现代混凝土技术与质量控制.ppt

现代混凝土技术与质量控制,裴学东北京工业大学实验学院 TEL:010-51436129,51436130E-MAIL:,一、水泥混凝土发展现状,水泥：昨天，今天和明天；混凝土技术：今天和明天混凝土化学化学外加剂；混凝土材料技术进展：普通混凝土现代混凝土高性能混凝土绿色高性能混凝土,现代混凝土,水泥0.1um-80um,水,砂子（粒经范围0.1mm-5mm）,石子5mm-40mm,化学外加剂,矿物混合材,纤维材料,设计时考虑强度等力学性能，同时注重混凝土材料的耐久性和工作性，且综合考虑经济性要求。,现代混凝土的概念,混凝土技术进展,1、强度：C20-C30-C50-C60-C80-C120,2、流动性：干硬性塑性流动性自密实,3、品种：轻骨料砼重混凝土自密实混凝土HPC 水下不离散混凝土,4、工艺：手工机械泵送免振捣免蒸养,5、性能：高工作性高力学性能高耐久性,新拌混凝土的坍落度,30年代 干硬、插捣 0 cm50年代 干硬、振捣 0-2cm70年代 塑性、高频振捣 5-12cm 80年代 泵送、流态 8-20cm90年代 泵送、自密实 10-25cm,混凝土施工,早期的浇注的混凝土.,1960,1975,.流态混凝土,水泥技术进展,从水泥生产工艺到性能无太大变化变化比较明显的是：细度越来越细收缩温度裂缝早强C3S和C3A含量提高；助磨剂使用混合材品种多原材料品质变化大生态化制备技术,二、现代工程建设对混凝土材料与技术的要求,力学性能要求，强度，弹性模量等（结构设计方面）；耐久性要求，抗冻融、碳化、碱骨料反应等（影响使用寿命）；施工技术方面的要求（工作性、凝结时间等）；对环境的影响（氨释放量、甲醛含量、放射性）；经济方面的要求；其它要求,2.1 力学性能要求,强度结构设计的承载要求，混凝土通常以28天强度作为标准。在大掺量粉煤灰混凝土中，有时也参考56天、90天强度；弹性模量预应力混凝土中、混凝土开裂控制的重要指标；,2.2 耐久性,抗冻性北方地区，特别是市政桥梁、海工、水工建筑；碳化海工、水工、南方城市、化工厂等；碱骨料反应水工、海工、重大工程等，特别是有活性骨料地区；抗渗（裂）性其它,2.3 施工性能,泵送施工工作性非泵送施工自密实性免振捣施工水下施工碾压施工喷射施工,2.4 对环境影响,氨释放量国家质检总局、国家认证认可监督管理委员会联合发布公告,从2005年8月1日起,溶剂型木器涂料、瓷质砖、混凝土防冻剂三类建材如未能获得强制性产品3C认证证书和未加施中国强制性认证标志,这三类建材产品将不得出厂、销售、进口或在其他经营活动中使用。GB18588-2001,民用建筑工程室内环境污染控制规范（GB503252001）民用建筑工程中所用的能释放氨的阻燃剂、混凝土外加剂要进行氨的释放量测定，混凝土外加剂还要进行游离甲醛含量的测定，并应符合设计要求和规范的规定。,2.5 经济性,采用粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废弃物；合理设计配合比；加强质量控制，减少波动,2.6 其它,裂缝控制水化热重混凝土电磁屏蔽,原材料选择,配合比设计,搅拌浇注,养护,脱模,散装原材料,塑性或流动性,硬化,制品,无形不定形定形制品或构件,质量过程,三、水泥与外加剂,水泥外加剂相容性 相互适应适应性A适应性B,日本著名的水泥混凝土专家内川浩博士：今年来混凝土技术的提高主要是依靠混凝土化学外加剂技术的进步取得的，其效果是几倍的；水泥对混凝土的技术进步也有贡献，但其作用不如混凝土化学外加剂的贡献大；混凝土性能主要取决于水泥的概念已经改变。,技术的发展,受早期强度发展快的利益所驱使，水泥中C3S含量越来越高、粉磨细度越来越大。,30年代以前，普通硅酸盐水泥的C3S在30%以下，美国ASTM允许22%的颗粒大于75m；自50年代开始，硅酸三钙含量超过了50%，而且基本上没有大于75的颗粒。,化学外加剂技术进展,与水泥相比，混凝土化学外加剂的发展历史较短。如果从20世纪30年代开始，则发展只有70年左右的历史；而高效减水剂从20世纪60年代开始，只有40多年的历史。但其发展速度和对产业的影响很大。,化学物质 功能 缩聚物 分散 共聚物(羧酸盐)增稠 乳液 粘结 淀粉-,纤维素-,瓜尔胶-衍生物 保水 羟基羧酸 控制凝结 生物高聚物 引气 木质素磺酸盐，腐殖酸 疏水 环氧树脂，聚氨酯 减少收缩 表面活性剂 硅树脂，硅氧烷 层状硅酸盐,混凝土外加剂,混凝土外加剂的发展历程,1885 氯化钙（专利）1925 水密性外加剂 1930 铝 粉 1932 萘磺酸甲醛缩合物 1938 引气剂 1938 早强剂与缓凝剂 1939 木质磺酸盐 1950 消泡剂 1955 冰点降低剂 1960 密胺树脂 1993 聚丙烯酸 1997 聚羧酸脂,混凝土外加剂的发展历程(1),人类尝试用有机高分子材料改善无机胶凝材料体系的性能已有相当长的历史了。当时用作改性的高分子材料包括动物血浆、蛋清、桐油、糯米汁等。古罗马：牛血、牛油、牛奶、尿等有机物掺入火山灰；中国秦代（公元前221年）：糯米汁修建长城；,混凝土外加剂的发展历程(2),宋代（公元1170年）修建和州城采用糯米-石灰材料；三国时期：曹操修建“孔雀台”用桐油；明朝：天工开物记载：1份石灰+2份黄河沙土+糯米/羊桃藤汁制造蓄水池；,混凝土外加剂的发展历程(3),1885年人们开始使用氯化钙作为硬化调节剂（陈建奎）；1895年开始有疏水剂、塑化剂（陈建奎）；1910年出现工业产品；但真正意义上的水泥混凝土外加剂是从20世纪30年代开始使用的。,混凝土外加剂的发展历程(4),20世纪30年代，在美国的北部公路上发现冻融和去冰盐破坏作用对有些路面严重，而有些路面轻些。调查发现，耐久路面在水泥粉磨过程中加入了动物脂作为助磨剂，而这种助磨剂起到了引气剂的作用。1939年公共建设工程公司 的纽约部建造了引气混凝土的马路；此后外加剂工业生产出了各种各样的引气剂；应用于几千公里有抗冻要求的公路、停车场、机场报道等工程；,混凝土外加剂的发展历程(6),1962年，日本花王碱公司的服部健一博士发明了-萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂；1964年作为商品出售；1963年，联邦德国研制出了三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物；1963年，多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物；,磺化三聚氰胺甲醛缩合物(PMS),SKW 1962,Dr.Aignesberger,N,N,N,N,H,N,H,N,H,C,H,2,C,H,2,H,2,C,S,O,3,N,a,n,O,磺化三聚氰胺甲醛树脂,PMS的生产,N,N,N,N,H,2,N,H,2,H,2,N,+,3,C,H,2,O,p,H,=,8,-,1,0,N,N,N,N,H,N,H,N,H,C,H,2,O,H,C,H,2,O,H,H,O,H,2,C,O,H,-,N,a,H,S,O,3,N,N,N,N,H,N,H,N,H,C,H,2,O,H,C,H,2,H,O,H,2,C,S,O,3,N,a,-,H,2,O,p,H,=,5,-,6,N,N,N,N,H,N,H,N,H,C,H,2,C,H,2,H,2,C,S,O,3,N,a,n,磺化三聚氰胺甲醛树脂,O,三聚氰胺,三羟甲基三聚氰胺,-萘磺酸甲醛缩合物(BNS),Kao Soap 1962,Dr.Hattori,S,O,3,N,a,n,H,2,C,-萘磺酸甲醛树脂,花王石硷,混凝土外加剂的发展历程(7),引发了混凝土技术上的第三次突破，改变了混凝土发展历程；20世纪7080年代减水剂应用技术的发展和外加剂复配技术发展；20世纪80年代末，日本出现了引气型高效减水剂（AE高效减水剂）；20世纪8090年代开始出现氨基磺酸盐高效减水剂；,混凝土外加剂的发展历程(8),20世纪90年代开始研究聚羧酸型高效减水剂，现在国外已经实现工业化生产应用；绿色混凝土外加剂/环保型混凝土外加剂的研究开发 混凝土外加剂除了必须满足施工性能外，还应该在使用过程中对环境无污染，对人体无危害；生产时能够利用化工/制药行业的废弃物，在实现材料的资源化利用过程中成为重要的一环。,高效减水剂的种类及其发展（日本，1997）,混凝土外加剂的发展历程-中国（1）,我国自70年代初期开始萘系高效减水剂合成制造与应用性能的研究，先后研制成功UNF-5,FDN系列的高效减水剂产品;工业萘和精萘之外的炼焦副产品（油萘、蒽油、氧茚）为主要原材料的高效减水剂产品,建-1高效减水剂（油萘为主要原料），AF高效减水剂（蒽油为主要原料）;,混凝土外加剂的发展历程-中国（2）,70年代后期，我国研究开发成功三聚氰胺甲醛树脂高效减水剂;用尿素代替部分三聚氰胺的产品性能不及纯三聚氰胺产品优良而未能进一步推广;80年代开始，外加剂的复配技术和应用技术研究成为本行业发展的大趋势;,混凝土外加剂的发展历程-中国（3）,20世纪90年代开始，相继研究成功了氨基磺酸盐高效减水剂，脂肪族磺酸盐高效减水剂、聚苯乙烯磺酸盐高效减水剂等;共聚羧酸系高效减水剂成为目前国内外高效减水剂研究的焦点,代表着高效减水剂今后的发展方向;萘系高效减水剂的改性工作;,高效减水剂的应用，成为混凝土技术发展里程一个重要的里程碑，应用它可以配制出流动性满足施工需要且水灰比低，因此强度很高的高强混凝土；可以自行流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性能需要和匀质性良好的高性能混凝土。,高效减水剂（超塑化剂）,高效减水剂应用,自七十年代初，德国就在路面工程中采用掺有密胺类高效减水剂的流态混凝土浇注路面板；日本则在结构混凝土里掺用萘系减水剂配制流态混凝土。在八十年代，美国在高层建筑施工中用高效减水剂配制高强混凝土浇注钢管混凝土柱，提高在水平荷载下的稳定性；一些北欧国家，如丹麦、挪威、冰岛等国则以90150MPa的高强混凝土铺筑路面和港口的道面，以大幅度改善其耐磨耗、耐盐冻的性能。因为北欧国家的冬季大雪纷飞，为行车安全起见，允许带钉轮胎的车辆上路，这种车辆的行驶使普通混凝土路面的磨耗非常快，而高强混凝土路面板的耐磨耗能力可以与花岗岩媲美。,在2000年法国召开的第六届CANMET/ACI国际超塑化剂和其它化学外加剂的国际会议上，N.Spiratos等提出“理想的高效减水剂”性能要求应该满足：减水率高、对混凝土性能副作用小等特点。具体应满足下列要求：能够应用于各种不同的潜在用户（适用范围尽量广泛）；易于生产和供应；易于计量和使用；与其他常用的各种外加剂适应性好；对应用不当（或过量使用）可能产生的问题有适当了解；实验参数在不可避免的波动时，可预测其性能；所有组成和工艺对环境影响尽量小；经济效益良好。,对今后高效减水剂的性能要求,全球外加剂销售额：约80亿欧元,四、混凝土外加剂在欧洲的最新进展,Johann Plank，博士，教授，建筑化学部主席慕尼黑技术大学，德国,超塑化剂,超塑化剂在世界范围的用量,主要用途,超塑化剂的减水率,PCE聚羧酸系高性能减水剂性能好，掺量低；坍落度损失小；分子结构可设计性不使用甲醛，无污染混凝土收缩小，减小开裂危险；外观整洁美观，适宜于建筑装饰混凝土构件；是未来高性能减水剂的发展趋势,.,.,.,.,.,.,.,.,聚羧酸盐超塑化剂分子结构,.,水中的聚羧酸盐,7 nm,20 nm,Rh 15 nm,.,.,.,.,.,.,.,.,自密实混凝土,.,聚羧酸盐 第一代,甲基丙烯酸 甲基丙烯酸甲酯型聚羧酸盐,Nippon Shokubai/NMB 1986,(日本触媒),聚羧酸盐 第二代,Nippon Oil&Fats(日本油脂),烯丙醚型聚羧酸盐,聚羧酸盐 第三代,W.R.Grace,USA(格雷斯，美国),酰胺/酰亚胺型聚羧酸盐,聚羧酸盐分子与性能,预拌混凝土,预制混凝土,最新进展 两性PCE,优点：w/c=0.15时具有塑化性能 Sarratokan作用,用于PCE的消泡剂,问题：-消泡剂从PCE溶液中分离-消泡剂的工作时间不够长(预拌混凝土中的螺旋效应),方案：-使用组合消泡剂(一种用于早期消泡，一种用于延迟消 泡)-通过化学反应将消泡剂接到PCE上,PCE=高分子表面活性剂,水泥对PCE的适应性,PCE的硫酸盐效应,小分子超塑化剂,超塑化剂在水泥表面的基本吸附模式,小分子的概念：阴离子锚定基团(价格高)非离子支链(价格便宜),锚定基团被吸附,支链不吸附,+,+,+,+,拖地型 环曲型 甩尾型,小分子超塑化剂,收缩,化学收缩,干缩,新拌混凝土,硬化混凝土,孔隙,水份蒸发,毛细张力,化学收缩和干缩,化学收缩,化学收缩和干缩,时间（天）,化学收缩 在23C覆盖薄膜养护的砂浆试件（仅有化学收缩）总收缩 将砂浆试件在23C和65%相对湿度下养护，表面未覆盖（化学收缩和干缩）,减缩剂,新戊二醇,氨甲基封端的聚乙二醇,二丙二醇单丁酯,聚丙烯醇(MW=424),丙三醇,2-甲基-2,4戊醇,使用PCE减缩,早期收缩,长期收缩,减缩,目的：外加剂需要较低的掺量(水泥重量的0.2%),趋势：同一分子中带有不同长度支链的PCE采用优化粒径、空隙和减缩剂的综合措施,趋势.,.更高效能的PCE.降低混凝土供应商的成本.提高减缩剂的性能.自养护混凝土,五、普通混凝土的微结构 及其与性能的关系,组成结构过渡层结构性能,大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒填充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充浆体填充骨料堆积体的空隙并在其表面形成润滑层，使拌合物具有满足施工需要的工作度,新拌混凝土的结构：,水泥浆,大颗粒粗骨料,小颗粒粗骨料,细骨料,颗粒的紧密堆积模型,混凝土的过渡层结构（ITZ),70年代，日本的桶口芳郎做了一个试验：将坍落度为8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地发现在粗骨料下方普遍形成水囊；混凝土硬化后抗弯拉强度明显下降。,骨料,水,外泌水,内泌水,硬化混凝土的结构 复杂而不均匀,可以看成由三相组成：1）骨料相 2）硬化水泥浆体相 3）过渡区相,宏观层次上，混凝土由粗集料镶嵌于砂浆基体中形成。稍细层次上，砂浆由砂粒镶嵌于硬化水泥浆基体中形成。微观层次上，硬化水泥浆体由无定形的C-S-H和氢氧化钙晶体及孔加上未水化的水泥颗粒及硫铝酸钙水化物晶体组成。亚微观上，C-S-H是由各种各样形状和化学成分的结晶不良的颗粒组成，具有或多或少连续的胶孔体系。界面过渡区,界面过渡区（ITZ）,未水化水泥比较少；孔隙率较高，孔的直径通常比本体浆体中的更大；C-S-H较少；存在大的、定向生长的氢氧化钙晶体；钙矾石的浓度通常较大。,界面区的典型厚度为2040m。,特点：,界面过渡区的模型,裂缝扩展的路径和方向,骨料,水泥石,骨料周围的过渡区,薄弱的过渡区相,钢筋,沉降裂缝,水囊,混凝土表面,钢纤维,双膜,氢氧化钙,水泥浆本体,多孔层,多相且不均匀，骨料与硬化水泥浆体界面存在着薄弱的过渡区，是普通混凝土微结构的特征，决定了其强度和耐久性能。因此，为了提高混凝土的性能，关键在加强过渡区和改善均匀性。,20世纪80年代，美国国家材料委员会提出：要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、塑料等。,1990年5月，在美国马里兰州Gaithers-burg 城由 NIST 和 ACI 主办了第一次关于HPC的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义。,高性能混凝土,HPC定义,高性能混凝土具备需要的性能和匀质性的混凝土。按常规靠采用传统的组分材料、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能得到这种混凝土的。这些性能，例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。高性能混凝土国际研讨会（1990）,定义,高性能混凝土满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。按惯常做法，用普通的组分材料和一般的搅拌、浇注与养护操作，未必能得到这种混凝土。美国混凝土学会技术委员会（1998）,高性能混凝土的特性，是针对一定的应用和环境所要求的。例如：,易于浇注 早期强度 渗透性 水化热 体积稳定性,可捣实、不离析长期力学性质密度 韧性在服务环境中运行寿命长久,高性能混凝土的许多特性是相互关联的，改变其中一个常牵扯到一或多个其他特性发生变化。因此，如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足，则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚。美国混凝土学会 1998,高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。吴中伟,高性能混凝土的定义,高工作度 高强度 高耐久性 可泵送的高强混凝土,高性能混凝土,高工作度,1）碾压混凝土 拌合物需要足够地干硬以支撑非常沉重的振动压实机械不致下陷而正常地行进和工作。2）滑模混凝土 拌合物需要具备适当的坍落度（25cm），使摊铺机正常地行进和工作。3）自密实混凝土 拌合物需要有足够大的流动性和粘聚性，在没有外加振捣的条件下能够成型密实。,高强度,高强混凝土：C50的混凝土。局限性：1）28d龄期；2）仅指抗压强度，应用范围窄；3）温度收缩和自生收缩大。,建议将HPC的强度下限降低到C30左右，以不损及混凝土内部结构（如孔结构、水化物结构、界面区结构等）为度，以保证其耐久性与体积稳定性。许多大体积水工建筑、基础等对强度要求不高，但对耐久性、工作性、均匀性、体积稳定性、低水化热等有很高要求，都必须采用HPC。日本明石大桥采用20MPa的HPC是很正确的。吴中伟 绿色高性能混凝土与科技创新 建筑材料学报 1998年第一期（创刊号）,高性能混凝土,六、强度水灰比水化活性关系,混凝土技术的进展,多年来混凝土技术只有少数几次重要的突破。40年代开发的引气作用是其中之一，它改变了北美混凝土技术的面貌；高效减水剂是另一次重大突破，它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来巨大的影响。.Superplasticizer:their effect on fresh and hardened concrete(1981),在保证工作度适宜的前提下，水灰比（水胶比)大幅度地降低，是高性能混凝土(或高强混凝土）与普通混凝土的主要区别所在。,1)水灰比降低,fc K1/K2w/c,1918年Abrams 提出的水灰比定则：,该定则原本是在W/C=2的前提下提出的。高效减水剂与矿物掺合料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，并能借助普通的施工设施浇注和成型密实。,强度水灰比水化活性,高水灰比条件下，水泥的水化活性（填充空隙能力）越大，即标号越高，用其配制的混凝土强度和抗渗透性（耐久性）越好。,高效减水剂与矿物掺合料的应用，使新拌混凝土可以在远低于水泥能充分水化的水灰比（水胶比）条件下配制，并能借助普通的施工设施浇注和成型密实。,低水灰比水化活性混凝土性能关系,新拌水泥浆,硬化水泥浆,“水灰比为0.22或0.23，水泥可以全部水化”的说法，只有理论意义，而没有实际意义。,水泥充分水化的最小水灰比,凝胶孔,毛细孔,凝胶,孔隙,（1970）,未水化水泥,毛细孔,水泥凝胶,体积比,水灰比,长时间放置在水中的水泥浆体水化最终生成物,体积比,未水化水泥,水泥凝胶,毛细孔,长时间密封放置的水泥浆体水化最终生成物,水灰比,只有当水灰比0.5 时，路面混凝土摊铺后不必进行湿养护，但需要及时覆盖，以免水分蒸发。ACPA（美国混凝土路面学会）,低水灰比(水胶比）条件下，水泥水化程度减小，速率减慢，但较少的生成物就可填充空隙，粘结骨料形成整体，使强度迅速增长。,2)水泥（胶凝材料）水化活性影响的变化,我国水泥生产与供应的发展,1）熟料中早强矿物C3S含量增多；2）水泥粉磨细度加大；3）助磨剂品种繁多，成分复杂；4）混合材掺量增多;,随着水灰比（水胶比）降低，水泥或其它胶凝材料需要填充的空隙减小，达到密实填充效果对胶凝材料的水化活性要求也随之降低。反之，当水泥的水化活性越高、粉磨越细，拌合时的需水量就会越大，结果是水胶比的降低（从而混凝土的强度及其它性能）受到影响。,强度水灰比水化活性,强度方程,fcu.k=A fce(C/W B),fcu.k混凝土配制强度,fce 水泥标号,C/W灰水比,A,B 系数：,有人用425#(32.5级）与525#水泥，也有人用525#与625#水泥分别配制高强混凝土，得到的结果都显示不出差异。同时，用525#水泥能配制出28d强度为125 130MPa的高强混凝土，而725#水泥反而不行。,说明：低水灰比时，水泥标号（水化活性）的与配制混凝土强度的关系发生变化。,3)温升的影响,结构物断面加大、强度设计等级提高、水泥用量增加、水化活性的提高以及散装水泥供应方式的发展，这些都使得混凝土温升加剧。,30,20,水化速率加快一倍,40,加快2.4倍,影响水泥水化的因素矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比 R(t)=f(C3S)f(fineness)f(T)f(W/C),水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较大，相对疏松，影响结构混凝土的强度和渗透性。,图3-46 硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升,水化热的影响,混凝土温度随水泥用量增加而上升,图3-47 混凝土浇注厚度对温升的影响（浇注温度20C，水泥用量400kg/m3）,混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧,图3-48 2.5 m厚混凝土中点温度的变化,Bamforth的实验（厚2.5m结构物中部的温度变化）,70%硅酸盐水泥+30%粉煤灰,100%硅酸盐水泥,25%硅酸盐水泥+75%磨细矿渣,图3-49 不同养护条件下混凝土强度发展（a）20C标准养护（b）同温度养护,硅酸盐水泥,水泥/矿渣,水泥/粉煤灰,水泥/粉煤灰,水泥/矿渣,硅酸盐水泥,龄期,长期以来沿用的以标准养护室养护的试件强度作为工程选择原材料和配合比的基准，这种方法在如今配制高性能混凝土时已经不再适用，并常造成误导，给工程，尤其是大型基础设施的建设带来损失，迫切需要引起重视和改变。,强度评价,七、强度耐久性关系,长期以来，混凝土是在高水灰比条件下拌合、浇注与水化硬化的，过渡区薄弱、强度低、抗渗透性能力差，因此耐久性，尤其是实验室快速评价试验的耐久性结果较差。从而得出强度越高、耐久性就越好的结论。上述结论近年遇到严重的挑战。,高强混凝土的耐久性,1987年美国材料顾问委员会提交的一篇报告引起了轰动：约25.3万座桥梁的混凝土桥面板，其中部分使用不到20年，就已不同程度地破坏，且每年还将新增3.5万座。,由于混凝土桥面板开裂普遍，因此转向使用高强混凝土，但是看来这无济于事：根据国家公路合作研究计划1995年检查的结果表明：10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔13米的贯穿性裂缝。,混凝土结构开裂,开裂的原因有很多，然而，其中有一个使混凝土结构在早期开裂起主导地位的原因，那就是为满足现代高速施工所采用的高早强水泥及其混凝土拌合物。,湖南某大桥,近年来，高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料。这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自身收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步开展研究。Thermal Cracking in Concrete at Early Ages.E&FN SPON 1994.,高强混凝土与早期开裂敏感性,延伸性与开裂,收缩应变大小仅是引起混凝土开裂的一方面原因，另一方面还有：弹性模量 弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；徐变 徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。.Concrete:Structures,Properties and Materials,无松弛作用时出现开裂,混凝土的抗拉强度,开裂延迟,应力,松弛后的实际应力,应力松弛,时间,收缩应变受约束时产生的弹性拉应力,图3-24 硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系（93%水化度）,硬化水泥浆体（93%水化度）的渗透性水灰比关系存在临界区域,适当的原材料组分、浇筑和养护的混凝土基本上是不透水的，应该在大部分环境条件下具有足够长的使用寿命。然而，由于环境的作用，出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，也就是对于上述劣化过程的抵抗力。现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术中控制开裂的基本道理给予足够的重视。,采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300350Kg/m3、水灰比0.450.55，制备出28d抗压强度为3540MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性能。,水灰比与渗透性,不是强度，而是混凝土的坚固性（没有裂缝）对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用。耐久性影响未来的关键问题,西直门立交桥,一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构,环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1.侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2.荷载作用（循环荷载、冲击荷载）,由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失,环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）水的渗入O2、CO2渗入酸性离子（Cl-,SO4-)渗入,A：以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀B：混凝土强度与刚度降低,开裂、剥落与整体性丧失,混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型,高性能混凝土的耐久性,与普通混凝土不同，高强混凝土与高性能混凝土（低水胶比）获得耐久性优异的技术途径，要从提高混凝土体的抗渗透性向改善抗裂性能转化。长期以来形成的原材料选择、配合比设计与生产浇注与养护的传统方式，是使它们的耐久性常常反而不如普通混凝土的重要原因。,八、高性能混凝土的配制与施工,1.原材料选择与配合比设计2.生产、浇注与养护3.质量保证匀质性,高性能混凝土,按惯常做法，用普通的组分材料和一般的搅拌、浇注与养护操作，未必能得到这种混凝土。,1.原材料选择与配合比设计,1）强调以降低混凝土水胶比，而不是原材料的高活性为选用原则；2）强调组分材料品质的匀质性、稳定性；强调不同组分之间的相容性和超叠效应，而不是单个组分的品质；3）以温度匹配养护方式评价强度发展速率为选用基准。,温度匹配养护 Temperature Match Curing,T,t,构件,试件,加热装置,骨料的选用,1）粒形、级配与空隙率2）含泥量与软弱颗粒3）线胀系数与弹性模量4）压碎强度（轻骨料）,水泥 的选用 当混凝土发生劣化时，通常是责备养护操作、所用骨料、拌合物或者质量控制，而水泥很少受责。很可能是因为同一类型的水泥，只要通过标准的检验，就认为是一样的了。然而，不同厂家生产的同类水泥，延伸性的差异可能很悬殊。The Visible and Invisible Cracking of Concrete ACI Monograph No.11.1998,A厂生产的水泥 B厂生产的水泥微膨胀、抗裂性较好 自身收缩,水泥 的选用1）和高效减水剂相容性良好（水胶比低、坍落度损失小）；2）低含碱（Na2O,K2O)、高含硫酸盐（相对于铝酸盐）且不太细的水泥（抗裂性较好）；3）温度低（散装运输带来的影响）。,评价方法,化学外加剂的选用,与水泥等胶凝材料相容性良好，是选用化学外加剂的原则,也是配制高性能混凝土的关键。在混凝土易于浇注而不离析的前提下，能获得并保持所需要的低水灰比(水胶比)，则是相容性是否良好的表征。,不能满足所需要的低水灰比（水胶比）的要求，或者虽能满足，但达不到易于浇注而不离析(泌水)的需要，都需要优化化学外加剂等原材料或调整配合比。,坍落度损失的机理,水泥中所含石膏的溶解度取决其存在形态、混凝土水灰比、温度等因素。含磺酸基团高效减水剂可以迅速和水泥中C3A反应，因此被消耗，使液相里游离的减水剂浓度降低，混凝土由于减水剂存在使坍落度增大的效果减小，甚至消失，因此表现为坍落度损失。,水泥含碱量的影响,水泥含碱量过高或过低，对高效减水剂水泥相容性都带来不利影响。这可能是因为它改变石膏的溶解度，从而影响C3A的水化所造成。,控制萘系减水剂-水泥相容性的几个关键因素,水泥可溶碱（事实上，可溶SO42-来自碱）、细度、C3A含量和石膏类型，是控制掺萘系减水剂水泥浆与混凝土流变性的关键因素。最佳可溶碱含量在0.40.6%当量Na2O。萘系减水剂在水泥颗粒上的吸附率和水泥水化速率受这些参数影响，它们控制混凝土流动度损失率。使用可溶碱含量低的水泥时，不仅当减水剂掺量不足时会较快损失坍落度，而当剂量稍高于饱和点时，又会出现严重的离析与泌水。这种水泥减水剂的搭配可以说是无技可施了。Some key cement factors that control the compatibility between naphthalene-based superplasticizers and ordinary portland cement 第六届国际化学外加剂会议补充论文集,2000,pp33 54.,从流变性的角度考虑，水泥存在一个最佳的可溶碱含量。现今一些水泥中的可溶碱含量达不到该最佳值，原因是一些水泥公司为满足某些机构规定使用低碱水泥的要求（以避免可能发生的，或通常只是想象中的碱-骨料反应），销售出去的水泥中可溶碱含量不必要地过分低。昨天与今天的水泥 明天的混凝土 C.C.R.2000/9,水泥高效减水剂相容性,润扬长江大桥的试验,润扬长江公路大桥是“中国第一桥”，设计使用寿命长达120年。为了保证大桥质量，提高大桥混凝土的耐久性，防止碱集料反应发生，应用低碱水泥。低碱水泥和高效减水剂不同程度存在坍落度损失快的突出问题。为此，中港二航局润扬大桥试验室先后采用萘系、萘系+Na2SO4、氨基磺酸盐、密胺和聚羧酸盐不同类型和不同外加剂厂家生产的高效减水剂进行了系列试验。,矿物掺合料的选用 高性能混凝土中，矿物掺合料具有如下作用：1）填充骨料的间隙及形成润滑膜；2）消纳氢氧化钙，改善过渡区（火山灰反应），同时生成具有胶凝性产物；3）对水泥的分散作用，降低水胶比，改善水泥在低水胶比下的水化环境；4）延缓初期水化速率，形成低水胶比、大水灰比的有利环境；5）降低温升，改善徐变能力，减小早期形成热裂缝的危险。,粉煤灰,粉煤灰混凝土的应用,粉煤灰的密度只有水泥的2/3，因此采用大掺量粉煤灰混凝土，同时添加高效减水剂时，可以大幅度降低水胶比，获得普通混凝土条件下无法比拟的使用效果。,磨细高炉矿渣,需要干燥后粉磨，使用成本较高；2）密度、需水量与水泥接近，需水量随粉磨细度变化小；3）随细度增大，混凝土早期强度发展加快，适用于蒸养制品；4）开始水化后呈加速，比水泥快，掺量在70%以上，才能起明显降低温升效果。,海港工程混凝土防腐蚀技术规范 交通部行业规范（2001年5月1日起执行）,在受侵蚀作用严酷环境中应采用高性能混凝土粉煤灰 掺量 2550（%）磨细矿渣 5080硅粉 510,硅粉,1）颗粒微细，借助于高效减水剂和强力搅拌作用，可以大幅度降低水胶比，从而使混凝土强度迅速发展，渗透性降低；2）火山灰反应活性高，消纳氢氧化钙能力强，改善界面效果好；3）增大拌合物粘度和混凝土自身收缩显著，对泵送性、减小离析、泌水有好处，需尽早开始湿养护，否则容易导致开裂。,配合比设计,1）先计算骨料用量，后计算胶凝材料和水用量（最大粒径与体积份数）；2）保罗米公式的适用性（水胶比与强度关系；水泥标号与强度关系）；3）工作度评价方法（坍落度局限性、振捣作用）。,搅拌,1）搅拌设备选择2）搅拌时间（均匀前提下尽量短）3）搅拌设备的维护4）实验室与现场搅拌条件的差异5）预冷拌合物（用碎冰代替部分拌合水最多75、喷液氮）,振捣密实,针对拌合物塑性粘度大、振动衰减快（有效半径小）的特点，需要加密振点、速插慢拔、避免过振、避免平拖；钢筋密集、构造复杂部位尤其建议使用自密实混凝土,北京地铁五号线工程,现浇混凝土结构早期裂缝控制技术要求（北京市轨道交通建设管理有限公司）规定了包括抗裂混凝土原材料、混凝土配合比设计、混凝土的计量、拌制、运输和浇注、混凝土拆模与养护、混凝土的品质检验和配筋要求等具体内容；混凝土裂缝的产生与混凝土材料本身、混凝土生产、现场施工及设计配筋等都有关系；,水泥要求5号线,比表面积 350 m2/kg;碱含量小于0.6；水泥的水化热（3天）不大于265KJ/kg，7天不大于300KJ/kg；水泥中不得掺加窑灰；水泥进场温度不大于60C其它性能满足国际标准要求；,抗裂防水剂5号线,对限制膨胀率提出了更高要求；水中7天，限制膨胀率3.0104，增加3天、10天、14天的测试龄期，并且水养期间满足限制膨胀率28天14天10天7天3天的规律；干空21天限制膨胀率不小于1.6 104严防受潮，运输和储存过程中受潮严禁使用；,外加剂5号线,采用的外加剂（泵送剂、缓凝减水剂）28天收缩比小于120；使用前应作适应性试验，不得出现假凝、速凝、分层、离析现象；碱含量满足北京地方规定DBJ01-61混凝土外加剂应用技术规程，单方混凝土碱含量不超过3kg；单方混凝土中氯离子含量小于0.02kg/m3；,地铁5号线混凝土参考配合比,九、混凝土开裂与失水,早期失水与混凝土开裂的敏感性混凝土失水的影响因素失水量的预测早期开裂的控制,早期是混凝土开裂危险期,混凝土浇筑初期抗拉强度最低，相应地最容易开裂。Tensile strain capacity is lowest during the first hours after casting,corresponding to the time of the highest cracking risk.(Kasai 1972),Shrinkage Components收缩种类,Autogenous:no moisture transfer,at w/c 0.42自收缩：没有水分蒸发，W/C0.42,Shrinkage Proportions收缩组成,第一天养护对长期的收缩量有重要的影响First day curing conditions have a large effect on total shrinkage magnitude.1 mm/m=1000 me,自收缩 Autogenous Shrinkage,没有水分损失，W/C0.42ccurring with no moisture transfer,with a lack of water for full hydration(w/c 0.42)与水泥自身体积减缩有关Related to chemical shrinkage of cement-inherent volume reduction 泌水会阻止自收缩量（Bleeding will inhibit）孔结构减小增大自收缩（Promoted by denser internal pore structure）低水灰比、硅灰等；lower w/c,silica fume,etc.与施工操作无关（Uninfluenced by construction practice）,早期收缩持续时间Duration of Early Age Shrinkage,早期收缩持续到混凝土凝结硬化后几小时Shrinkage continues until the concrete has developed sufficient strength to resist stresses,at approximately 2 hours after setting.,材料对早期收缩的影响（Material Selection EffectingEarly Age Shrinkage）,材料Materials Cement AggregateAdmixturesShrinkage Reducing AdmixturesSuperplasticizers,新拌混凝土性能Fresh PropertiesBleedingPore StructureStrength Development,SRAs