第六章-当代混凝土存在的问题PPT课件

1 当代混凝土存在的问题 宋少民 2 混凝土是一个复杂的整体 混凝土是用最简单的工艺制作的最复杂的体系 多组分 原材料不能提炼 且品质波动大微结构的形成对环境和时间的依赖性 对温度 湿度的敏感性 水化不断进行造成动态的微结构 因此造成性能的不确定性微结构的不确知性 水泥水化形成复杂的凝胶 在目前技术水平下难以测定 3 洛伦茨于1963年提出 一只南美热带雨林中的蝴蝶扇扇翅膀 可能引起美国得克萨斯州一场龙卷风 即著名的 蝴蝶效应 意为初始条件下的微小变化可能带动系统中长期的巨大连锁反应 并由此衍生出混沌理论 美国麻省理工学院说 最初提出 蝴蝶效应 并创立混沌理论的美国气象学家爱德华 洛伦茨2008年4月16日因癌症在马萨诸塞州的家中去世 享年90岁 4 一次洛伦兹将5 06127输入为5 06 万分之一的省略 提供了两份截然不同的天气预报 经典动力学认为 初始条件的微小变化 对未来状态所造成的差别也微小 但混沌理论认为 初始条件的十分微小的变化经过不断放大 对其未来状态会造成极其巨大的差别 醉了一个农夫 丢了一颗铁钉 丢了一颗铁钉 少安一付马掌 少了一付马掌 跛了一匹战马 跛了一匹战马 摔坏一位将军 死了一个将军 输了一场战争 输了一场战争 亡了一个国家 5 混沌理论要点之一 对初始条件的极端敏感依赖性布莱克在 混沌开创新科学 写到 相对论排除了对绝对空间和时间的牛顿迷梦 混沌则排除了决定论可预见性的狂想 更有人说 20世纪的科学家只有三件事将被记住 相对论 量子力学和混沌 上世纪初人们经历了相对论和量子力学两次科学革命 混沌革命 却是我们正在经历的革命 6 混凝土材料的蝴蝶效应 混凝土属于混沌体系 非线性体系 具有 蝴蝶效应 事物发展的结果对初始条件具有极为敏感的依赖性 初始条件极小的偏差将会引起结果的巨大差异 7 非线性的混凝土世界 绝不要忘记 像人类世界一样 混凝土世界是非线性的 而且在非线性里还有着不连续性 非线性系统的非因果性导致相同的初始力 令人瞠目的结果 是所有混沌系统的基本特征 8 神秘的能量法则 该法则是不同国度的学者们 耗时巨大的独立研究后 最终共同发现的一项新的重要自然法则 已被证实是一个适用于上千种的模板的 普遍存在于万事万物的法则 举例简述 人类在不同的地区依不同的人口理论建造了数以万计的城市 但人口每减半 城市数必多16倍 柏林学院数据 地震震级每减1 发生机率增4倍 而两次地震相隔时间每增1倍 不发生机率增2 7倍 人类历史上每当战争规模扩大1倍 发生机率降为1 2 62 战争死亡人数每增倍 发生次数降为1 4 英国物理学家莱斯利 9 这些数字的意义仍然在于强烈提示人类 世界是按内在规律运行的 造物主只要求严格的符合一个简单数 其它的秘密 人们再也无从知晓 神秘的大自然面前 人类正如一个围棋新手 仅知游戏规则是分黑白两色 其它更多的 尚未入门 是不是会有这样的推演 如果混凝土中水泥用量每增加XX 内能提高YY 建筑物的寿命减少ZZ 10 当代混凝土的特点 当代混凝土是以高效减水剂大规模使用和矿物掺和料的使用为特征 与时代特点有关 使用混凝土强度范围很宽 从C20 极少量C15 到C80 极少 混凝土和水泥强度之间不再有线性关系 11 当代混凝土的特点 严酷环境的工程增加 使耐久性要求日益突现以预拌混凝土 泵送为主流 拌和料的流变性能成为重要问题在水泥水化热增大 强度提高的同时结构尺度增大 改变了大体积混凝土的概念人员素质 管理水平与质量要求的矛盾 12 一 水泥现状对当代混凝土的不适应问题 13 水泥什么品质对混凝土最重要 应当改变强度第一 甚至强度维一的传统观 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 14 水泥强度和混凝土强度的关系 任何水泥基材料的强度主要取决于水灰比 按现有标准的水泥强度检验水灰比 0 5当前用量最大的混凝土水灰比 0 5不仅相同强度的水泥能配出不同强度的混凝土 而且不同强度的水泥能配出相同强度的混凝土不必盲目追求水泥的高强 32 5的水泥能配制出C60混凝土 却配不出C20混凝土 15 在相同水灰比下 混凝土强度和水泥强度仍然有关 高强度水泥可用于象C80 C100这样的高强的混凝土 但是用量很少 高强混凝土不一定耐久 像任何事物一样 高强混凝土也是有利也有弊 工程对混凝土强度的要求是有限的 16 外加剂与掺和料使用技术发展改变了对水泥强度和混凝土强度的关系的认识 如何看待混合材料水泥 复合水泥的强度 矿物掺和料对混凝土强度的贡献随水胶比的减小而增大的幅度大于水泥对强度的贡献随水灰比减小而增大的幅度 因此掺用掺和料的混凝土必须降低水胶比 17 水泥的现状对混凝土质量影响 几十年来水泥工业的发展方向主要是降低能耗和提高强度 但如今却在增加粉磨的能耗 Bolomy公式 R28 ARc c w B 造成误导 1920年代 欧美国家水泥中C3S约为35 如今达50 70 水泥细度从220m2 kg到现今的340 600m2 kg 我国1970年代水泥 GB175 63 最高标号是硬练强度500 相当于GB175 77的425 现行标准32 5的强度等级 常用水泥是400 按现行标准只有27 5 18 检测的水灰比增大 对3天强度的规定未变 实际提高了早期强度 而高早期强度并不是普适必要的 单纯追求强度 使水泥厂采取使用助磨剂磨细 掺用 增强剂 等 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 19 7天开裂14天开裂两个大厂的52 5硅酸盐水泥 w c 0 3成型温度18 24h后拆模并在室外负温下放置 20 当代混凝土对水泥的要求 具有低的开裂敏感性 良好的匀质性 有利于混凝土结构长期性能的发展 无损害混凝土结构耐久性的成分 尽可能低的需水量 质检合格的水泥未必能满足混凝土的需要 相同品种和强度的水泥可能会在混凝土中有不同的表现 最重要的是产品的匀质性 因此希望控制指标的上下限 21 片面追求强度而使比表面积太大 早期强度太高而长期增长率低甚至倒缩太细的水泥降低与外加剂的相容性 增加混凝土需水量 不利于混凝土长期性能的发展 关于水泥过细的问题 22 水泥细度与其抗压强度的关系 23 水泥细度与减水剂的相容性问题 细度和颗粒级配最佳组成 5 30 m 90 10 m 10 只考虑细度的结果 水泥越细 细颗粒越多 需水量越大 混凝土坍落度损失越大 24 比表面积为3014cm2 饱和点为0 8 坍落度不损失掺量为1 6 25 水泥细度为3982cm2 饱和点为1 2 坍落度无损失掺量为1 82 26 比表面积为4445cm2 饱和点为1 6 找不到坍落度无损失点 27 水泥细度对砂浆抗拉强度的影响 28 水泥细度和开裂敏感性的关系 用收缩开裂环检测水泥的开裂敏感性 从成型到开裂经过的时间越短 抗裂性越差 29 抗冻性随水泥比表面积增大而下降 30 水泥细度对水泥砂浆和混凝土开裂的影响 31 不控制含碱量 氯离子含量 不检测开裂敏感性 无法提供在当代混凝土中与外加剂的相容性水泥出厂温度太高 造成混凝土浇筑温度过高 温度应力增大 混凝土凝结时间不正常 早期开裂问题普遍针对现代混凝土 水泥SO3含量偏低 32 水泥影响混凝土结构质量的主要因素 水化热及其释放速率 矿物组成和细度 水泥温度需水量 细度 含碱量开裂敏感性 矿物组成 细度 水泥温度 含碱量水泥与外加剂的相容性 矿物组成 细度 石膏形态和含量 含碱量性能稳定性和耐久性 细度 含碱量 氯离子含量产品匀质性 生产控制和原材料剂产品均化 33 水泥主要矿物水化热发展 34 熟料矿物的收缩率 35 碱和C4AF对收缩的影响 36 水泥含碱量和C3A对收缩的影响 37 C3A含量和SO3的匹配 C3A含量和SO3的匹配一般水泥中石膏的优化条件 W C 0 5 现代混凝土使用高效减水剂 W C 0 40 SO3不足 混凝土中掺入矿物掺和料 SO3被稀释 38 生石膏和硬石膏溶解速率对比 39 石膏对坍落度损失的影响 40 SO3对砂浆变形性能的影响 41 SO3对砂浆抗压强度的影响 42 SO3对砂浆抗折强度的影响 43 石膏掺量对掺减水剂的浆体需水量的影响 44 什么是好的水泥 Lemish和Elwell1996年在对依阿华州劣化的公路路面钻芯取样的一项研究中 也发现10 14年强度倒缩而得出结论 混凝土性能良好和强度增长慢有关 采用快硬水泥的混凝土10年后强度倒缩 1937年按特快硬水泥生产的水泥与现今水泥的平均水平很相似 45 高铁混凝土限制水泥细度 高速铁路高性能混凝土开始对水泥细度进行限制 要求 350m2 kg 46 掺和料和外加剂由水泥厂来加 SPC在工厂中生产水泥时加入超塑化剂 SpAD在使用水泥加水前先加入超塑化剂 AD将超塑化剂溶于拌和水中 47 哪些因素影响水泥的抗裂性 美国国家标准局对199种水泥进行了18年以上的调研 大量的发现是碱和细度 C3A和C4AF的因素一起极大地影响水泥的抗裂性 即使水泥有相同水化率 强度 和相同的自由收缩 显然低碱水泥有内在的抵抗开裂的能力 当含碱量从低于0 6 当量时 水泥的抗裂性明显增加 48 水泥 工程结构研究 混凝土 甲方管理监理 结构设计 强度 强度 强度 强度 强度 强度 提高比表面积 增加C3A C3S 流变性能下降 收缩增加 水化热增大 抗化学腐蚀性下降 后期强度增长小 骨料 级配变差 针片状颗粒增多 混凝土流变性能下降 混凝土耐久性下降 当前行业隔离现状的实例 49 二 外加剂对当代混凝土的影响 以高效减水剂为主的混凝土外加剂是现代混凝土重要的物质基础之一 是混凝土技术发挥的重要里程碑 同时 也给混凝土带来了一些问题主要是与水泥的适应性问题以及对混凝土体积稳定性的影响 50 外加剂与水泥的适应性问题 主要原因在于水泥 前面已经讲解过水泥的细度细 碱含量高 C3A含量高 SO3含量 使用硬石膏 水泥出厂温度太高都会导致与外加剂的适应性不好 51 减水剂对混凝土体积稳定性的影响 我国混凝土收缩试验是根据 混凝土耐久性和长期力学性能试验方法 GBJ82 方法进行的 该试验方法对混凝土3d之内的早期收缩无法反映 对不掺外加剂的普通混凝土而言 影响不大 52 减水剂对混凝土体积稳定性的影响 但对掺减水剂的混凝土 早期收缩的影响非常显著 从裂缝产生的时间来分析 1d之内的早期收缩增大 可能是混凝土开裂的关键因素 因此目前的化学外加剂收缩率比试验方法 并没有完全反映减水剂对混凝土收缩的影响程度 大量的实验结果表明 从初凝至24h 掺减水剂混凝土的收缩率比要大得多 53 减水剂对混凝土体积稳定性的影响 减水剂 泵送剂等化学外加剂的应用 对混凝土技术进步起到了革命性作用 而革命性 通常以局部破坏性为代价 54 减水剂对混凝土体积稳定性的影响 我们的化学外加剂生产和研究机构 应该象重视减水剂的减水率一样 重视化学外加剂对混凝土早期收缩 塑性收缩 和总收缩的增大作用 55 减水剂对混凝土体积稳定性的影响 不掺减水剂混凝土的早期收缩值小于70 10 6m m 掺减水剂混凝土的早期收缩均大于200 10 6m m 收缩率比为300 56 1d起测的混凝土干燥收缩 经1d早期收缩测试后 继续在 60 5 20 1 条件下测得的结果表明 28d时 三种减水剂的收缩率比分别为130 132 和138 57 参照GBJ82测得的干燥收缩 脂肪族系 萘系 胺基磺酸盐系减水剂的收缩率比分别为126 130 和135 与1d起测相比 不掺减水剂的混凝土收缩减小12 掺减水剂的混凝土收缩减小15 左右 58 初凝开始的混凝土全收缩 三种减水剂的收缩率比分别达到182 183 和198 远远大于按GBJ82方法测得的结果 59 坍落度相同时 减水剂对混凝土早期收缩的影响 60 24h时 水泥用量为450kg m3的混凝土 收缩率比达609 水泥用量为550kg m3的混凝土 收缩率比达705 61 1天后起测的收缩曲线 收缩率比124 62 减水剂对全收缩的影响 水泥用量分别为450kg m3和550kg m3时 1d起测的收缩率比为124 而以初凝起测的全收缩表征时 收缩率比分别达到220 和240 63 早期抗裂试验装置 64 65 首条裂缝出现时间 66 裂缝条数 67 减水剂 泵送剂等化学外加剂极大地增加混凝土早期收缩 加速早期开裂 增加裂缝数量 我们不能回避这一事实 关键是如何从混凝土组成材料 外加剂生产用原材料 合成工艺和复配技术上加以改进 68 三 骨料对混凝土性能的影响 骨料是混凝土中比例最大的组分 至少大于65 起骨架作用 抑制收缩 防止开裂 骨料的品质对混凝土的重要意义长期不被重视 直接影响了混凝土的性能 制约了高性能混凝土的推广和应用 69 为什么把砂石称为骨料 在传统观念中把砂石叫做骨料的原因是认为骨料起强度作用而作为混凝土的骨架 这是一种误解 骨料的骨架作用主要是稳定混凝土的体积而不是强度 纯的水泥浆体硬化后收缩过大 无法用于结构 必须有骨料对水泥浆体的收缩起约束作用 而且骨料在混凝土中必须占据大部分体积 70 决定混凝土强度的不是骨料 对混凝土的强度其决定作用的是混凝土的水灰比 水胶比 所以目前用强度很低的轻骨料 陶粒 已能配制出C50的泵送混凝土 71 骨料 混凝土体积稳定性 混凝土体积稳定性主要取决于骨料 尤其是粗骨料在混凝土体积中所占的份额 骨料的质量越高 粒形和颗粒级配好 单方混凝土中的胶凝材料用量越少 体积稳定性也越好 我国与发达国家混凝土质量的差别主要源于骨料 尤其是石子的质量 72 73 我们应该重视骨料的品质 74 骨料的颗粒形状 西方发达国家的石子根本不存在针 片状颗粒的问题 而我国砂石标准中规定石子针 片状颗粒最大的可达25 75 骨料的颗粒形状 我们希望使用较规则外形的骨料 英国BS812标准将骨料形状分为 立方体 球形 不规则 非常不规则 扁平 细长几类 相对而言 扁平或片状骨料以及非常不规则的骨料粒形对HPC是不利的 76 骨料的颗粒形状 在欧美扁平 片状骨料以及非常不规则的骨料一般不超过20 而我国有时高达80 骨料粒形不好对混凝土和易性 强度和耐久性都产生不良影响 且直接导致水泥用量增多 77 石子的强度越高越好吗 对石子如果控制了风化 软弱 颗粒 含泥 细粉 量 对强度不必要求太高 则破碎后的粒形好 等径状颗粒多 针片状颗粒少 对混凝土强度影响很小 因为相对于混凝土的强度来说 天然岩石的强度是足够的 即使是强烈风化的低强度花岗岩 其岩石抗压强度也达80 100MPa 78 石子的强度越高越好吗 由下表的实例可见 所用石子中深康风化粗粒花岗岩强度低 但粒形好 混凝土的水胶比为0 31时 拌合物施工性能好 28d抗压强度达71 3MPa 乌石谷致密石灰岩的强度很高 但不仅针 片状颗粒多 多数是不够针 片状标准的长条状和扁状颗粒 水胶比为0 33时拌合物坍落度也只有148mm 此时混凝土28d强度为68 8MPa 79 石子的强度越高越好吗 这说明混凝土性能对水胶比要比对石子强度敏感 而石子的粒形对混凝土施工性的影响则更重要 石子对混凝土强度的影响主要是界面 当石子和混凝土弹性模量差别很大时 例如低强度混凝土使用高强度石子 在水泥水化减缩和温度 湿度变化时 二者变形不一致 会导致界面产生微裂缝 成为混凝土的薄弱环节 80 轻混凝土 界面显著加强 轻骨料 界面 砂浆 81 石子的强度越高越好吗 如果二者弹性模量差别缩小 则界面结合可得到加强 轻骨料混凝土的强度可以大大高于轻骨料的强度 主要是由于界面的作用 采用鄂式破碎机工艺 强度越高的岩石 针 片状颗粒越多 粒径越小 针 片状颗粒越多 为保证针 片状颗粒总量不超标 几乎都将10mm以下的颗粒筛除 82 石子的强度越高越好吗 对石子的要求偏重于强度 而对石子的级配则只有在标准中规定 实际上似乎越来越令人无可奈何 83 骨料的级配 由于胶凝材料浆体的需求量是由集料间需要填充的空隙和集料需要包裹的面积决定的 所以希望选择空隙率低 比表面积相对较小的集料 84 粗骨料的级配不好 90年代初之前北京的石子空隙率一直为40 43 而目前已达46 以上 甚至达到48 以上 广东一带石子空隙率甚至达50 按国家标准 建筑工程使用的石子为连续级配