CN107848886A

CN107848886A - 具有自粗化特性的自密实混凝土结构

Info

Publication number: CN107848886A
Application number: CN201680042796.4A
Authority: CN
Inventors: 劳伦斯·卡恩; 金伯利·E.·柯蒂斯
Original assignee: Georgia Tech Research Institute
Current assignee: Georgia Tech Research Institute
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: US20180162776A1; CN107848886B; WO2016187482A1; US10941075B2

Abstract

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。

Description

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。

发明背景

技术领域

本发明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。

背景技术

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(ACI 349-06)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V_n可通过公式(1)计算：

V_n＝μA_vf_y(1)

其中μ是摩擦系数，A_v是剪切加强件跨剪切面的面积，以及f_y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，ACI 349-06将V_n限定为混凝土面积乘以800psi，而ACI 318-11将强度限定为混凝土面积乘以1600psi。抗剪加强件面积A_v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ACI 349-06和ACI 318-11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ASTM C150III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。本发明的主要目的是提供这种SCC混合物和使用它们的方法。

发明内容

在本发明的一个示例性实施例中，本发明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，这是本发明相对于现有施工方法的发明特征。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(也称为“自固化混凝土”或SCC)混合物中。将相对小分数(例如～5-15％质量)的LWA掺入或“种入”SCC是有益的。由于骨料的比重和SCC的粘度非常低，骨料在填筑过程中会上升到混凝土的表面。因此LWA颗粒将从SCC表面突出。

本发明包括将一部分LWA用于正常重量的混凝土中以产生粗糙表面，其用于全世界现浇混凝土生产中。许多混凝土构件被设计成由现浇混凝土制造。因此，预制构件的界面必须是粗糙的。使用LWA来制作粗糙表面是一种在所有这些构件上形成粗糙表面的方法。

对于需要水平缝以使混凝土填筑可能停止和开始的高构件的特殊情况，使用本发明的LWA技术允许这样开始和停止作业。由于确保混凝土卡车正确调度的复杂性，连续的混凝土填筑往往是不可能的。因此，使用本LWA技术允许更加实际和经济地输送混凝土。这有利于偏远地区的施工、大体积混凝土部分的施工，特别是高混凝土构件(例如水存储、核结构和结构混凝土墙)的施工。

在一个示例性实施方案中，本发明是一种具有自粗化特性的混凝土，所述混凝土包含：由胶凝材料、粗骨料(CA)、细骨料(FA)、水和空气构成的混合物；以及比重低于该混合物的LWA，其中LWA的质量在混凝土中CA的质量的大约5％-15％的范围内。

该胶凝材料可包括单独的水泥或与矿物质、SCM和火山灰质材料的组合。

该胶凝材料可占混凝土重量的约10％-30％。

该CA可占混凝土重量的约30％-45％。

该FA可以占混凝土重量的约25％-40％。

LWA的至少一部分对混凝土提供自粗化特性，而不会对混凝土产生过度的内部或外部振动。

在另一个示例性实施方式中，本发明是一种形成混凝土结构的方法，其包括：浇注第一量的第一混凝土，所述第一混凝土是由胶凝材料、粗骨料(CA)、细骨料(FA)、水和空气构成的混合物，以及比重低于该混合物比重的轻质粗骨料(LWA)，其中，LWA的质量在该第一混凝土中CA质量的约5％-15％的范围内，通过该第一混凝土形成第一缝表面；在该第一缝表面的至少一部分上浇注第二量的第二混凝土，其中，该第一缝表面具有粗糙表面从而在该第一混凝土的第一缝表面和该第二混凝土之间的界面的粘合和剪切阻力足以从中形成混凝土结构。

该第一缝表面可具有7或更大的混凝土表面轮廓，其中，混凝土表面轮廓由国际混凝土修复协会的标准混凝土表面轮廓(CSP)定义。

该第一混凝土和第二混凝土可以包含基本相同的组分混合物，或者在组成成分上不同。

该第一量和该第二量可以基本相同或不同。

该第一个缝表面可以完全成形，不需要人工干预，例如操作人员刮耙。

通过LWA的至少一部分位于该第一缝表面，该第一缝表面无需手动干涉就可完全形成。该部分LWA优选随时间推移穿过浇注的混凝土而向上移动，以形成该第一缝表面的至少一部分粗糙度。还有其他方法可以使LWA表面具有粗糙度，其中归因于LWA的整个表面粗糙度是靠的移动的LWA。

在另一个示例性实施方案中，本发明是包含足量的轻质粗骨料(LWA)的自密实混凝土混合物，使得将一定量的自密实混凝土混合物填筑到钢板复合模块化结构中可以包括不连续的混凝土填筑。

该混合物可以包含粗骨料(CA)，并且LWA的质量在混合物中CA质量的约5％-15％的范围内。

在另一个示例性实施方案中，本发明是包含足量的轻质粗骨料(LWA)的自密实混凝土混合物，使得其在使用中形成具有7或更大的混凝土表面轮廓的自粗化冷缝，其中混凝土表面轮廓由国际混凝土修复协会的标准混凝土表面轮廓(CSP)定义。

金特里，R.，洛雷托，G等人的技术报告“模块化单元自密实混凝土施工”DE-NE0000667NEET(核能利用技术，美国能源部)通过引用整体并入本文。

通过结合附图阅读下面的说明，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1(a)-(b)示出了根据本发明示例性实施方式的通过将LWA掺入混凝土混合物中而产生粗糙表面。

图2-6是根据本发明的示例性实施方式的混合成分的材料数据表。

图7(a)-(b)在新鲜状态下比较(a)SCC和(b)SRC的混合设计。

图8示出坍落流动度测试的性能，其中从左到右时间为0、1、2、4(T20)秒，然后结束测试。

图9示出“S”槽测试的性能，其中从左到右时间为0、1、2、4(T20)秒，然后结束测试。

图10(a)-(b)：“S”槽测试性能良(a)和差(b)。

图11(a)-(f)：“S”槽测试和VSI后的样本，A部分。((a)0528-1，(b)0530-2(c)0605-3，(d)0610-1，(d)0623-1，(f)0624-1))。

图12(a)-(f)：“S”槽测试和VSI后的样本，B部分。(a)0625-1，(b)0708-1，(c)0723-1，(d)0723-2，(e)1104-1，(f)1216-1)。

图13是各种坍落流动度测试的视觉稳定性指数示例的照片。

图14：自由收缩测试结果7天初始养护

图15：自由收缩测试结果28天初始养护。

图16：28天自收缩测试结果。

图17：2型推离标本设计。

图18(a)-(b)：(a)3a型推离式试样设计，(b)3b型推离式试样设计。

图19是钢板设计的A_sf_y分析报告。

图20(a)-(b)示出焊接螺柱的30度角测试：(a)螺柱周围缝(fillet)完整形成，(b)30度角测试。

图21：22号计量板的螺柱连接和30度弯曲测试。

图22：钢板和螺柱矩阵。

图23：浇筑前的整体试样。

图24：制造剪切摩擦样品的步骤。两个钢加强件配置的步骤仍将保持不变。步骤一：底部模具表面向上。步骤二：在第一部分中浇注混凝土(第一天)。步骤三：添加额外的模具。步骤四：在第二部分浇注混凝土(第二天)。步骤五：养护28天。

图25：冷缝试样制备。

图26：在预裂缝过程中整体试样的荷载和位置。

图27：测试设置。

图28：推离标本的典型荷载滑移过程图。

图29(a)-(d)：失败模式。(a)MO-1，(b)CJ0575-1，(c)CJ1575-1和(d)SP1550-1。

图30：任务2试样SP 15 50-1的剪切屈曲。

图31：LS-DYNA显式中的非线性有限元模型。这个初始模型近似于试样SP 15 50-1的几何形状，但是具有更少的尼尔森螺柱。

图32：初始荷载。在面板区域内的恒定剪切。显示平面内剪切应力(所有应力以Pa表示)。

图33：初始荷载。在面板区域内的恒定剪切。显示冯·米塞斯应力。注意外侧排的螺柱不参与剪切传递。

图34：屈曲发生。面板区域剪切显著减少。主拉应力与钢板屈曲对齐。屈曲是有弹性的，也就是说钢板在屈曲发生之前不屈服。模型也预测了如图30所示的钢板边缘的拉动。

图35：屈曲进展。钢板开始在两个螺柱附近屈服。钢板从沿边缘可见的混凝土抽离的屈曲变形。

图36：有限元(FE)模型的剪力与时间的关系图(注意位移与时间成正比)。当拍摄了应力轮廓快照图31-35时，在关系图上标出时间。

图37图示了测试配置和仪器。

图38-39是位移和应变测试结果的图表。

图40-43是在冷缝处的LVDT测量的图表。

图44示出失败的试样中的裂缝图案。

图45-47说明了试样的简化弯曲模型。

图48-49是显示试样的计算中性轴和力矩-曲率关系的曲线图。

图50示出用于模块化单元的建议拉压杆模型(STM)。

具体实施方式

为了便于理解本发明的各种实施例的原理和特征，下面解释各种说明性实施例。尽管详细解释了本发明的示例性实施例，但是应该理解的是可以考虑其他实施例。因此，本发明并不旨在将本发明的范围限制在以下描述中阐述的或者在附图中示出的组成部分的结构和设置细节上。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或执行。而且，在描述示例性实施例时，为了清楚起见将采取特定的术语。

还必须注意的是，正如说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数形式。例如，提到一个组件也旨在包括多个组件的组合。提到包括“一”个组分的组合物的旨在也包括除了所述组分之外的其他组分。

并且，在描述示例性实施例时，为了清楚起见将使用术语。意图是每个术语涵盖本领域技术人员所理解的最广泛的含义，并且包括以类似方式操作来实现相似目的的所有技术等同物。

范围可以在本文中表述为从“大约”或“近似”或“基本上”一个特定值和/或到“大约”或“大致”或“基本上”另一特定值。当表示这样的范围时，其他示例性实施方式包括从一个特定值和/或到另一个特定值。

类似地，如本文所使用的，“基本上不含”某物或“基本上纯”等特征可包括“至少基本上不含”某物，或“至少基本上纯”，以及“完全不含”的某物，或“完全纯”。

所谓“包含”或“含有”或“具有”是指至少所述化合物、元素、颗粒或方法步骤存在于组合物或制品或方法中，但不排除存在其他化合物、材料、颗粒、方法步骤，甚至与所述的化合物、元素、颗粒或方法步骤具有相同的功能的其他这样的化合物、材料、颗粒、方法步骤。

还应该理解的是，提及一个或多个方法步骤并不排除在明确指出的那些步骤之间存在此外的方法步骤或插入的方法步骤。类似地，还应理解的是，提及组合物中的一种或多种组分并不排除明确指出的组分之外的组分。

被描述为构成本发明的各种要素的材料旨在说明而非进行限制。起到与本文描述的材料相同或相似的功能的许多合适的材料包含在本发明的范围内。本文没有描述的这样的其他材料可以包括但不限于例如在本发明研发之后开发的材料。

本发明涉及的需求中有两个是：组装和材料创新以提高模块化建筑技术，例如高强度和高性能混凝土和加强件、检测设备和预组装钢筋系统的进步；以及在模块化施工方面取得进展，以包括改进的设计规范、改进的运输和交付方法，以及集成预制的改进。

本发明改进了在高强度/高性能混凝土材料和SC结构上的技术，并且通过便于混凝土施工，同时确保混凝土和复合钢构件的高质量粘结，将改善模块化系统的结构和经济性。这是通过SCC的组成和性能的创新实现的，其中优化了混合物和工艺以克服冷缝剪切能力的挑战，同时还解决了冷缝处的热量产生和收缩，至今限制施工操作的因素使用模块化SC结构。这种将间歇式SCC浇注到模块化SC结构中的能力提供了更多的施工灵活性，降低了风险并且减少了关键路径计划时间。

本发明集中在SCC混合物的研发和评估上，该SCC混合物在跨冷缝间产生和自粗化特性，并由此产生跨冷缝边界承受剪切力的能力。通过在混凝土混合物中添加一定量的LWA来实现自粗化，其中一些在养护过程中上升到表面，形成粗糙表面，随后的混凝土填筑可以粘合到该表面上。表面的粗糙度是LWA尺寸和SCC中包含的LWA的量等因素的函数。研究了用于构建模块化单元的自粗化SCC混凝土混合物设计所需的性能，并将其分成六个观测项

首先，SCC混合物表现出非常高的坍落度(通过流量直径测量)，以便在现场没有过多(如果有的话)内部振动的情况下进行混凝土填筑。相对于典型混凝土混合物，SCC的坍落流动度直径范围在21英寸(530mm)和26英寸(660mm)之间，其中设置最小值旨在实现流动性，而设置最大值旨在减小可能的离析。

其次，SCC混合物应该优选保持坍落度达足够长的时间以允许现场混凝土填筑操作。通常认为在45分钟到60分钟之间的时间是混凝土混合物确保其新鲜性能的平均值。

第三，SCC混合物应该优选还显示粘结特性，从而在混凝土填筑期间混合物保持一致的状态。这在SRC中是一个特殊的挑战，因为有必要使一部分LWA穿过混合物上升(并因此分离)形成粗糙表面，但是剩余部分的混合物，包括正常重量的骨料和细骨料在内，应该保持粘结。

第四，由于在高水泥分数的SCC混凝土混合物中产生放热，所以SCC混合物应当优选还控制在大体积混凝土填筑中的热量产生。通过使用较高比例的粉煤灰作为SCM，可以获得更好的产生热量的性能，同时也提高了流动性和粘结性。

第五，由于SCC混合物中的高水泥分数，应优先监测收缩。用于生产SCC的大量的飞灰有助于减少干燥收缩。

第六，检查了混凝土填筑和密实过程中自粗化表面的发展情况。

随着时间的推移在大致四个阶段的过程中检查这些特性。在第一阶段，完成了具有剪切摩擦能力的大体积填筑用SCC的研发。这一阶段的一个目标是研发专门用于分段大体积混凝土施工的SCC混合物。混合设计被形成为：

●在冷缝的相对表面之间增加40％或更多的剪切摩擦；

●将温差限制在35℃或更低；

●将28天的混凝土自收缩限制在例如250μm或更小；以及

●将90天混凝土干燥收缩限制在例如250微米或更小。

该方法结合实验和建模，并依靠设计和混凝土施工程序上的现行工业实践以及混凝土混合比的检查。

该SCC设计的一个创新方面是掺入或“种入”相对较小部分(～5-15％质量)的LWA。该骨料的目的是提供表面粗糙的内部来源。由于该骨料的比重和SCC的粘度非常低，该骨料在填筑过程中上升到混凝土的表面。一旦凝固，LWA颗粒会从SCC表面突出。由于轻质膨胀板岩骨料(斯特莱特)较高的强度和较低的比重，使用了轻质膨胀板岩骨料。这中骨料在世界各地的专业建设项目中被广泛使用。

在评估混凝土的流变性能时，研究了LWA的适宜尺寸和用量，因为认为SCC粘度影响LWA穿过混凝土上升并形成粗糙表面的能力。在第一阶段定性评估LWA大小和掺量比例对表面粗糙度的影响以确定合适的材料和比例，而在第二阶段和第三阶段中，量化该表面粗化对剪切摩擦的影响。第二阶段与第一阶段同时进行，允许优化表面粗化，得到实现满足收缩和温度要求的SCC。

检查了飞灰(>25％)或矿渣(>50％)对水泥质量上的较高替代性，以限制与水泥水化有关的收缩和热量增长，并且仍保持所需的自密实性能。特别是显示飞灰的高比例的以往的研究，可以用来生产减少收缩的SCC。

对基于矿渣的混合物做出的努力相对较少。使用更大的SCM分数将节约成本，因为飞灰和矿渣的成本低于波特兰水泥。

胶凝和SCM的初始组合基于热模拟来确定。考虑至少三种不同来源的水泥，飞灰和炉渣用来评估材料变化对发热的影响。

使用通过热模拟确定的胶凝和SCM的组合再加上通过第二阶段结果确定的LWA，灌注SCC并评估其早期和硬化特性。使用标准SCC测试方法，如果需要，评估和改进候选混合物的流动度和通过性。

预计SCC的屈服应力将比普通混凝土低得多，粘度关系表现了剪切增稠性能。流变学研究的目标是更好地理解理想的屈服应力和粘度的边界，以实现自密实和顶部表面粗糙度。

在流变学研究的同时，通过ASTM C157在高SCM含量的SCC混合物上测量干燥收缩率，所述SCC混合物储存在50％相对湿度的环境中。也通过ASTM C157进行监测伴随密封的混凝土试样用于自收缩。

在第二阶段，在小型和全尺寸实验中检查SCC接头的剪切摩擦。检查了钢筋和带有螺柱的复合板，以提供剪切摩擦加固。在第一阶段研发的SCC的各种混合物检查了它们具有更多的粘合-更高的摩擦系数的潜在能力。

小型测试将模仿由安德森最初研发的传统冷缝剪切摩擦推离测试(《预制和现浇混凝土中的复合设计》，安德森·A·R(1960)进步的建筑41(9)：8)并被卡恩和米歇尔(2002)用于高性能混凝土。

在第三阶段，通过第一阶段和第二阶段中确定的混合设计，中型实验测试了三个2英尺宽的模块，其中构建了冷缝。该模块在水平冷缝的垂直方向上构造，并且作为弯曲的水平梁而测试以检查剪切和弯曲性能。将其结果与没有冷缝的模块进行比较。

测试有和没有增加纵向加强件的模块以研发最有效的剪切摩擦加固。ASME采用了ACI 349-06“与核安全相关的混凝土结构的规范要求”中给出的剪切摩擦的规定。这些规定将冷缝的强度限制为抗压强度是4000psi的混凝土。基于卡恩和米歇尔(2002)的研究，增加的对高性能SCC的研究为增加最大允许剪切摩擦强度提供了基础，正如ACI 318-08中提供的为增加强度所做的那样。

在第四阶段，通过全尺寸的测试和建模检验，构建了一个4英尺厚，3英尺宽和24英尺高的单一全尺寸模块，以充分检查最有希望的SCC混合物的热养护和收缩特性以及由SCC施加的形成压力。混凝土填筑在8英尺的分层内。温度和收缩使用热电偶和带有内部热敏电阻的振弦应变计进行测量。低刚度应变计已被证明非常适用于测量高性能混凝土结构的早期收缩和蠕变应变。对每个分层的表面进行粗糙度评估。混凝土填筑分成两天进行。此外，压力传感器被安装在模板的内表面上以测量填筑过程中的混凝土压力，并将这些压力与现行混凝土成形设计指南中的压力进行比较。

安装在模块钢板表面上的电阻应变计测量了由填筑压力、混凝土密实、收缩和热条件产生的应力。

将有限元分析与实验结果进行比较以校准未来在设计中使用的模型。

模块构建四个月后，进行了破坏性检查。进行简单的梁剪切试验以确定冷缝的全尺寸能力。显示出在最小量加固的深梁中的剪切比在较小的试样中低。由于之前的热差异，芯样被用来确定强度是否随厚度而变化。测试冷缝处的芯样，以确定该缝的抗拉粘结强度。

NDE技术被用于全尺寸测试试样，以检查该钢板和混凝土之间的任何脱离，以及在冷缝处或在整体浇注中的任何开裂。

此外，用大量的SCM研发SCC是为了得到更高强度的SCC，而其收缩率更低，水化热更低，并且新的和之前填筑的混凝土之间的结合有所改善。SCM的使用降低了SCC的成本并提高了性能。

在初始高水化热之后的收缩和冷却在钢板和混凝土之间产生张力。该张力可能引起该板与混凝土之间的脱离。尽管螺柱将两者保持在一起并产生足够的极限强度，但由于该脱离，系统的使用荷载刚度降低。此外，小的脱离会导致不能控制或维持的该板的过早腐蚀。降低这种张力的本发明的混合物的研发改进了模块性能。

在混凝土结构性能中的剪切摩擦的概念描述了通过给定边界通常是在两个单独的混凝土填筑(有时称为“浇注缝”或“冷缝”)之间传递剪力的能力。在传统的加固的混凝土中，内部加强件提供了一个拉力带，可以限制/防止混凝土填筑垂直于边界移动。ACI 318认为表面摩擦是表面粗糙度的函数，而表面摩擦限制/防止填筑平行于边界移动。法向力来自钢的抗拉强度，摩擦系数来自边界，因此是“剪切摩擦”。

在模块化单元的计划建造中，未使用内部加强件。而是采用两个外部钢板，在该单元的每侧使用一对，提供所有的弯曲加固以增加限制作用。钢板通过在混凝土和钢板之间提供力传递的螺柱连接件与混凝土结合。

来自第二阶段的剪切摩擦试样采用两种策略中的一种进行加固，一种是使用内部钢筋的传统方法，另一种是模拟将具有剪力螺柱的钢板用作剪切摩擦加固的模块化单元的创造性结构。在这两种结构中，压缩荷载通过加强件传递到剪切破坏平面。如果在两种配置下的加固水平都相同，那么预期以钢筋或钢板加固横穿破坏面的效果是相同的。

第三阶段和第四阶段试样基本上是检验阶段，其中来自第二阶段的剪切占主导的试样被梁试样代替，该试样用于评估钢板跨剪切和弯曲边界的力传递。此外，第二阶段试样只能传递面内力，而对第三阶段试样制成的多个梁试样进行平面内和平面外荷载的测试。第四阶段生产的最后一个大尺寸试样是对第三阶段完成的大约三分之一尺寸测试的全尺寸检验。

自粗化(SR)混凝土混合设计的研发

第一阶段的主要目标是优化SCC混合物，使混凝土填筑成为SC模块化结构，而不需要连续填筑混凝土。第一阶段侧重于SCC混合设计的设计和所得特性，以确保通过掺入或“种入”相对小部分的LWA来实现跨冷缝的足够的剪切能力。该LWA提供了一个表面粗化的内部来源；由于其密度低，它上升到表面并产生所需的幅值。图1(a)-(b)显示了通过将LWA掺入到混合物中产生的粗糙表面，其中(a)显示了在混合期间LWA的相对位置以及(b)显示了在浇筑之后移动后的LWA。

在此阶段，评估新拌混凝土的性能，如坍落度扩展和抗离析性。定性评估了LWA大小和用量对表面粗糙度的影响。

能够产生粗糙表面而无需额外工作的SCC混合物在本文中被称为自粗化混凝土(SRC)。该SRC混合物是使用佐治亚州混凝土生产商的现成的材料设计的。最初的目标是熟悉组成材料和SCC的混合技术。因此，进行了大量试验来测试新性能。

混凝土成分

混凝土通常包含四种主要成分：CA、FA、水泥和水。另外，使用矿物和化学外加剂如飞灰和超塑化剂来改变塑性和/或硬化状态的性能。SCC混合物通常使用较大量的FA，并使用超塑化剂和减水剂以增加它们的和易性。本发明的SRC混合物含有粗骨料和细骨料、水泥、飞灰之类的SCM、水和高浓度减水剂作为外加剂。

所使用的CA是来自佐治亚州利西亚斯普林斯的火神材料采石场的碎花岗岩。在这些混合物中使用#67和#89石头。作为FA，使用50％人工(例如破碎的花岗岩)砂和50％冲积砂的混合物以在新鲜状态期间提高更好的性能。这两种沙子都是就地易得，总的来说，这些材料可以被认为是区域混凝土生产商非常容易获得的。

骨料使用ASTM标准进行表征。密度和比重分别按照ASTM C29和ASTM C127确定。此外，在饱和表面干燥条件下的吸收也按照ASTM C127计算。根据ASTM C33生成级配曲线，完全符合ASTM规格的上限和下限。

结果收集到材料数据表中，如图2-6所示。

用于产生表面粗糙度的LWA是由斯特莱特公司(北卡罗来纳州索尔兹伯里)供应的膨胀板岩骨料，其通过回转窑工艺生产该骨料。制造商提供的物理和机械性能如图4所示。

使用位于实验室中的大型金属储存箱，将所有骨料储存在干燥的条件下，其中，所述储存箱温度始终保持在约73.5±3.5°F(23±2℃)。

用于实验室混合物的水泥是ASTM C150I/II型波特兰水泥。美国的阿哥斯(佐治亚州亚特兰大市)以80磅(36公斤)的袋子提供水泥。该水泥也存放在实验室中，并密封在大型钢桶中，以尽量减少水泥颗粒的任何预水化或碳化作用。

唯一与水泥结合使用的SCM是飞灰。飞灰由美国博拉尔材料技术有限公司提供，符合ASTM C618的F类规格。

所使用的化学外加剂是西卡聚羧酸盐2100，这是一种由西卡提供的高浓度减水剂和超塑化剂。用量比例根据材料、环境条件和特定项目的要求而有所不同。对于实验室条件，胶凝材料的推荐用量在5液量盎司和12液量盎司每100磅(145-390ml/100kg)。在配料周期结束时直接将西卡聚羧酸盐2100添加到混凝土搅拌机中的新拌混凝土里。

混合设计矩阵

混合物设计研究包括用类似的材料研究SCC混合物，并调整这些混合物直至达到所需的特性。在开始时，设定了一些设计参数以量化和限定混凝土。首先关注的特性是在SCC新鲜状态，并包括流动性和抗离析性。为了使新拌混凝土达到适当的混合物，坍塌流量限制在23±2英寸(584±51mm)。如果该混合物通过了坍落流动度测试，那么将考虑进行“S”槽测试，并使用视觉稳定性指数(VSI)来评估混合物的品质，因为它与抗离析性有关。这些测试将在下面的内容中详细介绍。

如果混合物通过这些品质审核，将制造4×8英寸(102×203mm)的混凝土圆柱体来研究混凝土的抗压强度。

选择在新鲜状态下性能更好的SCC混合物进行第二次浇筑，其中保留了原始混合比例而将LWA的体积的5％、10％或15％替换为#67。将LWA加入混合物中导致形成粗糙表面。在浇筑了SRC时，除了使用4x 8英寸(102x 203mm)的圆柱体进行混凝土抗压强度的研究外，还使用了6x 12英寸(152x 559mm)的圆柱体进行表面特性研究。

图7(a)-(b)比较新鲜状态下的(a)SCC和(b)的SRC混合物设计。

使用标准测试方法，对所选择的混合设计的SCC流动度和粘度(ASTM C1611“自密实混凝土的坍落流动度的标准测试方法”)以及干燥和自收缩(ASTM C157“硬化水工水泥砂浆和混凝土的长度变化的标准测试方法”)和强度(ASTM C39“圆柱形混凝土试样抗压强度的标准试验方法”)进行了测量，并确定了哪些达到了目标。

所有混合物按照ASTM C 192(在实验室中制造和养护混凝土测试试样的标准操作)进行浇筑。在混合过程中，使用干砂，而在饱和面干(SSD)条件下使用CA。LWA在水中预浸泡24小时，然后在使用前进入SSD状态。在混合设计比例中考虑的设计数量是：

-总水泥，lb/yd³(kg/m³)

-飞灰，lb/yd³(kg/m³)

-粗骨料-#67-lb/yd³(kg/m³)

-粗骨料-#89-lb/yd³(kg/m³)

-粗LWA-#7-5％、10％和15％体积的#67

-水灰(w/c)比

-化学外加剂液量oz/yd³(ml/m³)(HRWR)

共浇筑了三十五个试验混合物。表1和表2报告了一些通过第一个品质审核协议的混合物。这些包括具有5％、10％和15％的LWA的混合物。表1和表2中报告的配料是由于以下几个原因选择的：范围从21英寸到25英寸(533-635毫米)的适当的坍落流动度，使用稍微不同量的HRWR的可比较的性能，骨料级配差异(即试验07 23-2包含了#67和#89两种尺寸的碎花岗岩，因为#89石头填充了砂子和大#67石头之间的空隙，分离了较大的骨料，所以混合物的骨料曲线更加“级配良好”)。

在由爱立许制造的2.5立方英尺(0.07m³)逆流高剪切下进行混合。

第一步是确保搅拌机干净，没有可能会影响混合结果的剩余的化学外加剂。一旦搅拌机被彻底清洗，多余的水被去除，只在里面留下一小层水。这确保了搅拌机不吸收任何用于混合的水。

另外一个问题是添加高浓度减水剂的时间。决定在加入水泥之后加入HRWR。这个程序允许评估水泥和骨料的需水量，并且在有需要时调整HRWR的用量。

表1：试验混合物1/2

表2：试验混合物2/2

最终的混合程序如下：

1.在搅拌机旁边加入粗骨料和细骨料。

2.混合发生约两分钟。

3.接着加入胶凝材料和水。

4.混合发生约四分钟。

5.将超塑化剂加入到搅拌机中。

6.混合发生了两分钟。

7.如果需要，加入更多的超塑化剂。

8.混合再进行两分钟。

9.此时已被采集坍落流动度读数。

10.如果该混合物通过坍落流动度测试，则执行“S”槽测试和VSI。

11.如果混合物通过了“S”槽试验和VSI，则浇筑试样用于硬化状态性能测试。

新性能

对于SCC来说，自粗化的能力完全取决于它的新性能；因此，成功的SRC混合物必须具有高流动性、可变形性、良好的填充能力以及足够的抗离析性。此外，骨料颗粒优选均匀分布在整个混合物中，以避免在所有时间尤其在运输和填筑过程中不受控制的离析。

一般来说，坍落流动度小于17英寸(432mm)的SCC不具有自密实性能；另一方面，坍落流动度超过26英寸(660mm)的SCC可能会经历严重的离析和泌水。SRC的新性能的评估基本上以与SCC相同的方式进行。结合视觉稳定性指数(VSI)的坍落流动度测试在评估现拌混合物的和易性方面是有效的。使用这些测试收集的数据看起来足以量化SCC的流变性质。通过在混合过程中目视观察浮起的LWA，可以充分了解SRC在其塑性状态下的质量。

坍落流动法是混凝土技术中最古老和应用最广泛的测试方法。所使用的程序和装置的简单性使其适合于日常的实践和现场应用。主要该测试测量混凝土浆体的流动性或充填能力。为了确定坍落流动度，艾布拉姆斯圆锥体被填筑在非吸收性表面上并且充满新鲜混凝土而无需任何捣固。锥体被抬起，混凝土在自重作用下流出(图8)。跨摊铺的混凝土取得两个看起来是最大直径的垂直方向的测量值，并报告平均值。记录从去除圆锥体到流动完成的最终流动时间，以及T20流动时间，这是该浆体摊铺到20英寸(50mm)所需的时间。

测试结果为21英寸到25英寸(533-635mm)，23±2英寸(584±51mm)的坍落流动度摊铺直径值令人满意。T20值从3秒延伸到5秒，它们与坍落流动直径成反比。表1和表2中报告了数据的完整概述。

“S”槽测试是一种简单、有效的确定新鲜SRC稳定性和自愈合能力的方法。使用手指或捣固棒，在坍流板上的混凝土中划出“S”(图9)。如果混合物稳定，混凝土将迅速填满“S”槽，且混凝土的稳定性好，如图10(a)所示；否则一层浆体或泌水将填满凹槽，基本上显示混合物中CA的离析图10(b)。为了更好地表征行为，使用了从0到5的经验范围值(0是高度稳定，5是高度不稳定)与测试相关联。在表1和表2中报道了数值数据，而拍摄的测试后的样品图片报告在图11-12中。

几乎在上述每个测试中，SCC抗离析性可以在更小或更大的程度上目视评估。该VSI测试建议在坍落流动度测试中实施；尽管在该VSI测试中评估的参数可以在每个允许观察到大量SCC的测试中找到。该VSI的范围值是0到3，零是一个高度稳定的混合，3表示一个高度不稳定的混合。用于确定给定混合物的该VSI数量的参数是砂浆光环、泌水、气泡和骨料堆积。

表3：视觉稳定性指数

表3列出了VSI指数的不同标准。砂浆光环是由混合物中过多的水分或CA造成的浆体从混凝土离析所致。不稳定的混合物可能含有小于0.4英寸(10mm)的砂浆光环；较大的光环导致混凝土非常不稳定。稳定的混合物允许有轻微的泌水和少量的气泡的表面，但不是非常稳定。图13显示了不同的VSI的例子，而数据报告在表1和表2中，而拍摄的测试后的样品图片报告在图11-12中。

硬化性能

测量了一些混合物的初步硬化性能，其中对自由收缩受控的实验室条件、压缩能力和表面粗糙度进行了研究。

根据ASTM C192(在实验室中制作和养护混凝土测试试样)规定对所有试样进行了养护。试样储存在受控环境(雾室)，监测温度和湿度分别为73.5±3.5°F(23±2℃)和>95％。

按照ASHTOO T160(硬化水工水泥砂浆和混凝土的长度变化)和阿拉巴马DOT(公

路施工的标准规范)规格进行了干燥收缩试验。此外，还根据ASTM C157(硬化水工水泥砂浆和混凝土的长度变化标准测试方法)进行了1104-1混合设计的自收缩测试。

为了干燥收缩，以棱柱模具(75×75×285mm-3×3×11.25英寸)浇筑出两组三个试样，所述棱柱模具中预先用油基形式的脱模剂涂布，并以计量螺栓插入其端部中。使用0625-1混合比例浇筑SCC。在一个分层里填筑新拌混凝土。将多余的打掉。混凝土试样用聚乙烯薄膜和湿毛巾覆盖，以避免在头24小时内水分流失，一天后脱模，并在测量初始长度后置于73.5±3.5°F(23±2℃)和>95％RH的环境室。

按照Al DOT规范，第一套试样(0625-1a，0625-1b和0625-1c)在这些条件下养护了7天，而其余试样(0625-1d，0625-1e和0625-1f)根据AASHTO T160养护28天。在养护时间结束时，将试样移至具有73.5±3.5°F(23±2℃)和50±4％RH的控制干燥条件的环境室中。根据ASTM C 157(硬化水工水泥砂浆和混凝土的长度变化的标准测试方法)，在干燥期间，通过长度比较器监测长度，该长度比较器保持在相同的温度室中，以避免由于温度变化而变化。在3、7、14、21、28、35、42、49和56天的龄期进行测量。每个收缩测量使用以下程序：

-记录标准杆的长度。

-将测量计重置为零并取下标准杆。

-将样品置于膨胀计工作台上，记录该测量计的读数。

-在早龄期小心搬动软样品，用双手运送，以避免任何损伤。为了获得准确的结果，重要的是使标准杆和所有样品在相同的方向上。标记线有助于在每次测量后将所有样品保持在相同的位置。

收缩值以试样从养护中取出时长度变化的百分比计算。结果在整个时间内绘制在两个图表中并报道在图14-15中。

对于两组，测得的平均干燥收缩小于250με，低于Al DOT规范中报道的400με的极限值。

对于自收缩，以棱镜模具(75×75×285mm-3×3×11.25英寸)浇筑出一组三个样品。在制作试样时，采用与干燥收缩试样所述的相同的程序，但脱模后，立即用自密封的聚乙烯薄膜进行双重包裹，并用铝带密封，以尽量减少水分流失。密封后，在测量初始长度后，将试样储存在恒定的73.5±3.5°F(23±2℃)和>95％RH的环境室中，直到进一步测试。同样在这种情况下，收缩值以样品从养护中取出时的长度变化百分比计算。图16显示了1121-1a试样的自收缩的值达到约200με的28天结果。

按照ASTM C39使用4×8英寸(100×200mm)圆柱体进行压缩试验。每种混合物浇筑5个圆柱体，24小时后脱模并存放在雾室中，在其中直保存到测试。雾室保持73°F(23℃)的恒定温度和100％湿度。测试前试样养护28天。表1和表2中报告了结果以及它们的标准差。

第一阶段的主要目标之一是产生适当的表面粗糙度，是促进现有的混凝土基板和冷缝处的覆盖层之间的剪力互锁所必须的。根据ACI 318(结构混凝土的建筑规范要求)，当混凝土填筑在预先硬化的混凝土上时，剪切传递的界面应粗化到大约1/4英寸的全幅值。通过在一些混合设计中掺入一小部分的LWA，该SCC能够产生一粗糙表面，使得可能不必通过刮耙或其他手段粗化。

目前，表面粗糙度是使用两种确定表面粗糙度的基本方法之一：(i)国际混凝土修复协会(ICRI)的标准混凝土表面轮廓(CSP)(定性评估)或(ii)轮廓测量(定量评估)。

ICRI的CSP是用于建立行业可接受的规格的基准，并代表不同程度的混凝土粗糙度和纹理。九个橡胶轮廓表示不同程度的混凝土粗糙度，CSP 1被认为代表最不粗糙(最平滑)，而CSP 9被认为代表最粗糙。

通过目测比较混凝土表面与该CSP来进行表面粗糙度的定性评估。当与CSP 7至9的范围相当时，粗糙度水平被认为是可接受的，这对应于1/4英寸(7mm)的幅值粗糙度。结果报告在表1和表2的最后一行中。

冷缝剪切能力的评估

在第二阶段的小规模实验中，SRC缝的剪切摩擦被用于在全尺寸剪切摩擦实验(第三阶段)之前优化混合物。从历史上看，推离测试一直是用于评估剪切摩擦的主要测试试样，事实上它们可以用冷缝来制造，以模拟在不同时间浇筑的两层混凝土的界面。测试程序旨在通过实验评估使用SRC产生的试样中的剪切摩擦性能。该混合物选自从第一阶段研发的混合物中。检查了LWA的5％和15％两个百分比的可能增加的粘度-更高的摩擦系数。检查并比较了钢筋和带有螺栓的复合板，以提供剪切摩擦加固。

剪切摩擦试验设计

试样设计为类似于以往研究的典型试样。这使得剪切摩擦数据可以直接扩展并与其他测试进行比较。根据两种连接条件和剪切加固位置将试样分为三组：

-类型1，整体式预开裂推离试样。

-类型2，用于模拟在混凝土墙中两个连续层之间的界面处发生的性能的冷缝试样。冷缝表面状态保持未打磨原状。该表面的特征是1/4英寸的粗糙度幅值，使其成为粗糙的界面。

-类型3a和3b，该冷缝试样用于研究以钢板加固作为剪切摩擦加固，通过剪力钉而非钢筋锚固在混凝土上的横穿破坏面的影响。

测试矩阵

表4列出了27个推离试样的设计数据。该表中列出了每个试样的连接条件，穿过剪切面的钢的面积和类型、配筋率(ρ)、LWA的量以及重复次数。

表4：推离测试矩阵

一般推离试样(类型1和2)如图17所示。剪切面是矩形的，尺寸为12英寸(305mm)长，7.5英寸(190mm)宽。跨剪切面的箍筋量为3#3箍筋，配筋率为0.75％。剪切箍筋跨剪切面均匀分布。

图18中示出了类型3a和3b推离试样。虽然剪切面保持不变，但是现在加强件位于外侧并且使用剪力钉锚固到试样上。表4中报告了不同的钢板配置和配筋率。

用A_s表示横截剪切摩擦面的钢筋的面积，用f_y表示相应的屈服强度，为了获得具有类似类型2的试样的配筋率的类型3a和3b的试样，使用一种A_sf_y类型的分析来计算钢板厚度。

材料

第一阶段研发的SRC混合料含有粗骨料和细骨料、水泥、飞灰之类的SCM，水和高浓度减水剂作为外加剂。此外，一定比例的LWA在体积上被CA替代以提供SRC典型的自粗化性质。第二阶段使用的混合设计反映了第一阶段的研发，并使用相同的材料。

从第一阶段报告的试验中选择了用于试样制造的混凝土混合物。SRC混合物包含类型1-2的波特兰水泥、水、#67花岗岩粗骨料、50％人造砂和50％天然砂的混合物以及高浓度减水剂(HRWR)。表5中提供了混合物比例。用于生产混凝土的骨料达到或超过ASTM C33规格要求。同样，LWA达到或超过ASTM C330规定的要求。在佐治亚理工学院的结构实验室中使用5立方英尺的旋转鼓式搅拌机配料、混合以及浇筑所有混凝土。

表5：第二阶段试样的混凝土混合设计

在每次配料结束时，根据ASTM C138确定新鲜混凝土的单位重量，而根据ASTMC157

确定流动度和粘度。另外，对每种混合物还浇筑五个4×8英寸(100×200mm)的圆柱体以及相应的试样。圆柱体在24小时后脱模并存放在雾室中，并在其中保存28天。根据ASTM C39进行压缩测试，并且使用结果来预测剪切摩擦能力。

本实验项目中使用的所有加强钢筋均为盖尔道集团提供的ASTM A61560级。通过对代表性样品进行拉伸测试来验证制造商报告的性能。根据ASTM A370进行钢筋测试。图19显示了拉伸测试的典型应力-应变图，其中应力值是所施加的力除以杆的标称横截面积。应变的值是用附着在钢筋上的4.0英寸伸长计测量的，试样屈服后将其除去。表6中提供了测量结果的总结。

*ID符号；第一个表示级数，第二个表示杆的标称尺寸，第三个表示试样编号。

**小直径杆上伸长计的滑动导致低于预期的模量值，在过程中复测。

表6：加强钢筋性能

用于全封闭式箍筋横向加固的60级第3号钢筋的平均屈服应力为92.3ksi(636MPa)；然而，ACI-318推荐的最大值为60ksi(414MPa)的f_y用于计算预测的剪切应力值。

第二阶段试样使用的钢螺柱由尼尔森植焊公司(Nelson Stud Welding Company)提供，并使用尼尔焊接(Nelweld)6000型号螺柱焊机连接到钢板上。该螺柱的标称直径为0.25英寸(6mm)，长2.75英寸(70mm)，拉伸屈服应力为51,000psi(350MPa)。钢螺柱结构如图18和表4所示。

计算每个板的螺柱的数量和间距以克服冷缝的剪切摩擦能力并避免螺柱内的任何局部破坏。

使用图19中所示的A_sf_y分析计算该钢板厚度。分别选择13、16和22号三种不同厚度，分别对应0.75％、0.50％和0.25％的配筋率。在1英寸×8英寸(25.4×203.2mm)试件上进行拉伸测试以表征拉伸强度。表7中提供了测量结果的总结。

。ID符号；第一个表示级数，第二个表示杆的级数，第三个表示试样编号。

表7：钢板性能

将钢板通过带头的锚固件粘结到混凝土上，所述锚固件使用由变压器额定电流为7600安培的电源和标准焊枪组成的尼尔森螺柱焊接系统焊接到钢板上。设备设置因钢板厚度而异，并进行了不同的试验来优化设备配置。在试验过程中，进行了目视检查，以确保在螺柱周围形成完整的360度焊缝。此外，焊接螺柱的测试是通过将螺柱从焊接位置向任何方向弯曲30度角。对于13号和16号的钢板，试验很容易满足(图20(a)-(b))。

起初，不能成功地将螺柱连接到22号钢板上。即使减少了焊接设置(安培数和时间)，螺柱枪释放的能量也在薄板上形成了一个大的孔，而螺柱仍然未连接。研发了一些策略来辅助板的接合。

16号钢制的简单的1平方英寸的背板并没有解决这个问题，因为螺柱会连接到背板上，但会在22号的主板周围留下一个圆形的损伤区域，因此螺柱被连接到背板而非主板。最后，研发出一个创新的解决方案。在22号钢板上水切割一系列0.2英寸(5mm)直径的孔。在应用螺栓的地方使用16号钢背板以避免螺柱穿过该板。该孔允许螺柱焊接到支撑件上，同时在两个钢板上形成完整的焊缝。如图21所示，该配置成功通过了30度角测试。

为了辅助安装，设置了一个导向板，以便于螺柱安装并确保一致性(见图22)。

试样制备

使用两种方法来制造推离样品；只除了冷缝位置的表面条件外最终的结果是相同的。

与剪切面垂直定向的测试位置相比，整体试样在侧面被浇筑。图23中示出了浇筑之前的整体试样形式的图片。

冷缝试样(类型2、3a和3b)分两个阶段进行浇筑，剪切界面表面水平，因此可以设置为未打磨表面。为了达到这个目标，将所有箍筋的钢筋笼的一半与另一半分开。每个类型2试样都包括三个第3号封闭式连接箍筋，设置为垂直于剪切面。这样形成的笼子被放置在一个单独的可重复使用的模板中，该模板设计为生产半个试样在浇筑后带有从表面突出的箍筋。在预定的剪切面上提供0.5英寸(12.7mm)的最小覆盖层，在试样的其余部分提供0.75英寸(19.1mm)的最小覆盖层。

冷缝试样待设置，在SRC产生的剪切面上留下一个未打磨表面。在混凝土充分硬化之后，将模板去除并清除表面的任何杂质。试样的另一半形成并浇筑在湿润的界面上。图24中示出了构造过程的示意性步骤，而图25中示出了制造过程。

目前，表面粗糙度是使用两种确定表面粗糙度的基本方法中的一种来测量：(1)国际混凝土修复协会(ICRI)的标准CSP(定性评估)或(2)轮廓测量(定量评估)。

ICRI的CSP是用于建立行业可接受规格的基准，并代表不同程度的混凝土粗糙度和纹理。九个橡胶铸模复制品(Nine rubber profiles)表示不同程度的混凝土粗糙度，CSP1被认为代表最不粗糙(最平滑)，而CSP 9是最粗糙的。通过目测比较混凝土表面与该CSP来进行表面粗糙度的定性评估。当与CSP 7至9的范围相当时，粗糙度水平被认为是可接受的，这对应于1/4英寸(7mm)的幅值粗糙度。

表8总结了到目前为止浇筑的样品的细节。其余的试样预定在接下来的两周内浇筑。表8中的ID分类中报告的头两个字母代表试样的类型(MO表示整体，CJ表示冷缝以及SP表示钢板)，前两个数字表示以LWA的量(5％和15％)为特征的界面类型，后两个数字表示配筋率(0.25、0.50和0.75)。

表8.试样ID和混凝土性能

测试设置

如图26所示，通过将试样放在其前侧并将刀刃板垂直于剪切面对齐来制备整体预裂缝试样。所有推离试样都使用图27所示的设置进行测试。

使用螺杆驱动的液压试验机进行测试，最大容量为400kip(1,780kN)。使用设置在其中一个支撑件上的200kip的称重传感器来记录施加的荷载。通过位于试样正面和背面的两个线性电压位移变压器(LVDT)测量跨界面的相对滑移运动。对于使用钢面板加固的试件，使用位于试样中间高度的一个水平和一个垂直的两个应变仪记录应变测量。使用运行实验室视图(Lab VIEW)软件的国家仪器(National Instruments)数据采集系统来收集实验数据。以500lb/s(2,224N/s)的速率施加荷载。测试试样，直至出现下列情况之一：达到0.3英寸的目标滑动，或施加的荷载中发生突然而显着下降。在测试之前，测量和记录界面剪切表面的宽度和高度以确定界面剪切应力。

检测结果

初步结果来自以下标本：MO-1、CJ0575-1、CJ1575-1和SP1550-1。每个试样记录的临界值包括峰值(极限)施加荷载(剪切力)Vu(分别为63.2kip、53.2kip、51.1kip和62.1kip)和在峰值荷载滑移(分别为0.375英寸、0.052英寸、0.048英寸和0.48英寸)。

每个试样的数据包括剪力-滑移图，如图28所示。预裂试样(MO-1)的荷载-滑移曲线显示的曲线的初始斜率小于内部和外部(钢板)加固的冷缝试样的斜率。没有观察到峰值荷载，因为荷载在整个位移上增加。在此前的研究中，也在预裂缝推离测试中观察到这样的荷载-滑移曲线。预裂缝试样在滑移约0.2英寸时显示出一个平台。此后，荷载从混凝土传递到通过形成销钉机构抗剪的钢筋上。

外部加固(通过带头螺柱连接的钢板)的冷缝试样倾向于比内部加固的冷缝试样具有更加渐变的荷载-滑移曲线的斜率，尽管它们在达到峰值荷载之前表现出较高的刚度。这可能是由于从内聚力到剪切摩擦力的逐渐转移。

外部加固的试样表现出比承载能力与内部加固的冷缝试样相当的内部加固的试样更多的延性破坏。但是，破坏模式由不同的加固配置决定。内部加固的冷缝试样表现出突然和脆性的破坏，其中裂缝在达到大约0.05英寸的滑移值后开始蔓延。尽管延性明显增加，但由于螺柱之间局部变形，外部加固的试样失败。这种类型的破坏在SC结构中是典型的，并且由螺柱系统的几何形状决定(图29(a)-(d))。

第二阶段试样的分析建模

从最初的第二阶段测试结果可以清楚地看出，具有16号钢板的试样能够承受跨冷缝的显著荷载，并且试样的承载能力与类似的内部加固的剪切摩擦试样相当。破坏开始的特点是钢板的剪切屈曲(见图30)。剪切屈曲的蔓延受螺柱的约束，试样表现出屈曲后的平面力-位移曲线，表明显著的能量耗散和持续的承载能力。通过分析地捕获和模拟这种行为，本发明将能够辅助预测更复杂的第三阶段和第四阶段试样的性能并为冷缝提供指导。下面描述初始分析模型。

初始的第一个分析模型描绘了第二阶段试样的一个尺寸的钢板。该钢板承受通过冷缝边界两侧的六个尼尔森螺柱传递到钢板上的面内荷载。在图31-36中，示出了模型的几何形状和性能。在这一点上，这应该被认为是一个因果模型，用来描述钢板跨冷缝边界的性能。该模型在这一点上没有足够详细的直接匹配第二阶段的实验数据。

有限元模型是在LS-DYNA显式中开发的，考虑了材料和几何非线性。跨冷缝边界的单调递增的位移被施加到模型上，位移通过在冷缝边界的一侧上的移动剪力钉施加给板，同时相反侧固定螺柱。第二阶段试样中的混凝土没有建模，但在钢板的螺柱侧形成接触表面以防止钢板变形压弯混凝土表面。

通过全尺寸测试和建模进行验证

在第三阶段，研究了冷缝处混凝土和钢模块化单元的破坏。第三阶段使用的中型试样大约是目前在AP1000反应堆建筑中使用的模块化单元的一半。全尺寸的第四阶段试样直接从西屋公司收到。这个C20-06模块是在俄勒冈钢铁厂(Oregon Iron Works)制造的，模块的一部分被切割并运到佐治亚理工学院。试件长26英尺6英寸，横截面宽3英尺，深2英尺6英寸。该模块具有用于保持模块的两个面的典型钢角竖向构件和钢槽构件。标称6英寸的正方形网格间隔图案的标称3/4英寸×6英寸的钢螺柱焊接到模块的两个内表面上。

佐治亚理工学院为试件构建模板件以封闭模块的两个开放边。然后将模块垂直固定在结构实验室的坚固墙壁上，准备混凝土填筑。在第一阶段研发的自粗化SCC被填筑到三个分层的梁中，距离梁的两端6英尺形成冷缝。冷缝设置为在分隔模块板的两个面的钢槽之间的中间位置。这被认为是最糟糕的情况，因此，如第三阶段试样所示，任何跨冷缝边界的潜在滑移将仅由混凝土承担，而不是由钢槽道桥接。当混凝土养护10天后，将试样从墙壁上取下并旋转到水平设置进行弯曲测试。

就像在第三阶段一样，自粗化SCC由在预拌环境下进行生产的混凝土混合物按需制造，而不是在第一阶段和第二阶段使用的实验室混合物。在搅拌站中进行混合物调配有显著的变化和发现，并且在第四阶段的三次混凝土浇注中获得了额外的经验。

●为了确保混凝土运输的工作时间，有必要在混凝土中加入缓凝剂。将西卡石膏(Sika Plastiment)缓凝剂加入到混合物中，每一百磅凝胶材料(水泥加飞灰)的用量为1.5盎司；

●现场可能需要添加额外剂量的超塑化剂和少量的水；

●适当的坍落度范围在24到26英寸的相当窄的范围内。建议混凝土运输车离开搅拌站时坍落度不小于24英寸；

●当坍落度下降到24英寸以下时，混凝土可以适当填筑，但自粗化幅值降低；

●如果坍落度超过27英寸，可以预料会出现一些离析现象。这发生在第四阶段试样的最后的混凝土填筑。应注意，离析没有影响结构测试，因为测试的是没有显示这种离析的第一个冷缝；以及

●大多数模块化反应堆的混凝土填筑将采用混凝土泵。第三阶段和第四阶段使用专业的混凝土泵服务。观察到由泵填筑的SCC在给定的混凝土分层的端部附近会产生富含砂浆的浆液。当泵停止运行时，大的骨料首先从管道中排出，随后出现一定数量的砂浆。这种砂浆可能会覆盖包括LWA在内的大骨料，它们会形成冷缝的表面。因此，建议通向模块化单元的管道始终位于混凝土表面的正下方，任何无意填筑的砂浆都会位于填筑表面的下方。

第四阶段的试样被置于结构实验室的一百万磅测试框架中的滚轮支架上。试样在平面外剪切下进行试验，因为第三阶段的试样显示这些是冷缝性能的最关键配置。试样在三点弯曲的20英尺净跨度下进行测试，荷载的位置距离梁的端部八英尺。见图37。因此，该点荷载离冷缝两英尺。

仪器包括一个固定在液压油缸上的称重传感器、一个位于荷载施加点的位移装置以及一个用于测量跨冷缝的运动的LVDT应变花。使用一组三个表盘来评估荷载施加点时的混凝土应变。在试样的张力侧使用一组粘结式电阻应变计来监测模块钢板中的应力。

上述结构测试在撰写本文时已经完成。因此，测试结果的阐述是初步的，并将在最终的项目报告中予以扩展。

图38和图39示出了来自实验的两组关键数据。在图38中，显示了荷载-位移数据。如该图所示，试样的性能直线上升到200kips到250kips之间的荷载。一个相对简单的计算表明，此时梁的净剪切应力约为通常被认为是混凝土对加固的混凝土梁抗剪强度的贡献。在这一点上，试样开始失去刚度，但继续承受着越来越大的荷载。

在荷载-位移关系曲线图上记录了二次刚度。在大约650kips的荷载下，会出现额外的更显著的刚度损失，并且梁的性质本质上变成塑性的。在试样中记录了显著的延性，随着位移继续增加，试样继续以略微增加的斜率承受荷载。

图39描绘了荷载应变性能。两个应变计的位置如图37所示。应变数据的阐述有些困难，因为梁底部的钢板由于试样的弯曲而处于球面拉伸状态，以及该应变计附近的混凝土开裂而局部弯曲。最有用的应变计是图上的荷载点应变计。这个应变计最简单的阐述就是它表明试样(650kips)的弯曲屈服开始。这一点通过下文讨论的试样建模来证实。

图39中的第二个应变计描绘了冷缝正下方的张力板上的应变计。这种应变计在400kips左右的荷载水平下显示出显著的问题。由于这一点，对角线剪切裂缝从荷载点向下蔓延，并与冷缝相交。然后裂缝沿着冷缝垂直向下。可以得出这样的结论：在这个荷载水平下，板的应变增加来自冷缝附近的钢板的局部脱粘，以及附着在板上的螺柱的大量塑性弯曲，这导致从最大力矩点(在荷载点)到脱粘点(在冷缝)板张力的扩散。

图40-43描绘了跨冷缝的两个垂直和两个水平LVDT的读数(LVDT编号参见图37)。LVDTs 2和4的读数捕捉到穿过冷缝区的剪切裂缝的形成和开口。LVDT 2还捕捉到剪切裂缝的闭合发生在荷载状态晚期，在其他弯曲裂缝在梁的其他位置处打开的时点。LVDT 1的读数相当小，表明梁顶部混凝土的压缩应变。这些读数相当吵闹(noisy)，LVDT 1在400kip荷载水平下的较大偏移代表支架上传感器的滑移，而不是混凝土中的拉伸应变。LVDT 3捕捉梁的张力侧的冷缝的开口。

梁中的裂缝图案如图44所示。梁中的初始裂缝是弯曲裂缝，主要是垂直的，沿梁的底部以约10英寸的间隔形成。第一个剪切裂缝的发生伴随显著的能量释放，并从荷载点向下扩散到冷缝的中间高度。在这一点上，裂缝垂直向下延伸到底部钢板。随着在板上进一步施加荷载，剪切裂缝开始向下扩散并跨过冷缝，保持与水平面成约30度的原始角度(见图中的虚线)。稍后发生了第二次主要剪切裂缝，与第一次大体平行。

裂缝显示在施加荷载点和模块中的钢槽(图中以蓝色显示)之间形成压杆。该压杆将被描述为CTT(压缩-张力-张力)杆，并且通过梁底部的钢板中的张力和垂直钢槽道中的张力而保持平衡。应注意，这是一个重要的发现，因为它认识到钢槽道的作用，该槽钢是为了跨模块面承受由于施工而引起的静液压载荷而设计的，但通常不考虑结构的荷载能力。

本发明进一步包括研发相对简单的计算，以符合AISC N690附录N9，有助于模块中的冷缝的设置和评估。为了模拟第四阶段试样的结果，进行了一系列三次弯曲能力计算。然后使用最大弯曲能力的模型来评估模块的剪切能力，在冷缝处计算并考虑到冷缝破坏的可能性，足以发展模块的弯曲能力。

这些计算是基于理想化的横截面，如图45-47所示。在图45中只考虑该两块钢板。假定钢材屈服应力为50ksi，截面的弯曲能力计算为2,175千磅-英尺。在图46中考虑了该两个钢板和连续的钢角(steel angle)。假设钢板和四个角度完全屈服，截面的弯曲能力计算为3,020千磅-英尺。最后，在图47中考虑了该两块钢板和混凝土压缩的变形区域。在这种情况下，该截面的弯曲能力计算为3,223千磅-英尺。图47中所示的截面的中性轴位置和力矩-曲率关系如图48-49所示。根据计算出的力矩-曲率关系(671kips)，三点弯曲中梁的预测能力非常接近观测到的测试峰值荷载(738kips)。预计10％的观察到的过度强度是由于钢的屈服强度大于标称屈服强度50ksi。

使用计算得出的弯曲强度，可以通过修改拉压杆模型(STM)来计算连接处的剪力需求，如ACI 318“结构混凝土建筑规范要求”(图50)中所使用的。杆的抗压能力是混凝土跨冷缝边界的抗压强度和粗糙度特性的函数。

第四阶段试样测试对于验证本发明的总体成果是成功的和必要的。很明显，即使例如像第三阶段中完成的中等尺寸的测试是突出显示面内和面外弯曲的性能以及在使用粗糙的冷缝时可能发生的潜在问题的关键，但全尺寸的测试对于验证是必要的。

在前面的描述中已经阐述了许多特征和优点，以及结构和功能的细节。虽然已经以多种形式公开了本发明，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在其中进行许多修改、添加和删除，特别是在部件的形状、尺寸和布置方面，而不脱离本发明其在所附权利要求中阐述的等同物的精神和范围。因此，特别要保留本文的教导可能启示的其它修改或实施例，因为它们落在所附权利要求的宽度和范围内。

Claims

1.一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，其中所述混凝土表面轮廓由国际混凝土修复协会的标准混凝土表面轮廓即CSP定义。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面具有8或更大的CSP。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面具有9的CSP。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一混凝土和所述第二混凝土基本包含相同组分的混合物。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一混凝土和所述第二混凝土包含不同组分的混合物。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一量与所述第二量基本相同。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一数量和所述第二数量是不同的。

19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面的形成无需手动干涉。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面由所述LWA的至少一部分形成，无需手动干涉。

21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面通过至少一部分的所述LWA移动穿过一定量的所述第一混凝土而形成，无需手动干涉。

22.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述第一接合表面通过至少一部分的所述LWA在第一量的时间内向上移动穿过一定量的所述第一混凝土而形成，无需手动干涉。

23.一种具有自粗化特性的混凝土，其特征在于，包括：

24.一种具有自粗化特性的混凝土，其特征在于，包括：

25.一种自密实混凝土混合物，其特征在于，包括：足够量的轻质粗骨料(LWA)，使得将一定量的自密实混凝土混合物向钢板复合模块化结构中填筑可以包括不连续的混凝土填筑。

26.根据权利要求24所述的自密实混凝土混合物，其特征在于：所述混合物包含粗集料(CA)，并且所述LWA的质量在所述混合物中所述CA的质量的约5％-15％的范围内。

27.一种自密实混凝土混合物，其特征在于，包含：足够量的轻质粗骨料(LWA)，使得其在使用中形成具有7或更大的混凝土表面轮廓的自粗化冷缝，其中，混凝土表面轮廓由国际混凝土修复协会的标准混凝土表面轮廓(CSP)定义。