高性能混凝土

孫道勝高性能混凝土ANHUIUNIVERSITYOFARCHITECTURE2/1/202311.混凝土耐久性現(xiàn)狀2.高性能混凝土的概念3.高性能混凝土的體積穩(wěn)定性4.高性能混凝土的耐久性5.高性能混凝土的配制方法6.高性能混凝土的配套施工方法引言2/1/20232混凝土的本質(zhì)混凝土是由粗的粒狀材料（集料或充填料）鑲嵌于堅(jiān)硬的基質(zhì)材料（水泥或膠結(jié)料）中所組成的復(fù)合材料，基質(zhì)材料充填于集料的空隙中，并將它們膠結(jié)在一起。

土木建筑工程對(duì)混凝土質(zhì)量的基本要求是：具有符合設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度；具有與施工條件相適應(yīng)的和易性；具有與工程環(huán)境相適應(yīng)的耐久性。材料組成經(jīng)濟(jì)合理、生產(chǎn)制作節(jié)約能源。引言

水泥混凝土科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展2/1/20233

混凝土的優(yōu)越性與局限性優(yōu)越性：可澆注、經(jīng)濟(jì)、耐久、耐火、現(xiàn)場(chǎng)制作局限性：抗拉強(qiáng)度低、延性低、體積不穩(wěn)定、強(qiáng)度/質(zhì)量比值低2/1/20234水泥和混凝土的發(fā)展水泥的發(fā)展歷史1、JamesParker(英)—1796年獲得一項(xiàng)關(guān)于天然水硬性膠凝材料的專利，用含有黏土的不純的石灰石巖煅燒制成。2、Vicat(法)－1813年，用石灰石和黏土的人工合成物，經(jīng)煅燒制成了人造的水硬性石灰。3、JamesFrost(英)－1822年在英國(guó)提出同樣的方法。4、JosephAspdin(英)－1824年獲得波特蘭水泥專利。5、1886年出現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯，1909年ThomasEdison獲得一系列回轉(zhuǎn)窯專利。6、1836年，首先在德國(guó)進(jìn)行系統(tǒng)的抗拉和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，大約1900年，水泥的基本試驗(yàn)大部分已標(biāo)準(zhǔn)化。2/1/20235混凝土的發(fā)展1、混凝土組成材料的變化2、混凝土強(qiáng)度的變化3、混凝土施工性能的變化4、混凝土長(zhǎng)期耐久性能的變化5、特種混凝土2/1/202361824年英國(guó)人阿斯普丁(J.Aspdin)發(fā)明硅酸鹽水泥

1849年法國(guó)人朗波(L.Lambot)制造了第一只鋼筋混凝土小船

1872年在紐約建造第一所鋼筋混凝土房屋混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)始應(yīng)用于土木工程距今僅150多年。與磚石結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)的歷史并不長(zhǎng)，但發(fā)展非常迅速，目前混凝土結(jié)構(gòu)已成為大量土木工程結(jié)構(gòu)中最主要的結(jié)構(gòu)，而且高性能混凝土和新型混凝土結(jié)構(gòu)形式還在不斷發(fā)展。

混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展2/1/20237第一階段(Thefirststage):從鋼筋混凝土的發(fā)明至本世紀(jì)初鋼筋和混凝土的強(qiáng)度都比較低主要用于建造中小型樓板、梁、柱、拱和基礎(chǔ)等構(gòu)件。計(jì)算理論：結(jié)構(gòu)內(nèi)力和構(gòu)件截面計(jì)算均套用彈性理論(Elastictheory)，采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法(Allowablestressdesignmethod)?；炷两Y(jié)構(gòu)的發(fā)展2/1/20238混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展第二階段(Thesecondstage)

：從本世紀(jì)20年代到第二次世界大戰(zhàn)前后混凝土和鋼筋強(qiáng)度的不斷提高1928年法國(guó)杰出的土木工程師E.Freyssnet發(fā)明了預(yù)應(yīng)力混凝土，使得混凝土結(jié)構(gòu)可以用來(lái)建造大跨度計(jì)算理論：前蘇聯(lián)著名的混凝土結(jié)構(gòu)專家格沃茲捷夫（Α.Α.Гвоздев）開(kāi)始考慮混凝土塑性性能的破損階段設(shè)計(jì)法(Failurestagedesignmethod)，50年代又提出更為合理的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(limitstatedesignmethod)，奠定了現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算理論。2/1/20239第三階段(Thethirdstage)：二戰(zhàn)以后到現(xiàn)在隨著建設(shè)速度加快，對(duì)材料性能和施工技術(shù)提出更高要求，出現(xiàn)裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、泵送商品混凝土等工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)鋼筋的發(fā)展、計(jì)算機(jī)的采用和先進(jìn)施工機(jī)械設(shè)備的發(fā)明，建造了一大批超高層建筑、大跨度橋梁、特長(zhǎng)跨海隧道、高聳結(jié)構(gòu)等大型工程，成為現(xiàn)代土木工程的標(biāo)志。設(shè)計(jì)計(jì)算理論：發(fā)展了以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，基礎(chǔ)理論問(wèn)題大都得到解決，而新型混凝土材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)又不斷提出新的課題，并不斷促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展?；炷两Y(jié)構(gòu)的發(fā)展2/1/2023102/1/2023112/1/2023122/1/202313上海莘莊大型立交工程該工程由15條線路，6條主線、20個(gè)定向匝道構(gòu)成；占地面積45.8公頃，整個(gè)立交橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度11.1公里、面積8.4萬(wàn)m2。2/1/2023142/1/2023151.混凝土耐久性現(xiàn)狀目前，全世界每年因混凝土耐久性失效產(chǎn)生的修復(fù)和重建費(fèi)用高達(dá)以千億美元計(jì)美國(guó)2007年在鋼筋混凝土橋梁的維修費(fèi)用高達(dá)6580億美元，為當(dāng)年造價(jià)的4倍日本引以為豪的新干線使用不到10年，就出現(xiàn)混凝土大面積開(kāi)裂、剝蝕現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)，建成短期內(nèi)由于混凝土耐久性不足而導(dǎo)致的工程安全質(zhì)量問(wèn)題更是不勝枚舉2/1/202316美術(shù)館梁鋼筋銹蝕情況2/1/202317美術(shù)館柱的鋼筋銹蝕情況2/1/2023182/1/202319一座橋何以只有二十年壽命？拆除前的西直門橋2/1/2023202/1/2023212/1/2023222/1/2023232/1/2023242/1/202325北京西直門立交橋橋墩柱落水口一側(cè)鋼筋銹蝕2/1/202326山東濰坊公路橋2/1/2023272/1/2023282/1/202329龜裂溶流反應(yīng)2/1/202330地圖狀裂縫2/1/202331強(qiáng)烈的風(fēng)砂磨蝕2/1/202332青藏公路橋梁墩臺(tái)混凝土因凍融循環(huán)作用嚴(yán)重剝落2/1/202333青藏公路三叉河大橋被有害離子侵蝕的混凝土墩2/1/202334青藏公路三叉河大橋橋墩中鋼筋銹蝕狀況2/1/202335青藏線一期線路上開(kāi)裂的預(yù)應(yīng)力混凝土梁NEXT2/1/202336高性能混凝土的提出？

20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家材料委員會(huì)提出：要為新世紀(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開(kāi)發(fā)高性能的建筑材料，包括鋼材、混凝土、塑料等。

1990年5月，在美國(guó)馬里蘭州Gaithers-burg城由NIST和ACI主辦了第一次關(guān)于HPC的國(guó)際研討會(huì)，會(huì)議首次提出關(guān)于高性能混凝土的定義。2/1/202337

高性能混凝土為一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同用途的要求，對(duì)下列性能有重點(diǎn)的加以保證：耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

吳中偉

高性能混凝土的提出？2/1/202338

高工作度高強(qiáng)度高耐久性

——可泵送、有摻合料的高強(qiáng)混凝土高性能混凝土高性能混凝土的提出？2/1/2023392000年，中國(guó)工程院土木水利與建筑學(xué)部提出“工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究”咨詢項(xiàng)目，于2004年編寫《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》，并在05進(jìn)行了修訂。2002年在福州召開(kāi)以混凝土耐久性為三個(gè)專題之一的“全國(guó)高強(qiáng)與高性能混凝土專題學(xué)術(shù)研討會(huì)”；2004年在徐州召開(kāi)“混凝土和結(jié)構(gòu)進(jìn)展”國(guó)際會(huì)議；2/1/2023402004年在青島召開(kāi)“高強(qiáng)高性能混凝土及其應(yīng)用第五屆學(xué)術(shù)討論會(huì)”。

2005年在杭州召開(kāi)“高強(qiáng)高性能混凝土及其應(yīng)用第六屆學(xué)術(shù)討論會(huì)”。在會(huì)議上，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題展開(kāi)熱烈的討論。由此可見(jiàn)，按耐久性設(shè)計(jì)、配制混凝土用于工程結(jié)構(gòu)，是今后我國(guó)混凝土應(yīng)用的必然趨勢(shì)。2/1/202341現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范和規(guī)程GBJ82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》

DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTJ275-2002《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》CCES01-2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》TZ210-2005《鐵路混凝土施工技術(shù)指南》《鐵路混凝土耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》2/1/2023422.高性能混凝土的概念（1）易于澆注、搗實(shí)而不離析；（工作性）（2）高超的、能長(zhǎng)期保持的力學(xué)性能；（強(qiáng)度）（3）早期強(qiáng)度高、韌性高和體積穩(wěn)定性好；（抗裂性）（4）在惡劣的使用條件下壽命長(zhǎng)。（耐久性）因?yàn)椋?）（2）兩個(gè)要求，目前混凝土技術(shù)都能達(dá)到。因此所謂高性能主要是耐久性和抗裂性。2/1/2023432/1/2023442/1/2023452/1/202346高性能混凝土適用環(huán)境條件特征

環(huán)境類別環(huán)

境

條

件

特

征一般室外環(huán)境一般地區(qū)的露天環(huán)境、水位變動(dòng)的環(huán)境、飽水環(huán)境一般凍融環(huán)境寒冷和微凍地區(qū)的露天環(huán)境、水位變動(dòng)的環(huán)境、飽水環(huán)境硫酸鹽侵蝕環(huán)境石膏地層，水質(zhì)pH值為7.0～8.0時(shí)，水中[SO42-]≤2000mg/L含鹽地層，水質(zhì)pH值為7.5～9.0時(shí)，水中[SO42-]≤4000mg/L強(qiáng)透水土層，土中[SO42-]≤6000mg/kg弱透水土層，土中[SO42-]≤15000mg/kg鎂鹽侵蝕環(huán)境水質(zhì)pH值為8.0～10.0時(shí)，水中[Mg2+]≤7500mg/L氯鹽環(huán)境干濕交替，水中[Cl-]≤5000mg/L長(zhǎng)期泡水，水中[Cl-]≤20000mg/L潮濕土，土中[Cl-]≤7500mg/kg2/1/2023473.高性能混凝土的體積穩(wěn)定性過(guò)去只重視結(jié)構(gòu)性裂縫，現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)性裂縫也越來(lái)越受到重視。背景：現(xiàn)代水泥比表面大于3300cm2/g，早期強(qiáng)度高；混凝土施工的傳統(tǒng)要求早強(qiáng)、早脫模；現(xiàn)代混凝土工藝（高級(jí)水泥、高效減水劑、高坍落度）但又不重視早期養(yǎng)護(hù)。2/1/202348（1）結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫結(jié)構(gòu)性裂縫是由承載力不足引起，如鋼筋混凝土構(gòu)件的彎曲裂縫、剪切裂縫、粘結(jié)裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫是由于混凝土在長(zhǎng)期的水化過(guò)程中收縮（干燥收縮、溫降收縮和自生收縮）受到邊界構(gòu)件的約束，其產(chǎn)生的拉應(yīng)變超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)變而產(chǎn)生的。2/1/202349（2）非結(jié)構(gòu)性裂縫的種類塑性干縮裂縫：硬化前的新拌混凝土在凝結(jié)過(guò)程中由于泌水速度小于蒸發(fā)干燥速度，混凝土又沒(méi)有足夠塑性時(shí)，塑性干縮裂縫產(chǎn)生；常見(jiàn)于澆注后混凝土構(gòu)件的外露表面。2/1/202350塑性沉降裂縫：硬化前的新拌混凝土骨料下沉和泌水使鋼筋底部形成空隙、鋼筋頂部混凝土開(kāi)裂。2/1/202351化學(xué)減縮裂縫：水泥與水發(fā)生反應(yīng)，其生成物的體積總和小于反應(yīng)物的體積，水泥漿水化后其絕對(duì)體積的減少量約為總體積的8～10%。2/1/202352自收縮裂縫：指在恒溫絕濕的條件下混凝土初凝后因膠凝材料繼續(xù)水化引起自干燥而造成混凝土宏觀體積減小并受到外部約束而引起的裂縫。當(dāng)水膠比越小時(shí)，自收縮裂縫越顯著。2/1/202353溫度裂縫：水泥水化過(guò)程放出熱量，這使混凝土在凝結(jié)過(guò)程經(jīng)歷了一個(gè)熱脹冷縮的過(guò)程；對(duì)于大體積混凝土，內(nèi)外溫差的存在使混凝土內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力而外表面開(kāi)裂；對(duì)于鋼筋混凝土板，冷卻時(shí)收縮變形受到限制而出現(xiàn)裂縫。2/1/202354干燥收縮裂縫：混凝土進(jìn)入硬化階段后，由于毛細(xì)孔水份蒸發(fā)，毛細(xì)孔的表面張力使混凝土產(chǎn)生收縮應(yīng)變，當(dāng)該應(yīng)變超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)變時(shí)，干燥收縮裂縫產(chǎn)生。2/1/202355混凝土表面的干燥收縮裂縫

NEXT2/1/202356混凝土構(gòu)件在晝夜溫差、季節(jié)性溫差及室內(nèi)外溫差的作用下熱脹冷縮，當(dāng)這種熱脹冷縮效應(yīng)受到約束時(shí)就有可能出現(xiàn)裂縫?；炷恋氖稍锸湛s是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，尤其是大風(fēng)的天氣中，當(dāng)混凝土的累積干燥收縮受到邊界構(gòu)件約束時(shí)，混凝土內(nèi)部就出現(xiàn)約束應(yīng)力，當(dāng)這約束應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就出現(xiàn)新的非結(jié)構(gòu)性裂縫。2/1/202357（3）防止塑性開(kāi)裂措施降低混凝土用水量;保持工作面最小，盡快用塑料膜覆蓋，混凝土入模后預(yù)防外露表面失水噴霧濕潤(rùn)上方空氣;澆筑前潤(rùn)濕模板和底板;通過(guò)抹面、壓光消除早期塑性裂縫。2/1/202358（4）干縮裂縫控制減少拌和水量，減少漿體體積，優(yōu)化石子級(jí)配，加大石子的含量，配置低收縮混凝土；降低混凝土干燥速率，延緩表層水分損失；采用補(bǔ)償收縮混凝土，或外摻減縮劑；設(shè)置構(gòu)造鋼筋；（細(xì)且密）2/1/202359（5）溫度收縮裂縫控制設(shè)置遮蔽棚，防止陽(yáng)光直射骨料，采用冰水，夜間施工，降低混凝土入模溫度。摻入粉煤灰，降低水泥用量，減少因水化熱引起的溫升。大體積混凝土內(nèi)部埋管道，通冰水降溫，冬天用溫水養(yǎng)護(hù)，減少混凝土內(nèi)外溫差。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，防止溫度驟然變化；選擇熱膨脹系數(shù)低的骨料；盡量不采用早強(qiáng)水泥，限制混凝土早期（12或24hr）強(qiáng)度2/1/202360(6)非結(jié)構(gòu)性裂縫的控制措施材料方面：減少水泥和水的用量，降低砂率，增加石子的用量。摻聚丙烯纖維或減縮劑。施工方面：加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，降低入模溫度。設(shè)計(jì)方面：設(shè)置構(gòu)造鋼筋。劃分施工段，采用隔段施工；設(shè)施工縫、后澆帶。對(duì)樓板施加預(yù)應(yīng)力，以抵消部分約束應(yīng)變。2/1/202361（7）重視非結(jié)構(gòu)性裂縫的防治現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)人員并未對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)性裂縫進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)性裂縫是否出現(xiàn)，出現(xiàn)多少，完全取決于工人的素質(zhì)、當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境等因素。如果施工前沒(méi)有采取足夠的措施對(duì)非結(jié)構(gòu)性裂縫進(jìn)行預(yù)防，裂縫產(chǎn)生后，有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋的銹蝕和混凝土的劣化，進(jìn)而大大降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。2/1/202362板狀開(kāi)裂裝置底板短鋼柱（φ10×100mm）鋼?；炷了芰媳∧た蚣軇偠葹?00×106N/m2（8）開(kāi)裂測(cè)試方法2/1/2023634.高性能混凝土的耐久性發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)70年代開(kāi)始很重視耐久性問(wèn)題背景：二戰(zhàn)后開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)，70年代出現(xiàn)大量混凝土劣化和結(jié)構(gòu)破壞事例。比較全面的工程結(jié)構(gòu)破壞的調(diào)查和分析修訂結(jié)構(gòu)、施工規(guī)范，對(duì)耐久性作了明確嚴(yán)格的規(guī)定2/1/202364我國(guó)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了幾個(gè)階段20世紀(jì)80年代末以前:政府部門、工程界、技術(shù)界對(duì)耐久性普遍不夠重視20世紀(jì)90年代:專家呼吁，學(xué)術(shù)界、工程界開(kāi)始重視耐久性問(wèn)題背景：大量結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞事例20世紀(jì)末和21世紀(jì)以來(lái):開(kāi)始實(shí)行混凝土耐久性設(shè)計(jì)我國(guó)比發(fā)達(dá)國(guó)家落后15~20年后果：許多重大工程存在隱患，今后我國(guó)將出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)、加固、拆了重建的高潮。2/1/202365(1)混凝土耐久性問(wèn)題混凝土碳化（中性化）氯離子滲透凍融鋼筋銹蝕硫酸鹽腐蝕堿-集料反應(yīng)。。。很多情況下，幾種因素同時(shí)存在2/1/202366大顆粒粗骨料的間隙由小顆粒填充小顆粒粗骨料的間隙由細(xì)骨料填充漿體填充骨料堆積體的空隙并在其表面形成潤(rùn)滑層，使拌合物具有滿足施工需要的工作度混凝土的結(jié)構(gòu)2/1/202367水泥漿大顆粒粗骨料小顆粒粗骨料細(xì)骨料2/1/202368現(xiàn)行骨料的不足★使用廉價(jià)的顎式破碎機(jī)，使粗骨料的針片狀顆粒高，空隙率大，質(zhì)量波動(dòng)顯著，導(dǎo)致混凝土拌合物的膠凝材料用量明顯偏大?！锎止橇现?-10mm的顆粒很少，不僅增大膠凝材料用量，影響體積穩(wěn)定性，而且影響混凝土結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載時(shí)的傳荷能力。2/1/2023692/1/2023701）碳化水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生大量的氫氧化鈣，使鋼筋處在堿性的環(huán)境中，這使鋼筋表面的氧化膜不容易破壞。當(dāng)氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳生成碳酸鈣時(shí)，使混凝土中的堿性降低。在弱堿的環(huán)境中，鋼筋表面的氧化膜容易破壞，鋼筋銹蝕。鋼筋的銹蝕后，體積的膨脹，這使得周圍的混凝土開(kāi)裂，混凝土的開(kāi)裂又使鋼筋銹蝕加快。2/1/202371提高混凝土抗碳化能力的措施摻優(yōu)質(zhì)減水劑、優(yōu)質(zhì)粉煤灰；通過(guò)降低水灰比，細(xì)化毛細(xì)孔隙，（>200nm的孔為有害孔）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)（加深水化程度）等措施提高混凝土的密實(shí)性。2/1/2023722）氯離子滲透北方道路長(zhǎng)年積雪，用氯鹽除冰。海水或鹽漬地的鹽分侵入混凝土。氯離子為酸性，降低混凝土的PH值，使鋼筋表面的鈍化膜(保護(hù)膜)在弱堿性(PH<10)環(huán)境中生成FeCO3，體積膨脹，混凝土脹裂。2/1/202373混凝土材料耐久性根本上限決于其滲透性多孔物質(zhì)：如混凝土、粘土磚、泡沫塑料等驅(qū)動(dòng)力：壓力差致密材料擴(kuò)散過(guò)程：驅(qū)動(dòng)力—濃度差2/1/202374滲透性檢測(cè)方法表面透氣法：氮?dú)夥ū砻嫖⊿uction電量法：ASTMC1202氯離子擴(kuò)散系數(shù)法電化學(xué)分析法（Fick第二定律）電遷移法（Nernst－Planck方程）電導(dǎo)法：NEL法（Nernst－Einstein方程）2/1/202375ASTMC1202直流電量法直流電源電流表0.3MNaOH溶液3%NaCl溶液銅網(wǎng)電極有機(jī)玻璃箱試件φ100×50mm2/1/2023763)凍融2/1/202377改善混凝土的抗凍性的措施加入引氣劑，可使混凝土內(nèi)產(chǎn)生大量的微小氣泡，遮斷毛細(xì)管通道，增強(qiáng)混凝土的抗凍性；加入減水劑可減少用水量，降低孔隙率，增加抗凍性。2/1/2023784）硫酸鹽腐蝕2/1/2023795）堿-集料反應(yīng)水泥中的堿和粗、細(xì)集料中的活性二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿硅酸凝膠并吸水產(chǎn)生膨脹，這種膨脹受到周圍已硬化水泥石的限制而發(fā)生較大的腫脹壓力，從而使混凝土開(kāi)裂和崩潰，這種現(xiàn)象叫堿-氧化硅反應(yīng)（堿集料反應(yīng)的一種）。堿集料反應(yīng)包括堿-氧化硅反應(yīng)、堿-碳酸反應(yīng)、堿-硅酸反應(yīng)。2/1/202380堿集料試驗(yàn)方法2/1/2023812/1/202382高性能混凝土耐久性能指標(biāo)項(xiàng)

目質(zhì)

量

要

求基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩臺(tái)、涵洞、支承墊石、橋梁封端、梁面纖維混凝土等抗凍性56d齡期時(shí)混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)不小于300次抗?jié)B性56d齡期時(shí)混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)不小于P20Cl-滲透電量56d齡期時(shí)混凝土的Cl-滲透電量應(yīng)不大于1000庫(kù)侖耐腐蝕性耐中等硫酸鹽腐蝕體積穩(wěn)定性180d收縮值應(yīng)不大于5×10-4抗堿—骨料反應(yīng)性骨料的堿活性和混凝土的堿含量應(yīng)滿足規(guī)定預(yù)應(yīng)力梁抗凍性56d齡期時(shí)混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)不小于300次抗?jié)B性56d齡期時(shí)混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)不小于P20Cl-滲透電量56d齡期時(shí)混凝土的Cl-滲透電量應(yīng)不大于1000庫(kù)侖耐腐蝕性耐中等硫酸鹽腐蝕體積穩(wěn)定性180d收縮值應(yīng)不大于5×10-4抗堿—骨料反應(yīng)性骨料的堿活性和混凝土的堿含量應(yīng)滿足5.1.2、5.1.3的規(guī)定徐變度加荷180d時(shí)混凝土的徐變度應(yīng)不大于60×10-6/MPa抗壓疲勞強(qiáng)度56d齡期時(shí)，當(dāng)循環(huán)特征系數(shù)ρ為0.15，200萬(wàn)次疲勞后混凝土的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)應(yīng)不小于0.62/1/202383（2）耐久性混凝土設(shè)計(jì)步驟：1）查明結(jié)構(gòu)物及其各構(gòu)件的詳細(xì)環(huán)境資料（氣象資料、地下水和土壤化學(xué)分析等等）2）分析可能導(dǎo)致混凝土破壞的主要因素和次要因素（很重要）3）

提出各種混凝土配比的耐久性指標(biāo)要求。2/1/2023844）

確立主要技術(shù)措施（包括防裂措施）如強(qiáng)度標(biāo)號(hào)（可能高于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求）、工作性、耐久性能指標(biāo)如水泥品種、砂石質(zhì)量要求、礦物摻合料及其質(zhì)量要求、外加劑、含氣量等5）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、工作量很大的試驗(yàn)研究工作以及試驗(yàn)結(jié)果的匯總及分析6）

最后得到最優(yōu)化的指導(dǎo)性配比7）根據(jù)指導(dǎo)性配比、施工方對(duì)配合比的復(fù)核和微調(diào)，必要時(shí)對(duì)某些耐久性指標(biāo)復(fù)核2/1/2023855.高性能混凝土的配制方法采用雙摻原則礦物超細(xì)粉和高效減水劑為高性能混凝土的新組分礦物超細(xì)粉包括粉煤灰、礦粉、硅灰、沸石粉、偏高嶺土等新型的高效減水劑必須具有高的減水率和較小的坍落度損失2/1/202386

1.P·Ⅰ型，硅酸鹽水泥;2.P·Ⅱ型，硅酸鹽水泥,含0-5%的混合材；

3.P·O型,普通硅酸鹽水泥,含6-15%的混合材；

4.P·F型，粉煤灰硅酸鹽水泥;含20-40%粉煤灰;5.P·S型，礦渣硅酸鹽水泥,含20-70%以內(nèi)的礦渣粉；

6.P·P型,火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥,含20-50%火山灰；

7.P·C型，復(fù)合硅酸鹽水泥,含15-50%兩種以上混合材。水泥

2/1/202387硅酸鹽水泥=熟料+適量石膏磨細(xì)而成熟料的主要成分有：C3S；C2S；C3A；C4AF

※C3S的水化速度較快，水化發(fā)熱量較大。

※C2S的水化速度很慢，水化發(fā)熱量最小。

※C3A的水化速度最快，水化放熱量最大，水化物強(qiáng)度最低，干縮最大。水泥

2/1/202388強(qiáng)度高的水泥就一定好嗎？

過(guò)分追求早強(qiáng)必然犧牲耐久性能。在目前生產(chǎn)工藝條件下，提高水泥強(qiáng)度，實(shí)際上只是增加C3A與C3S含量，并提高比表面積。實(shí)踐表明，早期強(qiáng)度很高的混凝土14天以后的強(qiáng)度幾乎不再增長(zhǎng)，長(zhǎng)期強(qiáng)度甚至倒縮。水泥

2/1/202389水泥的含堿量

預(yù)防堿—骨料反應(yīng)

控制混凝土的開(kāi)裂傾向

Burrows建議，為防止堿促進(jìn)混凝土開(kāi)裂，水泥中的堿含量應(yīng)不超過(guò)0.60%Na2O·eq。水泥

2/1/202390水泥的技術(shù)要求序號(hào)項(xiàng)目技術(shù)要求備注1比表面積≤350m2/kg（對(duì)硅酸鹽水泥、抗硫水泥而言）按《水泥比表面積測(cè)定方法（勃氏法）》〔GB/T8074〕檢驗(yàn)280μm方孔篩篩余≤10.0%（對(duì)普通硅酸鹽水泥而言）按《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法

(80μm篩篩析法)》（GB/T1345）檢驗(yàn)3游離氧化鈣含量≤1.0%按《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T176）檢驗(yàn)4堿含量≤0.80%5熟料中的C3A含量非氯鹽環(huán)境下≤8%，氯鹽環(huán)境下≤10%按《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T176）檢驗(yàn)后計(jì)算求得6氯離子含量≤0.10%（鋼筋混凝土）≤0.06%（預(yù)應(yīng)力混凝土）按《水泥原料中氯的化學(xué)分析方法》（JC/T420）檢驗(yàn)2/1/202391

（1）含泥量與軟弱顆粒（2）吸水率（3）線脹系數(shù)與彈性模量（4）壓碎強(qiáng)度（5）粒形、級(jí)配與空隙率骨料

2/1/202392大顆粒粗骨料的間隙由小顆粒填充小顆粒粗骨料的間隙由細(xì)骨料填充漿體填充骨料堆積體的空隙并在其表面形成潤(rùn)滑層，使拌合物具有滿足施工需要的工作度混凝土的結(jié)構(gòu)2/1/202393水泥漿大顆粒粗骨料小顆粒粗骨料細(xì)骨料2/1/202394現(xiàn)行骨料的不足★使用廉價(jià)的顎式破碎機(jī)，使粗骨料的針片狀顆粒高，空隙率大，質(zhì)量波動(dòng)顯著，導(dǎo)致混凝土拌合物的膠凝材料用量明顯偏大?！锎止橇现?-10mm的顆粒很少，不僅增大膠凝材料用量，影響體積穩(wěn)定性，而且影響混凝土結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載時(shí)的傳荷能力。2/1/2023952/1/202396

礦物摻合料具有如下作用：（1）填充間隙及形成潤(rùn)滑膜；（2）消納氫氧化鈣，改善過(guò)渡區(qū)（火山灰反應(yīng)）；（3）對(duì)水泥的分散作用，降低水膠比；（4）延緩初期水化速率，形成低水膠比、大水灰比的有利環(huán)境；（5）降低溫升，改善徐變能力，減小早期熱裂縫。礦物摻合料2/1/202397

粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)≤100≤12≥C50≤3.0≤1.0≤5.0≤3.0≤105≤0.02≤15C30～C45SO3含量%含水率%燒失量%需水量比%Cl-%細(xì)度%混凝土強(qiáng)度2/1/202398超細(xì)摻合料的形貌特征2/1/202399水化硅酸鈣凝膠氫氧化鈣晶體

無(wú)微礦粉混凝土的水化產(chǎn)物2/1/2023100

密度kg/m3Cl-%SO3%MgO%燒失量%比表面積m2/kg含水率%流動(dòng)度比%活性指數(shù)，%7d28d≥2800≤0.02≤4.0≤14.0≤1.0350～500≤1.0≥95≥75≥95磨細(xì)礦渣粉品質(zhì)指標(biāo)2/1/2023101

高性能混凝土用外加劑應(yīng)具有減水率高、坍落度損失小、適量引氣、能細(xì)化混凝土孔結(jié)構(gòu)、能明顯改善或提高混凝土耐久性等性能。◆重新調(diào)整熟料和石膏之間的匹配關(guān)系◆調(diào)整不同外加劑組分之間的適應(yīng)性◆調(diào)整不同外加劑同水泥之間的適應(yīng)性

外加劑2/1/2023102

序號(hào)項(xiàng)目指標(biāo)1水泥凈漿流動(dòng)度，mm≥2402硫酸鈉含量，%≤10.03Cl-含量，%≤0.204總堿量,%≤10.0

外加劑的品質(zhì)指標(biāo)2/1/2023103

摻外加劑混凝土的性能指標(biāo)序號(hào)項(xiàng)目指標(biāo)

1減水率，%≥20

2含氣量，%≥3.0≥4.53坍落度保留值，mm30min60min≥180≥1504常壓泌水率比，%≤20

5壓力泌水率，%≤90

6抗壓強(qiáng)度比，%≥1207對(duì)鋼筋銹蝕作用無(wú)銹蝕

8抗凍性，次≥200

9收縮率比，%≤135

2/1/2023104選用水泥:低水化熱、低C3A含量、低含堿量堅(jiān)固耐久的集料，用錘式破碎機(jī)破碎的碎石（級(jí)配和粒形較好），沖洗干凈。盡可能減少膠凝材料總量，為此盡可能降低單方拌和水量。摻加優(yōu)質(zhì)引起劑和膨脹劑2/1/2023105(1)高性能混凝土配制的技術(shù)途徑降低水膠比，使之小于0.38（摻高效減水劑）改善混凝土中水泥石與粗骨料間的界面結(jié)構(gòu)。（摻礦物超細(xì)粉）改善水泥石孔結(jié)構(gòu)（采用“雙摻”）2/1/2023106（2）粉煤灰的三項(xiàng)基本效應(yīng)形態(tài)效應(yīng)：滾珠形態(tài)提高了新拌混凝土的流動(dòng)性，對(duì)水泥“解絮”，擴(kuò)大水化空間和水化物的生成場(chǎng)所，起到礦物減水劑的作用。活性效應(yīng)（火山灰效應(yīng)）；與水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成的CSH凝膠填充于水泥水化物孔隙中，細(xì)化孔隙，使孔隙致密，均勻化。微集料效應(yīng)。粉煤灰顆粒本身強(qiáng)度高，分散狀態(tài)好，有助于混凝土孔隙毛細(xì)孔的充填和“細(xì)化”2/1/2023107超細(xì)摻合料的形貌特征2/1/2023108水泥顆粒微礦粉顆粒微礦粉顆粒2/1/2023109水化硅酸鈣凝膠氫氧化鈣晶體

無(wú)微礦粉混凝土的水化產(chǎn)物2/1/2023110摻加微礦粉混凝土的水化產(chǎn)物致密的水化硅酸鈣凝膠2/1/20231112/1/2023112返回首頁(yè)2/1/2023113(3)高效減水劑的作用水泥的水化產(chǎn)生絮凝狀結(jié)構(gòu)物，它包裹不少結(jié)合水。減水劑作用是將結(jié)合水從凝狀結(jié)構(gòu)物中“解放”出來(lái)，使之成為自由水。這樣，在用水量減少的情況下，新拌混凝土的和易性不會(huì)降低，而混凝土中的孔隙減少，硬化后混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)性能提高。2/1/2023114(4)“雙摻”的互補(bǔ)作用高效減水劑不能吸收不利的水化物，如氫氧化鈣（性能不穩(wěn)定），但粉煤灰可以。高效減水劑對(duì)提高后期強(qiáng)度和抗腐蝕能力作用不大，但粉煤灰作用較大。高效減水劑對(duì)改善混凝土的保水性和粘聚性作用不大，但粉煤灰作用較大。摻入高效減水劑可以降低水膠比，彌補(bǔ)因摻入粉煤灰而帶來(lái)的混凝土早期強(qiáng)度的降低。2/1/2023115(5)膨脹劑的作用外摻4-8%的石膏，在混凝土初凝后，生成的鈣礬石不斷填充混凝土的孔隙，使混凝土更密實(shí)。因?yàn)樯赦}礬石的過(guò)程是體積膨脹的過(guò)程，因此這時(shí)石膏就起到了膨脹劑的作用。摻入適量膨脹劑可以起到補(bǔ)償收縮的作用。2/1/2023116(6)引氣劑的作用大幅度提高抗凍、抗鹽凍性（必不可少）提高所有因膨脹破壞的耐久性堿——集料反應(yīng)抗硫酸鹽侵蝕（必需）機(jī)理：大量小氣泡成為膨脹的緩沖器，減小膨脹值2/1/2023117提高抗Cl-滲透及抗水滲透性原因切斷毛細(xì)管通道提高工作性、可泵性小氣泡的滾珠效應(yīng)有減水效應(yīng)（減水率6%以上）提高拉壓比，即增加韌性2/1/2023118(7)高性能混凝土配合比的確定給定指標(biāo)（強(qiáng)度、坍落度和擴(kuò)展度、通電量或氯離子擴(kuò)展系數(shù)、抗裂等級(jí)）選用球形粒形、吸水率低、空隙率小的潔凈砂和石子確定砂率，使骨料間的孔隙率最小。通過(guò)試驗(yàn)，確定外加劑（高效減水劑等）、水泥、礦物摻和料（粉煤灰等）、水、砂和石子的用量。2/1/20231191.適量摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等礦物摻和料；2.C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高于400kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500kg/m3。；3.嚴(yán)格控制混凝土的水膠比、最小水泥用量、最低膠凝材料用量和最大膠凝材料用量;4.盡可能減少混凝土膠凝材料中的水泥用量;在制定高性能混凝土配合比時(shí)，應(yīng)遵循如下原則:2/1/2023120煤矸石粉CoalGanguePowder鋼渣粉SteelSlag粉煤灰FlyAsh礦渣粉BlastFurnacelSlag返回上頁(yè)2/1/2023121混凝土的最大水膠比和最小膠凝材料用量(kg/m3)環(huán)境類別環(huán)境作用等級(jí)使用年限級(jí)別一（100年）二（60年）三（30年）（1）（2）（1）（2）（1）（2）碳化環(huán)境T10.552800.602600.65260T20.503000.552800.60260T30.453200.503000.50300氯鹽環(huán)境L10.453200.503000.50300L20.403400.453200.45320L30.363600.403400.403402/1/2023122混凝土的最大水膠比和最小膠凝材料用量(kg/m3)環(huán)境類別環(huán)境作用等級(jí)使用年限級(jí)別一（100年）二（60年）三（30年）（1）（2）（1）（2）（1）（2）凍融破壞環(huán)境D10.503000.552800.60260D20.453200.503000.50300D30.403400.453200.45320D40.363600.403400.40340磨蝕環(huán)境M10.503000.552800.60260M20.453200.453000.50300M30.403400.453200.453202/1/2023123混凝土的最大水膠比和最小膠凝材料用量(kg/m3)環(huán)境類別環(huán)境作用等級(jí)使用年限級(jí)別一（100年）二（60年）三（30年）碳化環(huán)境T1，T2，T30.602800.652600.65260氯鹽環(huán)境L1，L2，L30.602800.652600.65260化學(xué)侵蝕環(huán)境H10.503000.552800.60260H2**0.503000.50300H3******H4******凍融破壞環(huán)境D10.503000.552800.60260D2**0.503000.50300D3******D4******磨蝕環(huán)境M10.552800.602600.65260M20.503000.552800.60260M3**0.503000.503002/1/20231241.適量摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等礦物摻和料；2.C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高于400kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500kg/m3。；3.嚴(yán)格控制混凝土的水膠比、最小水泥用量、最低膠凝材料用量和最大膠凝材料用量;4.盡可能減少混凝土膠凝材料中的水泥用量;在制定高性能混凝土配合比時(shí)，應(yīng)遵循如下原則:2/1/2023125

5.當(dāng)化學(xué)侵蝕介質(zhì)為硫酸鹽時(shí)，混凝土的膠凝材料還應(yīng)滿足表有關(guān)規(guī)定，且膠凝材料的抗蝕系數(shù)按附錄F檢驗(yàn)不得小于0.8。

6.混凝土中宜摻加符合本指南要求且能提高混凝土耐久性能的混凝土外加劑，優(yōu)先選用多功能復(fù)合外加劑。

7.當(dāng)骨料的堿—硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率大于0.10%時(shí)，混凝土的堿含量應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定。

8.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土氯離子總含量不應(yīng)超過(guò)膠凝材料總量的0.10%，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土氯離子總含量不應(yīng)超過(guò)膠凝材料總量的0.06％。在制定高性能混凝土配合比時(shí)，應(yīng)遵循如下原則:2/1/2023126硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土膠凝材料的要求環(huán)境作用等級(jí)水泥品種水泥熟料中的C3A含量，%粉煤灰或礦渣粉的摻量，%最小膠凝材料用量，kg/m3H1普通硅酸鹽水泥≤8≥20300中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥≤5/300H2普通硅酸鹽水泥≤8≥25330中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥≤5≥20300高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥≤3/300H3，H4普通硅酸鹽水泥≤6≥30360中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥≤5≥25360高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥≤3≥20360返回2/1/2023127在制定高性能混凝土配合比時(shí)，應(yīng)遵循如下原則:

9混凝土的入模含氣量宜滿足下表的規(guī)定。表9

混凝土含氣量環(huán)境條件混凝土無(wú)抗凍要求混凝土有抗凍要求D1D2、D3D4含氣量，%≥2.0≥4.0≥5.0≥5.510混凝土的坍落度宜根據(jù)施工工藝要求確定。在條件許可的條件下，應(yīng)盡量選用低坍落度的混凝土施工。

2/1/2023128圖3-46硬化水泥漿體與混凝土的絕熱溫升水化熱的影響混凝土溫度隨水泥用量增加而上升2/1/20231296.高性能混凝土的配套施工方法水膠比很低的高性能混凝土對(duì)用水量很敏感，所以要認(rèn)真對(duì)待水的計(jì)量。高效減水劑是與水泥反應(yīng)的，最后加入石子可使水泥和高效減水劑充分混勻，有利于發(fā)揮高效減水劑的利用率。必須比攪拌普通混凝土延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，否則會(huì)使拌和物不均勻而影響質(zhì)量。攪拌時(shí)間不能少于3min。2/1/2023130攪拌好的混凝土拌和物出機(jī)前要先取樣檢測(cè)其工作性，如果工作性不滿足要求，不能加水，而應(yīng)加高效減水劑進(jìn)行調(diào)整。避免在夏季澆筑很薄的構(gòu)件，并且加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。摻入大量礦物細(xì)摻料的高性能混凝土需要盡早保水養(yǎng)護(hù)。在可能的情況下可采用蒸氣養(yǎng)護(hù)，以縮短工期。對(duì)于大面積的構(gòu)件(如樓板)，澆筑后應(yīng)立即噴灑養(yǎng)護(hù)劑，或用塑料薄膜覆蓋。2/1/2023131用塑料薄膜覆蓋時(shí)，應(yīng)使薄膜緊貼混凝土表面。初凝后掀開(kāi)塑料薄膜，用木抹子搓平表面，至少搓2遍。搓完后繼續(xù)覆蓋，待終凝后立即澆水養(yǎng)護(hù)。2/1/2023132納米科技與現(xiàn)代水泥混凝土材料2/1/2023133目錄1、商品混凝土－高性能混凝土現(xiàn)代混凝土2、納米水泥及納米水泥水化物3、納米火山灰礦物外加劑（摻和料）4、納米惰性摻和料（石灰石粉）2/1/20231341、現(xiàn)代混凝土商品混凝土泵送混凝土預(yù)拌混凝土高性能混凝土現(xiàn)代混凝土數(shù)字混凝土千年混凝土現(xiàn)代混凝土的6組分：水泥、砂、石、水、礦物外加劑、化學(xué)外加劑2/1/20231352、納米水泥及納米水泥水化物摘要當(dāng)前，納米科技的概念幾乎應(yīng)用于所有生產(chǎn)材料的工業(yè)部門。然而，這一概念在膠凝材料上的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。由水泥水化相、摻和料和外加劑組成的一個(gè)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)的混凝土，是納米技術(shù)操縱和控制性能的很好的對(duì)象。針對(duì)膠凝材料專門領(lǐng)域的納米科技作一簡(jiǎn)要綜述。對(duì)納米尺度的水泥水化反應(yīng)進(jìn)展、水化硅酸鈣（C-S-H）的形成、納米尺寸礦物摻和料的作用，如：硅灰和碳納米管，以及在水泥水化過(guò)程中化學(xué)外加劑的作用進(jìn)行探討。

2/1/2023136納米世界是介于原子、量子現(xiàn)象的尺度與塊體材料尺度之間的材料。在納米范圍內(nèi)，量子化學(xué)和經(jīng)典物理定律都不適用。在金屬、半導(dǎo)體或絕緣體材料中，價(jià)電子的離域是普遍存在于強(qiáng)化學(xué)鍵作用之中，并且離域程度隨材料的尺度而改變，這種作用和結(jié)構(gòu)的變化，會(huì)導(dǎo)致與尺度相關(guān)的新的化學(xué)和物理特性的產(chǎn)生。2/1/2023137當(dāng)材料的尺度達(dá)到納米量級(jí)，許多特性和潛在有用現(xiàn)象和性能將會(huì)出現(xiàn)。其中包括一些特性，如：動(dòng)量、能量和質(zhì)量的傳輸將從塊體的連續(xù)傳輸延伸到納米材料的分子傳輸過(guò)程。同時(shí)，納米材料基本的電子學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和生物過(guò)程也與塊體材料有所不同。納米材料的化學(xué)和物理性質(zhì)可與具有相同化學(xué)組成的原子-分子量級(jí)或塊體材料有很大的差別。納米結(jié)構(gòu)的特征、熱力學(xué)、響應(yīng)、動(dòng)力學(xué)和化學(xué)的特點(diǎn)是構(gòu)成納米科學(xué)者一新興領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和概念的基礎(chǔ)。合適的控制納米性能和納米結(jié)構(gòu)響應(yīng)可能導(dǎo)致新設(shè)備和新技術(shù)的問(wèn)世。

2/1/2023138圖1、一只手掌（10厘米）以每一步縮小100倍得到的宏觀、微觀、納米尺度的圖像，直至構(gòu)成DNA結(jié)構(gòu)的原子

納米尺度單詞nano(=10-9m)取自希臘語(yǔ)，意思是‘矮子’，表示非常小的意思。1/1000m=10-3m=1mm(毫米)，1/1000mm=10-6m=1μm(微米)1/1000μm=10-9m=1nm(納米)十億分之一米是一納米。一納米大約是六個(gè)碳原子的寬度。一個(gè)氫原子大小是0.1納米。納米尺度可以由圖1形象的表示。

2/1/2023139表1：一些典型納米材料的尺寸：納米結(jié)構(gòu)和它們的集合

納米結(jié)構(gòu)尺寸材料簇納米晶體量子點(diǎn)半徑：1～10納米絕緣體半導(dǎo)體、金屬磁性材料其它納米顆粒半徑：1～100納米氧化物陶瓷納米生物材料圖像合成反應(yīng)中心半徑：5～10納米膜蛋白納米電線直徑：1～100納米金屬、半導(dǎo)體、氧化物、硫化物、氮化物納米管直徑：1～100納米碳、分層的硫族（元素）化物納米生物桿直徑：5納米DNA2D排列的納米顆粒區(qū)域：幾nm2到μm2金屬、半導(dǎo)體、磁性材料表面和薄的膜厚度：1～1000納米絕緣體、半導(dǎo)體、金屬、DNA3D納米顆粒的超點(diǎn)陣半徑：幾納米金屬、半導(dǎo)體、磁性材料2/1/2023140納米技術(shù)

納米技術(shù)定義是從0.1到100納米（nm或10-9m）的納米尺度范圍對(duì)材料進(jìn)行控制和操作的技術(shù)。納米技術(shù)涉及一系列的在原子尺度上設(shè)計(jì)和制作材料的新方法。該方法已經(jīng)創(chuàng)造出許多新的產(chǎn)品和工藝，例如芯片的試驗(yàn)、表面涂層、納米結(jié)構(gòu)材料、納米器械和工具及傳感器。納米技術(shù)的應(yīng)用就是允許更小、更便宜、更輕和更快、功能更強(qiáng)大的裝置出現(xiàn)，而且消耗更少的原材料和能源。納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)在一些領(lǐng)域迅速取得進(jìn)展并立即得到了應(yīng)用，例如微電子工業(yè)。納米科技已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。一些重要領(lǐng)域包括：納米藥物、裝置（碳納米管、原子機(jī)器人等）、納米電子學(xué)、催化劑、激光器、記憶存儲(chǔ)器、傳感器/生物傳感器、基因工程/基因治療、燃料電池/太陽(yáng)能電池、污染控制、軍事應(yīng)用、建筑業(yè)等。2/1/2023141水泥混凝土材料中的納米技術(shù)納米技術(shù)在建筑材料中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段?；炷潦蔷哂兴嗨嗟牟糠旨{米結(jié)構(gòu)、摻和料和集料組成的一個(gè)復(fù)雜體系，是納米技術(shù)對(duì)性能控制和操作的極好的對(duì)象。圖2：水泥集料體系中的尺寸

2/1/2023142圖3：納米尺度上觀察水泥水化

2/1/2023143C-S-H的結(jié)構(gòu)

圖4：a）水灰比0.4的C3S泥漿在20℃硬化8年中C-S-H的外部產(chǎn)物和內(nèi)部產(chǎn)物的TEM照片。白色箭頭所指為內(nèi)部產(chǎn)物和外部產(chǎn)物的邊界，內(nèi)部產(chǎn)物在照片的左上方；b）一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部產(chǎn)物C-S-H的放大圖片；c）外部產(chǎn)物C-S-H的小纖維的放大圖片（Richardson）

2/1/2023144圖5：水化水泥漿體表面的AFM照片原子力顯微鏡（AFM）：水化水泥漿中的C-S-H凝膠由納米顆粒組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，AFM對(duì)這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)尺度進(jìn)行了量衡，發(fā)現(xiàn)小薄片的尺寸是60×30nm2和5nm厚。圖5中暗的區(qū)域是孔。2/1/2023145圖6：C-S-H的XRD圖。a）CaO和SiO2混合的稀釋懸濁液（水灰比w/c=20）的XRD圖;b)細(xì)C3S和SiO2混合泥漿（水灰比w/c=1.5）水化的XRD圖

人們認(rèn)為C-S-H是凝膠狀的，但并不是完全無(wú)定型的。其XRD中呈明顯的衍射峰，所以也是晶體的。衍射峰的寬化，主要是由于連貫區(qū)域顆粒的小尺寸和顆粒微小缺陷的存在或者兩者同時(shí)存在引起的。C-S-H顆粒非常小，即使它們是單晶的，5nm的厚度意味著這個(gè)尺寸根據(jù)基本的對(duì)應(yīng)于托鋇莫來(lái)石類結(jié)構(gòu)的層平面薄片的平面假設(shè)，僅僅對(duì)應(yīng)兩個(gè)晶胞。C-S-H顆粒實(shí)際上是納米量級(jí)的。

2/1/2023146圖7：硅灰的SEM圖

硅灰是以納米尺度摻入的，報(bào)道稱納米尺寸的硅灰增加了抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)度的增加可能是由于硅灰的細(xì)顆粒填充到孔里和硅灰和Ca(OH)2反應(yīng)的火山灰效應(yīng)產(chǎn)生的額外的C-S-H。此外，加入到混凝土的硅灰可以有效減小混凝土干縮，更加耐磨，增加和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度，降低滲透性。

2/1/2023147圖8：粉煤灰的SEM和AFM的微觀照片

通常粉煤灰顆粒尺寸是硅灰的十倍。由于硅灰的更小尺寸和更細(xì)顆粒的分布，相同摻量下，硅灰混凝土的強(qiáng)度高于粉煤灰混凝土。而硅灰的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)對(duì)于粉煤灰同樣重要。

2/1/2023148碳納米管（CNT）碳納米管（CNT）可以被看作是石墨改變的形式。石墨是由多層碳原子以六邊形結(jié)合方式形成的多層片狀結(jié)構(gòu)所組成。層與層間是弱鍵，而層內(nèi)碳原子間是強(qiáng)化學(xué)鍵相結(jié)合。單壁納米管（SWNT），好像是單層的薄片卷曲而成。而多壁納米管（MWNT），像是多層卷在一起。圖9a是單壁納米管示意圖。圖9b是多壁納米管示意圖。

2/1/2023149圖9：a）單壁碳納米管（SWNT）示意圖；

b）多壁碳納米管（MWNT）的照片

2/1/2023150當(dāng)直徑與C-S-H層厚度相近的碳納米加入到水泥里，就會(huì)有異乎尋常的現(xiàn)象發(fā)生。發(fā)現(xiàn)加入碳納米管（重量是水泥的1％）后14天的強(qiáng)度增加（圖10）。多壁納米管（MWNT）提高的強(qiáng)度比單壁納米管（SWNT）多。該現(xiàn)象可能是由于沿多壁納米管（MWNT）長(zhǎng)度方向有大量的缺陷所致。Kowald也發(fā)現(xiàn)當(dāng)向極端高性能混凝土中加入少量的多壁納米管（MWNT）強(qiáng)度就會(huì)進(jìn)一步增加。這意味著碳納米管有提高強(qiáng)度的潛力。

2/1/2023151圖10：含1％碳納米管水泥漿的14天抗壓強(qiáng)度

2/1/2023152目前，輔助膠凝材料的應(yīng)用已經(jīng)成為混凝土的第6組分，而且使用超塑化劑作為分散劑。為了控制有機(jī)外加劑在混凝土中的釋放速率，人們嘗試將有機(jī)外加劑插入層狀的雙羥化物（LDH）之中。在水泥化學(xué)中，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的水化產(chǎn)物是六邊形的層狀物。這些水化產(chǎn)物與AFm相一起，都屬于LDH族。鋁酸鈣層狀的雙羥化物（CaAlLDH）允許被插入到硝基苯酸（NBA），2,6-萘磺酸（26NS）和2－萘磺酸（2NS），得到所建議的片狀結(jié)構(gòu)，如圖11。這種研究可能為利用高聚物和層狀物合成納米復(fù)合材料開(kāi)辟一條新的路線，可能控制外加劑對(duì)水泥水化動(dòng)力學(xué)的產(chǎn)生影響。

2/1/2023153圖11：插入到硝基苯酸（NBA），2,6-萘磺酸（26NS）和2－萘磺酸（2NS）的鋁酸鈣分層雙氫氧化物（CaAlLDH）的排列

2/1/20231543、納米火山灰礦物外加劑（摻和料）現(xiàn)代高性能和超高性能水泥材料組成在納米尺度范圍內(nèi)優(yōu)化方法的發(fā)展使得材料的許多性能得到大幅改進(jìn)。由于納米級(jí)火山灰有增強(qiáng)的反應(yīng)活性和納米級(jí)原位粒子尺寸，它的加入不僅能使體系有較高的早期強(qiáng)度，而且有相對(duì)更高的最終強(qiáng)度。同時(shí)，材料的耐久性和其它行為也由于材料強(qiáng)度和密實(shí)度的增加而有所改善。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的范圍內(nèi)，將從以下兩方面闡述：（1）作為活性添加物類的火成氧化物納米級(jí)火山灰的使用，（2）納米級(jí)火山灰在先進(jìn)高性能和超高性能水泥基材料組成中所起的作用。

2/1/2023155改進(jìn)高性能、超高性能水泥混凝土材料（膠凝材料體系）的主要原則

通過(guò)調(diào)整粒徑分布提高密實(shí)性；

水泥漿體及混凝土的孔隙率小；

通過(guò)增強(qiáng)集料和基體的連接消除薄弱區(qū)域。

2/1/2023156圖1通過(guò)增加粒度級(jí)配改善材料密實(shí)性示意圖

第一種改進(jìn)方法（增加密實(shí)度）可以通過(guò)擴(kuò)大火山灰超細(xì)粉的粒子的級(jí)配和尺寸范圍來(lái)達(dá)到。超細(xì)粉的粒徑和尺寸分布比水泥顆粒要小的多。改進(jìn)原則如圖1所示?；旌象w系中礦物粒子粒徑尺寸分布的改進(jìn)提高了混凝土的整體密實(shí)性，并且減少了用水量。

2/1/2023157

活性超細(xì)粉或火山灰的使用會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生雙重影響：

1)通過(guò)物理作用使系統(tǒng)的致密性增加；

2)火山灰超細(xì)粉和氫氧化鈣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成額外C-S-H膠凝。2/1/2023158第二種改進(jìn)方法（減少漿體孔隙率）是使用高效減水劑或超塑化劑。作用：減少用水量獲得密實(shí)性，提高滲透性，降低分層離析和泌水。第三種改進(jìn)方法主要是消除集料顆粒周圍過(guò)渡區(qū)的薄弱區(qū)域。這種方法可以通過(guò)消耗水化水泥獎(jiǎng)體中的部分氫氧化鈣量形成C-S-H膠凝來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于CH強(qiáng)度較低，是結(jié)構(gòu)中最弱的組分，所以對(duì)膠凝材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。二氧化硅和氫氧化鈣之間的反應(yīng)即火山灰反應(yīng)正是為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。也就是說(shuō)，在水泥體系中需要使用各種火山灰。活性添加物通過(guò)眾所周知的火山灰反應(yīng)和氫氧化鈣或其它水化相（C-S-H）發(fā)生反應(yīng)，生成附加的或二次C-S-H膠凝，使系統(tǒng)的強(qiáng)度提高。2/1/2023159圖2硅灰的掃描電鏡圖像

硅灰的粒徑的最小尺寸在0.1μm左右。因此，擴(kuò)大粒徑尺寸分布并且使用納米尺寸范圍內(nèi)的納米級(jí)顆粒是非常必要的。通過(guò)使用尺寸限制在1～100nm范圍內(nèi)的納米添加物（納米級(jí)火山灰），體系可獲得更高更好的密實(shí)性。納米級(jí)添加物可以填充很細(xì)的空洞，或通過(guò)物理—化學(xué)的雙重作用機(jī)制減小大空洞的尺寸。它們的作用是物理填充效應(yīng)和額外C-S-H的生成。納米級(jí)添加物的使用使材料耐久性和其它各項(xiàng)性能的提高成為可能。

2/1/2023160人工合成納米火山灰材料

在各種合成的納米火山灰添加物中，火成氧化物是一類特殊物質(zhì)（圖3），具有良好的穩(wěn)定性。此外，它們的粒徑尺寸可以控制，表面可以改性。除了高純度（>99.8%SiO2）之外，火成氧化物還具有高活性，這是由于它具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)，很小的原位粒徑尺寸和較大的比表面積。工業(yè)上火成氧化物是氣相水解過(guò)程的產(chǎn)物,這種物質(zhì)比其它天然或人造的用于水泥系統(tǒng)中的火山灰有更高活性。

2/1/2023161圖3aerosil?產(chǎn)品的掃描電鏡圖像和透射電子顯微圖像

2/1/2023162圖4典型火成氧化物的X射線衍射圖

2/1/2023163圖5火成氧化物的火山灰反應(yīng)活性

火成氧化物和氫氧化鈣混合系統(tǒng)的PH值很明顯地下降，這說(shuō)明了火成氧化物比硅灰有更高的反應(yīng)活性。

2/1/2023164圖6為顯微鏡觀察到的硅酸三鈣晶粒和懸浮在水中的無(wú)定形二氧化硅粒子相互作用的發(fā)射X射線顯微圖像。作為對(duì)比，圖7為分散的惰性碳酸鈣晶粒和無(wú)定形二氧化硅粒子相互作用的發(fā)射X射線顯微圖像。

2/1/2023165圖6火成氧化物與分散硅酸三鈣反應(yīng)的發(fā)射X射線顯微圖像（TXM）（反應(yīng)開(kāi)始200分鐘后）

2/1/2023166圖7分散火成氧化物與惰性碳酸鈣反應(yīng)的發(fā)射X射線顯微圖像（TXM）

2/1/2023167圖6表明在硅酸三鈣和二氧化硅反應(yīng)大約200分鐘后，硅酸三鈣粒子很明顯被無(wú)定形C-S-H膠凝相所覆蓋，并存在繼續(xù)覆蓋的趨勢(shì)。C-S-H膠凝相的形成特征是各種不同的反應(yīng)產(chǎn)物團(tuán)聚形成密實(shí)性不均勻的云狀結(jié)構(gòu)。從水泥漿體獲得的高早期強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的其它結(jié)果來(lái)看，可以認(rèn)為火成氧化物和硅酸三鈣粒子附近的早期水化產(chǎn)物發(fā)生了火山灰反應(yīng)。PH值測(cè)試實(shí)驗(yàn)和原位TXM圖像說(shuō)明了火成氧化物具有高火山灰活性。火成氧化物的反應(yīng)活性由它的性質(zhì)所決定，如細(xì)度、表面特征及其它各項(xiàng)參數(shù)。2/1/2023168圖8和圖9為自然狀態(tài)下混凝土試樣典型斷面的掃描電鏡圖像。圖像是在溫度為20℃，相對(duì)濕度為95％，經(jīng)過(guò)7天水化反應(yīng)后觀察所得?；炷猎嚇拥呐浜媳热绫?所示。表1典型試樣的配合比（％水泥的相對(duì)質(zhì)量）普通混凝土試樣的配合比UHPC試樣的配合比波特蘭水泥

52.5RHS/NA

石英砂<2mm

水(外加)

1

2.5

0.45波特蘭水泥

52.5RHS/NA硅灰（SF）粉煤灰（SWF）干燥火成氧化物（POx）石英砂125～500μm聚羧酸乙醚（SP）水1<0.25<0.22<0.05<1.5<0.025<0.3熱處理溫度20℃熱處理溫度20℃2/1/2023169圖8普通混凝土試樣養(yǎng)護(hù)7天后的掃描電鏡圖像（w/c=0.45）

圖8為普通混凝土試樣（w/c=0.45）斷裂表面的典型掃描電鏡圖像。圖9為含微米級(jí)和納米級(jí)火山灰UHPC混凝土試樣斷裂表面的典型掃描電鏡圖像。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，普通混凝土試樣的特點(diǎn)是集料和水泥漿體之間的連接不緊密。這可以從制樣時(shí)由于集料顆粒的脫落留下的孔洞來(lái)充分證明。2/1/2023170圖9含微米級(jí)和納米級(jí)火山灰試樣養(yǎng)護(hù)7天后的掃描電鏡圖像

含納米級(jí)火山灰典型試樣的集料粒子和水泥漿體之間的連接非常緊密。斷口表面比較平整，裂紋的形成不像普通混凝土那樣集中在集料粒子附近。在這種試樣中，斷裂是穿過(guò)集料粒子發(fā)生的（穿晶斷裂）。在含納米火山灰的試樣(UHPC)中，集料和水泥漿體幾乎有著相同的強(qiáng)度。所以集料可能是限制強(qiáng)度的因素。2/1/2023171圖10普通混凝土試樣養(yǎng)護(hù)56天后的原子力顯微圖像（左）

圖11含納米級(jí)火山灰火成氧化物試樣養(yǎng)護(hù)56天后原子力顯微圖像（右）2/1/2023172納米級(jí)尺度范圍內(nèi)UHPC試樣更為細(xì)致的結(jié)構(gòu)和特征圖像可以通過(guò)原子力顯微鏡觀察到。試樣經(jīng)過(guò)仔細(xì)的拋光并養(yǎng)護(hù)56天，便得到了典型試樣的原子力顯微圖像（500nm×500nm）。相關(guān)圖像如圖10和圖11所示。含納米級(jí)火山灰的試樣（圖11）其結(jié)構(gòu)不僅均勻而且更為細(xì)致。它的納米結(jié)構(gòu)像是由比普通混凝土試樣有更小的建筑結(jié)構(gòu)單元所組成。它的結(jié)構(gòu)看上去沒(méi)有多少“缺陷”，并且相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元也處在一個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)中。通過(guò)原子力顯微鏡觀察到的試樣結(jié)構(gòu)方面的特征與用N2吸附測(cè)試氣孔率和孔尺寸分布（圖12）所得的結(jié)果是一致的[24,25]。對(duì)比混凝土水化條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果，表明相對(duì)于只含有微米級(jí)火山灰或不含火山灰的試樣，含納米級(jí)火山灰的試樣孔更細(xì)小，并且總的孔隙率也降低了。2/1/2023173圖12養(yǎng)護(hù)7天后試樣孔徑分布曲線

RPC----添加25％硅灰的活性粉末混凝土

SF――硅灰，POx--火成氧化物

2/1/2023174圖13從二元粒徑系統(tǒng)到三元粒徑系統(tǒng)試樣強(qiáng)度的增長(zhǎng)順序

RPC—添加25％硅灰的活性粉末混凝土，SF—硅灰

POx——火成氧化物

2/1/2023175圖14含微米級(jí)和納米級(jí)火山灰試樣的吸水系數(shù)

RPC―添加25％硅灰的活性粉末混凝土

SF-----硅灰，POx---火成氧化物，F(xiàn)A――粉煤灰

一些學(xué)者認(rèn)為后兩種混凝土試樣的低吸水系數(shù)是因?yàn)槠涓叨鹊拿軐?shí)性和增加了孔的扭曲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此結(jié)論?；旧纤麄儼押鸪裳趸锏脑嚇拥奈实蜌w結(jié)為該試樣更細(xì)小的孔和整體的孔隙率降低。2/1/2023176表2Lesile&Cheesman分類的脈沖速度與混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)系

脈沖速度（m/s）結(jié)構(gòu)質(zhì)量>4575優(yōu)秀3660~4575良好3050~3660一般2135~3050差<2135很差超聲波探傷法可用于混凝土的質(zhì)量控制。如表2所示。

2/1/2023177圖15

普通混凝土試樣的超聲波檢測(cè)值

2/1/2023178圖16

含硅灰－粉煤灰的UHPC試樣的超聲波檢測(cè)值

2/1/2023179圖17含硅灰－粉煤灰－火成氧化物的UHPC試樣的超聲波檢測(cè)值

2/1/2023180實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15～17所示?？梢缘贸銎胀ɑ炷猎嚇拥某暡ㄋ俣茸畲笾禐?600~3700m/s，介于“普通”和“良好”范圍之間。作為對(duì)照，而含有硅微粉和粉煤灰混合物質(zhì)（二元系統(tǒng)）的UHPC混凝土試樣，其超聲波速度最大值達(dá)到了“良好”級(jí)別，大約為4200～4300m/s。含硅微粉，粉煤灰和火成氧化物（三元系統(tǒng)）的UHPC混凝土，超聲波速度最大值超過(guò)了5500m/s，達(dá)到了“優(yōu)秀”級(jí)別。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)有力的證實(shí)了前面的結(jié)論：混凝土試樣中添加納米級(jí)火成氧化物可提高試樣的強(qiáng)度、均勻性、密實(shí)性和水化相質(zhì)量。

2/1/20231814、納米惰性摻和料（石灰石粉）

北京恒坤公司試驗(yàn)結(jié)果超細(xì)碳酸鹽巖粉配制高性能混凝土的研究，研究利用石灰石、白云石尾礦資源和生產(chǎn)機(jī)制砂中產(chǎn)生的大量石粉，對(duì)其進(jìn)行超細(xì)加工，用超細(xì)碳酸鹽巖粉改善混凝土性能。這種混凝土采用水泥、超細(xì)碳酸鹽巖粉、多種礦物摻合料構(gòu)成的多元復(fù)合膠凝材料體系，以及以高效減水劑為主的外加劑、粗、細(xì)骨料和水。研究的技術(shù)路線是，采用超細(xì)碳酸鹽巖粉改進(jìn)粉體材料的堆積效率，使混凝土單位用水量顯著降低，進(jìn)而大幅度降低水泥用量，配制出內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度更高、水化溫升小，體積穩(wěn)定性好不易開(kāi)裂的高性能的混凝土，這種混凝土不但具有優(yōu)良的性能，而且大量節(jié)約水泥，大量利用工業(yè)廢料，具有節(jié)約能源、資源，保護(hù)環(huán)境的作用。2/1/2023182技術(shù)原理提出摻加超細(xì)粉體的改進(jìn)混凝土性能的技術(shù)原理，即用超細(xì)粉體改善膠凝材料的粒度分布，提高粉體堆積效率，以便獲顯著的減水作用，從而改善了硬化后混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度。

2/1/2023183本課題所研究的超細(xì)碳酸鹽巖粉，是由碳酸鹽巖經(jīng)破碎、磨細(xì)而成。碳酸鹽巖所含主要碳酸鹽礦物為方解石和白云石；化學(xué)成分主要為CaO、MgO和CO2，其次為SiO2、TiO2、FeO、Fe2