环境土建工程第2章课件

第2章环境土建工程基础理论知识环境土建工程：房屋建筑结构、各种水池、水塔构筑物，以及沟、渠、坝、挡土结构物等土工构筑物工程。2.1建筑力学基础知识2.1.1结构与构件结构：建筑物中承受荷载而起骨架作用的部分。构件：组成结构的各单独部分。（1）杆系结构（2）薄壁结构（3）实体结构构件是杆件，特征：长度远远大于横截面的宽度和高度，结构按几何特征分为三种类型：构件是薄板或薄壳，特征：厚度远远小于它的另外两个方向的尺寸。三个方向的尺寸基本为同量级的结构。2.1.3杆件变形的基本形式杆件轴线直线——直杆曲线——曲杆折线——折杆横截面相同——等截面杆横截面不同——变截面杆杆件基本变形形式①轴向拉伸或压缩②剪切③扭转④弯曲组合变形2.1.4结构计算简图自由度、约束及约束反力自由体和非自由体（1）光滑面约束（3）铰支座固定铰支座和滚动铰支座（4）链杆约束两端用铰链与其他物体相连，不计重力且中间不受重力的杆件。只在两铰链处受力作用，又称二力杆。（5）固定端约束（固定支座）（6）定向支座（1）支座简化示例（2）结点简化示例结点：结构中构件的交点铰结点、刚结点、组合结点（4）平面杆系结构分类①梁由受弯杆件构成，杆件轴线一般为直线。②拱一般由曲杆构成，在竖向荷载作用下，支座产生水平反力。③钢架由梁和柱组成的结构。④桁架由若干直杆用铰链连接组成的结构。静定结构超静定结构（3）按荷载作用的性质可分为静荷载和动荷载静荷载：由零逐渐增加到最后值的荷载。特点：荷载施加过程中，结构上各点产生的加速度不明显，荷载达到最后值后，结构处于静止平衡状态。动荷载：大小、方向随时间而改变的荷载。特点：由于荷载的作用，结构上各点产生明显的加速度，结构的内力和变形都随时间而发生变化。2.1.6建筑力学的任务和内容建筑力学的任务：研究结构的几何组成规律，以及在荷载作用下结构和构件的强度、刚度和稳定性问题。建筑力学的目的：保证结构按设计要求正常工作，并充分发挥材料的性能，使设计的结构既安全可靠又经济合理。建筑力学的内容：（1）静力学基础及静定结构的内力计算（2）强度问题（3）刚度问题（4）超静定结构的内力计算（5）稳定性问题

混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。土木建筑工程对混凝土质量的基本要求是：具有符合设计要求的强度；具有与施工条件相适应的和易性；具有与工程环境相适应的耐久性。材料组成经济合理、生产制作节约能源。2.2.1混凝土2.2物理化学知识硅酸盐水泥熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为: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。硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分有：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙；

（1）硅酸三钙

硅酸三钙的化学成分为３ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为Ｃ3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的３６％～６０％。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥３～７天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。生产过程（２）硅酸二钙

硅酸二钙的化学成分为2ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的15％～37％。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。（３）铝酸三钙

铝酸三钙的化学成分是３CaO·Al2O3，其简写为C3Ａ，约占水泥熟料总量的7～15％。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。（4）铁铝酸四钙铁铝酸四钙的化学成分为:４CaO·Al2O3·Fe2O3，其简写为Ｃ4AF，约占水泥熟料总量的10％～18％。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。硅酸盐水泥的水化反应硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应，生成各种水化物。

硅酸三钙 水 水化硅酸钙氢氧化钙

硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙铝酸三钙水 水化铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸三钙 水化铁酸钙2、骨料骨料构成混凝土的骨架，占全部混凝土的80%~85%。骨料按其粒径大小分为粗骨料5mm~60mm）和细骨料（粒径0.16~5mm）。卵石和天然砂是常用的粗、细骨料，骨料的强度直接影响混凝土的强度。特别是粗骨料。混凝土混合料在拌和时要加入一定量的水，一是要保证水泥水化过程的进行，这样才能保证水泥在混凝土中发挥胶凝作用，二是使混合料具有足够的流动性水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。3、水由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。

随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。4、孔隙混凝土是一个多相多孔的体系，所以在混凝土中除了上述组此外，还存在大小不同的孔隙，按孔径的大小可风味凝胶孔、过渡孔、毛细孔等。侵蚀性介质只有通过孔隙才能进入混凝土内部对其产生侵蚀，此外，混凝土构筑物的许多物理性能如渗透性、抗冻性和力学性能都与混凝土孔隙的数量、孔径、孔隙的分布状态等密切相关。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。一般情况掺量不超过水泥质量的5%。

混凝土中掺入外加剂，是行之有效的改善混凝土性能的措施。随着科学技术的不断进步，外加剂已越来越多地得到发展和使用。因此，外加剂已成为混凝土中除由四种基本材料以外的第五种组分。

5、混凝土外加剂混凝土外加剂的分类

按化学成分可分成三类：

（１）无机化合物，多为电解质盐类。

（２）有机化合物，多为表面活性剂。

（３）有机无机复合物。

按功能分为四类：

（ｌ）改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。如各种减水剂、泵送剂、保水剂等。

（２）调节混凝土凝结时间，硬化性能的外加剂。如缓凝剂、早强剂、速凝剂等。

（３）改善混凝土耐久性能的外加剂。如引气剂、防水剂和阻锈剂等。

（４）改善混凝土其他性能的外加剂。如引气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂、碱骨料反应抑制剂、隔离剂、养护剂等。

6、混凝土和易性混凝土混合料的诸多性质，如搅拌是否均匀，运输过程是否是否产生分层析水，浇筑时是否易于填满模型等，都以和易性表示。混凝土受冻融作用破坏的原因，是混凝土内部的孔隙水在负温下结冰后体积膨胀造成的静水压力，因冷冻水蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区的迁移造成的渗透压力，当这两种压力所产生的内应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，多次冻融使裂缝不断扩展直至破坏。

冻融破坏机理有很多，但迄今为止尚无统一的结论。典型的有冰膨胀压和渗透压理论是指混凝土在冻融交替作用下，其内部结构产生裂缝和损伤，经过多次反复作用后，损伤积累到一定程度所引起的一种结构破坏.冻融破坏过程中，水化产物的成分基本保持不变，可任务混凝土的冻融破坏过程是一个物理变化过程。1、混凝土的冻融破坏2.2.2混凝土在环境中的物理化学变化（１）内部构造、（２）混凝空隙率，既混凝土密实度、混凝土孔隙构造及数量。密实度越小，开口孔隙愈多，水分愈易渗入，静水压力越大，抗冻性越差。

（３）混凝土孔隙充水程度。饱水程度愈高，冻结后产生的冻胀作用就大，抗冻性越差。

影响混凝土抗冻性的因素有：混凝土的中性化作用是指空气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氯化氢等酸性物质，与水泥石中的氢氧化钙等碱性物质发生化学作用，生成碳酸钙和水。其中二氧化碳引起的中性化称为碳化。

碳化对混凝土性能有明显的影响，首先是减弱对钢筋的保护作用。由于水泥水化过程中生成大量氢氧化钙，使混凝土孔隙中充满饱和的氢氧化钙溶液，其ＰＨ值可达到12.6～13。这种强碱性环境能使混凝土中的钢筋表面生成一层钝化薄膜，从而保护钢筋免于锈蚀。碳化作用降低了混凝土的碱度，当ＰＨ值低于10时，钢筋表面钝化膜破坏，导致钢筋锈蚀。同时碳化伴随着混凝土的收缩，引起表面开裂和粉化2、混凝土的碳化

其次，当碳化深度超过钢筋的保护层时，钢筋不但易发生锈蚀，还会因此引起体积膨胀，使混凝土保护层开裂或剥落，进而又加速混凝土进一步碳化。

碳化作用还会引起混凝土的收缩，使混凝土表面碳化层产生拉应力，可能产生微细裂缝，从而降低了混凝土的抗折强度。

碳化对混凝土既有有利影响，也有不利影响。不利方面：1、混凝土碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用。2、碳化作用会增加混凝土的收缩，引起混凝土表面产生拉应力出现细微裂缝，从而降低混凝土的抗拉强度、抗折强度及抗渗能力。有利方面：碳化作用产生的碳酸钙填充了水泥石的孔隙，提高了水泥石的密实度，提高了抗压强度。如混凝土预制桩往往利用碳化作用来提高桩的表面硬度。3、混凝土的腐蚀混凝土腐蚀的方式：（１）溶出性侵蚀水泥石长期接触软水时，会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出，当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时，水泥石中的其它含钙矿物也可能分解和溶出，从而导致水泥石结构的强度降低，甚至破坏。当水泥石处于软水环境时，特别是处于流动的软水环境中时，水泥被软水侵蚀的速度更快。

（２）一般酸的腐蚀

工程结构处于各种酸性介质中时，酸性介质易与水泥石中的氢氧化钙反应，其反应产物可能溶于水中而流失，或发生体积膨胀造成结构物的局部被胀裂，破坏了水泥石的结构。其基本化学反应式为

（３）碳酸的腐蚀雨水及地下水中常溶有较多的二氧化碳，形成了碳酸。碳酸水先与水泥石中的氢氧化钙反应，中和后使水泥石碳化，形成了碳酸钙，碳酸钙再与碳酸反应生成可溶性的碳酸氢钙，并随水流失，从而破坏了水泥石的结构。其腐蚀反应过程为

当环境中含有硫酸盐的水渗入到水泥石结构中时，会与水泥石中的氢氧化钙反应生成石膏，石膏再与水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石，产生1.5倍的体积膨胀，这种膨胀必然导致脆性水泥石结构的开裂，甚至崩溃。由于钙矾石为微观针状晶体，人们常称其为水泥杆菌。（４）硫酸盐的腐蚀（5）碱骨料反应是指水泥中的碱与骨料中的活性二氧化硅反应，生成碱-硅酸盐凝胶，并吸水膨胀，使体积增大约3~4倍，产生的膨胀压力可引起混凝土剥落、开裂、强度下降甚至破坏。发生碱骨料反应时，一般不到两年就会使其结构出现明显开裂，一旦发生，比较难控制，会加速其他侵蚀破坏。（6）浓碱液侵蚀碱液浓度小且温度不高时，侵蚀作用很小。碱液浓度