晓风残月洞房夜
自应力混凝土
凡是掺膨胀剂的，不论何种膨胀剂，都应该用在钢筋混凝土中或填充用的混凝土中。由于有约束，膨胀才能产生作用。在大体积混凝土中掺用，其内部最高温度应符合有关标准的规定，内外温差宜小于25℃。
膨胀剂主要解决混凝土早期的干缩裂缝和中期水化热引起的温差收缩裂缝。对于后期天气变化产生的温差收缩是不能解决的，只能通过配筋和其他构造措施加以控制。因此，膨胀剂最适用于环境温差小的地下、水工、海工、隧道等工程。对于温差较大的屋面、楼板等，必须采取构造措施才能控制裂缝。
由于生成物钙矾石在高温下会产生分解，导致强度下降，故这类膨胀剂不得在长期处于80℃的环境下使用。由于氧化钙类膨胀剂在水化中生成的Ca (OH)。，化学稳定性差，容易与CI-、S042_、Na+、Mg2一等离子进行置换反应，形成膨胀结晶体或者析出，引起耐久性降低，故氧化钙类膨胀剂不宜用于海水和有侵蚀性水的工程中。
膨胀剂主要用于配制补偿收缩混凝土和结构自防水，在这方面能发挥很好的作用。如果要用其配制填充性膨胀混凝土和二次灌注用的
自应力钢管混凝土简介
自应力钢管混凝土
1、自应力混凝土概述
膨胀混凝土由法国的H．Lossier于1936年发明并获得专利，经过30多年的起起落落，直到上世纪60年代才有了较大的发展。1955年左右前苏联研究者创造了硅酸盐自应力水泥，并开始应用于地下工程、机场、公路、大跨度薄壳等结构；美国的A．Klein研制了硫铝酸盐膨胀水泥并在工程中得到大量的工程应用；日本也在上世纪60-70年代发展膨胀水泥。中国最早是中国建材研究院于1957年研制成功硅酸盐自应力水泥，其后一直停滞，直到改革开放才取得较快的发展。
膨胀混凝土具有体积膨胀性，有膨胀就必定有外部约束作用。在不同形式的约束下膨胀混凝土就会呈现不同宏观性能，内部结构就会不同程度的发生变化。混凝土膨胀时会对其约束体施加拉应力，根据作用力与反作用力的原理，约束体对其产生相应的压应力，由于此压应力是利用混凝土自身的化学能(膨胀能)张拉钢筋或其他约束体产生的，有别于外部施加的机械预应力，所以称之为自应力。
按自应力大小不同可将膨胀混凝土划分为补偿收缩混凝土和自应力混凝土两大类。补偿收缩混凝土的自应力较小，主要用于补偿混凝土收缩和填充灌注，自应力一般为O．2～1 MPa，这时由于自应力很小，所以在结构设计中一般不考虑自应力的影响。自应力混凝土的自应力较大，在结构设计中需要考虑自应力的影响。目前，自应力混凝土的适用范围较狭窄，在结构中作为部分预应力或发挥减少收缩的辅助作用。自应力混凝土的膨胀能大，在约束条件下能产生自应力，提高混凝土的抗裂能力，因此作为自应力混凝土压力管中的材料，代替金属管材应用于市政输水、工业用排灰排气管、输气管线工程、农业用输水管中。经过长期的应用，积累了丰富的实践经验，形成了一套成熟的自应力混凝土管设计、制造、施工体系。
中国建筑材料科学研究院是我国膨胀混凝土的发源地，从1965年起，开展了硅酸盐自应力水泥(M型)的研究，混凝土自应力值为2～3MPa。1974起，该院陆续研制成功自应力铝酸盐水泥(ASC)和自应力硫铝酸盐水泥(SAEC)，混凝土自应力值为4～8MPa。1980年又研制成功出明矾石自应力水泥(AEC)，成果均用于工业生产中。吴中伟院士曾预言，如果把膨胀、自应力混凝土开发的好，预制产量可达
到普通混凝土的10％。但目前国内，膨胀混凝土的总用量只占全部混凝土用量的不到0．5％，这是由于自应力混凝土产生的自应力低于机械预应力，如何提高自应力值及扩大自应力混凝土的应用范围是制约自应力混凝土发展的重要问题。
刘江宁研究了不同限制条件下膨胀混凝土的变形及力学性能，对于单向限制膨胀混凝土得出如下结论：膨胀混凝土的限制膨胀率与时间的关系可划分为四个阶段：塑性膨胀阶段，加速膨胀阶段，膨胀平衡阶段和徐变控制阶段；膨胀混凝土的自应力水平，膨胀能和限制条件三者之间互相联系和制约。对于三向限制膨胀试验得出如下结论：三向限制膨胀混凝土的纵向膨胀率和自应力受到纵向和侧向约束的影响；三向限制条件下膨胀混凝土的强度大幅度提高，分别比自由膨胀和单项限制膨胀混凝土提高2.2倍和1.7倍。
黄承逵等人2001年利用有限元分析法研究了配筋自应力混凝土膨胀特性，人为自应力混凝土的有效自由膨胀值可用有效膨胀系数表示；自应力计算有限元模型，考虑了膨胀和徐变时间过程，可适应各种边界条件和配筋形式，能够给出结构不同部位混凝土自应力发展过程，是对一般自应力混凝土结构进行力学分析的有效方法啪1。2004年黄承逵等又对钢纤维自应力混凝土的膨胀特性进行试验研，结果表明：自应力混凝土的限制膨胀变形随配筋率的提高而降低，但到一定配筋率后，其降低的幅度趋于平缓，呈现指数的发展规律。
2、自应力钢管混凝土特点
实现钢管混凝土自应力方法主要有两种形式：使核心混凝土膨胀，或使钢管收缩(这些变化是由结构的部件自身产生，故称为自应力)。钢管收缩方式原理为：利用事先热膨胀的钢管，填满混凝土后，使钢管降温，利用钢管回缩对混凝土产生一个较大的侧压力，这种侧压力是一种相对永久的压力。对比于混凝土膨胀方式，工艺过于复杂。混凝土膨胀方式原理为：将膨胀剂添入普通混凝土中，利用膨胀能和钢管的套箍作用产生自应力。本文主要讨论由膨胀混凝土产生自应力的方式。混凝土膨胀方式不但能够解决高强混凝土在性能上存在的诸多问题，而且还能改善钢管混凝土的工作性能。其主要特点如下：
①决钢与混凝土材料结合问题
对于普通钢管混凝土而言，混凝土硬化后存在一定程度的体积固有收缩，影
响了混凝土和钢管的互相结合，混凝土和钢管之间出现脱空；受荷载初期，由于核心混凝土的横向变形系数较小约在0．16,-9．25之间，而钢材的横向变形系数在0．283左右，所以在同样的纵向压应变下钢管的横向应变要大于核心混凝土的横向应变，因此在受荷载初期钢管的径向及环向应变呈负值，人们习惯称之为负紧箍力。自应力钢管混凝土利用核心混凝土膨胀能，在加载前就使钢管与核心混凝土之间产生紧箍力，这种特性可以解决钢管混凝土脱空问题，弥补钢管混凝土紧箍力出现太迟的缺陷，改善组合材料的工作性能。
②改善核心混凝土性能
三向限制能够充分利用膨胀能，这不仅能使自应力得到大幅度提高，还可以改善混凝土各项性能。凝结硬化期间核心混凝土处于三向受压状态，密实度及力学性能大为改善；钢管中核心混凝土浇筑后基本处于密封状态，这有利于混凝土水化作用，因此混凝土的徐变也将小于普通混凝土；因钢管的约束限制作用和阻隔作用，切断了核心混凝土与外界的水分交换，这样不但避免表面泌水造成的裂纹，消除了由于养护不及时而造成施工问题，而且也不必担心核心混凝土后期膨胀造成的体积破坏。
③改善钢管混凝土力学性能
钢管混凝土轴心受压时产生套箍力，是钢管混凝土具有优越性能的原因。但普通钢管混凝土结构，在混凝土横向变形系数随荷载的增加到一定程度时才会出现套箍力。自应力钢管混凝土在加载初期，由于膨胀能和钢管限制约束的互相作用套箍力已经存在。钢管对核心混凝土的套箍力控制了加载初期核心混凝土微裂缝的产生和发展，增长了钢管混凝土弹塑性工作区，使其轴压极限承载力较普通钢管混凝土高。
3、自应力钢管混凝土研究现状
王湛等通过试验手段，研究了核心混凝土、自应力钢管混凝土轴心受压构件的屈曲荷载，试验表明：钢管膨胀混凝土性能的改善主要是由于核心内部结构的改变，初应力也起一部分作用；自应力钢管混凝土的弹性模量较普通钢管混凝土高，在弹性阶段可高达20％以上。
武汉理工大学的胡曙光和丁庆生等针对钢管高强膨胀混凝土的特性，围绕钢
管混凝土工程应用中普便存在的脱空和大跨度结构工程中的施工难题做了系统的研究，主要结论如下：
①于自应力钢管混凝土在钢管环向限制较纵向限制容易保证，钢管的环向应变大于纵向应变。
②钢管的应变随着膨胀剂的增大而增大，钢管要限制膨胀能的释放，所以引起的钢管变形就越大。
③钢管外壁的应变在7d内线性增大，15d左右基本趋于平稳。
④钢管中部的应变大于钢管端部的应变。
⑤掺入膨胀剂为10%～12％的钢管混凝土的极限破坏荷载可提高8％左右，采用铝酸盐早强膨胀混凝土较普通钢管混凝土极限破坏荷载可提高7．6％～8％。可见，采用硫酸盐早强膨胀混凝土比掺加膨胀剂配置的钢管混凝土对短柱轴压承载力的提高效果较好。
苏州水泥制品研究院的招炳泉等配置了具有两种不同膨胀率的自应力钢管混凝土以及作为对比的普通钢管混凝土试件，测定了在三向受限条件下的核心混凝土抗压强度。在此基础上，利用测到的有效自应力结合普通钢管混凝土理论，提出了轴心受压短柱抗压强度提高系数K和承载力肌。李帼昌对自应力钢管轻骨料混凝土做了系统的研究，结果表明：自应力钢管轻骨料核心混凝土的最大平均压应力随含钢率的提高而加大；自应力钢管轻骨料混凝土轴压短柱破坏以核心混凝土的破坏而告终。
大连理工大学尚作庆等人结合自应力混凝土和自密实混凝土各自的特点设计出了适合浇筑的自密实自应力混凝土，得出以下结论：自密实自应力混凝土在钢管内能保持良好的密实性，并能使结构产生较大的自应力；自应力钢管混凝土的含钢率、水泥用量、构件截面尺寸及长细比均能影响自应力的大小。
详情请参考:
重庆交通大学
硕士学位论文
自应力钢管混凝土设计理论研究
姓名：黄雅宁
申请学位级别：硕士
专业：市政工程
指导教师：周水兴
20100401
混凝土自约束应力计算书
混凝土自约束应力计算书
计算依据:
1、 《大体积混凝土施工规范》 GB50496-2009 2、 《建筑施工计算手册》江正荣编著
一、混凝土的弹性模量
E(t)=βE0(1-e-υt)=1.02×3.25×104×(1-2.718-0.09×3)=7844N/mm2
二、混凝土最大自约束应力
混凝土浇注体内的表面温度 T b (°C) 20 混凝土浇注体内的最高温度 T m (°C) 25.1 水泥 3天的水化热 Q 3(kJ/kg) 314 水泥 7天的水化热 Q 7(kJ/kg) 354 粉煤灰掺量对水化热调整系数 k 1
0.95
矿渣粉掺量对水化热调整系数 k 2 1 每 m 3混凝土胶凝材料用量 W(kg/m3
) 448
混凝土比热 C[kJ/(kg·°C)] 0.97 混凝土重力密度 ρ(kg/m3
) 2450 系数 m(d-1)
0.4 混凝土入模温度 T 0(°C)
24
混凝土结构的实际厚度 h(m)
1.4
在龄期为 τ时,第 i 计算区段产生的约 束应力延续至 t 时的松弛系数 Hi(t, τ)
1 水泥水化热总量:
Q 0=4/(7/Q7-3/Q3)=4/(7/354-3/314)=391.394kJ/kg 胶凝材料水化热总量:
Q=kQ0=(k1+k2-1)Q 0=(0.95+1-1)×391.394=371.825kJ/kg 混凝土的绝热温升:
T(t)=WQ(1-e-mt )/(Cρ)=448×371.825×(1-2.718-0.4×3)/(0.97×2450)=49°C T m =T0+ T(t)·ξ=24+48.982×0.46=46.5°C 在施工准备阶段,最大自约束应力:
σzmax =α×E(t) ×ΔTlmax ×H i (t, τ)/2=1.0×10-5×7844×(46.532-20)×1/2=1.041MPa
三、控制温度裂缝
f tk (t)=ftk (1-e-γt)=2.39×(1-2.781-0.3×3)=1.418N/mm2 2、混凝土防裂性能判断
λftk (t)/K=λ1λ2f tk (t)/K=1.03×1×1.418/1.15=1.27N/mm2
自应力混凝土配合比及设计理论
H
现代公路
IGHWAY
自应力混凝土配合比及设计理论研究
文/郑 军
自
应力混凝土是用特制的水泥；按一定比例掺入石料、砂、水和适
）εz，并非只限制膨胀率εz。通过大量工程实践分析得出有效膨胀率εe与自由膨胀率ε的比值关系见表1。
鉴于以上数据分析证明；不同膨胀的水泥、不同配合比及不同的试件尺寸，如果配筋率≥1%时；其限制膨胀率εz与配筋率有求得最大自应力的如下函数关系，推导过程（略）:
f=C e-1ES式中：
f——最大自应力（Mpa）； C——在配筋率=0时的的膨胀率（%）；
e——自然对数e=2.7183；——最大应力时的配筋率（%）；
ES——钢筋弹性模量。
150mm×150mm×150mm的标准试件进行测定，配筋率可按≥1的指数采用，目的在于比较各种配合比的膨胀能量的大小，有效膨胀率εe和限制膨胀率εz较大的其膨胀能也大。
宜的外加剂而成混凝土，经过湿润状态的养护发生一定的体积膨胀，带动其中配制的钢筋一起伸长，同时张拉了结构内的钢筋而形成拉应力，而本身却受到钢筋的弹性回缩给予的压应力。因此，凡是不借助于外力而用自身膨胀进行张拉钢筋达到预应力效果的混凝土称之为自应力混凝土，亦称为化学应力混凝土或膨胀混凝土。在土木工程中将自应力混凝土用于制作混凝土压力管、输气和输油的管道，同时节约钢材和降低工程成本，对于桥梁预应力局部混凝土及预应力钢筋混凝土管道工程的应用；该混凝土具有良好的使用价值和技术前景。
选择配筋方式限制条件
为了提高粘结力除了结构为环形配筋以外，其他结构应采取变截面钢筋或刻痕钢筋，并采取焊接横向钢筋进一步加强限制作用。配筋率应该接近最佳配筋率，自应力混凝土的截面尺寸和形状应根据使用条件按钢筋混凝土机构设计原理进行计算。环形结构配筋设计包括配筋率和管壁厚度δ，经验公式为：
环形配筋率= f/RS
管壁厚度h=K Pi r/f（1+n）+R式中：
自应力混凝土的技术设计问题
自应力混凝土的设计方法至今依然是技术领域内深入研究的课题，很大程度上缺乏成熟的理论和公式。为能够充分发挥和利用自应力混凝土的功能，必须选用最大膨胀性能的混凝土及最合理的限制方法，也是该混凝土理论设计和实践发展面临和解决的问题。
有效膨胀率、膨胀性能、配筋率选择及最大自应力问题。由于该混凝土是通过体积膨胀来进行工作，其膨胀性能是在膨胀水泥水化过程中产生的化学能，既产生所需要求的自应力有效膨胀能。该混凝土的自应力值高于补偿收缩混凝土，因此，自应力混凝土有效膨胀率εe应考虑弹性回缩率，即εe=（1+n
自应力混凝土的设计方法
自应力混凝土的设计关键在于进行构件的设计和试验，取得大量的测试数据后不断进行计算和修正，以达到自应力混凝土的技术要求和使用功能，按照惯例和研究有如下方法。
——压力管配筋率（%）；f——自应力混凝土试件计算的应力值（Mpa）；
RS——低碳冷拔钢丝的抗拉强度（Mpa）；
K——压力管的安全系数，取1.3～1.5；
Pi——压力管内的水压力（Mpa）；
r ——压力管的内半径（cm）；n——环形钢筋的层数；
使用最大膨胀能量的膨胀水泥和配合比
该设计方法可用棱柱体试件进行测试，试件的尺寸根据骨料的大小而定，亦可采用
表1
膨胀剂掺量（%）1013161316
测定龄期（d）
自由膨胀率ε1（%）0.030.150.590.543.00
有效膨胀率ε1（%）0.030.150.180.230.35
ε1/εe1.000.500.310.430.12
3
7
124TRANSPOWORLD 2011No.15(Aug)
R——自应力混凝土的抗压强度（Mpa）；
h——压力管管壁厚度（cm）。
一般的配筋率在1% ～2%左右。除此之外还应采用较大面积的模板或其他限制措施，用以提高膨胀能量的有效利用率。
胀率1d强度超出0.15%～0.3%；3d的强度超出0.45%～0.8%时，则应该减少膨胀水泥的用量1.5%，低温施工时；3d的自由膨胀率不应大于7d自由膨胀率的70%。
提高自应力值的途径
自应力混凝土的最大缺点是产生的自应力值太低，使该混凝土的使用范围受到很大的限制，目前只用于自应力混凝土的压力管，针对此技术难题，如何提高自应力混凝土的应力值是关系到该混凝土技术发展的前景问题。目前的技术研究重点是在原材料的成分及配合比、水泥的强度或膨胀剂的掺量方面进行一系列的技术研究与应用。
当自应力水泥的强度较低或强度增长较慢，而水泥的膨胀率较大时，应提高水泥的强度等级，或提高水泥强度组分的细度和见地膨胀组分的细度。
当膨胀发生过早时，设法减少膨胀组分或改变膨胀组分的水平速率，如采用膨胀发生较慢或较小的矾土水泥，既可增加矾土水泥的计量以提高早期强度，又可在稍后的时间内产生较大的膨胀，从而得到较高的自应力。自应力水泥的强度高、膨胀率较小时；适当增加膨胀组分的用量。如在硅酸盐自应力水泥中适当增加石膏的用量。
采用适宜的热处理来调节和控制强度及膨胀的发生和发展，是提高自应力值的必要措施。如我国采用硫铝酸盐水泥自应力混凝土制作压力管时，经过40℃～60℃的热水养护则有效的提高了自应力值。通过采用限制方法改进混凝土的任意膨胀特征：作为决定限制膨胀能量的重要因素，配筋率和方法对自应力值有很大影响，
表2水泥种类301自应力水泥302自应力水泥303自应力水泥304自应力水泥
水灰比（W/C）0.38～0.400.45～0.500.34～0.400.30～0.40
混凝土（砂浆）质量配合比
适用于工程种类的混凝土或砂浆
水泥1111
砂子0.801.401.0 2.01.0 2.0
石子1.22.1
压力管混凝土油库、反应罐混凝土压力管街头砂浆防渗砂浆
自应力水泥混凝土的配合比设计
一般自应力混凝土压力管所用水泥都是由水泥厂供应的自应力膨胀水泥，由矾土水泥与石膏配制，水泥的质量和特性是制作压力管混凝土的质量关键，尤其是用于公路路基、市政给排水、热力及通讯工程的管道质量至关重要。涉及到强度、抗渗及耐久等重要指标，选取合理特性的水泥和配合比设计是这样的技术问题。
主要的水泥材料：应选用强度等级42.5Mpa以上，常规使用的质量稳定的矾土水泥，要求水泥的细度在3800～4500cm2/g范围内；水泥熟料占60%～70%；Al2O3含量应大于40%；二水石膏中的SO3含量不低于37%，磨细粒径小于0.1mm。规定入磨物料的流量偏差为：石膏±0.36%，矾土水泥±0.72%，普通水泥±1.0%。骨料粒径一般为5～13mm。
检验：水泥成分中的SO3含量波动范围小于±0.15%，小于±0.5%。将出磨水泥制成1:1.6的砂浆试件，经静停、蒸养达到脱模强度（20±2）Mpa以后，再放入（20±1）℃的水中，养生到1d、 2d 、3d时分别测定自由膨胀率，确定符合设计要求的配料方案，并根据7d的自由膨胀率在1.2%～20%范围内，且自应力不低于3.0Mpa情况下，再选择膨胀水泥的用量，如自由膨
通过试验分析表明；铝酸盐自应力水泥具有较高的自应力值，该水泥不仅在水化过程中CaO浓度低于饱和的状态下可形成膨胀较小的钙矾石；且在同一水化过程中可生成水化氧化铝，和钙矾石一样对强度起到重要作用，使钙矾石膨胀缓和与强度增长配合良好提高强度。
自应力混凝土应严格控制其强度和膨胀率的变化，一般需要蒸汽养生。自应力混凝土的种类不同则加热温度和时间也不同，硅酸盐自应力混凝土的蒸汽养生温度必须达到70℃～90℃条件下养生1～2h，其他自应力混凝土的蒸汽养生温度必须达到40℃～60℃条件下养生1h左右达到10Mpa时可停止养生。自应力混凝土或砂浆参考材料重量配合比如表2。
我国目前使用的自应力水泥有三种，硅酸盐自应力水泥、铝酸盐自应力水泥和硫铝酸盐自应力水泥。所配置的自应力混凝土必须满足以下几个重要技术条件和使用功能:首先应该具有良好的膨胀值范围，自由膨胀率控制在（试件尺寸30mm×30mm×275mm）1.0%～3.0%之间；后期增加的膨胀值不大于0.2%。具有最低的强度值，养护后的7d强度≥15Mpa。具有合适的膨胀速度膨胀稳定期不少于3d，一般不超过7～10d，合适的稳定期指该混凝土自由膨胀试件达到28d以后，继续在水中养生测得的膨胀值于原始读数之比不超过0.2%。要求自应力混凝土的自应力值≥2.5Mpa，自应力混凝土的自应力值越高抗裂性能就越好。
作者单位：密涿高速公路廊坊建设管理处
2011年第15期
(8月上)
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钢筋混凝土管、预(自)应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管
钢筋混凝土管、预（自）应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管 接口连接工程检验批质量验收记录
WSZS－7
工程名称 施工单位 验收批名称、部位 分包单位 分包项目经理 施工班组长 施工单位检查 评定记录 监理（建设） 单位验收记录 分部工程名称 专业工长 分项工程名称 项目经理
GB50268－2008《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定 管及管件、橡胶圈的产品质量应符合第 5.6.1、5.6.2、 5.6.5、5.7.1 条；
1
主 柔性接口的橡胶圈位置正确，无扭曲、外露现象；承口、 2 控 插口无破顺、开裂；双道橡胶圈的单口水压试验合格； 项 目 3 刚性接口的强度符合设计要求，不得有开裂、空鼓、脱 落现象； 柔性接口的安装位置正确， 其纵向间隙应符合第 5.6.9、 5.7.2 条； 刚性接口的宽度、厚度符合设计要求；其相邻管接口错 一 5 口允许偏差：Di 小于 700 ㎜时，应在施工中自检；Di 大 于 700 ㎜，小于或等于 1000 ㎜时，应不大于 3 ㎜；Di 般 大于 1000 ㎜时，应不大于 5 ㎜； 项 目 管道沿曲线安装时，接口转角应符合应符合第 5.6.9、 6 5.7.5 条； 4 7 管道接口的填缝应符合设计要求，密实、光洁、平整。
施工单位检查 评定结果
项目专业质量检查员： 年 月 日
监理工程师 监理（建设）单位 （建设单位项目专业技术负责人） 验收结论 年 月 日
