當(dāng)代混凝土存在的問題（2-1）(課堂PPT)

1、1,當(dāng)代混凝土存在的問題,建筑之家,2,混凝土是一個復(fù)雜的整體,混凝土是用最簡單的工藝制作的最復(fù)雜的體系。 多組分，原材料不能提煉，且品質(zhì)波動大 微結(jié)構(gòu)的形成對環(huán)境和時間的依賴性對溫度、濕度的敏感性；水化不斷進(jìn)行造成動態(tài)的微結(jié)構(gòu)。因此造成性能的不確定性 微結(jié)構(gòu)的不確知性水泥水化形成復(fù)雜的凝膠，在目前技術(shù)水平下難以測定,3,洛倫茨于1963年提出，一只南美熱帶雨林中的蝴蝶扇扇翅膀，可能引起美國得克薩斯州一場龍卷風(fēng)，即著名的“蝴蝶效應(yīng)”，意為初始條件下的微小變化可能帶動系統(tǒng)中長期的巨大連鎖反應(yīng)，并由此衍生出混沌理論。,美國麻省理工學(xué)院說，最初提出“蝴蝶效應(yīng)”并創(chuàng)立混沌理論的美國氣象學(xué)家愛德華洛倫茨

2、2008年4月16日因癌癥在馬薩諸塞州的家中去世，享年90歲。,4,一次洛倫茲將5.06127輸入為5.06，萬分之一的省略，提供了兩份截然不同的天氣預(yù)報。 經(jīng)典動力學(xué)認(rèn)為，初始條件的微小變化，對未來狀態(tài)所造成的差別也微小。但混沌理論認(rèn)為，初始條件的十分微小的變化經(jīng)過不斷放大，對其未來狀態(tài)會造成極其巨大的差別。 “醉了一個農(nóng)夫，丟了一顆鐵釘；丟了一顆鐵釘，少安一付馬掌；少了一付馬掌，跛了一匹戰(zhàn)馬；跛了一匹戰(zhàn)馬，摔壞一位將軍；死了一個將軍，輸了一場戰(zhàn)爭；輸了一場戰(zhàn)爭，亡了一個國家！”,5,混沌理論要點之一,對初始條件的極端敏感依賴性 布萊克在混沌開創(chuàng)新科學(xué)寫到：“相對論排除了對絕對空間和時間的牛

3、頓迷夢；混沌則排除了決定論可預(yù)見性的狂想?！备腥苏f：“20世紀(jì)的科學(xué)家只有三件事將被記?。合鄬φ?、量子力學(xué)和混沌”。“上世紀(jì)初人們經(jīng)歷了相對論和量子力學(xué)兩次科學(xué)革命?；煦绺锩?，卻是我們正在經(jīng)歷的革命?！?6,混凝土材料的蝴蝶效應(yīng),混凝土屬于混沌體系（非線性體系），具有“蝴蝶效應(yīng)”事物發(fā)展的結(jié)果對初始條件具有極為敏感的依賴性.初始條件極小的偏差將會引起結(jié)果的巨大差異。,7,非線性的混凝土世界,絕不要忘記：像人類世界一樣，混凝土世界是非線性的，而且在非線性里還有著不連續(xù)性。非線性系統(tǒng)的非因果性導(dǎo)致相同的初始力，令人瞠目的結(jié)果，是所有混沌系統(tǒng)的基本特征。,8,神秘的能量法則,該法則是不同國度的學(xué)者

4、們，耗時巨大的獨立研究后，最終共同發(fā)現(xiàn)的一項新的重要自然法則，已被證實是一個適用于上千種的模板的、普遍存在于萬事萬物的法則。舉例簡述： 人類在不同的地區(qū)依不同的人口理論建造了數(shù)以萬計的城市，但人口每減半，城市數(shù)必多16倍（柏林學(xué)院數(shù)據(jù)） 地震震級每減1，發(fā)生機(jī)率增4倍；而兩次地震相隔時間每增1倍，不發(fā)生機(jī)率增2.7倍； 人類歷史上每當(dāng)戰(zhàn)爭規(guī)模擴(kuò)大1倍，發(fā)生機(jī)率降為1/2.62；戰(zhàn)爭死亡人數(shù)每增倍，發(fā)生次數(shù)降為1/4（英國物理學(xué)家萊斯利）,9,這些數(shù)字的意義仍然在于強(qiáng)烈提示人類：世界是按內(nèi)在規(guī)律運(yùn)行的，造物主只要求嚴(yán)格的符合一個簡單數(shù)，其它的秘密，人們再也無從知曉。神秘的大自然面前，人類正如一個

5、圍棋新手，僅知游戲規(guī)則是分黑白兩色，其它更多的，尚未入門。 是不是會有這樣的推演：如果混凝土中水泥用量每增加XX，內(nèi)能提高YY，建筑物的壽命減少ZZ。,10,當(dāng)代混凝土的特點,當(dāng)代混凝土是以高效減水劑大規(guī)模使用和礦物摻和料的使用為特征，與時代特點有關(guān)。 使用混凝土強(qiáng)度范圍很寬，從C20(極少量C15)到C80(極少） 混凝土和水泥強(qiáng)度之間不再有線性關(guān)系,11,當(dāng)代混凝土的特點,嚴(yán)酷環(huán)境的工程增加，使耐久性要求日益突現(xiàn) 以預(yù)拌混凝土、泵送為主流。拌和料的流變性能成為重要問題 在水泥水化熱增大、強(qiáng)度提高的同時結(jié)構(gòu)尺度增大，改變了大體積混凝土的概念 人員素質(zhì)、管理水平與質(zhì)量要求的矛盾,12,一、水泥

6、現(xiàn)狀對當(dāng)代混凝土的不適應(yīng)問題,13,水泥什么品質(zhì)對混凝土最重要？,應(yīng)當(dāng)改變強(qiáng)度第一，甚至強(qiáng)度維一的傳統(tǒng)觀。 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性比強(qiáng)度更重要，而與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性關(guān)系最密切的就是水泥，只保證高強(qiáng)度的水泥并不一定利于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。 第一重要的是勻質(zhì)性和體積的穩(wěn)定性。 當(dāng)代混凝土需要開裂敏感性低的水泥。,14,水泥強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系,任何水泥基材料的強(qiáng)度主要取決于水灰比，按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的水泥強(qiáng)度檢驗水灰比：0.5 當(dāng)前用量最大的混凝土水灰比：0.5 不僅相同強(qiáng)度的水泥能配出不同強(qiáng)度的混凝土，而且不同強(qiáng)度的水泥能配出相同強(qiáng)度的混凝土 不必盲目追求水泥的高強(qiáng)，32.5的水泥能配制出C60混凝土，卻配

7、不出C20混凝土,15,在相同水灰比下，混凝土強(qiáng)度和水泥強(qiáng)度仍然有關(guān)，高強(qiáng)度水泥可用于象C80、C100這樣的高強(qiáng)的混凝土，但是用量很少。 高強(qiáng)混凝土不一定耐久；像任何事物一樣，高強(qiáng)混凝土也是有利也有弊。 工程對混凝土強(qiáng)度的要求是有限的。,16,外加劑與摻和料使用技術(shù)發(fā)展改變了對水泥強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系的認(rèn)識。 如何看待混合材料水泥、復(fù)合水泥的強(qiáng)度。 礦物摻和料對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨水膠比的減小而增大的幅度大于水泥對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨水灰比減小而增大的幅度，因此摻用摻和料的混凝土必須降低水膠比。,17,水泥的現(xiàn)狀對混凝土質(zhì)量影響,幾十年來水泥工業(yè)的發(fā)展方向主要是降低能耗和提高強(qiáng)度，但如今卻在增加粉磨

8、的能耗。 Bolomy公式 ：R28ARc(c/w-B)，造成誤導(dǎo)。 1920年代，歐美國家水泥中C3S約為35%，如今達(dá)5070%；水泥細(xì)度從220m2/kg到現(xiàn)今的340600m2/kg。 我國1970年代水泥(GB175-63)最高標(biāo)號是硬練強(qiáng)度500，相當(dāng)于GB175-77的425、現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)32.5的強(qiáng)度等級；常用水泥是400#，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只有27.5。,18,檢測的水灰比增大，對3天強(qiáng)度的規(guī)定未變，實際提高了早期強(qiáng)度，而高早期強(qiáng)度并不是普適必要的。 單純追求強(qiáng)度，使水泥廠采取使用助磨劑磨細(xì)、摻用 “增強(qiáng)劑”等，增加了開裂敏感性和不利于混凝土長期性能穩(wěn)定性和耐久性的成分。,19,7天開

9、裂 14天開裂 兩個大廠的52.5硅酸鹽水泥，w/c0.3 成型溫度18；24h后拆模并在室外負(fù)溫下放置,20,當(dāng)代混凝土對水泥的要求,具有低的開裂敏感性、良好的勻質(zhì)性，有利于混凝土結(jié)構(gòu)長期性能的發(fā)展，無損害混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的成分。 盡可能低的需水量。 質(zhì)檢合格的水泥未必能滿足混凝土的需要，相同品種和強(qiáng)度的水泥可能會在混凝土中有不同的表現(xiàn)。 最重要的是產(chǎn)品的勻質(zhì)性，因此希望控制指標(biāo)的上下限。,21,片面追求強(qiáng)度而使比表面積太大、早期強(qiáng)度太高而長期增長率低甚至倒縮 太細(xì)的水泥降低與外加劑的相容性、增加混凝土需水量，不利于混凝土長期性能的發(fā)展,關(guān)于水泥過細(xì)的問題,22,水泥細(xì)度與其抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,

10、23,水泥細(xì)度與減水劑的相容性問題,細(xì)度和顆粒級配 最佳組成: 530m 90%,10m 10% ； 只考慮細(xì)度的結(jié)果：水泥越細(xì)，細(xì)顆粒越多，需水量越大，混凝土坍落度損失越大。,24,比表面積為3014cm2,飽和點為0.8%,坍落度不損失摻量為1.6%,25,水泥細(xì)度為3982cm2,飽和點為1.2%,坍落度無損失摻量為1.82%,26,比表面積為4445cm2,飽和點為1.6%,找不到坍落度無損失點,27,水泥細(xì)度對砂漿抗拉強(qiáng)度的影響,28,水泥細(xì)度和開裂敏感性的關(guān)系,用收縮開裂環(huán)檢測水泥的開裂敏感性, 從成型到開裂經(jīng)過的時間越短，抗裂性越差,29,抗凍性隨水泥比表面積增大而下降,30,水

11、泥細(xì)度對水泥砂漿和混凝土開裂的影響,31,不控制含堿量、氯離子含量，不檢測開裂敏感性、無法提供在當(dāng)代混凝土中與外加劑的相容性 水泥出廠溫度太高，造成混凝土澆筑溫度過高，溫度應(yīng)力增大，混凝土凝結(jié)時間不正常，早期開裂問題普遍 針對現(xiàn)代混凝土，水泥SO3含量偏低,32,水泥影響混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要因素,水化熱及其釋放速率礦物組成和細(xì)度、水 泥溫度 需水量細(xì)度、含堿量 開裂敏感性礦物組成、細(xì)度、水泥溫度、 含堿量 水泥與外加劑的相容性礦物組成、細(xì)度、 石膏形態(tài)和含量、含堿量 性能穩(wěn)定性和耐久性細(xì)度、含堿量、氯離 子含量 產(chǎn)品勻質(zhì)性生產(chǎn)控制和原材料劑產(chǎn)品均化,33,水泥主要礦物水化熱發(fā)展,34,熟料礦物

12、的收縮率,35,堿和C4AF對收縮的影響,36,水泥含堿量和C3A對收縮的影響,37,C3A 含量和 SO3 的匹配,C3A 含量和 SO3 的匹配 一般水泥中石膏的優(yōu)化條件：W/C=0.5, 現(xiàn)代混凝土使用高效減水劑, W/C0.40，SO3不足； 混凝土中摻入礦物摻和料， SO3被稀釋。,38,生石膏和硬石膏溶解速率對比,39,石膏對坍落度損失的影響,40,SO3對砂漿變形性能的影響,41,SO3對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響,42,SO3對砂漿抗折強(qiáng)度的影響,43,石膏摻量對摻減水劑的漿體需水量的影響,44,什么是好的水泥？,Lemish 和Elwell1996年在對依阿華州劣化的公路路面鉆芯取樣

13、的一項研究中,也發(fā)現(xiàn)1014年強(qiáng)度倒縮而得出結(jié)論：混凝土性能良好和強(qiáng)度增長慢有關(guān)。,采用快硬水泥的混凝土10年后強(qiáng)度倒縮；1937年按特快硬水泥生產(chǎn)的水泥與現(xiàn)今水泥的平均水平很相似。,45,高鐵混凝土限制水泥細(xì)度,高速鐵路高性能混凝土開始對水泥細(xì)度進(jìn)行限制，要求350m2/kg。,46,摻和料和外加劑由水泥廠來加？, SPC在工廠中生產(chǎn)水泥時加入超塑化劑 SpAD在使用水泥加水前先加入超塑化劑 AD將超塑化劑溶于拌和水中,47,哪些因素影響水泥的抗裂性,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局對199種水泥進(jìn)行了18年以上的調(diào)研，大量的發(fā)現(xiàn)是堿和細(xì)度、C3A和C4AF的因素一起極大地影響水泥的抗裂性。即使水泥有相同水化

14、率（強(qiáng)度）和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內(nèi)在的抵抗開裂的能力。當(dāng)含堿量從低于0.6%當(dāng)量時，水泥的抗裂性明顯增加。,48,水泥,工 程 結(jié) 構(gòu) 研 究,混凝土,甲方管理監(jiān)理,結(jié)構(gòu)設(shè)計,強(qiáng)度,強(qiáng)度,強(qiáng)度,強(qiáng)度,強(qiáng)度,強(qiáng)度,提高比表面積, 增加C3A、C3S,流變性能下降,收縮增加,水化熱增大,抗化學(xué)腐蝕性下降,后期強(qiáng)度增長小,骨料,級配變差,針片狀顆粒增多,混凝土流變性能下降,混凝土耐久性下降,當(dāng)前行業(yè)隔離現(xiàn)狀的實例,49,二、外加劑對當(dāng)代混凝土的影響,以高效減水劑為主的混凝土外加劑是現(xiàn)代混凝土重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，是混凝土技術(shù)發(fā)揮的重要里程碑。 同時，也給混凝土帶來了一些問題主要是與水泥的適應(yīng)

15、性問題以及對混凝土體積穩(wěn)定性的影響。,50,外加劑與水泥的適應(yīng)性問題,主要原因在于水泥,前面已經(jīng)講解過水泥的細(xì)度細(xì)、堿含量高、C3A含量高、 SO3含量、使用硬石膏、水泥出廠溫度太高都會導(dǎo)致與外加劑的適應(yīng)性不好。,51,減水劑對混凝土體積穩(wěn)定性的影響,我國混凝土收縮試驗是根據(jù)混凝土耐久性和長期力學(xué)性能試驗方法（GBJ82）方法進(jìn)行的。 該試驗方法對混凝土3d之內(nèi)的早期收縮無法反映，對不摻外加劑的普通混凝土而言，影響不大。,52,減水劑對混凝土體積穩(wěn)定性的影響,但對摻減水劑的混凝土，早期收縮的影響非常顯著。從裂縫產(chǎn)生的時間來分析，1d之內(nèi)的早期收縮增大，可能是混凝土開裂的關(guān)鍵因素。 因此目前的化

16、學(xué)外加劑收縮率比試驗方法，并沒有完全反映減水劑對混凝土收縮的影響程度。 大量的實驗結(jié)果表明：從初凝至24h，摻減水劑混凝土的收縮率比要大得多。,53,減水劑對混凝土體積穩(wěn)定性的影響,減水劑、泵送劑等化學(xué)外加劑的應(yīng)用，對混凝土技術(shù)進(jìn)步起到了革命性作用。 而革命性，通常以局部破壞性為代價。,54,減水劑對混凝土體積穩(wěn)定性的影響,我們的化學(xué)外加劑生產(chǎn)和研究機(jī)構(gòu)，應(yīng)該象重視減水劑的減水率一樣，重視化學(xué)外加劑對混凝土早期收縮（塑性收縮）和總收縮的增大作用。,55,減水劑對混凝土體積穩(wěn)定性的影響,不摻減水劑混凝土的早期收縮值小于7010-6m/m 。 摻減水劑混凝土的早期收縮均大于20010-6m/m。

17、收縮率比為300%,56,1d起測的混凝土干燥收縮,經(jīng)1d早期收縮測試后，繼續(xù)在（605）%、201條件下測得的結(jié)果表明， 28d時，三種減水劑的收縮率比分別為130、132和138。,57,參照GBJ82測得的干燥收縮,脂肪族系、萘系、胺基磺酸鹽系減水劑的收縮率比分別為126%、130%和135%。 與1d起測相比，不摻減水劑的混凝土收縮減小12%，摻減水劑的混凝土收縮減小15%左右。,58,初凝開始的混凝土全收縮,三種減水劑的收縮率比分別達(dá)到182，183和198，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按GBJ82方法測得的結(jié)果。,59,坍落度相同時，減水劑對混凝土早期收縮的影響,60,24h時， 水泥用量為450kg

18、/m3的混凝土，收縮率比達(dá)609%； 水泥用量為550kg/m3的混凝土，收縮率比達(dá)705%。,61,1天后起測的收縮曲線,收縮率比124%,62,減水劑對全收縮的影響,水泥用量分別為450 kg/m3和550 kg/m3時，1d起測的收縮率比為124%。 而以初凝起測的全收縮表征時，收縮率比分別達(dá)到220%和240%。,63,早期抗裂試驗裝置,64,65,首條裂縫出現(xiàn)時間,66,裂縫條數(shù),67,減水劑、泵送劑等化學(xué)外加劑極大地增加混凝土早期收縮、加速早期開裂、增加裂縫數(shù)量。 我們不能回避這一事實，關(guān)鍵是如何從混凝土組成材料、外加劑生產(chǎn)用原材料、合成工藝和復(fù)配技術(shù)上加以改進(jìn)。,68,三、骨料對

19、混凝土性能的影響,骨料是混凝土中比例最大的組分，至少大于65%，起骨架作用，抑制收縮，防止開裂。 骨料的品質(zhì)對混凝土的重要意義長期不被重視，直接影響了混凝土的性能，制約了高性能混凝土的推廣和應(yīng)用。,69,為什么把砂石稱為骨料？,在傳統(tǒng)觀念中把砂石叫做骨料的原因是認(rèn)為骨料起強(qiáng)度作用而作為混凝土的骨架，這是一種誤解。 骨料的骨架作用主要是穩(wěn)定混凝土的體積而不是強(qiáng)度。純的水泥漿體硬化后收縮過大，無法用于結(jié)構(gòu)，必須有骨料對水泥漿體的收縮起約束作用，而且骨料在混凝土中必須占據(jù)大部分體積。,70,決定混凝土強(qiáng)度的不是骨料,對混凝土的強(qiáng)度其決定作用的是混凝土的水灰比（水膠比），所以目前用強(qiáng)度很低的輕骨料（陶

20、粒）已能配制出C50的泵送混凝土。,71,骨料混凝土體積穩(wěn)定性,混凝土體積穩(wěn)定性主要取決于骨料，尤其是粗骨料在混凝土體積中所占的份額。骨料的質(zhì)量越高（粒形和顆粒級配好），單方混凝土中的膠凝材料用量越少，體積穩(wěn)定性也越好。 我國與發(fā)達(dá)國家混凝土質(zhì)量的差別主要源于骨料，尤其是石子的質(zhì)量。,72,73,我們應(yīng)該重視骨料的品質(zhì),74,骨料的顆粒形狀,西方發(fā)達(dá)國家的石子根本不存在針、片狀顆粒的問題，而我國砂石標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定石子針、片狀顆粒最大的可達(dá)25%,75,骨料的顆粒形狀,我們希望使用較規(guī)則外形的骨料。英國BS812標(biāo)準(zhǔn)將骨料形狀分為：立方體（球形）、不規(guī)則、非常不規(guī)則、扁平、細(xì)長幾類。相對而言，扁平或

21、片狀骨料以及非常不規(guī)則的骨料粒形對HPC是不利的。,76,骨料的顆粒形狀,在歐美扁平、片狀骨料以及非常不規(guī)則的骨料一般不超過20%，而我國有時高達(dá)80% 骨料粒形不好對混凝土和易性、強(qiáng)度和耐久性都產(chǎn)生不良影響。且直接導(dǎo)致水泥用量增多。,77,石子的強(qiáng)度越高越好嗎？,對石子如果控制了風(fēng)化(軟弱)顆粒、含泥(細(xì)粉)量,對強(qiáng)度不必要求太高,則破碎后的粒形好,等徑狀顆粒多,針片狀顆粒少,對混凝土強(qiáng)度影響很小。因為相對于混凝土的強(qiáng)度來說,天然巖石的強(qiáng)度是足夠的。即使是強(qiáng)烈風(fēng)化的低強(qiáng)度花崗巖,其巖石抗壓強(qiáng)度也達(dá)80-100MPa。,78,石子的強(qiáng)度越高越好嗎？,由下表的實例可見,所用石子中深康風(fēng)化粗粒花崗

22、巖強(qiáng)度低,但粒形好,混凝土的水膠比為0.31時,拌合物施工性能好, 28d抗壓強(qiáng)度達(dá)71.3 MPa;烏石谷致密石灰?guī)r的強(qiáng)度很高,但不僅針、片狀顆粒多,多數(shù)是不夠針、片狀標(biāo)準(zhǔn)的長條狀和扁狀顆粒,水膠比為0.33時拌合物坍落度也只有148mm,此時混凝土28d強(qiáng)度為68.8MPa。,79,石子的強(qiáng)度越高越好嗎？,這說明混凝土性能對水膠比要比對石子強(qiáng)度敏感,而石子的粒形對混凝土施工性的影響則更重要。 石子對混凝土強(qiáng)度的影響主要是界面。當(dāng)石子和混凝土彈性模量差別很大時(例如低強(qiáng)度混凝土使用高強(qiáng)度石子),在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時,二者變形不一致,會導(dǎo)致界面產(chǎn)生微裂縫,成為混凝土的薄弱環(huán)節(jié);,8

23、0,輕混凝土界面顯著加強(qiáng),輕骨料,界面,砂漿,81,石子的強(qiáng)度越高越好嗎？,如果二者彈性模量差別縮小,則界面結(jié)合可得到加強(qiáng)。輕骨料混凝土的強(qiáng)度可以大大高于輕骨料的強(qiáng)度,主要是由于界面的作用。 采用鄂式破碎機(jī)工藝,強(qiáng)度越高的巖石,針、片狀顆粒越多;粒徑越小,針、片狀顆粒越多。為保證針、片狀顆?？偭坎怀瑯?biāo),幾乎都將10mm以下的顆粒篩除。,82,石子的強(qiáng)度越高越好嗎？,對石子的要求偏重于強(qiáng)度,而對石子的級配則只有在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,實際上似乎越來越令人無可奈何。,83,骨料的級配,由于膠凝材料漿體的需求量是由集料間需要填充的空隙和集料需要包裹的面積決定的。所以希望選擇空隙率低、比表面積相對較小的集料。,84,粗骨料的級配不好,90年代初之前北京的石子空隙率一直為40%-43%,而目前已達(dá)46%以上,甚至達(dá)到48%以上。廣東一帶石子空隙率甚至達(dá)50%。按國家標(biāo)準(zhǔn),建筑工程使用的石子為連續(xù)級配,最小粒徑為5 mm;而目前實際混凝土