混凝土技术的发展历程.doc

混凝土技术的发展历程北京建筑工程学院原始混凝土创造了古罗马的建筑文明 古罗马的石灰火山灰混凝土：凝结硬化缓慢，强度较低。但典型建筑经历2000多年的流水、雨雪、海水等自然因素作用至今仍然完整保存。 其性能特点在于： 低强度高耐久古代混凝土耐久性好的原因 古罗马建筑混凝土钻芯取样分析发现水化产物中主要是低钙硅比的水花硅酸钙凝胶和类浮石产物。品质好，稳定性好，强度高。 内能低是关键！ 传统水泥混凝土的时代 波特兰水泥混凝土（塑性、干硬性） 以及钢筋混凝土 它最早被世人所知是在1867年的巴黎世界博览会上。此后-1960年间大量的工业与民用建筑依靠波特兰水泥混凝土中低等级居多，耐久性行为不好。 溯本求源：较高的水灰比是关键。 外加剂带给混凝土的变化 1) 大流动性 2) 补偿收缩 3) 防冻 4) 早强高强 5) 阻锈、缓凝 但特定环境下的耐久性问题并没有解决，且带来了频繁的开裂，尤其在高强度时,采用高水泥用量,解决了强度和泵送施工的要求，但是工程病害和耐久性问题十分严重。混凝土结构耐久性问题图示混凝土结构耐久性问题图示混凝土结构耐久性问题图示混凝土耐久性进展的50年？Mehta对混凝土结构耐久性的进展提出质疑：u 尽管在认识和控制混凝土劣化的各种物理与化学现象方面有了显著的进展，然而混凝土结构却呈现更加不耐久的相反趋势。 大规模基础设施建设 大规模基础设施建设 大规模基础设施建设 大规模基础设施建设 大规模基础设施建设我国铁道与交通运输建设的大手笔截止目前，世界共有9个国家、地区运营或在建高速铁路共约9000km，其中在建线路2660km。分布如下：我国部分在（将）建高铁项目汇总钢结构的混凝土基础试设想：如果筹划论证就花了几十年，正式施工期限又长达17年之久的三峡工程使用50100年就损坏，届时又要重建，这对未来的社会经济将带来何等重大的影响？！ 当前的大型建设工程青藏铁路、高速铁路网、南水北调工程等，耐久性问题关系重大。蒲心诚教授提出的大中型永久性工程的使用年限应提高到500年，重要的工程应在1000年以上，特别重要的巨型工程应在2000年以上的设想既有技术可行性，又有社会、经济迫切性。超耐久性是我们的期望，但绝非空想！经过努力是可以实现的！ 矿物细粉的掺加与混凝土的高性能化 1) 矿物细粉的功能 密实结构 胶凝材料低内能 2) 低水胶比、低水泥用量、低单位体积用水量等技术理念得以成功实践 “外加剂使混凝土进入大流态时代,实现泵送，而粉体掺合料使泵送混凝土走向成熟” 混凝土材料满足强度、工作性和耐久性的要求，完成了一次重要的螺旋式上升。水泥的功与过 女娲未许补残天 弃置荒丘数万年 一朝寻来灵丹药 敢教世界换容颜 水泥之所以如此重要是因为它有优良的胶凝性能。四大类型矿物，可以在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在大气、水中稳定存在。是一种高能量的人造材料。经过近两百年的研究、生产与实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改造自然，从事建设的有力武器。 水泥之过 1）长期以来，重水泥研究，轻混凝土研究，错误的认为水泥的问题解决了，混凝土的问题就解决了，不认为混凝土本身是一门科学和复杂的技术。2）认为将水泥作为胶凝材料的唯一组分是混凝土的最佳选择。3）认为水泥掺加的越多，混凝土的质量越好。4）水泥带来混凝土高的早期强度，使人们产生错觉，忽略了耐久性问题。 肆无忌惮地大量使用水泥造成很严重的后果：1）没有解决混凝土的质量问题，相反混凝土的富贵病导致大量的混凝土的工程病害。2）优质的天然资源被过快地消耗，生态遭到破坏。 优质天然河砂已很少；据天津某单位的勘测表明我国能生产水泥的石灰石贮量仅为500亿吨，以其作为生产水泥的原料，按目前水泥产量，仅够生产水泥40年；CO2是主要的温室效应气体，生产1吨水泥熟料约产生近1吨CO2。 1800-2000年CO2排放量低碳混凝土技术的出路 给水泥在混凝土中重新定位，发挥其作用，克服其缺点，与矿物掺合料形成合理的胶凝材料体系是混凝土高性化过程中必须完成的观念转变。 同时应积极开发和利用高贝利特水泥、EMC水泥等新型高性能水泥，做到低热、低碱、抗侵蚀、低开裂敏感性、低天然资源消耗、低能耗、低生态破坏，推动HPC的研究和广泛应用。 混凝土高性能化的思考 高性能混凝土的定义 高性能混凝土与传统混凝土的区别 高性能混凝土的组成与结构 国内对高性能混凝土的早期定义 是高性能混凝土应该是高强度、高工作性、高耐久的，或者说高强混凝土才可能是高性能混凝土；高性能混凝土必须是流动性好的、可泵性好的混凝土，以保证施工的密实性；高性能混凝土一般要控制坍落度损失，以保证施工要求的工作度；耐久性是高性能混凝土的重要指标，但混凝土达到高强后，自然会有较高的耐久性。ACI关于HPC的定义例如，这些可选性能包括： 易于浇注压力，压力泵送时不离析； 提高长龄期力学性能； 高早期强度； 高韧性； 体积稳定性； 在恶劣环境中的长寿命。2) 定义强调了对HPC均匀性的要求，越重要、质量要求越高的工程，对HPC匀质性的要求也就应该越高。3) 定义明确表示HPC的获得不仅靠更新组分材料，还靠贯穿混凝土生产和施工全过程的体现。吴中伟、廉慧珍提出：高性能混凝土是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；它以耐久性作为设计的主要指标； 针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性；为此高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，必须掺加足够数量的矿物细粉和高效减水剂；强调高性能混凝土不一定是高强混凝土。Performance与Property 高性能混凝土的英文翻译是High Performance Concrete。Performance（性能）这个词不同于Property（性能），Property是指可以通过特定方法和仪器对混凝土材料进行测定和定量表征的性能；而Performance有成果、表演、技能的意思。 特别提示 在此处是指在特定工程、特定结构、特定施工与管理、特定环境中混凝土表现出的绩效、状态或效果。相同组成材料、配合比的混凝土可以有相同的Property，但Performance可能不同。所以ACI对高性能混凝土定义的注释中强调：高性能混凝土的特性是针对具体工程建造和环境而开发的。离开这一点谈高性能混凝土没有意义。高性能混凝土与传统混凝土的区别 由于HPC的低水胶比和掺加大量活性矿物细掺料与使用高效外加剂，尤其是前两者的复合作用，与传统的常规混凝土有着本质区别。 由于水胶比低、用水量少及水化作用不同于常规混凝土，HPC由水化引起的早期自收缩率大大超过常规混凝土，但总收缩率较低，必须十分重视初凝后即开始的早期养护。HPC中由于存在大量活性矿物掺合料，使水泥石的组分结构发生很大改变：Ca(OH)2晶体：传统水泥混凝土的水泥石中占20-25,HPC的水化结构中可以大大减少以至消除；C-S-H凝胶的钙硅比下降，低钙硅比的C-S-H凝胶品质要好得多。水化产物的形貌更细致。 当HPC水化程度只及常规混凝土60时，两者结构强度相近。从长期角度来说,HPC水化程度提高后，凝胶数量增多，强度、密实性继续提高。 孔数量与结构的不同：常规混凝土、水泥石孔分布集中在100200，凝胶孔隙率26.7；高性能混凝土、水泥石孔分布集中在20，凝胶孔隙率18.8，HPC具有很高的密实性。 骨料与水泥基材料界面有明显不同，薄弱的界面得到强化。 性能与功能上的差别是极为悬殊的，尤其体现在耐久性上的巨大差别。高性能混凝土的组成与结构(1)高性能混凝土的界面结构和性能 (2)高性能混凝土结构的模型 胶凝材料与混凝土界面 然而，绝大多数研究至今仍聚焦硬化浆体的微结构(其孔径为nm级，比掺引气外加剂剂引入的m级气孔要小3个数量级，而界面过渡区的孔径则可能还要大3个数量级，即mm级。混凝土泌水在钢筋下方形成水隙引起钢筋锈蚀(1) 高性能混凝土的界面结构和性能 高性能混凝土的界面特点主要也是由低水胶比和掺入外加剂与矿物细粉带来的： 低水胶比提高了水泥石强度和弹性模量，使水泥石和集料弹性模量的差距变小，使界面处水膜层厚度减少，晶体生长的自由空间减少； 掺入的活性矿物细粉与Ca(OH)2反应后，会增加C-S-H和AFt，减少Ca(OH)2含量，并且干扰水化物的结晶，因此水化物结晶颗粒尺寸变小，富集程度和取向程度下降，硬化后的界面孔隙率也下降。(2) 高性能混凝土结构的模型1) 孔隙率很低，基本上不存在大于100nm的大孔。2) 水化物中Ca(OH)2减少，C-S-H和AFt增多。3) 未水化颗粒多，未水化颗粒和矿物细粉等各级中心质增多（H/L增大），各中心质间的距离缩短，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架得到强化。 按T.C.Powers的观点：水泥水化产物的强度和体积稳定性都不如未水化水泥颗粒。“必须保持一定量未水化水泥颗粒满足强度的要求，并稳定体积。” 4) 界面过渡层厚度小，并且孔隙率低、Ca(OH)2数量减少，取向程度下降，水化物结晶颗粒尺寸减少，更接近于水泥石本体水化物的分布，因而得到加强。关于高性能混凝土认识的两个误区一、高流动性与高性能 混凝土拌和物的流动性从10年前普遍的7090 mm发展到现在大量预拌混凝土的180200 mm，还有的工程用自密实混凝土来浇筑。自密实混凝土减轻了振捣的工作量，推动了预拌混凝土的发展，泵送高度已可达300 m以上，并大大减少了“蜂窝”、“麻面”和“狗洞”等现象，提高了混凝土的匀质性。目前很多人以“高流动性”为“高性能混凝土”的特征。关于高性能混凝土认识的两个误区 普通混凝土需要坍落度在 160 mm 以上才适于泵送；而粉煤灰混凝土坍落度只需 80100 mm 就可以轻易地泵送。同时，由于粉煤灰的滚珠润滑效应，掺粉煤灰混凝土有较大的有效振捣半径，还易于振捣密实。看上去与普通的干硬混凝土外观相似的粉煤灰混凝土，在高频振动棒的振动作用下十分易于成型密实。关于高性能混凝土认识的两个误区 而按照普通混凝土的粘度来衡量时，就会造成不必要地增加用水量、扩大水胶比，追求大流动性，在浇筑后过度振捣，不仅影响其作用正常发挥，而且使较轻的粉煤灰易于上浮，出现人为的分层现象。关于高性能混凝土认识的两个误区 影响混凝土流动性的因素是用水量和高效减水剂，而影响相同流动性混凝土用水量的主要因素是骨料的质量。我国目前骨料质量越来越差，20多年前砂、石的空隙率一般都在43%以下，而现今北京和深圳的砂石空隙率经常在46% 以上，有时接近50%。 关于高性能混凝土认识的两个误区 由于绝大多数采石场仍使用成本低廉的颚式破碎机，材质越硬的石料，破碎后针、片状颗粒越多，粒径小于10 mm的颗粒几乎都是针片状颗粒，实际上缺少5-10 mm粒级的颗粒。同时非常不规则形状的粗骨料比例大。砂子由于资源几近枯竭，北京大部分混凝土搅拌站用的砂子是细砂加豆石，砂子含石率在25%左右。因此这几年来混凝土的用水量居高不下，一般都超过175 kg/m3，C30以下混凝土用水量更大。关于高性能混凝土认识的两个误区 因此，对混凝土大流动性的追求，导致混凝土中用水量增大、浆骨比增大。混凝土中浆骨比增大意味着收缩引起开裂的可能性加大。由于混凝土的流动性过大，易于操作，易使工人操作不规范，反而影响匀质性；且在混凝土浇筑成型后到混凝土初凝前，由于混凝土中的骨料在自重作用下缓慢下沉，水上浮。掺用过细的大掺量掺和料时易产生泌浆而造成硬化后表面起粉。 关于高性能混凝土认识的两个误区 另外。骨料在混凝土内部的下沉是不均匀的，在钢筋下面的混凝土沿钢筋下方继续下沉，钢筋上面的混凝土被钢筋支顶，使混凝土沿钢筋表面产生顺筋裂缝。 高性能混凝土在工作性方面，必须具备较强的保塑性和一定的流动度保持能力。但在流动性指标上，不必拘泥于坍落度大于180 mm 以上。 关于高性能混凝土认识的两个误区 因此，不能把流动性作为混凝土拌和物“高性能”的指标，而应当根据不同工程特点，注重拌和物的施工性能。坍落度的大小要服从于混凝土的匀质性和体积稳定性。 关于高性能混凝土认识的两个误区二、掺入掺合料与高性能 由于矿物掺合料的掺入可明显降低混凝土的孔隙率，改善其微观结构，从而保证其力学性能和耐久性能，矿物掺合料的应用已经成为配制高性能混凝土的关键技术。大量实践证明：掺用粉煤灰或其它矿物细掺料的混凝土，其长期性能得到大幅度的改善，对延长结构物的使用寿命有重要意义。 关于高性能混凝土认识的两个误区 国外很多工程，掺有大量粉煤灰，而获得强度和耐久性都十分优异的混凝土。但关键的因素是低水胶比。在低水胶比条件下，即使掺有大量粉煤灰，也可以获得强度和耐久性都十分优异的混凝土。 关于高性能混凝土认识的两个误区 在我国，许多人认为掺粉煤灰或掺其它矿物细粉的混凝土就是“高性能混凝土”。因此，在一些结构现浇的普通混凝土墙、板采用了大量的掺合料，特别是掺入大量的粉煤灰。由于这些部位混凝土的强度相对较低，混凝土的用水量较大，水胶比较大。再加上工程施工速度的不断加快，一再加速的施工进度使得浇筑后的混凝土普遍得不到充足时间的养护。 关于高性能混凝土认识的两个误区 粉煤灰28天以前基本上不参与化学反应，拌和水基本上供给水泥，使水灰比增大；早期水灰比大，造成早期孔隙率大，水胶比越大，混凝土孔隙率减小得越晚。另外，养护不足直接