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1、当代水泥和混凝土当代水泥和混凝土 的关系及发展趋势的关系及发展趋势廉慧珍 清华大学土木工程系 当代混凝土技术特点我国目前预拌混凝土存在的问题当代混凝土对水泥的要求l矿物掺和料由谁掺好？l水泥混凝土工业生产关系现状及发展趋势 田田 田田 田田 田田 田田混凝土是什么？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工艺必须简单否则不能否则不能成为最大宗的土木成为最大宗的土木 工程材料：工程材料：原材料来源广泛原材料来源广泛制作工艺简单制作工艺简单混合、搅拌、成型比其他结构材料（钢材、木材）耐久体系必然复杂：原材料不能提纯，成分波动微结构形
2、成的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) 的多相(固相、液相、气相)的非均质性(依配 合比不同而离散)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测定。因此：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 ；工业化、集约化是社会生产发展的趋势，促 使了现代混凝土的发展。当代混凝土技术是时代的产物当代混凝土
3、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年法国的E.Freyssinet发明预应力锚 具是混凝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当前我
4、国混凝土存在的问题劳动力素质、管理水平与质量要求的矛盾混凝土配合比设计存在的问题影响质量及 其控制对骨料作用认识不足，对骨料质量重视程 度不足，因而严重影响混凝土质量对矿物掺和料认识和使用的误区什么是当代混凝土？工业化生产预拌混凝土是当代混凝 土的特征：减小了强度对水泥的依赖性流变性能更加突出严酷环境的工程增加，使耐久性要求日 益突现在水泥水化热增大、强度提高的同时， 结构尺度增大，改变了大体积混凝土的 概念当代混凝土的特点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
5、泥强度之间不再有固定的线性 关系，32.5的水泥可以配制C60的混凝土 ，却配不出C20混凝土当代混凝土技术和性能特点原材料：高强度的水泥细度细、水化热大、含碱 量大、抗裂性差、维持长期性能的能力差高活性的掺和料自收缩和水化热大多种多样的外加剂配合比：较低的水胶比较大的水泥用量(浆骨比较大）性能：强度水平提高，流动性大l生产：预拌，泵送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 念； 第一重要的是匀质性和性能和体积的稳定性 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 当代混凝土需要开裂敏
6、感性低的水泥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目前配制C80、C100的混凝土并不困难，难 的却是是配不出合格的
7、C20混凝土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当代混凝土对水泥的要求具有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
8、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 硅酸盐水泥在混凝 土中的不同表现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覃老师的环收缩实验什么是好的水泥？ Lemish 和 Elwell 1996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1014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
9、的平均水平很相似。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、重载等结构量，适用于高耸、大跨、重载等结构增加构件刚度增加构件刚度 弊：高强不一定耐久：高强不一定耐久: : 强度越高，抗拉与抗压强强度越高，抗拉与抗压强 度比越小，构件延性比小；水灰比低，自收缩大；度比越小，构件延性比小；水灰比低，自收缩大； 水泥用量大，温升大；早期弹性模量大，徐变小，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；收缩应力大；因此早期开裂倾向大；强度和开裂的关系混凝土抗拉强度和抗压强度比值混凝土抗拉强
10、度和抗压强度比值 随抗压强度的提高而下降随抗压强度的提高而下降当前混凝土早期开裂的根本原因及其后果当前混凝土早期开裂的根本原因及其后果拉应变增加水灰比(水胶比)降低水泥强度提高混合材料活性提高(用水量)浆骨比增加水化温升提高,温 度收缩应变增加自收缩增加早期弹性模量提高 ，徐变减小拉应力增加约束早期开裂倾向增加大气环境作用耐久性下降早期强度大幅度提高的要求超过抗拉强度柱子的主要可能破坏形式柱子的主要可能破坏形式受 拉 破 坏失 稳 破 坏受 剪 破 坏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
11、和提高强度，但如今却在增加粉磨的能耗BolomyBolomy公式公式 ：R R2828ARARc c(c/w(c/w-B)-B)，造成误导，造成误导19201920年代，欧美国家水泥中年代，欧美国家水泥中C C3 3S S约为约为35%35%，如，如 今达今达505070%70%；水泥细度从；水泥细度从220m220m2 2/kg/kg到现今的到现今的 340340600m600m2 2/kg /kg 我国我国19701970年代水泥年代水泥( (GB175-63)最高标号是硬练最高标号是硬练 强度强度500500，相当于，相当于GB175-77的425、现行标现行标 准准32.532.5的强
12、度等级；常用水泥是的强度等级；常用水泥是400#400#，按现行，按现行 标准只有标准只有27.527.5。检测的水灰比增大，对检测的水灰比增大，对3 3天强度的规定未变，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实际提高了早期强度，而高早期强度并不是普 适必要的；适必要的；单纯追求强度，使水泥厂采取使用助磨剂磨细单纯追求强度，使水泥厂采取使用助磨剂磨细 、掺用、掺用 “增强剂增强剂”等，增加了开裂敏感性和等，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不利于混凝土长期性能稳定性和耐久性的成分 ；有的厂家缺乏诚信第一的市场经济观念，造成有的厂家缺乏诚信第一的市
13、场经济观念，造成 混凝土配合比设计的困难；混凝土配合比设计的困难；购销双方缺少合同观念购销双方缺少合同观念水泥现状对当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
14、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 化水泥主要矿物水化热发展3324熟料矿物的收缩率矿物矿物收缩率收缩率C C3 3A A C C2 2S S C C3 3S S C C4 4AFAF0.00234 0.00234 0.000100 0.000100 0.000790.00079 0.0000360.000036 0.00077 0.00077 0.0000360.000036 0.00049 0.00049 0.0001140.000114碱和C4AF对收
15、缩的影响水泥含碱量和C3A对收缩的影响水泥与减水剂的相容性问题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/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。熟料中SO3与含碱量的匹配No比表面积积 (m2/kg)流动时间动时间 （秒）熟料硫酸盐盐化 程度 SD搅搅拌5分钟钟 搅搅拌60分钟钟 4 5 6 7 8 9377 372 383 386 371 35353 53 54 50 53 5063 63 61 77 99 13971 69 103 71 68 66不同水泥试样流变性能的测定不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%Na Na2 2O=0.4%O=0.4%K K2 2O=1.5%O=1.5%计算计算SD=SD=混凝土W/
