混凝土孔结构的分类命名与高性能混凝土的孔结构种类.pdf

2 0 1 2年 第 7 期 (总 第 2 7 3 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 3) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 0 0 9 混凝土孔结构的分类命名与高性能混凝土的 孔结构种类 陈立军，窦立岩 ，张春玉，赵洪凯 ( 吉林建筑工程学院 ，吉林 长春 1 3 0 0 1 8 ) 摘要 ： 论述了混凝土孔结构 的分类与命名方法 ； 指出高性能混凝 土的孔结 构应该 具有中密实 、 超密实和引气型三类 ， 其 中大规模使用 的高性能混凝土孔结构应该是引气型的。 关键词： 混凝土； 孔结构；高性能混凝土；中密实；超密实；引气型 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 2 8 0 3 Cl a s s i f i c a t i on and n ami ng of c on cr et e por e s t r uc t ur e a nd t he hol e s t r u ct u r e t ype s of hi gh pe r f or man c e c on cr et e C H E NL i -j an， DOUL i - y a n ， Z HA NGC h u n - y u ， Z H AOHo n g - k a i ( J i l in I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 1 8 ， C h i n a ) Ab s t r act ：Di s c u s s e d t he c l a s s i fic a t i o n a nd n a mi n g o f h o l e s t r uc t u r e o f c o n c r e tea s a r e s u l t ， i t p o i n t s o u t t h a t t h e h i g h p e rfo r m an c e c o n c r e t e s h o u l d f a l l i n t o t h r e e g r o u p s ： mi d d l e c l o s e - g r a i n e d， s u pe r c l o s e gra i n e d a n d Ai r - e n t r a i ni n g t y p e Amo n g th e m the l a s t o n e s h o u l d b e a d o p t e d 0 11 a l a r g e s c a l e Ke ywor ds ： c o n c r e t e； h o l e s t r u c t u r e； h i g hp e r f o rm anc e c o n c r e t e； mi d d l e , c l o s e g r a i n e d； s u pe r c l o s e - gra i n e d； a i r - e n t r a i n i n gt y p e 0 引 言 国际混凝土界的著名教授 P K Me h t a 指出： “ 混凝土世界 与人类世界一样是非线性的， 且在非线性中还有着不连续性” 【 l 1 。 其观点深刻表达了混凝土世界的多变性和复杂性 。 为了描述 混凝土水泥浆体 内部孔隙的尺寸范围( 包括 7 个数量级) 有多 么宽广 ， Me h t a教授列出了相似的范围： 以人的身高( 相当于 C S H中的层间孔 ) 为起点 ， 经过类似埃菲尔铁塔 、 珠穆朗玛峰 等 6个级别的变化后， 以火星直径( 相当于浆体中带人的气 孔 ) 为终点。 在如此巨大的孑 L 径变化范围内， 同时伴随着混凝 土化学组成和环境条件的变化， 混凝土性能和使用性能的变 化不是简单的线性， 已是不争的事实。 在不同的内部结构和外 部环境条件下， 其变化规律应具有不同的周期性和重复性 。 因此， 在研究混凝土孔结构与混凝土性能和使用性能之间的 关系时 ， 应按具有不同性质的孔径所在范围对混凝土孔结构 进行合理地分类， 并对具有不同最可几孔径范围的混凝土进 行合理地命名。 从而有助于改变一些习惯性的思维和不完善 的用语或做法 ， 例如“ 混凝土密实度越大或水胶 比越小 ， 耐久 性越好” 以及“ 增加混凝土密实度， 改善混凝土孔结构” 等等 ， 要注意强调这些语言所适合 的孔径范围及其合理名称 ， 以及 混凝土所处于的环境条件。 这对于未用引气剂的混凝土和不 能确保混凝土达到超密实的情况是非常重要的。 同时， 应对高 性能混凝土的孔结构种类进行相应的研讨， 以正确引导和推 广高性能混凝土的生产技术， 使之真正具有优异的技术性能 和经济性能 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 1 - 2 7 28 1 混凝土孔 结构的分类与命 名方法 根据普通混凝土的定义， 其表观密度为 1 9 0 0 2 5 0 0 k g m3 ， 波动范围较大。 如果考虑高性能混凝土， 其波动范围可能还会再 大一些。 故混凝土内部孔结构的最可几孔径变化范围也是相当 大的。 根据混凝土不同最可几孔径所具有的性质及混凝土的相 应密实程度， 将混凝土孔结构按最可几孔径合理地划分并命名， 有利于更好地控制混凝土的生产质量。 因此， 建议混凝土孔结构 的分类与命名方法如下： ( 1 ) 超密实混凝土： 以超微孔( 半径 r 1 0 ri m) 为主要孔隙的 混凝土。 其孔隙内部冰点极低， 且不会产生碳化收缩等现象嗍 。 ( 2 ) 高密实混凝土 ： 以微毛细孔( 1 0 ri m r 1 0 0 n n 1 ) 为主要 孔隙的混凝土。 其孔隙内部冰点较低， 但会出现毛细孔凝结现象 ( 系指对平液面不饱和的蒸汽在毛细孔中液化的现象) 和毛细孔 压力增大的现象。 毛细孔凝结和毛细孔压力是毛细孔所具有的 2 个重要性质。 毛细孔凝结现象可使混凝土孔隙内部的含湿量 增大， 但在大气中只有微毛细孔才能产生毛细孔凝结现象， 大毛 细孔不仅不吸收潮湿空气中的水分， 其中原有的水分反而会被 排入空气中 5 - 8 ； 毛细孔压力可使混凝土的自收缩和毛细孔压力 渗透性增大， 造成混凝土早期裂缝增多， 接触液体时的渗透深 度加大 ， 而毛细孔压力大小与毛细孔半径亦呈反比关系， 且始 终具有使液体由外部渗入内部的作用方向， 当液体由毛细孔一 端渗入达到另一端时， 毛细孔压力会改变作用方向 。 ( 3 ) 中密实混凝土 ： 以大毛细孔( 1 0 0 n m r 1 0 0 0 n m) 为主要孔隙的 混凝土。 其毛细孔凝结现象和毛细孔压力渗透性较： J ts - s ， 但受 压力水和重力水引起的渗透性大， 结构强度不易提高。 ( 5 ) 引气型混凝土： 以孔径 2 0 - 2 0 0 p , m的气孔切断联通的 微毛细孔和大毛细孔 ， 从而减轻毛细孔压力和水压力( 在每一 段毛细孔中毛细孔压力都有正、 反两个作用方向， 其反向压力 可抵抗水压力) 引起的渗透现象旧； 并可增加储备孔( 被气体充 填的孔隙) 的相对数量， 降低毛细孔凝结现象， 提高混凝土在大 气 中的抗冻性7 1 。 2 高性能混凝 土的孔 结构种 类 目前 ， 各个国家对高性能混凝土的定义虽然在字面上并不 完全统一， 但其内涵大多是一致的。 根据优质而经济的混凝土基 本要求， 所谓的高性能混凝土就是指混凝土具有高强度 、 高耐 久性、 高工作性等多方面( 如体积稳定性等) 的优越性能。 其中， 最重要的是高耐久性， 同时考虑高性能混凝土的实用价值， 还应 兼顾高经济性； 但必须注意其中的高强度并不是指混凝土的强 度等级( 即2 8 d强度) 一定要高， 而是指能够满足使用要求的强 度等级和足够高的长期强度。 因为， 强度等级相对较低的混凝土， 却往往具有相对更高的长期强度； 而某些强度等级相对较高的 混凝土 ， 长期强度却相对较低嗍 。 尽管混凝土强度等级不高， 但 只要能够满足使用要求， 同时具有所需要的高耐久性和高工作 性等 ， 仍然可以称为高性能混凝土。 而且， 高性能混凝土应该具 有更高的性价比， 应该是可持续发展的绿色混凝土。 因此， 高性能混凝土不仅适用于有超高强度等级要求的混 凝土工程， 而且同样应该适用于各种强度等级的混凝土工程。 例如E t 本跨海明石大桥基墩混凝土( 5 O万 m， ) 要求高耐久性、 高抗冲刷性与低升温， 而强度只要求 2 0 MP a ， 使用的就是掺加 了复合外加剂与复合细掺料的高性能混凝土。 由于高性能混 凝土的强度等级可以差别很大， 高性能混凝土的孔结构也不会 是完全相 同的一种类 型。 纵观现代混凝土的发展历史， 2 0 0年来 ， 混凝土和水泥的生 产技术一直在不断地发展变化， 特别是近几十年内的变化很大。 因此 ， 混凝土的孔结构和使用寿命也随之发生了很大变化。 最 初的水泥颗粒比较粗糙， 硅酸三钙的含量较低 ， 且混凝土中还 没有使用引气剂和减水剂， 混凝土强度只有 2 0 MP a 左右。 提高 混凝土强度主要依靠振动加压、 降低水胶比来增大混凝土的密 实度。 通过振动加压虽然能够减少或消除宏观的大孔， 使颗粒 尽可能紧密堆积， 但因水泥颗粒较粗， 表面不光滑 ， 缺乏细颗粒 对粗颗粒空隙的填充， 水泥浆体主要形成大毛细孔和凝胶孔两 类孔隙， 基本不形成微毛细孔。 如前苏联的研究表明， 由细颗粒 ( 5 m) 含量不多的水泥制作的水泥石 ， 主要形成两类孔： 凝胶 孔和大毛细孔 。 故可以认为振动加压的作用使混凝土由非密 实状态转变为中密实状态。 历史经验表明， 混凝土的一般使用寿 命为 7 0年左右， 有些可达 1 0 0 多年。 到 2 0世纪 3 0 年代年末， 美 国发明了松脂类引气剂和纸浆废液减水剂 ， 引气混凝土应运而 生， 混凝土孔结构和在恶劣环境下的耐久性有了进一步改善。 2 0世纪 6 0 年代， 日本和德国相继开发、 研制成功萘系高效减水 剂和三聚氰胺树脂系高效减水剂， 在此期间或前后， 为了提高 水泥的早期强度， 世界各国水泥企业开始提高水泥中硅酸三钙 的含量和粉磨细度， 制备的混凝土流动性、 强度和密实度大幅 度提高。 但因混凝土生产措施的不完善， 如硅灰等超细颗粒的 应用有限和水胶比的降低不当， 大多数混凝土的孔结构还不能 保证达到超密实状态( 因缺乏超细颗粒的填充和足够低的水胶 比) ， 仅能达到高密实状态 即形成较多的微毛细孔， 如原苏联的 研究表明， 水泥颗粒组成中的细颗粒( 5 w m) 含量相对较多， 由 于分散度很高 ， 水化物充填了大部分毛细孔空间， 使水泥石中 的微毛细孔数量增多， 大毛细孔数量明显减少刚。 混凝土的使 用寿命也出现了较大的波动。 2 0世纪 7 0年代起， 发达国家已有 投入使用的诸多基础建设和重大工程， 出现了过早破坏的问题。 如美国有 2 5 3万座混凝土桥梁， 桥面板使用不到 2 0年就开始 破坏【 I 1 。 尽管混凝土的外界条件( 如暴露于沿海和除冰盐环境中 的混凝土 ) 对其耐久性有很大影响， 但混凝土组成结构这一内 在因素的变化对其使用寿命的影响更加重要。 如混凝土桥面底 部比桥面( 可直接与除冰盐接触) 的其他部位更易出现钢筋的 腐蚀 。 我国混凝土生产技术相对滞后， 但仍未能避免混凝土耐 久性下降的现象发生。 现代水泥较高的早期强度以及高效减水 剂的应用 ， 为混凝土施工带来优良的工作性和可观的经济效益 ， 在施工单位的应用普及很快； 而引气剂对混凝土早期强度的不 利影响以及使混凝土生产成本的提高， 使其推广应用相对迟缓 ； 再加上施工质量等问题， 而导致我国房屋与基础设施的使用年 限比世界平均水平还低。 有的公路桥梁甚至仅使用 3 5年就出 现破损， 个别的桥梁建成后尚未投入使用已需要维修， 甚至边 建边修， 大大缩短了混凝土结构的服役寿命 1 l】 。 为了解决混凝土 结构耐久性下降的问题， 2 O世纪 8 0年代末 9 0年代初， 一些发 达国家提出了高性能混凝土的概念。 现今混凝土的耐久性指标 有些被定在 3 0年到 5 0年， 有些情况被定为一百年到数百年， 波 动幅度有增大的趋势。 其最低使用寿命的确定已明显低于当初 全世界混凝土工业通用的2 0 P a 混凝土， 实际上还有更低的情 况； 但最高使用寿命的确定却超过当初的2 0 V I P a 混凝土。 根据混凝土的使用寿命的变化及其孔结构类型 ， 高性能混 凝土的孔结构也应该具有不同类型。 不同孔结构的高性能混凝 土， 生产方法也不可能相同； 只用一种方法生产同一种孔结构 的高性能混凝土， 使其在任何情况下都具有最佳的性价比是不 现实的。 为了更经济合理地制备高性能混凝土， 针对不同的需 要和条件， 高性能混凝土合理的孔结构种类及其生产方法应包 括以下 3 种 ： ( 1 ) 中密实高性能混凝土( 即以大毛细孔为主要孔隙的高 性能混凝土) 。 应重点控制水泥和混凝土掺合料的颗粒组成与混 凝土的水胶 比， 配合适当的减水剂使之达到所要求的工作性 。 过粗和过细的胶凝材料粉磨细度 ， 以及减水剂的不适当使用， 过大和过小的水胶比， 都不能确保混凝土具有合理的大毛细孔 结构及其优 良的耐久性。 而且过细的胶凝材料粉磨细度 ， 还会 造成粉磨能耗和外加剂( 合理的颗粒组成可以降低减水剂的使 用量) 的浪费。 这种混凝土特别适合早期强度要求不高的混凝 土工程 ， 只要同时保证胶凝材料具有合理的化学组成( 加入活 性掺合料以控制适当的钙硅比) ， 其耐久性是没有问题的。 如古 代的石灰火山灰混凝土( 包括古罗马水泥混凝土) ， 当时的生产 技术注定其胶凝材料的颗粒细度无法达到现代水泥的粉磨细 度， 故其混凝土也无法达到现今混凝土的致密程度 ， 然而混凝 土的耐久性却是相当好的。 ( 2 ) 引气型高性能混凝土( 以孔径 2 0 - 2 0 0 m的气孔切断 联通的微毛细孔和大毛细孑 L ) 。 应加强高效引气剂和引气减水剂 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的研究 、 应用和推广， 实现其与不同胶凝材料的合理匹配， 达到 最佳的引气量和气孔分布。 对于胶凝材料的颗粒组成不理想 、 混凝土水胶 比受强度 、 和易性等因素控制而不宜调整 ， 不能确 保混凝土达到中密实或超密实结构的情况下 ， 引气混凝土是提 高混凝土耐久性的必由之路。 而且引气混凝土的强度等级范围 很广 ， 即可以制备普通强度混凝土， 也可以制备高强混凝土。 ( 3 ) 超密实高性能混凝土( 以超微孔为主要孔隙的高性能 混凝土 ， 为保证混凝土绝大多数孔半径 r 1 0 n n l ， 建议控制最可 几孔半径或平均半径 r 5 ri m) 。 应重点研究采用加入高效减水剂、 超细粉和现代纤维材料复合制备混凝土的技术。 实现无机和有 机化学的结合， 无定形和胶体的结合， 粉体与纤维的结合， 使混 凝土获得更高的强度、 韧性、 耐久性和性价比。 这种混凝土更适 合制备超高强混凝土。 在上述 3种孔结构的高性能混凝土当中， 应用最广的还应 该是引气型高性能混凝土。 因为， 现代水泥较高的粉磨细度和减 水剂的应用已经难以保证混凝土达到中密实状态 ， 然而却可以 使现代混凝土具有较高的早期强度和工作性 ， 这也是时代的需 要； 另外， 硅灰数量的有限和其他超细粉的制备困难也限制了 超密实混凝土的大量应用； 所以， 大规模使用的高性能混凝土 孔结构应该是引气型的。 参考文献 ： 1 】( 美) 库马梅塔( P K u m a r M e h a t a ) ， ( 美) 保罗 J M 蒙特罗( P a u l o J m M o n t e i r o ) 混凝士微 结阔、 J 曲 E 京： 中国电力出畈社， 2 0 0 & 上接第 2 7页 ( b ) 混凝土 应力 图 ( c ) 钢筋的应力状态( d ) C F R P 筋应力状态 图 4 C F RP筋试 件有限元计算模型及单元应 力状态 表 3 各梁计算结果与试验结果比较见表 试件跨中最大挠度 跨中最大挠度跨中最大挠度 Y公 式 Y 元 编号 Y试 验 mm Y公 式 mm y有 限 元 mm Y试 验 Y试 验 工作阶段 ， 在带裂缝工作阶段， 截面开裂以后 ， 构件刚度降低， 随着荷载增加， 挠度较开裂前有较快的增长。 ( 2 ) c F R P筋混凝土梁， 即使在不配置箍筋的情况下， 其极 限承载力仍略高于与其等强度代换的普通钢筋混凝土梁的承载 力， 而 C F R P筋混凝土梁的挠度大于相应的普通钢筋混凝土梁。 3 0 2 】陈立军 混凝土孔径尺寸对其使用寿命的影0 q J 武汉理工大学学 报， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 0 5 3 【 3 】 陈立军水泥化学组成对混凝土使用寿命的影响叽 混凝土， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 7 8 7 9转 9 3 4 】【 英 N e v i l l e A M 混凝土的性能 M 李国泮， 马贞勇 ， 译 E 京 ： 中国建 筑工业出版社， 1 9 8 3 ： 4 0 5 【 5 A E 谢依金， I O B 契霍夫斯基， M H 勃鲁谢尔 水泥混凝土的结构与 性能【 M 】 胡春芝 ， 袁孝敏， 高学善， 译 北京 ： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 4 ( 5 ) ： 5 - 6 ， 1 7 ， 8 3 8 6 ， 2 9 9 3 0 0 6 】陈立军， 孔令炜， 王德君 ， 等 混凝土渗透性概念的细化及其测试方 法f J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 4 0 4 2 【 7 陈立军， 王德君， 张丹， 等 测评方法【 J J 新型建筑材料， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 8 - 1 0 8 18 陈立军， 张丹， 孙绍霞 ， 等 水泥粉磨工艺对透水性混凝土路面性能 的影响叨 新型建筑材料， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 2 2 2 3 9 陈立军 混凝土强度概念的细化及其与耐久性的关系 混凝土与水 泥制品， 2 0 1 l ( 2 ) ： 2 2 2 4 f 1 洼 婷， 郭太平 ， 林怀立， 等 混凝土材料的研究现状和发展应用【 J 1 混 凝土， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 7 9 【 l 1 】 李宗津 ， 孙伟 ， 潘金龙 现代混凝土的研究进展 中国材料进展 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 - 7 【 l 2 】 赵铁军 严酷环境下混凝土结构的耐久性设计【 M 】 北京： 中国建筑 工业出版社， 2 0 1 0 ： 2 0 作者简介： 陈立军( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授。 联系地址： 长春市新城大街 5 0 8 8 号 吉林建筑工程学院( 1 3 0 0 1 8 ) 联 系电话 ： 0 4 3 1 8 5 9 4 1 6 6 8 ( 3 ) 有、 无箍筋对 C F R P筋混凝土梁的极限承载力几乎没 有多大影响， 但在 C F R P筋混凝土梁的设计中， 为了满足构造 要求 ， 须配置一定数量的箍筋 。 ( 4 ) 配筋率不同对 C F R P筋混凝土梁的极限承载力影响较 大 ， 而对挠度影响较小。 ( 5 ) 对 AC I 4 4 0 1 R 0 1 t6 中C F R P筋混凝土梁挠度公式进行 了修正， 提出了C F R P筋混凝土梁挠度的设计建议。 ( 6 ) 采用本建议公式的 C F R P筋混凝土梁挠度计算值与试 验值、 A N S YS 分析值吻合良好。 参考文献 ： 1张鹏 F R P 筋混凝土梁受力性能的试验研究及理论分析【 D 】 南宁： 广 西大学， 2 0 0 6 【 2 张鹏， 薛伟辰 ， 邓宇， 等： F R P筋混凝土梁变形计算及控制研究【 J 】 _厂 西工学院报， 2 0 0 6 ， 1 7 ( 4 ) ： 6 9 7 1 【 3 张鹏， 邓朗妮， 邓宇F R P 筋混凝土梁的挠度计算方法 J 】 水利水电科 技进展， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 4 1 6 4 薛伟辰， 郑乔文， 杨雨 纤维塑料筋混凝土梁挠度的计算方法【 J 】 水力 学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 7 ) ： 8 8 3 8 8 8 【 5 】 王晓辉， 薛伟辰， 谭园有黏结预应力 F R P筋混凝土梁挠度的计算方 法叨 建筑结构 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 3 ) ： 1 2 1 1 2 3 【 6 】A C I C o mm i t t e e 4 4 0 ， G u i d e f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d wi t h F R P b a r s 【 S 2 0 0 1 ( 1 ) ： 1 - 4 1 作者简介： 联 系地址 ： 联 系电话 张鹏( 1 9 6 7 一 ) ， 男， 教授， 博士， 从事结构工程研究。 广西柳州市东环大道 2 6 8 号 广西工学院士木建筑工程系 ( 5 4 5 0 0 6 ) 1 3 7 0 78 0 93 3 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m