混凝土材料學(xué)課件

緒論目的與要求使用/效能合成/加工成分/結(jié)構(gòu)性能混凝土材料學(xué)是研究其成分/結(jié)構(gòu)、制備/加工、性能、使用性能及其關(guān)系的科學(xué)。

材料科學(xué)與工程的定義（國際公認(rèn)）是：研究有關(guān)材料成份/結(jié)構(gòu)、制備/合成、性能/組織和使用效能及其關(guān)系的科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)。對材料四要素的認(rèn)識和理解，要有動態(tài)的觀念，材料科學(xué)與工程四個基本要素的說明和控制應(yīng)放在更高、更深的層次，即分子、原子尺度來闡釋和控制。

材料的結(jié)構(gòu)與成分應(yīng)更著重于包括分子、原子的類型及所觀察尺度范圍（納米、介觀、微觀、宏觀）內(nèi)分子、原子的排列組合。

使原子（原子團(tuán)），分子可得到特定排列組合的合成與加工；由不同原子（原子團(tuán)）、分子及其排列組合所得到的使材料具有值得研究和使用的性能；

考慮經(jīng)濟(jì)和社會效益的材料使用服役實際條件及其有效性的度量。四要素是一個整體，內(nèi)部有機(jī)聯(lián)系是其核心與活力所在。

使用/效能合成/加工成分/結(jié)構(gòu)性能“四要素”基本內(nèi)涵

（1）混凝土材料的成分、組成與結(jié)構(gòu)●從電子、原子尺度到宏觀尺度成分與分布●結(jié)構(gòu)無限變化導(dǎo)演材料復(fù)雜性能●成分與結(jié)構(gòu)表征●分析與建模技術(shù)3CaO+SiO2→C3S2CaO+SiO2→C3S2CaO+AI2O3→C3A（1）成分、組成與結(jié)構(gòu)“四要素”基本內(nèi)涵成分設(shè)計

組織設(shè)計

“四要素”基本內(nèi)涵（1）成分、組成與結(jié)構(gòu)“四要素”基本內(nèi)涵復(fù)合設(shè)計

（1）成分、組成與結(jié)構(gòu)（2）合成與加工

所有尺度上原子、分子及分子團(tuán)對結(jié)構(gòu)的控制新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為材料與結(jié)構(gòu)的演化過程宏觀加工引發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)變化與“意外”現(xiàn)象決定工業(yè)生產(chǎn)效率與競爭力“四要素”基本內(nèi)涵（3）性質(zhì)

●材料對外界刺激的整體響應(yīng)●各種尺度上的性能測試與分析●導(dǎo)向所需綜合性能的設(shè)計“四要素”基本內(nèi)涵（4）使用行為

●材料固有性質(zhì)與構(gòu)件功能、能力相結(jié)合●使用中材料固有性質(zhì)變化、預(yù)測與改善●環(huán)境中固有性能變化與預(yù)測“四要素”基本內(nèi)涵時效行為組織穩(wěn)定性蠕變變形老化輻照脆化疲勞行為彎曲疲勞接觸疲勞拉壓疲勞振動疲勞腐蝕行為環(huán)境腐蝕應(yīng)力腐蝕氫脆復(fù)合環(huán)境行為腐蝕+疲勞疲勞+蠕變“四要素”基本內(nèi)涵控性控構(gòu)控形

力學(xué)性能

物理性能

化學(xué)性能

近終形

表面完整性

尺寸精度

宏觀組織（晶粒形態(tài)與尺寸）

微觀組織（亞晶界、枝晶間距、次生相）

強(qiáng)化相的形態(tài)、尺寸及分布

多相合金的相結(jié)構(gòu)

組織均勻性

成分均勻性（宏觀與微觀偏析）

組織致密性

夾雜、氣孔等

應(yīng)力、變形、開裂等

晶體結(jié)構(gòu)缺陷（點(diǎn)缺陷、位錯、孿晶等）

非晶、微晶、納米晶及非平衡晶

設(shè)計（成分結(jié)構(gòu)）

合成

材料科學(xué)與工程

加工服役使用緒論本節(jié)課的主要內(nèi)容

混凝土的定義與分類混凝土的分類混凝土的用途混凝土的耐久性現(xiàn)狀混凝土的發(fā)展方向-高性能混凝土

緒論1、混凝土的定義砼——由水泥、粗集料（碎石、卵石、人造陶粒）、細(xì)集料（河砂、陶砂）、水、外加劑（第五組分）以及必要時加入的礦物摻合料（粉煤灰、礦渣、硅灰、鋼渣、磷渣等）制備的復(fù)合材料。混凝土具有原料來源廣泛、成型加工簡單、耐久性好、成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程建設(shè)中發(fā)揮了不可取代的作用，預(yù)計本世紀(jì)中混凝土仍將是用途最廣、用量最大的人造建筑材料。每噸混凝土消耗能量僅為：磚1/6，塑料1/12，鋼材1/20，鋁材1/170當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)載荷相同時，能耗比為：水泥：磚：鋼材=1：3.6：6.5緒論2、混凝土的分類根據(jù)密度(density)劃分：普通混凝土

(NormalConcrete)≈2400Kg/m3輕混凝土（LightweightConcrete）

<2000Kg/m3重混凝土（HeavyConcrete）

>3000Kg/m3緒論2、混凝土的分類根據(jù)組成劃分：素混凝土

(PlainConcrete)鋼筋混凝土(ReinforcedConcrete)預(yù)應(yīng)力混凝土(PrestressedConcrete)鋼—混凝土組合(steel-concrete)緒論2、混凝土的分類根據(jù)施工工藝劃分：泵送混凝土(pumpingconcrete)噴射混凝土（shotcrete）滑?；炷粒╯lipformPavingconcrete）碾壓混凝土（rollercompactingconcrete）自密實混凝土（self-compactingconcrete）年份水泥產(chǎn)量（億噸）增長率（%）2000年5.974.19%2001年6.6110.73%2002年7.259.68%2003年8.6218.91%2004年9.7012.52%2005年10.6910.19%2006年12.3715.71%2007年13.6110.06%2008年13.882.00%2009年16.4618.53%2010年18.6813.51%緒論中國水泥的年產(chǎn)量增長情況緒論水泥的年產(chǎn)量增長情況年份世界（億噸）中國（億噸）增量（億噸）19000.100.11998165.610.4200828.413.914.520092816.311.7201018.68從上世紀(jì)90年代開始，中國的水泥工業(yè)處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，全世界的水泥增量幾乎全部發(fā)生在中國。據(jù)預(yù)計，這種態(tài)勢仍會保持20年。緒論水泥行業(yè)的發(fā)展瓶頸自然資源的過度消耗能源資源的消耗環(huán)保意識的增強(qiáng)礦山開采植被破壞水土流失灰塵二氧化碳噪聲緒論中國水泥生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)與國際水平比較有較大差距項目國際先進(jìn)水平國內(nèi)先進(jìn)水平國內(nèi)平均水平熟料熱耗（KJ/Kg）280029503344水泥綜合電耗（kWh/t）8590110窯尾粉塵排放濃度（mg/m3）1550100窯尾煙氣

NOx排放（mg/m3）2005001200窯尾煙氣

SO2排放（mg/m3）50200400我國水泥粉磨系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換利用率僅3~5%左右，平均能耗高達(dá)35~40kW·h/t，約占水泥生產(chǎn)總能耗的30%左右。每年僅水泥粉磨耗電量高達(dá)350~400億kW·h，相當(dāng)于三峽電站半年滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電量。可見，水泥粉磨系統(tǒng)就消耗大量的能耗。緒論水泥工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略在未來的15～20年中仍是基本建設(shè)高速發(fā)展期；硅酸鹽水泥仍將是建筑工程最主要的膠凝材料；水泥工業(yè)發(fā)展應(yīng)“以質(zhì)代量”，淘汰以“小水泥”為主的落后工藝，走新型工業(yè)化道路。緒論高品質(zhì)水泥研究（973課題）傳統(tǒng)水泥高品質(zhì)水泥緒論3、混凝土的用途

混凝土是最大宗的人造材料和最主要的結(jié)構(gòu)工程材料。混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施和重大工程建設(shè)中具有不可替代的作用，我國正處于混凝土建設(shè)施工的關(guān)鍵時期?！艚煌üこ獭艄I(yè)民用建筑工程◆水電工程◆海洋工程青藏鐵路“十五”重點(diǎn)工程緒論“十一五”重點(diǎn)工程

“四縱”：北京-上海客運(yùn)專線；北京-武漢-廣州-深圳客運(yùn)專線，北京-沈陽-哈爾濱客運(yùn)專線，杭州-寧波-福州-深圳客運(yùn)專線，“四橫”：

徐州-鄭州-蘭州客運(yùn)專線，杭州-南昌-長沙客運(yùn)專線，青島-石家莊-太原客運(yùn)專線，南京-武漢-重慶-成都客運(yùn)專線,

三個城際客運(yùn)系統(tǒng):環(huán)渤海地區(qū)、長三角、珠三城際客運(yùn)系統(tǒng)，覆蓋區(qū)域內(nèi)主要城鎮(zhèn)。高速鐵路—板式無碴軌道緒論我國的城市軌道交通目前已建成運(yùn)營地鐵的城市有北京、天津、上海、廣州、南京、深圳6個城市。籌建軌道交通的城市有近40個。預(yù)計到2015年，我國運(yùn)營軌道交通線路將達(dá)到60多條，線路總長1700公里，建設(shè)投資規(guī)模將達(dá)到6000億元。緒論北京的地鐵工程北京是開展地鐵建設(shè)較早的城市，目前運(yùn)營9條線路，總長度為142公里。2009年北京共有13條地鐵線開工，年度投資512億元。2015年，13條新線陸續(xù)建成，北京軌道交通運(yùn)營總里程隨之猛增到561公里。緒論鄭州市城市快速軌道交通建設(shè)規(guī)劃

三橫—

兩縱—

一環(huán)公路7條北京放射線9條縱向路線18條橫向路線

到2020年，高速公路總規(guī)模約8.5萬公里，其中主線6.8萬公里，地區(qū)環(huán)線、聯(lián)絡(luò)線等其它路線約1.7萬公里。公路建設(shè)規(guī)劃——高速公路“7918”網(wǎng)杭州灣跨海大橋世界上最長的跨海大橋，全長36公里，海上長度32公里。2003年6月8日奠基，2008年建成大橋，2009年正式通車。高目標(biāo)：百年大橋、世界一流橋梁工程2800萬立方米混凝土三峽工程國家重點(diǎn)工程輸水管線外徑內(nèi)徑南水北調(diào)公路高層建筑大跨度結(jié)構(gòu)特殊工程緒論混凝土消耗量水泥生產(chǎn)量：

1900年約0.1億噸

1998年約16億噸

2009年約28億噸

以250kg水泥生產(chǎn)1m3混凝土計:1900年僅4000萬立方米

1998年達(dá)到64億立方米(5.3m3

或12.8噸/人）中國2009年的混凝土達(dá)到112億立方米（8.6m3或20.6噸/人)緒論4、混凝土的耐久性現(xiàn)狀

1980年，北海近海鉆井平臺混凝土突然破裂，導(dǎo)致123人死亡。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核反應(yīng)堆屏蔽鋼筋混凝土破壞造成核泄露。日本鳥取縣境內(nèi)一座建成不到10年的鋼筋混凝土大橋因堿骨料反應(yīng)而倒塌，拆除重建。美國目前有253,000座橋面和橋墩需要維修，經(jīng)費(fèi)2000億美元。北京西直門立交橋、三元立交橋橋墩堿骨料反應(yīng)破壞。一座橋何以只有二十年壽命？拆除前的西直門立交橋1979~1999深－汕高速建成于1996年，10年內(nèi)就出現(xiàn)開裂美國紐約州使用了20年的高速公路橋梁離岸式碼頭樁堿—骨料反應(yīng)引起混凝土的自由變形產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫延遲生成鈣礬石(DelayedEttringiteFormation--DEF)引起混凝土劣化路面受鹽凍剝落銹蝕的鋼筋緒論新建和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)費(fèi)用的比例緒論混凝土劣化的主因？堿－骨料反應(yīng)？鋼筋銹蝕？凍融破壞？化學(xué)介質(zhì)侵蝕？多因素協(xié)同:凍融+鋼銹，凍融+化學(xué)介質(zhì)+鋼銹混凝土的組成、結(jié)構(gòu)？如水泥的含堿量、骨料的活性、混凝土的孔結(jié)構(gòu)等。緒論5、混凝土的發(fā)展方向—高性能混凝土

混凝土技術(shù)發(fā)展的四個階段~1824原始膠凝材料1824~1928利用波特蘭水泥配制低強(qiáng)度等級水泥混凝土1928~1980預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土1980~目前按材料科學(xué)的方法實現(xiàn)了高性能混凝土的設(shè)計和施工緒論高性能混凝土的定義

高性能混凝土的定義NIST與ACI于1990年5月提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土采用優(yōu)質(zhì)材料配制的必須采用嚴(yán)格的施工工藝不離析，便于澆搗早期強(qiáng)度高，力學(xué)性能穩(wěn)定具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土緒論高性能混凝土的定義

1990年美國MehtaPK認(rèn)為：高強(qiáng)度高耐久性（抵抗化學(xué)腐蝕）高體積穩(wěn)定性（高彈性模量、低干縮率、低徐變和低溫度應(yīng)變）高抗?jié)B性高工作性緒論高性能混凝土的定義

1992年法國MalierYA認(rèn)為：良好的工作性高的強(qiáng)度和高早期強(qiáng)度工程經(jīng)濟(jì)性高耐久性緒論高性能混凝土的定義

1992年日本的小澤一雅和岡村甫認(rèn)為：高工作性（高的流動性、黏聚性與可澆筑性）低溫升低干縮率高抗?jié)B性足夠的強(qiáng)度緒論高性能混凝土的定義

1992年日本SarkarSL提出：較高的力學(xué)性能（如抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度）高耐久性（如抗凍融循環(huán)、抗碳化和抗化學(xué)侵蝕）高抗?jié)B性低水膠比緒論高性能混凝土的定義綜上所述高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，縮寫為HPC）是最近十多年才出現(xiàn)的新型高技術(shù)混凝土。它以混凝土耐久性作為設(shè)計的主要指標(biāo)，保證混凝土有良好的工作性、適用性、力學(xué)強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。干硬、插搗泵送、流態(tài)泵送、自密實干硬、振搗緒論國家對混凝土材料科學(xué)越來越重1、國家九五攻關(guān)——重點(diǎn)工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用2、國家十五攻關(guān)——新型高性能混凝土及其耐久性的研究3、國家十一五科技支撐計劃——綠色制造技術(shù)與裝備

4、國家自然科學(xué)基金重大項目——三峽工程混凝土原材料研究5、國家973—高性能水泥制備與應(yīng)用的基礎(chǔ)研究

、水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究、環(huán)境友好現(xiàn)代混凝土基礎(chǔ)研究。緒論國家九五攻關(guān)項目

“重點(diǎn)工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用”課題一

:混凝土抗堿—集料反應(yīng)性的研究堿集料的判定方法、全國堿集料分布圖、抑制堿集料反應(yīng)的材料。課題二

:混凝土耐久性的研究鋼筋銹蝕、凍融、化學(xué)腐蝕、裂縫檢測和修補(bǔ)。課題三

:高性能混凝土的綜合研究和應(yīng)用及混凝土安全性專家系統(tǒng)的建立新型膠凝材料、高性能混凝土、混凝土安全性的專家系統(tǒng)。緒論國家“十五”科技攻關(guān)項目

“新型高性能混凝土及其耐久性的研究”課題一抑制堿-集料反應(yīng)評估方法及外加劑的研究課題二高貝利特水泥的開發(fā)與應(yīng)用研究課題三新型高性能混凝土的研究與應(yīng)用課題四高性能輕集料混凝土的研究與應(yīng)用課題五混凝土基礎(chǔ)設(shè)施安全耐久性技術(shù)創(chuàng)新體制和機(jī)制的研究緒論國家973—高性能水泥制備與應(yīng)用的基礎(chǔ)研究第一課題：高膠凝性水泥熟料礦物體系的研究第二課題：高膠凝性和特性熟料復(fù)合體系的研究第三課題:

性能調(diào)節(jié)型輔助膠凝組分的研究第四課題：水泥水化機(jī)理及過程控制第五課題：高性能水泥漿體的結(jié)構(gòu)形成與優(yōu)化第六課題：高性能水泥和水泥基材料的環(huán)境行為與失效機(jī)理緒論砼——

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容

當(dāng)今全世界所面臨的共同問題：資源、生態(tài)環(huán)境。2009年全世界水泥年產(chǎn)量約28億噸，折合混凝土近112億立方米，要消耗掉230億噸的資源。帶來一系列能源、礦產(chǎn)、良田、污染、環(huán)境問題。2009年中國每年水泥產(chǎn)量16.3億噸，約占世界的58%，加之我們的生產(chǎn)技術(shù)和管理水平較低，因此其消耗和環(huán)境問題更大。水泥與混凝土本身的質(zhì)量、問題——耐久性，所面臨的新挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)化迅猛發(fā)展而產(chǎn)生的各種工業(yè)廢棄物，對環(huán)境的破壞。礦渣、鋼渣、有色金屬炸、電場粉煤灰的處理與堆放問題。緒論混凝土的可持續(xù)發(fā)展措施低能耗低環(huán)境負(fù)荷高利用值低水泥用量骨架密實堆積高品質(zhì)水泥提高機(jī)械效率環(huán)境友好型工業(yè)廢渣的利用再生混凝土生態(tài)水泥混凝土高性價比（長壽命）商品混凝土的推廣應(yīng)用施工組織管理的合理化緒論混凝土可持續(xù)發(fā)展的新時代

我們正走向人類歷史上一個新的里程碑，應(yīng)該回顧并反省過去得到的教訓(xùn)，同時構(gòu)想未來，將混凝土業(yè)引向可持續(xù)發(fā)展的新時代。為了向可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)邁進(jìn)，必須在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境保護(hù)這兩個同等重要的社會需求之間，找出解決矛盾的辦法。作為發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施最重要的參與者以及地球天然資源的主要消費(fèi)者，混凝土工業(yè)需要重新定向，接受有利于環(huán)境的工藝技術(shù)。

混凝土原材料

水泥是混凝土中主要的膠凝材料，水泥的性能，如強(qiáng)度、耐久性等在相當(dāng)大的程度上影響混凝土的性能，因此選用水泥時必須考慮下列幾項因素：（1）水泥強(qiáng)度等級；（2）在各種溫、濕度條件下，水泥早期和后期強(qiáng)度發(fā)展的規(guī)律；（3）使用環(huán)境中水泥的穩(wěn)定性；（4）各種水泥的其他特殊性能。

1.1水泥1.1.1水泥的定義與分類水泥的定義凡細(xì)磨成粉末狀，加入適量的水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料，通稱為水泥。根據(jù)GB175-2007通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)，通用硅酸鹽水泥的定義如下：以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏、及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料。1.1水泥1.1.1水泥的定義與分類水泥的分類

（1）按其用途和性能可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。（2）按水泥的組成可將其分為硅酸鹽水泥系列、鋁酸鹽水泥系列、氟鋁酸鹽水泥系列、硫鋁酸鹽水泥系列、鐵鋁酸鹽水泥系列及其他水泥。（3）按需要在水泥命名中標(biāo)明的主要技術(shù)特性可將水泥分為快硬性水泥、水化熱、抗硫鋁酸鹽腐蝕性、膨脹性、耐高溫性。1.1水泥1.1.2

通用硅酸鹽水泥的組分

硅酸鹽水泥熟料石膏（天然石膏和工業(yè)副產(chǎn)品石膏）活性混合材料（?；郀t礦渣、?；郀t礦渣粉、粉煤灰、火山灰質(zhì)混合材料）非活性混合材料窯灰助磨劑（摻量≤水泥質(zhì)量的0.5%

）1.1水泥1.1.3通用硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級

硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級：

42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個等級普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級：

42.5、42.5R、52.5、52.5R四個等級礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級：

32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個等級1.1水泥1.1.4通用硅酸鹽水泥的技術(shù)要求

化學(xué)指標(biāo)堿含量（按Na2O+0.658K2O計算值表示）物理指標(biāo)

①凝結(jié)時間

硅酸鹽水泥初凝不小于45min，終凝不大于390min；

普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥初凝不小于45min，終凝不大于600min。

②安定性沸煮法合格。

③強(qiáng)度

④細(xì)度1.1水泥表1-2通用水泥的化學(xué)指標(biāo)1.1水泥品種代號不溶物燒失量三氧化硫氧化鎂氯離子硅酸鹽水泥P·

Ⅰ≤0.75≤3.0≤3.5≤5.0≤0.06P·

Ⅱ≤1.50≤3.5普通硅酸鹽水泥P·O－≤5.0礦渣硅酸鹽水泥P·S·A－－≤4.0≤6.0P·S·B－－－火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥P·P－－≤3.5≤6.0粉煤灰硅酸鹽水泥P·F－－復(fù)合硅酸鹽水泥P·C－－1.1水泥表1-3強(qiáng)度指標(biāo)品種強(qiáng)度等級抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度(MPa)3d28d3d28d硅酸鹽水泥42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.5普通硅酸鹽水泥42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.0其它通用水泥32.5≥10.0≥32.5≥2.5≥5.532.5R≥15.0≥3.542.5≥15.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥19.0≥4.052.5≥21.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥23.0≥4.51.1.5水泥的主要礦物組成

1.1水泥硅酸三鈣——3CaO·SiO2，可簡寫為C3S；硅酸二鈣——2CaO·SiO2，可簡寫為C2S；鋁酸三鈣——3CaO·Al2O3，可簡寫為C3A；鐵鋁酸四鈣——4CaO·Al2O3·Fe2O3，可簡寫為C4AF。

占75%左右，稱為硅酸鹽礦物

占22%左右，稱為熔劑性礦物

1.2.1集料的作用和類別集料的作用

集料是混凝土的主要組成材料，集料占混凝土總體積的3/4以上。集料在混凝土中有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上雙重作用。在技術(shù)上，集料的存在使混凝土比純水泥漿具有更高的體積穩(wěn)定性和更好的耐久性；在經(jīng)濟(jì)上，它比水泥便宜得多，作為水泥的廉價的填充材料，使這種建筑材料成本低廉。集料的具體作用如下：

①骨架增強(qiáng)作用；②穩(wěn)定體積作用；

③調(diào)整混凝土密度作用；④控制混凝土溫度變化作用；⑤降低成本作用。1.2集料

1.2.1集料的作用和類別集料的分類

①根據(jù)顆粒大小分類可分為粗集料和細(xì)集料。

②根據(jù)集料的形成過程分類可分為天然集料和人工集料。

③根據(jù)集料的容重或密度分類可分為普通集料、輕集料和重集料。1.2集料

1.2.2集料的主要技術(shù)性質(zhì)集料的強(qiáng)度和彈性模量

集料的強(qiáng)度應(yīng)高于混凝土的設(shè)計抗壓強(qiáng)度，常用壓碎試驗表示集料的力學(xué)性能。集料的比重和容重集料比重是指包括非貫通毛細(xì)孔在內(nèi)的集料的重量與同體積水的重量之比，這樣的比重稱為“視比重。大多數(shù)天然集料的視比重在2.6~2.7之間。集料的容重反映集料在堆積情況下的空隙率。集料的孔隙率、吸水率和含水率

集料的吸附水量用吸水率表示，它在一定程度上反映集料中孔的特性。吸水率是表示飽和面干集料的含水率，以試樣在105~110℃條件下烘干至恒重確定。集料的體積穩(wěn)定性集料的體積穩(wěn)定性專指集料抵抗由于自然條件的變化引起體積過分變化的能力(最根本問題是抗凍融循環(huán))。1.2集料

1.2.2集料的主要技術(shù)性質(zhì)顆粒形狀和表面狀態(tài)集料的顆粒形狀，從實用角度上大致可以分為球形（蛋形）、棱角形、片狀、針狀等四種類型。表示集料的顆粒形狀對堆實程度的特征數(shù)有“棱角系數(shù)”（英國）和顆粒表面積對其體積之比。集料的級配

（1）細(xì)集料的級配常用篩分方法來確定。表示細(xì)集料粗細(xì)程度的方法有三種，即級配曲線、細(xì)度模數(shù)法和平均粒徑法。

（2）粗集料的級配粗集料的級配也是采用篩分的方法確定的。

較好的集料級配應(yīng)當(dāng)是：①集料的空隙率要小，以節(jié)約水泥用量；②集料總表面積要小，以減少濕潤集料表面的需水量；③要有適當(dāng)含量的細(xì)集料，以滿足混合料工作性的要求。1.2集料

1.2集料

1.2.2集料的主要技術(shù)性質(zhì)細(xì)度模數(shù)法

細(xì)度模數(shù)為各級篩上的累計篩余百分?jǐn)?shù)的總和，即Mk=∑Ai式中，Mk為細(xì)度模數(shù)，Ai－各號篩上的累計篩余％。根據(jù)細(xì)集料的定義，注意5mm以上的篩余不屬于砂的范圍，因此，在計算時，各級篩上的累計篩余必須扣除5mm篩上的篩余，即圖1-2砂篩分曲線圖1-1級配曲線1.2集料

1.2.2集料的主要技術(shù)性質(zhì)集料中的有害物質(zhì)集料中存在著或妨礙水泥水化，或削弱集料與水泥石的粘結(jié)，或能與水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生有害的膨脹的物質(zhì)稱為有害物質(zhì)。主要有有機(jī)雜質(zhì)、粘土、淤泥和粉塵、硫化物和硫酸鹽類、云母、鹽等。堿集料反應(yīng)

指水泥、外加劑等混凝土組成物及環(huán)境中的堿與集料中堿活性礦物在潮濕環(huán)境下緩慢發(fā)生并導(dǎo)致混凝土開裂破壞的膨脹反應(yīng)。1.2集料

1.2.3細(xì)集料及其技術(shù)要求細(xì)集料的定義混凝土中常用的細(xì)集料主要是砂，主要包括天然砂和人工砂。砂的分類

（1）按產(chǎn)源分砂按產(chǎn)源分為天然砂、人工砂兩類。天然砂包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂；人工砂包括機(jī)制砂和混合砂。

（2）按技術(shù)要求分砂按技術(shù)要求分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。其中Ⅰ類宜用于強(qiáng)度等級大于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強(qiáng)度等級為C30～C60及抗凍、抗?jié)B或其他要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強(qiáng)度等級小于C30的混凝土和建筑砂漿砂的主要技術(shù)要求

包括：含泥量、石粉含量、泥塊含量、細(xì)度模數(shù)、堅固性、顆粒級配、有害物質(zhì)、表觀密度、堆積密度、空隙率、堿集料反應(yīng)等均應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。1.2集料

1.2.4粗集料及其技術(shù)要求粗集料的定義建筑中常用的粗集料主要是卵石和碎石。粗集料的分類

（1）按來源分類

根據(jù)來源分類粗集料可分為卵石和碎石。

（2）按技術(shù)要求分類按卵石、碎石的技術(shù)要求可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。其中Ⅰ類宜用于強(qiáng)度等級大于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強(qiáng)度等級為C30～C60及抗凍、抗?jié)B或其他要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強(qiáng)度等級小于C30的混凝土。粗集料的主要技術(shù)要求

包括：顆粒級配、含泥量和泥塊含量、針片狀顆粒含量、有害物質(zhì)、堅固性、強(qiáng)度、表觀密度、堆積密度、空隙率、堿集料反應(yīng)等。1.2集料

表1-11卵石、碎石的顆粒級配

1.2集料

1.2.5集料性質(zhì)對混凝土性能的影響

集料性質(zhì)對新拌混凝土工作性的影響集料的顆粒形狀及其表面織構(gòu)是影響新拌混凝土工作性的主要因素。細(xì)集料的顆粒形狀和表面織構(gòu)僅僅影響新拌混凝土的工作性，而粗集料的表面織構(gòu)不僅影響新拌混凝土的工作性，而且由于與機(jī)械咬合力有關(guān)，還影響硬化混凝土的力學(xué)性能。

集料的粒徑分布或顆粒級配，對混凝土所需的水泥漿量也有重大的影響。

含水率不僅影響混凝土的水灰比，而且也影響新拌混凝土的工作性。1.2集料

1.2.5集料性質(zhì)對混凝土性能的影響

集料性質(zhì)對硬化混凝土力學(xué)性能的影響

影響硬化混凝土力學(xué)性能的主要因素是粗集料。粗集料的織構(gòu)對硬化混凝土力學(xué)性能的影響，恰恰與對新拌混凝土工作性的影響相反。粗糙的粗集料表面，可以改善和增大粗集料與水泥漿體的機(jī)械粘結(jié)力，有利于提高混凝土的強(qiáng)度。

Kaplan曾對粗集料的三種不同特性對混凝土強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了試驗，得出了粗集料三種不同特性對混凝土抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度的影響百分?jǐn)?shù)，見表1-18。1.2集料

1.2集料

混凝土性能集料性能的相對影響百分?jǐn)?shù)形狀表面織構(gòu)彈性模量抗彎強(qiáng)度312643抗壓強(qiáng)度224434表1-18粗集料3種不同特性對混凝土強(qiáng)度的影響遺缺了最大粒徑Cordon和Gillispie粗集料粒徑效應(yīng)圖1-4粗集料粒徑和水灰比對混凝土強(qiáng)度的影響

1.2.5集料性質(zhì)對混凝土性能的影響

集料性質(zhì)對混凝土耐久性的影響集料的耐久性通常分為物理耐久性與化學(xué)耐久性兩個類別。

物理耐久性主要表現(xiàn)在體積穩(wěn)定性和耐磨性。集料體積隨著環(huán)境的改變而產(chǎn)生的變化，導(dǎo)致了混凝土的損壞，稱之為集料的不穩(wěn)定性。集料體積穩(wěn)定性的根本問題是抗凍融循環(huán)。另外，混凝土在遭受磨耗及磨損時，集料必然起著主要作用。因此，有耐磨性要求的混凝土工程，必須選用堅硬、致密和高強(qiáng)度的優(yōu)良集料。

集料的化學(xué)耐久性，最常見也是最主要的是堿-集料反應(yīng)，除堿-集料反應(yīng)外，集料有時也會對混凝土引起一些其他類型的化學(xué)性危害。1.2集料

混凝土用水的定義混凝土拌和水和混凝土養(yǎng)護(hù)用水的總稱，包括飲用水、地表水、地下水、再生水、混凝土企業(yè)設(shè)備洗刷水和海水等。（1）地表水

存在于江、河、湖、塘、沼澤和冰川等中的水。（2）地下水

存在于巖石縫隙或土壤孔隙中可以流動的水。（3）再生水指污水經(jīng)適當(dāng)再生工藝處理后具有使用功能的水?；炷劣盟募夹g(shù)要求（略）1.3水

礦物摻和料的定義

為了節(jié)約水泥、改善混凝土性能，在混凝土拌制時摻入的摻量大于水泥質(zhì)量5％的礦物粉末稱為礦物摻和料。國外將這種材料稱為輔助膠凝材料，已成為高性能混凝土不可缺少的第六組分。常用混凝土礦物摻和料

有粉煤灰、硅粉、偏高嶺土、磨細(xì)礦渣及各種天然的火山灰質(zhì)材料粉末（如凝灰?guī)r粉、沸石粉等）礦物摻和料在混凝土中的作用

①形態(tài)效應(yīng)；②微細(xì)集料效應(yīng)；③化學(xué)活性效應(yīng)。1.4礦物摻和料

1.4.1礦物摻和料的分類

按原料來源分類礦物摻合料根據(jù)其來源可分為天然的、人工的及工業(yè)廢料三大類。按其化學(xué)活性分類

①有膠凝性的如?；郀t礦渣，高鈣粉煤灰，沸騰爐（流化床）燃燒脫硫排放的廢渣等。

②有火山灰活性的火山灰活性是指本身沒有或極少有膠凝性，但在有水存在時，能與Ca(OH)2在常溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有膠凝性的組分。如粉煤灰，原狀的或煅燒的酸性火山玻璃和硅藻土，某些燒頁巖和黏土，以及某些工業(yè)廢渣（如硅灰）。③惰性的如磨細(xì)的石灰?guī)r，石英砂，白云巖以及各種硅質(zhì)巖石的產(chǎn)物。1.4礦物摻和料

1.4.2常用礦物摻和料粉煤灰粉煤灰是電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末。（1）粉煤灰的化學(xué)組成

主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3及少量Fe2O3、CaO、MgO和SO3等氧化物，其中SiO2和Al2O3含量可占總含量的60％以上。（2）粉煤灰的分類

美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMC618和我國GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》均把粉煤灰分為F類和C類兩個級別。（3）粉煤灰的活性

粉煤灰的活性效應(yīng)是指混凝土中粉煤灰的活性成分（SiO2和Al2O3）所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)?；钚孕?yīng)的高低取決于反應(yīng)的能力、速度及其反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等。

1.4礦物摻和料

1.4.2常用礦物摻和料粉煤灰（4）粉煤灰的活性激發(fā)機(jī)理粉煤灰的活性是指粉煤灰在和石灰、水混合后所顯示出來的凝結(jié)硬化性能。粉煤灰的活性是潛在的，需要激發(fā)劑的激發(fā)才能發(fā)揮出來。具體作用方式包括兩個方面：

①提供有效的氫氧根離子，以形成較強(qiáng)的堿性環(huán)境，促進(jìn)活性SiO2、Al2O3溶蝕，提高火山灰反應(yīng)的速度；

②提供堿性較強(qiáng)的堿，直接參與反應(yīng)，加快基本火山灰膠結(jié)產(chǎn)物的生成。常用的激發(fā)劑有石灰、石膏、水泥熟料等。如石灰對粉煤灰的激發(fā)機(jī)理為：mCaO十nH2O十SiO2→mCaO·SiO2·nH2OmCaO十nH2O十Al2O3→mCaO·A12O3·nH2O1.4礦物摻和料

1.4.2常用礦物摻和料礦渣粉礦渣粉是以?；郀t礦渣為主要原料，摻加少量石膏磨制成一定細(xì)度的粉體。（1）礦渣粉的化學(xué)組成與礦物組成礦渣的化學(xué)成分與硅酸鹽水泥相類似，主要含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、FeO、MnO等氧化物，其中CaO、SiO2、Al2O3三者總和約占礦渣質(zhì)量的90％以上，此外還含有少量硫化物（CaS、MnS、FeS）。礦物組成包括水淬時形成的大量玻璃體、鈣鎂鋁黃長石、假硅灰石、硅鈣石和少量硅酸一鈣或硅酸二鈣等礦物。礦渣的活性取決于它的化學(xué)成分、礦物組成及冷卻條件。若礦渣中CaO、Al2O3含量高，SiO2含量低時，礦渣活性高。此外，礦渣粉的活性還與其粉磨細(xì)度有關(guān)，通常礦渣粉的比表面積越大，其活性越高。

1.4礦物摻和料

1.4礦物摻和料

1.4.2常用礦物摻和料礦渣粉（2）礦渣粉活性激發(fā)機(jī)理由于礦渣粉的活性與化學(xué)組成有一定的關(guān)系，因此，根據(jù)化學(xué)組成可以對礦渣粉的活性作一個粗略的評定。用化學(xué)組成評定礦渣粉的活性通常采用活性系數(shù)和堿性系數(shù)兩個指標(biāo)。（3）摻入混凝土中起到的效果

①可配制出高強(qiáng)和超高強(qiáng)的混凝土；②改善新拌混凝土的和易性，

③所配制出的混凝土干縮率大大減小，抗凍、抗?jié)B性能提高，從而提高混凝土的耐久性。1.4.2常用礦物摻和料天然沸石粉

天然沸石粉是以天然沸石為原料，經(jīng)磨細(xì)制成的粉狀物料。天然沸石粉在水泥基材料中的作用如下：

①天然沸石粉的需水行為和減水作用

②天然沸石粉的活性行為和膠凝作用

③天然沸石粉的填充行為和致密作用

④天然沸石粉的穩(wěn)定行為和益化作用1.4礦物摻和料

1.4.2常用礦物摻和料偏高嶺土偏高嶺土是以高嶺土為原料,在適當(dāng)溫度下(600～900℃)經(jīng)脫水形成的無水硅酸鋁(Al2O3

·2SiO2)。高嶺土屬于層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，由四面體配位的氧化硅和八面體配位的氧化鋁層交替組成，層與層之間由范德華力結(jié)合，OH-離子在其中結(jié)合得較牢固。（1）偏高嶺土的水化產(chǎn)物

偏高嶺土是一種高活性火山灰材料，在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的作用下發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物與水泥類似，起輔助膠凝材料的作用。不同AS2/CH比率下的反應(yīng)式如下：1.4礦物摻和料

AS2/CH=0.5，AS2+6CH+9H→C4AH13+2CSHAS2/CH=0.6，AS2+5CH+3H→C3AH6+2CSHAS2/CH=1.0，AS2+3CH+6H→C2ASH8+CSH1.4.2常用礦物摻和料偏高嶺土（2）偏高嶺土的作用機(jī)理：

①加速水泥水化效應(yīng)

②填充效應(yīng)

③火山灰效應(yīng)1.4礦物摻和料

1.4.2常用礦物摻和料硅灰硅灰是在冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產(chǎn)生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣迅速氧化并冷凝而形成的一種超細(xì)硅質(zhì)粉體材料。（1）硅灰的化學(xué)組成

硅灰的主要成分是SiO2，一般占85%～96%，而且絕大多數(shù)是無定形二氧化硅。此外，還有少量的Fe2O3、Al2O3、CaO、SO3等，其含量隨礦石的成分不同而稍有變化，一般不超過1%。（2）硅灰的礦物組成

主要是一些無定形的SiO2礦物和少量的高溫型SiO2礦物。（3）硅灰的水化活性1.4礦物摻和料

混凝土和砂漿外加劑

2.1.1外加劑的發(fā)展歷史最早出現(xiàn)的混凝土外加劑是硫水劑和塑化劑，并于1910年成為工業(yè)產(chǎn)品。20世紀(jì)30年代，混凝土外加劑開始了較大規(guī)模的發(fā)展，其代表產(chǎn)品是美國以松香樹脂為原料生產(chǎn)的一種引氣劑。20世紀(jì)50年代，國外又以亞硫酸紙漿廢液經(jīng)發(fā)酵脫糖工藝等途徑生產(chǎn)陰離子表面活性劑來提高混凝土塑性，從而開辟了現(xiàn)代混凝土減水劑的歷史紀(jì)元。20世紀(jì)60年代，日本的萘磺酸甲醛縮合物高效減水劑和德國蜜胺磺酸甲醛縮合物高效減水劑的研制成功，使混凝土技術(shù)得到了劃時代的發(fā)展。20世紀(jì)80年代末90年代初，反應(yīng)性高分子化合物在日本的研制，成功地解決了大流動性混凝土坍落度經(jīng)時損失大的問題。2.1化學(xué)外加劑的發(fā)展概況

2.1.1外加劑的發(fā)展歷史我國的混凝土外加劑發(fā)展起始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時的主要產(chǎn)品有松香皂類引氣劑、以亞硫酸紙漿廢液為原料生產(chǎn)的減水劑、氯鹽防凍劑和早強(qiáng)劑等。

20世紀(jì)70年代和80年代,以煤焦油中各餾分，尤其是萘及其同系物為主要原料生產(chǎn)減水劑得到迅速發(fā)展；用亞硫酸紙漿廢液提取酒精后生產(chǎn)木質(zhì)素磺酸鈣，并在土木工程中得到了推廣應(yīng)用20世紀(jì)50年代，國外又以亞硫酸紙漿廢液經(jīng)發(fā)酵脫糖工藝等途徑生產(chǎn)陰離子表面活性劑來提高混凝土塑性，從而開辟了現(xiàn)代混凝土減水劑的歷史紀(jì)元。20世紀(jì)90年代以來，相繼研制成功了徐放型反應(yīng)性高分子外加劑、聚羧酸鹽減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、脂肪族減水劑等，并修訂了國家標(biāo)淮和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2.1化學(xué)外加劑的發(fā)展概況

2.1.2混凝土外加劑的定義

混凝土外加劑是一種在混凝土攪拌之前或拌制過程中加人的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料。常用外加劑定義如下：普通減水劑在混凝土坍落度基本相同的條件下，能減少拌和用水量的外加劑。高效減水劑在混凝土坍落度基本相同的條件下，能大幅度減少拌和用水量的外加劑。緩凝劑可延長混凝土凝結(jié)時間的外加劑。早強(qiáng)劑可加速混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展的外加劑。泵送劑能改善混凝土拌和物泵送性能的外加劑。

引氣劑在混凝土攪拌過程中能引人大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡且能保留在硬化混凝土中的外加劑。2.1化學(xué)外加劑的發(fā)展概況

2.1.3外加劑的分類

按其主要功能分

改善混凝土拌和物流變性能的外加劑；調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時間、硬化性能的外加劑；改善混凝土耐久性的外加劑；改善混凝土其他性能的外加劑等。按化學(xué)成分分

有機(jī)外加劑、無機(jī)外加劑和有機(jī)無機(jī)復(fù)合外加劑。按使用效果分

減水劑、調(diào)凝劑、引氣劑、加氣劑、防水劑、阻銹劑、膨脹劑、防凍劑、著色劑、泵送劑以及復(fù)合外加劑。2.1化學(xué)外加劑的發(fā)展概況

2.1.4外加劑的作用

改善新拌混凝土、砂漿、水泥漿的性能改善硬化混凝土、砂漿、水泥漿的性能2.1化學(xué)外加劑的發(fā)展概況

2.2.1表面現(xiàn)象的概念

通常把兩個物相或不同物質(zhì)的接觸面稱為界面。表面概念是相對的，它是物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)明顯區(qū)分的界面。通常的界面有固-氣、固-液、氣-液、液-液界面。在界面兩邊的物相各顯示其不同的性質(zhì)，界面是這兩種不同性質(zhì)的物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)明顯區(qū)別的分界面。同一相的物質(zhì)處于內(nèi)部與處于界面的狀態(tài)是不一樣的，物質(zhì)在其內(nèi)部是處于平衡狀態(tài)，而界面則處于一種不平衡狀態(tài)，由此而產(chǎn)生一些變化，如作用力場的不平衡狀態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)狀態(tài)、物質(zhì)密度(濃度)的非均一性等。表面的這些特殊性質(zhì)彼此既聯(lián)系又相互影響，造成了表面現(xiàn)象。表面現(xiàn)象是自然界常見的現(xiàn)象，研究表面現(xiàn)象有很大意義。2.2混凝土外加劑的基本原理

2.2.2表面活性劑的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.2混凝土外加劑的基本原理

圖2-2表面活性劑分子結(jié)構(gòu)

2.2.2表面活性劑的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

表面活性劑的種類

2.2混凝土外加劑的基本原理

表面活性劑

離子型表面活性劑非離子型表面活性劑

兩性表面活性劑

陰離子表面活性劑

陽離子表面活性劑

2.2.3表面活性劑的作用機(jī)理

由于表面活性劑的種類不同，其作用的機(jī)理也不盡相同，下面就以減水劑為例，介紹一下表面活性劑的基作用機(jī)理。降低水泥顆粒固液界面能

靜電斥力作用空間位阻斥力作用水化膜潤滑作用起泡作用（即引氣隔離“滾珠”作用）2.2混凝土外加劑的基本原理

2.2.3表面活性劑的作用機(jī)理

降低水泥顆粒固液界面能

減水劑是一種聚合物電解質(zhì)，它在水泥漿堿性介質(zhì)中解離成帶電荷的陰離子和金屬陽離子。同時，大分子量的陰離子(R-SO3-)被水泥顆粒表面所吸附，并在水泥顆粒表面形成一層溶劑化的單分子膜，使水泥顆粒間的凝聚作用減弱，顆粒間的摩擦阻力減小，因而使水泥顆粒分散，水泥漿體的粘度下降，流動性得到改善。2.2混凝土外加劑的基本原理

2.2.3表面活性劑的作用機(jī)理

靜電斥力作用

2.2混凝土外加劑的基本原理

圖2-5擴(kuò)散雙電層及ζ-電位示意圖

由于減水劑親水極性基團(tuán)的電離作用，使水泥顆粒表面帶上同性電荷，且電荷量隨減水劑濃度的增大而增大，使水泥顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，水泥顆粒絮凝結(jié)構(gòu)解體，釋放出包裹于絮團(tuán)中的自由水，增大拌和物的流動性。

2.2.3表面活性劑的作用機(jī)理

空間位阻斥力作用

2.2混凝土外加劑的基本原理

圖2-8

減水劑空間位阻斥力分散機(jī)理示意圖

聚合物減水劑吸附在水泥顆粒表面，在水泥顆粒表面形成—層有一定厚度的聚合物分子吸附層。當(dāng)水泥顆粒相互靠近，吸附層開始重疊，即在顆粒之間產(chǎn)生斥力作用，重疊越多，斥力越大。這種由于聚合物吸附層靠近重疊而產(chǎn)生的阻止水泥顆粒接近的機(jī)械分離作用力，稱之為空間位阻斥力。

2.2.3表面活性劑的作用機(jī)理

水化膜潤滑作用

2.2混凝土外加劑的基本原理

減水劑分子吸附在水泥顆粒表面后，使水泥顆粒表面形成一層具有一定機(jī)械強(qiáng)度的溶劑化水膜。水化膜的形成破壞了水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放包裹于其中的拌和水，水泥顆粒充分分散，提高水泥顆粒表面的潤濕性，同時對水泥顆粒及集料顆粒的相對運(yùn)動起到潤滑作用。圖2-7減水劑存在條件下水泥顆粒間的電性斥力和溶劑化水膜示意圖2-3水泥絮凝結(jié)構(gòu)示意2.2.3表面活性劑的作用機(jī)理

起泡作用降低表面張力在氣泡周圍形成一層牢固的膜具有適當(dāng)?shù)谋砻嬲扯饶さ摩?電位值高

2.2混凝土外加劑的基本原理

2.2.4表面分散劑對水泥分散體系的影響

水泥分散劑的分散作用

2.2混凝土外加劑的基本原理

圖2-10抗絮凝作用示意圖2.2混凝土外加劑的基本原理

2.2.4表面分散劑對水泥分散體系的影響

水泥凝膠體的流變性質(zhì)

恒壓條件，內(nèi)摩擦力、接觸面積和流速梯度之間的關(guān)系新拌混凝土的流變方程流體速度dv／dx賓漢姆方程2.2混凝土外加劑的基本原理

2.2.4表面分散劑對水泥分散體系的影響

水泥凝膠體的流變性質(zhì)圖2-15粘性體速度梯度與剪切力的關(guān)系

圖2-16摻減水劑漿體流變曲線

2.3.1減水劑

減水劑的定義普通減水劑減水率等于或大于5％的減水劑。高效減水劑

減水率等于或大于10％的減水劑。

2.3化學(xué)外加劑

2.3.1減水劑

減水劑在混凝土拌和物中的作用在不改變混凝土組分，特別是不減少單位用水量的條件下，改變混凝土施工工作性，提高流動性；在給定工作性條件下減少拌和用水量和降低水灰比，提高混凝土強(qiáng)度，改善耐久性；在給定工作性和強(qiáng)度的條件下，減少水和水泥用量，從而節(jié)約水泥，減少干縮、徐變和水泥水化引起的熱應(yīng)力。2.3化學(xué)外加劑

2.3.1減水劑

減水劑的分類（1）按功能分類

按其減水率的不同，可分為普通減水劑和高效減水劑，按混凝土中引入的空氣量的多少分為引氣減水劑和非引氣減水劑；按其對混凝土凝結(jié)時間和早期強(qiáng)度的影響分為標(biāo)準(zhǔn)型、緩凝型和早強(qiáng)型。（2）按成分分類減水劑按其化學(xué)成分可分為以下幾類：1）木質(zhì)素磺酸鹽類及其衍生物；2）高級多元醇；3）羥基羧酸及其鹽；4）萘磺酸鹽甲醛縮合物；5）聚氧乙烯醚及其衍生物；6）多元醇復(fù)合體；7）多環(huán)芳烴磺酸鹽甲醛縮合物；8）三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮聚物；9）聚丙烯酸鹽及其共聚物；10）其他。

2.3化學(xué)外加劑

2.3.1減水劑

高效減水劑（1）聚羧酸系高效減水劑2.3化學(xué)外加劑

化學(xué)結(jié)構(gòu)

2.3.1減水劑

高效減水劑（1）聚羧酸系高效減水劑作用機(jī)理特點(diǎn)以空間位阻斥力作用為主，其次是水化膜潤滑作用和靜電斥力作用，同時還具有一定的引氣隔離“滾珠”效應(yīng)和降低固-液界面能效應(yīng)。性能與其他高效減水劑相比，其摻量低、減水率高。其減水率對摻量的特性曲線更趨線性化，其減水率一般為25％～35％，最高可達(dá)40％。保塑性強(qiáng)，具有一定的液-氣界面活性作用。2.3化學(xué)外加劑

2.3.1減水劑

高效減水劑（2）氨基磺酸鹽系高效減水劑

2.3化學(xué)外加劑

其中，M為金屬離子，如Na＋等；X為：化學(xué)結(jié)構(gòu)式2.3.1減水劑

高效減水劑（2）氨基磺酸鹽系高效減水劑

作用機(jī)理特點(diǎn)以靜電斥力為主，并具有較強(qiáng)的空間位阻斥力作用。同時，由于減水劑具有強(qiáng)親水性羥基（－OH），能使水泥顆粒表面形成較厚的水化膜，故具有較強(qiáng)的水化膜潤滑分散減水作用。性能無引氣作用，具有顯著的早強(qiáng)和增強(qiáng)作用。Cl－離子含量低（約為0.01％～0.1％)和Na2SO4含量低（約為0％～4.2％)。摻量—般為水泥質(zhì)量的0.2％～1.0％，最佳摻量為0.5％～0.75％，在此摻量下，對流動性混凝土的減水率為28％～32％。2.3化學(xué)外加劑

2.3.1減水劑

高效減水劑（3）萘系減水劑

機(jī)理特點(diǎn)：以靜電斥力作用為主，兼有其它作用力。2.3化學(xué)外加劑

結(jié)構(gòu)通式2.3.1減水劑

高效減水劑（3）萘系減水劑

性能：其摻量為水泥質(zhì)量的0.3％～1.5％，最佳摻量為0.5％～1.0％，減水率為15％～30％。能提高拌和物的穩(wěn)定性和均勻性，減小混凝土的泌水。氣-液界面活性小，起泡作用小，幾乎無引氣作用；無緩凝作用。對不同品種水泥的適應(yīng)性強(qiáng)，可配制早強(qiáng)、高強(qiáng)和蒸養(yǎng)混凝土、免振搗自密實混凝土。2.3化學(xué)外加劑

2.3.2凝結(jié)與硬化調(diào)節(jié)劑

速凝劑

速凝劑的種類

：鋁氧熟料、碳酸鹽系；鋁氧熟料、明礬石系；水玻璃系及其他類型。

速凝劑的性能特點(diǎn)①使混凝土在噴出后3～5min內(nèi)初凝，10min之內(nèi)終凝；②有較高的早期強(qiáng)度，后期強(qiáng)度降低不能太大(小于30％)；③使混凝土具有一定的粘度，防止回彈過高；④盡量減小水灰比，防止收縮過大，提高抗?jié)B性能；

⑤對鋼筋無銹蝕作用。

作用機(jī)理①鋁氧熟料、碳酸鹽型作用機(jī)理；②鋁氧熟料、鈣礬石型作用機(jī)理；③水玻璃型作用機(jī)理。2.3化學(xué)外加劑

2.3.2凝結(jié)與硬化調(diào)節(jié)劑

早強(qiáng)劑

早強(qiáng)劑的種類

：無機(jī)鹽類、有機(jī)物類、復(fù)合型早強(qiáng)劑3大類。無機(jī)鹽類主要有氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽及亞硝酸鹽、碳酸鹽等。有機(jī)物主要是指三乙醇胺、三異丙醇胺、甲酸、乙二醇等。復(fù)合型是指有機(jī)與無機(jī)鹽復(fù)合型早強(qiáng)劑。

主要用途①提高混凝土早期強(qiáng)度，提前拆除模板，增加混凝土構(gòu)件產(chǎn)量或加快混凝土工程進(jìn)度；

②用于冷天混凝土施工，提高低溫下混凝土的早期強(qiáng)度，避免混凝土遭受凍害，減少防護(hù)費(fèi)用，保證施工正常進(jìn)行。2.3化學(xué)外加劑

2.3.2凝結(jié)與硬化調(diào)節(jié)劑

緩凝劑

緩凝劑的種類

：按性能可分為僅起延緩凝結(jié)時間作用的緩凝劑和兼具緩凝與減水作用的緩凝減水劑兩種。緩凝劑按其化學(xué)成分可分為無機(jī)緩凝劑和有機(jī)緩凝劑；按其緩凝時間可分為普通緩凝劉和超緩凝劑。

作用機(jī)理

①無機(jī)緩凝劑作用機(jī)理

②有機(jī)緩凝劑作用機(jī)理

③木質(zhì)素磺酸鹽緩凝減水劑作用機(jī)理2.3化學(xué)外加劑

2.3.3膨脹劑

分類按化學(xué)成分的不同可將膨脹劑分為硫鋁酸鹽系膨脹劑、石灰系膨脹劑、氧化鎂型膨脹劑、鐵粉系膨脹劑、復(fù)合型膨脹劑等。按膨脹率和限制條件可將膨脹劑分為補(bǔ)償收縮型膨脹劑和自應(yīng)力型膨脹劑。膨脹機(jī)理（1）鈣礬石的膨脹機(jī)理（2）石灰系膨脹劑的膨脹機(jī)理（3）鐵粉系膨脹劑2.3化學(xué)外加劑

2.3.4引氣劑

松香類引氣劑2.3化學(xué)外加劑

①松香皂類引氣劑松香酸皂化反應(yīng)松香皂2.3.4引氣劑

松香類引氣劑2.3化學(xué)外加劑

②松香熱聚物引氣劑脂化反應(yīng)2.3.4引氣劑

其它類型引氣劑

烷基苯磺酸鹽類引氣劑、皂角苷類引氣劑、脂肪酸及其鹽類引氣劑等。作用機(jī)理

①界面活化作用

②起泡作用作用效果

顯著提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性；改善拌和物的和易性，但卻能使降低強(qiáng)度。應(yīng)用大壩、堤防、橋梁、公路、嚴(yán)寒地區(qū)的抗凍混凝土、抗?jié)B混凝土、輕混凝土等。不宜用于：蒸養(yǎng)混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土。2.3化學(xué)外加劑

2.3.5其它品種外加劑

聚合物改性劑

水溶性聚合物、聚合物乳液(或分散體)、可再分散的聚合物粉料和液體聚合物。保水劑和增稠劑

纖維素醚、淀粉醚、石灰膏以及微沫劑等。其它品種外加劑

防水劑、阻銹劑、發(fā)泡劑、養(yǎng)護(hù)劑、脫膜劑、復(fù)合外加劑等。2.3化學(xué)外加劑

新拌混凝土的性能3.1.1流變學(xué)基本模型

研究背景新拌混凝土流動性的各種測試方法都是經(jīng)驗方法，都有其局限性，靈敏度也不夠。為了測得科學(xué)意義上的物理量，學(xué)者們試圖用流變學(xué)的科學(xué)概念來研究混凝土拌合料的流動性。定義在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟?，物質(zhì)能流動和變形的性能，即流變性。研究對象流變學(xué)綜合研究了物質(zhì)的彈性變形，塑性變形和粘性流動。對水泥混凝土而言，流變學(xué)主要研究水泥漿、砂漿和混凝土混合料粘、塑、彈性的演變，以及硬化混凝土的強(qiáng)度、彈性模量和徐變等問題。3.1新拌混凝土流變學(xué)

三種理想材料基本模型（或稱流變基元）的基本流變方程：胡克（Hooke）固體模型（H—模型）圣維南（St.Venant）固體模型（STV—模型）牛頓（Newton）液體模型（N—模型）一般用流變方程來表示，建立材料的流變方程研究材料在某一瞬間的應(yīng)力和應(yīng)變的定量關(guān)系研究材料的流變特性3.1.1流變學(xué)基本模型

胡克模型（H）—表示具有完全彈性的理想材料3.1新拌混凝土流變學(xué)

3.1.1流變學(xué)基本模型

圣維南模型（STV）—表示超過屈服點(diǎn)后只具有塑性變形的理想材料3.1新拌混凝土流變學(xué)

3.1.1流變學(xué)基本模型

牛頓模型（N）—表示具有完全粘性的理想材料3.1新拌混凝土流變學(xué)

3.1.1流變學(xué)基本模型

流變方程的建立

最簡單的流變模型可由流變基元串聯(lián)或并聯(lián)而成。若用H、N、StV分別表示上述三種流變基元，用符號“—”表示串聯(lián)，用符號“│”表示并聯(lián)，則可用不同的符號表示出各種流變模型的結(jié)構(gòu)式。3.1新拌混凝土流變學(xué)

3.1.1流變學(xué)基本模型

流變方程的建立實例一——麥克斯韋（Maxwell）模型（M-模型）3.1新拌混凝土流變學(xué)

最簡單的串聯(lián)模型，M=N—H，用于表示恒定變形下的應(yīng)力變化歷程在模型中，各基元所受的應(yīng)力相等，總的變形為各基元變形之和松弛時間τ隨時間而減少的現(xiàn)象即應(yīng)力松弛實例一—麥克斯韋模型（M-模型）積分上式，取t=0則γ=0在外力作用的瞬間，τ=0隨著t增加，γ增加當(dāng)t=∞時，γ=τ

/G

由上可知，彈性形變是隨時間按指數(shù)關(guān)系推遲完成，這種現(xiàn)象稱為徐變，也稱為滯彈性。實例二—開爾芬（Kelvin）模型（K-模型）

最簡單的并聯(lián)模型，k=N|H，用于表示恒定應(yīng)力下的形變過程在模型中，各基元的變形都相等，而總應(yīng)力則等于各基元應(yīng)力之和

在外力除去以后，變形的恢復(fù)也是逐漸的。實例二—開爾芬（Kelvin）模型（K-模型）

可見，只有當(dāng)t=∞

時，變形才能完全消失，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。3.1.2新拌混凝土流變方程變形特性

混凝土材料在外力作用下發(fā)生彈性變形和流動，應(yīng)力小時作彈性變形，應(yīng)力大于某一限度（屈服值）時發(fā)生流動，但由于其屈服值很小，所以由流動方面的特征所支配。流變性質(zhì)可用賓漢姆（Bingham）模型（B—模型）來研究。B—模型的結(jié)構(gòu)式為B=（N︱StV）—H。3.1新拌混凝土流變學(xué)

當(dāng)τ＜Gγe時，則并聯(lián)部分不發(fā)生變形當(dāng)τ＞τy

時，在并聯(lián)部分發(fā)生與應(yīng)力成正比的粘性流動賓漢姆方程若τy=0，稱為牛頓液體公式3.1新拌混凝土流變學(xué)

3.1.2新拌混凝土流變方程

牛頓液體和賓漢姆體的流變方程中粘度系數(shù)η為常數(shù)，變形速度D（=dγ/dt）和剪切應(yīng)力τ的關(guān)系曲線（稱流動曲線）成直線形狀。

若液體中有分散粒子存在，膠體中凝聚結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)，在粘度系數(shù)η將是τ或D的函數(shù)，則流動曲線形狀。3.1.2新拌混凝土流變方程混合料流變參數(shù)的含義3.1新拌混凝土流變學(xué)

τy=τ0+Ptg?

屈服剪切應(yīng)力可用試驗方法測定。如中間裝置，當(dāng)改變垂直壓力時，可測得不同的混凝土混合料發(fā)生運(yùn)動的最大剪切應(yīng)力τmax。作P-τ直線，延長此直線交于軸上的數(shù)值便是τ0，與P軸的交角便是摩檫角。3.1.2新拌混凝土流變方程3.1新拌混凝土流變學(xué)

在穩(wěn)定流動下，結(jié)構(gòu)粘性系數(shù)（η），結(jié)構(gòu)破壞程度（a）與剪切應(yīng)力τ的關(guān)系曲線

在具有凝聚結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，流動速度與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線3.1.2新拌混凝土流變方程流變參數(shù)的測試方法3.1新拌混凝土流變學(xué)

我國學(xué)者陳健中研制的一種混凝土流變儀，使用效果較好，基本原理如右圖所示。它是由一個直徑為30cm、高為16cm裝料筒8和一個旋轉(zhuǎn)的葉片7組成。轉(zhuǎn)速控制器1控制電機(jī)2，電機(jī)2通過鏈齒輪3、斜齒輪4和轉(zhuǎn)速計等傳動裝置使葉片軸6旋轉(zhuǎn)，裝于料筒中的新拌混凝土被葉片7帶動而轉(zhuǎn)動。作用于拌和料上的扭矩通過傳力件9相平衡并傳遞到傳感器10上，經(jīng)動態(tài)應(yīng)變儀11和單板機(jī)12，最后由打印機(jī)13自動將扭矩和轉(zhuǎn)速值打印出來。旋轉(zhuǎn)葉片式流變儀工作簡圖3.2.1新拌混凝土工作性的概念

工作性的定義流動性

表征拌合料澆筑振實難易程度的一個參數(shù)；可塑性在一定外力作用下產(chǎn)生未“脆性”的塑性變形的能力穩(wěn)定性在分散系統(tǒng)中固體的重力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不超過液相的屈服應(yīng)力易密性混合料在進(jìn)行搗實或振動時，克服內(nèi)部的和表面的（即與模板之間）阻力，以達(dá)到完全密實的能力。3.2新拌混凝土的工作性

混凝土的工作性

=流動性+可塑性+穩(wěn)定性+易密性

四者缺一不可3.2.1新拌混凝土工作性的概念

3.2新拌混凝土的工作性

流動性決定于分散系統(tǒng)中固、液相的比率。增加用水量，新拌混凝土的流動性提高?？伤苄耘c水灰比及水泥漿體或砂漿的含量有關(guān)。穩(wěn)定性好的混合料，集料顆粒不發(fā)生按大小分層和泌水的現(xiàn)象。要求混合料應(yīng)具有較高的內(nèi)聚性。易密性決定于粗集料的密度和漿體的稠度。要求混合料具有較小的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦。

矛盾！根據(jù)不同場合提出不同的要求！3.2.1新拌混凝土工作性的概念

工作性的定義3.2新拌混凝土的工作性

粘聚性

流動性

新拌混凝土3.2.2流動性的評價方法概述

坍落度試驗被列入各國標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。試驗特點(diǎn)：設(shè)備簡單、測試簡單測試原理：拌合料在其自重作用下，克服拌合料內(nèi)部顆粒間摩擦而流淌。測試要求：坍落度不小于10mm，骨料最大粒徑不大于40mm。適用范圍：富水泥漿的拌合料。局限性：當(dāng)坍落度為0～20mm時，拌和料較干，坍落度值難以反映出拌和料流動性的差異。由于拌合料自重不同，坍落度不能用于不同容重的集料（如普通砂石集料與輕集料）配制的拌合料之間的相互比較。3.2新拌混凝土的工作性

3.2.2流動性的評價方法概述

坍落度試驗3.2新拌混凝土的工作性

坍落度金屬制水平底板坍落度筒坍落度的測定坍落度試驗過程演示如何更好地反映大流動性？拌和料的流動性指標(biāo)又成為目前研究的新課題！坍落度試驗不能靈敏地反映這種大流動性拌和料的差異流態(tài)混凝土，坍落度高達(dá)18～20cm以上高效減水劑的出現(xiàn)3.2新拌混凝土的工作性

年代施工方式坍落度30干硬、插搗0cm50干硬、振搗0-2cm70塑性、高頻振搗5-12cm80泵送、流態(tài)8-20cm90泵送、自密實10-25cm3.2新拌混凝土的工作性

3.2.2流動性的評價方法概述

混凝土工作性的發(fā)展

干硬、插搗泵送流態(tài)泵送、自密實干硬、振搗3.2.2流動性的評價方法概述

VB試驗試驗特點(diǎn)：設(shè)備精密、測試準(zhǔn)確度高。測試原理：用標(biāo)準(zhǔn)方法將拌和料填滿坍落筒，開動振動臺，直到玻璃板完全與拌合料表面密貼，混凝土表面氣泡完全消失所需的振動時間用以表征拌和料的流動性（以VB秒表示）。適用范圍：低流動性或干硬性混凝土拌和料，適用于實驗室操作。3.2新拌混凝土的工作性

VB試驗儀3.2.2流動性的評價方法概述

密實因素試驗試驗特點(diǎn)：設(shè)備精密、測試準(zhǔn)確度高。測試原理：對一定數(shù)量的拌合料做標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的功后，測定拌合料所達(dá)到的密實程度。適用范圍：低流動性混凝土拌合料。局限性：對坍落度大于10cm的拌合料密實因素反映不靈敏。3.2新拌混凝土的工作性

英國人提出的試驗方法，列入英國標(biāo)準(zhǔn)。3.2.3混凝土流動性的影響因素

單位體積拌合料中水的用量當(dāng)外加劑固定后，用水量是影響流動性最敏感的因素。外加劑

外加劑對流動性的影響極大，特別是減水劑和高效減水劑。水泥性質(zhì)

所用水泥品種、生產(chǎn)水泥時所摻加的混合材料的品種和摻量，以及拌制混凝土?xí)r摻加的混合材的品種和摻量對拌合料流動性也有較大影響。粗細(xì)集料特征和級配集料的級配、粒徑和表面狀態(tài)對新拌混凝土流動性也有影響。3.2新拌混凝土的工作性

3.2