土木工程总论2

土木工程材料若干新进展及其应用,无机胶凝材料及其进展,凡经过一系列物理、化学变化，能将其他固体物料胶结成整体，并具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。按化学成分分为：无机胶凝材料:石灰、石膏和各种水泥等有机胶凝材料:沥青、各种胶粘剂等无机胶凝材料按其硬化条件的不同又分为：水硬性胶凝材料:各种各类水泥非水硬性胶凝材料:石灰、石膏、水玻璃等,水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，而且能在水中硬化，保持或继续发展其强度，通常称为水泥。主要有：硅酸盐系列水泥铝酸盐系列水泥硫铝酸盐系列水泥其他水硬性胶凝材料,硅酸盐系列水泥,硅酸盐系列水泥的组成:硅酸盐水泥熟料石膏：硬石膏、二水石膏、化学石膏等混合材料：活性混合材料（矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材等）非活性混合材料（石灰石粉、石英粉等）,硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成及特性：硅酸三钙（3CaOSiO2，简记为C3S）：具有早强、高强、水化热高等特性硅酸二钙（2CaOSiO2，简记为C2S）：具有早期强度低、后期强度高、水化热较低等特性铝酸三钙（3CaOAl2O3，简记为C3A）：具有水化速度快、水化热高、早期强度高、后期强度低和抗硫酸盐腐蚀性能差等特性铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3，简记为C4AF）：具有水化速度较慢、水化热低、强度低和耐磨性高等特性,硅酸盐系列水泥的品种：通过调整硅酸盐水泥熟料的矿物成分、混合材料的种类和掺量可以获得不同性能的硅酸盐水泥，按水泥分类方法，硅酸盐水泥分为通用硅酸盐水泥和特种硅酸盐水泥(包括专用水泥和特性水泥）,通用硅酸盐水泥：硅酸盐水泥（型、型）型硅酸盐水泥:熟料+适量石膏磨细型硅酸盐水泥:熟料+适量石膏+石灰石或粒化高炉矿渣（5%)磨细普通硅酸盐水泥:熟料+适量石膏+混合材料（活性混合材料6%15%，非活性混合材料6%10%）磨细,矿渣硅酸盐水泥：熟料+适量石膏+粒化高炉矿渣（20%70%)磨细火山灰质硅酸盐水泥：熟料+适量石膏+火山灰质混合材（20%50%)磨细粉煤灰硅酸盐水泥：熟料+适量石膏+粉煤灰（20%40%)磨细复合硅酸盐水泥：熟料+适量石膏+两种或两种以上规定的混合材（15%50%）磨细,特种硅酸盐水泥:大坝水泥：中热硅酸盐水泥：组成：熟料+适量石膏磨细水化热:3天251kJ/kg,7天293kJ/kg；熟料成分控制:C3A6%,C3S55%,f-CaO1%Na2O+0.658K2O0.6%.用途：大坝溢流的面层和水位变动区等耐磨性和抗冻性要求较高的工程,低热矿渣硅酸盐水泥:组成：熟料+适量石膏+粒化高炉矿渣（20%60%）磨细水化热:3天188kJ/kg,7天230kJ/kg；熟料成分控制:C3A8%,Na2O+0.658K2O1.0%.f-CaO1.2%用途：用于大坝或大体积建筑物内部及水下等工程部位,油井水泥：熟料+适量石膏+助磨剂磨细按国家标准（GB10238-1998）油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G、H和J级九个级别以及普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型三种类型,应用：级、级、级适用于自地面至1830m井深级适用于中温中压条件下的18303050m井深级适用于高温高压条件下的30504270m井深级适用于超高温高压条件下的30504880m井深级是基本油井水泥，适用于自地面至2440m井深级是基本油井水泥。适用于自地面至2440m井深J级适用于超高温高压条件下的36604880m井深,白色硅酸盐水泥：组成：白色硅酸盐水泥熟料+适量石膏+石灰石（5）磨细白色硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧至部分熔融，所得的以硅酸钙为主要成分，氧化铁含量少的熟料白色硅酸盐水泥按白度分为特级、一级、二级和三级四个级别应用：白色硅酸盐水泥，主要用于建筑物内外的表面装饰工程,快硬硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料+适量石膏磨细以3d抗压强度划分强度等级C3S:50%60%C3A:8%14%C3S+C3A:60%70%石膏掺量较大（达8%），粉磨较细,特点：水泥凝结硬化快，早期强度和后期强度较高，抗渗性和抗冻性好；但水化热大，耐腐蚀性差。应用：适用要求早期强度高的工程、紧急抢修工程和冬季施工的混凝土工程。不适用于大体积混凝土工程和有腐蚀介质作用的混凝土工程。,膨胀硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料+膨胀组分+适量石膏磨细在水化和凝结硬化过程中体积会产生膨胀的水泥膨胀组分：钙矾石型、氧化钙型、氧化镁型、铝粉和铁粉型,矾土膨胀硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料+矾土水泥熟料+适量石膏磨细而成明矾石膨胀硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料+天然明矾石+粒化高炉矿渣+适量石膏磨细而成石灰膨胀硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料+适量过烧石灰+适量石膏磨细而成,特点：硬化早期有一定的微膨胀，密实度高，抗渗性好。应用：适用于补偿收缩混凝土结构工程、防水和抗渗混凝土工程、结构加固与修补的混凝土、构件接缝及管道接头和固定机器底座和地脚螺丝。,抗硫酸盐硅酸盐水泥：组成：熟料+适量石膏磨细而成，具有抵抗硫酸根离子侵蚀的硅酸盐水泥，分为中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥。抗硫酸盐硅酸盐水泥熟料：C3S：中抗硫酸盐水泥55%，高抗硫酸盐水泥50%C3A：中抗硫酸盐水泥5%，高抗硫酸盐水泥3%特点：具有一定的抗硫酸盐侵蚀性能,应用：适用于受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥梁基础等工程。中抗硫酸盐硅酸盐水泥，一般用于硫酸根离子浓度不超过2500mg/L的纯硫酸盐的腐蚀。高抗硫酸盐硅酸盐水泥，一般用于硫酸根离子浓度不超过8000mg/L的纯硫酸盐的腐蚀。,道路硅酸盐水泥：组成：道路硅酸盐水泥熟料、0%10%活性混合材料和适量石膏磨细而成道路硅酸盐水泥熟料:C3A5.0%，C4AF16.0%。特点：早期强度高，干缩小，耐磨性和抗冻性好。应用：适用于道路路面、机场道面和对耐磨、干缩等性能要求较高的混凝土工程。,铝酸盐系列水泥,铝酸盐水泥是以石灰石和铝矾土为主要原料，经煅烧至全部或部分熔融，得到以铝酸钙为主要矿物的熟料，经磨细而成的水硬性胶凝材料。主要矿物：CaOAl2O3、CaO2Al2O3特点：快硬、高强、耐腐蚀、耐热品种：（耐火）铝酸盐水泥建筑用铝酸盐水泥,铝酸盐水泥：按A1203的含量铝酸盐水泥分为：CA-50（50%A120360%）：耐火度较低（1370），仅限应用于1500以下的窑炉CA-60（60%A120368%）：早期强度较低，耐火度中等（1585），适用于工业窑炉或高温设备的衬里材料,CA-70（68%A120377%）：早强性能好，中温残存强度高，耐火度较高（1650以上），适用于高温窑炉的耐火内衬。CA-80（77%A1203）：早强性能好，中温残存强度高，耐火度高（1700以上），高性能耐火浇注料的优质结合剂，适用于各种高温窑炉的耐火材料。,建筑用铝酸盐水泥：快硬高强铝酸盐水泥：组成:以铝酸钙为主要成分的熟料，加入适量的硬石膏，磨细制成具有快硬高强性能的水泥。特点：早强（1d强度3545MPa)高强(28d强度62.592.5MPa)抗渗和抗硫酸盐腐蚀能力强应用：适用于早强、高强、抗渗、抗硫酸盐及抢修等特殊工程,硫铝酸盐系列水泥,以适当成分的生料，经煅烧所得以铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石灰石和石膏，磨细制成的具有早期强度高的水硬性胶凝材料。主要矿物：无水硫铝酸钙（CaO3Al2O3CaSO4)铁相（2CaOFe2O36CaO2Al2O3Fe2O3)硅酸二钙（2CaOSiO2)特点：早强、高强、抗冻、抗渗、耐蚀和低碱度,硫铝酸盐系列水泥品种：普通硫铝酸盐水泥快硬硫铝酸盐水泥膨胀硫铝酸盐水泥自应力硫铝酸盐水泥高强硫铝酸盐水泥低碱度硫铝酸盐水泥（pH10.5）高铁硫铝酸盐水泥（铁铝酸盐水泥）快硬铁铝酸盐水泥膨胀铁铝酸盐水泥自应力铁铝酸盐水泥高强铁铝酸盐水泥,快硬硫铝酸盐水泥：以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石灰石（10%）和石膏，磨细制成的具有早期强度高的水泥膨胀硫铝酸盐水泥：以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量二水石膏，磨细制成的具有可调膨胀性能的水泥,自应力硫铝酸盐水泥：以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏磨细制成的强膨胀性的水泥高强硫铝酸盐水泥:以适当成份的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物的熟料，加入适量石膏和激发剂粉磨制成的具有高强度的水泥,低碱度硫铝酸盐水泥:以无水硫铝酸钙为主要成分的硫铝酸盐水泥熟料，配入适量的石膏和2050石灰石磨细而成具有碱度低（pH10.5）、自由膨胀较小的水泥,快硬铁铝酸盐水泥:以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙、铁相和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石灰石（10%）和石膏，磨细制成的具有早期强度高的水泥膨胀铁铝酸盐水泥：以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙、铁相和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有可调膨胀性能的水泥,自应力铁铝酸盐水泥：以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙、铁相和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏磨细制成的具有强膨胀性的水泥高强铁铝酸盐水泥：以适当成份的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙、铁相和硅酸二钙为主要矿物的熟料，加入适量石膏和激发剂粉磨制成的具有高强度的水泥,硫铝酸盐系列水泥的主要用途：冬季施工工程抢修和抢建工程配制喷射混凝土混凝土预制构件海洋混凝土工程,其他无机胶凝材料碱矿渣水泥以高炉矿渣、水玻璃为原料制造的胶凝材料。地聚物水泥（Geopolymer)以烧偏高岭土、水玻璃为原料制造的胶凝材料。,地聚物水泥,地质聚合是指一种使硬化产物具有大多数岩石性能（如强度、硬度、化学稳定性和与地质年代相似的耐久性）的聚合反应.地质聚合物材料的制备有两种途径:一种是以偏高岭石为基础原料,一种是以粉煤灰为主要原料.通常以硅酸钠水溶液作为单体硅源,氢氧化钠溶液作为碱激发剂.WWW.GEOPOLYMER.ORG,地聚物的结构为铝氧和硅氧键聚合而成(其结构示意图如下),地聚合物的性质,凝结硬化:-20C约10小时，+20C为7-60分钟.凝结时的收缩:小于0.05%.抗压强度：28天抗压强度大于90Mpa,早强型4小时抗压强度达20Mpa.,抗弯强度:28天达10-15MPa,早强型24小时达10MPa.弹性模量:大于2GPa.抗冻性:180次冻融循环,质量损失小于0.1%,强度损失小于5%干湿循环:质量损失小于0.1%.,碱度:破碎的地聚合物,在去离子水中5分钟PH值为11-11.5,硅酸盐水泥为12-12.5.水中溶出:180天后,K2O小于0.015%.吸水性:小于3%.渗透系数:10-10m/s.,耐腐蚀性硫酸溶液(10%):质量损失每天0.1%.盐酸溶液(5%):质量损失每天1%.KOH溶液(50%):质量损失每天0.02%.,氨溶液:无质量损失.硫酸盐溶液:28天收缩0.02%.碱-骨料反应:250天无膨胀(-0.01%),对比的硅酸盐水泥膨胀(+1.5%).,热膨胀系数:5.010-6/K.导热系数:0.2-0.4W/mK.比热:0.7-1.0kJ/kg.热稳定性:1000C质量损失小于5%.600C强度损失于20%,1000C小于60%,能耗:地聚物水泥1230-1310MJ/ton;硅酸盐水泥3500MJ/ton.CO2释放量:地聚物水泥0.180t/ton;硅酸盐水泥熟料1.0t/ton.,地聚物的应用,地质聚合物被认为是21世纪最具发展潜力的新型胶凝材料,尤其在利用固体废弃物生产新型建筑材料方面有着独特的优势.随着地质聚合物制备技术和应用技术的不断成熟和生产成本的不断下降,这种胶凝材料将有可能在很多场合取代传统水泥和有机聚合物.,新型混凝土及其应用,高强混凝土,指采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物掺合料，以常规工艺配制的抗压强度大于C50级的混凝土。按抗压强度分类有：高强混凝土：C50C80超高强混凝土：C80C120,混凝土的受压时的应力应变特性,混凝土的受压破坏过程,混凝土受压破坏的薄弱区,骨料与水泥石的界面区水泥石中的孔隙,孔隙对材料和混凝土强度的影响,材料强度与孔隙率的基本关系：S=S0exp(-kp)S0孔隙率为0时的材料强度p材料的孔隙率k为常数水泥砂浆的强度与孔隙率的关系（Powers模型）：S=S0(1-p)3对于水泥砂浆Powers由试验得到S0为234MPa,材料的孔隙率与强度的关系,水泥砂浆强度与孔隙率的关系,制备高强混凝土的主要技术措施,目标：增加骨料与水泥石的界面区的密实度改善骨料与水泥石的界面结构（水化产物）提高水泥石的密实度改善水泥石的结构，减少氢氧化钙的数量，增加水化硅酸钙的数量措施：采用高效减水剂（减小水灰比）采用矿物掺合料（增加密实度、改善界面结构）,高强混凝土原材料,水泥：42.5级以上的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。骨料：粗骨料：质地坚硬、级配良好的石灰石、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵石。强度大于1.2倍混凝土强度；针片状颗粒含量不宜大于5%；含泥量：C50C751%,C80以上0.5%骨料最大粒径：C50C75不宜大于25mm,C80以上不宜大于20mm,细骨料：级配良好、细度模数2.6、含泥量400m2/kg)、磨细天然沸石粉硅灰复合掺合料,高强混凝土配合比,配制强度：C50C60不低于1.15倍强度等级C70C80不低于1.12倍强度等级水胶比：0.250.42胶结材料用量：C50C60水泥用量不宜大于450kg/m3，胶结材料总量不宜大于550kg/m3.C70C80水泥用量不宜大于500kg/m3，.胶结材料总量不宜大于600kg/m3.,矿物掺合料：粉煤灰掺量不宜大于胶结材料总量的30%磨细矿渣不宜大于胶结材料总量的50%磨细天然沸石粉不宜大于10%硅灰不宜大于胶结材料总量的10%砂率：一般：28%34%泵送：34%44%,高强混凝土的特性,优点：高抗压强度，但抗拉强度提高不大高弹性模量，刚度较大低渗透性干燥收缩和徐变较小耐磨和抗剥离性好抗冻性较好,缺点：脆性大强度提高大，但弹性模量提高不大水化热高早期自缩大；易开裂，可能导致耐久性问题,塑性收缩开裂,高强混凝土的抗压性能特点,高强混凝土的应用,高性能混凝土,高性能混凝土,美国ACI认为（1990年）：具有高强度（60MPa以上）、高工作性（流态、可泵）、高体积稳定性（不开裂、收缩徐变小）和高抗渗（耐久）性的混凝土日本将高流态的自密实混凝土（免振混凝土）称为高性能混凝土美国、加拿大等国认为：高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土。,我国部分学者认为：高性能混凝土是以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。其特点为：低用水量，低水灰比（0.45或0.40），较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料为必需组分。,自密实混凝土,自密实混凝土自密实混凝土(SCC)是一种不需要振捣成型的混凝土。自密实混凝土拌合物应满足三个关键性质：1、在自重作用下，具有良好的流动性，能流进并完全填满各种复杂的模板。2、在自重作用下，具有良好的填充性能，能穿过密集的钢筋并与钢筋有良好的粘结力。3、有高的抗骨料离析的性能。,流动性混凝土与自密实混凝土的比较,自密实混凝土的技术性质,力学性质：抗压强度、抗拉强度和弹性模量变形性能：受缩、徐变和热膨胀系数与钢筋的粘结性能冷缝的抗剪能力耐火性,自密实混凝土的力学性质,抗压强度:自密实混凝土的抗压强度略高于相同水灰比（水胶比）的振动成型的混凝土.抗拉强度:自密实混凝土的抗拉强度与普通混凝土相同.弹性模量：自密实混凝土的弹性模量略低于传统的振动成型的混凝土.,自密实混凝土的变形性能,徐变：自密实混凝土的徐变系数略高于强度等级相同的普通混凝土，但差异较小，现有规范的徐变计算或估计仍适用于自密实混凝土.收缩：指自缩与干缩之和.自密实混凝土的收缩与普通混凝土相当，仍可按现有规范计算或估计.热膨胀系数:与普通混凝土的热膨胀系数基本相同.其值为813/K,可取为1013/K.,自密实混凝土的耐久性,与普通混凝土相比，性能良好的自密实混凝土的无缺陷（蜂窝、离析、泌水等），混凝土的均匀性好，抗渗性好，因此，耐久性较好.,自密实混凝土的其他性能,与钢筋的粘结力：自密实混凝土与钢筋的握裹力比普通混凝土高.冷缝的抗剪能力：硬化混凝土的表面光滑且不透水，如果表面不经处理，新老混凝土的粘结力比普通混凝土差，界面的抗剪力较差，混凝土表面应进行处理（如表面喷缓凝剂、刷毛等）.耐火性：自密实混凝土的耐火性与普通混凝土类似，但较易爆裂，可掺入聚丙烯纤维改善。,新拌自密实混凝土的性能,新拌自密实混凝土的充填性能和稳定性能可用四个方面的特性表征.其特性和试验方法如下：,坍落流动度和T500,坍落流动度试验,V型漏斗流动时间试验,L-型箱试验,填充性能的L-型箱试验,填充性能（PA）按下式计算：PA=H2/H1,筛抗离析试验,筛抗离析试验的离析分数（SR）按下式计算（精确至1%）：SR=Wp/Wc100（%）WC筛试验的混凝土总质量，g.Wp筛试验通过的混凝土质量，g.,新拌自密实混凝土的分级,流动性分级(坍落扩展度)：粘性分级：,填充性能分级(L型箱试验)：抗离析性分级(筛离析试验)：,自密实混凝土的组成特点,粗骨料的含量较低增加浆体的含量较低的水胶（粉体）比增加高效减水剂用量有时需加入黏度调节剂.,自密实混凝土组成示意图,硬化后的自密实混凝土,典型的自密实混凝土的组成,自密实混凝土的应用,某些大体积混凝土工程（如桥梁基础）钢筋密集的混凝土工程结构加固的混凝土工程预制混凝土工程,现场浇注的自密实混凝土的表面,纤维增强混凝土,纤维增强混凝土的定义,以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤维、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料。,水泥混凝土的特点,优点就地取材、价格便宜可塑性好、易于成型抗压强度高、耐久性好缺点抗拉强度低、脆性大受拉变形能力小、易开裂,纤维在纤维混凝土中的作用,限制在外力作用下混凝土中裂缝的扩展：在受荷初期，混凝土与纤维共同承受外力，而混凝土是外力的主要承担者着；当基体（混凝土）发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承担者。若纤维的体积掺量超过某一临界值，纤维混凝土可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直到纤维被拉断或从基体中拔出，纤维混凝土破坏。,纤维混凝土中常用的纤维,按纤维种类：金属纤维：钢纤维和不锈钢纤维等无机纤维：耐碱玻璃纤维、碳纤维和天然矿物纤维等有机纤维：聚乙烯醇纤维（维纶PVA)聚丙烯纤维(丙纶PP)聚丙烯腈纤维（腈纶PAN)芳族聚酰胺纤维（芳纶Kevlar)等,按弹性模量：高弹性模量纤维：弹性模量高于混凝土的纤维，如钢纤维、碳纤维和玻璃纤维等；低弹性模量纤维：弹性模量低于混凝土的纤维，如聚丙烯纤维、天然植物纤维等。按纤维长度：非连续的短纤维和连续的长纤维。,纤维混凝土的发展历史,公元前2500年左右，芬兰人曾用石棉纤维增强陶瓷；1910年H.F.Porter提出掺用短钢纤维提高水泥混凝土的抗拉性能的想法；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表有关纤维水泥混凝土的一系列研究成果；,20世纪70年代，美国Battelle公司开发了熔抽技术，降低了钢纤维的价格，为钢纤维混凝土的实际应用创造了条件；20世纪7080年代，钢纤维混凝土开始广泛应用，芳纶（Kevlar）纤维和改性晴纶等有机纤维开始在水泥砂浆和混凝土中应用；其他纤维在水泥混凝土中的应用也有较大进展。,钢纤维混凝土,钢纤维混凝土的特点,与普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有如下特点：1、较高的抗拉和抗弯极限强度；2、较大的极限变形，抗裂性能显著改善；3、韧性和抗冲击性能大幅度提高；4、抗疲劳性能大幅度提高。,钢纤维混凝土的力学性能比较,钢纤维的品种,按其制造方式分为:切断钢纤维切削钢纤维剪切钢纤维熔抽钢纤维,1、切断钢纤维切断钢纤维的截面有圆形或长方形。切断钢纤维是将冷拔至一定直径的钢丝按一定长度切断而成。这种纤维的抗拉强度很高，一般为10002000MPa，因较平直光滑，故与混凝土的粘结强度较低。为克服上述缺陷，可对纤维表面进行变形处理，有的加工成大头纤维或弯钩纤维。,2、切削钢纤维切削钢纤维是由厚钢板或钢锭，用旋转的平铣刀切削而成。在切削过程中，纤维产生较大的塑性变形，其断面呈现三角形，强度比原材料有很大提高，与混凝土的粘结强度也有所增加。,3、剪切钢纤维剪切钢纤维是将一定厚度的带钢，用旋转切削的刀具，将带钢剪切扭曲成矩形断面的钢纤维。钢纤维的长度以带钢的宽度而定。钢纤维界面以切削时的进刀量与带钢的厚度而定。一般带钢厚度要求在0.40.8mm之间，切削进刀量为0.40.6mm。因剪切时刀具与带钢成一定角度，因此剪切钢纤维一般都扭成12周的角度。,剪切型钢纤维,4、熔抽钢纤维熔抽钢纤维是将碳钢在温度约15001600的电炉中熔化成钢液，然后由钢液上面安装的带有刻痕的熔抽轮,高速旋转接近钢液面。熔抽轮内有保持一定流速的冷却水，以10000/s的速度冷却钢液。由于熔抽轮的旋转，甩出的钢纤维互不黏结，形成了熔抽钢纤维。,熔抽型钢纤维,目前我国生产的剪切钢纤维的主要形态有：剪切钢纤维：呈现直角矩形截面，长度方向上稍有扭曲。大头形剪切钢纤维：带钢边部扩大，经剪切而成的纤维。刻痕钢纤维：带钢表面刻痕，经剪切而成的纤维。,压波钢纤维：波形带钢剪切而成的纤维。集束钢纤维：几个甚至几十个纤维并排在一起，掺入拌合料时，与水以及砂、石搅拌，使集束纤维均匀分散在混凝土中。,钢纤维混凝土的应用,公路路面和机场路面公路和城市道路桥面工业建筑地面刚性防水屋面结构受弯构件铁路轨枕局部增强预制桩抗震框架节点,合成纤维混凝土,合成纤维的分类,1、按照形状分单丝和束状单丝、膜裂网状2、按照材料分目前使用较多的有：聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、改性维纶纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等。3、按照粗细分直径为1099m的细纤维；直径大于0.1mm的粗纤维。,合成纤维混凝土的性能,可显著提高混凝土的抗疲劳性能；大幅度提高混凝土的抗冻融性，抗冻等级在D300以上；显著提高混凝土的抗裂性，特别是早期塑性收缩裂缝；此外，混凝土的抗冲击性、耐磨性也有显著提高。,合成纤维的应用,用作砂浆增强材料，防止砂浆龟裂。用于腻子，提高其品质。用于地下混凝土结构的防裂、抗渗。用于大体积混凝土抵抗温度应力、解决温度裂缝。提高混凝土路面、桥面的抗裂、抗疲劳性能。,提高混凝土在高温下的抵抗膨胀爆裂性能，降低膨胀爆裂概率。提高混凝土抗爆破、抗冲击性能。提高混凝土的抗冻性能。提高混凝土的抗冲刷性能。提高混凝土品质，用于严酷环境，提高混凝土结构耐久性等。,大掺量粉煤灰混凝土,大掺量粉煤灰混凝土的基本目的,在保证或改善混凝土性能的前提下，尽可能最大限度的使用粉煤灰替代硅酸盐水泥,大掺量粉煤灰混凝土的基本特征,大的粉煤灰掺量，粉煤灰至少占胶凝材料总量的50%以上低用水量低水胶比（W/CM)低硅酸盐水泥熟料用量通过调节高效减水剂用量，获得低水灰比或高流动性,大掺量粉煤灰混凝土的典型配合比,用水量:120kg/m3硅酸盐水泥:155kg/m3粉煤灰:215kg/m3水胶比（W/（C+F):0.32高效减水剂:3kg掺引气剂制备成引气混凝土,大掺量粉煤灰混凝土拌合物的性能,大掺量粉煤灰混凝土具有良好的和易性，特别是粘聚性好，因此，易于泵送、捣实和抹面等施工操作；大掺量粉煤灰混凝土的泌水少，应注意防止塑性收缩裂缝；水化热温升小，有利于防止早期热裂缝；例如：3.05m的混凝土立方体大掺量粉煤灰混凝土的温升只有350C，而硅酸盐水泥混凝土的温升达到650C；混凝土的凝结时间比普通混凝土长，一般长3小时左右，与气温有关。,硬化大掺量粉煤灰混凝土的力学性能,强度发展较慢，早期强度较低，后期强度较高（如：1天:8MPa、28天:35MPa、90天:43MPa、365天:55MPa)；抗弯强度和劈裂抗拉强度与抗压强度的比值与普通混凝土相当；弹性模量略高于同强度的混凝土；干缩和徐变比普通混凝土略低，比徐变为2432/MPa。,硬化大掺量粉煤灰混凝土的耐久性,水的渗透性低，渗透系数小于10-13m/s抗冻性好，抗冻等级可达D500抗氯离子渗透能力强耐硫酸盐腐蚀能力强耐海水腐蚀能力强保护钢筋能力高能有效拟制碱骨料反应,大掺量粉煤灰混凝土的应用,大体积混凝土水化热低结构混凝土较高的强度高性能混凝土优良的耐久性,轻混凝土,轻混凝土的定义和种类,定义：表观密度(c)小于1950kg/m3的混凝土种类：轻骨料混凝土：表观密度：8001950kg/m3；用轻骨料如浮石、火山渣、陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣、煤渣、泡沫塑料等配制成。,大孔混凝土：表观密度：5001900kg/m3组成中无细骨料有普通大孔混凝土和轻骨料大孔混凝土两类普通大孔混凝土：用碎石、卵石等普通骨料配制成表观密度范围为15001900kg/m3轻骨料大孔混凝土：用陶粒、浮石等轻骨料配制成表观密度范围为8001500kg/m3,多孔混凝土：表观密度：3001000kg/m3有泡沫混凝土和加气混凝土两种泡沫混凝土：由水泥浆或水泥砂浆与稳定的泡沫制成的加气混凝土由水泥等胶凝材料、水与发气剂配制成的,轻集料混凝土,轻集料混凝土的定义：用轻粗集料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制成的混凝土，其表观密度不大于1950kg/m3者，称为轻集料混凝土。轻集料混凝土的分类：按粗集料种类可分为：工业废料轻集料混凝土：粉煤灰陶粒等天然轻集料混凝土：浮石等人造轻集料混凝土：粘土陶粒等,按细集料品种可分为：全轻混凝土全部粗细集料均采用轻集料砂轻混凝土细集料部分或全部采用普通砂按用途可分为：保温轻集料混凝土结构保温轻集料混凝土结构轻集料混凝土,轻集料的种类：轻集料分为轻粗集料和轻细集料（或轻砂）。轻粗集料：粒径大于5mm，堆积密度1000kg/m3的轻质集料轻细集料：粒径不大于mm，堆积密度1200kg/m3的轻质集料,轻集料可采用工业废料、地方材料为原料，经加工而成，也可采用天然形成的多孔岩石，经破碎加工而成。轻粗集料按粒型有圆球型、普通型（呈非圆球状）和碎石型,粘土陶粒,粘土陶粒的内部结构,轻骨料中的孔隙,轻集料的技术要求：轻粗集料：堆积密度、颗粒级配、筒压强度、吸水率、耐久性、体积安定性和有害成分含量等轻细集料：堆积密度、细度模数、耐久性、体积安定性和有害成分含量等,轻集料混凝土的技术性质轻集料混凝土的强度按立方体抗压强度标准值划分为CL5.0CL50十一个等级；轻集料混凝土按其表观密度分为8001900十二个等级轻集料混凝土的抗拉强度：低、中等强度等级：与普通混凝土接近高强度等级：比普通混凝土低干燥后抗拉强度会明显降低轻集料混凝土的极限应变值比普通混凝土大,轻集料混凝土的弹性模量为同强度等级普通混凝土的5070轻集料混凝土的收缩比普通混凝土大2050轻集料混凝土的徐变比普通混凝土大3060轻集料混凝土的热膨胀系数比普通混凝土低20左右轻集料混凝土导热系数为0.280.87W/mK,轻骨料混凝土的应用,高层建筑大跨桥梁海洋结构墙体材料隔热和填充混凝土,WhitePlainsCityCenterGarageWhitePlains,NewYork,VirginiaDareBridge,SandhornoyBridge,HeidrunTensionLegPlatform,NorthSea,ReliantStadiumHouston,Texas,SmartWallProjects,大孔混凝土,大孔混凝土的定义：以粗集料、水泥和水配制而成的一种轻混凝土，又称无砂混凝土。在混凝土中，水泥浆包裹粗集料颗粒的表面，将粗集料粘在一起，但不填满粗集料颗粒之间的空隙，而形成大孔结构的混凝土。为了提高强度，有时也加入少量细集料(砂)，此时称为少砂混凝土,大孔混凝土的种类：普通大孔混凝土：用天然碎石、卵石或重矿渣配制而成，表观密度在15001900kg/m3之间，抗压强度为3.520MPa的混凝土；轻集料大孔混凝土：用陶粒、浮石等轻集料配制而成，表观密度在8001500kg/m3之间，抗压强度为1.57.5MPa的混凝土,大孔混凝土的特点：表观密度小导热系数小，保温性好；吸湿性较小，透水性好；收缩比普通混凝土小30%50%抗冻性可达1525次水泥用量较低,大孔混凝土的应用：墙体用小型空心砌块和各种板材现浇墙体滤水管、滤水板透水路面或地坪种植混凝土,普通大孔混凝土,大孔混凝土路面,多孔混凝土,多孔混凝土的定义和种类：内部均匀分布着大量微小气泡的轻质混凝土。按气孔形成的方式不同分为：加气混凝土泡沫混凝土按表观密度和强度分为：结构用多孔混凝土：标准抗压强度在3MPa以上，表观密度大于500kg/m3；非承重多孔混凝土：标准抗压强度低于3MPa，表观密度在500kg/m3以下。,多孔混凝土的孔隙结构,加气混凝土：加气混凝土是用含钙材料(水泥、石灰)、含硅材料(石英砂、尾矿粉、粉煤灰、粒化高炉矿渣、页岩等)和加气剂作为原材料，经过磨细、配料、搅拌、浇注、切割和压蒸养护(8或15大气压下养护68h)等工序生产而成一般是采用铝粉作为加气剂，也可采用双氧水、碳化钙等作为加气剂,泡沫混凝土：泡沫混凝土是将水泥浆与大量稳定的泡沫拌和后经硬化而成的一种多孔混凝土。泡沫剂是泡沫混凝土中的重要成分，它在机械搅拌作用下形成大量稳定的泡沫。常用的泡沫剂有：松香胶泡沫剂水解性血泡沫剂,松香胶泡沫剂：用烧碱加水溶入松香粉(一般可按重量比，碱：水：松香=l：2：4)，再与溶化的胶液(皮胶或骨胶)搅拌制成浓松香胶液，使用时再用温水稀释，用力搅拌即形成稳定的泡沫。水解性血泡沫剂：用动物血加苛性钠、盐酸、硫酸亚铁、水等制成，使用时经稀释搅拌成稳定的泡沫。,多孔混凝土的应用：砌块、屋面板、内外墙板等制品工业及民用建筑的保温工程软土地基的填充材料,多孔混凝土的应用,聚合物混凝土,聚合物混凝土,聚合物混凝土的定义：是由有机聚合物、无机胶凝材料和骨料结合而成的一种新型混凝土聚合物混凝土的种类：聚合物水泥混凝土聚合物浸渍混凝土聚合物胶结混凝土,聚合物改性（水泥）混凝土：是用聚合物乳液或水溶性聚合物或可再分散胶粉拌合水泥，并掺入砂或其他骨料而制成。聚合物的成膜硬化和水泥的水化同时进行，并且两者结合在一起形成的一种复合材料主要用于铺没无缝地面，也常用于修补混凝土路面和机场跑道面层和做防水层等,聚合物浸渍混凝土：是以混凝土为基材(被浸渍的材料)，而将有机单体渗入混凝土中，然后再用加热或放射线照射的方法使其聚合，使聚合物与混凝土形成一个整体的一种混凝土具有高强度(抗压强度达200MPa以上，抗拉强度达10MPa以上)，高防水性、优良的抗冻性、抗冲击性、耐蚀性和耐磨性适用于要求高强度、高耐久性的特殊构件，特别适用于输运液体的有筋管、无筋管等,聚合物胶结混凝土：也称树脂混凝土，一种完全没有矿物胶凝材料而以合成树脂为胶结材料的混凝土。所用的骨料与普通混凝土相同。具有高强、耐腐蚀等优点，但耐热性差、收缩变形较大；目前成本较高，只用于特殊工程（如耐腐蚀工程）,聚合物改性(水泥)混凝土,聚合物改性混凝土,聚合物改性混凝土是指在水泥浆、砂浆和混凝土在拌和时，加入分散在水中或者可以在水中分散的聚合物材料，经硬化而成的混凝土。用于聚合物改性混凝土的聚合物有：聚合物乳液可再分散胶粉水溶性聚合物液体聚合物,聚合物改性混凝土用聚合物的一般要求,对水泥水化无负面影响；有很好的稳定性，包括化学稳定性、机械稳定性、热稳定性和储存稳定性；在混凝土或砂浆中，能形成与水化产物和骨料黏结良好的膜层，且最低成膜温度低；具有低的引气性；所形成的聚合物膜层应具有极好的耐水性、耐碱性和耐候性。,聚合物乳液,指聚合物乳化分散在水中形成的乳状液体材料。按所带电荷的类型分为：阳离子型乳液（粒子带正电荷）阴离子型乳液（粒子带负电荷）非离子型乳液（粒子不带电荷）混凝土改性主要使用非离子型乳液。最常用的聚合物乳液有丁苯胶乳（SBR）、丙烯酸酯乳液（PAE）、乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）、氯丁胶乳（CR）等。,聚合物乳液的性能指标,固体含量稳定性（化学稳定性、机械稳定性、热稳定性和储存稳定性）最低成膜温度粒径pH值黏度,可再分散胶粉,一般是由聚合物乳液经喷雾干燥而成的粉末。在水中很容易重新乳化，而得到聚合物乳液。,水溶性聚合物,可溶于水中的聚合物，有天然水溶性、半合成水溶性和合成水溶性三大类。天然水溶性：淀粉类、海藻类、植物胶类、动物胶类和微生物胶类半合成水溶性：改性纤维素类、改性淀粉类合成水溶性：聚合类树脂、缩合类树脂常用的有聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、纤维素醚、改性淀粉等。,液体聚合物,用于水泥混凝土改性的液体聚合物有：环氧树脂不饱和聚酯树脂,聚合物改性的机理,通过聚合物在水泥浆与骨料间形成具有较高粘结力的膜，并堵塞砂浆内的孔隙，从而改善砂浆和混凝土的性能。水泥的水化与聚合物成膜同时进行，在聚合物水泥石中，形成水泥石与聚合物相互交织在一起的互穿网络结构。,聚合物水泥石的结构示意图,聚合物改性砂浆的扫描电子显微镜（SEM）图像（P：聚合物膜，C：水化的水泥）,聚合物改性混凝土和砂浆的性能,在水泥浆中加入聚合物后，与普通混凝土相比较，新拌聚合物改性混凝土和砂浆的性能特点为：聚合物具有减水作用，可增加流动性可减少离析和泌水有较高的保水性有引气作用，可能增加含气量会延长凝结时间对塑性收缩开裂更敏感,硬化混凝土和砂浆的性能,力学性能：抗拉强度与抗弯强度明显提高，抗压强度无明显改善，甚至有所降低。弹性模量有降低粘结性能有较大改善韧性有大幅度提高，极限变形有所增加徐变增大，干缩有所变化耐磨性提高耐疲劳性提高,硬化混凝土和砂浆的性能,物理化学性能：耐水性：吸水率降低、不透水性提高，但耐水性可能降低抗氯离子渗透性提高抗碳化性能提高耐化学侵蚀性提高有一定的透气性抗冻性提高耐候性良好热膨胀系数略大于普通水泥混凝土,聚合物改性混凝土的应用,混凝土修补材料防水材料胶粘剂：瓷砖胶结剂、界面处理剂防腐蚀材料表面装饰和保护铺面材料道路路面,水下不分散混凝土,水下不分散混凝土,水下不分散混凝土的定义：是由水泥、骨料与抗分散剂（絮凝剂）一起拌合而成的一种适合在水下浇筑施工的混凝土。具有在水中浇注时不离析、不分散、水泥不流失，能自流平、自密实，凝结硬化后其物理力学性能和耐久性与普通混凝土相近的特点,普通混凝土在水下浇筑前后的材料组成变化（体积分数）,水下不分散混凝土在水下浇筑前后的材料组成变化（体积分数）,掺水下不分散外加剂的水泥浆,超高性能混凝土,超高性能混凝土的定义：是指一类性能高于一般高性能混凝土的新型混凝土。超高性能混凝土的组成特点：高强度水泥超细掺合料高性能外加剂优质骨料纤维,超高性能混凝土的种类：无宏观缺陷水泥（Macro-defectFree,MDF)注浆纤维混凝土(Slurryinfiltratedfiberconcrete,SIFCON)密实配筋复合材料（Co