混凝土矿物外加剂和高性能混凝土

混凝土矿物外加剂和高性能混凝土第1页，共47页，2023年，2月20日，星期日凡具有轻质高强和多功能的建筑材料，均属新型建筑材料。即使是传统建筑材料，为满足某种建筑功能需要而再复合或组合所制成的材料，也属新型建筑材料。1.2新型建筑材料分类(1)按用途分类中国新型建材(集团)公司和中国建材工业技术经济研究会新型建材专业委员会编著的《新型建筑材料实用手册》(第二版)，第2页，共47页，2023年，2月20日，星期日把建材分为十六类：墙体材料，屋面和楼板构件，混凝土外加剂，建筑防水材料，建筑密封材料，绝热、吸声材料，墙面装饰材料，顶棚装饰材料，地面装饰材料，卫生洁具，门窗、玻璃及配件，给排水管道、工业管道及其配件，胶结剂，灯饰和灯具，其他。（2）按建筑各部位使用建筑材料的状况来分类（12种）外墙材料；屋面材料；保温隔热材料；防水密封材料；外门窗；外墙装饰材料；内墙隔断与壁柜：内门；室内装饰材料；卫生设备；门锁及其他建筑五金；其他：如管道、室外铺地材料等第3页，共47页，2023年，2月20日，星期日(3)按原材料来源分类以基本建设的主要材料水泥、玻璃、钢材、木材为原料的新产品，如各种新型水泥制品、新型玻璃制品等。以传统的砖瓦灰砂石为原料推出的新品种，如各种加气混凝土制品、各种砌块等，以无机非金属新材料为原料生产的各种制品，如各种玻璃钢制品、玻璃纤维制品等。采用各种新的原材料制作的各种建筑制品，如铝合金门窗、各种化学建材产品、各种保温隔声材料制品、各种防水材料制品等均属新型建筑材料。1.3发展新型建筑材料的必要性(1)节约耕地，有利于农业的发展第4页，共47页，2023年，2月20日，星期日(2)节约能源，促进国民经济的发展(3)降低建材运输量，减轻运输的压力(4)综合利用工业废渣，有利环境保护(5)促进建筑技术进步，推动建筑业现代化(6)改善工作、学习、生活环境，适应人们生活水平的不断提高。1.4新型建筑材料教学要求和目的

其任务是扩大关于新型建筑材料和新型装修材料方面的知识，通过对新型建材的生产工艺、性能特点，选择使用及施工要点等内容的介绍，培养学生在今后的工作实践中能合理选用各种新型建材的能力。第5页，共47页，2023年，2月20日，星期日第2章混凝土矿物外加剂和高性能混凝土2混凝土矿物外加剂主要功能有（1）改善混凝土和易性（2）降低混凝土水化温升（3）提高混凝土早期或后期强度（4）改善混凝土内部结构，提高抗腐蚀能力（5）提高混凝土抗裂性能（6）提高混凝土的耐久性2.1粉煤灰2.1.1粉煤灰的技术性能和作用机理第6页，共47页，2023年，2月20日，星期日FlyAsh第7页，共47页，2023年，2月20日，星期日1.火山灰效应2.微骨料效应3.形态效应2.1.2粉煤灰的质量指标等级细度烧失量需水量比SO3含量Ⅰ级≤12≤5≤95≤3Ⅱ级≤20≤8≤105≤3Ⅲ级≤45≤15≤115≤3第8页，共47页，2023年，2月20日，星期日2.1.3粉煤灰对混凝土性能的影响1.对新拌混凝土性能的影响一级二级三级相对塌落度粉煤灰掺量第9页，共47页，2023年，2月20日，星期日2.对混凝土强度的影响3.对混凝土耐久性的影响4.对混凝土水化热的影响5.对混凝土收缩和抗裂性的影响2.2粒化高炉矿渣粉2.2.1矿粉的技术性能和质量指标矿渣有碱性、中性、酸性之分，以矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的比值M大小来区分：第10页，共47页，2023年，2月20日，星期日粒化高炉矿渣粉第11页，共47页，2023年，2月20日，星期日M＞1为碱性矿渣，M＜1为酸性矿渣，M=1为中性矿渣。2.2.2、矿粉的作用机理1.胶凝效应2.微骨料效应2.2.3、矿粉对混凝土性能的影响(1)对混凝土和易性的影响(2)对混凝土强度的影响(3)对混凝土耐久性的影响(4)对混凝土水化热的影响(5)对收缩和抗裂性的影响第12页，共47页，2023年，2月20日，星期日2.3硅灰硅灰是指在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸气氧化后，经收尘器收集到的以无定型二氧化硅为主要成分的粉末状产品。在冶炼硅铁合金或工业硅时，高纯度的石英在2000左右的高温下，石英被还原成硅，生产过程中约有10％～15％的硅以蒸气状态进入烟道，与空气中的氧重新结合成二氧化硅，绝大部分为无定型二氧化硅，含量达90％左右。其他为少量的氧化铁、氧化钙。一般呈青灰色或银白色，表面光滑。硅灰的相对密度约为2.1～2.3g／cm3，堆积密度约为200～300kg／m3。用勃氏法测得的比表面积为3400～4700m2／kg，用氮吸附法测得的比表面积为18000～22000m2／kg。第13页，共47页，2023年，2月20日，星期日硅灰第14页，共47页，2023年，2月20日，星期日硅灰对混凝土性能的影响2.4沸石粉沸石岩及沸石粉的特性沸石粉是指以一定品位纯度的天然沸石岩为原料，经粉磨至规定细度的粉末。粉磨时可添加适量的助磨剂。沸石粉属火山灰质硅铝酸盐矿物外加剂，在我国的蕴藏量很大，分布面广，开采加工简便，目前应用较普遍。沸石粉的主要化学成分为SiO2和A12O3，分别为65％～70％和10％～15％左右。其中可溶性硅及铝的含量分别不低于10％和8％。沸石粉的密度为2.2～2.4g／cm3，堆积密度700～800kg／m3。第15页，共47页，2023年，2月20日，星期日沸石粉第16页，共47页，2023年，2月20日，星期日与其他矿物外加剂不同的是，沸石粉的吸铵值是评价综合性能的一项重要技术指标。该值反映沸石的总交换容量，而沸石岩中的沸石含量等于铵离子交换容量与理论交换容量之比。吸铵值越大，表示沸石岩的强度活性越高。2.5偏高岭土偏高岭土是指由高岭土(A12O3·2SiO2·2H2O)在700～800℃条件下轻烧脱水，再经粉磨制得的白色粉末，平均粒径1～2μm，SiO2和A12O3含量90％以上，特别是A12O3

，含量较高，达30％～45％。在混凝土中的作用机理与硅灰、矿粉和粉煤灰等其他火山灰相似。除了填充效应和对水泥的加速水化作用外，第17页，共47页，2023年，2月20日，星期日主要是活性SiO2和A12O3与Ca(OH)2作用生成CSH凝胶和水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。由于其极高的火山灰活性，故有超级火山灰之称。自20世纪80年代末以来，国外对偏高岭土作为高强高性能混凝土的矿物外加剂的研究和应用已较普遍，我国则起步于20世纪90年代中后期。研究结果表明，掺入偏高岭土能显著提高混凝土的早期强度和长期抗压强度、抗弯强度及劈裂抗拉强度。第18页，共47页，2023年，2月20日，星期日由于高活性偏高岭土对钾、钠和氯离子的强吸附作用和对水化产物的改善作用，故能抑制混凝土的碱—骨料反应和提高抗硫酸盐腐蚀能力，这一点与沸石粉和矿粉的作用机理非常相似。研究结果表明，掺入偏高岭土对混凝土的坍落度影响小于硅灰，只需适当增加高效减水剂的用量即可。混凝土中掺入高活性偏高岭土能有效改善混凝土的冲击韧性和耐久性。第19页，共47页，2023年，2月20日，星期日3.高性能混凝土3.1定义：高性能混凝土是从20世纪80年代末90年代初才出现的，是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，以耐久性作为设计的主要指标。重点保证混凝土的耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。第20页，共47页，2023年，2月20日，星期日3.2.高性能混凝土需进一步研究的问题

(1)

水泥基材料的组成结构与性能的关系为使高性能混凝土的各种性能得以进一步提高，必须对材料组分的粒子尺寸、级配、孔结构、集料界面区结构以至组分间的相互作用、物理力学、热学性质的差别等进行研究。(2)超塑化剂与复合外加剂超塑化剂解决了高性能混凝土的低水胶比和低用水量与工作性之间的矛盾，因而成为高性能混凝土不可缺少的组分。

第21页，共47页，2023年，2月20日，星期日(3)矿物细掺料矿物细掺料不仅有利于水化作用和强度、密实度和工作性，增加粒子密集堆积，减低孔隙率，改善孔结构，而且对抵抗侵蚀和延缓性能退化等都有较大作用。扩大稳定矿物细掺料的来源，充分发挥其有利作用(例如减少水泥的水化热，降低混凝土温升)，将有利于扩大高性能混凝土的应用范围。第22页，共47页，2023年，2月20日，星期日

(4)复合化超叠加效应的研究与应用高性能混凝土是一种多组分复合材料，各组分性能的叠加甚至超叠加效应表现得十分明显。因此，可选用两种以上矿物细掺料加上两种以上外加剂(包括矿物外加剂，如膨胀剂)同时掺加，以进一步改进性能和取得某种特性。第23页，共47页，2023年，2月20日，星期日(5)对波特兰水泥熟料进行改革，发展环保型胶凝材料

在熟料烧成上向低钙化发展，减少C3S和C3A等在耐久性，能耗和环境保护方面的缺陷，提高胶凝材料的绿色度。(6)加强对高强度高性能混凝土韧性的研究

随着混凝土强度的提高，其断裂韧性降低，结构的延性降低，抗震性能降低。超高性能混凝土(RPC)可使混凝土的断裂能提高2个数量级。

第24页，共47页，2023年，2月20日，星期日其研究开发包括原材料、工艺、结构设计与应用等方面，并且需研究降低其材料成本。针对现状，对于基本使用普通混凝土的原材料和制作工艺的高性能混凝土，则需研究如何在很少增加成本和基本不影响现有工艺的前提下明显提高其断裂能和极限压应变。(7)配合比选择和施工质量控制的计算机化(8)标准、规范、规程等的制订与完善第25页，共47页，2023年，2月20日，星期日3.4确定高性能混凝土配合比的简易方法吴中伟在50年代初研究的混凝土配合比简易设计法被编入中央重工业部基建司的《混凝土配合比设计》中。高性能混凝土采用简易法的有利条件是：高性能混凝土配合比参数:砂；42.5～52.5级水泥，磨细矿渣(比表面积为4000～5000cm2／g)掺量为30％～50％，粉煤灰(I、Ⅱ级)掺量大于等于20％，等等；该设计法的基本原则是要求砂石有最小的混合空隙率，按绝对体积法原理计算。具体步骤和实例如下：第26页，共47页，2023年，2月20日，星期日

(1)首先选择高性能混凝土平均或常用性能指标作为基准，或选用本工程要求的性能为基准，然后再试配调整，满足其他条件或要求。例如要求耐久性为低渗透性，要求用Nemst-Einstein法测定的氯离子扩散系数为(50～100)×10m2／s，配制强度为40~50MPa，工作性要求坍落度为180～200mm，1h坍落度损失不大于10％，无离析等。(2)求砂石混合空隙率选择最小值。可先从砂率38％～40％开始，将不同砂石比的砂石混合，分三次装入一个15～20L的第27页，共47页，2023年，2月20日，星期日不变形的钢筒中，用直径为15mm的圆头捣棒各插捣30下(或在振动台上振动至试料不再下沉为止)，刮平表面后称量，并换算成松堆密度ρo(kg／m3)；测出砂石混合料的混合表观密度ρ(kg／m3)，一般为2.65g／Cm3左右。计算α。=(ρ

–ρo)

／ρ

，最经济的混合空隙率约为16％，一般为20％～22％。

(3)计算胶凝材料浆量。胶凝材料浆量等于砂石混合空隙体积加富余量。胶凝材料浆富余量取决于工作性要求和外加剂性质和掺量，第28页，共47页，2023年，2月20日，星期日可先按坍落度180～200mm估计为8％～10％，由试拌决定。假设为8％，α为20％，则浆体积为：α十8％=28％，即280L／m3。

(4)计算各组分用量。设选用水胶比为0.4，掺入磨细矿渣30％，水泥密度为3.15g／cm3，磨细矿渣密度为2.5g／cm3，则(胶凝材料用量/浆体积)=1/(0.7/3.15+0.3/2.5+0.4)=1.35即1L浆用胶凝材料1.35kg。胶凝材料总用量=280×1.35=378kg／m3第29页，共47页，2023年，2月20日，星期日水泥用量=378×0.7=265kS／m3

矿渣用量=378×0.3=113.4kg／m3

水用量=378×0.4=151.2kg／m3

集料总用量=(1000-280)×2.65=1908kg／m3砂用量=1908×40％=763kg／m3石用量=1908-763=1145kg／m3

因引入了浆体积富余量，总体积略超过1m3，故所计算的各材料用量总和需按实测的表观密度校正。第30页，共47页，2023年，2月20日，星期日

(5)或按15L筒试配的砂石量+以上胶凝材料和水各量的1.5％，掺入外加剂试拌，测坍落度和流动度。如不符，则调整富余量或外加剂掺量。达到要求后，再装入筒中称量筒中混凝土和多余混凝土拌和物质量，求出混凝土表观密度，并校正各计算量。一般允许坍落度误差为±40mm，富余量误差为±1.5％。在以上基础上，经多次试拌，求得符合要求的合理、经济的配合比。第31页，共47页，2023年，2月20日，星期日3.5.高性能混凝土工程应用实例日本明石海峡大桥为主跨距1990m的长跨桥，其大体积混凝土基础91d圆柱体标准强度为50MPa的大体积水下浇筑高强缆索锚基和低强度(20MPa)柱基(桥墩)。该工程的主要特点是要求混凝土温升很低、流动性很大、流动性保持时间很长，浇筑量很大。第32页，共47页，2023年，2月20日，星期日日本明石海峡大桥第33页，共47页，2023年，2月20日，星期日日本明石海峡大桥第34页，共47页，2023年，2月20日，星期日北京航华科贸中心为高层民用建筑，C60泵送混凝土柱和340大型厚基础底板。该工程底层高强混凝土柱断面较大，不掺防冻剂，在冬季施工；基础底板混凝土在夏季一次连续浇筑，无施工缝，也不设伸缩缝，要求控制混凝土的内外温差和收缩开裂。美国西雅图双联广场和太平洋第一中心为超高层建筑