混凝土工艺学.doc

绪 论一、定义与分类 定义混凝土是指由胶凝材料（无机胶凝材料、有机或复合胶凝材料）、水、集料，必要时还有化学外加剂和矿物掺合料等组分按一定比例合理配料，经成型、硬化后制成的人造石材。 分类混凝土因其成分不同，性能各异，可分成很多不同的种类。1. 按胶凝材料的不同划分 混凝土按胶凝材料的不同，可分为三类： 无机胶凝材料混凝土。有水泥混凝土、石膏混凝土和水玻璃混凝土等。 有机胶凝材料混凝土。有沥青混凝土、聚合物胶凝混凝土等。 有机与无机复合胶凝材料混凝土。有聚合物水泥混凝土和聚合物浸渍混凝土。2. 按混凝土的密度划分 混凝土按密度划分，可分为四类： 特重混凝土。密度大于2700kgm3的混凝土。 普通混凝土。密度为19002500 kgm3的混凝土。 轻混凝土。密度为10001900 kgm3的混凝土。 特轻混凝土。密度小于1000 kgm3的混凝土。如加气混凝土、泡沫混凝土属于这类特轻混凝土。3. 按使用的功能划分 混凝土按使用功能一般可分为结构混凝土、耐酸碱混凝土、耐热混凝土、防水泥凝土、海洋混凝土以及水工混凝土等。4. 按配筋情况划分 混凝土按配筋情况一般可分为无筋混凝土(又称素混凝土)、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、劲性钢筋混凝土、纤维混凝土以及钢丝网水泥等。5. 按施工工艺划分 混凝土按施工工艺一般可分为普通浇筑混凝土、泵送混凝土、喷射混凝土及离心成型混凝土等。6. 按流动性划分 混凝土按其流动性般可分为塑性混凝土、干硬性混凝土、半干硬性混凝土、流动性混凝土以及大流动性混凝土等。二、 组成成分虽然用于制造混凝土的材料的成分和性质在后面章节中将要讨论，在现阶段给混凝土的主要组成成分作出定义是有用的。集料：是粒状材料，如砂、卵石、碎石或化铁高炉矿渣，与胶凝介质共同形成水硬水泥混凝土或砂浆。粗集料指集料粒径小于50mm而大于4.75mm（4号筛），细集料指集料粒径小于4.75mm而大于75um（200号筛）。卵石为岩石自然分裂和磨损或将粘结不牢的砾石进行加工而得的粗集料。砂通常指岩石自然分裂和磨损或将脆性的砂岩加工而得的细集料。碎石是将岩石、巨砾或大的鹅卵石进行工业破碎而得的粗集料。化铁高炉矿渣是炼铁工业的一种副产品，是将在大气条件下固化的高炉矿渣破碎而得的材料。砂浆是砂、水泥和水的混合物，实质上是没有粗集料的混凝土。灌浆是胶凝材料和集料（常为细集料）的混合物，加进足够的水经调拌后所得的、一种成分不会离析的稠度适于浇注的浆体。喷射混凝土是指以压缩空气通过软管输送并以高速喷射到表面上的砂浆或混凝土。水泥:本身不是粘合料，但水化后产生了粘合性质，即具有水硬性，通常为波特兰水泥（即硅酸盐水泥）外加剂：可定义为集料、水泥和水之外的材料，是在搅拌即将开始或在搅拌过程中加进混凝土配料中的材料。现在其应用越来越广泛，如化学外加剂（影响水泥水化速度）、减水剂（减小水的表面张力，塑化新拌混凝土）、加气外加剂（改善寒冷气候中混凝土的耐久性）、矿物外加剂（如含活性氧化硅的火山灰，能减少大体积混凝土中的热开裂）。三、混凝土的特性混凝土从制作到制得成品都要经历拌合物、凝结硬化及硬化后三个阶段，掌握这三个阶段混凝土的性质特征，对于选择施工方法，控制质量将大有益处。 混凝土拌合物的基本性能 混凝土搅拌后尚未凝结硬化的混合物称为拌合物，又称为新拌制的混凝土。新拌制的混凝土应具有定的弹性、塑性和粘性。这些性质综合起来通常叫做和易性(稠度)。1和易性的概念。和易性是混凝土拌合物的一种综合性的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性三方面的含义。 流动性，是指混凝土拌合物在自重或施工机械振捣的作用下，产生流动并均匀密实地填满模板各个角落的能力。流动性的大小，反映混凝土拌合物的稀稠程度，又称之为稠度。它可以影响施工捣实的难易和灌筑的质量。流动性一般以坍落度的大小来表示。 粘聚性，是指混凝土拌合物所表现的粘聚力。这种粘聚力使混凝土在受作用力后不致出现离析现象。 保水性，是指混凝土拌合物保持水分不易析出的能力。保持水分的能力一般以稀浆析出的程度来测定。混凝土拌合物的和易性是用坍落度或工作度(干硬度)来表示的。2影响混凝土和易性的主要因素： 水泥浆量。在一定范围内，水泥浆量越多，混凝土拌合物流动性越大。但如水泥浆量过多，不仅流动性无明显增大，反而加大泌水率，降低粘聚性，影响施工质量。 水灰比。水灰比不同，水泥浆的稀稠程度也不同。一般在水泥浆量不变的条件下，增大水灰比，即减少水泥用量或增加用水量时，水泥浆就变稀，使水泥浆的粘聚性降低，流动性增大。如水灰比过大，使水泥浆的粘聚性降低过多，保水性差，就会出现泌水现象，影响混凝土质量。反之，如水灰比过小，水泥浆较稠，采用一般施工方法时也难以灌筑捣实。故水灰比不能过大，也不能过小。一般认为水灰比在0.450.55的范围内，可以得到较好的技术经济效果，和易性也比较理想。 砂率。指砂的用量占砂石总用量的百分数。在一定的水泥浆量条件下，如砂率过大，则砂石总表面积及空隙宰增大，混凝土拌合物就显得干稠，流动性小；如砂率过小，砂浆量不足，不能在石子周围形成足够的砂浆层以起润滑作用，也会使坍落度降低，并影响粘聚性和保水性，使拌合物显得粗涩，石子离析，水泥浆流失。为保证混凝土拌合物的质量，砂率不可过大，也不可过小，应通过试验确定最佳砂率。此外，水泥种类和细度，石子种类及粒形和级配，以及外加剂等，都对拌合物和易性有影响。 混凝土在硬化过程中的性能 混凝土的凝结硬化，要经历初凝、终凝到产生初期强度等三个过程，这主要是靠水泥的水化作用来实现。水泥的水化反应放出热量，使混凝土升温，将会出现初期体积变化和可能出现裂缝现象。了解混凝土在这一阶段的性质，对于控制混凝土的施工质量大有益处。1混凝土初期的性能和变化： 混凝土初期的体积变化。当混凝土在干燥空气中硬化时，混凝土中的水分会逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体逐渐干燥而收缩，这称为混凝土的干缩；当混凝土长期在水中硬化时，由于水泥水化充分，内部游离水充满混凝土颗粒之间的空隙和毛细孔道，混凝土会发生微量的膨胀，这称为混凝土的湿涨。混凝土这种干缩、湿涨变形现象部是混凝土中所含水分的变化而引起的。其湿涨值很小，不会引起混凝土的破坏。混凝土干缩变形对构筑物的危害较大，它可能使混凝土表面出现较大的拉应力，从而引起表面开裂，影响混凝土的耐久性。2. 影响混凝土干缩的因素： 用水量 混凝土中用水量与干缩值有着密切关系，当用水量增加一定百分数时，混凝土干缩值增加这个百分数的两倍或数倍。减少用水量是减少干缩值的首要措施。 水灰比 一般来说，低水灰比多采用富配合，但水泥用量大，单位用水量也多。在这种条件下，由于富配合较大的用水量和水泥用量而增大的收缩值超过了低水灰比而减少的收缩值，采用富配合低水灰比的混凝土有时比贫配合高水灰比的收缩值还大。所以，在泥凝土配制中应控制水泥的用量和水的用量，降低混凝土的收缩值。 水泥品种 一般情况下，高标号水泥颗粒较细，收缩较大。矿渣水泥、火山灰质水泥配制的混凝土干缩较大；粉煤灰水泥配制的混凝土干缩较小；矾土水泥配制的混凝土干缩较快。所以，在混凝土浇筑完后的一段时间内，务必要加强养护使混凝土表面和内部的温差不致过大，防止混凝土表面因水分急剧蒸发而干燥裂缝。此外，集料的大小和级配等对混凝土的干缩也有较大的影响。 混凝土硬化后的性能1强度强度是混凝土的最主要的技术特性，也是施工过程中必须达到的首要指标。混凝土强度主要有立方体抗压强度、轴心抗压强度与轴心抗拉强度、弯曲抗压强度、疲劳强度、抗剪强度、握裹强度等。在混凝土的各种强度中，以抗压强度值为最大，因而在混凝土结构中主要是利用它来设计承受的压力。在钢筋混凝土结构中，则尽量利用钢筋承受拉力，而主要利用混凝土来承受压力。混凝土的强度等级(旧规范称为标号)是按立方体标准抗压强度确定的。立方体标准抗压强度系指按照标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的，具有95保证率的抗压强度。根据混凝土立方体抗压强度的标准值把混凝土的强度等级分为12个，即C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。其中C表示泥凝土，C后面的数字表示混凝土立方体标淮抗压强度值，单位是Nmm2。例如C20，表示混凝土的标难抗压强度值为20Nmm2，即20MPa。凡介于两个等级之间的抗压强度值，均按较低的个强度等级使用。混凝土的强度和强度等级是两个既有联系又有区别的技术概念。混凝土强度等级，它是以抗压强度为依据的特征强度指标，是为了科研、设计、施工生产和质量枪验的方便而人为划分出来的，是一个等级或范围。同一个强度等级可以包含一系列的强度值，如强度等级为C20时，它的强度值可介于20.024.9MPa之间。而强度只是一个具体的数值。混凝土的抗拉、抗弯和抗剪强度都与抗压强度存在一定关系，一般可利用这种关系来判断其他强废，见表1。表1 混凝土各种强度的关系强度名称与抗压强度的比例与抗拉强度的比例抗拉强度147抗弯强度2412150200抗剪强度2516230250握裹力光圆钢筋139变形钢筋20172混凝土的耐久性。混凝土耐久性的涵义很广，有的认为耐久性是对于被破坏或侵蚀作用的抵抗能力。也有的认为耐久性是抵抗随着时间的增长而引起的性能与状态的改变的能力。但都说明混凝土对破坏的抵抗力是受外界与内部引起破坏的作用力所决定的。因此，对混凝土耐久性的理解只能说是在满足设计要求的状态下，经过一定时期使用而不破坏，这种混凝土就可称为具有耐久性的混凝土。混凝土耐久性涉及安全使用时间、混凝土内在质量和外界侵蚀作用三个方向。混凝土耐久性一般认为应包括抵抗炭化或氯离子渗透引起的钢筋锈蚀及冻融交替作用、干湿交替作用、化学腐蚀作用等使混凝土遭受到破坏的能力，以及抵抗渗透对混凝土的作用，碱骨科反应和磨损作用的能力等。但混凝土的破坏绝非是某一孤立的原因所造成的，多是与其他综合不利因素有关。3混凝土的密实度。混凝土的密实度是指其体积内固体物质充实的程度，即混凝土硬化后本身的密实程度。混凝土体积内的孔隙越少，其密实度越大。密实度和孔隙率是从不同的方面表明材料的密实程度，二者之和为1或100，它们是混凝土的重要性能。混凝土几乎所有性能都与密实度、孔隙率有关，当然还与孔隙的特征有关，如孔隙的大小、形状、分布是否均匀及孔隙的封闭程度等。混凝土的密实度与强度有着密切的关系，密实度越大、强度越高；反之，则越低。混凝土的密实度直接影响混凝土的抗渗性和抗冻性。(1)混凝土的抗渗性。混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗液体、气体在压力作用下渗透的能力。混凝土的抗渗性主要与其孔隙率的大小及孔隙特征有关。水灰比是影响混凝土抗渗性能的重要因素。水灰比过大，泌水量就增多，泌水过程中形成厂许多毛细孔通道，压力液体将顺着这些通道渗入混凝土内部。当环境水中含有侵蚀性介质时，混凝土就容易受到侵蚀作用而引起破坏；对于钢筋混凝土，还容易因密实性差而引起钢筋锈胀，破坏钢筋的保护层，带来更严重的后果。(2)混凝土的抗冻性。是指混凝土在水饱和状态下，经过多次冻融循环不破坏，强度也不严重降低的性能。混凝土的抗冻性与其孔隙率及孔隙特征、强度、耐水性等因素有关。由于混凝土内部存在连通或不连通的孔隙(这些孔隙是渗水的途径)，当混凝土处于饱和状态并遇到正负气温交替变化时，就会出现冻融现象。随着冻融循环次数的增多，必使混凝土开裂甚至遭受破坏。由此可见，混凝土的密实度是直接影响混凝土的抗渗性和抗冻性的主要因素。也是混凝土耐久性的重要指标。提高混凝土的密实度，可显著提高混凝土的抗渗性能。提高抗渗性又是提高抗冻性的必要条件。提高混凝土的密实度，实际上就是减少混凝土体内的孔隙。孔隙按形成的原因可分为施工孔隙和构造孔隙。施工孔隙是因灌筑、振捣质量不良而引起的。构造孔隙主要是水泥水化过程中多余水分蒸发后在混凝土中留下的孔隙，它与水灰比有密切关系。因此，对于有抗渗性要求的混凝土，水灰比一般应小于0.6，有特殊要求时应小于0.5。也可在混凝土中加入适量加气剂，使混凝土内部形成许多不连通的封闭气泡，改变孔隙的结构，截断渗水通道，以提高混凝土的抗渗性。此外，改善砂石料的级配，加强混凝土的振捣和养护，也是提高混凝土密实度的有力措施。四、混凝土的优缺点与木材、钢材等建筑材料相比，混凝土材料主要有七大优点。 就地取材，来源丰富，造价低廉； 具有优良的性能，其抗压强度较高，可达几十兆帕，甚至上百兆帕； 有一点的对大自然的抵抗力，如抗冻融破坏能力、抗腐蚀能力等； 具有一定的耐火性，在火中燃烧时仍能保持一定的强度，这比木材强得多； 易于制备各种结构的混凝土，具有较大的灵活性，施工比较简单； 易于维修，且费用较少。 混凝土为大量火山灰、粉煤灰、高炉矿渣等找到了最好的归宿，有效阻止了这些副产物造成的环境污染，具有显著的生态环境效益。尽管混凝土材料有如此多的优点，但它也有一些致命的缺点： 自重较大，其容重一般达2400kg/m3,混凝土构件的尺寸较大，重量也大，对基础的要求较高。目前解决这一问题主要采取以下一些措施：a. 提高混凝土的强度，减少构件断面，达到减轻自重的目的。对于梁、柱等常采取这一措施；b改变构件形式，如将断面设计成多孔型、槽型等，使构件在不降低承载能力的情况下减轻重量。楼板等 一些预制构件成采取这一措施；c. 采取容重较小的材料，如泡沫混凝土、加气混凝土等，以减轻重量。这一方法常用于墙体材料。 需要一定的施工周期。与其他材料不同，混凝土施工后不能立即投入使用，需要有一个较长的养护期。为提高施工速度，有些工程掺入一定量的早强剂（大多数是一些碱或含碱的盐类），如果采用一些活性集料的话，将会导致碱集料反应。 拉伸强度低。混凝土属于一种脆性材料，尽管它的压缩强度很高，但它的拉伸强度较低，因此，混凝土材料不适用于受拉部位。为了克服这一缺点，混凝土常与钢筋复合，构成钢筋混凝土复合材料。随着钢筋混凝土技术的发展，尤其是预应力钢筋混凝土技术的发展，大大拓宽了混凝土的应用领域，使混凝土成为当今社会中用量最大的一类材料。可以预测，在相当长的一段时期，水泥混凝土仍然是最主要的建筑材料。五、混凝土技术进展及展望 混凝土技术研究进展从混凝土技术近十几年发展来看，主要有四个方面的重大进展。 高强度高性能混凝土的发展与应用从混凝土的强度来说，近年来有了较明显的提高： 此外由于施工的要求，近年来在改善混凝土工作性能方面也开展了大量的研究。高压力的泵送混凝土、流态混凝土、自流平混凝土已经得到了实际的应用。更值得注意的是混凝土的耐久性已经引起了人们的普遍重视，在实际混凝土的设计中也已经加以考虑。其中考虑较多的是混凝土抗冻耐久性问题和碱集料反应问题。对于钢筋混凝土结构，常常也考虑钢筋锈蚀问题。此外，在西部地区和海港工程中，对于一些化学侵蚀问题也进行了研究。 大量外加剂和混合材的掺用正确选择和使用外加剂，不但可节约水泥，降低混凝土综合成本，而且可大幅度提高混凝土的工作性、均质性、稳定性、强度和耐久性，使混凝土向轻质、高强、耐久、经济、节能、绿色等方向不断发展。因此，混凝土外加剂应用技术已成为混凝土向高新技术领域发展的关键技术。这里特别要强调的是混合材的掺用。通过大量的研究工作，人们对混合材的认识产生了质的飞跃。过去，人们掺用混合材主要是为了节约水泥，而现在，人们将混合材看成是混凝土性能的调节剂，混合材已经称为高性能混凝土中不可缺少的一个组分，而且对于混合材的掺用更加趋于科学化。 特种混凝土迅速发展由于建筑工程对材料的特殊需要，对一些特种混凝土也开展了大量的研究，许多特种混凝土已经得到了实际应用。尤其值得一提的是近年来提出的复合材料的概念，包括金属材料与非金属材料的复合，有机材料与无机材料的复合，通过复合，各种材料的性能可扬长避短，从而更大幅度的提高混凝土的性能。 混凝土修补技术的发展 由于以前对混凝土耐久性认识的不足，许多混凝土结构经过一段时期的运行已经出现了不同程度的破坏，而且这种破坏今后将越来越多。这些结构破坏的原因是什么？是否可继续使用？应如何进行修补和加固？这将是我们所面临的一个重要问题。对于这一问题，近年来也有较大的进展，但还不十分成熟，许多问题还有待于进一步的研究。 混凝土技术发展趋势随着混凝土科学技术的发展，可以预见将来混凝土有可能达到下列水平： 强度 混凝土的抗压强度可望达到100200MPa，并且在用途、设计方法与应用技术上将有相应变革。 耐久性 混凝土的安全使用期将从现在的50120年延长到300500年。 轻型 由于强度与耐久性大幅度提高，以及聚合物、人工或天然轻质材料的使用，混凝土建筑物的自重将随之大幅度下降。 能耗与劳动强度 高流态混凝土可自流平，可以不用或少用振捣，改变养护制度方法，至少节能5080。 开辟新用途 高强和超高强混凝土代替钢铁，预应力混凝土代替钢材、铝合金等结构材料，开发多种高分子材料、金属材料与水泥混凝土形成的复合材料使混凝土性能得到较大改进以满足各方面的需要。而从今后的发展趋势来看，混凝土技术大体可归纳为“三化”，即：高性能化、功能化、绿色化。所谓高性能化，就是指要最大限度的满足实际工程需要，使其能较方便的施工，并能实现最优的结构性能。这里除了高强度外，首先要强调的是混凝土的工作性，其次要强调的是混凝土的耐久性。对一些发达国家，约有近50的经费用于已有建筑物的维护和修复。我们应吸取教训，在建设时期就将混凝土的耐久性放在一个重要的位置。所谓功能化，就是要使传统的混凝土由结构材料向功能材料转变，使它发挥更大的作用。例如：对于墙体材料，不应单纯的强调强度，应注意提高它的保温隔热性能、隔声性能、装饰性能；对于道路混凝土，目前已有单位研制了荧光混凝土，可用于路面的路标。此外，也有研究者研究了自检混凝土，当混凝土中出现裂缝时，可自动地发出信号等等。所谓绿色化，就是要体现混凝土材料是一种环保型的建筑材料。绿色混凝土的概念是著名材料学家吴中伟院士提出来的，他的指导思想就是要大力发展能大量消耗各种工业废渣的混凝土材料，使我国的建设事业纳入可持续发展的轨道。对于工业废渣的研究可以说已经做了大量的工作，但在认识水平上并没有产生一个质的飞跃，其原因在于大多数研究仅仅是泛泛而论，几乎对于所有优质混合材，研究者都将它对混凝土性能的改善归结为它具有活性，它可以填充水泥石的孔隙，使水泥石致密等等。但就某一种混合材而言，大多数研究者仅注意它与其他混合材的共性，很少有研究者注意它的个性。更没有人去注意这些个性在什么条件下将发挥作用？发挥什么样的作用？发挥多大的作用？在什么条件下会丧失这些个性？等等。然而，只有深刻的认识这些问题，才有可能合理的选择混合材，科学的利用混合材。六、本课程的任务及要求 本课程的任务混凝土在国民经济的各个部门均已得到广泛的应用，混凝土材料及制品的生产已经成为建筑材料工业的一个重要领域。混凝土工艺学是适应混凝土材料及制品工业发展的一门应用学科。材料科学及工程是由基础学科相互渗透而成的一门新学科，旨在研究材料组分、结构和性能之间的内在联系，以及外界因素对其结构形成和性能的影响，以期逐步达到按指定性能设计和生产材料。混凝土工艺学属材料工程学科的一个分支，其主要任务应是运用材料科学的研究成果，充分发挥外界条件的有益影响，促使指定结构及性能的材料和制品的形成。学习本课程的要求本课程学习过程中，应注意综合运用前修课及有关知识，以利于深入理解工艺过程中的各种现象，抓住实质，掌握其内在规律。重视实验环节，加强科学实验能力的基本训练，并加深对理论问题的理解。同时，还应重点深入，博览多识，以利开阔思路，并培养调查研究、搜集资料的能力。总之，面对混凝土材料科学及工程的飞速发展，力求增强学生的适应性，为祖国建设做出更大贡献。第一章 混凝土的内部结构及形成过程一、混凝土结构的复杂性对于混凝土很容易鉴别的两个相是不同尺寸、形状的集料颗粒以及分布紊乱的硬化水泥浆体物质所组成的胶凝性介质。因此，就宏观水平而论，混凝土可视为由集料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相材料。以微观水平而言，则显示出混凝土结构的复杂性。显然，结构的两相，既不是彼此均匀分布，其本身又不是均匀的，例如，在硬化水泥浆体某些区域似乎是致密的，如集料；而另外一些区域则是高度多孔的。微观结构的研究表明，当存在集料时，在贴近大颗粒集料表面的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或砂浆的结构非常不同，混凝土结构的非均一特性可综述如下:第一，有第三相，即过渡区相，它代表粗集料颗粒与硬化水泥浆体之间的界面区。过渡区系围绕大集料周围存在的一层薄壳，一般厚约1015um，通常比混凝土的两个主要组成为弱。因此，界面区对混凝土力学行为的影响较其尺寸影响要大得多。第二，三相中任一相的本身，其本质上是多相的。第三，混凝土不同于其他工程材料，其结构并不保持稳定，结构的两个组分，即硬化水泥浆体和过渡区随时间、环境湿度和温度的变化而变化。理论上结构性质的关系模型，一般对预测工程材料行为有较大的帮助，而对混凝土则几乎毫无用处，其主要理由在于混凝土结构的高度不均匀性和其动力学特性。有关混凝土各组分结构的重要特征方面的知识，如下面提到的，对了解和控制复合材料的性质仍然是基本的。二、水化水泥浆体（hcp）的结构无水波特兰水泥是一种灰色粉末，一般为尺寸在150um范围的多角形颗粒所组成，由熟料和少量硫酸钙粉磨而成。熟料矿物的化学组成大致为C3S、C2S、C3A和C4AF；其含量范围分别在4560、1530、612和68之间。波特兰（硅酸盐）水泥的水化凝结硬化，基本是水泥系统中熟料、石膏、水三元相分别溶解和交互化学反应，结果导致水泥浆逐渐稠化和硬化，直至最后岩石化。 水化水泥浆体中的固体波特兰（硅酸盐）水泥加水后，立即发生一系列化学反应，伴随发生放热反应。波特兰（硅酸盐）水泥的水化产物的物相，主要有 4 种：CSH凝胶相、氢氧钙石和由德国 Schwiete命名的 AFt相、AFm 相。除了高温高压或蒸压养护的水热条件下硬化的波特兰（硅酸盐）水泥制品中，其水化产物能形成 CSH（I）、CSH（）、CSH（B）的晶体结构外，所有常温常压养护条件下，水泥的水化物中，水化硅酸钙（CSH）都是无定形的凝胶结构，在组成上是不定的，在水分含量上也是不定的，在物质形态上也是任意的。材料的强度主要归之于范德华力凝胶孔或固固距离约为18埃。氢氧钙石（Portlandite）晶体相是指波特兰水泥水化物中的Ca(OH)2晶体，完全水化的硬化水泥浆中，Ca（OH）2质量分数为 25%30%。它是水泥中的活性成分，构成强度和耐久性的重要组成部分。AFm （）是“Al2O3-Fe2O3-mono”的缩写，系指单硫型铁、铝酸盐相族。在适当条件下，硬化水泥浆中能发育成结晶完整的六方板状晶体，并具极好的（0001）解理。一般为结晶差的 AFm，它 与 CSH 连 生 一 起。Aft()是“Al2O3-Fe2O3-tri”的缩写，系指三硫型铁、铝酸盐相族。在适当条件下，特别是水泥组分中有充足的石膏含量，AFt相能稳定存在。在硬化硅酸盐水泥石中，AFt相一般指三硫型硫铝酸钙或钙矾石相。水泥石中的 AFt相，一般为凝胶态，在毛细管孔穴中，能见到六方柱状或针状晶体析出。概括地说，波特兰水泥的水化产物中，CSH 的质量分数为 50% 70% ，Ca（OH）2质量分数为 25% 27% 。未水化熟料颗粒 主要取决于未水化水泥的粒径分布和水化程度。随着水化过程的进展，首先最小的颗粒溶解，然后较大的颗粒减小。因在粒子间有效空间有限，水化产物趋于贴近水化熟料颗粒上结晶，外观上造成围绕颗粒的包覆层。水化后期，由于缺少有效空间，熟料颗粒就地水化，导致形成非常致密的水化物，这些产物形貌上有时类似于原始熟料颗粒。 水化水泥浆体中的空隙C-S-H中的层间空间 C-S-H中的层间空间的宽度为1.8nm，在固体C-S-H中孔隙率占28。该尺寸太小不会对水化水泥浆体的强度和渗透性起不良影响。但水在这些小孔隙中为氢键所固定，在某些条件下会移去，可以造成干缩和徐变。毛细孔 毛细孔代表未被水化水泥浆固体组分所填充的空间。水化良好的低水灰比浆体中，毛细孔在1050nm范围内；在高水灰比浆体中，水化早期毛细孔可大至35um。一般认为孔径分布而非总毛细孔率是评价水化水泥浆体特性的较好标准；大于50nm的毛细孔已被假定为是危害强度和抗渗性的，而小于50nm的孔则对干缩和徐变有更大的重要性。气孔 气孔一般呈圆形，而毛细孔则呈不规则形状。为了不同的需要，混凝土中常常掺入外加剂，其目的是在水泥浆体中引入非常细小的气孔。气孔可以在新拌的水泥浆体拌和操作过程中陷进去。在水化水泥浆体中，陷进的气孔可大至3mm；引入的气孔大致范围在50200um。因此在水化水泥浆体中陷进的气孔和引入的气孔比毛细孔要大得多，并对其强度和抗渗性起不良影响。 水化水泥浆体中的水根据水从水化水泥浆体中失去的难易程度，可将水划分为几种类型。毛细管水 此水存在于5.0nm左右的孔隙中。实际上从水化水泥浆体中毛细管水行为的观点而言，要求把毛细管水分为两类:在50nm数量级的大孔中的水，可视为自由水，因为失去这种水不会造成任何体积改变；在细毛细管（550nm）中毛细张力所固定的水，失去这种水可以导致系统的收缩。吸附水 这种水位于固体表面，属物理吸附。当干燥至30相对湿度时，吸附水大部分失去。失去吸附水主要是干燥时引起水化水泥浆体的收缩。层间水 这种水与C-S-H结构有关。已认为，在C-S-H层间单分子水为氢键所牢固固定。层间水仅在强烈干燥时（即在11相当湿度以下时）才会失去。当失去层间水时C-S-H结构明显收缩。化学结合水 这种水是各种水化产物结构的整体部分，在干燥时不会失去。当水化产物受热分解时化学结合水才会放出。 水化水泥浆体中结构性质的关系硬化混凝土所要求的工程性质，即强度、尺寸稳定和耐久性不仅受配合比影响，而且也为水化水泥浆体的性质所影响。强度 水化水泥浆体内固体产物强度的主要来源是存在着范德华引力。小的C-S-H晶体、水化硫铝酸钙及六方水化铝酸钙有巨大的表面积和粘附能力，它们不仅趋于彼此牢固粘结，而且与低表面积的固体牢固粘结，如氢氧化钙、未水化熟料颗粒以及粗、细集料颗粒。在固体中强度与孔隙率之间成反比关系。C-S-H结构内的层间空间以及在范德华力作用范围内的小孔隙，可以认为对强度无害，因为在荷载作用下应力集中及随后的破坏开始于材料中肯定存在的大毛细孔及微裂纹。水化水泥浆体中毛细孔体积决定于水化开始时与水泥拌和水的数量以及水泥水化程度。研究表明，抗压强度S与固空比x间存在指数关系：Skx3，式中k为常数等于34000。尺寸稳定性 水在硬化浆体孔体系中所处状态是重要的，既有固体对水的作用力又有水对固体的反作用力，这与硬化浆体体积变化等现象有着重要的关系，含有水分的硬化体，体积并不稳定，只有保持在相对湿度100的条件下，才不会发生因含水量变化而带来的体积变化。由于湿度和温度的变化，硬化浆体将失水并引起体积收缩。硬化水泥浆体失水与收缩的关系曲线可以分为四段：第一段相当于相对湿度10030的部分。在这段内，水分损失达14.5，而收缩率仅0.36左右；第二段相当于相对湿度301的部分，这时失水率累计为16.3，而累计收缩率为0.75；第三段相当于相对湿度1到脱水温度200的部分。这时失水率累计为17.3，而累计收缩率达1.15；第四段相当于脱水温度200和525的部分，失水率累计为187，而收缩率累计达255。上述数据表明显然每一段的失水率在依次减少，但是失水引起的收缩率却在依次增加。已经知道硬化浆体中存在有不同类型的水，因而失水引起的浆体体积变化的情况也各有不同，第一段相应于毛细管水失水。毛细水与固相联系力很小，所产生的收缩主要由毛细管张力所引起。第二段失水相应于凝胶水。这种水被凝胶物理吸附，吸附水会产生拆开压力，失去吸附水减少了拆开压力，引起凝胶体体积缩小。第二段失水为CSH层状结构中从单分子水膜存在的层间水和一部分结晶水。这是收缩的一个重要因素。第四段为更高温度下脱出一部分结晶水和某些水化物中所含的结构水，引起了收缩的增加。耐久性 所谓混凝土的耐久性，是指混凝土在所使用的环境中保持长期性能稳定的能力。造成混凝土损害和破坏的原因有外部环境条件引起的，如气候条件的作用、磨蚀、天然或工业液体或气体的侵蚀等，也有混凝土内部的缺陷及组成材料的特性引起的，如碱集料反应、混凝土的渗透性等。而抗渗性也称水密性是决定耐久性的主要因素。新拌水泥浆体的水泥颗粒间被水填充，在硬化的早期仍然会形成一个互相连通的毛细管系统因此透水性很高。当水化继续，这些毛细管部分为水化物所填充，透水性就降低。从而可见，硬化浆体中的孔隙率和孔的连续性决定其抗渗性。抗渗性与毛细孔孔隙率之间呈指数关系，渗透系数随毛细孔含量的增长而显著增加：当毛细孔隙率小于20时，渗透系数已相当小了。毛细孔隙率决定于水灰比和水泥水化程度，它随水从比减小和水化程度的增加而减小，孔隙率减小必然导致抗渗性能提高。三、集料相的结构集料相最主要是对混凝土容重、弹性模量、尺寸稳定性起作用。这些混凝土性质在很大程度上取决于集料的块体容重和强度，同时决定于集料结构的物理特性，而不是化学特性。也就是说，集料中固相的化学或矿物组成通常较之物理特性诸如体积、尺寸和孔分布等的重要性要小。除孔隙率外，粗集料的形状和结构同样也影响混凝土的性质。通常天然砾石呈圆形，具有光滑的表面结构。破碎的岩石表面具有粗糙结构；粗糙度取决于岩石类型及所选择的破碎设备，破碎的集料可含有相当数量的扁平和长条颗粒。这类颗粒对混凝土许多性质起不良影响。呈高度蜂窝状的浮石轻集料同样呈多角形和粗糙结构，但陶粒或页岩轻集料通常呈圆形和光滑结构。通常由于集料强度较其他两相的强度为强，除非系某些高度多孔集料，如上所述的浮石集料，通常集料对混凝土强度无直接影响。但是，粗集料的尺寸和形状间接地影响混凝土的强度。混凝土中集料尺寸越大、长条和扁平颗粒所占比例越大，集料表面集聚水膜的倾向越大，从而使水泥浆集料过渡区减弱，这种现象，常称为内部泌水。四、混凝土中的过渡区 过渡区的结构第六届国际水泥化学会议上，Maso提出了个他称之为界面过渡区的假说，从中可以了解一些界面区的结构持征。他认为，混凝土拌和物中，集料与浆体间最初形成一个厚度为几个微米的水膜，在这层水膜中，即使有水泥颗粒也可能足极少量的，水泥的分布密度，在贴近集料处为零，并随着与集料距离的逐渐增大而增加。因此，集料表面水膜中的水灰比比远离集料的水泥浆中的水灰比要高，水膜中的水化产物是由水泥颗粒溶解成离子扩散进入的。界面区水化产物的微结构也不同于水泥浆体。因为界面区的孔隙较大，为晶体生长提供了更多的空间。若集料是非溶解性的，靠近集料表面的液相浓度小，水化产物的结晶尺寸就比水泥浆本体中的晶体要大，在界面区内形成较高的孔隙率和较低的粘结强度。再者，这些晶体（氢氧化钙）呈择优取向，造成裂纹传布的有利条件。若集料是部分可溶性的，则集料释放的粒子其最大密度集中在集料表面。溶解性离子可能参加水化反应，则靠近集料表面的液相浓度大，所生成的水化产物填充在界面区的孔洞内，减小了孔隙率，从而形成较高的粘结强度。Maso认为，由于这个过渡区的晶体及孔隙率都较水泥浆本体的大，以及晶体的定向排列，所以成为混凝土的薄弱环节。 过渡区的强度在水化水泥浆体中，水化产物和集料颗粒间的粘结由范德华引力所造成；因此过渡区任何点的强度取决于其中孔的体积和孔径大小。即使低水灰比的混凝土，在早期其过渡区内孔的体积和孔径大小将比砂浆基体为大，因此前者强度较低。然而随着龄期的增长过渡区的强度可以等于甚至大于砂浆基体的强度。这种情况在水泥浆体组分和集料间缓慢化学反应所致，过渡区孔隙中新产物结晶，如硅质集料形成水化硅酸钙，或石灰石集料形成水化碳铝酸盐；由于这种相互作用往往会降低过渡区中氢氧化钙的含量，有助于强度的提高。大的氢氧化钙晶体粘结能力较小，不仅因为其表面积小，相应的范德华引力也弱，而且由于其取向结构而提供择优劈裂的位置。除毛细孔体积大和取向结构的氢氧化钙晶体外，混凝土过渡区中强度差的主要原因是存在微裂纹。微裂纹的数量取决于许多参数，包括集料尺寸及其级配、水泥用量、水灰比、新拌混凝土的固化强度、养护条件、环境湿度和混凝土的发热量。例如，集料级配差的混凝土拌和物，在捣实时易于离析，因此在粗集料周围形成一层厚的水膜，特别在颗粒下部水膜尤厚。在相同条件下，集料尺寸越大，水膜会越厚。在这些条件下形成的过渡区，当受到由于集料和水化水泥浆体间不均匀移动所产生的拉应力影响将易于开裂。通常这种不均匀移动产生于干燥或冷却过程中。换句话说，甚至在混凝土负荷前混凝土在过渡区中已有微裂纹。显然，短时间的冲击荷载，干燥收缩和高应力下的持续荷载将具有增加微裂纹尺寸及数量的作用。第二章 混凝土原材料及外加剂2.1 集料相对水泥来讲，集料的价格低廉，同时不与水进行复杂的化学反应，所以通常将其作为混凝土中一种惰性填充料来看待。然而，由于日益深入的意识到集料在决定混凝土许多重要性质时所起到的作用，将集料作为一种惰性填充料这个传统的见解，确实应该被打上一个问号。对混凝土工艺尤重要意义的集料特征有：孔隙率、级配或粒径分布、吸水性、粒形和表面织构、压碎强度、弹性模量以及所含有害物质的类别等。这些特性起源于母岩的矿物组成（它受到的地质成岩作用的影响）、岩石在用作集料前所受到的暴露条件以及采取集料的方法和设备类型。所以本节将简要介绍影响集料特性的工艺因素。天然的矿物质集料要占混凝土集料总量的90以上，所以将对其作较为详实的阐述。由工业副产物所得到的集料，如：高炉矿渣、粉煤灰及再生混凝土等，利用的可能性都很大，故也对其作一定的介绍。一、集料的岩石与特征 岩石岩石有火成岩、沉积岩与变质岩三大类。其分类列于表21、22、23。表21 火成岩的分类分类岩浆冷却场所结晶状况岩石名称火山岩地表附近急冷细粒流纹岩、安山岩、玄武岩半深成岩地层中间中粒页岩、辉绿岩、片岩深成岩地下深处徐冷粗粒花岗岩、角闪岩、斑岩岩石的颜色与表观密度的关系色：白黑表观密度：小大 火成岩是地下深处的岩浆，在地表表面或者向地表面上升过程中受到冷却而固结而成的岩石。岩浆中所存在的二氧化硅量决定了岩石的性质。根据所含的SiO2总量将火成岩分类：SiO2含量在65以上（含游离SiO2），5565以及55以下，分别称为酸性、中性以及碱性的岩石。火成岩的酸性特征以及细粒或玻璃态织构共同决定集料能否耐受波特兰水泥中碱性侵蚀的主要因素。表22 沉积岩分类分类成 因岩石名称碎屑岩已有岩石经过风化固结而成泥岩、贝壳岩、砂岩、砾岩火山碎屑岩火山喷出物经过固结而成凝灰岩、火山角闪岩化学沉积岩海水或湖水中的溶解物质经过沉淀而成蛋白石、铁矿石有机岩植物及动物遗体经过堆积凝固而成石灰岩、白云石、煤沉积岩是地表的岩石，经过长时间的风化、搬运与堆积而形成的岩石。按照沉积和固结的方式，还可分成三个类别： 机械沉积的，或尚未固结，或处于物理性固结的状态； 机械沉积，一般再由胶凝物质化学固结；化学沉积和化学固结。卵石、砂和粘土是尚未固结的沉积岩这类中主要的组成部分。砂岩属于第二类，它是由砂粒大小的石英和长石碎屑所组成，其胶结物质可能是蛋白石（二氧化硅凝胶）、方解石、白云石、粘土或氢氧化铁。石灰岩是分布最为广泛的碳酸盐岩石，它们可以从只含方解石矿物的纯石灰岩，一直变化到由白云石组成的纯白云岩。与火成岩相比，由成层的沉积岩所制取的集料，在粒形、织构、孔隙率、强度和体积稳定性等特征方面，会有更大的变化。这是因为它们在固结时所处的条件变化很大的缘故。在压力较低的条件下形成的岩石常是多孔、强度差，此外，沉积岩常含有有害的杂质，如石灰岩、白云岩和砂岩就可能含有蛋白石和粘土矿物，在某些暴露条件下会对集料性能产生有害的影响。表23 变质岩分类分类成 因岩石名称广域变质岩通过广域地壳变动及高温高压作用而变成的岩石片岩、千枚岩、蛇纹岩接触变质岩岩石与花岗岩的高温体相接触时而变成的岩石角闪岩、大理石变质岩是地下岩石在高温、高压作用下，矿物组成与结构发生变化而成的岩石。这类岩石相当密实，但常有层状结构。有些千枚岩与波特兰水泥中的碱会起反应。地壳是由95火成岩和5的沉积岩所组成的。在沉积岩中大约有页岩4，砂岩0.75和石灰岩0.25。但露出火成岩的面积只占地球陆地的25，而其余的75都是由沉积岩覆盖的。这就是为什么在混凝土中应用的天然矿物质集料，如砂、卵石和石灰岩碎石等都取自沉积岩的原因。 特征1. 取自沉积岩集料的特征 硅质岩 机械沉积，处于未固结的或物理性固结的状态常用名称：大鹅卵石（75mm）、卵石（575mm）、砂（0.0755mm）、粉土（0.0020.075mm）、粘土（0.002mm，主要含二氧化硅和硅酸盐矿物）、页岩（固结的粘土）集料特征：天然的大鹅卵石、卵石和砂起源于地质风化过程，故它们是由粒形浑圆、表面光滑的坚硬岩石和矿物组成。当没有粘土、淤泥夹杂时，可用作坚强而耐久的混凝土集料。页岩可能外观很坚硬，但会产生扁平碎片，在水中会溃散。 机械沉积，一般还由胶凝物质化学固结常用名称：砂岩、杂砂岩（以粘土、页岩等作连续的基体，含岩石碎屑）集料特征：一般用砂岩能制得质量合乎要求的集料。与碳酸盐岩石相比，砂岩的孔隙率。吸水能力、强度和耐久性可有相当大的变动，从而会影响集料的性能。 化学沉积、并化学固结常用名称：黑硅石（含有结晶不良的石英、玉髓或蛋白石，常三者都有）、燧石（密实的一类的黑硅石称为燧石）集料特征：密实的黑硅石可作为良好的集料，以蛋白石或玉髓为主的黑硅石会与波特兰水泥中的碱发生反应。 碳酸盐岩石常用名称：石灰岩（以方解石为主）、白云岩（以白云石为主）、白云石质方解石（方解石占5090，其余为白云石）、方解石质白云岩（白云石占5090，其余为方解石）、砂质石灰岩或砂质白云岩（含1050砂的碳酸盐岩石）、粘土质石灰岩或粘土质白云岩（含1050粘土的碳酸盐岩石）。集料特征：碳酸盐岩石比硅质沉积岩要软，但它们一般能制得质量合乎要求的集料。与砂岩相类似，碳酸盐岩石的孔隙率、吸水能力、强度和耐久性也有相当大的变动，同样会影响集料的性能。由于是成层的岩石，较易产生扁平或细长的碎屑。有膨胀性粘土矿物或蛋白石等杂质存在的石灰岩，不宜用作集料。2. 取自火成岩集料的特征 深成岩常用名称：花岗岩（含石英、长石、云母）、正长岩（含长石、角闪石、黑云母）、闪长岩【含长石（p）、角闪石、黑云母】等。集料特征：可制得品质优良的集料，因为：a.粒度中等到粗，坚硬，将其破碎时能产生各向等大的碎屑；b.所具有的孔隙率和吸水性都很低；c.与波特兰水泥中的碱不会发生反应。 半深成岩常用名称：玄武岩集料特征：粒度细而坚硬，可作为良好的集料 火山岩常用名称：珍珠岩（氧化硅含量高的玻璃，含水25）、浮石（多孔玻璃，含细长孔隙）、火山渣（多孔玻璃，含球形孔隙）集料特征：珍珠岩经热处理具有浮石状气泡结构后，广泛用于隔热保温的混凝土；浮石、火山渣多孔，强度差，用于轻混凝土和隔热保温混凝土。二、轻集料容重在1120kg/m3以下的集料通常作为轻集料，用于配制各种轻混凝土。重量轻是由于具有蜂窝状或高度多孔的微观结构。但多孔的有机材料如木屑等在波特兰水泥混凝土潮湿碱性环境中不能耐久，不宜用作集料。天然的轻集料是将火成岩中的火山岩如浮石、火山渣或凝灰岩经过破碎等加工后即得。人造的轻集料可用多种材料通过热处理来制取，如粘土、页岩、板岩、硅藻土、珍珠岩、蛭石、高炉矿渣和粉煤灰等。三、重集料重混凝土主要用于防核辐射的防护工程。通常采用重集料（即密度比普通集料要大的集料）来配制重混凝土。可作重集料的天然岩石主要有：两种含钡矿物（毒重石，BaCO3；重晶石，BaSO4）和铁矿石以及钛矿石。随着集料密度的提高，混凝土就更容易发生集料偏析的现象。四、集料的特性及其意义为了设计混凝土的配合比，必须先要掌握集料的若干特性（即密度、级配和含水状态）。孔隙率或密度、级配、粒形和表面织构，都决定着塑性混凝土拌和物的性质。除孔隙率外，集料的矿物组成也影响到压碎强度、硬度、弹性模量和体积稳定性，从而影响所配硬化混凝土的各项性质。对于混凝土工艺有重要意义的集料性质，可归结于材料的微观结构、先前的暴露条件以及加工处理因素。集料的性质，根据微观结构和加工处理因素可分成如下几类：1. 随孔隙率而定的特性：密度、吸水性、强度、硬度、弹性模量和体积稳定性；2. 随先前的暴露条件和加工因素而定的特性：粒径、粒形和表面织构；3. 随化学与矿物组成而定的特性：强度、硬度、弹性模量以及所含的有害物质。 密度和视比重为了设计混凝土拌和物的配合比，是不需要测定集料的真比重的，一般测定视比重就可以了，它的定义是材料在包括内部孔隙在内时的密度。许多常用岩石的视比重处于2.02.7；花岗岩、砂岩以及密实石灰岩的代表性数据分别为：2.69，2.65，2.60。为了进行配合比的设计，除视比重外，一般还需要有关松散容重的数据，它的定义是填满单位体积所需集料散粒的质量。它更具有生产混凝土的指导意义。普通混凝土常用集料的松散容重大致在1301750kg/m3之间。 吸水性和表面水分在使用堆场上的材料来配制混凝土拌和物时，就需要有关集料吸水性和表面水分的数据，对拌和水和集料的配比进行必要的校正。湿砂会有湿胀的现象。因为水分所产生的表面张力将颗粒推开，所以砂的松散体积会有明显的膨胀，依据集料的含水量和粒级而变。由于大部分砂是在潮湿状态下送至工地的，因