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.

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1 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

2 学什么？ 为何学？ 如何学？

3 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。

4 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。

5 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。

6 三 峡

7 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

8 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、

9 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 ……（？）

10 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

11 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

12 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（？）

13 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

14 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 ……

15 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

16 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 CO 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

17 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

18 （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

19 （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：

20 ● 碳化深度与混凝土抗压强度的关系：

21 ● 碳化龄期与混凝土劈拉强度的关系：

22 ● 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

23 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
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

24 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

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