第六章_當代混凝土存在的問題.ppt

1、現代混凝土存在的問題及對策分析,侯云芬,水泥,工 程 結 構 研 究,混凝土,甲方管理監(jiān)理,結構設計,強度,強度,強度,強度,強度,強度,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,抗化學腐蝕性下降,后期強度增長小,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,當前行業(yè)隔離現狀的實例,一、混凝土是一個復雜的整體,混凝土是用最簡單的工藝制作出的最復雜的體系。 多組分，原材料不能提煉，且品質波動大 微結構的不確知性：水泥水化形成復雜的凝膠，在目前技術水平下難以測定 性能的不確定性：微結構的形成對環(huán)境溫度、濕度的敏感性強，對時間的依賴性大。水化的不

2、斷進行造成動態(tài)的微結構。,1、 混沌理論,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，即著名的“蝴蝶效應”，意為初始條件下的微小變化可能帶動系統中長期的巨大連鎖反應，并由此衍生出混沌理論。,美國麻省理工學院說，最初提出“蝴蝶效應”并創(chuàng)立混沌理論的美國氣象學家愛德華洛倫茨2008年4月16日因癌癥在馬薩諸塞州的家中去世，享年90歲。,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報。 經典動力學認為，初始條件的微小變化，對未來狀態(tài)所造成的差別也微小。但混沌理論認為，初始條件的十分微小的變化經過不斷放大，對其未來

3、狀態(tài)會造成極其巨大的差別。 “醉了一個農夫，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！”,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)新科學寫到：“相對論排除了對絕對空間和時間的牛頓迷夢；混沌則排除了決定論可預見性的狂想?！备腥苏f：“20世紀的科學家只有三件事將被記住：相對論、量子力學和混沌”?！吧鲜兰o初人們經歷了相對論和量子力學兩次科學革命。混沌革命，卻是我們正在經歷的革命?！?2、混凝土材料的蝴蝶效應,混凝土屬于混沌體系（非線性體系），具有“蝴蝶效應”事物發(fā)展

4、的結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果的巨大差異。,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。非線性系統的非因果性導致相同的初始力，令人瞠目的結果，是所有混沌系統的基本特征。,3、神秘的能量法則,該法則是不同國度的學者們，耗時巨大的獨立研究后，最終共同發(fā)現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以萬計的城市，但人口每減半，城市數必多16倍（柏林學院數據） 地震震級每減1，發(fā)生機率增4倍；而兩次地震相隔時間每增1

5、倍，不發(fā)生機率增2.7倍； 人類歷史上每當戰(zhàn)爭規(guī)模擴大1倍，發(fā)生機率降為1/2.62；戰(zhàn)爭死亡人數每增1倍，發(fā)生次數降為1/4（英國物理學家萊斯利）,這些數字的意義仍在強烈提示人類：世界是按內在規(guī)律運行的，造物主只要求嚴格的符合一個簡單數，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，內能提高YY，建筑物的壽命減少ZZ。,二、現代混凝土的特點,1、現代混凝土是以高效減水劑和礦物摻和料的大規(guī)模使用為特征，與時代特點有關。 2、使用混凝土強度范圍很寬，從C20(極少量C1

6、5)到C80(極少）。 3、混凝土和水泥強度之間不再有線性關系。,4、嚴酷環(huán)境的工程增加，使耐久性要求日益突現。 5、以預拌混凝土、泵送混凝土為主流。拌和物的流變性能成為重要問題。 6、在水泥水化熱增大、強度提高的同時結構尺度增大，改變了大體積混凝土的概念。 7、人員素質、管理水平與質量要求的矛盾突出。,三、水泥現狀對現代混凝土的不適應問題,1、對現代混凝土的認識：,改變混凝土強度第一，甚至強度唯一的傳統觀?；炷两Y構的耐久性比強度更重要，而與混凝土結構耐久性關系最密切的就是水泥，只保證高強度的水泥并不一定利于混凝土結構耐久性。 混凝土最重要的是勻質性和體積的穩(wěn)定性。所以需要開裂敏感性低的水泥

7、。,2、現代混凝土對水泥的要求,具有低的開裂敏感性、良好的勻質性，有利于混凝土結構長期性能的發(fā)展，無損害混凝土結構耐久性的成分。最重要的是產品的勻質性，因此希望控制指標的上下限。 盡可能低的需水量。 質檢合格的水泥未必能滿足混凝土的需要，相同品種和強度的水泥可能會在混凝土中有不同的表現。,3、水泥影響混凝土結構質量的主要因素,水化熱及其釋放速率：礦物組成和細度、水化溫度 需水量：細度、含堿量 開裂敏感性：礦物組成、細度、水泥溫度、含堿量 水泥與外加劑的相容性：礦物組成、細度、石膏形態(tài)和含量、含堿量 性能穩(wěn)定性和耐久性：細度、含堿量、氯離 子含量 產品勻質性：生產控制和原材料劑產品均化,4、水泥

8、強度和混凝土強度的關系,任何水泥基材料的強度主要取決于水灰比，按現有標準的水泥強度檢驗水灰比：0.5 當前用量最大的混凝土水灰比：0.5 不僅相同強度的水泥能配出不同強度的混凝土，而且不同強度的水泥能配出相同強度的混凝土 不必盲目追求水泥的高強，32.5的水泥能配制出C60混凝土，卻配不出C20混凝土,在相同水灰比下，混凝土強度和水泥強度仍然有關，高強度水泥可用于象C80、C100這樣的高強的混凝土，但是用量很少。 高強混凝土不一定耐久；像任何事物一樣，高強混凝土也是有利也有弊。 工程對混凝土強度的要求是有限的。,外加劑與摻和料使用技術發(fā)展改變了對水泥強度和混凝土強度的關系的認識。 如何看待混

9、合材料水泥、復合水泥的強度。 礦物摻和料對混凝土強度的貢獻隨水膠比的減小而增大的幅度大于水泥對強度的貢獻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。,5、水泥的現狀對混凝土質量影響,（1）片面追求提高水泥的強度。 Bolomy公式 ：R28ARc(c/w-B)，造成誤導。 1920年代，歐美國家水泥中C3S約為35%，如今達5070%；水泥細度從220m2/kg到現今的340600m2/kg。 增加了磨機的能耗 我國1970年代水泥(GB175-63)最高標號是硬練強度500，相當于GB175-77的425、現行標準32.5的強度等級；常用水泥是400#，按現行標準只有27

10、.5。,檢測的水灰比增大，對3天強度的規(guī)定未變，實際提高了早期強度，而高早期強度并不是普適必要的。 追求高強度，使水泥廠采取使用助磨劑磨細、摻用 “增強劑”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。,（2）不控制含堿量、氯離子含量，不檢測開裂敏感性、無法提供在混凝土中與外加劑的相容性 （3）水泥出廠溫度太高，造成混凝土澆筑溫度過高，溫度應力增大，混凝土凝結時間不正常，早期開裂問題普遍 （4）針對現代混凝土，水泥中SO3含量偏低,片面追求強度而使比表面積太大、早期強度太高而長期增長率低甚至倒縮 太細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,6

11、、關于水泥過細的問題,水泥細度與其抗壓強度的關系,水泥細度與減水劑的相容性問題,細度和顆粒級配 最佳組成: 530m 90%,10m 10% ； 只考慮細度的結果：水泥越細，細顆粒越多，需水量越大，混凝土坍落度損失越大。,比表面積為3014cm2,飽和點為0.8%,坍落度不損失摻量為1.6%,水泥細度為3982cm2,飽和點為1.2%,坍落度無損失摻量為1.82%,比表面積為4445cm2,飽和點為1.6%,找不到坍落度無損失點,水泥細度對砂漿抗拉強度的影響,水泥細度和開裂敏感性的關系,用收縮開裂環(huán)檢測水泥的開裂敏感性, 從成型到開裂經過的時間越短，抗裂性越差,抗凍性隨水泥比表面積增大而下降,

12、水泥細度對水泥砂漿和混凝土開裂的影響,7、水泥主要礦物水化熱發(fā)展,8、哪些因素影響水泥的抗裂性,美國國家標準局對199種水泥進行了18年以上的調研，大量的發(fā)現是堿和細度、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率（強度）和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內在的抵抗開裂的能力。當含堿量從低于0.6%當量時，水泥的抗裂性明顯增加。,熟料礦物的收縮率,堿和C4AF對收縮的影響,水泥含堿量和C3A對收縮的影響,9、石膏摻量的影響,（1）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, 現代混凝土使用高效減水劑, W/C0.40，SO3不足； 混凝土中摻入礦

13、物摻和料，SO3被稀釋。,（2）石膏的種類生石膏和硬石膏溶解速率對比,（3）石膏對坍落度損失的影響,（4）石膏摻量對體積變化的影響,（5）石膏對強度的影響對砂漿抗壓強度的影響,對砂漿抗折強度的影響,（6）石膏摻量對摻減水劑的漿體需水量的影響,10、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的一項研究中,發(fā)現1014年強度倒縮而得出結論：混凝土性能良好和強度增長慢有關。,采用快硬水泥的混凝土10年后強度倒縮；1937年按特快硬水泥生產的水泥與現今水泥的平均水平很相似。,高鐵混凝土限制水泥細度,高速鐵路高性能混凝土開始對水泥細度進行限制，要求350m

14、2/kg。,11、摻和料和外加劑由水泥廠來加？, SPC在工廠中生產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,三、外加劑對現代混凝土的影響,以高效減水劑為主的混凝土外加劑是現代混凝土重要的物質基礎之一，是混凝土技術發(fā)揮的重要里程碑。 減水劑、泵送劑等化學外加劑的應用，對混凝土技術進步起到了革命性作用。 而革命性，通常以局部破壞性為代價。 給混凝土帶來了一些問題：與水泥的適應性問題以及對混凝土體積穩(wěn)定性的影響問題。,1、外加劑與水泥的適應性問題,主要原因在于水泥,前面已經講解過水泥的細度細、堿含量高、C3A含量高、 SO3含量低、使用硬石膏、水泥出廠

15、溫度太高都會導致與外加劑的適應性不好。,2、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混凝土耐久性和長期力學性能試驗方法（GBJ82）方法進行的。 該試驗方法對混凝土3d之內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。,但對摻減水劑的混凝土，早期收縮的影響非常顯著。從裂縫產生的時間來分析，1d之內的早期收縮增大，可能是混凝土開裂的關鍵因素。 因此目前的化學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。 大量的實驗結果表明：從初凝至24h，摻減水劑混凝土的收縮率比要大得多。,我們的化學外加劑生產和研究機構，應該象重視減水劑的減水率一樣，重視化學

16、外加劑對混凝土早期收縮（塑性收縮）和總收縮的增大作用。,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。 收縮率比為300%,1d起測的混凝土干燥收縮,經1d早期收縮測試后，繼續(xù)在（605）%、201條件下測得的結果表明， 28d時，三種減水劑的收縮率比分別為130、132和138。,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。,初凝開始的混凝土全收縮

17、,三種減水劑的收縮率比分別達到182，183和198，遠遠大于按GBJ82方法測得的結果。,坍落度相同時，減水劑對混凝土早期收縮的影響,24h時， 水泥用量為450kg/m3的混凝土，收縮率比達609%； 水泥用量為550kg/m3的混凝土，收縮率比達705%。,1天后起測的收縮曲線,收縮率比124%,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，收縮率比分別達到220%和240%。,早期抗裂試驗裝置,首條裂縫出現時間,裂縫條數,減水劑、泵送劑等化學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

18、數量。 我們不能回避這一事實，關鍵是如何從混凝土組成材料、外加劑生產用原材料、合成工藝和復配技術上加以改進。,四、骨料對混凝土性能的影響,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用。,為什么把砂石稱為骨料？,在傳統觀念中把砂石叫做骨料的原因是認為骨料作為混凝土的骨架而起強度作用，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度。純的水泥漿體硬化后收縮過大，無法用于結構，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大部分體積。,決

19、定混凝土強度的不是骨料,對混凝土的強度其決定作用的是混凝土的水灰比（水膠比），所以目前用強度很低的輕骨料（陶粒）已能配制出C50的泵送混凝土。,1、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)達國家混凝土質量的差別主要源于骨料，尤其是石子的質量。,我們應該重視骨料的品質,2、骨料的顆粒形狀,西方發(fā)達國家的石子根本不存在針、片狀顆粒的問題，而我國砂石標準中規(guī)定石子針、片狀顆粒最大的可達25%,我們希望使用較規(guī)則外形的骨料。英國BS812標準將骨料形狀分為

20、：立方體（球形）、不規(guī)則、非常不規(guī)則、扁平、細長幾類。相對而言，扁平或片狀骨料以及非常不規(guī)則的骨料粒形對HPC（高性能混凝土）是不利的。 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80% 骨料粒形不好對混凝土和易性、強度和耐久性都產生不良影響。且直接導致水泥用量增多。,3、石子的強度越高越好嗎？,對石子如果控制了風化(軟弱)顆粒、含泥(細粉)量,對強度不必要求太高,則破碎后的粒形好,等徑狀顆粒多,針片狀顆粒少,對混凝土強度影響很小。 因為相對于混凝土的強度來說,天然巖石的強度是足夠的。即使是強烈風化的低強度花崗巖,其巖石抗壓強度也達80-100MPa。,由下表的實

21、例可見,所用石子中深康風化粗粒花崗巖強度低,但粒形好,混凝土的水膠比為0.31時,拌合物施工性能好, 28d抗壓強度達71.3 MPa;烏石谷致密石灰?guī)r的強度很高,但不僅針、片狀顆粒多,多數是不夠針、片狀標準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強度為68.8MPa。,這說明混凝土性能對水膠比要比對石子強度敏感,而石子的粒形對混凝土施工性的影響則更重要。 石子對混凝土強度的影響主要是界面。當石子和混凝土彈性模量差別很大時(例如低強度混凝土使用高強度石子),在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時,二者變形不一致,會導致界面產生微裂縫,成為混凝土的薄弱環(huán)節(jié);,輕混凝土界面顯著加強,輕骨料,界面,砂漿,如果二者彈性模量差別縮小,則界面結合可得到加強。輕骨料混凝土的強度可以大大高于輕骨料的強度,主要是由于界面的作用。 采用鄂式破碎機工藝,強度越高的巖石,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?幾乎都將10mm以下的顆粒篩除。,4、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。,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46%以上,甚至達到48%以