具有自粗化特性的自密实混凝土结构制造技术

将少量轻质骨料加入正常重量的混凝土混合物中以产生干净粗糙的顶表面，从而不需要手工或机械粗糙化该顶表面。轻质粗骨料将浮到该表面，并形成一个粗糙表面，从而使之前填筑的混凝土和新填筑的混凝土之间的界面(冷缝)的粘结和剪切阻力与手动粗糙化的接缝一样强。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有自粗化特性的自密实混凝土结构相关申请的交叉引用本申请要求申请号为62/163,772，申请日为2015年5月19日的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用包含在本文中。专利技术背景
本专利技术涉及一种混凝土系统和方法，更具体而言涉及在自密实混凝土中包含轻质粗骨料，以便使混凝土结构形成粗糙表面。
技术介绍
自密实混凝土(SCC)的发展在混凝土技术上已经取得了重大进步，并且，随着过去15年的越来越多的应用，使得其从根本上改变了建设实践，同时又节省了劳动力、成本和时间。在示例性的情形例如核结构的建设中，SCC用于填筑在可达90英尺高的钢板模块间。连续填筑混凝土以避免在混凝土中出现冷缝。然而，连续填筑混凝土不但成本高而且有时无法实现。经常难以按时间和空间组织好足够多的搅拌车，特别是在边远地区。一辆车延迟两三个小时送达就会导致出现冷缝。进而，高位填筑导致对钢板的高静液压荷载，最终不是为了抵抗设备运转施加的荷载，而只为了进行混凝土填筑就需要使用粗壮的加强件来加固。允许出现冷缝可以减缓而非消除对周密安排搅拌车的需求并减少钢板上负担的拥挤的结构，其中每减少一项都会降低成本和简化设计。这不仅在示例性的核建设中，在所有的大体积混凝土施工项目中都适用。冷缝已经应用在后张混凝土防护墙的构建中。缝的强度由跨冷缝产生的剪切摩擦来决定。该“摩擦”取决于表面粗糙度，新料与之前填筑的混凝土的粘合，穿过该缝的加强件，以及垂直于该缝的荷载。由于其通常为高净浆或砂浆分数以及需要非常精细的颗粒(例如硅粉、偏高岭土、石灰石和其它矿物粉末)，并由于SCC的“自水平(self-levels)”，所以SCC的表面一旦设置通常是非常光滑的。导致预期跨普通的SCC的冷缝难以产生剪切摩擦。美国混凝土协会(ACI)核安全相关混凝土结构规范(ACI349-06)及条文说明规定剪切摩擦加强件是垂直于剪切面的，该剪切面(该冷缝)的名义剪切能力Vn可通过公式(1)计算：Vn＝μAvfy(1)其中μ是摩擦系数，Av是剪切加强件跨剪切面的面积，以及fy是产生的加强件屈服强度(≤60ksi)。一些示例性的摩擦系数包括应用于整体式混凝土连接的1.4，应用于紧靠有意粗化为1/4英寸幅值(粗糙冷缝)的已硬化混凝土填筑混凝土的1.0，用于通过带头螺柱或钢筋将混凝土锚定到轧制结构钢的0.7，以及紧靠未有意粗化(平滑冷缝)的已硬化混凝土填筑混凝土的0.6。根据《高强度混凝土剪切摩擦试验》，卡恩，L.F.和A.D.米歇尔，2002，ACI结构期刊99(1)：98-103，ACI349-06将Vn限定为混凝土面积乘以800psi，而ACI318-11将强度限定为混凝土面积乘以1600psi。抗剪加强件面积Av包括模块中的任何竖直钢筋和表面钢板。卡恩和斯拉普卡思对预制混凝土梁和现浇混凝土楼承板之间的界面剪切进行了研究。《高强度复合T形梁中的界面剪切》，卡恩，L.F.和A.斯拉普卡思，2004，PCI期刊49(4)：102-110。该冷缝界面的剪切强度使用ACI349-06和ACI318-11第17章中介绍的剪切摩擦概念来确定。卡恩和斯拉普卡思(2004)得出的结论是：界面的强度可以使用卡恩和米歇尔(2002)提出的剪切摩擦结果来准确计算；正如卢乌和帕特耐克(《具有粗糙界面的复合混凝土梁的水平抗剪强度》，卢乌，R.E.和A.K.帕特耐克1994,PCI期刊39(1)：48-69)所指出的以及由卡恩和米歇尔(2002)通过剪切摩擦推离试验所指出的，一个干净而粗糙的未打磨表面，其中骨料突出1/4英寸(6mm)，为产生良好复合作用提供了足够的表面。这些剪切摩擦结果表明混凝土的一个表面无需以耙子或浇筑槽来刻意地粗糙化，该表面可通过使骨料从处于“未打磨”状态的混凝土表面突出而有意地进行粗化。从规范的规定和研究结果来看，粗糙表面通常比光滑表面提供更多的强度。因此，如果表面粗糙而不平滑，则需要用来形成特定强度的加强件大约减少40％。此外，在建筑行业中的一些常规程序中要求人员对冷缝进行粗糙化。同样，这不仅适用于示例性的核建设，而且几乎所有大体积混凝土施工项目也都是如此。在模块钢壁之间的密闭空间，距离很近的加强件以及从顶部向下的距离(高达90英尺)使工作人员难以对该缝进行粗糙化，耗时且昂贵，并且需要更高的安全性程序。此外，如果这些作业时间安排不合适则很难确保有效的粗糙化，特别是对于SCC，混凝土能够流动并降低粗糙化操作的效果。由在这个空间内的人员去除特殊建设作业在时间、成本和安全上是有很大益处的。最后，传统SCC的流动性和粘结性至少部分源于其较高的净浆分数(即除了控制骨料尺寸和级配以及适当使用辅助粘结性和惰性材料以及化学外加剂之外)。在SCC中发现的总水泥量即水泥和胶凝材料(SCMs)通常超过800lbs/yd3。由于SCC较高的净浆分数以及较小的最大尺寸的粗骨料和细分的SCM以及粉末(例如石灰石)的普遍使用，观察到收缩有所增加，其在复合构件中有可能导致从钢壁脱离，影响结构能力和耐久性。此外，较高的水泥含量和SCC的某些SCM特性的使用会增加热量的产生，并导致施工过程中的热量问题。核工业中典型的施工被认为是大体积混凝土。虽然各种机构以不同的尺寸限定来区分大体积混凝土，但通常当最小尺寸超过3至4英尺时，特别是在水泥含量超过600lbs/yd3时，使用高早强水泥(例如ASTMC150III型)和/或催速剂(ACI301-10)填筑可以认为是大体积混凝土。因此，核结构或其他大体积混凝土施工的混凝土规模与高水泥含量分数的结合需要为这些应用开发专门的SCC。发现SCC混合物可以解决与大体积混凝土施工相关的困难即成问题的收缩和热效应增加的可能性，同时也改善冷缝剪切摩擦，这将是有益的。因此，需要使SCC混合物能够将混凝土填筑到钢板复合(SC)模块化结构中而不需要连续填筑混凝土。这种创新的SCC混合物必须跨冷缝表现出足够的剪切能力，同时尽量减少养护过程中的收缩增加和温度上升，以增强模块化单元中混凝土与钢板结构的粘结。本专利技术的主要目的是提供这种SCC混合物和使用它们的方法。
技术实现思路
在本专利技术的一个示例性实施例中，本专利技术是一种具有自粗化特性的自密实混凝土结构。如本文中所使用的，“自粗化”是材料在没有外部操纵的情况下实现这种表面的能力，这是本专利技术相对于现有施工方法的专利技术特征。在一个优选的实施方案中，通过使用轻质粗骨料(LWA)来提供自粗化特性，其能够形成用于混凝土施工的粗冷缝。如本文所用的，LWA包含低密度骨料，例如(i)膨胀或烧结的粘土，页岩，板岩，硅藻质页岩，珍珠岩，蛭石或矿渣；(ii)火山来源的骨料，包括天然浮石，矿渣，火山灰，凝灰岩和硅藻土；以及(iii)烧结飞灰或工业煤渣。为了高效经济地建造用于核安全壳结构的高预制混凝土单元，需要在一定高度上形成冷缝。手动刮耙或切削混凝土填筑的顶表面以形成粗糙表面从而提供足够的抗剪强度是危险且昂贵的。在正常重量的混凝土混合物中加入少量的LWA会产生干净、粗糙的顶表面，从而不需要对顶表面进行手动或机械粗加工。LWA将浮到表面，并形成一个粗糙的表面，从而之前填筑的混凝土和新填筑的混凝土之间的界面(冷缝)的粘结和剪切阻力与手动粗糙化的接缝一样强。LWA可以添加到自密实混凝土(也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自粗化特性的混凝土，包括：具有胶凝材料、粗骨料(CA)、细集料(FA)、水以及空气的混合物：以及其比重低于所述混合物的比重的轻质粗骨料(LWA)；所述混凝土的特征在于：LWA的质量在混凝土中CA的质量的大约5％‑15％的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.19 US 62/163,7721.一种具有自粗化特性的混凝土，包括：具有胶凝材料、粗骨料(CA)、细集料(FA)、水以及空气的混合物：以及其比重低于所述混合物的比重的轻质粗骨料(LWA)；所述混凝土的特征在于：LWA的质量在混凝土中CA的质量的大约5％-15％的范围内。2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：还包含非常细的骨料(VFA)。3.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述胶凝材料占所述混凝土重量的约10％-30％。4.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述胶凝材料占所述混凝土重量的约16％-27％。5.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：胶凝材料占混凝土重量的约22％-27％。6.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述CA占混凝土重量的约30％-45％。7.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述CA占混凝土重量的约31％-36％。8.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述FA占所述混凝土重量的约25％-40％。9.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述FA占所述混凝土重量的约30％-35％。10.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：所述LWA的至少一部分对混凝土提供自粗化特性而对混凝土没有振动。11.一种形成混凝土结构的方法，其特征在于，包括：浇注第一量的具有自粗化特性的第一混凝土，所述第一混凝土包括含有胶凝材料、粗骨料(CA)、细骨料(FA)、水和空气的混合物和比重低于该混合物比重的轻质粗骨料(LWA)，其中，LWA的质量在第一混凝土中CA质量的大约5％-15％的范围内；其中，由所述第一混凝土形成第一接合表面；将第二量的第二混凝土浇注在所述第一接合面的至少一部分上；其中，第一接合表面提供粗糙表面，从而所述第一混凝土的第一接合表面与所述第二混凝土之间的界面的结合和抗剪强度足以形成混凝土结构。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面具有7或更大的混凝土表面轮廓，...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦斯·卡恩，金伯利·E·柯蒂斯，
申请(专利权)人：乔治亚技术研究公司，
类型：发明
国别省市：美国,US