高性能混凝土的理论要点高性能混凝土的理论要点 1 1、密实堆积理论密实堆积理论2 2、中心质假说中心质假说3 3、低水胶比带来了什么？低水胶比带来了什么？4 4、超细粉在混凝土中的功能和机理超细粉在混凝土中的功能和机理1 1、密实堆积理论、密实堆积理论 20012001年年3 3月月ACI ACI CONCRETE CONCRETE INTERNATIONALINTERNATIONAL上上MehtaMehta教授宣称教授宣称: :百年来混凝百年来混凝土构造不是健康的。土构造不是健康的。这一震撼性言论这一震撼性言论, ,点醒了近点醒了近代混凝土的问题代混凝土的问题, ,太重视太重视“人定胜天人定胜天”，而未寻，而未寻“天人合一天人合一, ,自然为重自然为重”的精神。的精神。 如果以骨料致密堆积为主轴，先如果以骨料致密堆积为主轴，先求出最密实的粒料系统，此方法如同求出最密实的粒料系统，此方法如同大地土壤的压紧法，大地土壤的压紧法，在物理学上是愈在物理学上是愈致密则性质愈佳，这是千真万确的理致密则性质愈佳，这是千真万确的理论，论，即使由微观结构上，原子结构上即使由微观结构上，原子结构上也是这样的。也是这样的。 一旦粒料系统，包括一旦粒料系统，包括砂、石、粉煤灰、砂、石、粉煤灰、磨细矿粉、硅灰等堆积至最大密度后，接磨细矿粉、硅灰等堆积至最大密度后，接着剩下的空间由水泥和水来填充，当然质着剩下的空间由水泥和水来填充，当然质地密实混凝土健康情况佳。地密实混凝土健康情况佳。水泥浆是由混水泥浆是由混凝土工作度和强度决定的，但单位体积用凝土工作度和强度决定的，但单位体积用水量绝对限制在水量绝对限制在150kg/m150kg/m3 3以下。原因是避以下。原因是避免干缩量过大免干缩量过大。这种方法是台湾科技大学。这种方法是台湾科技大学黄兆龙教授提出的，被称为黄兆龙教授提出的，被称为“黄氏致密配黄氏致密配比法比法”。需要说明的几个问题需要说明的几个问题 、“黄氏致密配比法黄氏致密配比法”的准则是的准则是“混凝土中混凝土中的水越少越好，而水泥需要的水越多越佳。的水越少越好，而水泥需要的水越多越佳。”表面看似矛盾，事实上完全完全符合混凝土结表面看似矛盾，事实上完全完全符合混凝土结构的健康原则。构的健康原则。 混凝土中混凝土中1kg1kg的水占的水占1m1m3 3混凝土的体积混凝土的体积0.1% 0.1% ，这对混凝土受拉力应变这对混凝土受拉力应变0.003(0.3%),0.003(0.3%),即会产生即会产生拉力破坏的能力而言拉力破坏的能力而言, ,其实是蛮大的其实是蛮大的, ,因为只要因为只要水量水量3kg3kg即可达即可达0.3%,0.3%,其拉力甚大其拉力甚大, ,易使混凝土易使混凝土破坏无疑破坏无疑, ,因此水量愈少愈佳是不争的因此水量愈少愈佳是不争的. . 对水泥而言，水量愈多愈好，原因对水泥而言，水量愈多愈好，原因是是水泥需要大于水泥需要大于0.42(0.42(对对C C3 3S S而言，对而言，对C C3 3A A则需要大于则需要大于0.6)0.6)的水量才可以充分的水量才可以充分水化，水化，况且多余水还要提供二次水化况且多余水还要提供二次水化所用，才能达到膨胀填塞的目的，达所用，才能达到膨胀填塞的目的，达到抗渗性及其他耐久性的功能。到抗渗性及其他耐久性的功能。需要说明的几个问题需要说明的几个问题 “黄氏致密配比法黄氏致密配比法”可以克服可以克服ACIACI配合比配合比方法。依据方法。依据ACI363“ACI363“高强度混凝土高强度混凝土”的观的观念，高工作性通常伴随着念，高工作性通常伴随着高拌和水量高拌和水量和和高高水泥用量水泥用量的结果，将面临潜在大量变形的的结果，将面临潜在大量变形的危机，使混凝土患上富贵病。危机，使混凝土患上富贵病。蒲心诚教授认为蒲心诚教授认为 矿物细粉掺和料的掺加矿物细粉掺和料的掺加对凝胶结对凝胶结构的密实性和品质的提高具有重要意构的密实性和品质的提高具有重要意义义，这一点往往被忽略。，这一点往往被忽略。2 2、中心质假说介绍、中心质假说介绍 把不同尺寸的分散相称为中心质，把不同尺寸的分散相称为中心质，把连续相称为介质。如把连续相称为介质。如钢筋、集料、钢筋、集料、纤维等称为大中心质纤维等称为大中心质；水化产物称为水化产物称为介质介质；少量；少量空气和水称为负中心质空气和水称为负中心质。 各级中心质和介质之间存在过渡层，各级中心质和介质之间存在过渡层，中心质以外所存在的组成、结构和性中心质以外所存在的组成、结构和性能的变异范围都属于过渡层能的变异范围都属于过渡层。 各级中心质和介质都存在相互的效应，各级中心质和介质都存在相互的效应，称为称为“中心质效应中心质效应”。例如混凝土中的例如混凝土中的集料就是大中心质，它对周围介质所产集料就是大中心质，它对周围介质所产生的吸附、化合、机械咬合、粘接、稠生的吸附、化合、机械咬合、粘接、稠化、强化、晶核作用、晶体取向、晶体化、强化、晶核作用、晶体取向、晶体连生等一切物理、化学、物理化学的效连生等一切物理、化学、物理化学的效应均称为应均称为“大中心质效应大中心质效应”，效应所能效应所能达到的范围称之为达到的范围称之为“效应圈效应圈”，过渡层，过渡层是效应圈的一部分。是效应圈的一部分。 有利的大中心质效应不仅可改善过有利的大中心质效应不仅可改善过渡层的大小和结构，而且效应圈中的渡层的大小和结构，而且效应圈中的大介质具有大中心质的某些性质，增大介质具有大中心质的某些性质，增加有利的效应，减少不利的效应，对加有利的效应，减少不利的效应，对改善混凝土的宏观行为能起重要的作改善混凝土的宏观行为能起重要的作用。用。 中心质假说早就提出，中心质假说早就提出，但不能对但不能对传统混凝土结构进行很好的解释传统混凝土结构进行很好的解释；但但对高性能混凝土的解释很有说服力，对高性能混凝土的解释很有说服力，为越来越多的学者接受。为越来越多的学者接受。 HPCHPC按照中心质假说属次中心质的未水按照中心质假说属次中心质的未水化水泥颗粒、粉煤灰颗粒（化水泥颗粒、粉煤灰颗粒（H H粒子）属于次粒子）属于次介质的水泥凝胶（介质的水泥凝胶（L L粒子）和属于负中心质粒子）和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。以下三点解释很重的毛细孔组成水泥石。以下三点解释很重要要: :从强度的角度看孔隙率一定时，从强度的角度看孔隙率一定时，H/LH/L粒子比值越大，水泥石强度越高；但有个粒子比值越大，水泥石强度越高；但有个最佳值，超过后随其提高而下降最佳值，超过后随其提高而下降。在一定范围内，在一定范围内，H/LH/L最佳值随孔隙率下降而最佳值随孔隙率下降而提高提高。也就是说在次中心质的尺度上，一。也就是说在次中心质的尺度上，一定量的孔隙率需要一定量的次中心质以形定量的孔隙率需要一定量的次中心质以形成足够的效应圈，起到效应叠加的作用，成足够的效应圈，起到效应叠加的作用，改善次介质。改善次介质。在水胶比很低的高性能混凝土中水泥石的在水胶比很低的高性能混凝土中水泥石的孔隙率很低，在一定的孔隙率很低，在一定的H/LH/L粒子比值下，强粒子比值下，强度随孔隙率的减少而提高。因此，度随孔隙率的减少而提高。因此，尽管水尽管水泥的水化程度比较低，水泥石中保留了很泥的水化程度比较低，水泥石中保留了很大的大的H/LH/L粒子比值，但与很低的孔隙率和良粒子比值，但与很低的孔隙率和良好的孔结构相配合形成微结构，可获得高好的孔结构相配合形成微结构，可获得高强度。强度。3 3、低水胶比带来了什么？、低水胶比带来了什么？ 首先，需要说明的是低水胶比并首先，需要说明的是低水胶比并不意味着低水灰比，由于掺用了矿物不意味着低水灰比，由于掺用了矿物细粉掺合料，细粉掺合料，胶凝材料的组分不再只胶凝材料的组分不再只有水泥，而是水泥和矿物细粉掺合料有水泥，而是水泥和矿物细粉掺合料共同组成。共同组成。低水胶比带来的影响反映在：低水胶比带来的影响反映在：1.结构密实、孔隙率低；结构密实、孔隙率低；2.保证了混凝土的强度，尤其是长期强度保证了混凝土的强度，尤其是长期强度；3.使混凝土走出单纯依靠水泥和高水泥用量使混凝土走出单纯依靠水泥和高水泥用量的误区，逐渐形成合理结构的胶凝材料组的误区，逐渐形成合理结构的胶凝材料组成；成；4.使水化物的组成、结构和形貌发生了使水化物的组成、结构和形貌发生了变化变化；5.使水泥基材料的水化进程发生很大变使水泥基材料的水化进程发生很大变化；化；6.从根本上提升了混凝土耐久性。从根本上提升了混凝土耐久性。 用用“水胶比水胶比”替换替换“水灰比水灰比”标标志着混凝土技术开始志着混凝土技术开始从传统理念向现从传统理念向现代理念过渡，意味着混凝土高性能的代理念过渡，意味着混凝土高性能的进程开始进行。进程开始进行。4 4、超细粉在混凝土中的功能和机理超细粉在混凝土中的功能和机理填充效应流化效应增强效应耐久性效应（1 1）超超细粉的填充效粉的填充效应图图2-1 2-1 超细粉的填充效应超细粉的填充效应图图2-2 2-2 粒子组合与空隙率的变化粒子组合与空隙率的变化 （2 2）超细粉的流化效应）超细粉的流化效应水胶比水胶比29%，外掺萘系高效减水剂，外掺萘系高效减水剂NF0.9%，测定净浆流动性测定净浆流动性水泥：超水泥：超细粉粉超超细粉品种粉品种100100：0 09595：5 59090：10108080：20207070：3030100%100%超超细粉粉* *不不掺NFNF掺NFNFNZNZ（7000cm7000cm2 2/g/g）/ /255255242242不流不流动不流不流动 不流不流动不流不流动BFSBFS（6820cm6820cm2 2/g/g）/ /2602602652652702702802808080285285PSPS（6800cm6800cm2 2/g/g）/ /2652652702702752752852858585280280NZ-SFNZ-SF/ /250250260260170170不流不流动NZ-NZ-BFSBFS（7000cm7000cm2 2/g/g）/ /265265258258246246215215水泥水泥（2800cm2800cm2 2/g/g）240240/ / / / /图图2-3 2-3 高效减水剂固定掺量（高效减水剂固定掺量（0.9%0.9%）超细粉）超细粉掺量对浆体流动性的影响掺量对浆体流动性的影响不同减水剂掺量下的净浆流动度不同减水剂掺量下的净浆流动度 NO.NO.胶胶结材料的材料的组成成（% %）高效减水高效减水剂掺量（量（% %）0.40.40.50.50.60.60.70.70.80.81 1水泥水泥1001001291291381381551551901902352352 2水泥水泥8080，矿渣渣20201251251361361851852302302652653 3水泥水泥8080，磷渣，磷渣20201321321701702152152502502702704 4水泥水泥8080，沸石，沸石2020/ / /130130195195237237图图2-4 2-4 双重的双电层作用水泥易于分散双重的双电层作用水泥易于分散 图图2-5 2-5 胶凝材料的分散状态胶凝材料的分散状态（3 3）超细粉的强度效应）超细粉的强度效应NO.NO.W/BW/B单方混凝土材料用量（方混凝土材料用量（Kg/mKg/m3 3）水泥水泥水水超超细粉粉砂砂碎石碎石高效减水高效减水剂1 14242400400168168/ /800800100010008 82 2424234034016816860MK60MK800800100010008.88.83 3424234034016816860SF60SF800800100010001010NO.NO.混凝土拌合物性能混凝土拌合物性能抗抗压强强度（度（MPaMPa）3d3d7d7d28d28d1 1坍落度坍落度19cm19cm，泌水，板泌水，板结20.120.1（100%100%）35.335.3（100%100%） 37.437.4（100%100%）2 2坍落度坍落度16cm16cm，稍泌水，无板稍泌水，无板结28.528.5（142%142%）47.747.7（135%135%） 61.161.1（163%163%）3 3坍落度坍落度5cm5cm，无泌水，板无泌水，板结26.426.4（131%131%）42.342.3（120%120%） 52.452.4（140%140%）（4 4）超细粉的耐久性效应）超细粉的耐久性效应 含含MKMK（偏高岭土超细粉偏高岭土超细粉) 15%) 15%的混凝土的混凝土56d56d导电量，导电量，比基准混凝土明显下降，约为基准混凝土导电量一比基准混凝土明显下降，约为基准混凝土导电量一半左右。说明掺入超细粉混凝土耐久性提高半左右。说明掺入超细粉混凝土耐久性提高。 W/BW/B（% %）代号代号ASTMC1202 6hASTMC1202 6h总导电量（库伦）总导电量（库伦）28d28d56d56d3030纯水泥纯水泥1751175112841284MKMK（15%15%）8748747177174040纯水泥纯水泥2660266021932193MKMK（15%15%）15001500123412345050纯水泥纯水泥3296329627002700MKMK（15%15%）1950195014501450以往在高性能混凝土研究中忽略了材料颗以往在高性能混凝土研究中忽略了材料颗粒级配、粒度分布的问题，粒级配、粒度分布的问题，特别是粉体材特别是粉体材料的粒度分布未引起足够的重视料的粒度分布未引起足够的重视。这样配这样配制的混凝土中除了部分水泥和矿物掺合料制的混凝土中除了部分水泥和矿物掺合料参与水化反应形成水化产物外，实际上大参与水化反应形成水化产物外，实际上大量的水泥和掺合料在混凝土中起到的只是量的水泥和掺合料在混凝土中起到的只是填料作用，而且由于其颗粒粒度分布不合填料作用，而且由于其颗粒粒度分布不合理，其填充效率低下，所形成的混凝土内理，其填充效率低下，所形成的混凝土内部结构空隙率较大。部结构空隙率较大。研究表明，研究表明，高性能混高性能混凝土需要微细填料！凝土需要微细填料！ 由由于于水水泥泥和和某某些些矿矿物物掺掺合合料料实实际际上上不不适适合合做做这这种种微微细细填填料料，首首先先它它们们不不适适合合磨磨到到超超细细，原原因因是是超超高高细细度度的的水水泥泥和和矿矿物物掺掺合合料料会会引引起起水水化化反反应应加加剧剧、凝凝结结硬硬化化过过快快、混混凝凝土土温温升升提提高高、显显著著增增大大混混凝凝土土收收缩缩而而引引起起开开裂裂等等一一系系列列问问题题；其其次次这这些些材材料料难难以以粉粉磨磨到到超超细细。因因此此，高高性性能能混混凝凝土土需需要要具具有有低反应活性的易于加工的超细填料！低反应活性的易于加工的超细填料！