多组分混凝土强度理论研究

多组分混凝土强度理论研究第一页，共193页。多组分混凝土

教授级高工：朱效荣联系电话：电子信箱：

第二页，共193页。

1、前言2、多组分混凝土理论3、混凝土石子填充模型4、毛细管微泵开裂机理5、结论第三页，共193页。1、前言

混凝土施工技术的发展是为了满足不断提高的各种社会需求，正是在这种情况下，混凝土的施工由现场搅拌进入了预拌混凝土的时代，但大量使用混凝土外加剂、掺合料使原有的混凝土配合比设计方法不能满足混凝土在现实条件下的施工配合比计算要求第四页，共193页。大体积混凝土和超大型建筑物的设计对混凝土硬化后表面质量提出了更高的要求，在这种条件下，建立现代多组分混凝土强度理论的数学模型，完善现有的或者建立新的配合比设计方法，形成一整套新的混凝土强度理论体系和方法、工艺，是当前混凝土工业界重要的课题，我们应从理论上进行不断的探索、实践和创新。第五页，共193页。1.1、技术路线结合建筑设计和施工建设对混凝土配合比及施工技术的要求，我们从三个方面对混凝土配合比及施工技术进行研究。第六页，共193页。（1）选择原材料：选择合理的细度及颗粒级配，确保混凝土浆体的饱满和粘结牢固。（2）配合比设计：建立多组分混凝土强度理论数学模型。第七页，共193页。（3）提出混凝土体积组成石子填充模型，推导出现代多组分混凝土配合比设计计算理论公式，编制现代多组分混凝土配合比设计计算软件第八页，共193页。（4）塑性裂缝控制：建立了毛细管微泵开裂模型，通过合理的配合比设计、最佳二次抹压时间和最佳覆盖养护时间的确定以及充分而及时的湿养护减少了混凝土的塑性裂缝产生。第九页，共193页。

经过以上几个方面的研究，选择出符合混凝土配比所用的原材料；推导出符合多组分混凝土配合比设计计算的理论公式，并编制现代多组分混凝土配合比设计计算软件；第十页，共193页。提出通过合理的配合比设计、最佳二次抹压时间和最佳覆盖养护时间减少混凝土的塑性裂缝的量化数据公式。实现混凝土施工和硬化后的各项指标达到控制的要求。第十一页，共193页。2、多组分混凝土配合比

设计计算理论的建立

第十二页，共193页。2.1、概述

从20世纪波特兰水泥大量应用于混凝土实践以来，混凝土工程技术人员对大量使用的混凝土强度理论进行了不断的探索，先后提出了多种假设和理论，以不同的角度阐述了混凝土强度的形成机理和影响因素。具体来说有以下几种：第十三页，共193页。（1）水灰比强度公式：1918年艾布拉姆斯（D.A.Abrams）建立了水灰比强度公式。当混凝土充分密实时，其强度与水灰比成反比。第十四页，共193页。

fC28=K1/K2W/C

式中K1、K2为经验常数，W/C为混凝土拌合物的水灰比。

第十五页，共193页。1930年瑞典学者鲍罗米（Belomy）根据大量试验结果，应用数理统计方法，进一步考虑了水泥强度因素之后，提出了混凝土的强度与水泥标号及水灰比之间的关系式：第十六页，共193页。

fC28=AfCe［（C/W）-B］

式中fC28为混凝土28天抗压强度，fCe为水泥的实际强度（MPa），W/C为混凝土拌合物的水灰比，A、B为经验系数，与骨料品种和水泥品种有关。

第十七页，共193页。

该公式认为混凝土的强度取决于水泥石的性能，而水泥石的性能取决于自身的孔隙率，孔隙率高则强度低，要提高混凝土的强度必须降低水灰比，减少孔隙率——这种方法已经为世界大多数国家所采用。第十八页，共193页。但随着检测技术的进步。掺和料和外加剂的大量应用，使这一指导性公式在A、B的选择方面过于粗旷，与大多数的高性能混凝土的生产实践不符，对现有统计数据单位几乎无法指导配合比设计或生产实践。第十九页，共193页。（2）Powers的胶空比理论混凝土强度增大与胶空比的关系，所谓胶空比是已水化的水泥浆体积和毛细孔体积之和的比值。第二十页，共193页。

fC=AXn式中：X为胶空比，X=水化的水泥浆体积/毛细孔体积，A为一个常数，n为一个系数。第二十一页，共193页。

胶空比决定混凝土强度的本质因素，它包含了水灰比的影响，也与水泥的水化程度有关，更能反映混凝土强度与毛细孔隙的关系。由公式可知：减少孔隙率，增大胶空比，能提高混凝土强度，这是Powers公式与Belomy公式的一致性。第二十二页，共193页。

但该理论由于A、n的不确定性和X的不可测，因此只能作为科研部门的一项测试原理，但在工业生产中却无法直接应用于指导配合比设计和指导生产。

第二十三页，共193页。（3）晶体理论导出的材料理论抗拉强度值fcmax=√Eγ/γ0式中：E----设计强度等级混凝土弹性模量fcmax----材料的理论抗拉强度值γ----混凝土表面自由能γ0----分子间距，与材料密度成反比

第二十四页，共193页。

由上式可知：对混凝土而言γ0越小、E越大，γ越大，则强度越高。即混凝土越密实，则γ0越小，强度越高。选用的材料组合弹性模量越高则强度越强。

第二十五页，共193页。（4）格里菲斯脆性断裂理论按照该理论，脆性材料的断裂破坏是由于已经存在于材料中的裂缝的大小，或者说断裂强度取决于使其中裂缝失稳扩展的应力。第二十六页，共193页。A.A.Griffith对一个受影响拉伸的无限大弹性板中的一个贯穿椭圆裂缝，导出如下公式：σf=√2Eγ/∏a式中：σf为断裂应力，E为弹性模量，a为裂缝长度一半，γ为表面能第二十七页，共193页。

混凝土作为脆性材料，其实际强度受材料表面及内部缺陷和裂缝所支配，比理论强度低。由此理论可知，混凝土的强度除高弹模、密实度以外，还应减少混凝土内部，特别是界面的缺陷和裂纹。

第二十八页，共193页。

以上四种混凝土的强度理论从不同角度提出了降低孔隙率，增加密实度，增大胶空比，提高弹性模量，减少缺陷和微裂缝是增强的途径。从中可以看到，这些强度理论之间有着本质的联系。第二十九页，共193页。2.2现代多组分混凝土强度理论数学模型的建立

混凝土作为一种复杂的物理化学反应产物，主要由砂子、石子、水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅粉、水、外加剂等成份组成，由于水泥和胶凝材料的水化过程极其复杂，内部结构不能直接测量。作为一种承重材料，其强度的形成大体可分为两部分：第三十页，共193页。

一部分是由粗骨料（石子）提供，因为石子的强度大于混凝土的设计强度，因此大多数混凝土在工作状态时骨料都具有足够的强度，另一部分来源于硬化浆体，对于强度等级较低的混凝土。第三十一页，共193页。其硬化浆体强度主要由水泥水化形成的C-S-H凝胶和粉煤灰等惰性或活性较低的掺和料填充组成，它的强度主要来源于水泥。

第三十二页，共193页。而对于强度较高的混凝土，其硬化浆体强度主要由水泥水化形成的C-S-H凝胶，活性较高的矿渣粉水化形成的凝胶，填充于孔隙中的超细矿渣粉和硅粉等组成，这样就决定了混凝土的强度在低强度等级范围内与水泥强度和粘结强度相关。第三十三页，共193页。

在高强度等级范围内由于粘结强度大，故混凝土的强度与水泥强度、超细矿物掺和料密切相关，特别是超细掺和料的微粉超叠加效应表现得非常明显。

第三十四页，共193页。

我国采用的混凝土配合比设计技术规程以水灰比强度公式为基础。随着科学技术的不断进步、外加剂和矿物掺合料的大量使用以及施工和使用要求的不断提高。第三十五页，共193页。

使我国混凝土配合比设计方法（即假定容重法和绝对体积法）已经不能满足高性能混凝土配制及施工的实际需要。第三十六页，共193页。

特别是传统观念下配制混凝土时水泥的选用要比混凝土高一个标号，粉煤灰及矿渣粉等矿物掺和料用量不能超过规定比例的原则，在现实混凝土生产过程中已经失去了指导意义。第三十七页，共193页。

通过以上理论回顾总结，结合我们国内近十年来混凝土应用技术的状况，我们认为，混凝土的配制强度应该与水泥石的理论强度成正比例，与混凝土中胶结材料的强度贡献率成正比例，与硬化砂浆的密实度成正比例。第三十八页，共193页。这样我们就吸取了胶空比理论和鲍罗米公式（水灰比强度公式），脆性断裂理论的精华，建立了现代多组分混凝土强度数学模型。（简称XS公式）

第三十九页，共193页。即：式中：f------混凝土强度σf------硬化砂浆理论强度对于C10—C55的混凝土σf=对于C60—C100的混凝土σf=第四十页，共193页。E------设计强度等级混凝土弹性模量，现有两种计算方法：（1）E=105/（2.2+35/fcu.o）（2）E=α-----胶凝材料用量系数，α=B/1000B=α1C+α2F+α3Kα1、α2、α3---分别为水泥、粉煤灰、矿粉的活性指数第四十一页，共193页。γ0---混凝土表面能，0.386（J/m2）a---水泥颗粒最大粒径，取0.08mm∏---常数3.14U---胶凝材料填充强度贡献率u=(u1C+u2F+u3K+u4Si)/(C+F+K+Si)C、F、K、Si---分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的用量；u1、u2、u3、u4---分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的填充因子系数；第四十二页，共193页。Sc、SF、SK、SSi---分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的比表面积；ρC、ρF、ρK、ρSi---分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的密度；m---硬化砂浆的密实度；m=(W0/W-0.27)W0---胶凝材料水化理论用水量，W0=0.23×CW---胶凝材料拌合用水量；W=（0.23×C+0.5×T）×ß×（1-n）T---混凝土拌合物的设计坍落度。P---胶凝材料完全水化形成的凝胶孔体积取0.27。第四十三页，共193页。

这样我们就建立了现代多组分混凝土强度理论数学模型，其中σf是混凝土对应的硬化砂浆的理论强度，它主要考虑了胶凝材料的水化反应形成的强度；胶凝材料填充强度贡献率u主要考虑了胶凝材料的微集料填充效应，我们可以根据掺合料的种类、数量的不同计算它们对混凝土强度的影响；m是硬化砂浆的密实度。第四十四页，共193页。

它主要考虑胶凝材料水化和调整混凝土拌合物的工作性能引起的密实度变化对混凝土强度的影响。这一公式是当今多组分混凝土强度计算和配合比设计的通用公式，当混凝土原材料只使用水泥、砂、石和水四组份时，该公式简化为f=σf(0.23×C/W-0.27)，即符合水灰比决定强度的统计及经验计算公式。第四十五页，共193页。2.3多组分混凝土强度理论数学模型的验证第四十六页，共193页。2.3.1C10—C30

掺粉煤灰混凝土

普通混凝土实际强度远远小于理论强度的原因一方面是由于水泥及胶凝材料水化后所占的体积小于由强度贡献胶凝材料水化后的体积，而非活性或低活性掺和料（如粉煤灰）在28天时还没有完全水化，胶凝材料的强度贡献率低，因此强度较低。第四十七页，共193页。第四十八页，共193页。另一方面低强度等级混凝土配比中胶凝材料用量较少，使石子、砂子及胶凝材料之间存在微裂缝使界面粘结强度较低，导致混凝土强度降低；第三个因素是混凝土中胶凝材料拌合用水量大于胶凝材料理论水化用水量，这些水份在混凝土硬化后蒸发，留下孔隙使混凝土中硬化砂浆密实度降低从而影响混凝土的强度。第四十九页，共193页。对C10—C30普通混凝土，胶凝材料使用水泥和粉煤灰，其强度计算公式即现代多组分混凝土强度理论计算公式（XS公式）如下：第五十页，共193页。应用实际生产的混凝土强度计算举例：C20水泥PO.32.5，细度0.08mm方孔筛筛余3%，混凝土实测强度26MPa、C=240kg、F=100kg、W=175kgWO=78kg、粉煤灰为三级灰、Sc=320m2/kgSF=150m2/kg、ρC=3.0×103kg/m3、ρF=1.8×103kg/m3

第五十一页，共193页。分别求得以下参数：u1=1.0u2=0.53E=25316.46σf=162.64MPau

=(u1C+u2F+u3K+u4Si)/(C+F+K+Si)

=

0.86

m=(W0/W-0.27)=0.176f=24.90MPa通过以上计算可知，计算值与实测值相差小于2MPa。第五十二页，共193页。

其他条件不变时改变用水量进行计算可得：W=185时m=(W0/W-0.27)=0.152f=21.51MPa

W=195时m=(W0/W-0.27)=0.13f=18.39MPa第五十三页，共193页。

用水量的变化对低强度等级混凝土强度的影响主要是改变了混凝土内部硬化砂浆的密实度。第五十四页，共193页。2.3.2C30—C55

掺复合料（矿粉和粉煤灰）混凝土

掺复合料（矿粉和粉煤灰）普通混凝土，由于双掺矿渣粉和粉煤灰。从理论可知该混凝土具备C10—C30普通混凝土的特征。第五十五页，共193页。

此外，由于矿渣粉的引入，使混凝土内硬化砂浆结构较为复杂，其强度来源从内部组成看，有一部分矿粉是超细粉，产生了微粉填充叠加效应，因此混凝土还具备结构致密的特征。第五十六页，共193页。另一方面又因为较粗的矿渣粉不能及时水化而使混凝土强度提高较少，综合实际情况，对于C30—C55掺复合料（矿粉和粉煤灰）混凝土，胶凝材料使用水泥、粉煤灰和矿粉，其强度计算公式即现代多组分混凝土强度理论计算公式（XS公式）如下：第五十七页，共193页。应用实际生产的混凝土强度计算举例如下：

C50水泥PO32.5，细度0.08mm方孔筛筛余1.5%，比表面积320m2/kg，混凝土实测强度55MPa，矿粉比表面积400m2，C=240kg、F=100kg、K=120kg、W=175kg第五十八页，共193页。Sc=320m2/kgρC=3.0×103kg/m3Sf=150m2/kgρF=1.8×103kg/m3Sk=400m2/kgρk=2.5×103kg/m3

第五十九页，共193页。分别求得以下参数：WO=(240+100+120)×0.23=105.8kgu1=1.0u2=0.53u3=1.02，E=34482.76u=(u1C+u2F+u3K+u4Si)/(C+F+K+Si)=0.903m=(W0/W-0.27)=0.335f=59.09MPa通过以上计算可知，计算值与实测值相差4MPa。第六十页，共193页。

其他条件不变时改变用水量进行计算可得：W=185时m=(W0/W-0.27)=0.302f=53.27MPaW=195时m=(W0/W-0.27)=0.276f=48.68MPa第六十一页，共193页。其他条件不变时用水量的变化对混凝土强度的影响非常明显，主要原因是用水量的变化改变了混凝土内部孔的组成，使硬化砂浆的密实度发生变化。第六十二页，共193页。经过对比分析，胶凝材料细度的变化对混凝土强度的影响主要是改变了混凝土内部硬化砂浆的理论强度值和胶凝材料的填充因子系数，从而改变了混凝土的强度。第六十三页，共193页。2.3.3C60-C100

掺硅粉高强混凝土

由于超细矿渣粉和硅粉的复合使用，从理论可知C60-C100混凝土内硬化砂浆结构更为复杂，其强度来源从内部组成看，第一部分由水泥水化形成的C-S-H凝胶产生，第二部分是超细矿渣粉的产生微粉填充叠加效应，使硬化砂浆结构更加致密，提高了混凝土强度。第六十四页，共193页。

第三部分是由于硅粉填充到水泥水化后的孔隙和矿粉没有填充到的部位，产生硅粉微集料填充效应，使混凝土的强度大大提高。对于C60—C100掺硅粉混凝土，胶凝材料使用水泥、矿粉和硅粉，其强度计算公式即现代多组分混凝土强度理论计算公式（XS公式）如下：第六十五页，共193页。应用实际生产的混凝土强度计算举例如下：已知C100，水泥PO42.5，细度0.08mm方孔筛筛余1.0%，比表面积350m2/kg，矿渣粉比表面积400m2，硅粉比表面积15000m2第六十六页，共193页。混凝土实测强度127Mpa，W=175kg、C=450kg、K=100kg、Si=50kg、Sc=350m2/kg、ρC=3.0×103kg/m3Sk=400m2/kg、ρk=2.5×103kg/m3SSi=15000m2/kg、ρSi=2.2×103kg/m3

第六十七页，共193页。分别求得以下参数：WO=(450+100+50)×0.23=138kgu1=1.0，u3=0.97，u4=5.6E=39215.69u

=(u1C+u2F+u3K+u4Si)/(C+F+K+Si)=1.37m=(W0/W-0.27)=0.519f=135.76MPa通过以上计算可知，计算值与实测值相差8Mpa。

第六十八页，共193页。其他条件不变时改变用水量进行计算可得：W=185m=(W0/W-0.27)=0.476f=123.9MPaW=195m=(W0/W-0.27)=0.438f=114.0Mpa

第六十九页，共193页。

其他条件不变时用水量的变化对混凝土强度的影响非常明显，主要原因是用水量的变化改变了混凝土内部孔的组成，使硬化砂浆的密实度发生变化。第七十页，共193页。

经过对比分析，超细硅粉的掺入对混凝土强度的影响主要是提高了填充因子系数，从而改变了混凝土内部孔结构，增加了密实度，大大提高了混凝土的强度。第七十一页，共193页。

综合以上验证计算和分析可知，胶凝材料细度的变化对混凝土强度的影响一方面是改变了硬化砂浆的理论强度值，另一方面是超细矿物掺和料的加入使胶凝材料的填充强度贡献率成倍增加。第七十二页，共193页。用水量的变化对混凝土强度的影响一方面是改变了混凝土的工作性，另一方面是改变了混凝土内部硬化砂浆的密实度，从而改变了强度；第七十三页，共193页。

多组分混凝土强度理论数学模型用于早期推定混凝土强度，定性判断是正确的，定量判断误差小于10%，可以应用于各种类型混凝土强度的早期推定计算。第七十四页，共193页。3、多组分混凝土体积石子填充模型的建立第七十五页，共193页。

多组分混凝土在施工过程中是以塑性或流动性状态进行施工，当混凝土各种原材料经拌合后，以塑性或流动性状态存在，经过运输、浇注、振捣成型和养护后进入使用状态的混凝土以硬化形态出现。第七十六页，共193页。这时硬化混凝土由粗骨料和硬化砂浆、气孔、水组成。硬化砂浆、气孔和水所占的体积正好是粗骨料（石子）的空隙。现行混凝土配比设计规程假定混凝土中石子空隙由砂子填充，砂子空隙由水泥浆填充，水灰比决定混凝土强度。第七十七页，共193页。我们认为：混凝土由硬化砂浆和石子两部分组成，石子作为砂浆的填充料，当压碎指标小于8%时，由于它的强度大于混凝土的设计强度，只占体积不影响强度；硬化砂浆的强度、胶凝材料强度贡献率、硬化砂浆密实度决定混凝土的强度。第七十八页，共193页。因此我们可以采用以下方法去建立混凝土体积组成模型，假定我们先配制好水泥混合砂浆，体积为V1，然后在强力振捣下将粗骨料投入砂浆中，使石子均匀地填入砂浆形成混凝土拌合物。第七十九页，共193页。此时混凝土拌合物的体积为V，其中（V-V1）/V便是粗骨料在混凝土中的体积比。V1/V为水泥混合砂浆在混凝土拌合物中体积比对于砂浆,由于水泥和掺和料粒径较小,可以完全填充在砂子六方紧密堆积的空隙之中,其空隙率为p。硬化砂浆体积由胶凝材料体积、拌合用水体积和砂子体积组成。第八十页，共193页。这种混凝土体积组成模型称为石子填充模型；用这种方法结合现代多组分混凝土强度理论公式（XS公式）求得混凝土中硬化砂浆体积以及石子、砂子、胶凝材料、外加剂和拌合用水等准确配合比设计数据的方法叫石子填充法，简称XS法。第八十一页，共193页。第八十二页，共193页。3.1石子填充法（XS法）在配合比设计中的应用第八十三页，共193页。

由混凝土强度理论数学模型和石子填充模型的公式（XS公式）可知，混凝土硬化后单位体积内的石子、砂子均没有参与胶凝材料的水化硬化。第八十四页，共193页。

其体积没有发生改变，分别为Vg,Vs,并且砂子为紧密堆积，由石子填充模型（XS模型）可知，砂子的空隙就是胶凝材料浆体填充的部分。第八十五页，共193页。

混凝土强度正比于硬化砂浆理论强度、胶凝材料的强度贡献率和硬化砂浆的密实度。以下介绍依据现代多组分混凝土强度理论数学模型和石子填充模型（XS模型）进行混凝土配合比设计的具体步骤。第八十六页，共193页。3.1.1配制强度：第八十七页，共193页。多组分混凝土的配制强度按现行规范

fcu.p=fcu.o+1.645σ确定。第八十八页，共193页。不同强度等级混凝土σ取值表第八十九页，共193页。

3.1.2

胶凝材料用量的确定

对于基准塑性混凝土，坍落度为T(mm),用于调整工作性的用水量为0.5Tkg，其中u1=1，F=K=Si=0,由XS公式可知：第九十页，共193页。

第九十一页，共193页。将公式中水泥C用有强度贡献胶凝材料C0代替，公式简化为：

fcu.p=σ×（C0/C0）×［W0/（W0+0.5T）-0.27］=σ×(W0/（W0+0.5T）-0.27)WO=0.5T×（0.27×σ+fcu.p）/（0.73×σ-fcu.p）

C0=WO/0.23第九十二页，共193页。3.1.3、掺和料用量的确定（1）C10—C30掺粉煤灰混凝土C0=u1C+u2FC0=α1C+α2FC+2F≥300第九十三页，共193页。（2）C30—C55掺复合料（矿粉和粉煤灰）混凝土C0=u1C+u2F+u3KC0=α1C+α2F+α3KC+2F≥300第九十四页，共193页。（3）C60—C100掺硅粉高强混凝土C0=u1C+u2F+u3K+u4SiC0=α1C+α2F+α3K+α4SiC+F+K+Si≤600第九十五页，共193页。

由以上掺和料用量公式的推导可知：通过科学计算得到填充因子系数，实现了合理选择掺和料品种和用量，科学而定量地提高和改善了混凝土的耐久性，使混凝土配合比设计与混凝土的耐久性之间建立了一种数字量化关系。第九十六页，共193页。

3.1.4减水剂及用水量的确定第九十七页，共193页。（1）外加剂品种及（粉剂）掺量的确定

外加剂（粉剂）推荐掺量x％＝(f/50)％外加剂（粉剂）用量N=C0×x％配比设计减水率n=（１5×x+5）%（x<1.5时）第九十八页，共193页。上式表示每增加0.１％减水剂（粉剂）可增加1.5％减水率。减水率n=（１0×x+5）%（x>1.5时）上式表示每增加0.１％减水剂（粉剂）可增加1.0％减水率。第九十九页，共193页。

由以上外加剂推荐用量公式可知：对于不同强度等级的混凝土而言，粉剂外加剂的推荐掺量是固定的，例如C10为0.2％、C30为0.6％、C80为1.6％、C100为2.0％。第一百页，共193页。

通过这些数据可以直接进行外加剂品种和用量的合理选择。建立了减水剂品种、掺量和混凝土工作性、强度等级和耐久性指标之间的定量关系式。第一百零一页，共193页。

（2）用水量的确定根据国内现场实际，假定混凝土的出机坍落度为Tmm,每增加１mm坍落度所需水量为0.5kg,则理论用水量W１=WO+0.5T实际用水量W=W１×β×(1-n)

第一百零二页，共193页。3.1.5、砂子用量的确定

砂子体积：Vs=(1-p)×V1×/p第一百零三页，共193页。

VB=VC+VF+VK+VSi+VWi+VaVC=C/ρCVF=F/ρF

VK=K/ρk

Vsi=Si/ρSi

Va=10第一百零四页，共193页。3.1.6石子用量的确定

石子体积

Vg=1000-(VC+VF+VK+VSi+Va+Vs+Vw）

石子用量G=ρG×VG第一百零五页，共193页。

3.3多组分混凝土配合比设计方法的特点

（1）具有较宽的适应范围。（2）充分体现了矿物掺合料和化学外加剂的作用。（3）保持较稳定的浆体体积率。

第一百零六页，共193页。3.4结论（1）混凝土体积组成石子填充模型（XS模型）提出：混凝土由砂浆和石子两部分组成，石子作为砂浆的填充料，由于它的强度大于混凝土的设计强度，只占体积不影响强度；硬化砂浆强度、胶凝材料填充强度贡献率、密实度决定混凝土的强度。第一百零七页，共193页。（2）混凝土体积组成石子填充模型（XS模型）是适用于现代多组分混凝土配合比设计和强度计算的数学模型，经过严格的数学推导得到混凝土配合比设计中水泥、掺和料、砂、石、外加剂和拌合用水量等组成材料和混凝土工作性、强度和耐久性之间的准确计算公式。第一百零八页，共193页。确定了混凝土各组成与性能之间的定量关系，实现了现代多组分混凝土配合比设计和混凝土工作性、强度和耐久性指标之间的科学定量计算，并编制了配合比设计计算软件。第一百零九页，共193页。

（3）与传统混凝土比设计方法相比，混凝土体积组成石子填充模型（XS模型）实现了混凝土配合比设计计算的科学、精确、简便和实用。第一百一十页，共193页。第一百一十一页，共193页。第一百一十二页，共193页。第一百一十三页，共193页。第一百一十四页，共193页。第一百一十五页，共193页。4、混凝土裂缝控制第一百一十六页，共193页。4.1裂缝成因分析

裂缝控制是混凝土配制、施工和养护过程中一项长期而艰巨的技术难题，经过几代混凝土技术人员的努力，现在对它的成因、影响因素、控制和预防措施已经取得了很大的进步。综合起来讲，混凝土裂缝共分为四类。第一百一十七页，共193页。（1）结构荷载裂缝与结构和荷载有关的混凝土裂缝，其形成原因表现在超过设计荷载、地震或台风作用、构件断面尺寸不足、钢筋用量不足、布局不合理、结构沉降差异、二次应力作用、对温度应力和收所应力估计不足。第一百一十八页，共193页。（2）环境条件裂缝与使用环境条件有关的裂缝形成原因主要是由于环境温度（湿度）变化、结构构件各域温度（湿度）差异过大、冻融、冻涨、钢筋锈蚀、火灾和表面高温、酸碱盐侵蚀、冲击、振动影响。第一百一十九页，共193页。（3）原材及配合裂缝产生原因主要有水泥非正常凝结（受潮、温度过高）、膨胀（安定性差）、用量高、水化热高、掺和料质量不稳定、集料含泥量和级配、集料碱活性与风化岩石、混凝土塑性收缩、混凝土配合比不当、水泥外加剂掺和科的相容性差等。

第一百二十页，共193页。（4）施工裂缝

发生原因主要有搅拌不均匀、现场加水、浇注顺序有误、浇注不均匀、捣应不良、坍落度过大、集料下沉、泌水、混凝土表面强度过底就进行一道工序、连续浇注间隔时间过长、接茬处理不当、冷缝、钢筋搭接个锚固不良、钢筋预埋件被扰动、钢筋保护层厚度不够、滑模工艺不当抽裂或塌陷、第一百二十一页，共193页。模板变形、模板漏浆或渗水、模板支撑下沉、拆模过早、拆模不当、硬化前遭受扰动或承受荷载、保护措施不当或养护不及时、养护初期遭受剧烈干燥或冻害、混凝土表面抹压不及时、大体积混凝土内部温度表面温度与环境温度差异过大。第一百二十二页，共193页。4.2裂缝控制思路第一百二十三页，共193页。目前国内裂缝控制的措施从以下三个方面进行：首先从结构和施工设计方面采取措施，主要有在墙体配筋时采用细密原则、局部加强（如跨中扳挤结合处）、后浇带、沉降带和加强带的巧妙应用；其次是在混凝土原材料和配合比方面，原材料一定要严格把关，配合比一定要合理；第一百二十四页，共193页。

第三是施工方面采取措施，主要有模板的选用、混凝土拌合物的运输、混凝土的浇注、振捣和养护都要考虑。本项目主要从混凝土原材料的选择、配合比设计、施工工艺三个方面进行研究。第一百二十五页，共193页。4.3裂缝控制措施第一百二十六页，共193页。经过多年的努力，我们在质检、监理、设计、施工等有关部门的大力支持下，比较系统地掌握了控制塑性混凝土早期开裂的技术措施，提出了毛细管微泵开裂机理，确定了切断塑性混凝土毛细管进行二次抹压的最佳时间，确定了开始湿养护的时间和保水湿养护的时间范围，实现有效控制塑性混凝土开裂。第一百二十七页，共193页。

本研究在裂缝控制方面提出毛细管微泵开裂机理

第一百二十八页，共193页。4.3.1毛细管微泵开裂理论当混凝土拌合物振捣密实后经过一次抹压，在混凝土表面形成上部弯曲的毛细管，混凝土内部水分沿毛细管上升至表面，由于表面张力的作用以很小的液滴存在，当环境温度较高或有风吹过时，水滴掉下或蒸发，混凝土内部水分沿毛细管上升，补充到正好有半滴悬而不掉的位置，第一百二十九页，共193页。依次循环，混凝土中的毛细管就如同一个微型水泵一样，将混凝土内部的水份源源不断地带走,导致塑性混凝土在内部压力的拉伸下开裂，即毛细管微泵开裂机理。第一百三十页，共193页。根据以上机理，我们建立了毛细管压力与胶凝材料比表面积的对应关系公式，求得了裂缝控制最佳比表面积值；在施工工艺方面提出了切断塑性混凝土毛细管进行二次抹压的最佳时间计算公式，确定了开始养护的时间和保水湿养护的时间范围，实现有效控制塑性混凝土开裂。第一百三十一页，共193页。第一百三十二页，共193页。4.3.2

混凝土最佳二次抹压时间的确定

在混凝土凝固前，混凝土中的水分在毛细管中如同进入微型水泵一样，随着毛细管端口水分的蒸发，水分会源源不断的通过这个微泵向外散失。使混凝土内部两个毛细管之间的塑性混凝土由于承受不了内应力的拉伸，发生裂缝。第一百三十三页，共193页。

因此在正常施工养护的条件下，寻找最佳的二次抹压时间，破坏毛细管微泵，阻止水分上升，同时覆盖上表面进行充分而及时的湿养护，防止水分蒸发，预防由于内部水分迁移引起的内应力产生，是预防混凝土自收缩形成裂缝的关键。第一百三十四页，共193页。第一百三十五页，共193页。二次抹压的主要作用有三：1、消除混凝土的表面缺陷2、提高混凝土表层的密实度3、破坏毛细管微泵，阻止混凝土内水分上升，减缓了混凝土内水分迁移蒸发的速度，预防混凝土的开裂。第一百三十六页，共193页。

从一次抹平至二次抹压，是混凝土逐渐初凝的过程，有较长一段时间。只要环境相对湿度低于100％，由于毛细管微泵的作用就会失水，在混凝土拌合物内部拉应力的作用下形成裂缝并进一步扩展甚至开裂，使混凝土抗渗性能降低，降低其耐久性。第一百三十七页，共193页。

大量的工程实践表明，只有一次抹平而没有二次抹压，混凝土的开裂将很严重。实施二次抹压后，由于破毁了毛细管微泵，阻止了混凝土内水分上升，提高了混凝土的密实度和强度，从而提高了表层混凝土的质量。第一百三十八页，共193页。根据以上的机理，我们对不同强度等级、水胶比、坍落度以及配合比的混凝土其最佳的抹压及覆盖时间进行了现场试验，建立了水泥初凝时间、环境温度和混凝土出机时间等因素与二次抹压破坏毛细管微泵防止裂缝最佳时间之间的数学是关式。第一百三十九页，共193页。

Tm=Tco+(Ts—Tco)×（t0-t）/t0式中:Tm---最佳二次抹压时间(h)Tco---水泥初凝时间（h）Ts---混凝土以加水搅拌至一次抹压完毕所用时间（h）t---施工现场温度（℃）t0---标准温度（20℃）第一百四十页，共193页。

通过现场施工采集数据

我们可以得到以下几点结论：

（1）C10—C30间混凝土施工坍落度在190—200之间，由于掺和料的加入，使混凝土的初凝时间延后，因此初始裂缝的形成时间随着向后推移，因此二次抹压和覆盖养护的最佳时间也推后，与所使用水泥的初凝时间无明显的关联。第一百四十一页，共193页。（2）C35—C60间的混凝土施工坍落度在200-220之间，由于复合外加剂的引入工作性较好，但用水量并不高，因此使混凝土的初凝时间与所使用水泥的初凝时间之间有相关性，并且随着水泥初凝时间的变长（缩短）而延长（变慢）。第一百四十二页，共193页。

（3）C70—C100间的混凝土施工坍落度在220以上，由于采用复合掺合料，聚羧酸高效减水剂，因此混凝土的初凝时间几乎与水泥的初凝时间一致，因此最佳的二次抹压时间可以通过水泥的初凝时间来确定。

第一百四十三页，共193页。4.3.3

及时充分湿养护时间的确定

二次抹压后，必须立即对混凝土进行及时充分的湿养护，以避免没有破坏的毛细管引起混凝土再次失水产生裂缝。只有这样，才能保证混凝土早期发育良好，提高硬化混凝土的质量，为混凝土耐久性的提高打下早期质量基础。第一百四十四页，共193页。（1）毛细管微泵开裂机理，混凝土湿养护成功的三大要素：(a)湿养护开始前，混凝土表面进行及时的二次抹压使多数毛细管被封闭；(b)湿养护开始时，混凝土表面保持相对湿度，确保毛细管水分不蒸发；(c)湿养护过程中(早期硬化过程中)，混凝土不出现失水缺陷，确保毛细管开口一侧始终处于饱水状态。第一百四十五页，共193页。

我们同时必须明确，混凝土本体一旦失水，其表面或内部就存在缺陷和裂缝，湿养护要求从振实抹平至湿养护结束的整个早期硬化过程，混凝土都不出现失水。第一百四十六页，共193页。（2）湿养护关键时间的确定在最佳时间进行二次抹压后，要实现饱水湿养护7天，关键前3天，最关键第l天。不管用什么方式保养，都要达到不失水的目的。在不失水的前提下，再考虑是否需要保温等其他辅助措施。这一原则被一些施工单位坚持，对工程实际的防渗抗裂效果十分显著。第一百四十七页，共193页。（3）及时充分湿养护的要求(a)及时的要求所谓及时，即完成凝土表面的二次抹压使多数毛细管被封闭后立即进行混凝土的湿养护，使混凝土表面保持相对湿度，确保毛细管水分不蒸发；混凝土表面的裂缝就能得到有效控制消除，湿养护就是及时的，否则就是不及时的。第一百四十八页，共193页。

(b)充分的要求所谓充分，即湿养护的整个过程中，确保毛细管开口一侧始终处于饱水状态，混凝土表面都不失水。判断混凝土湿养护是否充分，主要不是看湿养护时间的长短，而是看在湿养护期间，混凝土体内是否失水。整个湿养护期间不失水，则养护是充分的，否则就是不充分的。第一百四十九页，共193页。由此可见，如果我们对混凝土表面进行及时的二次抹压，破坏毛细管微泵，控制塑性混凝土失水，也就控制了混凝土的不可见裂缝。同样条件下，湿养护越及时充分混凝土的防裂效果就越好。

第一百五十页，共193页。5、结论第一百五十一页，共193页。（1）混凝土体积组成石子填充模型（XS模型）将传统混凝土石子空隙由砂子填充，砂子空隙由水泥浆填充，水灰比决定混凝土强度的设计思路转换为：混凝土由砂浆和石子两部分组成，石子作为砂浆的填充料，由于它的强度大于混凝土的设计强度，只占体积不影响强度；砂浆强度、胶凝材料填充强度贡献率、密实度决定混凝土的强度。第一百五十二页，共193页。（2）多组分混凝土强度理论数学模型及混凝土体积组成石子填充模型（XS模型）是适用于各种现代多组分混凝土配合比设计和强度计算的数学模型。第一百五十三页，共193页。经过严格的数学推导得到混凝土配合比设计中水泥、掺和料、砂、石、外加剂和拌合用水量等组成材料的准确计算公式,确定了混凝土各组成之间的定量关系，实现了现代多组分混凝土配合比设计和强度的科学定量计算。编制了混凝土配合比设计计算软件。第一百五十四页，共193页。（3）多组分混凝土强度理论数学模型适用于各种水泥的配比设计和强度计算,实现了水泥和混凝土强度计算公式的统一，在水泥和混凝土之间建立了一座紧密联系的桥梁。第一百五十五页，共193页。

（4）探索了毛细管微泵开裂机理，通过计算得出了水泥初凝时间与混凝土二次抹压和养护时间的对应曲线，实现了水泥初凝时间和混凝土二次抹压和湿养护时间的量化，有效地预防了混凝土塑性裂缝的产生。

第一百五十六页，共193页。重点工程介绍国家大剧院第一百五十七页，共193页。国家大剧院工程位于北京市西城区兵部洼胡同34号，人民大会堂西侧，临近天安门广场、人民大会堂、中南海、长安街等重要建筑物与重要区域，为全额国家财政拨款的国家重点工程，由法国AEROPOROTSDEPARIS设计公司设计。第一百五十八页，共193页。

工程总占地面积11.89公顷，建筑面积19.45万m2，建筑总高46.25m。主体结构从-7.08m起共有86根钢管柱，截面尺寸分别为Ф500mm、Ф400mm，其中部分钢管柱芯采用C100混凝土，对混凝土各项指标要求较高。第一百五十九页，共193页。

国家大剧院主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、戏剧场和公共大厅及配套用房组成。外部围护结构为钢结构壳体，呈半椭球形，其东西长轴为212.20米，南北短轴为143.64米，地下最深处为-32.50米。椭球形屋面主要采用钛金属板，中部为渐开式玻璃幕墙。第一百六十页，共193页。主体建筑外环绕人工湖，湖面面积达35500平方米，北侧主入口为80米长的水下长廊，南侧入口和其它通道也均设在水下，基础及维护结构全部使用混凝土。人工湖四周为大片绿地组成的文化休闲广场。国家大剧院北入口与地铁天安门西站相连，并有能容纳1000辆机动车和1500辆自行车的地下停车场。第一百六十一页，共193页。

在入口处设有售票厅，观众通过水下长廊进入大剧院。水下长廊的两边设有艺术展示、商店等服务场所。大剧院内有三个剧场，中间为歌剧院、东侧为音乐厅、西侧为戏剧场，三个剧场既完全独立又可通过空中走廊相互连通。在歌剧院的屋顶平台设有大休息厅，在音乐厅的屋顶平台设有图书和音像资料厅，在戏剧场屋顶平台设有新闻发布厅。第一百六十二页，共193页。内部歌剧院主要演出歌剧、芭蕾、舞剧