现代混凝土存在的问题及对策分析

现代混凝土存在的问题及对策分析侯云芬[e-mail]13661344624水泥工程结构研究混凝土甲方管理监理结构设计提高比表面积,增加C3A、C3S流变性能下降收缩增加水化热增大抗化学腐蚀性下降后期强度增长小骨料级配变差针片状颗粒增多混凝土流变性能下降混凝土耐久性下降当前行业隔离现状的实例行业隔离造成的问题行业隔离问题已经不是一个技术问题，归根到底是利益的问题，而反过来却影响社会整体的生产力和人类的可持续发展。行业隔离最终影响的是工程质量一、现代混凝土的技术特征1、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结构工程材料：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：复杂的体系原材料不能提纯，成分波动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。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。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)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。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。2、什么是现代混凝土？•现代混凝土是建立在混凝土化学外加剂和矿物掺合料两大混凝土科学技术进展基础上的六组分混凝土。•预拌混凝土是现代混凝土的主体品种。以预拌混凝土、泵送为主流。拌和物的流变性能成为重要问题。3、现代技术与性能特征减小了强度对水泥的依赖性水胶比较低，浆骨比较小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使用混凝土强度范围很宽，从C20(极少量C15)到C80矿物细粉的掺加与混凝土的高性能化1)矿物细粉的功能①密实结构②胶凝材料低内能2)低水胶比、低水泥用量、低单位体积用水量等技术理念得以成功实践“外加剂使混凝土进入大流态时代,实现泵送，而粉体掺合料使泵送混凝土走向成熟”混凝土材料满足强度、工作性和耐久性的要求，完成了一次重要的螺旋式上升。4、现代六组分混凝土的技术路线高性能混凝土技术迅速开发和应用5、现代混凝土的发展方向进入二十一世纪，混凝土研究和实践将主要围绕两个焦点展开，一是解决好混凝土耐久性问题，二是混凝土走上可持续发展的健康轨道。——发展绿色高性能混凝土是必然选择水泥混凝土在过去的100年中，几乎覆盖了所有的土木工程领域，可以说，没有混凝土就没有今天的世界。但是在应用过程中，传统水泥混凝土的缺陷也越来越多地暴露出来，集中体现在耐久性方面。在目前正在实践和发展的现代混凝土中我们越来越意识到被寄予厚望的胶凝材料——水泥在混凝土中的表现，远没有我们想象的那么完美。低水胶比下所需要的凝胶数量当HPC水化程度只及常规混凝土60％时，两者结构强度相近。从长期角度来说,HPC水化程度提高后，凝胶数量增多，强度、密实性继续提高。换句话说在低水胶比下，达到同样强度对凝胶的数量要求有所下降。换句话说对胶凝材料的活性要求有所下降。保罗米公式不再适用。但是JGJ55-2010标准的仍然采用对保罗米公式进行修正的做法是对现代混凝土理解不够。制备绿色高强混凝土具有可行性•至少可以说在低水胶比下，低水泥熟料胶凝材料体系是可以制备高强混凝土的，在满足施工要求的前提下，选择较小的浆骨比。•绿色混凝土是可以做到高强度的，当然不是高早强。强度与耐久性的关系•比如同一低水胶比的纯硅酸盐水泥混凝土,其强度等级要比大掺量粉煤灰混凝土高得多,但抗氯盐侵蚀的能力却远不如后者。•高压蒸养的低水胶比混凝土,如果温控不当,可使混凝土内部的微细孔隙连通,这时的混凝土强度等级仍能达到90MPa甚至更高,抗水渗透能力也非常好,可是抗冻融和抗氯离子的能力有可能降到与中低强混凝土相近的程度。思维方法和观念的转变比技术更重要•我们一方面信誓旦旦要发展绿色混凝土，一方面又不舍得放弃传统混凝土带给我们的种种“好处”，当然其实主要还是高早强形成的观念和做法。比如“最好3天就能张拉”，“最好第二天上班就拆模”；“28天衡量强度不能改变”……•如果有“成长催化剂”我们是不是让我们的孩子吃？我们是不是要求用成人的标准衡量一个十岁的孩子？•我们应该习惯于制造缓凝混凝土，在幼龄期具有高徐变和低弹性模量。转变观念谈何容易•开惯了汽车，叫你骑自行车，你当然不适应；胡吃海塞惯了让你管住自己的嘴当然不情愿；建设习惯于追求速度，抢工期，让你使用强度发展慢的绿色混凝土，许多人脑袋肯定会摇得像个拨浪鼓，“不可能、不现实、无法实现……”。人们有一万个理由把自己的思路框在快速建设的模式中。但是如果是为子孙考虑，让人类“寿与天齐”我们就必须改变自己，让建筑行业接受科学发展观。Mehta告诫我们：建造实践需要进行变革即使正确地限定了原材料和拌合物配合比，并且小心地遵循施工规程，认为可以根据现有的实践建造耐用和持久的混凝土结构仍然是不现实的。这是因为在20世纪里，材料和建造实践首先是为了满足快速建设的需要，事实已经证明：这对暴露于严酷环境条件下运行的混凝土结构耐久性是有害的。我们在建造耐用和环境中持久的混凝土结构时，必须牺牲一些建设速度，显然，这需要政府主管部门、业主、营造商与设计者转变观念。（量測現況）6、现代混凝土的现状：知识和观念陈旧•混凝土配合比设计存在的问题影响质量及其控制•对矿物掺和料认识和使用存在误区•对添加剂的盲目使用•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•对水泥品质的误导•作为用户，和原材料供应方矛盾尖锐，不能正确认识和掌控原材料的质量,不能形成健康的买方市场•混凝土材料不是最终产品，拌制后，必须经过浇注、振捣成型并养护后，成为构件(element),才算完成由混凝土所制成的产品，这个过程就是混凝土工程。目前混凝土工程质量问题很大程度上源于野蛮施工。•行业隔离，各自以追求最大利润为目的，缺乏对工程负责的意识。•强度第一、利润第一的思想支配行为，缺少质量意识和长远意识。混凝土工程建造需要统一协作仅有强度是不够的二、水泥现状对现代混凝土的不适应问题1、传统混凝土对水泥的需求与认识•混凝土强度的根本来源混凝土的强度归根结底来源于水泥石。水泥水化物质生成后，将不是一粒一粒地离开水泥颗粒母体向着液体游动，而是立即互相交织粘结起来，成为立体网结构，这种具有强度而仍有变形能力的网构状的物质，以固体键在交接点上联结，这才形成了赋予混凝土强度的基本单元―凝胶。四组分混凝土与保罗米公式•依据四组分混凝土大量试验提出的Bolomy公式：R28＝ARc(c/w-B)成为混凝土配合比设计的重要基础，延续近100年。由此人们得到了混凝土强度依赖于水泥强度的结论。•20世纪60年代以前大量的工程实践证实了水泥强度对混凝土形成高强度的重要意义。混凝土对水泥品质的要求“强度第一，甚至强度唯一”成为主流观念。传统观念形成的理由•传统四组分塑性混凝土往往水灰比比较大，水泥浆量相对较低，这是保罗米公式形成的重要前提条件。在这样的基础上，水泥活性对混凝土28天强度和其他性能意义重大。•也就是说需要大量的水化产物形成硬化结构。传统观念形成的理由例如，许多规范、标准限定混凝土中粉煤灰的掺量应在25%以下，尤其是预应力混凝土构件中的掺量。这是因为过去我们的混凝土中没有掺用减水剂，混凝土的水灰比较大（一般都高于0.5）。在这种情况下掺入粉煤灰，减少水泥的用量，就会使混凝土的凝结时间明显延缓、硬化速率减慢，表现为早期强度低、混凝土渗透性增大。传统观念形成的理由高水灰比的水泥浆体里，水泥颗粒悬浮于水分中，水化环境良好，可以迅速地生成表面积增大1000倍的硅酸盐水化物等，有良好地填充浆体内空隙的能力。虽然从颗粒形状来说，粉煤灰易于堆积密实，但是它水化缓慢，生成的凝胶量少，难以填充颗粒周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆体的强度和其他性能总是随其掺量增大（水泥用量减少）呈下降趋势（在早龄期尤为显著）。2、现代混凝土对水泥的要求•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•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。最重要的是产品的匀质性，因此希望控制指标的上下限(如细度的上限）。•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。3、水泥的功与过⑴水泥之功，功不可没应该说水泥与现代建筑紧密相连，“没有水泥，就没有今天的世界”。水泥－→混凝土－→建筑设计砂浆－→建筑施工可以说水泥是一剂灵丹妙药，它使建筑这个行业完成了一次本质性的跨跃。今天的大跨度桥梁、海底隧道、高层建筑、水库大坝都离不开水泥。水泥之所以如此重要是因为它有优良的胶凝性能。四大类型矿物，可以在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在大气、水中稳定存在。是一种高能量的人造材料。经过近两百年的研究、生产与实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改造自然，从事建设的有力武器。⑵水泥之过1）长期以来，重水泥研究，轻混凝土研究，错误的认为水泥的问题解决了，混凝土的问题就解决了，不认为混凝土本身是一门科学和复杂的技术。2）认为将水泥作为胶凝材料的唯一组分是混凝土的最佳选择。3）认为水泥掺加的越多，混凝土的质量越好。根源在于水泥带来混凝土高的早期强度，使人们产生错觉，忽略了耐久性问题。是基于传统混凝土理念的产物。4）水泥性能不能满足现代混凝土需求•单纯追求满足强度下的高利润，使水泥厂采取使用助磨剂磨细、掺用“增强剂”，细度越来越细。•矿物中C3S、C3A越来越高，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。•再加之使用硬石膏缓凝、胶凝材料中SO3含量偏低，•水泥供不应求造成的生产混凝土时水泥温度过高等因素使水泥与外加剂相容性不好，硬化性能也受到影响。4、水泥的变化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。•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；水泥强度和混凝土强度的关系任何水泥基材料的强度主要取决于水胶比按现有标准的水泥强度检验水胶比：0.5当前用量最大的混凝土水胶比：＜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混凝土当然，在相同水胶比下，混凝土28天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。•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•在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中水胶比决定着混凝土的强度•混凝土和水泥强度之间不再有线性关系矿物掺和料对混凝土强度的贡献随水胶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。为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？但是现今高效减水剂的应用已经很普遍，混凝土所用水灰比，尤其是掺有矿物掺合料混凝土的水胶比很容易降至0.5以下，同时现今的水泥活性则远高于二十世纪八十年代以前的水泥（因为早强矿物C3S含量显著提高、粉磨细度加大），因此掺加矿物掺合料的混凝土，即使是掺量很大的混凝土，与过去混凝土相比，其早期强度的发展速率也大大加快了。为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？在低水胶比（如0.3左右）的水泥浆体里情况就大不一样了