[发明专利]复合结构材料及其骨料

说明书

技术领域

本发明涉及此类复合结构材料，其在基质(例如胶结相)中保持有骨料相，还涉 及能形成改进的复合结构材料的骨料的新的构造。

发明背景

已知使用骨料(aggregate)的复合结构材料，它们提供比单独的基质(没有骨料)具 有更大强度的复合结构材料。混凝土是这种复合结构材料的典型例子。

有多种类型的混凝土可用，它们通过改变主要成分的比例而产生，以使得最终产 物通过不同的强度、密度或化学和热阻性质适应其应用。典型地，混凝土包括胶结粘 合剂和骨料，胶结粘合剂与水以及通常与细颗粒材料(例如砂子)一起形成基质，骨 料为粗颗粒材料形式，例如砂砾、碎石(例如石灰石或花岗石)、碎矿渣或再生玻璃。典 型地，骨料是大体上球形的并且具有合理的较大密度。

胶结粘合剂，通常简单地被称为“水泥”，通常是硅酸盐水泥(Portlandcement)， 虽然其它胶结材料例如粉煤灰和矿渣水泥也可以作为骨料的粘合剂。

水然后与粘合剂和骨料的干燥复合物混合，产生工作者能使之成型(通常是通过将 它倒入模型或模具中)的半流质。还可以加入化学添加剂以获得不同的性质。例如，这 些添加剂可以加快或减慢混凝土硬化的速度，并且可以赋予其它有用的性质。混凝土 然后通过化学过程凝固并硬化，所述化学过程被称为水合作用，其中水与水泥反应， 将其它组分粘合在一起，产生坚固的、“石头样的”复合结构材料。

混凝土具有相对高的抗压强度，但抗张强度低得多。因为这个原因，通常用具有 强张力的材料(通常是钢)对混凝土进行加强。而且，混凝土的弹性在低应力水平下相对 恒定，但在高应力水平下，由于常常出现基质开裂，混凝土的弹性开始减小。混凝土 具有非常低的热膨胀系数，并且随着它的成熟趋向于收缩。因此，由于收缩和张力的 原因，所有混凝土结构趋向于某种程度的开裂。

不同混凝土成分的混合物产生不同的强度，通常以psi或MPa测量，而不同强度 的混凝土用于不同的目的。例如，当混凝土必须是轻质的时候，可以使用非常低强度 (15MPa或更低)的混凝土。轻质混凝土通常通过加入空气、泡沫或轻质骨料获得，其 常规副作用是强度降低。对于大部分常规使用来说，使用20MPa到30MPa的混凝 土。然而，35MPa的混凝土也是容易商购获得的，它作为一种更耐用的，虽然更昂贵 的选择，通常用于较大的土建项目。

35MPa以上的强度用于特定的建筑构件，例如，高层混凝土建筑物的较低层柱可 以使用80MPa或更高强度的混凝土，以保持小的柱尺寸。桥梁可以使用70MPa混凝 土的长梁以减少所需跨度的数量。偶尔，其它结构需要可能要求甚至更高强度的混凝 土。例如，如果结构必须是刚性的，可以指定非常高强度的混凝土，甚至比承受工作 负荷所需的强度强得多。为此，高达130MPa的强度已投入商业使用。

由于硬化产品中的空隙的存在不利地并显著地影响混凝土的强度，因此，重要的 是在混凝土混合物的硬化过程中达到最大的可能密度。这要求混凝土混合物具有足够 的“可加工性”以允许理想地仅仅使用合理的工作(震动)量实现几乎完全压实。混凝土 中空隙的存在减小了它的密度，并且大大地降低了强度—例如，5％的空隙可以使强 度降低差不多30％。而且，从混凝土混合物易于放置、形成和压实的角度来说，花费 的劳动、最终产品的质量和获得特定类型产品的能力都受到混凝土混合物的可加工性 的影响。

硬化前混凝土混合物的可加工性(通常被简单地视为是其“湿润度”的测量值) 因此实际上是为了克服混凝土的各个组分之间的摩擦力以允许完全压实并除去所有空 隙，并且没有不希望的泌水或离析所需的内部功的函数。

已知的对混凝土混合物的可加工性进行数值测量的技术是“坍落度试验”，通常 被执行以对于混凝土混合物流动的容易程度来检查新制备的混凝土混合物的稠度。坍 落度试验检查压实的倒锥形(被称为“坍落度试验锥”或“艾布拉姆斯(Abrams)锥”) 混凝土在重力作用下的行为。

锥桶被放置在硬的非吸收性的表面上，分三个阶段装入新制的混凝土，每次都用 标准尺寸的棒捣实。将该锥桶小心垂直上移，以便于不破坏混凝土锥体，混凝土随后 沉降。该沉降被称为“坍落度”，如果坍落度<100mm，则测量精确到5mm，如果坍 落度>100mm，则测量精确到10mm。