现代混凝土的理论要点与技术要求.ppt

现代混凝土的理论要点与技术要求,北京建筑工程学院宋少民,高性能混凝土的理论要点,1、密实堆积理论2、中心质假说3、低水胶比带来了什么？4、超细粉在混凝土中的功能和机理,1、密实堆积理论,2001年3月ACI CONCRETE INTERNATIONAL上Mehta教授宣称:百年来混凝土构造不是健康的。这一震撼性言论,点醒了近代混凝土的问题,太重视“人定胜天”，而未寻“天人合一,自然为重”的精神。,如果以骨料致密堆积为主轴，先求出最密实的粒料系统，此方法如同大地土壤的压紧法，在物理学上是愈致密则性质愈佳，这是千真万确的理论，即使由微观结构上，原子结构上也是这样的。,一旦粒料系统，包括砂、石、粉煤灰、磨细矿粉、硅灰等堆积至最大密度后，接着剩下的空间由水泥和水来填充，当然质地密实混凝土健康情况佳。水泥浆是由混凝土工作度和强度决定的，但单位体积用水量绝对限制在150kg/m3以下。原因是避免干缩量过大。这种方法是台湾科技大学黄兆龙教授提出的，被称为“黄氏致密配比法”。,需要说明的几个问题,、“黄氏致密配比法”的准则是“混凝土中的水越少越好，而水泥需要的水越多越佳。”表面看似矛盾，事实上完全完全符合混凝土结构的健康原则。混凝土中1kg的水占1m3混凝土的体积0.1%，这对混凝土受拉力应变0.003(0.3%),即会产生拉力破坏的能力而言,其实是蛮大的,因为只要水量3kg即可达0.3%,其拉力甚大,易使混凝土破坏无疑,因此水量愈少愈佳.,对水泥而言，水量愈多愈好，原因是水泥需要大于0.42(对C3S而言，对C3A则需要大于0.6)的水量才可以充分水化，况且多余水还要提供二次水化所用，才能达到膨胀填塞的目的，达到抗渗性及其他耐久性的功能。,“黄氏致密配比法”可以克服ACI配合比方法。依据ACI363“高强度混凝土”的观念，高工作性通常伴随着高拌和水量和高水泥用量的结果，将面临潜在大量变形的危机，使混凝土患上富贵病。,需要说明的几个问题,蒲心诚教授认为,矿物细粉掺和料的掺加对凝胶结构的密实性和品质的提高具有重要意义，这一点往往被忽略。,2、中心质假说介绍,把不同尺寸的分散相称为中心质，把连续相称为介质。如钢筋、集料、纤维等称为大中心质；水化产物称为介质；少量空气和水称为负中心质。,各级中心质和介质之间存在过渡层，中心质以外所存在的组成、结构和性能的变异范围都属于过渡层。,各级中心质和介质都存在相互的效应，称为“中心质效应”。例如混凝土中的集料就是大中心质，它对周围介质所产生的吸附、化合、机械咬合、粘接、稠化、强化、晶核作用、晶体取向、晶体连生等一切物理、化学、物理化学的效应均称为“大中心质效应”，效应所能达到的范围称之为“效应圈”，过渡层是效应圈的一部分。,有利的大中心质效应不仅可改善过渡层的大小和结构，而且效应圈中的大介质具有大中心质的某些性质，增加有利的效应，减少不利的效应，对改善混凝土的宏观行为能起重要的作用。,中心质假说早就提出，但不能对传统混凝土结构进行很好的解释；但对高性能混凝土的解释很有说服力，为越来越多的学者接受。,HPC按照中心质假说属次中心质的未水化水泥颗粒、粉煤灰颗粒（H粒子）属于次介质的水泥凝胶（L粒子）和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。以下三点解释很重要:从强度的角度看孔隙率一定时，H/L粒子比值越大，水泥石强度越高；但有个最佳值，超过后随其提高而下降。,在一定范围内，H/L最佳值随孔隙率下降而提高。也就是说在次中心质的尺度上，一定量的孔隙率需要一定量的次中心质以形成足够的效应圈，起到效应叠加的作用，改善次介质。,在水胶比很低的高性能混凝土中水泥石的孔隙率很低，在一定的H/L粒子比值下，强度随孔隙率的减少而提高。因此，尽管水泥的水化程度比较低，水泥石中保留了很大的H/L粒子比值，但与很低的孔隙率和良好的孔结构相配合形成微结构，可获得高强度。,3、低水胶比带来了什么？,首先，需要说明的是低水胶比并不意味着低水灰比，由于掺用了矿物细粉掺合料，胶凝材料的组分不再只有水泥，而是水泥和矿物细粉掺合料共同组成。,低水胶比带来的影响反映在：,结构密实、孔隙率低；保证了混凝土的强度，尤其是长期强度；使混凝土走出单纯依靠水泥和高水泥用量的误区，逐渐形成合理结构的胶凝材料组成；,使水化物的组成、结构和形貌发生了变化；使水泥基材料的水化进程发生很大变化；从根本上提升了混凝土耐久性。,用“水胶比”替换“水灰比”标志着混凝土技术开始从传统理念向现代理念过渡，意味着混凝土高性能的进程开始进行。,4、超细粉在混凝土中的功能和机理,填充效应流化效应增强效应耐久性效应,（1）超细粉的填充效应,图2-1 超细粉的填充效应,图2-2 粒子组合与空隙率的变化,（2）超细粉的流化效应水胶比29%，外掺萘系高效减水剂NF0.9%，测定净浆流动性,图2-3 高效减水剂固定掺量（0.9%）超细粉掺量对浆体流动性的影响,不同减水剂掺量下的净浆流动度,图2-4 双重的双电层作用水泥易于分散,图2-5 胶凝材料的分散状态,（3）超细粉的强度效应,（4）超细粉的耐久性效应,含MK（偏高岭土超细粉)15%的混凝土56d导电量，比基准混凝土明显下降，约为基准混凝土导电量一半左右。说明掺入超细粉混凝土耐久性提高。,以往在高性能混凝土研究中忽略了材料颗粒级配、粒度分布的问题，特别是粉体材料的粒度分布未引起足够的重视。这样配制的混凝土中除了部分水泥和矿物掺合料参与水化反应形成水化产物外，实际上大量的水泥和掺合料在混凝土中起到的只是填料作用，而且由于其颗粒粒度分布不合理，其填充效率低下，所形成的混凝土内部结构空隙率较大。研究表明，高性能混凝土需要微细填料！,由于水泥和某些矿物掺合料实际上不适合做这种微细填料，首先它们不适合磨到超细，原因是超高细度的水泥和矿物掺合料会引起水化反应加剧、凝结硬化过快、混凝土温升提高、显著增大混凝土收缩而引起开裂等一系列问题；其次这些材料难以粉磨到超细。因此，高性能混凝土需要具有低反应活性的易于加工的超细填料！,现代混凝土的技术要求,现代混凝土对原材料的要求,水 泥 应该明确的是由于现代混凝土使用外加剂和矿物掺合料，因此混凝土强度与水泥强度已经不存在依赖关系，32.5#水泥也可以配制C60混凝土。混凝土结构的耐久性比强度更重要，而与混凝土结构耐久性关系最密切的就是水泥，只保证高强度的水泥并不一定利于混凝土结构耐久性。第一重要的是匀质性和体积的稳定性。当代混凝土需要开裂敏感性低的水泥。,单纯追求满足强度下的高利润，使水泥厂采取使用助磨剂磨细、掺用“增强剂”，细度越来越细，矿物中C3S、C3A越来越高，增加了开裂敏感性和不利于混凝土长期性能稳定性和耐久性的成分。在加之使用硬石膏缓凝、胶凝材料中SO3含量偏低，水泥供不应求造成的生产混凝土时水泥温度过高等因素使水泥与外加剂相容性不好，硬化性能也受到影响。,结构混凝土性能技术规范对水泥的要求,一般情况下，硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥比表面积350m2/kg，其他通用硅酸盐水泥80m方孔筛筛余10.0%，并且2%；对水泥中碱含量的限制：对持续接触水的构件，当所用骨料具有碱活性时，如不掺用矿物掺和料，硅酸盐水泥碱含量应0.60%，并0.3%；,结构混凝土性能技术规范对水泥的要求,5.2.2.3 拌制混凝土时的水泥温度65；对水泥匀质性的要求：为了保证水泥的稳定性，水泥强度值应满足以下要求：fc，28=fc,k+3S+2.45（MPa）式中fc，28水泥28d强度 fc,k 水泥强度标准值 S 标准差限值。出厂前一个月内的标准差 S1.5MPa；,结构混凝土性能技术规范对水泥的要求,水泥应按不同的品种、强度等级分别存储于专用的仓罐。如发现有结块现象或试配混凝土时原配合比明显不适用，则应对其质量进行复验，并按复验的结果使用。水泥强度比出厂强度下降10%，即视为储存过期。,现代混凝土对原材料的要求,骨 料 混凝土原材料品质无法保证混凝土质量，我国砂石存在的含泥量过高、无级配可言、粒形差，砂含石量高等问题严重。如果不能用足够包裹骨料的最少量的浆体和最大量的骨料组成具有工程所需要的良好施工性能的拌和物，是不可能得到耐久的混凝土的。我国混凝土质量比西方国家的差，主要原因在于骨料的质量；,现代混凝土对原材料对骨料的要求,骨料质量首先不是强度，重要的是使用级配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的拌和物。已故我国老专家蔡正咏在上世纪80年代初就说过：我国混凝土质量不如西方国家的，原因就是石子质量太差。但是那时我国石子随机取样的空隙率一般都在40-42%，而理想粒形和级配的石子孔隙是36-38%。现在，我国市售石子空隙率已达45%以上，甚至超过50%！这就使我国混凝土的水泥用量和用水量比西方国家混凝土水泥用量和用水量约多用20%。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,5.6.1.1 细骨料应选用满足国家现行标准要求、质地均匀坚固、吸水率低(一般2，用于冻融环境时1)、空隙率小（松堆空隙率45%）、洁净的天然砂（含泥量1），也可选用机械化生产的人工砂，在有盐冻的环境，石灰石粉含量应3%；使用山砂时须经过专门论证，宜保证混凝土浆骨比不超过限值；不得使用未经脱盐淡化处理的海砂。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,砂的含石量（公称粒径510mm）应10%5.6.1.4 当采用人工砂或混合砂配制混凝土时，人工砂及混合砂的压碎指标值应25%；经亚甲蓝试验判定后，人工砂及混合砂的石粉含量应符合国家现行标准的规定。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,5.6.1.5 应要求砂石供应商供应水洗的骨料；为了稳定混凝土试配时砂石料的含水量和温度，砂石料进场后应储存于封闭的料仓内，至少应为半封闭（避雨、遮阳）。粗骨料质量应满足现行国家标准的规定。石子吸水率一般应2%，用于干湿交替或冻融循环下的混凝土时，应1%。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,粗骨料最大公称粒径应不超过结构钢筋混凝土保护层厚度的34（在严重腐蚀环境条件下不宜超过混凝土保护层厚度的12），且不得超过钢筋最小间距的34。配制强度等级C50及以上混凝土时，粗骨料最大公称粒径不应大于25mm。（泵送混凝土用的粗骨料最大粒径还应符合泵送混凝土规程的规定），不同构件、钢筋保护层厚度不同时可按混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476-2008附录B3的规定。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,应充分重视骨料的级配和粒形，采用粒形好的单粒级石子，两级配或三级配分别投料。级配后粗骨料的松堆空隙率应42%。泵送混凝土用粗骨料中的针、片状含量应7%，压碎指标10%。当使用自密实混凝土或用于重要工程(设计使用年限100年)时，针、片状颗粒含量宜5%。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,5.6.2.4 配制坍落度低于100mm的混凝土时，碎石或卵碎石的压碎指标应符合混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476-2008附录B3的规定。配制低流动性的塑性混凝土或低塑性混凝土时，岩石抗压强度宜大于混凝土配制强度的1.2倍，或碎石压碎指标10；当配制泵送混凝土时，对普通石子可不要求强度。,骨料弹性模量对混凝土弹性模量与界面的影响,骨料的弹性模量相差很大，花岗岩、暗色岩、玄武岩的弹性模量在70-140GPa之间；砂岩、石灰石岩和砾石的弹性模量在21-49GPa之间；轻骨料的弹性模量在14-21GPa之间；水泥基体的弹性模量在7-28GPa之间。粗骨料的弹性模量越高、用量越大，混凝土的弹性模量就越高，这主要体现在高强混凝土中。在中低等强度混凝土中使用高弹性模量石子对界面不利。,结构混凝土性能技术规范对骨料的要求,对处于环境温度低于15并持续接触水的环境和有冻融循环作用的氯盐、除冰盐或海水环境中的混凝土，要限制石灰石粉的含量；使用石灰石质的骨料时，需进行抗冻性实验。,混凝土的渗透性,在理论上，在水泥浆里掺用低渗透性的骨料颗粒会降低体系（尤其是当水泥浆的水灰比大、龄期短，毛细孔孔隙率大）的渗透性，因为骨料颗粒会切断水泥浆基体内的流动通道。与水泥净浆相比，水灰比和成熟度相同的砂浆或混凝土渗透系数应该比较小。但实际上试验数据表明并非如此。水泥浆或砂浆里掺入骨料增大了渗透性。事实上，骨料的粒径越大，渗透系数越大。,骨料的渗透系数与相对应水化水泥浆体的渗透系数,摘自P.K.Mehta.Concrete:Structures,Properties and Materials.,混凝土矿物掺合料的相关知识,生产混凝土时掺入的活性和非活性矿物质细粉材料，如粉煤灰、沸石岩粉和硅灰等具有火山灰活性或磨细矿渣等具有潜在水硬性的矿物材料，以及石灰石粉、石英砂粉等。,低碱水化硅酸钙的特点,矿物细粉掺和料中的活性SiO2和水泥水化生成的游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生火山灰反应，生成低碱性水化硅酸钙。1、低碱水化硅酸钙的强度比高碱水化硅酸钙高得多 低碱水化硅酸钙的硅氧链的聚合程度要高得多 低碱水化硅酸钙的晶体尺寸小，晶体尺寸愈小，结晶的完整性愈好，其中的位错、孔隙、裂缝等缺陷愈少 比表面积大，其晶体连生体具有极多的接触点,低碱水化硅酸钙的特点,2、低碱性水化硅酸钙的稳定性也高于高碱性的水化硅酸钙3、矿物细粉掺和料的掺入在生成低碱性水化硅酸钙，使胶凝物质数量大幅度提高，游离石灰数量减少。,矿物细粉掺和料的填充效应,矿物细粉掺合料有效减少集料空隙率，这一点人们早已充分认识，但人们忽视了混凝土材料中胶凝材料（水泥+矿物细粉掺合料）的颗粒级配问题。通常水泥的平均粒径为20-30m，小于10m的粒子不足，因此水泥之间填充性不好。加入级粉煤灰、磨细矿粉、硅灰可以不同程度地明显降低胶凝材料粒子的空隙率，提高水化凝胶体结构的特性。这对混凝土性能的影响很大。,矿物细粉掺和料的耐久性改善效应,由于和游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生二次水化，生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱性水化硅酸钙，改善了水化胶凝物质的组成，并减少或消除了游离石灰，对提高混凝土耐久性作用极大。1、抗硫酸盐侵蚀性能显著提高，因为在水泥石中缺乏或不存在游离石灰时形成具有膨胀作用的钙矾石反应不能进行；,2、在有碱集料反应产生的条件下由于矿物细粉掺合料的掺加在混凝土水化产物中形成大量低碱水化硅酸钙，它们能吸收和固定大量的钠、钾离子从而使混凝土中的有效碱含量大大减少，极大地减少了碱集料反应的危害性。3、矿物细粉掺合料的掺加它们填充集料和水泥颗粒的孔隙，使混凝土结构和界面更为致密，阻断了可能形成的渗透通路，使混凝土抗渗性大为提高。,4、在低水胶比情况下，掺加矿物细粉掺合料，混凝土中的可冻水很缺乏，抗冻性大幅度提高，当然高抗冻性与与低水胶比直接相关，但也与掺加矿物细粉掺合料密不可分。例如，水科院李金玉等人研究同为0.26的水胶比，不掺加矿物细粉掺合料的C60混凝土其抗冻融循环只达到F250，而掺加矿物细粉掺合料的混凝土抗冻融循环可达F1000以上。,5、对于碳化和钢筋锈蚀的担忧。掺加矿物细粉掺合料的可能带来的负面影响是混凝土的碱度降低，抗碳化能力减弱，引起保护钢筋的能力减弱。但是在低水胶比下，混凝土的碱度下降并不十分急剧。蒲心诚等人对大掺量粉煤灰水泥的碱度研究表明粉煤灰掺量从0提高至70%时PH值仅由12.6下降至12.06，说明粉煤灰掺加70%时，水泥胶砂的PH值仍然高于12，高于配筋结构允许的最低碱度11.5。,除此之外，掺加矿物细粉掺合料，在低水胶比时密实性很高，水分甚至氧和二氧化碳都难以进入，这同样增大了混凝土的护筋性。,总之，现代混凝土科学中最突出的两大成就：其一是高效外加剂的生产和应用；其二是矿物细粉掺合料的的研究、应用与发展。后者的重要意义远远超过了以前仅仅为节约水泥的经济意义和利用废弃资源的环保意义。它涉及到全面提高混凝土的各项性能，使混凝土寿命提高到5001000年成为可能。,结构混凝土性能技术规范对掺合料的要求,5.3.1 矿物掺和料应选用品质稳定的产品。矿物掺和料的品种宜为低钙、低烧失量的粉煤灰、粒化高炉矿渣粉或硅灰，亦可使用沸石岩粉、天然火山灰、石灰石粉。用于混凝土的粉煤灰质量指标主要是烧失量。不同强度等级的混凝土可对粉煤灰需水量比有不同要求。粉煤灰烧失量不宜大于6，配制引气混凝土，应采用烧失量更低的粉煤灰。,结构混凝土性能技术规范对掺合料的要求,5.3.3 环境温度低于15并持续接触含硫酸盐的水，或者因某种原因混凝土中有残留SO3时，不宜掺用石灰石粉；有冻融循环作用的氯盐、除冰盐或海水环境中的混凝土，不得使用含石灰石的矿物掺和料（包括掺石灰石的普通水泥、PII水泥和粒化高炉矿渣粉）。,结构混凝土性能技术规范对掺合料的要求,对于有降低混凝土温升及提高抗裂性要求的混凝土，矿渣粉比表面积不宜大于420m2/kg，并宜与粉煤灰以小于11的比例复掺使用。或者掺量超过70%。,现代混凝土配合比设计的原则与注意事项,按混凝土技术要求选择原材料和配合比各参数。按最小浆骨体积比(即最小用水量或胶凝材料总量)原则，尽量减小浆骨体积比。混凝土配合比应采用绝对体积法计算，骨料应采取饱和面干的表观密度计算。计算砂、石松堆空隙率时，应使用饱和面干状态的表观密度和松堆密度。饱和面干状态的界定见JGJ52-92普通混凝土用砂质量标准及检验方法中测定砂、石吸水率方法的规定。,现代混凝土配合比设计的原则与注意事项,分别按绝对体积法用浆体体积计算胶凝材料总量和用水量；用骨料体积计算砂、石用量。调整水胶比时，保持浆体体积不变。,配合比设计的原则与注意事项,采用低水胶比和加入矿物掺合料是提高混凝土密实性的基本途径，也是高性能混凝土实现高耐久性目标的关键。较低的水泥用量和用水量，以及加入矿物掺合料也是避免出现有害裂缝的主要手段。高性能混凝土的耐久性还必须有非同一般的养护措施来保证。,配合比设计的原则与注意事项,低水胶比对现代混凝土很重要，依靠高效减水剂和优质矿物细粉掺合料实现混凝土的低水胶比。不能过分地提高胶凝材料的用量。胶凝材料过多，不仅成本高，混凝土的体积稳定性也差，同时，对获得高的强度意义不大。应该通过合理调整粗细骨料用量及砂率控制空隙率，实现较低水胶比下的良好和易性。,配合比设计的原则与注意事项,GB/T50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范条款,配合比设计的原则与注意事项,GB/T50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范条款环境类别与作用等级,B.1 配筋混凝土的胶凝材料中，矿物掺和料用量占胶凝材料总量的比值应符合下表规定。,3.4.3 结构构件的混凝土强度等级应同时满足构件承载能力和耐久性的设计要求。,结构混凝土性能技术规范 6.2,表6.2不同等级混凝土最大浆骨比和用水量,混凝土配合比四要素的选择,1)水胶比 对有耐久性要求的混凝土，按照结构设计和施工给出混凝土技术要求中的最低强度等级，按保证率95%确定配制强度；以最大水胶比作为初步选水胶比，再依次减小0.050.1百分点取35个水胶比试配，得出水胶比和强度的直线关系，找出上述配制强度所需要的水胶比，进行再次试配。或按无掺和料的普通混凝土强度-水灰比关系选择一个基准水灰比，掺入粉煤灰后再按等浆骨比调整水胶比。一般，有耐久性要求的中等强度等级混凝土，掺用粉煤灰超过30%时（包括水泥中已含的混合材料），水胶比宜不超过0.44。,2)浆骨(体积)比 在水胶比一定的情况下的用水量或胶凝材料总量，或骨料总体积用量即反映浆骨比。对于泵送混凝土，可按表7-3选择，或按GB/T 50746-2008混凝土结构耐久性设计规范对最小和最大胶凝材料的限定范围，由试配拌和物工作性确定，取尽量小的浆骨比值。水胶比一定时，浆骨比小的，强度会稍低、弹性模量会稍高、体积稳定性好、开裂风险低，反之则相反。,3)砂石比 通常在配合比中的砂石比，以一定浆骨比（或骨料总量）下的砂率表示。对级配良好的石子，砂石的选择以石子松堆空隙率与砂的松堆空隙率乘积为0.160.2为宜。一般，泵送混凝土砂率不宜小于36%，并不宜大于45%。为此应充分重视石子的级配，以不同粒径的两级配或三级配后松堆空隙率不大于42%为宜。石子松堆空隙率越小，砂石比可越小。在水胶比和浆骨比一定的条件下，砂石比的变动主要可影响施工性和变形性质，对硬化后的强度也会有所影响（在一定范围内，砂率小的，强度稍低，弹性模量稍大，开裂敏感性较低，拌和物粘聚性稍差，反之则相反）。,4)矿物掺和料掺量 矿物掺和料的掺量应视工程性质、环境和施工条件而选择。对于完全处于地下和水下的工程，尤其是大体积混凝土如基础底板、咬合桩或连续浇注的地下连续墙、海水中的桥梁桩基、海底隧道底板或有表面处理的侧墙以及常年处于干燥环境（相对湿度40%以下）的构件等，当没有立即冻融作用时，矿物掺和料可以用到最大掺量（矿物掺和料占胶凝材料总量的最大掺量粉煤灰为50%，磨细矿渣为75%）；,一年中环境相对湿度变化较大(冷天处在相对湿度为50%左右、夏季相对湿度70%以上）无化学腐蚀和冻融循环一般环境中的构，对断面小、保护层厚度小、强度等级低的构件（如厚度只有1015cm）的楼板)，当水胶比较大时（如大于0.5），粉煤灰掺量不宜大于20%，矿渣掺量不宜大于30%（均包括水泥中已含的混合材料）。,不同环境下矿物掺和料的掺量选择见GB/T 50746-2008混凝土结构耐久性设计规范附录B和条文说明附录B。如果采取延长湿养护时间或其他增强钢筋的混凝土保护层密实度措施，则可超过以上限制。,