1、,土木工程材料Building and Construction Material,土木与交通工程学院材料工程系,北京建筑工程学院,5 混凝土,5 混凝土,5.1 混凝土的概述,公元2世纪古罗马在大型建筑中不同的结构采用了不同的骨料，基础中用凝灰岩，穹顶中用浮石，说明古罗马人已使用了轻混凝土。 古埃及人用石膏作为胶结材料建造金字塔，中国修建长城曾在石灰中添加糯米汁（最早形式的化学外加剂）。,如罗马大圆剧场和著名的万神庙（被称为帝国建筑结构的真正杰作）； 建于公元12-14年的那不勒斯海港，现场观察，至今虽然被海浪磨光了表面，长满青苔，但混凝土却完好无损，数百米长的墙几乎无一裂缝。这说明这种混凝
2、土具有极好的耐久性。,至今仍存在的古罗马大型建筑,水泥混凝土的发展过程,石灰-火山灰混凝土硅酸盐水泥混凝土掺和料水泥混凝土高强度、早强混凝土高性能混凝土（High Performance Concrete),建设速度要求,地下、水下、大体积（断面80cm）工程要求,强度要求,耐久性、可持续发展要求,优点：耐久，缺点：凝结缓慢,凝结快、强度高，但水化热大,耐蚀性好、水化热低，但凝结较慢、早强低,凝结较快、强度高，但耐蚀性差,以耐久性为首要的目标，满足强度要求、施工性能要求,高性能混凝土(HPC),目前有关建筑法规中，一级建筑的安全使用期只定为50年；高性能混凝土由于其耐久性大幅度提高，安全使用期
3、应更长： 在不利的使用条件下和严峻环境中，冻融、海水、严寒、酷热等地区，经妥善设计和优质施工的HPC结构的安全使用期应不低于100年； 在正常环境中使用的结构，其安全使用期应达200年； 特殊重要工程在采取必要措施后，其安全使用期应达300年。,高性能混凝土的特点, 低水胶比，低水泥用量； 选用优质原材料； 掺加足够数量的矿物细掺料； 高效外加剂。 高性能混凝土已在国内的许多重要建筑得到应用，如上海南浦大桥、杨浦大桥、北京西客站、首都国际机场、国家大剧院、中央电视台等。,5.1.2 混凝土的分类,石灰 气硬性石膏无机 水玻璃硅酸盐水泥 水硬性 铝酸盐水泥胶凝材料 沥青有机 树脂 橡胶,按胶凝材
4、料分类,混凝土按表观密度分类,防水混凝土,耐热混凝土,耐碱混凝土,耐酸混凝土,保温混凝土,结构混凝土,混凝土按使用功能分类,离心成型混凝土,泵送混凝土,普通浇注混凝土,喷射混凝土,混凝土按施工工艺分类,钢筋混凝土,纤维混凝土,素混凝土,预应力混凝土,混凝土按配筋情况分类,超高强混凝土,高强混凝土,低强混凝土,中强混凝土,C30,C30-C60,C60-C100,C100,混凝土按强度分类,混凝土的组织结构,混凝土的结构,从粗观尺度上看，混凝土是由水泥石和骨料两相组成的复合材料；从细观尺度上看，水泥石又是各种水化物和未水化颗粒、水、气等的多相复合体。各相之间的界面是混凝土内部结构重要的组成部分。
5、 在宏观现象上，普通混凝土的劣化或破坏往往出现在界面处。在混凝土承受荷载作用以前，界面处就充满微裂缝；受到荷载作用以后，随着应力的增长，这些微裂缝的开展，最终将导致水泥石的断裂。,混凝土的界面问题,水泥石和骨料的弹性模量不同，当温度、湿度发生变化时，水泥石和骨料变形不一致，致使在界面处形成细微的裂缝； 在混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向亲水的骨料表面迁移，在骨料表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙； 浆体泌水也会在骨料下表面形成水囊。,界面劣化机理,Ca(OH)2 Aft C-S-H,过渡层0-100m,混凝土界面过渡层模型, W/C高（从骨料水泥石，W/C）； 孔隙率大；Ca
6、(OH)2和钙矾石多，C-S-H的CaO/SiO2比大； Ca(OH)2和钙矾石结晶颗粒大； Ca(OH)2取向生长。,界面过渡层特点,混凝土组成材料的作用 在混凝土组成材料中，水泥和水组成水泥浆，它包裹在所有骨料的表面并填充在骨料空隙中。在混凝土硬化前，水泥浆起润滑作用，赋于混凝土拌合物流动性，便于施工；在混凝土硬化后起胶结作用，把砂、石骨料胶结成为整体，使混凝土产生强度，成为坚硬的人造石材砂、石是骨料，对混凝土起骨架作用，其中小颗粒的骨料填充大颗粒的空隙。粗、细骨料的总体积要占混凝土体积的7080，因此骨料质量的优劣，对混凝土各项性质的影响很大。,5.2 混凝土的组成材料,混凝土原材料的选
7、择原则：在保证原材料质量的前提下，尽可能减少水泥，保证混凝土的强度和提高耐久性。方法：减小骨料间空隙，则填充骨料空隙的胶凝材料量减少；减小骨料的总表面积，则包裹骨料表面的胶凝材料浆量减少。,水泥品种应根据混凝土工程特点、所处的环境条件和施工条件等进行选择。一般可选用硅酸盐水泥或掺混合材的硅酸盐水泥，必要时也可采用膨胀水泥、自应力水泥或快硬硅酸盐水泥等其他水泥。 所用水泥的性能必须符合现行国家有关标准规定。例如：在大体积混凝土工程中，为了避免水泥水化热过大，通常选用矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥；但也可使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，这时应掺入掺合料和必要的外加剂。 以上两种
8、技术路线，可以殊途同归，达到使混凝土中胶凝材料体系适应使用环境之目的。,5.2.1 混凝土组成材料之一：水泥,原则上配制高强度等级的混凝土应选用强度等级高的水泥；配制低强度等级的混凝土，选用强度等级低的水泥。如采用强度等级高的水泥配制低强度等级混凝土时，会使水泥用量偏少，影响和易性和耐久性，必须掺入一定数量的矿物掺合料。 目前，采用强度等级低的水泥配制高强度等级混凝土已经很普遍。混凝土强度等级为C30以下时，可采用强度等级为32.5的水泥；混凝土强度等级大于C30时，可采用强度等级为42.5以上的水泥。,某施工队使用以煤渣掺量为30的火山灰水泥铺筑路面如图。使用两年后，表面耐磨性差，已出现露石
9、，且表面有微裂缝。按JTJ 01294公路混凝土路面设计规范，对于水泥混凝土路面，“水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥。中等及轻交通的路面，也可以采用矿渣硅酸盐水泥。”所以说火山灰水泥铺筑路面是选用水泥不当。,该路面已出现较多裂纹，可见表面水泥砂浆层干缩较大。从资料可见，水泥混凝土选用普通硅酸盐水泥，其熟料矿物组成分别为 C3S 53，C2S 25，C3A 15，C4AF 7。所选用的水泥熟料矿物组成中C3A含量较高，当水泥中C3A含量较高，其干缩较大，选用水泥不当。,5.2.2 混凝土组成材料之二：骨料,水泥,骨料,砂,石,水,10vol.%,70vol.%,15vol.%
10、,水泥的品种、强度等级,含泥量及有害杂质含量；颗粒形状及表面特征；颗粒级配和粗细程度/最大粒径；强度和坚固性。,包括饮用水、地表水、地下水、海水以及经过处理后的工业废水等，JGJ63-2006混凝土拌合用水标准,5.002.501.250.6300.3150.160,10080.063.050.040.031.525.020.016.010.05.0,碎石,卵石,山砂,河砂,海砂,粗骨料,细骨料,mm,mm,普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法JGJ53-92,普通混凝土用砂质量标准及检验方法JGJ52-92,骨料的作用：骨架作用，传递应力 抑制收缩，防止开裂,骨料（aggregate）,
11、骨料中的泥及其中的硫化物、硫酸盐、有机物，云母、轻物质等，会粘附在骨料表面，影响水泥石与骨料之间的胶结能力；或形成薄弱部分，或增大收缩，对混凝土的质量产生很大的影响。 因此标准对砂和石中的泥、有害杂质含量进行限制。,（1）骨料中的泥、有害杂质,GB/T14684-2001建筑用砂规定了砂中有害物质含量的限制：,砂中有害物质含量,砂中含泥量和泥块含量,粗骨料有害物质：卵石和碎石中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物。其有害物质应符合,碱骨料反应：水泥中的碱性氧化物（Na2O、K2O）与骨料中的活性成分反应，生成碱硅酸凝胶体，它会吸水肿胀产生膨胀。使用含碱量小于0.6的水泥，或掺加能抑
12、制碱骨料反应的掺合料。 一般来说有两类碱骨料反应：碱-碳反应：碱性物质与含有碳酸盐类物质的骨料（如白云石等）发生化学反应；另一类是碱-硅反应：碱性物质与含硅酸盐类物质的骨料（如蛋白石和硅酸石灰石等）发生化学反应。碱骨料反应的结果是在水泥骨料表面发生膨胀性断裂，从而导致混凝土结构开裂。比起由于钢筋锈蚀而导致的病害和开裂，碱骨料反应的过程很慢。,海砂含盐要警惕！,棱角状 浑圆状 针状 片状,C30，含量15%；C30，含量25%,（2）骨料形状及表面特征,砂按产源分为天然砂、人工砂两类。天然砂可分为：河砂、湖砂：其颗粒圆滑，比较洁净，产源广； 山砂：与河砂相比有棱角，表面粗糙，但含泥量和含有机杂质
13、较多；淡化海砂： 虽然有河砂的优点，但常混有贝壳碎片和含较多盐分。 人工砂是经除土处理的机制砂、混合砂的统称。,（3）建筑用砂-细骨料,砂的粗细程度和颗粒级配,颗粒级配：不同粒径砂相互搭配的情况粗细程度：不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。良好的级配能使骨料堆积所形成的空隙率和总表面积均较小，从而使所需水泥浆量较少，且提高混凝土的密实度和强度。测定方法：筛分析法级配区和细度模数,3.7-3.1 粗砂3.0-2.3 中砂2.2-1.6 细砂,细度模数,超过3区往左上偏时，表示砂过细，拌制混凝土时需要的水泥浆量多，易使混凝土强度降低，收缩增大；超过1区往右下偏时，表示砂过粗，配制的混凝土，其拌合
14、物的和易性不易控制，而且内摩擦大，不易振倒成型。,一般认为，处于2区级配的砂，其粗细适中，级配较好，是配制混凝土的最理想的级配区。,例1某干砂500g的筛分结果如下表所列,试计算该砂的细度模数并评定其级配。,计算细度模数：,根据细度模数，该砂属粗砂。在级配区内画出该砂的筛分曲线。该曲线落在区（粗砂区）内，说明该砂为粗砂，级配合格。注x在3.73.1为粗砂，x在3.02.3为中砂，x在2.21.6为细砂，x在1.50.7为特细砂。,砂子的坚固性：指砂在自然风化和其它外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力。通常天然砂以硫酸钠溶液干湿循环5次后的质量损失来表示；人工砂采用压碎指标法进行试验。,根据有关
15、规定，在桥梁上游米以及下游米的水域属于禁止挖砂的区域。如果在桥梁附近进行挖砂，会对桥梁造成一定的危害作用。挖砂将改变河床自然坡度及水流形态，导致河床随水流由高向低处不断下切。河床下切对大桥带来的直接影响是：桥墩基础周围的砂土被淘涮，导致桥基越来越浅，下切的河床与桥墩周边的水泥保护层之间形成空洞，防护层失掉支撑。如果遭遇洪水或其他事故，桥梁的稳固性将大大减弱。,2002年6月，从日晚至日中午，西安市持续降雨。日下午时许开始，灞河河水暴涨，陇海铁路线西安市灞桥段铁路桥桥墩被洪水冲击松动。此后，陇海线灞桥铁路桥第号桥墩、第号桥墩、第号、号和号桥墩相继发生塌陷，造成约多米的铁路桥完全垮塌断裂，余乘客滞
16、留西安。桥梁使用时间长、河道挖砂加剧河床下切及洪水水势浩大，是陇海铁路灞河桥被洪水冲垮的重要原因。 按照国家规定，在桥梁等建筑物上下游500米内不得进行挖砂等作业。铁路部门认为，这样的距离，对于一般的小河、小桥，可以保证安全系数。对于灞河这样的大河、大桥，安全系数远远不够。,2018/7/6,48,2018/7/6,50,据记者了解，在垮桥下方有30多个砂站，每个砂站日存砂可达600多立方米，往往一天下来，有超过1万方砂石被挖砂人从距离陇海线不远的灞河铁路大桥屹立的灞河水中掏走。,盲目无度的非法采砂导致河床下陷，使位于晋江上游西溪上的漳（平）泉（州）线跨河铁路桥的桥墩基础严重裸露，直接威胁着铁
17、路桥列车运行的安全,(4) 建筑用石粗骨料颗粒级配粗骨料的级配原理和要求与细骨料基本相同。级配试验采用筛分法测定，即用2.36、4.75、9.5、16.0、19.0、26.5、31.5、37.5、53.0、63.0、75.0和90等十二种孔径的圆孔筛进行筛分。 石子的颗粒级配可分为连续级配和间断级配。连续级配是石子粒级呈连续性，即颗粒由小到大，每级石子占一定比例。用连续级配的骨料配制的混凝土混合料，和易性较好，不易发生离析现象。连续级配是工程上最常用的级配。,间断级配也称单粒级级配。间断级配是人为地剔除骨料中某些粒级颗粒，从而使骨料级配不连续，大骨料空隙由小几倍的小粒径颗粒填充，以降低石子的空
18、隙率。由间断级配制成的混凝土，可以节约水泥。由于其颗粒粒径相差较大，混凝土混合物容易产生离析现象，导致施工困难。石子颗粒级配范围应符合规范要求。碎石、卵石的颗粒级配规格见下表。,压碎指标是将一定重量气干状态下10-20的石子装入一定规格的金属圆桶内，在试验机上施加荷载到200，卸荷后称取试样质量（0），再用孔径为2.36的筛子筛除被压碎的细粒，称取试样的筛余量（m1），用下式计算压碎指标：式中a-压碎指标值，%； 0-试样质量，g；1-压碎试验后试样的筛余量，g。压碎指标值越小，骨料的强度越高。,各种岩石抗压强度（美国）,多数岩石的强度在100-300MPa之间，同种岩石的强度相差很大，值得重
19、视。,石的最大粒径（Dmax）,石子最大粒径越大，总表面积越小，但是也要满足混凝土结构工程施工及验收规范GB50204-92规定： 混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋间最小净距的3/4； 对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不得超过50mm； 对于泵送混凝土，骨料最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1:3，卵石不宜大于1:2.5。,粗骨料的粒径效应,Dm增大，削弱了粗集料与水泥浆体的黏结，增大了内部结构的不连续性；粗骨料对水泥硬化体收缩起约束作用，由于二者弹性模量不同，因而混凝土内部产生拉应力， Dm增大，拉应力增大；Dm增大，界面过
20、渡区的氢氧化钙晶体的定向排列程度增大。,另外，细颗粒石子颗粒形状不合理，形状以针片状为主。 国标规定针片状颗粒含量15%，而自密实混凝土要求其含量5%。,我国石子级配极不合理，其空隙率达48%。,【案例5-1】砂质量不合格导致混凝土凝结异常概况 某工厂的钢筋混凝土条形基础，使用强度设计等级C30的混凝土，混凝土浇筑后，第二天检查发现部分硬化结块，部分呈疏松状，未完全硬化，轻轻敲击纷纷落下，混凝土基本无强度，工程被迫停工，从混凝土的形态上可以看出有部分砂粒表面无水泥浆，大部分砂粒间水泥浆较少。,分析 经调查，混凝土用砂含泥量超过标准一倍以上，导致泥粉总面积大幅度增加，需要更多的水泥浆包裹它们。同
21、时，泥粉本身强度低，降低了混凝土的强度。其次，砂子细度模数小，砂率偏高，在质量相同情况下，表面积大大增加，需要更多的水泥浆包裹，而此工程混凝土配合比并没有充分考虑者以上情况，水泥用量偏低，砂粒表面没有被包裹层或包裹层太薄，这影响了混凝土的凝结和强度，第三，由于现场砂粒细、含泥量大，砂团不易分散，按常规搅拌时间，不能充分使水泥浆完全包裹砂粒。导致混凝土拌和物不均匀。,【案例 5-2】骨料含有害杂质引发事故概况某厂一座四层钢筋混凝土框架结构厂房，梁、柱为现浇混凝土。该厂房于1988年1月开工，工期为10个月，交付使用后一个月就在梁、柱等多处出现爆裂。半年后混凝土柱基、大梁根部等处混凝土也陆续出现爆
22、裂，严重的导致大梁折断。,分析使用含有害杂质的工业废渣做骨料。取裂缝处碎片进行X射线分析，发现其中晶体多为方镁石,并含有少量生石灰石，裂缝是由于方镁石、生石灰石水化膨胀造成。调查发现该厂为节省资金，使用含有MgO和CaO的工业废渣代替部分混凝土骨料，导致了事故的发生。,混凝土拌制和养护用水不得含有影响水泥正常凝结硬化的有害物质。凡是能饮用的自来水及清洁的天然水都能用来拌制和养护混凝土。污水、pH值小于4的酸性水、含硫酸盐（按SO2计）超过1的水均不能使用。当对水质有疑问时，可将该水与蒸馏水或饮用水分别进行水泥凝结时间、砂浆或混凝土强度对比实验，初凝和终凝时间差均不得大于30分钟。如强度不低于用
23、蒸馏水或饮用水拌制的砂浆、混凝土的90%，则此水可以用。一般情况下不得用海水拌制混凝土，因海水中含有的硫酸盐、镁盐和氯化物会侵蚀水泥石和钢筋。,5.2.3 混凝土组成材料之三：水,【案例5-3】采用海水做拌合水导致混凝土腐蚀破坏某海口城市临近出海口建造7层综合楼，采用现浇钢筋混凝土框架结构，使用现场挖井取水配制C18混凝土，该工程于1994年竣工投入使用，至2000年住户陆续发现部分柱、梁、板混凝土出现顺筋开裂现象，个别地方混凝土崩落，钢筋外露锈蚀发展迅速。,【分析】由于工程场地紧临出海口，每年秋冬时节均会出现海水倒灌的现象，经调查得知，混凝土拌合用水氯离子及硫酸根离子超标。这是导致混凝土开裂
24、和钢筋锈蚀的主要原因。由于混凝土界面粘结及界面结构差，形成大量界面裂缝和孔洞，促进了有害离子的渗透，加速混凝土劣化及钢筋锈蚀。,5.2.4混凝土组成材料之四：矿物掺和料,矿物掺和料是指在混凝土拌合物中，为了节约水泥，改善混凝土性能加入的具有一定细度的天然或者人造的矿物粉体材料，也称为矿物外加剂，是混凝土的第六组分。常用的矿物掺合料有：粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉、燃烧煤矸石等。粉煤灰应用最普遍。,掺和料在混凝土中的作用,掺合料可代替部分水泥，成本低廉，经济效益显著。增大混凝土的后期强度。矿物细掺料中含有活性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca(OH)2反应，生成生
25、成CSH和CAH、水化硫铝酸钙。提高了混凝土的后期强度。但是值得提出的是除硅灰外的矿物细掺料，混凝土的早期强度随着掺量的增加而降低。改善新拌混凝土的工作性。混凝土提高流动性后，很容易使混凝土产生离析和泌水，掺入矿物细掺料后，混凝土具有很好的粘聚性。像粉煤灰等需水量小的掺合料还可以降低混凝土的水胶比，提高混凝土的耐久性。,降低混凝土温升。水泥水化产生热量，而混凝土又是热的不良导体，在大体积混凝土施工中，混凝土内部温度可达到5070，比外部温度高，产生温度应力，混凝土内部体积膨胀，而外部混凝土随着气温降低而收缩。内部膨胀和外部收缩使得混凝土中产生很大的拉应力，导致混凝土产生裂缝。掺合料的加入，减少
26、了水泥的用量，就进一步降低了水泥的水化热，降低混凝土温升。提高混凝土的耐久性。混凝土的耐久性与水泥水化产生的Ca(OH)2密切相关，矿物细掺料和Ca(OH)2发生化学反应，降低了混凝土中的Ca(OH)2含量；同时减少混凝土中大的毛细孔，优化混凝土孔结构，降低混凝土最可几孔径，使混凝土结构更加致密，提高了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能。,抑制碱骨料反应。试验证明，矿物掺合料掺量较大时，可以有效地抑制碱骨料反应。内掺30的低钙粉煤灰能有效地抑制碱硅反应的有害膨胀，利用矿渣抑制碱骨料反应，其掺量宜超过40。不同矿物细掺料复合使用的“超叠效应”。不同矿物细掺料在混凝土中的作用有各自的特
27、点，例如矿渣火山灰活性较高，有利于提高混凝土强度，但自干燥收缩大；掺优质粉煤灰的混凝土需水量小，且自干燥收缩和干燥收缩都很小，在低水胶比下可保证较好的抗碳化性能。硅灰可以提高混凝土的早期和后期强度，但自干燥收缩大，且不利于降低混凝土温升。因此，复掺时，可充分发挥他们的各自优点，取长补短。例如，可复掺粉煤灰和硅灰，用硅灰提高混凝土的早期强度，用优质粉煤灰降低混凝土需水量和自干燥收缩，在加之颗粒的填充作用，使混凝土更密实。,矿物掺和料：1粉煤灰,粉煤灰又称飞灰，是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑，大部分由直径以计的实心和(或)中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物
28、质所组成。,活性行为和胶凝作用。粉煤灰的活性来源于它所含的玻璃体，他与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙，强化了混凝土界面过渡区，同时提高混凝土的后期强度。充填行为和致密作用。粉煤灰是高温煅烧的产物，其颗粒本身很小，且强度很高。粉煤灰颗粒分布于水泥浆体中水泥颗粒之间时，提高混凝土胶凝体系的密实性。需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性,减少混凝土单位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小，提高混凝土的抗裂性。,降低混凝土早期温升，抑制开裂。大掺量粉煤灰混凝土特别适合
29、大体积混凝土。二次水化和较低的水泥熟料量使最终混凝土中的Ca(OH)2大为减少，可以有效提高混凝土抵抗化学侵蚀的能力。当掺加量足够大时，可以明显抑制混凝土碱骨料病害。降低氯离子渗透能力，提高混凝土的护筋性。以上作用在水胶比低于0.42时，较突出。,硅灰又称硅粉或硅烟灰，是从生产硅铁合金或硅钢等所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘，色呈浅灰到深灰。硅灰的颗粒是微细的玻璃球体，部分粒子凝聚成片或球状的粒子。其平均粒径为0.10.2，是水泥颗粒粒径的1/501/100，比表面积高达2.0104m2/kg。,矿物掺和料：2硅灰,其主要成分是SiO2（占90以上），它的活性要比水泥高13倍。以10硅灰等
30、量取代水泥，混凝土强度可提高25以上。由于硅灰具有高比表面积，因而其需水量很大，将其作为混凝土掺合料，须配以减水剂，方可保证混凝土的和易性。硅粉混凝土的特点是特别早强和耐磨，很容易获得早强，而且耐磨性优良。硅粉使用时掺量较少，一般为胶凝材料总重的510，且不高于15，通常与其它矿物掺合料复合使用。在我国，因其产量低，目前价格很高，处于价格考虑，一般混凝土强度低于80MPa时，都不考虑掺加硅粉。,粒化高炉矿渣粉是指将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料，细度大于350m2/kg，一般为400-600m2/kg。其活性比粉煤灰高。,矿物掺和料：3粒化高炉矿渣粉,粒化高炉
31、矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱的自身水硬性。用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以较充分地发挥其活性，减少泌水性。研究表明矿渣磨得越细，其活性越高，掺入混凝土中后，早期产生的水化热越多，越不利于控制混凝土的温升，而且成本较高；当矿渣的比表面积超过400m2/kg后，用于很低水胶比的混凝土中时，混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大；矿渣粉磨得越细，掺量越大，则低水胶比的高性能混凝土拌和物越黏稠。因此，磨细矿渣的比表面积不宜过细。用于大体积混凝土时，矿渣的比表面积宜不超过420m2/kg。,外加剂定义外加剂的分类常用外加剂外加剂应用中的常见问题,5.2.5混凝土组成材
32、料之五：混凝土外加剂,外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物质，掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外）。能赋予新拌混凝土和硬化混凝土优良的性能，如提高抗冻性、调节凝结时间和硬化时间、改善工作性、提高强度等等，是生产各种高性能混凝土和特种混凝土必不可少的组分。,混凝土外加剂定义,混凝土外加剂按其主要功能分为四类：(1) 改善混凝土拌和物流变性能的外加剂。包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。(2) 调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。(3) 改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。(4) 改善混凝土其他性能的外加剂。包括加气剂、膨
33、胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂等。,外加剂的分类,减水剂的定义 减水剂是一种保持混凝土拌和物流动性相同条件下能减少拌和水量的外加剂。减水剂按其减水的程度分为普通减水剂和高效减水剂。减水率在5-10%的减水剂为普通减水剂，减水率大于10%的减水剂为高效减水剂。,常用外加剂：1减水剂,减水剂的作用机理,减水剂的作用机理 减水剂是一种表面活性剂。表面活性剂分子由亲水基团和憎水基团二部分组成，加入水中后亲水基团指向溶液，憎水基团指向空气、固体或非极性液体并作定向排列，形成定向吸附膜而降低水的表面张力和二相间的界面张力。,减水剂的作用机理 当水泥浆体中加入减水剂后，减水剂分子中的憎水基团定向吸附于水泥质点
34、表面，降低表面能。亲水基团指向水溶液，在水泥颗粒表面形成单分子或多分子吸附膜，使水泥颗粒表面带上相同的电荷，表现出斥力，将水泥加水后形成的絮凝结构打开并释放出被絮凝结构包裹的水，水泥颗粒的吸附层外形成水膜起到润滑作用。这是减水剂分子吸附产生的分散作用。,减水剂的作用效果 在不减少单位用水量的情况下，改善新拌混凝土的工作性，提高流动性。 在保持一定工作度下，减少用水量，提高混凝的强度。 在保持一定强度情况下，减少单位水泥用量，节约水泥。 改善混凝拌和物的可泵性以及混凝的其它物理力学性能。,高效减水剂的特点：高效减水剂的掺量超过一定量后，减水效果不再提高；对混凝土性能没有不利影响。高效减水剂减水率
35、越高，坍落度损失越大。,1、普通减水剂 木质素磺酸盐系减水剂减水率10%，一般掺量0.25%腐植酸减水剂减水率6-8%，一般掺量0.2-0.35%,减水剂种类,2、高效减水剂 多环芳香族磺酸盐系减水剂。这类减水剂通常是由工业萘或煤焦油的萘、蒽、甲基萘等馏分，经磺化、水解、缩合、中合、过滤、干燥而制成。由于其主要成分为萘的同系物的磺酸盐与甲醛的缩合物，故又称萘系减水剂，掺量0.5-1.0%,减水率10-20% 。 水溶性树脂系减水剂。水溶性树脂减水剂是以一些水溶性树脂为主要原料的减水剂，如三聚氰胺树脂、古玛隆树脂等。此类减水剂的掺量为水泥质量的0.5%2.0%，其减水率为15%30%，混凝土的强
36、度提高20%30%，混凝土的其他力学性能和抗渗性、抗冻性也得到提高，对混凝土的蒸养适应性也优于其它外加剂。,3、高性能减水剂 高性能减水剂是指近年来开发并投入使用的聚羧酸系减水剂，聚羧酸系高性能减水剂是由含有羧基的不饱和单体和其他单体共聚而成，使混凝土在减水、保坍、增强、收缩及环保方面具有优良性能的减水剂。,聚羧酸系高性能减水剂性能特点主要为：,（1）掺量低、减水率高。一般掺量为胶凝材料的0.15-0.25%，减水率一般在25-30%，在接近极限掺量0.25%时，减水率一般可以达到40%以上。（2）混凝土拌和物的流动性好，坍落度损失低，2小时坍落度基本不损失，其高工作性可保持6-8小时。（3）
37、对混凝土增强效果潜力大。早期抗压强度比提高更为显著。以3天、7天抗压强度为例，奈系高效减水剂的3天、7天抗压强度比一般在130%左右，而聚羧酸系高性能减水剂的同龄期抗压强度比一般在180%以上。,（4）混凝土收缩低。基本克服了第二代减水剂增大混凝土收缩的缺点。（5）总碱含量极低。（6）环境友好，聚羧酸系高性能减水剂合成生产过程中不使用甲醛和其他任何有害的原材料，在生产和使用过程中对人体健康无危害。（7）一定的引气量，与第二代（高效）减水剂相比，其引气量有较大提高，平均在3-4%。 该类产品目前没有发现明显的缺陷和不足。尤其是其低坍落度损失和混凝土收缩小的优点为高性能混凝土的开发和推广提供了新的
38、有力武器。,常用外加剂： 2引气剂,在混凝土搅拌过程中引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，起到改善混凝土和易性，提高混凝土抗冻性和耐久性的外加剂，称为引气剂。我国应用较多的的引气剂有松香类引气剂、木质素磺酸盐类引气剂等。松香类引气剂包括松香热聚物、松香酸钠及松香皂等。其适宜掺量为水泥质量的0.0050.02%，混凝土含气量约为35%，,引气剂属于表面活性剂，其界面活性作用基本上与减水剂相似，区别在于减水剂的界面活性作用主要在液固界面上，而引气剂的界面活性主要发生在气液界面上，降低界面能，使新拌混凝土中微小气泡稳定存在并保留。,引气剂的作用机理,水泥细度越细引气量小磨细矿物掺合料会降低含气量
39、含砂量高的混凝土引气量较高使用减水剂时，达到同样引气量时引气剂用量通常可以减少贫混凝土比富混凝土引入更多的空气低水胶比混凝土的含气量比高水胶比混凝土少含气量开始时会随着搅拌而增加，延长搅拌时会逐渐减少混凝土起始坍落度越大，引气量越高,影响引气的因素, 混凝土中掺入引气剂可改善混凝土拌和物的和易性，可以显著减少混凝土浆体粘性，使它们的可塑性增强，减少单位用水量。通常每增加含气量1%，能减少单位用水量3%。 减少骨料离析和泌水量，提高抗渗性。 提高抗腐蚀性和耐久性。 含气量每提高1%，抗压强度下降45%，抗折强度下降23%。 引入空气会使干缩增大，但若同时减少用水量，对干缩的影响不会太大。 使混凝
40、土对钢筋的粘结强度有所降低，一般含气量为4%时，对垂直方向的钢筋粘结强度降低1015%，对水平方向的钢筋粘结强度稍有下降。,引气剂对混凝土的质量的影响,常用外加剂： 3速凝剂,使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。采用喷射混凝土新工艺，用于道路隧道、矿山井巷和地下洞室的支护衬砌。我国1966年研制成功红星一号速凝剂以来陆续开发了十多种牌号的速凝剂。种类 大致分为两类；一类是以铝酸盐和碳酸盐为主。再复合一些其他无机盐组成；另一类则是以水玻璃为主要成分再与其他无机盐复合组成。,1、喷射至岩石上的混凝土混合物，在25分钟内初凝，510分钟内终凝。2、碱性小、粉尘小，对人体腐蚀性小。3、早期强度高，后期强度与
41、空白混凝土比损失不超过30%。4、一次喷射厚度教大，回弹较小。5、在低温下使用不失效。6、混凝土硬化过程体积变化小。7、对钢筋无锈蚀作用。,速凝剂技术要求,速凝剂作用机理,1、第一类速凝剂主要是铝酸盐、氧化钙和水泥中的石膏反应迅速形成钙矾石，产生速凝和早强效果。2、第二类速凝剂主要是水化生成的氢氧化钙与水玻璃反应迅速生成水化硅酸钙和二氧化硅胶体，同时反应生成的氢氧化钠进一步促进了水泥水化。,常见外加剂： 4缓凝剂,缓凝剂定义 缓凝剂是一种能延迟水泥水化反应，从而延长混凝土的凝结时间，使新拌混凝土较长时间保持塑性，减少混凝土坍落度损失。在大体积混凝土施工时，可防止出现裂缝和冷缝，同时对混凝土后期
42、各项性能不会造成不良影响的外加剂。,缓凝剂的特点：掺量合适，24小时后的强度不会受影响；掺量过多，混凝土的正常水化速度和强度受影响；超掺，会使水泥水化完全停止；不同的缓凝剂种类，对混凝土泌水、离析情况不同。,主要机理,缓凝剂通过延长诱导期（第二阶段）而降低了C3S的早期水化速率。 1、其中有机缓凝剂能紧紧吸附在氢氧化钙晶核上阻止它们长成大的晶体，使进一步水化受到限制，直到这种作用得以克服。缓凝时间长短决定于缓凝剂用量，一旦第三阶段开始水泥水化又可以正常进行。 2、无机缓凝剂可以在表面形成薄膜，大大降低反应速率。,定义： 能改善混凝土泵送性能的外加剂。所谓泵送性，就是混凝土拌和物具有顺利通过输送
43、管道、不堵塞、不离析、粘聚性良好的性能。,常用外加剂： 5泵送剂,外加剂的复配,混凝土中使用单一品种外加剂的情况已很少见。逐渐向着高效能、多功能的方向发展。 外加剂复配的目的是为了同时满足混凝土对各种性能的需要，以及各复配成分之间的共同作用而产生“叠加效应”。复合外加剂通常是由多种表面活性剂或与无机电解质等组成。如复合早强剂、复合防冻剂、泵送剂、复合缓凝引气减水剂等。,混凝土泵送剂配制原则,配制外加剂时，要充分考虑其与各种原材料之间的适应性，同时注意不同成分之间的交互作用。减水组分：不同的水泥和掺和料、外加剂中其它成分对减水剂的性能影响还是很大的，如萘系减水剂和葡萄糖酸钠共同使用时，减水率提高
44、比较显著。缓凝组分：不同的水泥和掺和料以及不同的配合比，都会使缓凝效果产生变化。引气组分：引气剂的引气效果受很多因素影响，如水泥细度、石子粒径、砂含泥量、温度、配合比等。掺加粉煤灰时、细料多、石子粒径小、坍落度大、温度低等，混凝土含气量会高。总之，外加剂的调整应根据实际情况进行，以试验结果为依据，不能想当然。,泵送剂的主要组分1、高效减水剂：固体的掺量一般为水泥掺量的0.。2、缓凝成分：调节凝结时间，减少坍落度损失。常用三聚磷酸钠和葡萄糖酸钠，根据气温和水泥成分的变化来调节。3、引气剂：少量优质的引气剂能在混凝土中形成小的圆形封闭气孔，提高流动性，减少离析和泌水，改善耐久性。,常用外加剂： 6
45、防冻剂,冬季施工的特点：1、混凝土凝结时间长，04混凝土凝结时间比15 延长3倍；温度到-0.3-0.5 时，混凝土开始冻结，冻结后水化基本停止，在-10 时，水泥水化完全停止，混凝土强度不再增长。2、混凝土中的水分冻结时体积膨胀9%左右，使硬化混凝土结构遭破坏，即发生冻害。,未掺防冻剂混凝土特点：1、未掺防冻剂混凝土受冻后，抗压强度损失40%60%。2、未掺防冻剂混凝土受冻后，抗渗等级降为0；粘结强度降为1MPa。,防冻剂的特点：1、防冻剂中含有防冻组分，防冻组分能降低水的冰点，使混凝土在负温下仍在进行水化作用。2、可是一旦因为用量不足或者温度太低而混凝土受冻，则仍会造成冻害，令混凝土最终强
46、度降低。,负温对硬化混凝土强度影响：1、刚硬化的混凝土（终凝，但未达到一定硬化程度）发生冻结称早期受冻，使混凝土各项性能永久性降低。当达到一定的临界强度，水饱和度降低到一定程度，再受冻就不会产生冻害。2、已充分硬化的混凝土，一次性受冻不会使强度及其他性能受损，但反复冻融的积累作用会使混凝土受损。,掺防冻剂混凝土的养护：1、在负温下养护，不得浇水，外露表面必须覆盖。2、气温不低于-15时，混凝土受冻强度不得低于4MPa。3、拆模后混凝土表面温度与环境温度之差大于15 时，应采取保温材料覆盖养护。,现代混凝土防冻剂的配制原理：无氯、低碱、低掺量，以液体产品为主；高工作性、坍落度损失小，早强和高耐久
47、性；大幅度减少用水量，减少游离水含量，提高液相中离子浓度；提高混凝土密实度，改善孔结构，减少孔含量，减小孔直径；降低液相冰点，促进低温水化，尽快达到临界强度；改善冰晶形貌，降低冻胀应力；防冻与抗冻结合，提高混凝土耐久性。,防冻剂的组分：高效减水剂：固体的掺量一般为水泥掺量的0.5.。缓凝成分：调节凝结时间，减少坍落度损失。常用三聚磷酸钠和葡萄糖酸钠，根据气温和水泥成分的变化来调节。防冻成分：降低冰点，如亚硝酸钠，根据气温调节掺量。,早强成分：掺量合适时，能提高早期强度，不影响后期强度。引气剂：少量优质的引气剂能在混凝土中形成小的圆形封闭气孔，提高流动性，减少离析和泌水，并可缓解冰冻所产生得膨胀
48、应力。 不但要防冻，同时还应抗冻。这一点往往被忽略。其实，强度指标是现代混凝土最容易达到的，而工作性和耐久性的要求更为重要。,常用外加剂： 7膨胀剂,膨胀剂定义 膨胀剂是能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。按化学成分可分为：硫铝酸盐系膨胀剂、石灰系膨胀剂、铁粉系膨胀剂、复合型膨胀剂。,膨胀剂的作用机理 上述各种膨胀剂的成分不同，其膨胀机理也各不相同。硫铝酸盐系膨胀剂加入水泥混凝土后，自身组成中的无水硫铝酸钙或参与水泥矿物的水化或与水泥水化产物反应，形成三硫型硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石相的生成使固相体积增加，而引起表观体积的膨胀。 注意： 掺硫铝酸钙膨胀剂的膨胀混凝土，不能蒸养，不能用于长期处于环境温度为80以上的工程中。,
