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
学什么？ 为何学？ 如何学？
目的和任务：学习和掌握水利工程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，为水利工程建设服务。
需要---混凝土是水工结构中用途最广、用量最大的建筑材料之一，随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技术要求也更加多样化。
三峡水利枢纽工程 世界防洪效益最为显著的水利工程----总库容３９３亿m3 。 世界最大的电站----总装机１８２０万千瓦，年发电量８４６.８亿千瓦时。 世界建筑规模最大的水利工程----大坝坝轴线全长２３０９. ４７m，泄流坝段长４８３m，水电站机组７０万千瓦×２６台，双线５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。 世界工程量最大的水利工程----工程主体建筑土石方挖填量约１.３４亿m3 ，混凝土浇筑量２７９４万m3 ，钢筋４６.３０万吨。 世界施工难度最大的水利工程。三峡工程２０００年混凝土浇筑量为５４８.１７万m3 ，月浇筑量最高达５５万m3 ，创造了混凝土浇筑的世界记录。
三 峡
1 、水工混凝土结构特点和要求 受水影响 对水工混凝土结构要求 （1）水压力作用—静水、动水 （2）水环境作用—渗透、冻融、腐蚀 （3）施工条件— 水下浇筑、碾压、免振 对水工混凝土结构要求 强度、刚度、稳定、耐久性
2、 水工混凝土特点和要求 好性能 –适应水环境对水工混凝土结构的要求 （1）水压力作用—高强、高性能 （2）水环境作用—抗渗、抗冻、抗冲磨、耐腐蚀 （3）施工条件—水下不分散、可碾、自流平、大体积、
3、水工混凝土新技术内容 （1）泵送混凝土 （2）水下灌注混凝土 （3）流态混凝土 （4）大体积混凝土 （1）泵送混凝土 （2）水下灌注混凝土 （3）流态混凝土 （4）大体积混凝土 （5）补偿收缩混凝土 （6）纤维混凝土 （7）喷射混凝土 （8）高性能混凝土 （9）聚合物混凝土 （10）耐腐蚀混凝土 （11）抗冲耐磨混凝土 （12）沥青混凝土 （13）轻骨料混凝土 ……（？）
前提条件—已掌握本科《建筑材料学》等相关知识 4 、 混凝土材料基本性能和理论体系 混凝土 合理组配 水泥 外加剂 骨料 （粗、细） 水 掺合料 前提条件—已掌握本科《建筑材料学》等相关知识
4.1 混凝土基本性能 工作性 强 度 变 形 耐久性 1 和易性 流动性 凝结特性 2 抗压 ： fcu fc 抗拉 ： ft 4.1 混凝土基本性能 工作性 1 和易性 流动性 粘聚性 保水性 凝结特性 2 抗压 ： fcu fc 抗拉 ： ft 抗折 :水工混凝土已无此设计指标 抗剪 :需要，但无成熟指标 3 物理化学变形 干缩 温度变形 自生体积变形 荷载变形 σ～ε， E 徐变与松弛 4 抗渗 W10 抗冻 F100 抗冲磨 抗侵蚀 抗碳化 抗碱-骨料反 应 强 度 变 形 耐久性 弹性，塑性 评价方法 fc =？ fcu ft =？ fcu 断裂韧度K1c/ MPa 裂缝 破坏
4.2 混凝土理论体系 4.2.1 混凝土混合料流变学理论 混凝土混合料是水和分散粒子组成的体系 4.2 混凝土理论体系 4.2.1 混凝土混合料流变学理论 混凝土混合料是水和分散粒子组成的体系 流变学是研究物质流动和变形的科学—近代力学分支 物质在外力作用下流动和变形的性能—流变性 弹性、塑性、粘性和强度是四个基本流变特性 H-模型、Stv-模型、N-模型（？）
4.2.2 统计模型和随机过程学 最薄弱环节学—串联模型 纤维束学—并联模型 随机过程—概率转移
4.2.3 力学新进展 断裂力学 损伤力学 非平衡与不可逆固体热力学 分形理论 ……
4.3 混凝土耐久性 混凝土结构耐久性 材 料 层 次 环 境 层 次 构件层次 结构层次 碱 | 集料反应 粘结退化 耐久性设计 4.3 混凝土耐久性 混凝土结构耐久性 构件层次 材 料 层 次 结构层次 碱 | 集料反应 粘结退化 耐久性设计 耐久性评估 二氧化碳 海洋环境 土壤环境 大气环境 冻融破坏 环 境 层 次 工业环境 构件承载力退化 混凝土锈胀开裂 氯盐腐蚀 混凝土碳化 氯离子 有害离子微生物 废渣废水 验算构造措施 经验法 模糊数学法神经网络法 专家系统法 可靠度法
4.3.1混凝土碳化 混 凝 土 + CO2 碳化 （1） 混凝土中性化原因 酸性气体 酸性水 酸性固体物 微生物 （2） 混凝土中性化危害 混 凝 土 + 酸 性 物 质 中性化 （碱性） （CO2、SO2、Cl2） 复杂物理化学过程 混 凝 土 + CO2 碳化 （1） 混凝土中性化原因 酸性气体 酸性水 酸性固体物 微生物 （2） 混凝土中性化危害 降低混凝土碱度 破坏钢筋表面钝化膜 锈蚀 加剧混凝土收缩 裂缝 失效
混凝土硬化 氢氧化钙 PH≥12.5 ● CO2浓度 ● 混凝土密实性 （3） 碳化机理 （4）碳化影响因素 ● 环境湿度和压力 ● 混凝土含水率 晶体—硬化水泥浆体中 饱和水溶液—混凝土空隙中
（5） 碳化模型 碳化深度与碳化时间的关系： — 碳化速度系数，与水灰比、水泥品种、水泥用量 养护方法、孔尺寸及分布、环境湿度温度、 CO2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
（6） 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
4.3.2 氯盐腐蚀 （1） 腐蚀源 ● 海洋环境 ：海水中盐含量3%--氯离子Cl- 为19,000mg/L ; （2）危害 4.3.2 氯盐腐蚀 （1） 腐蚀源 ● 海洋环境 ：海水中盐含量3%--氯离子Cl- 为19,000mg/L ; 海风、海雾、海砂 ● 道路除冰盐： ● 工业环境：酸、碱、盐；液、气、固态等 ● 火：热分解 酸 （2）危害 范围最广，危害最严重，损失最大
Fick第二定律—假定混凝土中的孔隙均匀分布， Cl-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面方向变化。 （3）腐蚀机理 ① Cl-侵入途径：混入，渗入 Fick第二定律—假定混凝土中的孔隙均匀分布， Cl-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面方向变化。 ② 对钢筋的锈蚀 ● 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， 蚀坑 ，迅速 ● 去极化作用：加速阳极化作用 ● 导电作用：加速腐蚀