混凝土原材料的进展

1、二、混凝土原材料的进展 Advances in Constituent Materials of Concrete 混凝土组成材料1）骨料：粗骨料、细骨料2）胶凝材料：水泥3）水4）化学外加剂5）矿物掺合料（辅助胶凝材料）混凝土的结构与性能大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒粗骨料填充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充浆体填充粗细骨料的间隙并包裹形成润滑层，以满足浇注成型时的工作度要求浆体大颗粒粗骨料小颗粒粗骨料细骨料骨料的空隙率越小，填充其空隙所需要的浆体越少。1. 骨料 aggregate 通常骨料要占混凝土体积的6580%，因此对其微结构、性能和经济性都有十分重要的影响。很多人认为：粗骨料最大粒径越大

2、、砂率越小，所配制的混凝土越好。事实并非如此，骨料最大粒径虽大，但小颗粒（510mm或515mm)很少甚至没有，填充其空隙需要的砂浆量并不能减少，同时还会带来一些副作用，如新拌混凝土易于离析、泌水；硬化混凝土耐冲击和疲劳强度降低，且对耐久性不利。因此在选用时需要权衡利弊，综合考虑。骨料的种类1）天然骨料（Natural mineral aggregates) 卵石（砾石）、砂、破碎天然岩石、(人工砂）2）人造骨料 (Synthetic aggregates) 页岩、粘土烧制的轻骨料、重矿渣3）再生骨料 （aggregate from recycled concrete and municipa

3、l wastes) 破碎混凝土及市政废弃物骨料的特性1）取决孔隙率的特性：密度、吸水率、强度、硬度、弹模和稳固性2）取决加工参数的特性：粒径、粒形及表面构造3）取决化学和矿物组成的特性：强度、硬度、弹模及存在有害杂质骨料表观密度与堆积密度 为了进行混凝土配合比设计，需要了解骨料的真实密度和堆积密度。 任何天然骨料都有一定的孔隙。例如火成岩的孔隙率通常在2%；密实沉积岩的可达5%；而多孔的砂岩或石灰岩可高达1040%。常用天然骨料，如花岗岩、砂岩和密室石灰岩的表观密度为2.602.70。 常用天然骨料的堆积密度（填充单位体积的骨料重）为13001750kg/m3。不同岩种骨料的弹性模量与泊松比岩

4、石种类 弹性模量(GPa) 泊松比() 花岗岩 6.0 60.0 0.11 0.23 闪长岩 60.080.0 0.25辉绿岩 70.0110.0 砂 岩 6.0 25.0 0.07 0.22凝灰岩 2.0 20.0 0.11石灰岩 30.040.0 0.19 0.27大理岩 50.080.0 0.25 0.28不同岩种骨料的线胀系数岩石种类 线胀系数(10-6/)花岗岩 1.8 11.9闪长岩 4.1 10.3辉绿岩 3.6 9.7 砂 岩 4.3 13.9白云岩 6.7 8.6 石灰岩 0.9 12.2大理岩 1.1 16.0Properties of Concrete A.M.Nevil

5、le岩石种类渗透系数（cm/sec）渗透系数相同的水泥浆W/C密实暗色岩 2.4710120.38石英闪长岩 8.2410 120.42大理岩2.3910110.48大理岩5.771010 0.66花岗岩5.35109 0.70砂岩1.23108 0.71花岗岩1.56108 0.71骨料岩种与渗透性Mehta. P.K. 混凝土：结构、性能与材料骨料的坚固性(soundness) 坚固性以骨料在干湿交替或冻融循环作用下，体积变化对混凝土劣化的影响程度表征。有某些特征孔隙的骨料常呈现稳固性不良，如含有某些燧石、页岩、石灰岩、砂岩混凝土的骨料就易于受冻害和盐结晶损伤；但不少骨料，如浮石和膨胀粘土

6、吸水量大，坚固性却良好。所以骨料的坚固性在很大程度上与孔径分布有关：当一种骨料受潮（或者冰冻后融化）时易被水饱和，而干燥（或冰冻）时水却难以流出，就会产生很高的静水压力而膨胀，使混凝土劣化。所以为潮湿与冻融环境的结构混凝土选用骨料时，进行坚固性检验十分必要。级配与粒径Size and Grading 级配就是将不同粒径分布的骨料颗粒混合，以尽量减小混凝土的空隙率，从而减少浆体用量；同时拌后的混凝土运送过程不易发生分离。 简单的做法是控制 Dmax : Dmin的比例： Dmax25mm， Dmax:Dmin4； Dmax25mm ， Dmax:Dmin2 举例： 三级配：2.5 5 mm；10

7、 25mm; 20 40mm; 四级配：520mm; 2040mm; 4080mm; 80150mm2. 水泥1） 水泥的生产 硅质（黏土）钙质（石灰石）+煅烧1450粉磨铁质石膏石膏熟料水泥生料100 我国水泥生产与供应的发展1）熟料中C3S矿物含量增多早强高；2）粉磨细度加大（实行新标准后进一步加剧） 水化迅速；3）散装水泥运输供应发展（储存期温度高）； 混凝土由破碎和渗漏而破坏向由于开裂而破坏的转变，是始于水泥生产向细度和C3S增大，该论点被1944年对混凝土结构调查的结果所证实。 1944年，美国公共道路管理局对加州等4个州的桥梁进行了检测，检查的目的在于调查西部各州混凝土迅速瓦解的原

8、因。 Building Durable Structures in The 21st Century. CI. Mar,2001 检测了大约200座结构，从小的、单跨的桥梁，到大的、多跨桥梁，建成时间为330年。有足够的证据表明：在1930年以后建造的混凝土结构使用寿命不如在那以前的。例如：检查时在1930年以前建造的桥梁67%完好，而1930年后建造的仅27%尚完好。由于施工技术仍然保持一样，结论是：水泥的细度发生变化很可能是主要原因。 Building Durable Structures in The 21st Century. CI. Mar,2001水泥细度对混凝土性能的影响作者19

9、461956年间在垦务局工作时，用3种水泥，每一种都磨到从220490m2/kg范围6种细度，用于拌和、浇筑混凝土并观察其行为。所有混凝土都浇筑在一个农场里并观测了10年。在细磨水泥混凝土风化、龟裂与开裂的同时，粗磨水泥（220m2/kg）对大气侵蚀的反应是无风化、不起霜，也没有龟裂或裂缝。 Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete 水泥 美国国家标准局对199种水泥长达18年的研究最重要的发现，是含碱量和细度、C3A与C4AF等参数都对水泥的抗裂性有非常大影响。即使水泥的水化速率（强度发展）和自由收缩

10、值相同，碱对抗裂性的影响也是明显的，这表明低碱水泥固有抵抗开裂的能力 。Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete2）水泥的水化Hydration of cement水化1 水化2图3-35 硅酸盐水泥在一定温度下水化时的放热曲线初凝终凝硅酸盐水泥水化时的放热曲线1）C 0.5H1.5H CH2 （二水石膏）2）C3A + 6H C3AH6 （水化铝酸钙） 3）C3A+ 3CH2+26H C3A3C H32 （钙矾石）水化反应闪凝与假凝水化反应2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH （快） 2C2S

11、 + 4H C3S2H3 + CH （慢） 两种矿物水化都生成C-S-H，但反应速率不同，现代水泥C3S含量高、粉磨细度大，水化迅速，不仅放热量大而且温升快。 硅酸盐水泥的品种及矿物含量C3S 48 65 31 42C2S 24 11 40 34C3A 13 8 12 2C4AF 9 9 12 15水泥A 水泥B 水泥C 水泥D 普通 早强 低热 抗硫酸盐 影响水泥水化的因素1）矿物组成及其含量；2）粉磨细度(影响需水量）；3）温度；4）水灰比。 新拌水泥浆 硬化水泥浆影响水泥水化的因素组分及其含量、粉磨细度、温度、水灰比和龄期 R(t) = f(C3S)f(fineness)f(T)f(W/

12、C) f(t) 当混凝土温度升高时，水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较大，相对疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐久性）受到严重影响。其他品种水泥1）铝酸盐水泥：硬化、强度发展非常迅速，适用于抢修工程和耐火材料，但当温度高于30时，存在强度倒缩明显的问题；2）硫铝酸盐与铁铝酸盐水泥：我国发明；具有硬化较快、早期强度高、微膨胀、碱性低等特点，适用于低温施工、特殊工程或环境中使用。已用于配制C80混凝土应用在高层建筑等工程的建设。3）低热硅酸盐水泥：C2S占50以上，C3A约4，需水量较小，后期强度增长幅度较

13、大，适用于配制高强混凝土等。水泥的技术性质1）密度与表观密度 2）细度 3）标准稠度用水量 4）凝结时间 5）体积安定性6）强度7）水化热 3. 外加剂 （1）减水剂（2）早强剂（3）缓凝剂（4）引气剂（5）膨胀剂与减缩剂（6）其它外加剂（1）减水剂 Water Reducer 1) 普通减水剂 减水率小于10% 掺量0.100.30%；单价较低； 2) 高效减水剂 也称超塑化剂(High Range Water Reducer；Superplasticizer) 减水率大于12%，有的达30% 以上； 掺量0.501.50%；单价较高。为什么加入减水剂后水泥浆变稀？减水剂的作用1）降低水灰比

14、（水胶比），提高混凝土强度；2）增大工作度，使混凝土易于浇注、成型密实；3）不改变混凝土强度和工作度，在减少用水量的同时降低水泥用量。能否同时兼顾？为什么？减水剂分散水泥的机理 加减水剂前 加减水剂后絮凝分散没加减水剂的水泥浆加减水剂后的水泥浆高效减水剂 高效减水剂的应用，成为混凝土技术发展里程一个重要的里程碑，应用它可以配制出流动性满足施工需要且水灰比低，因此强度很高的高强混凝土、可以自行流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性能需要和匀质性良好的高性能混凝土。高效减水剂的发展第一代：坍落度损失较快（3045分）；第二代：与缓凝减水剂复合以延缓损失速率（90分以上），控制有困难

15、；第三代：新品种；可保持几小时基本不损失。聚羧酸脂系高效减水剂的作用机理(缓释、空间位阻）20世纪混凝土技术发展史上的里程碑1）水灰比定则（1918 年，Abrams），为配合比设计奠基；2）引气剂（50年代）应用，使混凝土抵抗冻融能力大大提高；3）高效减水剂（60年代），使水泥分散，水灰比得以降低，提高强度和耐久性。（2）早强剂 Accelerator 早强剂能加速拌合物凝固和硬化混凝土的强度发展，适于在低温施工时使用。在负温下使用的早强剂称为防冻剂或防冻早强剂，它能够降低冰点，使拌合物中的水分不会很快结冰，使水泥继续水化，达到抵抗冰体膨胀的临界强度。（3）缓凝剂 Retarder 缓凝剂主

16、要用于抵消因环境温度高（热天），混凝土凝结硬化加快的影响，使其在浇注期间保持工作度，并消除由于模板弯沉引起的开裂。它还用于分层浇注时保持工作度，以避免冷缝或结构不连续问题的出现。缓凝剂减小坍落度损失的效果，取决与水泥和其它外加剂的搭配。缓凝剂对水泥浆凝结时间的影响（4）引气剂 air entraining admixture 是一类表面活性剂， 通过吸附于气泡表面，减小表面能（表面张力）使其稳定，从而可以大幅度改善混凝土抵抗冻融循环的能力。此外，引气剂还有改善混凝土拌合物工作度和泵送性能的优点，但也有影响硬化混凝土抗压强度的副作用。亲水基团憎水组分气泡引气剂稳泡作用的机理气孔间距系数 L （m

17、）次冻融循环后的长度变化300(m/m)（5）膨胀剂与减缩剂expansive and shrinkage reducing admixture1）膨胀剂：膨胀源分别有钙矾石、氧化钙和氧化镁：Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4+26H2O C3A3CaSO432H2O CaO (MgO) H2O Ca (OH)2 Mg(OH)2 其中，掺加MgO类膨胀剂（MgO含量较高的水泥) ，用于水工大坝工程的施工，是我国首创，以减少混凝土大坝的开裂为目的。由于应用和评价方法存在一些问题，掺膨胀剂有时效果并不显著，甚至出现加剧开裂等现象。 2）减缩剂 使用目的与膨胀剂有类似之处，即减少混凝土因收缩

18、变形受约束引起的开裂现象。但两者的作用机理完全不同，前者通过受约束膨胀产生预压应力（储存膨胀能）起作用；后者则通过改变混凝土内水分的表面活性，影响其迁移，从而减小混凝土的收缩（包括干缩和自生收缩，但对温度收缩没有作用）。（6）其它外加剂1）其它功能的外加剂：如防水剂、泵送剂、速凝剂等；2）复合功能的外加剂：如早强减水剂、缓凝减水剂、引气减水剂、减水膨胀剂、膨胀防水剂等；4. 矿物掺合料 早期在混凝土里掺用主要为两个目的：一为节约水泥，获取经济效益；二为减小大体积混凝土温升，避免温度裂缝。 今天用矿物掺合料为改善混凝土的微结构和许多重要性能，而且还具有节约能源、保护资源和减小环境污染等多重意义。

19、 （1）火山灰性质 一部分矿物掺合料含有玻璃态或者无定形的氧化硅，本身没有胶凝性，但是以细粉末状态存在时，能够与氢氧化钙和水在常温下起化学反应，生成有胶凝性产物的性质。例如天然火山灰 。 火山灰反应：SiO2 + Ca(OH)2 + H2O C-S-H 火山灰反应二次反应的产物与水泥水化的产物一样是C-S-H。而且因为消耗了部分硅酸盐水泥水化放出的氢氧化钙，加强了过渡区的微结构，因而可以提高混凝土的抗渗透性能和强度（主要是后期强度），改善耐久性能。火山灰反应骨料过渡区水泥石本体C-S-HCH钙矾石骨料氢氧化钙裂缝扩展的路径和方向骨料水泥石骨料周围的过渡区普通混凝土的微结构1）粉煤灰 煤粉在锅炉中燃烧后的灰份； 2）粒状高炉矿渣 高炉炼铁排出的废渣，经水淬并粉磨后使用； 3）硅粉 生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末； 4）沸石粉、稻壳灰、石灰石粉