高性能混凝土在房屋建筑工程中的应用.pdf

129石材2023年9 期SHICAI材料应用高性能混凝土在房屋建筑工程中的应用汪飞（贵州晟建工程项目管理有限公司，贵州1贵阳550 0 0 0）1高性能混凝土的基本组成和设计原理1.1高性能混凝土的主要成分高性能混凝土主要成分包括水泥、水、骨料和掺合物。其中，水泥的类型和质量是决定混凝土性能的关键因素，水对于水泥的水化反应起着至关重要的作用。骨料通常包括砂、砾等，起到填充空隙、减小收缩和提高混凝土强度的作用。掺合物如矿物掺合料和化学掺和料，可以改善混凝土的工作性和长期性能。1.2高性能混凝土的混合设计原理（1）组成材料选择。在混凝土混合设计过程中，首先要选择合适的组成材料。这包括选择适当类型和质量的水泥，合适类型和粒径的骨料，以及适当的掺合物。这些选择将直接影响到混凝土的性能。（2）混合比例设计。高性能混凝土的混合设计要求考虑到各组成材料的物理和化学性质，以满足强度、耐久性等混凝土性能需求。这一设计过程基于混凝土各成分的体积比例，即混凝土的体积等于水泥的体积加水的体积加骨料的体积加空气的体积。Vc=Vw+Vc+Va+Vb(1)式（1）中，Vc为混凝土的体积，Vw为水的体积，Vc为水泥的体积，Va为骨料的体积，Vb为空气的体积。这个公式在实际设计中是非常重要的，它可以帮助我们准确计算出混凝土的体积，从而合理调整各组成部分的比例，使得混凝土具有所需的性能。接下来就是确定各材料的比例。其直接决定了混凝土的性能。其中一个关键的比例是水-水泥比，也就是水的重量除以水泥的重量。这个比例的大小会直接影响混凝土的工作性和强度。WIc=Ww/Wc(2)式（2）中，wlc为水-水泥比，Ww为水的重量，Wc为水泥的重量。在实际工作中，通过调整这个比例，我们可以得到具有不同强度和工作性的混凝土。1.3骨骨料粒径分布计算骨料粒径分布的计算是混凝土混合设计中的一个重要环节。这个计算涉及到骨料的最大粒径、最小粒径、级配系数等。骨料粒径分布计算公式可以用罗斯曼分布公式表示：P(D)=100(1/D,n(3)max式（3）中，P（D）是通过筛孔D的累计百分比，Dmax是骨料最大粒径，n是分布参数。通过这个公式，我们可以得到骨料的粒径分布，从而合理选择和使用骨料。对于高性能混凝土的混合比例设计，因地域、材料、工程要求等因素的不同，其比例也会有所不同。表1是一个一般性的参考表格，但实际操作中，还需要结合具体情况进行调整。表1高性能混凝土的一般混合比例设计表材料体积比（%）重量比（%）水泥7 1510 15水14 2120 25骨料60 7560 70掺合物0505表1中体积比和重量比是分别以混凝土总体积和总重量为基准进行计算的。例如，如果水泥的体积比是10%，那么在混凝土中，水泥的体积占混凝土总体积的10%。在具体应用中，通过调整这些比例，可以得到不同性能的混凝土。例如，如果需要提高混凝土的强度，可以增加水泥的比例；如果需要提高混凝土的工作性，可以适当增加水的比例1。2高性能混凝土的性能测试2.1抗压强度测试抗压强度是评价混凝土性能的关键指标之一，也是衡量混凝土质量的重要参数。通常，我们通过实验作者简介：汪飞（19 9 5一），男，贵州贵阳人，工程师。研究方向为建筑工程技术及管理。130STONE2023 No.9式（6）口p为风压，v为风速。STONE材料应用石材室压缩测试来测量混凝土的抗压强度。此类测试通常在混凝土硬化后的特定天数（如3d、7 d、2 8 d）进行。操作步骤如下：首先，我们需要制作标准尺寸的混凝土试块。这些试块在特定的条件下养护，直至达到预定的测试日测试时，将试块放置在压力测试机上。通过逐渐增加压力，直到试块破裂。记录试块破裂时的最大压力，并计算抗压强度。抗压强度可用公式：抗压强度=最大承受压力/试块截面面积来计算。2.2抗折强度测试混凝土的抗折强度是指混凝土在弯曲应力下抵抗破裂的能力，这是一个评价混凝土韧性和裂缝控制能力的重要指标。抗折强度测试通常采用三点弯曲测试法，即在试块的两端施加均匀的压力，而在中部施加反向的压力，直至试块破裂。通过测量试块破裂时的最大压力和试块的尺寸，可以计算抗折强度。抗折强度的计算公式为：fcf=3PL/2bd（4）式（4）中，fcf为抗折强度，P是试块破裂时的最大压力，L是支撑跨度，b是试块的宽度，d是试块的深度。2.3耐久性测试混凝土的耐久性是指混凝土在各种环境条件下保持其性能的能力，包括抵抗侵蚀、冻融循环、盐水侵蚀等。针对不同的耐久性需求，有不同的测试方法。例如，冻融耐久性测试是将试块在冻融环境中循环，然后测量试块的质量损失或强度损失。混凝土的耐久性评价通常需要根据实际应用环境和要求来确定表2 高性能混凝土的性能测试结果表测试项目测试结果标准要求抗压强度（2 8 d，MPa）55.650.0抗折强度（2 8 d，MPa）7.47.0耐冻融性（%损失）4.15.0测试项目测试结果标准要求抗压强度测试结果表明，这种高性能混凝土的抗压强度为55.6 MPa，远高于标准要求的50 MPa，显示出了优异的抗压性能。抗折强度测试结果为7.4MPa，也超过了标准要求的7.0 MPa。这表明该混凝土在弯曲应力下具有良好的抗断裂能力。抗折强度是评价混凝土在受到弯曲、扭曲等力的影响时能否抵抗开裂的重要指标。这种混凝土能在一定程度上抵抗裂纹扩展，增加了其在复杂荷载下的应用可能性。耐冻融性的测试结果是4.1%的质量损失，低于标准要求的5.0%，表明该混凝土具有良好的耐冻融性能。这对于那些可能遭受冰冻天气影响的地区来说，尤为重要。耐冻融性好的混凝土能在冰冻和融化的循环中保持其结构和性能，避免因冰晶在混凝土内部扩张而引起的损坏2 。相关性测试见表2。3高性能混凝土在房屋建筑工程中的具体应用3.1高层建筑结构中的应用高性能混凝土在高层建筑结构中的应用已经日趋普遍。由于其优良的抗压强度和抗折强度，高性能混凝土成为了高层建筑、尤其是超高层建筑的首选材料。高层建筑需要承受巨大的荷载，包括自重、风荷载和地震荷载等，因此需要使用强度高、韧性好的建筑材料。高性能混凝土满足了这些需求。同时，高性能混凝土还可以提供更高的初始刚度，降低结构的位移，提高结构的整体稳定性。高层建筑中的梁、柱等关键构件，通常都会使用高性能混凝土来保证其在复杂荷载下的工作性能。以一座50 层的高层建筑，每层高3米，主要需要考虑的荷载为自重和风荷载。首先，考虑建筑自重。假设每平方米的楼板重量为50 0 kg（包括楼板自重、室内设施、人员等），那么每层的楼板重量就为50 0kg/m。若每层的面积为2 0 0 0 m，那么每层的楼板重量就为10 0 0 ton。因此，50 层楼的总重量就为50 0 0 0 ton。G=n G1=50 1000=50000ton(5式（5）中，G为建筑自重，n为楼层数，G1为每层楼板重量。考虑风荷载。风荷载的大小取决于建筑的高度、形状以及地理位置等因素。假设该地区的设计风速为30m/s，那么对应的风压可以通过以下公式计算：p=0.613 v=0.613 30=551.7N/m20.056 ton/m(6)如果建筑的风荷载面积（即建筑侧面的面积）为3000m，那么风荷载的大小就为0.0 56 30 0 0=16 8ton。由于高性能混凝土的高抗压强度，例如前文提到的55.6 MPa，该建筑的混凝土结构可以承受这些荷131石材2023年9 期SHICAI材料应用材载。考虑到建筑结构的安全系数，通常会设计其承受的最大压力为实际荷载的几倍。若采用3倍的安全系数，那么混凝土结构需要设计成能够承受150 0 0 0 ton的压力，这对于高性能混凝土来说是完全可行的3。3.2地下结构中的应用在地下工程中，如地下车库、地铁站等，高性能混凝土的应用也非常广泛。这些地下结构需要具有良好的防水性能、抵抗土壤压力的能力以及在地震时的稳定性。同时，地下工程中的施工环境通常比较复杂，有时还需要在地下深层施工，因此需要混凝土具有良好的施工性能。以地铁站为例，地铁站的设计和建造是一个具有挑战性的工程项目，需要混凝土具备一系列特性来满足工程需求。地铁站的结构需要承受大量的土壤压力，同时还需具备防水和抗地震的特性。首先，需要考虑的是地下结构所需承受的土壤压力。假设地铁站深度为2 0 米，土壤的单位重为18 kN/m。那么土壤对结构产生的压力可以通过下面的公式进行计算：Ps=h=20m 18kN/m=360kN/m(7)式（7）中，Ps为土壤压力，h为土壤深度，为土壤单位重。其次，对于防水性能，高性能混凝土的低渗透性使其在地下结构中具有明显优势。根据实验数据，高性能混凝土的渗透系数通常在10 -12 m/s至10 -16 m/s之间。这意味着，即使在高水压的情况下，高性能混凝土也可以保证其防水性能。最后，地铁站需要具备良好的抗地震性能。由于高性能混凝土的高强度和高韧性，它可以在地震时维持结构的完整性和稳定性。在地震设计中，地震力通常会转换为静力进行计算。假设地区的地震设防烈度为7 度，那么其基本地震加速度可以设为0.1g，由此产生的地震力可以通过下面的公式进行计算：Fe=m a=m 0.1g(8)式（8）中，Fe为地震力，m为结构质量，a为地震加速度。其中，结构质量m可以通过结构的体积和混凝土的密度进行计算。通过这个例子可以看出，高性能混凝土在地下工程中的应用是十分合适的，它不仅能够满足工程对混凝土的强度、防水性能和抗地震性能的要求，而且还具有良好的施工性能，使得施工过程更加简单和高效43.3抗震结构中的应用在地震高发区，例如日本和加利福尼亚，高性能混凝土已经成为建筑主要的结构材料。在设计抗震结构时，不仅要考虑混凝土的强度，还需要考虑其韧性和延性。高性能混凝土由于其良好的延性和抗裂性，可以在地震时吸收大量的能量，减少结构的破坏。此外，高性能混凝土还有良好的耐久性，可以保证其在长期的地震环境中仍能保持良好的性能以重建的北川中学为例，该学校所在地位于汶川地震带，地震活动频繁，地震烈度较高。因此，在设计和建设新校舍时，使用了高性能混凝土作为主要的结构材料。高性能混凝土的高抗压强度和抗折强度，使得剪力墙在地震作用下有更高的稳定性。同时，其良好的塑性和延性，使得在地震荷载作用下，剪力墙可以吸收大量的地震能量，避免结构的破坏。对于高层建筑，其自振周期T是影响建筑抗震性能的重要参数。高性能混凝土的高强度可以降低结构的自振周期，从而提高建筑的抗震性能。自振周期T可以通过以下公式计算：自振周期T=2V（/m k）(9）式（9）中，T为自振周期，为结构的惯性矩，m为结构的质量，k为结构的刚度。高性能混凝土的高强度使得结构的刚度k提高，从而降低了结构的自振周期。在北川中学新校舍的建设中，由于使用了高性能混凝土，使得新校舍的抗震性能大大提高，可以抵抗8 度以上的地震。这个例子展示了高性能混凝土在抗震结构设计中的优越性，进一步证实了其在房屋建筑工程中的重要应用价值5参考文献1吴庆雄，许志坤，袁辉辉，秦志清.外包超高性能混凝土钢管混凝土叠合短柱轴压性能试验与分析D/OL.建筑结构学报：1-102023-05-27.2赵才华.经济型超高性能混凝土在正交异性钢桥面铺装中的应用及经济效益分析D.长安大学,2 0 2 0.3】张小虎,王剑锋.高性能泡沫混凝土的研制及其在工程结构中的应用D).科学技术创新,2 0 18（13）：7 9-8 0.4郭旺.幺议高强高性能混凝土技术在房屋工程施工中的应用DJ.现代装饰（理论）,2 0 12（0 5）：11.5白江.高性能喷射混凝土施工技术在房屋加固工程中的应用D).吉林水利,2 0 0 4（0 9）：13-14+16.