当代混凝和水泥的关系及发展

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
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。
︱田︱田︱ ︱田︱田︱ ︱田︱田︱ ︱田︱田︱ ︱田︱田︱
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：


原材料不能提纯，成分波动

当前我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
什么是好的水泥？
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，自收缩大； 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；
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75mm，损失达60%
C3A含量不同的水泥配制高强混凝土的实例
熟料中 水泥 混凝土28 坍落度 水泥 C3A含量 强度 W/C 天抗压强 (mm) (%) 度 (Mpa) (MPa) 柳州 525 冀东 525R
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
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感性低的水泥
水泥强度和混凝土强度的关系
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 生产：预拌，泵送
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。
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
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
0.11
直接抗拉强度/抗压强度
0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0 10 20 30 40 50 抗压强度（MPa) 60 70
当前混凝土早期开裂的根本原因及其后果
早期强度大幅度提高的要求
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
——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； 工程对混凝土并不困难，难 的却是是配不出合格的C20混凝土
碱和C4AF对收缩的影响
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/C＜0.40，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: 5～30μm ＞90%, ＜10μm ＜ 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。
7天粉煤灰 7天水泥 28天粉煤灰
抗压强度（MPa）
30
40
30
90天粉煤灰 90天水泥
28天水泥
20
10
365天粉煤灰 365天水泥
0.8 1.2 1.6 2
0
体积水灰比
体积水胶比
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
覃老师的环收缩实验
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时对强度的贡献
抗压强度（MPa)
25 20 15 10 5 0 0.8 1.2 1.6 2
微结构形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。
水泥主要矿物水化热发展
发热量（J/g）
1600 1200 800 400 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400
3 C3S C3A 3
C2S 2 4 C4AF
龄期（天）
熟料矿物的收缩率
矿物 收缩率
C3A C2S C3S C4AF
0.00234 ± 0.000100 0.00079 ± 0.000036 0.00077 ± 0.000036 0.00049 ± 0.000114
▼熟料中SO3与含碱量的匹配 不同水泥试样流变性能的测定：
No
4 5 6 7 8 9
比表面积 流动时间（秒） 熟料硫酸盐化 (m2/kg) 搅拌5分钟 搅拌60分钟 程度 SD 377 53 63 71 372 53 63 69 383 54 61 103 386 50 77 71 371 53 99 68 353 50 139 66
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； 有的厂家缺乏诚信第一的市场经济观念，造成 混凝土配合比设计的困难； 购销双方缺少合同观念
水化温升提高 , 温 自收缩增加 度收缩应变增加 约束 拉应变增加 超过抗拉强度 早期开裂倾向增加 早期弹性模量提高， 徐变减小 拉应力增加
大气环境作用
耐久性下降
柱子的主要可能破坏形式
受 拉 破 坏
受 剪 破 坏
失 稳 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 和提高强度，但如今却在增加粉磨的能耗
SO3 SD 1.292Na2O 0.85K 2O
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 60 70 80 90 100 110 SD
流动时间减少（秒）
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%
1.2 67% 计算SD= 1.292 0.4 0.85 1.5


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。