丙烯纖維)，得到的應力-應變曲線位置應在上述兩種曲線之間，但是結(jié)果非常不能令人滿意。值得驚奇的是，結(jié)果如圖3所示，當添加上述的纖維混合物后得出如圖3表示的協(xié)同效果。圖中表示出普通混凝土B45(虛線)的應力-應變曲線，不帶添加纖維的高強混凝土B105(實線)及添加纖維混合物后的高強混凝土B105(帶三角形的實線)的應力-應變曲線。這些試驗指出，鋼絲與聚丙烯纖維組合的添加，在高強度混凝土中可以產(chǎn)生消除脆性后期斷裂行為。可通過許多分離裂紋預告斷裂，并且進展是平穩(wěn)的?！袄w維混合物”的應力-應變曲線在較高負載下相當于普通強度的混凝土。它達到類似的臨界振實壓。
權(quán)利要求
1.一種含無機纖維的具有改進延展性的高強度混凝土，其特征在于，為了增強混凝土的彎曲抗拉強度，其含有約30-200kg/m3的已知無機纖維及約1-10kg/m3的有很小的彈性模數(shù)的有機纖維。
2.權(quán)利要求1中的高強度混凝土，其特征在于無機纖維為一種鋼絲。
3.權(quán)利要求2中的高強度混凝土，其特征在于它含有120kg/m3鋼絲。
4.權(quán)利要求2或3中的高強度混凝土，其特征在于鋼絲的長度約為15-60mm及直徑為約0.15-1mm。
5.上述權(quán)利要求之一中的高強度混凝土，其特征在于該有機纖維為聚丙烯纖維。
6.權(quán)利要求5中的高強度混凝土，其特征在于含有約2kg/m3的聚丙烯纖維。
7.權(quán)利要求5或6中的高強度混凝土，其特征在于聚丙烯纖維的長度為約5-20mm及直徑為約50-525μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有改進延展性的含無機纖維的高強度混凝土。它的任務(wù)是雖然添加的少量無機纖維,但能明顯地改進這種混凝土的延展性。按照本發(fā)明,這一任務(wù)的解決方法是在高強度混凝土中添加約30—200kg/m
文檔編號C04B14/38GK1240413SQ97180713
公開日2000年1月5日 申請日期1997年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
發(fā)明者J·施內(nèi)爾, G·科尼格 申請人:菲利普霍爾茨曼股份公司