环境土建工程概论第2章

第2章环境土建工程根底理论知识2.1建筑力学根底知识2.2物理化学根底知识2.1建筑力学根底知识结构与构件结构：建筑物中承受荷载而起骨架作用的局部。构件：组成结构的各单独局部。结构与构件〔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。三个方向的尺寸根本为同量级的结构。结构按几何特征分为三种类型：刚体、变形固体及其根本假设刚体：受力作用而不变形的物体理想变形固体：按照连续性、均匀、各向同性假设而理想化了的一般变形固体理想假设：连续性假设均匀性假设各向同性假设弹性变形、塑性变形杆件轴线直线——直杆曲线——曲杆折线——折杆横截面相同——等截面杆横截面不同——变截面杆杆件变形的根本形式①轴向拉伸或压缩②剪切③扭转④弯曲杆件变形的根本形式约束—阻碍物体运动的限制条件，约束总是通过物体间的直接接触而形成。约束对物体必然作用一定的力，这种力称为约束反力或约束力，简称反力。约束反力的方向总是与物体的运动或运动趋势的方向相反，它的作用点就在约束与被约束物体的接触点。运用这个准那么，可确定约束反力的方向和作用点的位置。结构计算简图自由度、约束及约束反力结构计算简图自由度、约束及约束反力1.光滑面约束物体之间光滑接触，只限制物体沿接触面的公法线方向并指向物体的运动。光滑接触面的约束反力作用于接触点，方向沿着接触面的公法线指向物体，如下图。结构计算简图自由度、约束及约束反力2.光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链约束的约束性质是限制物体平面移动〔不限制转动〕，其约束反力是互相垂直的两个力〔本质上是一个力〕，指向任意假设。结构计算简图自由度、约束及约束反力3.铰支座〔固定铰支座〕将构件或结构连接在支承物上的装置称为支座。用光滑圆柱铰链把构件或结构与支承底板相连接，并将支承底板固定在支承物上而构成的支座。固定铰支座的约束反力与圆柱铰链相同，其约束反力也应通过铰链中心，但方向待定。为方便起见，常用两个相互垂直的分力表示。图1-14固定铰支座(c)FAXFAyFA结构计算简图自由度、约束及约束反力3.铰支座〔滚动铰支座〕如果在固定铰支座的底座与固定物体之间安装假设干辊轴，就构成可动铰支座。可动铰支座的约束反力垂直于支承面，且通过铰链中心，但指向不定。结构计算简图自由度、约束及约束反力4.链杆约束两端各以铰链与其他物体相连接且中间不受力(包括物体本身的自重)的直杆称为链杆。链杆可以受拉或者是受压，但不能限制物体沿其他方向的运动和转动，所以，链杆的约束反力总是沿着链杆的轴线方向，指向不定。结构计算简图自由度、约束及约束反力5.固定端约束如果构件或结构的一端牢牢地插入到支承物里面，就形成固定端支座。约束的特点是连接处有很大的刚性，不允许被约束物体与约束物体之间发生任何相对的移动和转动，约束反力一般用三个反力分量来表示，两个相互垂直的分力XA、YA和反力偶MA结构计算简图自由度、约束及约束反力6.定向支座将构件用两根相邻的等长、平行链杆与地面相连接。这种支座允许杆端沿与链杆垂直的方向移动，限制沿链杆方向移动，也限制了转动。约束反力是一个沿链杆方向的力N和一个力偶mA结构计算简图结构计算简图能够反映结构主要工作特性的简化模型，忽略真实结构的次要因素，简化真实结构，便于计算。保存了真实结构的主要特点，是真实结构的代表，能够给出满足精度要求的分析结果。

选择正确的结构简图重要而困难，经过大量实践，已有了成熟的计算简图结构计算简图结构计算简图1.支座简化例如结构计算简图结构计算简图2.结点简化例如结点：结构中构件的交点铰结点、刚结点、组合结点结构计算简图结构计算简图3.计算简图例如结构计算简图结构计算简图4.平面杆系结构的分类①梁由受弯杆件构成，杆件轴线一般为直线。其内力一般有弯矩和剪力，以弯矩为主梁结构计算简图结构计算简图4.平面杆系结构的分类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。其内力以压力为主。拱结构计算简图结构计算简图4.平面杆系结构的分类③钢架由梁和柱组成的结构，具有刚结点。其内力有弯矩、剪力和轴力，以弯矩为主。结构计算简图结构计算简图4.平面杆系结构的分类④桁架由假设干直杆用铰链连接组成的结构。在结点荷载作用下，各杆均只有轴力〔拉力或压力〕⑤组合结构由只承受轴力的桁杆和主要承受弯距的梁杆或刚架杆件组成的结构。结构计算简图结构计算简图5.荷载的分类〔1〕按荷载作用的范围分为分布荷载和集中荷载分布荷载：分布作用在体积、面积和线段上的荷载〔体荷载、面荷载、线荷载〕集中荷载：荷载作用的范围与构建的尺寸相比十分微小，可认为荷载集中作用于一点。〔2〕按荷载作用时间的久暂分为恒荷载和活荷载恒荷载：永久作用在结构上的荷载。〔自重、永久设备…〕活荷载：暂时作用在结构上的荷载。〔风、雪…〕结构计算简图结构计算简图5.荷载的分类〔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，荷载到达最后值后，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。结构计算简图结构计算简图5.荷载的分类建筑力学的任务：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，使设计的结构既平安可靠又经济合理。建筑力学的内容：〔1〕静力学根底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〕稳定性问题建筑力学的任务和内容2.2物理化学根底知识混凝土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根本要求是：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。混凝土水泥

加水拌和成塑性浆后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。土木建筑工程通常采用的水泥主要有：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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。品种代号组分熟料-石膏粒化高炉矿渣火山灰质混合材料粉煤灰石灰石硅酸盐水泥P•Ⅰ100————P•Ⅱ≥95≤5———≥95———≤5普通硅酸盐水泥P•O≥80且﹤95＞5且≤20a—矿渣硅酸盐水泥P•S•A≥50且﹤80＞20且≤50b———P•S•B≥30且﹤50＞50且≤70b——火山灰质硅酸盐水泥P•P≥60且﹤80—＞20且≤40c——粉煤灰硅酸盐水泥P•E≥60且﹤80——＞20且≤40d—复合硅酸盐水泥P•C≥50且﹤80＞20且≤50ea本组分材料符合本标准5.2.3的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准5.2.4的非活性混合材料或不超过水泥质量5%且符合本标准5.2.5的窖灰代替；b本组分材料为符合GB/T203或GB/T18046的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准5.2.3条的活性混合材料或符合本标准5.2.4的非活性混合材料或符合本标准5.2.5的窖灰中任一种材料代替；c本组分材料为符合GB/T2847的活性混合材料；d本组分材料为符合GB/T1596的活性混合材料；e本组分材料为由两种（含）以上符合本标准5.2.3的活性混合材料或符合本标准5.2.4的非活性混合材料组成，其中允许用不超过水泥质量8%且符合本标准5.2.5的窖灰代替，掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。

活性混合材料：与石灰、石膏一起，加水拌合后能形成水硬性胶凝材料的混合材料。如粒化高炉矿渣、火山灰质混合料和粉煤灰等。

非活性混合材料：不具有活性或活性甚低的人工或天然的矿物质，如石英砂、石灰石、粘土及不符合质量标准的活性混合材料等。混凝土水泥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。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混凝土水泥硅酸盐水泥熟料的矿物组成矿物名称化学成分缩写符号含量硅酸三钙3CaO·SiO2

C3S50％～60％硅酸二钙2CaO·SiO2

C2S15％～37％铝酸三钙3CaO·Al2O3

C3A7％～15％铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3

C4AF10％～18％混凝土水泥〔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响，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。〔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％。硅酸二钙遇水后反响较慢，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。混凝土水泥混凝土水泥〔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％。铝酸三钙遇水后反响极快，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奉献。〔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响也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度奉献不大，主要对抗折强度奉献较大。混凝土水泥硅酸盐水泥的水化反响硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反响，生成各种水化物。

硅酸三钙 水 水化硅酸钙氢氧化钙1、硅酸三钙

硅酸二钙 水 水化硅酸钙氢氧化钙2、硅酸二钙混凝土水泥硅酸盐水泥的水化反响铝酸三钙 水 水化铝酸钙3、铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸钙 水化铁酸钙4、铁铝酸四钙混凝土水泥熟料矿物水化硬化特性(水泥养护时间为28天)矿物名称水化速率28d水化热凝结硬化速率强度耐化学侵蚀性早期后期硅酸三钙快多快高高中硅酸二钙慢少慢低高良铝酸三钙最快最多最快低低差铁铝酸四钙快中快低低优混凝土水泥水泥水化过程初凝：水泥加水拌合后的剧烈水化反响，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，水泥颗粒外表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。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，水泥中参加了适量的石膏。水泥参加石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反响生成针状的钙矾石。混凝土水泥水泥水化过程终凝：当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒外表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。硬化：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〞。混凝土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参加一定量的水，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。水混凝土孔隙混凝土是一个多相多孔的体系，所以在混凝土中还存在大小不同的孔隙，按孔径的大小可分为凝胶孔、过渡孔、毛细孔、大孔等。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

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%。类别使用效果减水剂普通减水剂减水、提高强度或改善和易性高效减水剂配制流动混凝土或早强高强混凝土引气剂增加含气量，改善和易性，提高抗冻性调凝剂缓凝剂延缓凝结时间，降低水化热早强剂提高混凝土早期强度速凝剂速凝、提高早期强度防冻剂使混凝土在负温下水化，达到预期强度防水剂提高混凝土抗渗性，防止潮气渗透膨胀剂减少干缩混凝土混凝土外加剂

混凝土外加剂的种类混凝土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。和易性是一个综合概念，通常以流动性、粘聚性和保水性表示，以混合料的流动性作为和易性的主要指标。2.2物理化学根底知识混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的冻融破坏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，经过屡次反复作用后，损伤积累到一定程度所引起的一种结构破坏。混凝土受冻融作用破坏的原因：冰膨胀压：毛细孔内的水结冰后体积膨胀9%，产生膨胀压。渗透压：冷冻水蒸汽压的差异推动未冻水向冻结区的迁移。混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的冻融破坏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：混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的碳化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。

碳化对混凝土性能的影响：〔1〕减弱对钢筋的保护作用。强碱性环境能使混凝土中的钢筋外表生成一层钝化薄膜，从而保护钢筋免于锈蚀。碳化作用降低了混凝土的碱度，钢筋外表钝化膜破坏，导致钢筋锈蚀。〔2〕碳化伴随着混凝土的收缩，引起外表开裂和粉化混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的碳化1、材料本身性质：水泥种类、用量、水灰比、骨料的品种以及养护质量等。2、环境因素：空气中CO2浓度、环境温度和湿度等。

影响混凝土碳化的因素有：混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的腐蚀溶出性侵蚀：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。混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的腐蚀溶出性侵蚀：软水腐蚀的程度与水的暂时硬度〔水中重碳酸盐即碳酸氢钙和碳酸氢镁的含量〕有关，因其能与水泥石中的Ca(OH)2反响生成不溶于水的碳酸钙：碳酸钙沉淀在水泥石的孔隙内而提高其密实度，并在水泥石外表形成紧密不透水层，可以阻止外界水的侵入和内部的Ca(OH)2扩散析出。所以水的硬度越高，腐蚀作用越小。混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的腐蚀硫酸盐的腐蚀(膨胀性侵蚀)：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响生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的水化铝酸钙反响生成钙矾石，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。当水中硫酸盐浓度较高时，硫酸钙还会在孔隙中直接结晶成二水石膏,体积膨胀，引起膨胀应力，导致水泥石破坏。混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的腐蚀一般酸的腐蚀：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响，其反响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。其根本化学反响式为：酸的浓度越大，腐蚀作用越强。混凝土在环境中的物理化学变化混凝土的腐蚀碱骨料反响：是指水泥中的碱与骨料中的活性二氧化硅反响，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