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1、第二节 水泥,.水泥及其分类 .硅酸盐水泥的性能 .参有混合物的硅酸盐水泥及选用 .特性硅酸盐水泥及专用硅酸盐水泥,水泥,水泥是一种粉状矿物胶凝材料,它与水混合后形成浆体,经过一系列物理化学变化,由可塑性浆体变成坚硬的石状体,并能将散粒材料胶结成为整体。水泥浆体不仅能在空气中凝结硬化,也能在水中凝结硬化,是一种水硬性胶凝材料。 水泥是土木工程最重要的材料,也是用量最大的材料,水泥混凝土已经成为了现代社会的基石,在经济社会发展中发挥着重要作用。,土木工程中应用的水泥品种众多,按照国家标准GB/T 41311997水泥的命名、定义和术语规定,按水泥的性能及用途可分为三大类: 即用于一般土木建筑工程
2、的通用水泥,主要包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等六大硅酸盐系水泥; 具有专门用途的专用水泥,如道路水泥、砌筑水泥和油井水泥等; 具有某种比较突出性能的特性水泥,如快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和膨胀水泥等。,水泥分类,按国家标准GB 1751999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定,凡由硅酸盐水泥熟料、0%5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥(国外通称波特兰水泥)。硅酸盐水泥分两类:不掺加混合材料的称型硅酸盐水泥,代号P;在水泥粉磨时掺入不超过水泥质量5%
3、的石灰石或粒化高炉矿渣的称型硅酸盐水泥,代号P。,一、硅酸盐水泥,(一)硅酸盐水泥的生产,硅酸盐水泥,1. 硅酸盐水泥熟料的组成 由水泥原料经配比后煅烧得到的块状料即为水泥熟料,是水泥的主要组成部分。 硅酸盐水泥熟料的化学成分主要是氧化钙(CaO)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)四种氧化物,占熟料质量的94%左右。其中,CaO约占60%67%,SiO2约占20%24%,Al2O3约占4%9%,Fe2O3约占2.5%6%。这几种氧化物经过高温煅烧后,反应生成多种具有水硬性的矿物,成为水泥熟料。,2. 硅酸盐水泥的原料及生产工艺 生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰石、粘
4、土和铁矿石粉,煅烧一般用煤作燃料。石灰石主要提供CaO,粘土主要提供SiO2、Al2O3和Fe2O3,铁矿石粉主要是补充Fe2O3的不足。硅酸盐水泥的生产工艺流程可用图1-2表示。,图1-2 硅酸盐水泥的生产工艺流程,硅酸盐水泥,(二)硅酸盐水泥的硬化,1. 硅酸盐水泥熟料矿物的硬化 水泥加水拌合形成塑性的流动浆体,同时产生水化反应形成水化物,并放出一定热量(水化热),逐步凝结成水泥石。 塑性浆体方便施工(可塑);水化热却不仅影响水泥的凝结硬化速率,还会由于热量的积蓄产生较大的内外温差,影响结构的稳定性,大体积混凝土工程如大型基础、水库大坝和桥墩等尤为注意;凝结硬化成水泥石是一个过程,在这个过
5、程中达到一定强度,一般划分为早期强度和后期强度。,硅酸盐水泥,2. 硅酸盐水泥的凝结时间 水泥的凝结指水泥加水拌合后从流动状态到固体状态的变化,即水泥浆失去流动性而具有一定的强度水泥石。凝结时间分为“初凝”和“终凝”,它直接影响工程的施工。 初凝,水泥加水拌合时起到水泥浆开始失去可塑性的时间。初凝时间不宜过短,以保证时有足够的时间完成拌合、运输、浇筑的过程。国家规定,初凝不得少于45分钟 终凝,水泥加水拌合时起到硬化固结产生强度的时间(不是凝结硬化的终止)。终凝时间不宜过长,国家规定不得大于6.5小时。 实际工程中,初凝一般为13小时,终凝为46小时。,硅酸盐水泥,(三)水泥的主要技术性质 1
6、.细度 反映水泥颗粒粗细程度。普通水泥细度用筛余量表示,即0.08mm2方孔筛上筛余量不得超过10%。 水泥颗粒细,则水化快而较较完全,早期强度高;但过细在空气中硬化时收缩大易产生裂缝。 2.体积安定性 指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀程度。当水泥浆体硬化过程发生不均匀的体积变化,就会导致水泥石膨胀开裂、翘曲,甚至失去强度,这即是安定性不良。 3.强度与强度等级 水泥强度是水泥的主要技术性质,是评定其质量的主要指标。强度等级(水泥标号)按3d和28d的抗压强度和抗折强度来划分。,硅酸盐水泥,硅酸盐水泥,同时按照3天强度又分为普通型与早强型(R),各龄期强不得低于国家标准GB1751999中
7、规定,如下表,4.凝结时间(见前) 对于大型工程项目,以上四项基本技术指标在水泥进场后,必须进行检验和验收,以确定产品的质量性能为合格品、降级使用品、废品,确保工程质量。 (四)水泥石的腐蚀与防治 1. 水泥石的主要腐蚀 如果水泥石处于侵蚀性环境中,侵蚀介质与水泥石间的物化作用,使水泥石结构破坏至强度降低。主要有: 1) 软水(雨水、雪水等)腐蚀(溶出性腐蚀) Ca(OH)2晶体是水泥的主要水化产物之一,水泥的其他水化产物也须在一定浓度的Ca(OH)2溶液中才能稳定存在,而Ca(OH)2又是易溶于水的。若水泥石中的Ca(OH)2被溶解流失,其浓度低于水化产物所需要的最低要求时,水泥的水化产物就
8、会被溶解或分解,从而造成水泥石的破坏。,硅酸盐水泥,雨水、雪水、蒸馏水、冷凝水、含碳酸盐较少的河水和湖水等都是软水,当水泥石长期与这些水接触时,Ca(OH)2会被溶出,在静水无压或水量不多情况下,由于Ca(OH)2的溶解度较小,溶液易达到饱和,故溶出作用仅限于表面,并很快停止,其影响不大。但在流水、压力水或大量水的情况下,Ca(OH)2会不断地被溶解流失。最终变成胶结能力很差的产物,使水泥石结构受到破坏。 2) 盐类腐蚀 (1) 硫酸盐腐蚀(膨胀腐蚀)是指在海水、湖水、盐沼水、地下水、某些工业污水、流经高炉矿渣或煤渣的水中,常含钾、钠和氨等的硫酸盐。它们与水泥石中的Ca(OH)2发生置换反应,
9、生成硫酸钙。生成的高硫型水化硫铝酸钙晶体比原有水化铝酸钙体积增大1倍1.5倍,硫酸盐浓度高时还会在孔隙中直接结晶成二水石膏,比Ca(OH)2的体积增大1.2倍以上。由此引起水泥石内部膨胀,致使结构胀裂、强度下降而遭到破坏。,硅酸盐水泥,(2) 镁盐腐蚀是指在海水及地下水中,常含有大量的镁盐,所生成的Mg(OH)2松软而无胶凝性。 3) 酸类腐蚀 (1) 碳酸腐蚀是指在工业污水、地下水中常溶解有较多的二氧化碳,形成碳酸水,这种水对水泥石有较强的腐蚀作用。 (2) 一般酸的腐蚀是指水泥水化生成大量Ca(OH)2,因而呈碱性,一般酸都会与Ca(OH)2发生中和反应,其反应的产物或者易溶于水,或者体积
10、膨胀,使水泥石性能下降,甚至导致破坏。 4) 强碱的腐蚀 浓度不高的碱类溶液,一般对水泥石无害。但若长期处于较高浓度(大于10%)的含碱溶液中也能发性缓慢腐蚀,主要是化学腐蚀和结晶腐蚀。,硅酸盐水泥,2. 腐蚀的防止 水泥石腐蚀的产生,主要有三个基本原因:一是水泥石中存在易被腐蚀的组分,主要是Ca(OH)2和水化铝酸钙;二是有能产生腐蚀的介质和环境条件;三是水泥石本身不密实,有许多毛细孔,使侵蚀介质能进入其内部。防止水泥石的腐蚀,一般可采取以下措施。,(1) 合理选用水泥品种。水泥品种不同,其矿物组成也不同,对腐蚀的抵抗能力不同。水泥生产时,调整矿物的组成,掺加相应耐腐蚀性强的混合材料,就可制
11、成具有相应耐腐蚀性能的特性水泥。 (2) 提高水泥石的密实度,改善孔隙结构。水泥石的构造是一个多孔体系,因多余水分蒸发形成的毛细孔隙,是连通的孔隙,介质能渗入其内部,造成腐蚀。 (3) 通过表面处理,形成保护层。,(五)硅酸盐水泥的优缺点及应用范围 1. 优点 1)凝结硬化快,强度高,尤其是早期强度高,主要用于地上、地下及水中结构及早强要求高的工程。 2)抗冻性好,适合冬季工程及严寒地区遭反复冻融工程。 3)抗碳化性好,适用于CO2浓度较高(如烟囱)环境。 4)耐磨性好,用于路面、地面工程。 2.缺点 1)水化热高,不宜用于大体积混凝土工程。 2)耐腐蚀性差,不适用于水利和海港工程。 3)不耐
12、高温,不宜用于高于250oC混凝土工程。,硅酸盐水泥,(六)存储 包装水泥袋上应清楚标明产品名称、代号、净含量、强度等级、生产许可证编号、生产者名称、产地、出厂编号、执行标准和包装时间等。 一般水泥的储存期为三个月,使用存放三个月以上的水泥,必须重新检验其强度,否则不得使用。,硅酸盐水泥,硅酸盐水泥,混合材料分二种:活性混合材料(火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰);非活性混合材料(石灰石粉等)。 (一)普通水泥 由硅酸盐水泥熟料参615%混合料及适量石膏磨细成水硬性胶凝材料,称普通硅酸盐水泥(P.O)。 (二)矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥 参2070%粒化高炉矿渣、适量石膏磨细成水硬性胶凝材料
13、,称矿渣硅酸盐水泥(P.S); 参2050%火山灰混合料、适量石膏磨细成水硬性胶凝材料,称火山灰硅酸盐水泥(P.P); 参2040%粉煤灰、适量石膏磨细成水硬性胶凝材料,称粉煤灰硅酸盐水泥(P.F)。,二、掺混合材料的硅酸盐系水泥,特性与应用,掺混合材料的硅酸盐系水泥,掺混合材料的水泥与硅酸盐水泥相比,有其自身的特点。 (1) 凝结硬化慢、早期强度低和后期强度增长快。,(2) 水化热低,适合大体积混凝土工程。,(3) 耐腐蚀性能强,可用于有耐腐蚀要求的工程中。 (4) 抗冻性差,耐磨性差。不宜用于严寒地区水位升降范围内的混凝土工程和有耐磨性要求的工程。,(三)复合硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料
14、、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)(P.C)。,掺混合材料的硅酸盐系水泥,复合水泥的早期强度接近于普通水泥,性能略优于其他掺混合材料的水泥,适用范围较广。它掺加了两种或两种以的混合材料,有利于发挥各种材料的优点,为充分利用混合材料生产水泥,扩大水泥应用范围,提供了广阔的途径。,通用硅酸盐系水泥品种不多,但用量却是最大的。除此之外水泥品种的大部分是特性水泥和专用水泥,又称为特种水泥,其用量虽然不大,但用途却很重要且很广泛。 (一)白色与彩色硅酸盐水泥 1. 白色硅酸盐水泥 由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料,适量石膏及标准规定的混合材料
15、,磨细制成的水硬性胶凝材料称为白色硅酸盐水泥,简称白水泥。,三、特种水泥,2. 彩色硅酸盐水泥 彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥,主要有两种生产方法,即染色法和烧成法。,(二)快硬硅酸盐水泥 凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的,以三天抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料,称为快硬硅酸盐水泥(简称快硬水泥)。,特种水泥,提高水泥细度可提高水化硬化速率。 快硬水泥主要用于抢修工程、军事工程、预应力钢筋混凝土构件制造等,适用于配制干硬混凝土,水灰比可控制在0.40以下;无收缩快硬水泥主要用于装配式框架节点的后浇混凝土和各种现浇混凝土工程的接缝工程、机器设备安装的灌浆等要求快硬、高强和无收缩的混凝土工程。,
16、(三) 道路硅酸盐水泥 对道路水泥的性能要求是耐磨性好、收缩小、抗冻性好、抗冲击性好,有高的抗折强度和良好的耐久性。道路水泥的上述特性,主要依靠改变水泥熟料的矿物组成、粉磨细度、石膏加入量及外加剂来达到。,硅酸盐系特种水泥,道路水泥可以较好的承受高速车辆的车轮摩擦、循环负荷、冲击和震荡、货物起卸时的骤然负荷,较好的抵抗路面与路基的温差和干湿度差产生的膨胀应力,抵抗冬季的冻融循环。使用道路水泥铺筑路面,可减少路面裂缝和磨耗,减小维修量,延长使用寿命。 道路水泥主要用于道路路面、机场跑道路面和城市广场等工程。,(四) 膨胀硅酸盐水泥与自应力硅酸盐水泥 膨胀水泥和自应力水泥都是硬化时具有一定体积膨胀
17、的水泥品种。通用硅酸盐水泥在空气中硬化,一般都表现为体积收缩。收缩使水泥石内部产生细微裂缝,导致其强度、抗渗性、抗冻性下降;用于装配式构件接头、建筑连接部位和堵漏补缝时,水泥收缩会使结合不牢,达不到预期效果。,硅酸盐系特种水泥,明矾石膨胀水泥是以一定比例的硅酸盐水泥熟料、天然明矾石、无水石膏和矿渣(或粉煤灰)共同粉磨制成。,以粒化高炉矿渣为主要组分,加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏,磨细制成的具有低水化热和微膨胀性能的水硬性胶凝材料,称为低热微膨胀水泥。,(五)低水化热硅酸盐水泥 低水化热硅酸盐水泥原称大坝水泥,是专门用于要求水化热较低的大坝和大体积工程的水泥品种。 以适当成分的硅酸盐水泥熟料,加
18、入适量石膏,磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料,称为低热硅酸盐水泥(简称低热水泥) 。 以适当成分的硅酸盐水泥熟料,加入粒化高炉矿渣、适量石膏,磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料,称为低热矿渣硅酸盐水泥(简称低热矿渣水泥) 。,硅酸盐系特种水泥,(六)砌筑水泥 目前,我国建筑,尤其住宅建筑中,砖混结构仍占很大比例,砌筑砂浆成为需要量很大的建筑材料。 通常,在施工配制砌筑砂浆时,会采用最低强度即32.5级或42.5级的通用水泥,而常用砂浆的强度仅为2.5MPa、5.0MPa,水泥强度与砂浆强度的比值大大超过了45倍的经济比例,为了满足砂浆和易性的要求,又需要用较多的水泥,造成砌筑砂浆强度
19、等级超高,形成较大浪费。因此,生产专为砌筑用的低强度水泥非常必要。,硅酸盐系特种水泥,砌筑水泥适用于砌筑砂浆、内墙抹面砂浆及基础垫层。,铝酸盐系水泥是应用较多的非硅酸盐系水泥,是具有快硬早强性能和较好耐高温性能的胶凝材料,还是膨胀水泥的主要组分,在军事工程、抢修工程、严寒工程、耐高温工程和自应力混凝土等方面应用广泛,是重要的水泥系列之一。,铝酸盐水泥,铝酸盐水泥的主要原料是矾土(铝土矿)和石灰石,矾土提供Al2O3,石灰石提供CaO。,普通混凝土的组成材料 混凝土配合比设计 混凝土拌合物的和易性 混凝土的强度 其他品种混凝土,第三节 混凝土,混凝土是由胶凝材料、粗骨料、细骨料和水(或不加水)按
20、适当的比例配合、拌合制成混合物,经一定时间后硬化而成的人造石材。混凝土常简写为“砼”。 水泥混凝土经过170多年的发展,已演变成了有多个品种的土木工程材料,混凝土通常从以下几个方面分类: 按所用胶凝材料可分为水泥混凝土、沥青混凝土、水玻璃混凝土、聚合物混凝土、聚合物水泥混凝土、石膏混凝土和硅酸盐混凝土等几种。下面就土木工程界使用最广泛的水泥混凝土进行分类。,混凝土,(一)按干表观密度分为三类:,重混凝土,其干表观密度大于2 600kg/m3,采用重骨料和水泥配制而成,主要用于防辐射工程,又称为防辐射混凝土;,轻混凝土,其干表观密度小于1 950 kg/m3,包括轻骨料混凝土、大孔混凝土和多孔混
21、凝土,可用作承重结构、保温结构和承重兼保温结构。,普通混凝土,其干表观密度为2 0002 500 kg/m3,一般多在2 400 kg/m3左右,用水泥、水与普通砂、石配制而成,是目前土木工程中应用最多的混凝土,广泛用于工业与民用建筑、道路与桥梁、海工与大坝、军事工程等工程,主要用作承重结构材料,目前全世界普通混凝土年用量达40多亿m3,我国年用量在15亿m3以上;,一、分类,(二)按使用功能分 按用途可分为结构混凝土、防水混凝土、防辐射混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、大体积混凝土、膨胀混凝土、道路混凝土和水下不分散混凝土等多种。 (三)其它分类 按掺合料可分为:粉煤灰混凝土、硅灰
22、混凝土、碱矿渣混凝土和纤维混凝土等多种。 按抗压强度(fcu)大小可分为低强混凝土(fcu 30MPa)、中强混凝土(fcu =3060MPa)、高强混凝土(fcu60MPa)和超高强混凝土(fcu100MPa)等。 按每立方米中的水泥用量(C)分为贫混凝土(C170kg)和富混凝土(C230kg)。,按施工工艺可分为泵送混凝土、预拌混凝土(商品混凝土)、喷射混凝土、真空脱水混凝土、自密实混凝土、堆石混凝土、压力灌浆混凝土(预填骨料混凝土)、造壳混凝土(裹砂混凝土)、离心混凝土、挤压混凝土、真空吸水混凝土、热拌混凝土和太阳能养护混凝土等多种。,普通混凝土是由水泥、水、砂子和石子组成,另外还常掺
23、入适量的外加剂,当然,还有一些空隙,也即空气。 砂子和石子在混凝土中起骨架作用,故称为骨料(又叫集料),砂子称为细骨料,石子称为粗骨料。水泥和水形成水泥浆包裹在骨料的表面并填充骨料之间的空隙,在混凝土硬化之前起润滑作用,赋予混凝土拌合物流动性,便于施工;硬化之后起胶结作用,将砂石骨料胶结成一个整体,使混凝土产生强度,成为坚硬的人造石材。外加剂起改性作用。掺合料起降低成本和改性作用。,二、普通混凝土的组成材料,图1-4 混凝土的结构,(一)普通混凝土的组成材料,1. 水泥 水泥是混凝土中最重要的组分,同时是混凝土组成材料中总价最高的材料。配制混凝土时,应正确选择水泥品种和水泥强度等级,以配制出性
24、能满足要求、经济性好的混凝土。 (1)水泥品种的选择 配制混凝土时,应根据工程性质、部位、施工条件和环境状况等选择水泥的品种。,普通混凝土的组成材料,(2)水泥强度等级的选择 水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。原则上配制高强度等级的混凝土,选用高强度等级的水泥;配制低强度等级的混凝土,选用低强度等级的水泥。 若用低强度等级的水泥配制高强度等级混凝土时,要满足强度要求,必然增大水泥用量,不经济;同时混凝土易于出现干缩开裂和温度裂缝等劣化现象。 反之,用高强度等级的水泥配制低强度等级的混凝土时,若只考虑满足混凝土强度要求,水泥用量将较少,难以满足混凝土和易性和耐久性等要求;若水泥用
25、量兼顾了耐久性等性能,又会导致混凝土超强和不经济。 对于中低强度等级混凝土的水泥强度满足,水泥强度=(1.52.5)砼fcu; 对于高强度等级混凝土的水泥强度满足,水泥强度=(0.91.5)砼fcu。,普通混凝土的组成材料,2. 细骨料 根据国家标准建筑用砂(GB/T 146842001)的规定,粒径在150m4.75mm之间的骨料称为细骨料。 建设部行业标准普通混凝土用砂质量标准及检验方法(JGJ 521992),将粒径0.16mm5.0mm之间的骨料称为细骨料。 (1)细骨料的种类及其特性 砂按产源分为天然砂、人工砂两类。天然砂包括河砂、湖砂、淡化海砂和山砂;人工砂包括机制砂和混合砂。,普
26、通混凝土的组成材料,(2)细骨料的技术要求 细骨料质量的优劣,直接影响到混凝土质量的好坏。 1) 含泥量、石粉含量和泥块含量,普通混凝土的组成材料,泥、石粉和泥块对混凝土是有害的。泥包裹于砂子的表面,隔断了水泥石与砂子之间的粘结,影响混凝土的强度。当含泥量多时,会降低混凝土强度和耐久性,并增加混凝土的干缩。 2) 有害物质 砂子中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物。砂中有害物质包括云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等。,砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后的平均粗细程度。 砂的颗粒级配是指粒径大小不同的砂粒的搭配情况。 粒径相同的砂粒堆积在一起,会产生很大的空隙率;
27、 当用两种粒径的砂搭配起来,空隙率就减少了; 而用三种粒径的砂搭配,空隙率就更小了。 由此可见,要想减小砂粒间的空隙,就必须将大小不同的颗粒搭配起来使用。,普通混凝土的组成材料,骨料的颗粒级配,3. 粗骨料,普通混凝土的组成材料,根据国家标准建筑用卵石、碎石(GB/T 146852001)的规定,粒径在4.75mm90mm之间的骨料称为粗骨料。 建设部行业标准普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法(JGJ 531992),将粒径5mm100mm之间的骨料称为粗骨料。 粗骨料有卵石(又称为砾石)和碎石两类。,碎石主要由天然岩石破碎、筛分而成,也可将大卵石轧碎、筛分而得。碎石表面粗糙,棱角多,且
28、较洁净,与水泥石粘结比较牢固。 卵石由天然岩石经自然条件作用而形成。卵石表面光滑,有机杂质含量较多,与水泥石胶结力较差。 在相同条件下,卵石混凝土的强度较碎石混凝土低,在单位用水量相同的条件下,卵石混凝土的流动性较碎石混凝土大。,4. 水 混凝土拌合及养护用水水应不影响混凝土的凝结硬化,无损于混凝土强度发展及耐久性,不加快钢筋锈蚀,不引起预应力钢筋脆断,不污染混凝土表面。,普通混凝土的组成材料,5.外加剂 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质,其掺量一般不大于水泥重量的5%(特殊情况除外)。 外加剂在混凝土中的掺量不多,但可显著改善混凝土拌合物的和易性,明显提高混凝
29、土的物理力学性能和耐久性。外加剂的研究和应用促进了混凝土生产和施工工艺,以及新型混凝土的发展,外加剂的出现导致了混凝土技术的第三次革命。,(1)外加剂的分类 外加剂按主要功能分为四类。 1) 改善混凝土拌合物流变性能的外加剂,如减水剂、引气剂和泵送剂等。 2) 调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂,如缓凝剂、早强剂和速凝剂等。 3) 改善混凝土耐久性的外加剂,如引气剂、防水剂、防冻剂和阻锈剂等。 4) 改善混凝土其他性能的外加剂,如加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、泵送剂、碱骨料反应抑制剂和道路抗折剂等。,普通混凝土的组成材料,(2)几种常用的混凝土外加剂 1) 减水剂 在混凝土组成材料种类和用
30、量不变的情况下,往混凝土中掺入减水剂,混凝土拌合物的流动性将显著提高。若要维持混凝土拌合物的流动性不变,则可减少混凝土的加水量。是工程中应用最广泛的一种外加剂。,普通混凝土的组成材料,在混凝土中加入减水剂后,可取得以下技术经济效果: 在拌合物用水量不变时,混凝土流动性显著增大,混凝土拌合物坍落度可增大100mm200mm。 保持混凝土拌合物坍落度和水泥用量不变,可减水5%30%,混凝土强度可提高5%25%,特别是早期强度会显著提高。 保持混凝土强度不变时,可节约水泥用量5%25%。,2) 早强剂 早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂能促进水泥的水化和硬化,提高早期强度,缩短养护周
31、期,提高模板和场地周转率,加快施工速度。常用的早强剂有氯盐类、硫酸盐类、有机胺类以及它们的复合类。 氯盐类早强剂。主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铝及三氯化铁等,其中氯化钙应用最广。,普通混凝土的组成材料,硫酸盐类早强剂。主要有硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝及硫酸钾铝等,其中应用最多的是硫酸钠。 有机胺类早强剂。主要有三乙醇胺、三异丙醇胺等,其中三乙醇胺最为常用。 复合早强剂。采用二种或二种以上的早强剂复合。复合早强一般可使混凝土3d强度提高7080%,28d强度可提高20%左右。,3) 引气剂 引气剂是指在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡(直径10m100m)的
32、外加剂。 混凝土引气剂有松香树脂类、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类、蛋白质盐及石油磺酸盐等几种。其中以松香树脂类应用最为广泛。这类引气剂的主要品种有松香热聚物和松香皂两种。 引气剂为表面活性剂,由于在搅拌混凝土时会混入一些气泡,掺入的引气剂就定向排列在泡膜界面(气液界面)上,因而形成大量微小气泡。被吸附的引气剂离子增强了泡膜的厚度和强度,使气泡不易破灭。这些气泡均匀分散在混凝土中,互不相连,使混凝土的一些性能得以改善。,普通混凝土的组成材料,引气剂使混凝土的一些性能得以改善。 改善混凝土拌合物的和易性。封闭的小气泡在混凝土拌合物中好如滚珠,减少了骨料间的摩擦,增强了润滑作用,从而提高了混凝土拌
33、合物的流动性。 提高混凝土的抗渗性和抗冻性。引入的封闭气泡能有效隔断毛细孔通道,并能减少泌水造成的渗水通道,从而提高了混凝土的抗渗性。另外,引入的封闭气泡对水结冰产生的膨胀力起缓冲作用,从而提高抗冻性。 (3) 强度有所降低。气泡的存在,使混凝土的有效受力面积减少,导致混凝土强度的下降。一般混凝土的含气量每增加1%,其抗压强度将降低4%6%,抗折强度降低2%3%。因此引气剂的掺量必须适当。,普通混凝土的组成材料,4) 缓凝剂 缓凝剂是指能延缓混凝土凝结时间,而不显著影响混凝土后期强度的外加剂。 缓凝剂分为无机和有机两大类。有机缓凝剂包括木质素磺酸盐、羟基羧基及其盐、糖类及碳水化合物、多元醇及其
34、衍生物等;无机缓凝剂包括硼砂、氯化锌、碳酸锌、硫酸铁(铜、锌、镉等)、磷酸盐及偏磷酸盐等。有机类缓凝剂多为表面活性剂,掺入混凝土中,能吸附在水泥颗粒表面,形成同种电荷的亲水膜,使水泥颗粒相互排斥,阻碍水泥水化产物粘连和凝结,起缓凝作用;无机类缓凝剂,一般是在水泥颗粒表面形成一层难溶的薄膜,对水泥的正常水化起阻碍作用,从而导致缓凝。,普通混凝土的组成材料,普通混凝土的组成材料,5) 速凝剂 速凝剂是指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。大部分速凝剂的主要成分为铝酸钠(铝氧熟料),此外还有碳酸钠、铝酸钙、氟硅酸锌、氟硅酸镁、氯化亚铁、硫酸铝、三氯化铝等盐类。,6) 防冻剂 防冻剂指能使混凝土在负温下硬
35、化,并在规定时间内达到足够防冻强度的外加剂。,7) 膨胀剂 膨胀剂指能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。,8) 防水剂 防水剂指能降低混凝土在静水压力下的透水性的外加剂。 防水剂可用于工业与民用建筑的屋面、地下室、隧道、巷道、给排水池、水泵站等有防水抗渗要求的混凝土工程。,混凝土的性能包括两个部分:一是混凝土硬化之前的性能,即和易性;二是混凝土硬化之后的性能,包括强度、变形性能和耐久性等。 一、和易性的概念 由混凝土组成材料拌和而成、尚未硬化的混合料,称为混凝土拌合物,又称新拌混凝土。 和易性指混凝土拌合物易于施工操作(拌和、运输、浇筑和振捣),不发生分层、离析、泌水等现象,以获得质量均匀、密
36、实的混凝土的性能。 和易性是反映混凝土拌合物易于流动但组分间又不分离的一种性能,是一项综合技术性能,包括流动性、粘聚性和保水性三个方面的含义。,三、混凝土拌合物的和易性,二、和易性的测定 混凝土和易性内涵较复杂,目前尚未有通过一个技术指标来全面反映混凝土拌合物和易性的方法。通常是测定混凝土拌合物的流动性,观察评定粘聚性和保水性。流动性测定方法有坍落度筒法和维勃稠度法。 坍落度筒法是将混凝土拌合物分三层(每层装料约1/3筒高)装入坍落度筒内,每层用16的光圆铁棒插捣25次。待装满刮平后,垂直平稳地向上提起坍落度筒。用尺量测筒高与坍落后混凝土拌合物最高点之间的高度差(mm),即为该混凝土拌合物的坍
37、落度值。坍落度越大,表明混凝土拌合物的流动性越好。,混凝土拌合物的和易性,坍落度试验只适用于骨料最大粒径不大于40mm的非干硬性混凝土(指混凝土拌合物的坍落度值大于10mm的混凝土)。根据坍落度大小,将混凝土拌合物分为四级,见表5-22。 混凝土按坍落度的分级,混凝土拌合物的和易性,混凝土拌合物坍落度测定,流动性(坍落度)的选择 选择混凝土拌合物的坍落度,应根据结构构件截面尺寸的大小、配筋的疏密、施工捣实方法和环境温度来确定。当构件截面尺寸较小时或钢筋较密,或采用人工插捣时,坍落度可选择大些。反之,如构件截面尺寸较大或钢筋较疏,或者采用振动器振捣时,坍落度可选择小些。 混凝土浇筑时的坍落度,混
38、凝土拌合物的和易性,影响和易性的主要因素 混凝土拌合物要产生流动必须克服其内部的阻力,拌合物内的阻力主要来自两个方面,一是骨料间的摩擦阻力,二是水泥浆的粘聚力。 (1) 骨料间摩擦阻力的大小主要取决于骨料颗粒表面水泥浆的厚度,即水泥浆数量的多少。在水灰比(水与水泥质量之比)不变的情况下,单位体积拌合物内,水泥浆数量愈多,拌合物的流动性愈大。但若水泥浆过多,将会出现流浆现象;若水泥浆过少,则骨料之间缺少粘结物质,易使拌合物发生离析和崩坍。 (2) 水泥浆粘聚力大小主要取决于水灰比。在水泥用量、骨料用量均不变的情况下,水灰比增大即增大水的用量,拌合物流动性增大;反之则减小。但水灰比过大,会造成拌合
39、物粘聚性和保水性不良;水灰比过小,会使拌合物流动性过低。,混凝土拌合物的和易性,2. 砂率的影响 砂率是指混凝土中砂的重量占砂、石总重量的百分比。 砂率大小确定的原则是砂子填充满石子的空隙并略有富余。富余的砂子在粗骨料之间起滚珠作用,能减少粗骨料之间的摩擦力。,混凝土拌合物的和易性,但是当砂率增大超过一定范围后,流动性反而随砂率增加而降低。因为随着砂率的增大,骨料的总表面积必随之增大,润湿骨料的水分需增多,在单位用水量一定的条件下,混凝土拌合物的流动性降低。 在配制混凝土时,砂率不能过大,也不能过小,应有合理砂率。,(一)混凝土的结构和受压破坏过程 1. 混凝土的结构 混凝土是一种颗粒型复合材
40、料,一般认为混凝土是由粗骨料与砂浆或粗细骨料与水泥石两相组成的、不十分密实的、非匀质的分散体。 流动性混凝土拌合物在浇灌成型过程中和在凝结之前,由于固体粒子的沉降作用,粗大的颗粒沉积于下部,多余的水分被挤上升至表层或积聚于粗骨料的下方,表层混凝土成为最疏松和最软弱的部分。,四、混凝土的强度,(a) 组成材料分层过程 (b) 宏观堆聚结构 混凝土宏观堆聚分层结构,通过显微观察混凝土受压破坏过程,混凝土内部的裂缝发展可分为如图所示的四个阶段。,混凝土的强度,混凝土受压变形曲线 I界面裂缝无明显变化; II界面裂缝增长; III出现砂浆裂缝和连续裂缝; IV连续裂缝迅速发展; V裂缝缓慢增长; VI
41、裂缝迅速增长,混凝土压时不同受力阶段裂缝示意图,(1) 阶段:当荷载到达“比例极限”(约为极限荷载的30%)以前,界面裂缝无明显变化,荷载变形呈近似直线关系,如图所示的OA段。 (2) 阶段:荷载超过“比例极限”后,界面裂缝的数量、长度及宽度不断增大,界面借摩擦阻力继续承担荷载,但无明显的砂浆裂缝,荷载变形之间不再是线性关系,如图所示的AB段。 (3) 阶段:荷载超过“临界荷载”(约为极限荷载的70%90%)以后,界面裂缝继续发展,砂浆中开始出现裂缝,并将邻近的界面裂缝连接成连续裂缝。此时,变形增大的速度进一步加快,曲线明显弯向变形坐标轴,如图所示的BC段。 (4) 阶段:荷载超过极限荷载以后
42、,连续裂缝急速发展,混凝土承载能力下降,荷载减小而变形迅速增大,以致完全破坏,曲线逐渐下降而最后破坏,如图所示的CD段。 由此可见,混凝土受压时荷载与变形的关系,是内部微裂缝发展规律的体现。混凝土在外力作用下的变形和破坏过程,也就是内部裂缝的发生和发展过程,它是一个从量变到质变的过程。只有当混凝土内部的微观破坏发展到一定量级时,才会使混凝土的整体遭受破坏。,混凝土的强度,(二)混凝土强度 在土木工程结构和施工验收中,常用的强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度和抗折强度等几种。 1. 混凝土立方体抗压强度(fcu) 混凝土立方体抗压强度是指按标准方法制作的,标准尺寸为150mm150mm
43、150mm的立方体试件,在标准养护条件下(202),相对湿度为95%以上的标准养护室或(202)的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中),养护到28d龄期,以标准试验方法测得的抗压强度值。 当混凝土立方体试件在压力机上受压时,在沿加荷方向发生纵向变形的同时,也会产生横向变形,即泊松比效应。,混凝土的强度,2. 混凝土强度等级 普通混凝土的强度等级按其立方体抗压强度标准值划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55和C80共14个等级。“C”代表混凝土,是concrete的第一个英文字母,C后面的数字为立方体抗压强度标准值(MPa)。 混凝土强度等级是混凝土结构设计时
44、强度计算取值、混凝土施工质量控制和工程验收的依据。,混凝土的强度,(一) 在非荷载作用下的变形 1. 化学收缩 由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小,从而引起混凝土的收缩称为化学收缩。收缩量随混凝土硬化龄期的延长而增加,一般在混凝土成型后40d内增长较快,以后逐渐趋于稳定。化学收缩值很小(小于1%),对混凝土结构没有破坏作用。混凝土的化学收缩是不可恢复的。 2. 干湿变形 混凝土因周围环境湿度变化,会产生干燥收缩和湿胀,统称为干湿变形。,五、混凝土的变形性能,(二) 在荷载作用下的变形 1. 在短期荷载作用下的变形 1) 混凝土的弹塑性变形 混凝土是一种弹塑性体,静力受压时,既产生弹
45、性变形,又产生塑性变形。,混凝土的变形性能,2) 混凝土的弹性模量 材料的弹性模量是指应力-应变曲线上任一点的应力与应变之比。,(一)混凝土的抗渗性 混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力液体(水、油和溶液等)渗透作用的能力。 混凝土在压力液体作用下产生渗透的主要原因,是其内部存在连通的渗水孔道。这些孔道来源于水泥浆中多余水分蒸发留下的毛细管道、混凝土浇筑过程中泌水产生的通道、混凝土拌合物振捣不密实、混凝土干缩和热胀产生的裂缝等。 在受压力液体作用的工程,如地下建筑、水池、水塔、压力水管、水坝、油罐以及港工、海工等,必须要求混凝土具有一定的抗渗性能。提高混凝土抗渗性的主要措施有降低水灰比,以减少泌水
46、和毛细孔;掺引气型外加剂,将开口孔转变成闭口孔,割断渗水通道等。,六、混凝土的耐久性,工程上用抗渗等级来表示混凝土的抗渗性。 混凝土抗渗等级分为P4、P6、P8、P10和P12五级,相应表示混凝土能抵抗0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa的水压不渗漏。 (二) 混凝土的抗冻性 混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下,经受多次冻融循环作用,强度不严重降低,外观能保持完整的性能。 水结冰时体积膨胀约9%,结冰产生很大的力。此力的大小取决于毛细孔的充水程度、冻结速度及尚未结冰的水向周围能容纳水的孔隙流动的阻力(包括凝胶体的渗透性及水通路的长短)。,混凝土的耐久性,(三
47、)混凝土的碳化 混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中的Ca(OH)2与空气中的CO2,在一定湿度条件下发生化学反应,生成CaCO3和H2O的过程。 混凝土的碳化弊多利少。由于中性化,混凝土中的钢筋因失去碱性保护而锈蚀,并引起混凝土顺筋开裂;碳化收缩会引起微细裂纹,使混凝土强度降低。但是碳化时生成的碳酸钙填充在水泥石的孔隙中,使混凝土的密实度和抗压强度提高,对防止有害杂质的侵入有一定的缓冲作用。,混凝土的耐久性,(四) 混凝土的碱骨料反应 碱骨料反应是指混凝土中的碱与具有碱活性的骨料之间发生反应,反应产物吸水膨胀或反应导致骨料膨胀,造成混凝土开裂破坏的现象。,混凝土的耐久性,(五) 混凝土的表面磨损
48、 混凝土的表面磨损有三种情况:一是机械磨耗,如路面、机场跑道、厂房地坪等处的混凝土受到反复摩擦、冲击而造成的磨耗;二是冲磨,如桥墩、水工泄水结构物、沟渠等处的混凝土受到高速水流中夹带的泥砂、石子颗粒的冲刷、撞击和摩擦造成的磨耗;三是空蚀,如水工泄水结构物受到水流速度和方向改变形成的空穴冲击而造成的磨耗。,(一) 混凝土质量波动 混凝土在生产过程中由于受到许多因素的影响,其质量不可避免地存在波动。造成混凝土质量波动的主要因素有: (1) 混凝土生产前的因素。主要包括组成材料、配合比和设备状况等。 (2) 混凝土生产过程中的因素。主要包括计量、搅拌、运输、浇筑、振捣和养护,试件的制作与养护等。 (
49、3) 混凝土生产后的因素。主要包括批量划分、验收界限、检测方法和检测条件等。 虽然混凝土的质量波动是不可避免的,但并不意味着不去控制混凝土的质量。相反,要认识到混凝土质量控制的复杂性,必须将质量管理贯穿于生产的全过程,使混凝土的质量在合理范畴内波动,确保土木工程的结构安全。,七、混凝土质量波动,(二) 混凝土强度的波动规律正态分布 在正常生产条件下,影响混凝土强度的因素是随机变化的,对同一种混凝土进行系统的随机抽样,测试结果表明其强度的波动规律符合正态分布,如图所示。混凝土强度正态分布曲线有以下特点。 (1) 曲线呈钟型,两边对称。对称轴为平均强度,曲线的最高峰出现在该处。这表明混凝土强度接近其平均强度值处出现的次数最多,而随着远离对称轴,强度测定值出现的概率越来越小,最后趋近于零。,混凝土质量波动,混凝土质量波动,混凝土强度的正态分布曲线,(2) 曲线和横坐标之间所包围的面积为概率的总和,等于100%。对称轴两边出现的概率相等,各为50%。 (3) 在对称轴两边的曲线上各有一个拐点。两拐点间的曲线向上凸弯,拐点以外的曲线向下凹弯,并以横坐标为渐近线。,2. 混凝土强度标准差 混凝土强度标
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