混凝土結(jié)構(gòu)與性能1

混凝土結(jié)構(gòu)與性能1第一頁，共89頁。第二頁，共89頁。人生就像混凝土，看著挺好，其實早就裂了。人生就像混凝土，看著挺結(jié)實，一壓就酥了。人生就像混凝土，壽命能到七八十年，一部小心就被拆了。人生就像混凝土，沒點鋼筋撐著，不那么耐折騰。人生就像混凝土，本來一灘爛泥一樣，誰知道能成什么形狀。人生就像混凝土，一部小心初凝了，成了就成了，沒成就廢了。人生就像混凝土，有的成了棧橋，有的成了廁所的地板。人生就像混凝土，一輩子就那么一次機會，廢了就可能變成建筑垃圾了。第三頁，共89頁。普通混凝土的組成水泥水水泥漿石子砂子骨料新拌混凝土100%體積60~75%7~15%25~40%14~21%21~28%39~42%凝結(jié)硬化硬化混凝土混凝土外加劑

為了改善或提高混凝土的性能第四頁，共89頁?；炷恋暮暧^結(jié)構(gòu)粗骨料細骨料水泥石過渡區(qū)第五頁，共89頁。

水泥加水后形成水泥石的過程

1—水泥顆粒；2—水分；3—凝膠；4—晶體；5—水泥顆粒未水化內(nèi)核；6—毛細孔

第六頁，共89頁。第七頁，共89頁。第八頁，共89頁。第九頁，共89頁?；炷两Y(jié)構(gòu)中的缺陷，微孔和大孔，微裂紋和宏觀裂紋。骨料顆粒下部的泌水第十頁，共89頁。裂縫擴展的路徑和方向骨料水泥石骨料周圍的界面區(qū)普通混凝土的微結(jié)構(gòu)裂縫沿界面區(qū)擴展第十一頁，共89頁。凝結(jié)硬化后有三個相組成水泥砂漿+石子+過渡區(qū)第十二頁，共89頁。第十三頁，共89頁。第十四頁，共89頁。第十五頁，共89頁。與骨料、水泥漿的相比，當(dāng)應(yīng)力為強度的40%左右時，混凝土中會出現(xiàn)明顯的塑性應(yīng)變，這是由過渡區(qū)微裂縫數(shù)量和長度增加所致；而混凝土的其他兩相（骨料和水泥漿基體）直到破壞一直表現(xiàn)為剛性材料的線性行為。這就解釋了為什么混凝土的強度不如骨料和水泥漿?；炷林邪韬纤蕉?，強度越低！第十六頁，共89頁。為什么混凝土?xí)B水

混凝土內(nèi)部存在孔隙通道是其滲水的根本原因！孔隙通道包括：混凝土中可蒸發(fā)水蒸發(fā)后留下的孔道；拌合物泌水時在骨料和鋼筋下方形成的水囊與水膜；混凝土各種原因引起的體積變形所產(chǎn)生的收縮裂縫；混凝土在荷載作用下的變形1、高孔隙率、低滲透性4、多孔、高滲透性3、多孔、低滲透性2、低孔隙率、高滲透性孔隙率、孔隙特征與滲透性的關(guān)系第十七頁，共89頁。高滲透性高水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低滲透性

水灰比是混凝土抗?jié)B性的重要影響因素！為什么？第十八頁，共89頁?；炷帘砻娼Y(jié)構(gòu)缺陷①表層混凝土內(nèi)部水灰比高，含有較多的細骨料。在澆筑與振搗的過程中，混凝土中的砂和水，容易在靠近模板或水平表面聚集，造成表面混凝土含有較多的水泥漿，且水灰比大于內(nèi)部混凝土的水灰比。②表層混凝土水分喪失快。表層混凝土直接與大氣環(huán)境接觸，水分容易蒸發(fā)。若混凝土內(nèi)相對濕度小于80%，水泥水化作用可能停止，并生成粗孔隙結(jié)構(gòu)，這又將使構(gòu)件表面的混凝土較快喪失水分，造成表面疏松。若澆筑后養(yǎng)護措施不當(dāng)，會在整個表層混凝土中形成孔隙顯微結(jié)構(gòu)，外界腐蝕介質(zhì)容易侵入混凝土內(nèi)部。第十九頁，共89頁。③表層混凝土易開裂。初凝前，若混凝土表層水分過度蒸發(fā)，用于水化的水量不足(如養(yǎng)護不及時),水泥與水不能充分進行化學(xué)反應(yīng)，達不到預(yù)期的強度，將形成低質(zhì)量的混凝土表層；同時由于混凝土的干燥收縮作用受到內(nèi)部的約束，使表層產(chǎn)生拉應(yīng)力而導(dǎo)致混凝土開裂。④表層混凝土易受損害。碳化反應(yīng)降低混凝土的堿度，從而降低混凝土對鋼筋的保護性能。碳化后使得表層水泥石收縮，增加表層混凝土的拉應(yīng)力，易開裂。在鋼筋混凝土構(gòu)件使用過程中，由于荷載、溫度、濕度變化而產(chǎn)生的裂紋，以表層最多大部分混凝土構(gòu)件的破壞均始于表層混凝土。水、氧氣、二氧化碳、硫酸鹽等自表面侵入混凝土內(nèi)部，造成混凝土質(zhì)量下降，承載力降低。冬季施工構(gòu)件養(yǎng)護不當(dāng)或遇到降溫,可能出現(xiàn)混凝土表層凍害。所以表層混凝土質(zhì)量特別重要,優(yōu)質(zhì)的表層可保護混凝土結(jié)構(gòu)免遭外界物理化學(xué)因素的侵蝕破環(huán)。第二十頁，共89頁。高強混凝土高強混凝土抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、孔隙率低的優(yōu)越性，在高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)以及某些特種結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。高強混凝土最大的特點是抗壓強度高，一般為普通強度混疑土的4～6倍，故可減小構(gòu)件的截面，因此最適宜用于高層建筑。試驗表明，在一定的軸壓比和合適的配箍率情況下，高強混凝土框架柱具有較好的抗震性能。第二十一頁，共89頁。第二十二頁，共89頁。C:450kg/m3;SL=22cm。R3d=26MPa;R7d=53.6MPa;R28d=78MPa法國Joigny橋法國

Sylans

高架橋水泥

400kg/m3R12h=25MPaR28d=68.5巴黎新凱旋門C:425kg/m3;SF:30kg/m3;Sl:22cm;R7d=54MPa;R28d=66MPaFalkenberg,瑞典95MPaHSCforhighwayE-6&E-18;wearlessthan10%ofhighqualityblacktop法國跨Rhone河通行TGV大橋；2000年底完工世界最大的預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋最大跨100m；全部采用高強混凝土—52MPa/28d；TGV最高速度：320km/h；產(chǎn)生600Mgf的力(相當(dāng)于20輛卡車)；全橋承載可達40t/m(公路橋最大為15t/m)。Oneof838segments第二十三頁，共89頁。

高強混凝土柱之間的間距較大第二十四頁，共89頁。但是高強度不等于混凝土具有高的使用壽命。發(fā)達國家多年的實踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)工程的破壞大部分是由環(huán)境造成的，例如凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕等，而不是強度不足造成的?；炷恋膹姸?0－40MPa可滿足大部分結(jié)構(gòu)工程的荷載要求。高強混凝土可用于少部分有要求的工程。第二十五頁，共89頁。第二十六頁，共89頁。凍融循環(huán)造成的破壞第二十七頁，共89頁。海水環(huán)境對于硅酸鹽水泥混凝土是非常惡劣的使用環(huán)境第二十八頁，共89頁。深圳市某公共建筑--海洋環(huán)境--鋼筋銹蝕結(jié)構(gòu)性能劣化第二十九頁，共89頁。

深圳某海港碼頭（建成不到20年）

深圳重要在役工程結(jié)構(gòu)

海洋環(huán)境

鋼筋銹蝕

結(jié)構(gòu)性能劣化第三十頁，共89頁。第三十一頁，共89頁。青藏公路雅瑪爾河大橋橋墩表面混凝土凍融剝落情形第三十二頁，共89頁?；炷潦褂脡勖芷谂c人類的生命周期比較混凝土→澆注成型→養(yǎng)護→成熟（28天）→交付使用→劣化（荷載、環(huán)境作用）→性能降低→結(jié)構(gòu)破壞；人的出生→成長→成熟（18歲）→走向社會（承擔(dān)體力、智力勞動）→生病→衰亡。人和混凝土結(jié)構(gòu)都需要健康檢測！混凝土施工期間不能隨意加水，同時表明保持潤濕、具有足夠養(yǎng)護時間非常重要！第三十三頁，共89頁。人體健康的因素，內(nèi)因是主導(dǎo)，外因是條件：內(nèi)因：遺傳因素占15%；外因：70%，其中社會環(huán)境10%，自然環(huán)境60%。1元的預(yù)防投入可減少8.59元的醫(yī)療支出費用；又可相應(yīng)減少大約100元的終末期搶救費用。第三十四頁，共89頁?！拔灞抖伞泵绹膶W(xué)者用“五倍定律”形象地說明耐久性的重要性，特別是設(shè)計對耐久性問題的重要性。設(shè)計施工時，對新建項目在鋼筋防護方面，每節(jié)省1美元，則發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施多追加5美元，混凝土開裂時多追加維護費用25美元，嚴重破壞時多追加維護費用125美元。海砂問題？第三十五頁，共89頁。采砂船第三十六頁，共89頁。

運砂船第三十七頁，共89頁。

固定塔架吸砂管道

第三十八頁，共89頁。

出砂口和滾篩第三十九頁，共89頁。卷揚機和運砂船

第四十頁，共89頁。

船上淡化

第四十一頁，共89頁。鋼筋混凝土腐蝕問題導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損失美國技術(shù)評估中心：2001年，美國鋼筋混凝土腐蝕的修復(fù)費每年2500億美元，占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值(GDP)的3.0％《中國腐蝕調(diào)查報告》：我國2002年鋼筋混凝土腐蝕損失約為2500億，并以每年10％左右的速度增加第四十二頁，共89頁。最低價招標的副作用？（自覺遵守法律？）歐洲要求建設(shè)單位同時對建成的工程負有維護幾十年，期間發(fā)生的結(jié)構(gòu)維護費用有建設(shè)單位承擔(dān)。對我國有什么樣的啟發(fā)意義？第四十三頁，共89頁?；炷两Y(jié)構(gòu)劣化的原因有內(nèi)、外兩方面。內(nèi)因—組成和結(jié)構(gòu)。水泥石存在著易被腐蝕的化學(xué)成分，如氫氧化鈣和水化鋁酸鈣等；其次是硬化混凝土含有大量毛細孔隙和微裂紋。外因--荷載和環(huán)境因素。環(huán)境溫度濕度變化，導(dǎo)致混凝土體積的濕脹干縮、熱脹冷縮，由于混凝土中各種組成材料的彈性模量（變形性能）不同，所以容易產(chǎn)生微裂紋。

第四十四頁，共89頁。環(huán)境參數(shù)變化及其腐蝕介質(zhì)長期與混凝土接觸可使得結(jié)構(gòu)逐漸劣化。例如：環(huán)境參數(shù)-----

熱脹冷縮，濕脹干縮，凍融，磨損環(huán)境介質(zhì)---

鋼筋銹蝕、碳化、海水、硫酸鹽、溶蝕等荷載與環(huán)境、腐蝕介質(zhì)的交互作用荷載能夠誘導(dǎo)微裂紋擴展、聚合和連通，裂紋的擴展，使得環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)更加容易進入到混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可加劇混凝土結(jié)構(gòu)的性能劣化。第四十五頁，共89頁?！罡邚娀炷痢⒏咝阅芑炷恋闹饕胧壕x原材料第五組分：摻用高效減水劑減少拌和用水量，使水灰比降至0.30-0.40；第六組分：硅灰、磨細礦渣等礦物摻合料；其它輔助措施：細度、纖維、高強骨料等。澆筑后的養(yǎng)護、管理至關(guān)重要！第四十六頁，共89頁。各組成材料的作用骨料廉價的填充材料，節(jié)省水泥用量混凝土的骨架，減小收縮，抑制裂縫的擴展傳力作用降低水化熱提供耐磨性水泥潤滑作用——與水形成水泥漿，賦予新拌混凝土以流動性膠結(jié)作用——包裹在所有骨料表面，通過水泥漿的凝結(jié)硬化，將砂、石骨料膠結(jié)成整體，形成固體第四十七頁，共89頁。各組成材料的作用水混凝土中的拌和水有兩個作用:供水泥的水化反應(yīng)賦予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中產(chǎn)生孔隙對防止塑性收縮裂縫與和易性有利對滲透性、強度和耐久性不利第四十八頁，共89頁。細骨料－砂技術(shù)要求有害雜質(zhì)顆粒形狀與表面特征顆粒級配粗細程度第四十九頁，共89頁。粗骨料－石有害雜質(zhì)含泥量、泥塊含量、針片狀顆粒含量及有害物含量；粗骨料中含有活性成分。顆粒級配；顆粒形狀與表面織構(gòu)；最大粒徑；石子強度；第五十頁，共89頁。有害雜質(zhì)的種類：粘土、泥塊、云母；硫酸鹽、硫化物、有機質(zhì)；活性SiO2；針片狀顆粒等。有害雜質(zhì)的危害：影響水泥的水化、腐蝕水泥石；影響混凝土的和易性影響混凝土的強度與耐磨性；增大混凝土的收縮；引起堿－骨料反應(yīng)等。含泥量很大的骨料第五十一頁，共89頁。第五十二頁，共89頁?，F(xiàn)代混凝土的第五組分—外加劑在拌制混凝土過程中摻入用以改善混凝土性能的物質(zhì)。摻量一般不大于水泥質(zhì)量的5％。（1）改善混凝土拌合物流變性能的外加劑。包括各種減水劑、引氣劑和泵送劑等。（2）調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時間、硬化性能的外加劑。包括緩凝劑、早強劑和速凝劑等。（3）改善混凝土耐久性的外加劑。包括引氣劑、防水劑和阻銹劑等。（4）改善混凝土其它性能的外加劑。包括加氣劑、膨脹劑、著色劑、防水劑和泵送劑等。第五十三頁，共89頁。主要功能：它以很少的摻量加入混凝土中，能有效地改善混凝土的物理力學(xué)性能．提高混凝土的強度、耐久性，節(jié)約水泥用量，縮小構(gòu)筑物尺寸，從而達到節(jié)約能耗、改善環(huán)境的社會效益。第五十四頁，共89頁。高效減水劑對新拌混凝土的作用1.潤濕作用減水劑吸附在水泥顆粒表面能夠降低水泥顆粒固液界面能

2.分散作用（1）靜電斥力作用（2）空間位阻斥力作用3.潤滑作用（1）水化膜潤滑作用（2）引氣隔離“滾珠”潤滑作用減水劑分子在水泥顆粒表面的吸附加減水劑前的絮凝結(jié)構(gòu)加入減水劑后，絮凝結(jié)構(gòu)被打破第五十五頁，共89頁。減水劑的主要技術(shù)經(jīng)濟效果①配合比不變時顯著提高流動性。②流動性和水泥用量不變時，減少用水量，降低水灰比，提高強度。③保持流動性和強度不變時，節(jié)約水泥用量，降低成本。④配置高強高性能混凝土。第五十六頁，共89頁?，F(xiàn)代混凝土的第六組分--礦物摻和料1、礦物摻合料的定義

礦物摻合料是指在配制混凝土?xí)r加入的能改變新拌混凝土和硬化混凝土性能的無機礦物細粉。

國外將這種材料稱為輔助膠凝材料（Supplementarycementitiousmaterials），已成為高性能混凝土不可缺少的第六組分。第五十七頁，共89頁。

在《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(征求意見稿)中,對礦物摻合料的定義是:以硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成分,

摻入混凝土中能改善新拌或硬化混凝土性能的粉體材料,涉及的礦物摻合料包括了粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、鋼渣粉、磷渣粉、硅灰、沸石粉等6種材料。第五十八頁，共89頁。礦渣（Groundgranulatedblast-furnaceslag）CaO：38～46SiO2：26～42Al2O3：7～20Fe2O3：0.2～1MgO：4～13第五十九頁，共89頁。粉煤灰（Flyash）CaO：2～7SiO2：40～65Al2O3：15～40Fe2O3：4～20第六十頁，共89頁。硅灰（Silicafume）CaO：0.5～1SiO2：90～92Al2O3：0.4～1Fe2O3：0.3～2

細度和比表面積約為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。

第六十一頁，共89頁。火山灰（Naturalpozzolans）CaO：0.5～1SiO2：40～60Al2O3+Fe2O3：15～30CaO+MgO+R2O：15燒失量：10％左右第六十二頁，共89頁。石英粉（Quartz

powder）道路混凝土施工？管樁制備常溫條件下水化活性較低，但是高溫預(yù)制構(gòu)件可用。第六十三頁，共89頁。3、礦物摻合料的特性經(jīng)濟效益：低廉技術(shù)效益：功能社會效益：環(huán)保第六十四頁，共89頁。以工業(yè)廢渣為主的摻合料在混凝土中的大量應(yīng)用,首先它意味著混凝土的生產(chǎn)降低了工業(yè)廢渣自身的環(huán)境污染及土地資源浪費其次它減少了膠結(jié)材中水泥的用量而間接地減少了由于生產(chǎn)水泥而導(dǎo)致的能源、資源消耗及環(huán)境污染另外由于它能在一定程度上提高混凝土的性能,延長了混凝土的使用壽命,減少了維護及重建所需的水泥及混凝土用量,也間接地節(jié)約了資源、能源,降低了環(huán)境污染環(huán)保：綠色產(chǎn)品第六十五頁，共89頁。形態(tài)效應(yīng)：利用礦物摻合料的顆粒形態(tài)在混凝土中起減水作用，“礦物減水劑”微細集料效應(yīng)：利用礦物摻合料中的微細顆粒填充到水泥顆粒填充不到的空隙中化學(xué)活性效應(yīng)：利用礦物摻合料的膠凝性或火山灰性，將Ca(OH)2晶體轉(zhuǎn)化成CSH凝膠礦物摻合料的功能效應(yīng)第六十六頁，共89頁。高強與高性能混凝土舉例自密實混凝土自密實混凝土指的是一種特殊的混凝土，該混凝土具有很高的抗離析能力，且不需夯實和振搗。相對于普通混凝土，自密實混凝土的主要特性是水泥漿-骨料比更高。只有這樣，才能在重量作用或泵壓下推動骨料。另一方面，骨料（特別是粗骨料）的體積和最大粒徑都必須減少，以提高新拌混凝土的流動性和抗離析能力。第六十七頁，共89頁。深圳京基100大廈地下4層，地上100層,高度441.8米，是中國大陸第三高樓(中國大陸第一高樓是492米高的上海環(huán)球金融中心，其次是450米高的南京綠地廣場紫峰大廈)、是今年竣工后將投入到世界大學(xué)生運動會服務(wù)的重點工程。2010年10月底曾經(jīng)完成了第73層樓層的混凝土(高韌性無收縮自密實防火混凝土)澆灌，扶植高度達到316米。2011年4月10日下午，成功將C120超高性能混凝土泵送到417米的高度。創(chuàng)下超高性能混凝土泵送的世界紀錄。

第六十八頁，共89頁。水泥體積＋細粉（如粉煤灰、石灰石粉、硅灰以及粒徑小于125μm的細砂）應(yīng)為170-200L/m3范圍內(nèi)；水與粉體材料（水泥＋細粉）的體積比應(yīng)為0.85-1.20范圍內(nèi)；粗骨料的體積應(yīng)低于340L/m3；粗骨料的最大粒徑應(yīng)小于25mm，最好在20mm內(nèi)。通常要摻加兩種外加劑：高效減水劑和粘度調(diào)節(jié)劑。高效減水劑—用水量較小而達到高強度；粘度調(diào)節(jié)劑—重要作用是由于某些原因使骨料的含水量增加時減小混凝土的離析。第六十九頁，共89頁。第七十頁，共89頁。☆自密實混凝土的組成與性能1、自密實混凝土中新的原材料的作用硅灰和高效減水劑是配制自流平混凝土的優(yōu)質(zhì)材料，可提高新拌混凝土的粘聚性。超細無定形硅膠超細無定形硅膠（納米硅）的二氧化硅顆粒為5-50nm，遠細于顆粒粒徑為0.1-1μm的硅灰。超細無定形硅膠通常為乳白色液態(tài)溶液（固體含量為10-50%）。第七十一頁，共89頁。摻量為3-5%時，能夠減小泌水、提高抗離析能力。由于超細無定形硅膠的比表面積非常高，且為球形形狀，超細無定形硅膠能夠增強自密實混凝土的穩(wěn)定性。沉淀二氧化硅（另一種無定形二氧化硅）也含有與硅膠粒徑相同的顆粒，最主要的差別是前者趨向骨料。第七十二頁，共89頁?！钣不悦軐嵒炷恋男阅?、抗壓強度普通流態(tài)混凝土澆注在立方體模具內(nèi)、振搗密實。表3-1的兩種自密實混凝土倒入相同模具內(nèi)，不需任何振搗。所有混凝土均在20℃下濕養(yǎng)，測試1d至28d的抗壓強度。圖3-1對比了普通流態(tài)混凝土與兩種自密實混凝土在1d、3d、7d、21d和28d的抗壓強度。水灰比一定時（0.45），兩種自密實混凝土的早期和后期強度均比普通流態(tài)混凝土高20%。第七十三頁，共89頁。普通流態(tài)混凝土（OFC）和摻加石灰石粉（L）或粉煤灰（F）的自密實混凝土（SCC）的抗壓強度

第七十四頁，共89頁。2、自密實混凝土中鋼筋-混凝土粘結(jié)性能自密實混凝土的鋼筋-混凝土粘結(jié)強度遠高于普通流態(tài)混凝土，約高70%。而且，太多的振搗（從15秒到30秒）會使鋼筋-混凝土界面出現(xiàn)泌水，使普通流態(tài)混凝土的鋼筋粘結(jié)強度降低。圖3-2普通流態(tài)混凝土和自密實混凝土的鋼筋粘結(jié)強度第七十五頁，共89頁?！钭悦軐嵒炷恋膽?yīng)用裝飾自密實混凝土從裝飾的角度來看，表面具有大理石般的效果可以通過對比兩種白色混凝土外貌進行評價，兩種混凝土澆注時都沒有振搗：前者為高流態(tài)稠度（坍落度＝225mm），后者為自密實混凝土。圖3-3說明，自密實混凝土才能獲得大理石一樣的表面效果，這是新拌自密實混凝土特殊的流