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1、 水工混凝土新材料与新技术（第一讲） 韩菊红 教授 郑州大学水环学院o学什么学什么？o为何学为何学？o如何学如何学？o目的目的和和任务任务：学习和掌握水利工程学习和掌握水利工程中的新型混凝土材料和技术，并大中的新型混凝土材料和技术，并大力推广应用和发展混凝土新技术，力推广应用和发展混凝土新技术，为水利工程建设服务为水利工程建设服务。o需要需要-混凝土是水工结构中用途最混凝土是水工结构中用途最广、用量广、用量最大最大的建筑材料之一，随的建筑材料之一，随着现代科学技术的迅猛发展，水工着现代科学技术的迅猛发展，水工结构中对混凝土的材料性能及施工结构中对混凝土的材料性能及施工技术要求也更加多样化技术要
2、求也更加多样化。三峡水利枢纽工程o世界防洪效益最为显著的水利工程世界防洪效益最为显著的水利工程-总库容亿总库容亿m m3 3 。o世界最大的电站世界最大的电站-总装机万千瓦，年发电量总装机万千瓦，年发电量. .亿千瓦时。亿千瓦时。 o世界建筑规模最大的水利工程世界建筑规模最大的水利工程-大坝坝轴线全长大坝坝轴线全长. . m m，泄流坝段长，泄流坝段长m m，水电站机组万千瓦，水电站机组万千瓦台，双线级船闸和升船机，无论单项、总体都是世台，双线级船闸和升船机，无论单项、总体都是世界建筑规模最大的水利工程。界建筑规模最大的水利工程。 o世界工程量最大的水利工程世界工程量最大的水利工程-工程主体建
3、筑土石方挖填量工程主体建筑土石方挖填量约约. .亿亿m m3 3 ，混凝土浇筑量万，混凝土浇筑量万m m3 3 ，钢筋，钢筋. .万吨。万吨。o世界施工难度最大的水利工程。三峡工程年混凝世界施工难度最大的水利工程。三峡工程年混凝土浇筑量为土浇筑量为. .万万m m3 3 ，月浇筑量最高达万，月浇筑量最高达万m m3 3 ，创造了混凝土浇筑的世界记录。，创造了混凝土浇筑的世界记录。 三三三三 峡峡峡峡1 、水工混凝土结构特点和要求o受受水水影响影响（1 1）水压力作用）水压力作用静水、动水静水、动水（2 2）水环境作用）水环境作用渗透、冻融、腐蚀渗透、冻融、腐蚀（3 3）施工条件）施工条件 水下
4、浇筑、碾压、免振水下浇筑、碾压、免振o对水工混凝土对水工混凝土结构结构要求要求 强度、刚度、稳定、耐久性强度、刚度、稳定、耐久性2、 水工混凝土特点和要求o好好性能性能 适应水环境对水工混凝土结构适应水环境对水工混凝土结构的要求的要求（1 1）水压力作用）水压力作用高强、高性能高强、高性能（2 2）水环境作用）水环境作用抗渗、抗冻、抗冲磨抗渗、抗冻、抗冲磨、耐腐蚀耐腐蚀（3 3）施工条件）施工条件水下不分散、可碾、自流平、大水下不分散、可碾、自流平、大体积、体积、3、水工混凝土新技术内容水工混凝土新技术内容（1 1）泵送混凝土）泵送混凝土 （2 2）水下灌注混凝土）水下灌注混凝土 （3 3）流
5、态混凝土）流态混凝土 （4 4）大体积混凝土）大体积混凝土 （5 5）补偿收缩混凝土）补偿收缩混凝土 （6 6）纤维混凝土）纤维混凝土 （7 7）喷射混凝土）喷射混凝土 （8 8）高性能混凝土）高性能混凝土 （9 9）聚合物混凝土）聚合物混凝土 （1010）耐腐蚀混凝土）耐腐蚀混凝土 （1111）抗冲耐磨混凝土）抗冲耐磨混凝土 （1212）沥青混凝土）沥青混凝土（1313）轻骨料混凝土）轻骨料混凝土 （？）4 、 混凝土材料基本性能和理论体系混凝土材料基本性能和理论体系混凝土混凝土混凝土混凝土合理组配合理组配水泥水泥水泥水泥外加剂外加剂外加剂外加剂骨料骨料骨料骨料（粗、细）（粗、细）（粗、细）
6、（粗、细）水水水水掺合料掺合料掺合料掺合料前提条件前提条件已掌握本科已掌握本科建筑材料学建筑材料学等相关知识等相关知识 4.1 4.1 混凝土混凝土基本性能基本性能工作性工作性1 和易性和易性 流动性流动性 粘聚性粘聚性 保水性保水性 凝结特性凝结特性2 抗压抗压 ： fcu fc 抗拉抗拉 ： ft 抗折抗折 : :水工混凝水工混凝土已无此设计指标土已无此设计指标 抗剪抗剪 : :需要，但需要，但无成熟指标无成熟指标3 物理化学变形物理化学变形 干缩干缩 温度变形温度变形 自生体积变形自生体积变形荷载变形荷载变形 ， E E 徐变与松弛徐变与松弛 强强 度度变变 形形评价方法评价方法fc =
7、？ fcuft =？ fcu 断裂韧度断裂韧度K1c/ MPa4抗渗抗渗 W10W10抗冻抗冻 F100F100抗冲磨抗冲磨抗侵蚀抗侵蚀抗碳化抗碳化抗碱抗碱- -骨料反骨料反 应应耐久性耐久性弹性，塑性弹性，塑性裂缝裂缝 破坏破坏4.2 4.2 混凝土理论体系混凝土理论体系4.2.1 4.2.1 混凝土混合料流变学理论混凝土混合料流变学理论o 混凝土混合料是水和分散粒子组成的体系混凝土混合料是水和分散粒子组成的体系o流变学是研究物质流动和变形的科学流变学是研究物质流动和变形的科学近代力近代力学分支学分支o物质在外力作用下流动和变形的性能物质在外力作用下流动和变形的性能流变性流变性o弹性、塑性、
8、粘性和强度是四个基本流变特性弹性、塑性、粘性和强度是四个基本流变特性oH-模型、模型、Stv-模型、模型、N-模型（模型（？）4.2.2 4.2.2 统计模型和随机过程学统计模型和随机过程学o 最薄弱环节学最薄弱环节学串联模型串联模型o纤维束学纤维束学并联模型并联模型o随机过程随机过程概率转移概率转移4.2.3 4.2.3 力学新进展力学新进展o 断裂力学断裂力学o损伤力学损伤力学o非平衡与不可逆固体热力学非平衡与不可逆固体热力学o分形理论分形理论o4.3 4.3 混凝土耐久性混凝土耐久性混凝土结构耐久性混凝土结构耐久性构件层次构件层次材材 料料 层层 次次 结构层次结构层次 碱碱| 集集料料
9、反反应应粘粘结结退退化化耐耐久久性性设设计计耐耐久久性性评评估估 二二氧氧化化碳碳海海洋洋环环境境土土壤壤环环境境大大气气环环境境冻冻融融破破坏坏环环 境境 层层 次次工工业业环环境境构构件件承承载载力力退退化化 混混凝凝土土锈锈胀胀开开裂裂混混凝凝土土锈锈胀胀开开裂裂氯氯盐盐腐腐蚀蚀混混凝凝土土碳碳化化氯氯离离子子有害有害离子离子微生微生物物废废渣渣废废水水验算验算构造构造措施措施经验法经验法模糊数学法模糊数学法神经网络法神经网络法专家系统法专家系统法可靠度法可靠度法4.3.14.3.1混凝土碳化混凝土碳化u 混混 凝凝 土土 + 酸酸 性性 物物 质质 中性化中性化 （碱性）（碱性） （C
10、O2、SO2、Cl2） 复杂物理化学过程复杂物理化学过程u 混混 凝凝 土土 + CO2 碳化碳化（1 1） 混凝土中性化原因混凝土中性化原因 酸性气体酸性气体 酸性水酸性水 酸性固体物酸性固体物 微生物微生物（2 2） 混凝土中性化危害混凝土中性化危害 降低混凝土碱度降低混凝土碱度 破坏钢筋表面钝化膜破坏钢筋表面钝化膜 锈蚀锈蚀 加剧混凝土收缩加剧混凝土收缩 裂缝裂缝 失效失效（3 3） 碳化机理碳化机理 混凝土硬化混凝土硬化 氢氧化钙氢氧化钙 PH12.5 二氧化碳二氧化碳 碳酸盐等碳酸盐等 PH8.5 碳化碳化（4 4）碳化影响因素）碳化影响因素 CO2浓度浓度 混凝土密实性混凝土密实性
11、 环境湿度和压力环境湿度和压力 混凝土含水率混凝土含水率晶体晶体硬化水泥浆体中硬化水泥浆体中 饱和水溶液饱和水溶液混凝土空隙中混凝土空隙中 （5 5） 碳化模型碳化模型 碳化深度与碳化时间的关系碳化深度与碳化时间的关系： 碳化速度系数，碳化速度系数，与与水灰比、水泥品种、水泥用量水灰比、水泥品种、水泥用量 养护方法、孔尺寸及分布、环境湿度温度、养护方法、孔尺寸及分布、环境湿度温度、 CO2浓度相关浓度相关 神经网络、灰色理论、化学动力学等方法预测碳化深度神经网络、灰色理论、化学动力学等方法预测碳化深度（6 6） 碳化深度与混凝土强度的关系碳化深度与混凝土强度的关系 碳化龄期与混凝土抗压强度的关
12、系碳化龄期与混凝土抗压强度的关系： 碳化深度与混凝土抗压强度的关系碳化深度与混凝土抗压强度的关系： 碳化龄期与混凝土劈拉强度的关系碳化龄期与混凝土劈拉强度的关系： 碳化深度与混凝土劈拉强度的关系碳化深度与混凝土劈拉强度的关系： 碳化对混凝土强度本身没有破坏作用碳化对混凝土强度本身没有破坏作用4.3.2 4.3.2 氯盐腐蚀氯盐腐蚀（1 1） 腐蚀源腐蚀源 海洋环境海洋环境 ：海水中盐含量：海水中盐含量3%-氯离子氯离子Cl- 为为19,000mg/L ; 海风、海雾、海砂海风、海雾、海砂 道路除冰盐：道路除冰盐： 工业环境：酸、碱、盐；液、气、固态等工业环境：酸、碱、盐；液、气、固态等 火：热
13、分解火：热分解 酸酸 （2 2）危害）危害 范围最广，危害最严重，损失最大范围最广，危害最严重，损失最大（3 3）腐蚀机理）腐蚀机理 Cl-侵入途径：混入，渗入侵入途径：混入，渗入 Fick第二定律第二定律假定混凝土中的孔隙均匀分布，假定混凝土中的孔隙均匀分布， Cl-在混在混凝土中的扩散是一维的，浓度梯度仅沿暴露表面到钢筋表凝土中的扩散是一维的，浓度梯度仅沿暴露表面到钢筋表面方向变化。面方向变化。 对钢筋的锈蚀对钢筋的锈蚀 破坏钝化膜破坏钝化膜 形成腐蚀电池：铁基体为阳极，大面积钝化膜为阴极，形成腐蚀电池：铁基体为阳极，大面积钝化膜为阴极， 蚀坑蚀坑 ，迅速，迅速 去极化作用：加速阳极化作用去极化作用：加速阳极化作用 导电作用：加速腐蚀导电作用：加速腐蚀
