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1、水泥品质和现代混凝土质量的关系,阎培渝清华大学土木工程系电话：01062785836E-mail：,甲方管理监理,水泥品质对混凝土质量的影响,混凝土是什么？,混凝土是用最简单的工艺制作的最复杂的体系工艺必须简单否则不能成为最大宗的土木工程材料：原材料来源广泛制作工艺简单混合、搅拌、成型比其他结构材料（钢材、木材）耐久,体系必然复杂：,原材料不能提炼，成分波动。微结构形成时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。性能随微结构的发展而发展,而微结构具有不同层次(宏观层次、亚微观层次、微观层次),多相(固相、液相、气相)，非均质性(依配合比不同
2、而离散)。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确定其结构。,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。越是简单的工艺，越有管理和控制的难度。,因此：,现代混凝土技术是时代的产物,现代混凝土特点及其产生的原因生产建设的需要推动材料和技术的发展科学技术的发展提供条件混凝土结构发展史上的里程碑相邻学科的发展人类对自然界认识过程的曲折会使产品和用户相关行业相互误导；不断学习，才能与时俱进。,混凝土结构发展史上的里程碑,1850年法国人取得钢筋混凝土专利，1928年发明预应力锚具是混凝
3、土结构技术的两次飞跃就混凝土材料来说，1918年美国的D.Abrams提出著名的水灰比定则，使混凝土的配制有了依据；1962年和1963年日本和联邦德国分别合成出萘磺酸盐系和三聚氰胺系的高效减水剂，改变了混凝土传统配制技术。这堪称混凝土材料技术的两个里程碑,什么是现代混凝土？,工业化生产预拌混凝土是现代混凝土的特征：减小了混凝土强度对水泥强度的依赖 流变性能更加突出 保证结构耐久性的要求日益增强 可持续发展提上议事日程,现代混凝土的特点,现代混凝土是以高效减水剂和矿物掺和料的大规模使用为特征。实用混凝土的强度范围很宽，从C20（极少量C15）到C80（极少）混凝土强度和水泥强度之间不再有线性关
4、系。,严酷环境中的建筑物增加，使耐久性要求日益突现以预拌混凝土、泵送施工为主流。新拌混凝土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劳动力素质、管理水平与质量要求的矛盾需求增加与资源短缺的矛盾,现代混凝土技术和性能特点,原材料：高强度的水泥细度高、水化热大、抗裂性差、长期性能增长的幅度小矿物掺和料多种多样的化学外加剂配合比：较低的水胶比较大的胶凝材料用量(浆骨比较大）性能：强度水平提高，流动性大生产：预拌，泵送,水泥的什么品质对混凝土最重要？,应当改变强度第一的传统观念；第一重要的是匀质性，性能的稳定性混凝土结构的耐久性比强度更重要，而与混凝
5、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有利于混凝土结构的耐久性现代混凝土需要开裂敏感性低的水泥,现代混凝土对水泥性能的要求,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,水泥强度和混凝土强度的关系 什么是水泥和混凝土的强度,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的水灰比：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
6、求水泥的高强度，强度等级32.5的水泥能配制出C60混凝土,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这样的高强混凝土；高强混凝土不一定耐久；高强混凝土需求量很少；高强水泥的稳定性差；目前配制C80、C100的混凝土并不困难，难的却是配不出合格的C20混凝土矿物掺和料对混凝土强度的贡献随水灰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外加剂与掺和料使用技术的发展改变了对水泥强度和混凝土强度的关系的认识,混凝土高强的利和弊,利：在相同荷载作用下，减小构件断面、减少用钢量，适用于高耸、大跨、重载等结构增
7、加构件刚度弊：高强不一定耐久:强度越高，抗拉与抗压强度比越小，构件延性比小；水灰比低，收缩大；水泥用量大，温升大；早期弹性模量大，徐变小，收缩应力大；因此早期开裂倾向大；由于稳定的要求，结构物对强度的需要是有限的,强度和开裂的关系,混凝土抗拉强度和抗压强度比值随抗压强度的提高而下降,矿物掺和料的普遍使用改变了混凝土的强度发展规律和配合比计算模式。,粉煤灰体积比为1 1的不同水胶比浆体中粉煤灰和水泥在不同龄期时对强度的贡献,7天粉煤灰,7天水泥,28天粉煤灰,28天水泥,90天粉煤灰,90天水泥,365天水泥,365天粉煤灰,强度粉煤灰掺量水胶比关系,不同厂家生产的相同品种、相同强度硅酸盐水泥在
8、混凝土中的不同表现,矿物掺和料的使用必须因地制宜、因时制宜,不同的结构部位使用的混凝土配合比应有所不同。所处环境不同：侵蚀性因素、湿度、温度受力方式不同：受拉、受压,现代混凝土需要开裂敏感性低的水泥,7天开裂 14天开裂 两个大厂的52.5硅酸盐水泥，w/c0.3成型温度18；24h后拆模并在室外负温下放置,当前混凝土早期开裂的根本原因及其后果,约束,早期开裂倾向增加,耐久性下降,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Bolomy公式：R28A Rc(w/c-B)，造成误导1920年代，欧美国家水泥中C3S约为35%，如今达5070%；水泥细度从220m
9、2/kg到现今的340600m2/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,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遍需要的；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；,水泥现状对现代混凝土的不适应问题,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、实际强度浮动幅度太大；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不控制氯离子含量，不检测
10、开裂敏感性、无法提供在现代混凝土中与外加剂的相容性数据。,水泥影响混凝土质量的主要因素,产品匀质性生产控制和原材料产品均化水化热及其释放速率矿物组成和细度、水泥温度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、含碱量水泥品质对混凝土耐久性的影响,复合胶凝材料的水化放热曲线w/b=0.4,C:100%cementF1:75%cement+25%Fly ashF2:50%cement+50%Fly ashQ1:75%cement+25%QuartzQ2:50%cement+50%Quartz,掺和料掺量为25%掺和料掺量为50%,不同样品早期水化速率
11、对比,水灰比的影响,水灰比的影响,不同温度时胶凝材料的水化热,高水化热的影响,在大体积混凝土结构中，水化放热总量需要关注，但更需要关注的是水化放热速率。高放热速率可导致高应力积累。高温将促进水化加速，提高水化程度，增进早期强度发展。胶凝材料在高温下水化，使硬化浆体结构较为疏松，后期强度增长小。高早期强度提高了混凝土的约束程度，使混凝土容易开裂。,熟料矿物的收缩率,碱和C4AF对收缩的影响,水泥含碱量和C3A对收缩的影响,水泥细度对砂浆抗拉强度的影响,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,水泥与减水剂的相容性问题,C3A 含量和 S
12、O3 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/C0.40，SO3不足；混凝土中掺入矿物掺和料，SO3被稀释。细度和颗粒级配 最佳组成:530m 90%,10m 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。,SO3和碱含量的影响,SO3含量由水泥的凝结时间而决定。当在混凝土制备过程中掺加大量矿物掺和料后，水泥的水化环境发生变化，其水化速率随之变化，这要求SO3含量也应有所调整。水泥中的碱含量对于凝结时间和外加剂的吸附特性有影响。存在一个最佳值。一味降低碱含量对于新拌混凝土的流变性能有影响。,熟料中SO3与含碱量的匹配不
13、同水泥试样流变性能的测定：,SD与水泥流变性能关系的验证实例,琉璃河水泥，熟料中 SO3=1.2%Na2O=0.4%K2O=1.5%计算SD=混凝土W/C=0.305，掺入高效减水剂1.5%，坍落度初始为200mm，半小时后为160mm，1小时后为7.5mm，损失达60%,水泥中可溶碱含量对高效减水剂作用效果的影响,水泥中可溶碱含量对高效减水剂作用效果的影响,水泥熟料中的总碱含量和可溶性碱含量,X厂,S厂,Q厂,X厂，加碱,各厂水泥在水化1小时内的放热曲线,X2为添加可溶性碱的X厂水泥,其他，如石膏的形态、C3A 的形态,不同形态的石膏溶解速率和溶解度不同：,生石膏和硬石膏溶解速率对比,石膏对
14、坍落度损失的影响,德国的R.Rance关于不同形态石膏对水泥流变性能的影响实验（G-二水石膏，A-无水石膏，H-半水石膏）：,C3A、R2O、SO3的关系,比表面积为300m2/kg,饱和点为0.8%,坍落度不损失掺量为1.6%,雍阳外加剂厂试验,水泥细度为400m2/kg,饱和点为1.2%,坍落度无损失掺量为1.82%,雍阳外加剂厂试验,比表面积为445m2/kg,饱和点为1.6%,找不到坍落度无损失点,雍阳外加剂厂试验,抗冻性随水泥比表面积增大而下降,水泥细度对水泥浆土和混凝土开裂的影响,水泥细度越大，水化速率越快，越易水化完全，对水泥胶凝性能的有效利用率就越高；水泥强度，特别是早期强度也
15、越高。粗颗粒水泥只能在颗粒表面水化，未水化部分只起填料的作用。,水泥细度的影响,在一般条件下，水泥颗粒大小与水化的关系是：10 m，水化最快3 30 m，水泥的主要活性部分 60 m，水化缓慢 90 m，表面水化，只起微集料作用,水泥最佳颗粒级配为：332颗粒对混凝土强度增长起主要作用，其间粒度分布应是连续的，总量不低于65。小于3的细颗粒，易结团，不要超过10。粒径1以下的小颗粒，在加水拌和过程中就水化了，对混凝土强度作用很小，反而造成混凝土较大收缩。大于65 的颗粒活性很小，这两部分颗粒最好没有。一个粒径20的颗粒一个月后只水化54，水化深度才5.48，熟料核只能起骨料作用。,水泥比表面积
16、与水泥有效利用率（一年龄期）的关系：,300m2/kg，44%的水泥可水化700m2/kg，80%的水泥可水化1000m2/kg，90 95%的水泥可水化,水泥过细，虽然水化速度很快，但需水量大，使水泥浆体因水分过多而导致孔隙率增加，最终使强度下降。当10 m的颗粒多于50 60%（或比表面积大于500 600m2/kg）时，7天、28天强度下降。水泥细度高对水泥的抗裂性不利。,水泥的颗粒形貌,Bentz发现随着水灰比的降低，由于水泥已不能全部水化，颗粒粒度分布对水泥水化程度的影响下降了。选用三种不同粒径的水泥：5微米20微米30微米在不同水灰比条件下观察其水化程度,在配制高性能混凝土时，使用较粗的水泥可获得较好的性能。,谢谢！,
