混凝土原材料的進(jìn)展

二、混混凝土土原材材料的的進(jìn)展展AdvancesinConstituentMaterialsofConcrete混凝土土組成成材料料1）骨料：：粗骨骨料、、細(xì)骨骨料2）膠凝凝材料料：水水泥3）水4）化學(xué)學(xué)外加加劑5）礦物物摻合合料（（輔助助膠凝凝材料料）混凝土土的結(jié)結(jié)構(gòu)與與性能能大顆粒粗粗骨料料的間間隙由由小顆顆粒粗粗骨料料填充充小顆粒粒粗骨骨料的的間隙隙由細(xì)細(xì)骨料料填充充漿體填填充粗粗細(xì)骨骨料的的間隙隙并包包裹形形成潤(rùn)潤(rùn)滑層層，以以滿足足澆注注成型型時(shí)的的工作作度要要求漿體大顆粒粗粗骨料料小顆粒粗粗骨料料細(xì)骨料骨料的的空隙隙率越越小，，填充充其空空隙所所需要要的漿漿體越越少。。1.骨料aggregate通常骨料要要占混混凝土土體積積的65~80%，因此對(duì)對(duì)其微微結(jié)構(gòu)構(gòu)、性性能和和經(jīng)濟(jì)濟(jì)性都都有十十分重重要的的影響響。很很多人人認(rèn)為為：粗粗骨料料最大大粒徑徑越大大、砂砂率越越小，，所配配制的的混凝凝土越越好。。事實(shí)實(shí)并非非如此此，骨骨料最最大粒粒徑雖雖大，，但小小顆粒粒（5～10mm或5～15mm)很少甚甚至沒(méi)沒(méi)有，，填充充其空空隙需需要的的砂漿漿量并并不能能減少少，同時(shí)還還會(huì)帶帶來(lái)一一些副副作用用，如如新拌拌混凝凝土易易于離離析、、泌水水；硬硬化混混凝土土耐沖沖擊和和疲勞勞強(qiáng)度度降低低，且且對(duì)耐耐久性性不利利。因因此在在選用用時(shí)需需要權(quán)權(quán)衡利利弊，，綜合合考慮慮。骨料的的種類類1）天然骨骨料（（Naturalmineralaggregates)卵石（（礫石石）、、砂、、破碎碎天然然巖石石、(人工砂砂）2）人造造骨料料(Syntheticaggregates)頁(yè)巖、、粘土土燒制制的輕輕骨料料、重重礦渣渣3）再生生骨料料（（aggregatefromrecycledconcreteandmunicipalwastes)破碎混混凝土土及市市政廢廢棄物物骨料的的特性性1）取決孔孔隙率率的特特性：密度、、吸水水率、、強(qiáng)度度、硬硬度、、彈模模和穩(wěn)穩(wěn)固性性2）取決決加工工參數(shù)數(shù)的特特性：：粒徑徑、粒粒形及及表面面構(gòu)造造3）取決決化學(xué)學(xué)和礦礦物組組成的的特性性：強(qiáng)強(qiáng)度、、硬度度、彈彈模及及存在在有害害雜質(zhì)質(zhì)骨料表表觀密密度與與堆積積密度度為了進(jìn)進(jìn)行混混凝土土配合合比設(shè)設(shè)計(jì)，，需要要了解解骨料料的真真實(shí)密密度和和堆積積密度度。任何天天然骨骨料都都有一一定的的孔隙隙。例例如火火成巖巖的孔孔隙率率通常常在2%；密實(shí)實(shí)沉積積巖的的可達(dá)達(dá)5%；而多多孔的的砂巖巖或石石灰?guī)r巖可高高達(dá)10～40%。常用用天然然骨料料，如如花崗崗巖、、砂巖巖和密密室石石灰?guī)r巖的表表觀密密度為為2.60~2.70。常用天天然骨骨料的的堆積積密度度（填填充單單位體體積的的骨料料重））為1300~1750kg/m3。不同巖巖種骨骨料的的彈性性模量量與泊泊松比比巖石種種類彈性模模量(GPa)泊松比比()花崗巖巖6.0~60.00.11~0.23閃長(zhǎng)巖巖60.0~80.00.25輝綠巖巖70.0~110.0砂巖巖6.0~25.00.07~0.22凝灰?guī)r2.0~20.0~0.11石灰?guī)r30.0~40.00.19~0.27大理巖50.0~80.00.25~0.28不同巖種種骨料的的線脹系系數(shù)巖石種類線脹系數(shù)(10-6/℃)花崗巖1.8~11.9閃長(zhǎng)巖4.1~10.3輝綠巖3.6~9.7砂巖4.3~13.9白云巖6.7~8.6石灰?guī)r0.9~12.2大理巖1.1~16.0PropertiesofConcreteA.M.Neville巖石種類滲透系數(shù)（cm/sec）滲透系數(shù)相同的水泥漿W/C密實(shí)暗色巖2.47×10－120.38石英閃長(zhǎng)巖8.24×10－120.42大理巖2.39×10－110.48大理巖5.77×10－10

0.66花崗巖5.35×10－9

0.70砂巖1.23×10－8

0.71花崗巖1.56×10－8

0.71骨料巖種與滲滲透性Mehta.P.K.混凝土：結(jié)構(gòu)構(gòu)、性能與材材料骨料的堅(jiān)固性性(soundness)堅(jiān)固性以骨料料在干濕交替替或凍融循環(huán)環(huán)作用下，體體積變化對(duì)混混凝土劣化的的影響程度表表征。有某些些特征孔隙的的骨料常呈現(xiàn)現(xiàn)穩(wěn)固性不良良，如含有某某些燧石、頁(yè)頁(yè)巖、石灰?guī)r巖、砂巖混凝凝土的骨料就就易于受凍害害和鹽結(jié)晶損損傷；但不少少骨料，如浮浮石和膨脹粘粘土吸水量大大，堅(jiān)固性卻卻良好。所以以骨料的堅(jiān)固固性在很大程程度上與孔徑徑分布有關(guān)：：當(dāng)一種骨料料受潮（或者者冰凍后融化化）時(shí)易被水水飽和，而干干燥（或冰凍凍）時(shí)水卻難難以流出，就就會(huì)產(chǎn)生很高高的靜水壓力力而膨脹，使使混凝土劣化化。所以為潮潮濕與凍融環(huán)環(huán)境的結(jié)構(gòu)混混凝土選用骨骨料時(shí)，進(jìn)行行堅(jiān)固性檢驗(yàn)驗(yàn)十分必要。。級(jí)配與粒徑SizeandGrading級(jí)配就是將不不同粒徑分布布的骨料顆粒?；旌希员M盡量減小混凝凝土的空隙率率，從而減少少漿體用量；；同時(shí)拌后的的混凝土運(yùn)送送過(guò)程不易發(fā)發(fā)生分離。簡(jiǎn)單的做法是是控制Dmax:Dmin的比例：Dmax≤25mm，Dmax:Dmin≤4；Dmax≥25mm，Dmax:Dmin≤2舉例：三級(jí)配：2.5~5mm；10~25mm;20~40mm;四級(jí)配：5~20mm;20~40mm;40~80mm;80~150mm2.水泥1）水泥的生產(chǎn)產(chǎn)硅質(zhì)（黏土）鈣質(zhì)（石灰石））++煅燒燒1450℃℃粉磨磨鐵質(zhì)質(zhì)石膏膏石膏膏熟料料水泥泥生料料>100℃℃我國(guó)國(guó)水水泥泥生生產(chǎn)產(chǎn)與與供供應(yīng)應(yīng)的的發(fā)發(fā)展展1）熟料料中中C3S礦物物含含量量增增多多———早強(qiáng)強(qiáng)高高；2）粉磨磨細(xì)細(xì)度度加加大大（（實(shí)實(shí)行行新新標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)后后進(jìn)進(jìn)一一步步加加劇?。秆杆偎?；；3）散散裝裝水水泥泥運(yùn)運(yùn)輸輸供供應(yīng)應(yīng)發(fā)發(fā)展展（（儲(chǔ)儲(chǔ)存存期期溫溫度度高高））；；混凝凝土土由由破破碎碎和和滲滲漏漏而而破破壞壞向向由由于于開(kāi)開(kāi)裂裂而而破破壞壞的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變，，是是始始于于水水泥泥生生產(chǎn)產(chǎn)向向細(xì)細(xì)度度和和C3S增大大，，該該論論點(diǎn)點(diǎn)被被1944年對(duì)對(duì)混混凝凝土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)調(diào)調(diào)查查的的結(jié)結(jié)果果所所證證實(shí)實(shí)。。1944年，美國(guó)公共共道路管理局局對(duì)加州等4個(gè)州的橋梁進(jìn)進(jìn)行了檢測(cè)，，檢查的目的的在于調(diào)查西西部各州混凝凝土迅速瓦解解的原因。BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.Mar,2001檢測(cè)了大約200座結(jié)構(gòu)，從小小的、單跨的的橋梁，到大大的、多跨橋橋梁，建成時(shí)時(shí)間為3~30年。有足夠的證據(jù)據(jù)表明：在1930年以后建造的的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)使用壽命不不如在那以前前的。例如：：檢查時(shí)在1930年以前建造的的橋梁67%完好，而1930年后建造的僅僅27%尚完好。由于于施工技術(shù)仍仍然保持一樣樣，結(jié)論是：：水泥的細(xì)度度發(fā)生變化很很可能是主要要原因。BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.Mar,2001水泥細(xì)度對(duì)混混凝土性能的的影響作者1946~1956年間在墾務(wù)局局工作時(shí)，用用3種水泥，每一一種都磨到從從220～490m2/kg范圍6種細(xì)度，用于于拌和、澆筑筑混凝土并觀觀察其行為。。所有混凝土都都澆筑在一個(gè)個(gè)農(nóng)場(chǎng)里并觀觀測(cè)了10年。在細(xì)磨水水泥混凝土風(fēng)風(fēng)化、龜裂與與開(kāi)裂的同時(shí)時(shí)，粗磨水泥泥（220m2/kg）對(duì)大氣侵蝕的的反應(yīng)是無(wú)風(fēng)風(fēng)化、不起霜霜，也沒(méi)有龜龜裂或裂縫。。RichardW.Burrows.TheVisibleandInvisibleCrackingofConcrete水泥美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)局對(duì)199種水泥長(zhǎng)達(dá)18年的研究最重重要的發(fā)現(xiàn)，，是含堿量和和細(xì)度、C3A與C4AF等參數(shù)都對(duì)水水泥的抗裂性性有非常大影影響。即使水水泥的水化速速率（強(qiáng)度發(fā)發(fā)展）和自由由收縮值相同同，堿對(duì)抗裂裂性的影響也也是明顯的，，這表明低堿堿水泥固有抵抵抗開(kāi)裂的能能力。RichardW.Burrows.TheVisibleandInvisibleCrackingofConcrete2）水泥的水化化Hydrationofcement水化1水化2圖3-35硅酸鹽水泥在一定溫度下水化時(shí)的放熱曲線初凝終凝硅酸鹽水泥水水化時(shí)的放熱熱曲線1）C?·0.5H＋1.5HC?H2（二水石膏）2）C3A+6HC3AH6（水化鋁酸鈣）3）C3A+3C?·H2+26HC3A·3C?·H32（鈣礬石石）水化反反應(yīng)閃凝與與假凝凝水化反反應(yīng)2C3S+6HC3S2H3+3CH（快）2C2S+4HC3S2H3+CH（慢）兩種礦礦物水水化都都生成成C-S-H，但反應(yīng)速率率不同，現(xiàn)現(xiàn)代水泥C3S含量高、粉粉磨細(xì)度大大，水化迅迅速，不僅僅放熱量大大而且溫升升快。硅酸鹽水泥泥的品種及及礦物含量量C3S48653142C2S24114034C3A138122C4AF991215水泥A水泥B水泥C水泥D普通早早強(qiáng)低低熱抗抗硫硫酸鹽影響水泥水水化的因素素1）礦物組成及及其含量；；2）粉磨細(xì)度度(影響需水量量）；3）溫度；4）水灰比。新拌水泥漿漿硬化水泥漿漿影響水泥水水化的因素素組分及其含含量、粉磨磨細(xì)度、溫度、水灰比和齡期R(t)=f(C3S)·f(fineness)·f(T)·f(W/C)·f(t)當(dāng)混凝土溫溫度升高時(shí)時(shí)，水化加加快，放熱熱速率加速速，升溫并并膨脹，凝凝結(jié)硬化形形成的微結(jié)結(jié)構(gòu)體積較較大，相對(duì)對(duì)疏松，且且在隨后的的降溫期間間，或受干干燥環(huán)境作作用收縮變變形時(shí)產(chǎn)生生大量微裂裂縫，致使使結(jié)構(gòu)混凝凝土強(qiáng)度與與滲透性（（耐久性））受到嚴(yán)重重影響。其他品種水水泥1）鋁酸鹽水泥泥：硬化、、強(qiáng)度發(fā)展展非常迅速速，適用于于搶修工程程和耐火材材料，但當(dāng)當(dāng)溫度高于于30℃時(shí)，存在強(qiáng)強(qiáng)度倒縮明明顯的問(wèn)題題；2）硫鋁酸鹽與與鐵鋁酸鹽鹽水泥：我我國(guó)發(fā)明；；具有硬化化較快、早早期強(qiáng)度高高、微膨脹脹、堿性低低等特點(diǎn)，，適用于低低溫施工、、特殊工程程或環(huán)境中中使用。已已用于配制制C80混凝土應(yīng)用用在高層建建筑等工程程的建設(shè)。。3）低熱硅酸酸鹽水泥：：C2S占50％以上，C3A約4％，需水量量較小，后后期強(qiáng)度增增長(zhǎng)幅度較較大，適用用于配制高高強(qiáng)混凝土土等。水泥的技術(shù)術(shù)性質(zhì)1）密度與表觀觀密度2）細(xì)度3）標(biāo)準(zhǔn)稠度度用水量4）凝結(jié)時(shí)時(shí)間5）體積安安定性6）強(qiáng)度7）水化熱熱3.外加劑（1）減水劑劑（2）早強(qiáng)劑劑（3）緩凝劑劑（4）引氣劑劑（5）膨脹劑劑與減縮縮劑（6）其它外外加劑（1）減水劑劑WaterReducer1)普通減水水劑減減水水率小于于10%摻量0.10~0.30%；單價(jià)較較低；2)高效減水水劑也也稱稱超塑化化劑(HighRangeWaterReducer；；Superplasticizer)減水率大大于12%，有的達(dá)達(dá)30%以上；摻量0.50~1.50%；單價(jià)較較高。為什么加加入減水水劑后水水泥漿變變?。繙p水劑的的作用1）降低水灰灰比（水水膠比）），提高高混凝土土強(qiáng)度；；2）增大工工作度，，使混凝凝土易于于澆注、、成型密密實(shí)；3）不改變變混凝土土強(qiáng)度和和工作度度，在減減少用水水量的同同時(shí)降低低水泥用用量。能否同時(shí)時(shí)兼顧？？為什么么？減水劑分分散水泥泥的機(jī)理理加減水劑劑前加加減水劑劑后絮凝分散沒(méi)加減水水劑的水水泥漿加減水劑后后的水泥泥漿高效減水水劑高效減水水劑的應(yīng)應(yīng)用，成成為混凝凝土技術(shù)術(shù)發(fā)展里里程一個(gè)個(gè)重要的的里程碑碑，應(yīng)用用它可以以配制出出流動(dòng)性性滿足施施工需要要且水灰灰比低，，因此強(qiáng)強(qiáng)度很高高的高強(qiáng)強(qiáng)混凝土土、可以以自行流流動(dòng)成型型密實(shí)的的自密實(shí)實(shí)混凝土土，以及及充分滿滿足不同同工程特特定性能能需要和和勻質(zhì)性性良好的的高性能能混凝土土。高效減水水劑的發(fā)發(fā)展第一代：：坍落度度損失較較快（30~45分）；第二代：：與緩凝凝減水劑劑復(fù)合以以延緩損損失速率率（90分以上）），控制制有困難難；第三代：：新品種種；可保保持幾小小時(shí)基本本不損失失。聚羧酸脂脂系高效效減水劑劑的作用用機(jī)理(緩釋、空空間位阻阻）20世紀(jì)混凝凝土技術(shù)術(shù)發(fā)展史史上的里里程碑1）水灰比定則則（1918年，Abrams），為配合比設(shè)計(jì)計(jì)奠基；2）引氣劑（50年代）應(yīng)用，，使混凝土抵抵抗凍融能力力大大提高；；3）高效減水劑劑（60年代），使水水泥分散，水水灰比得以降降低，提高強(qiáng)強(qiáng)度和耐久性性。（2）早強(qiáng)劑Accelerator早強(qiáng)劑能加速速拌合物凝固固和硬化混凝凝土的強(qiáng)度發(fā)發(fā)展，適于在低溫施施工時(shí)使用。。在負(fù)溫下使使用的早強(qiáng)劑劑稱為防凍劑劑或防凍早強(qiáng)強(qiáng)劑，它能夠夠降低冰點(diǎn)，，使拌合物中中的水分不會(huì)會(huì)很快結(jié)冰，，使水泥繼續(xù)續(xù)水化，達(dá)到到抵抗冰體膨膨脹的臨界強(qiáng)強(qiáng)度。（3）緩凝劑Retarder緩凝劑主要用用于抵消因環(huán)環(huán)境溫度高（（熱天），混混凝土凝結(jié)硬硬化加快的影影響，使其在在澆注期間保保持工作度，，并消除由于于模板彎沉引引起的開(kāi)裂。。它還用于分分層澆注時(shí)保保持工作度，，以避免冷縫縫或結(jié)構(gòu)不連連續(xù)問(wèn)題的出出現(xiàn)。緩凝劑劑減小坍落度度損失的效果果，取決與水水泥和其它外外加劑的搭配配。緩凝劑劑對(duì)水水泥漿漿凝結(jié)結(jié)時(shí)間間的影影響（4）引氣劑劑airentrainingadmixture是一類類表面面活性性劑，，通通過(guò)吸吸附于于氣泡泡表面面，減減小表表面能能（表表面張張力））使其其穩(wěn)定定，從從而可可以大大幅度度改善善混凝凝土抵抵抗凍凍融循循環(huán)的的能力力。此此外，，引氣氣劑還還有改改善混混凝土土拌合合物工工作度度和泵泵送性性能的的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，但但也有有影響響硬化化混凝凝土抗抗壓強(qiáng)強(qiáng)度的的副作作用。。親水水基基團(tuán)團(tuán)憎水水組組分分氣泡泡引氣氣劑劑穩(wěn)穩(wěn)泡泡作作用用的的機(jī)機(jī)理理氣孔孔間間距距系系數(shù)數(shù)L（（μm）次凍凍融融循環(huán)環(huán)后后的的長(zhǎng)長(zhǎng)度度變變化化300(μμm/m)（5）膨膨脹脹劑劑與與減減縮縮劑劑expansiveandshrinkagereducingadmixture1）膨脹脹劑劑：：膨膨脹脹源源分分別別有有鈣鈣礬礬石石、、氧氧化化鈣鈣和和氧氧化化鎂鎂：Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4+26H2O→→C3A··3CaSO4·32H2OCaO(MgO)＋H2O→Ca(OH)2[Mg(OH)2]其中，摻摻加MgO類膨脹劑劑（MgO含量較高高的水泥泥)，用于水工工大壩工工程的施施工，是是我國(guó)首首創(chuàng)，以以減少混混凝土大大壩的開(kāi)開(kāi)裂為目目的。由由于應(yīng)用用和評(píng)價(jià)價(jià)方法存存在一些些問(wèn)題，，摻膨脹脹劑有時(shí)時(shí)效果并并不顯著著，甚至至出現(xiàn)加加劇開(kāi)裂裂等現(xiàn)象象。2）減縮劑劑使用目的的與膨脹脹劑有類類似之處處，即減減少混凝凝土因收收縮變形形受約束束引起的的開(kāi)裂現(xiàn)現(xiàn)象。但但兩者的的作用機(jī)機(jī)理完全全不同，，前者通通過(guò)受約約束膨脹脹產(chǎn)生預(yù)預(yù)壓應(yīng)力力（儲(chǔ)存存膨脹能能）起作作用；后后者則通通過(guò)改變變混凝土土內(nèi)水分分的表面面活性，，影響其其遷移，，從而減減小混凝凝土的收收縮（包包括干縮縮和自生生收縮，，但對(duì)溫溫度收縮縮沒(méi)有作作用）。。（6）其它外加加劑1）其它功功能的外外加劑：：如防水水劑、泵泵送劑、、速凝劑劑等；2）復(fù)合功功能的外外加劑：：如早強(qiáng)強(qiáng)減水劑劑、緩凝凝減水劑劑、引氣氣減水劑劑、減水水膨脹劑劑、膨脹脹防水劑劑等；4.礦物摻合合料早期在混混凝土里里摻用主主要為兩兩個(gè)目的的：一為為節(jié)約水水泥，獲獲取經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益；；二為減減小大體體積混凝凝土溫升升，避免免溫度裂裂縫。今天用礦礦物摻合合料為改善混凝凝土的微微結(jié)構(gòu)和和許多重重要性能能，而且且還具有有節(jié)約能能源、保保護(hù)資源源和減小小環(huán)境污污染等多多重意義義。（1）火山灰性性質(zhì)一部分礦礦物摻合合料含有有玻璃態(tài)態(tài)或者無(wú)無(wú)定形的的氧化硅硅，本身身沒(méi)有膠膠凝性，，但是以以細(xì)粉末末狀態(tài)存存在時(shí)，，能夠與與氫氧化化鈣和水水在常溫溫下起化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，生成成有膠凝凝性產(chǎn)物物的性質(zhì)質(zhì)。例如如天然火火山灰。?；鹕交曳捶磻?yīng)：SiO2+Ca(OH)2+H2OC-S-H火山灰反反應(yīng)——二次反應(yīng)應(yīng)的產(chǎn)物物與水泥泥水化的的產(chǎn)物一一樣是C-S-H。而且因?yàn)橄暮牧瞬糠址止杷猁}鹽水泥水水化放出出的氫氧氧化鈣，，加強(qiáng)了了過(guò)渡區(qū)區(qū)的微結(jié)結(jié)構(gòu)，因因而可以以提高混混凝土的的抗?jié)B透透性能和和強(qiáng)度（（主要是是后期強(qiáng)強(qiáng)度），，改善耐耐久性能能?；鹕交曳捶磻?yīng)骨料過(guò)渡區(qū)區(qū)水泥石石本體體C-S-HCH鈣礬石石骨料氫氧化化鈣裂縫擴(kuò)擴(kuò)展的的路徑徑和方方向骨料水泥石石骨料周周圍的的過(guò)渡渡區(qū)普通混混凝土土的微微結(jié)構(gòu)構(gòu)1）粉煤煤灰煤煤粉粉在鍋鍋爐中中燃燒燒后的的灰份份；2）粒狀狀高爐爐礦渣渣高高爐爐煉鐵鐵排出出的廢廢渣，，經(jīng)水水淬并并粉磨磨后使使用；；3）硅粉粉生生產(chǎn)硅硅鐵合合金排排出的的煙氣氣冷凝凝形成成微細(xì)細(xì)的粉粉末；；4）沸石石粉、、稻殼殼灰、、石灰灰石粉粉、偏偏高嶺嶺土等等。（2）主主要的的礦物物摻合合料種種類（3）主要礦礦物摻合料料的組成氧化物粉粉煤灰磨磨細(xì)礦渣硅硅粉水水泥低鈣高高鈣SiO24840369720Al2O32718925Fe2O39810.14MgO24110.11CaO3204064Na2O1