混凝土原材料的进展

二、混混凝土土原材材料的的进展展AdvancesinConstituentMaterialsofConcrete混凝土土组成成材料料1）骨料：：粗骨骨料、、细骨骨料2）胶凝凝材料料：水水泥3）水4）化学学外加加剂5）矿物物掺合合料（（辅助助胶凝凝材料料）混凝土土的结结构与与性能能大颗粒粗粗骨料料的间间隙由由小颗颗粒粗粗骨料料填充充小颗粒粒粗骨骨料的的间隙隙由细细骨料料填充充浆体填填充粗粗细骨骨料的的间隙隙并包包裹形形成润润滑层层，以以满足足浇注注成型型时的的工作作度要要求浆体大颗粒粗粗骨料料小颗粒粗粗骨料料细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浆浆体越越少。。1.骨料aggregate通常骨料要要占混混凝土土体积积的65~80%，因此对对其微微结构构、性性能和和经济济性都都有十十分重重要的的影响响。很很多人人认为为：粗粗骨料料最大大粒径径越大大、砂砂率越越小，，所配配制的的混凝凝土越越好。。事实实并非非如此此，骨骨料最最大粒粒径虽虽大，，但小小颗粒粒（5～10mm或5～15mm)很少甚甚至没没有，，填充充其空空隙需需要的的砂浆浆量并并不能能减少少，同时还还会带带来一一些副副作用用，如如新拌拌混凝凝土易易于离离析、、泌水水；硬硬化混混凝土土耐冲冲击和和疲劳劳强度度降低低，且且对耐耐久性性不利利。因因此在在选用用时需需要权权衡利利弊，，综合合考虑虑。骨料的的种类类1）天然骨骨料（（Naturalmineralaggregates)卵石（（砾石石）、、砂、、破碎碎天然然岩石石、(人工砂砂）2）人造造骨料料(Syntheticaggregates)页岩、、粘土土烧制制的轻轻骨料料、重重矿渣渣3）再生生骨料料（（aggregatefromrecycledconcreteandmunicipalwastes)破碎混混凝土土及市市政废废弃物物骨料的的特性性1）取决孔孔隙率率的特特性：密度、、吸水水率、、强度度、硬硬度、、弹模模和稳稳固性性2）取决决加工工参数数的特特性：：粒径径、粒粒形及及表面面构造造3）取决决化学学和矿矿物组组成的的特性性：强强度、、硬度度、弹弹模及及存在在有害害杂质质骨料表表观密密度与与堆积积密度度为了进进行混混凝土土配合合比设设计，，需要要了解解骨料料的真真实密密度和和堆积积密度度。任何天天然骨骨料都都有一一定的的孔隙隙。例例如火火成岩岩的孔孔隙率率通常常在2%；密实实沉积积岩的的可达达5%；而多多孔的的砂岩岩或石石灰岩岩可高高达10～40%。常用用天然然骨料料，如如花岗岗岩、、砂岩岩和密密室石石灰岩岩的表表观密密度为为2.60~2.70。常用天天然骨骨料的的堆积积密度度（填填充单单位体体积的的骨料料重））为1300~1750kg/m3。不同岩岩种骨骨料的的弹性性模量量与泊泊松比比岩石种种类弹性模模量(GPa)泊松比比()花岗岩岩6.0~60.00.11~0.23闪长岩岩60.0~80.00.25辉绿岩岩70.0~110.0砂岩岩6.0~25.00.07~0.22凝灰岩2.0~20.0~0.11石灰岩30.0~40.00.19~0.27大理岩50.0~80.00.25~0.28不同岩种种骨料的的线胀系系数岩石种类线胀系数(10-6/℃)花岗岩1.8~11.9闪长岩4.1~10.3辉绿岩3.6~9.7砂岩4.3~13.9白云岩6.7~8.6石灰岩0.9~12.2大理岩1.1~16.0PropertiesofConcreteA.M.Neville岩石种类渗透系数（cm/sec）渗透系数相同的水泥浆W/C密实暗色岩2.47×10－120.38石英闪长岩8.24×10－120.42大理岩2.39×10－110.48大理岩5.77×10－10

0.66花岗岩5.35×10－9

0.70砂岩1.23×10－8

0.71花岗岩1.56×10－8

0.71骨料岩种与渗渗透性Mehta.P.K.混凝土：结构构、性能与材材料骨料的坚固性性(soundness)坚固性以骨料料在干湿交替替或冻融循环环作用下，体体积变化对混混凝土劣化的的影响程度表表征。有某些些特征孔隙的的骨料常呈现现稳固性不良良，如含有某某些燧石、页页岩、石灰岩岩、砂岩混凝凝土的骨料就就易于受冻害害和盐结晶损损伤；但不少少骨料，如浮浮石和膨胀粘粘土吸水量大大，坚固性却却良好。所以以骨料的坚固固性在很大程程度上与孔径径分布有关：：当一种骨料料受潮（或者者冰冻后融化化）时易被水水饱和，而干干燥（或冰冻冻）时水却难难以流出，就就会产生很高高的静水压力力而膨胀，使使混凝土劣化化。所以为潮潮湿与冻融环环境的结构混混凝土选用骨骨料时，进行行坚固性检验验十分必要。。级配与粒径SizeandGrading级配就是将不不同粒径分布布的骨料颗粒粒混合，以尽尽量减小混凝凝土的空隙率率，从而减少少浆体用量；；同时拌后的的混凝土运送送过程不易发发生分离。简单的做法是是控制Dmax:Dmin的比例：Dmax≤25mm，Dmax:Dmin≤4；Dmax≥25mm，Dmax:Dmin≤2举例：三级配：2.5~5mm；10~25mm;20~40mm;四级配：5~20mm;20~40mm;40~80mm;80~150mm2.水泥1）水泥的生产产硅质（黏土）钙质（石灰石））++煅烧烧1450℃℃粉磨磨铁质质石膏膏石膏膏熟料料水泥泥生料料>100℃℃我国国水水泥泥生生产产与与供供应应的的发发展展1）熟料料中中C3S矿物物含含量量增增多多———早强强高高；2）粉磨磨细细度度加加大大（（实实行行新新标标准准后后进进一一步步加加剧剧））———水化化迅迅速速；；3）散散装装水水泥泥运运输输供供应应发发展展（（储储存存期期温温度度高高））；；混凝凝土土由由破破碎碎和和渗渗漏漏而而破破坏坏向向由由于于开开裂裂而而破破坏坏的的转转变变，，是是始始于于水水泥泥生生产产向向细细度度和和C3S增大大，，该该论论点点被被1944年对对混混凝凝土土结结构构调调查查的的结结果果所所证证实实。。1944年，美国公共共道路管理局局对加州等4个州的桥梁进进行了检测，，检查的目的的在于调查西西部各州混凝凝土迅速瓦解解的原因。BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.Mar,2001检测了大约200座结构，从小小的、单跨的的桥梁，到大大的、多跨桥桥梁，建成时时间为3~30年。有足够的证据据表明：在1930年以后建造的的混凝土结构构使用寿命不不如在那以前前的。例如：：检查时在1930年以前建造的的桥梁67%完好，而1930年后建造的仅仅27%尚完好。由于于施工技术仍仍然保持一样样，结论是：：水泥的细度度发生变化很很可能是主要要原因。BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.Mar,2001水泥细度对混混凝土性能的的影响作者1946~1956年间在垦务局局工作时，用用3种水泥，每一一种都磨到从从220～490m2/kg范围6种细度，用于于拌和、浇筑筑混凝土并观观察其行为。。所有混凝土都都浇筑在一个个农场里并观观测了10年。在细磨水水泥混凝土风风化、龟裂与与开裂的同时时，粗磨水泥泥（220m2/kg）对大气侵蚀的的反应是无风风化、不起霜霜，也没有龟龟裂或裂缝。。RichardW.Burrows.TheVisibleandInvisibleCrackingofConcrete水泥美国国家标准准局对199种水泥长达18年的研究最重重要的发现，，是含碱量和和细度、C3A与C4AF等参数都对水水泥的抗裂性性有非常大影影响。即使水水泥的水化速速率（强度发发展）和自由由收缩值相同同，碱对抗裂裂性的影响也也是明显的，，这表明低碱碱水泥固有抵抵抗开裂的能能力。RichardW.Burrows.TheVisibleandInvisibleCrackingofConcrete2）水泥的水化化Hydrationofcement水化1水化2图3-35硅酸盐水泥在一定温度下水化时的放热曲线初凝终凝硅酸盐水泥水水化时的放热热曲线1）CŜ·0.5H＋1.5HCŜH2（二水石膏）2）C3A+6HC3AH6（水化铝酸钙）3）C3A+3CŜ·H2+26HC3A·3CŜ·H32（钙矾石石）水化反反应闪凝与与假凝凝水化反反应2C3S+6HC3S2H3+3CH（快）2C2S+4HC3S2H3+CH（慢）两种矿矿物水水化都都生成成C-S-H，但反应速率率不同，现现代水泥C3S含量高、粉粉磨细度大大，水化迅迅速，不仅仅放热量大大而且温升升快。硅酸盐水泥泥的品种及及矿物含量量C3S48653142C2S24114034C3A138122C4AF991215水泥A水泥B水泥C水泥D普通早早强低低热抗抗硫硫酸盐影响水泥水水化的因素素1）矿物组成及及其含量；；2）粉磨细度度(影响需水量量）；3）温度；4）水灰比。新拌水泥浆浆硬化水泥浆浆影响水泥水水化的因素素组分及其含含量、粉磨磨细度、温度、水灰比和龄期R(t)=f(C3S)·f(fineness)·f(T)·f(W/C)·f(t)当混凝土温温度升高时时，水化加加快，放热热速率加速速，升温并并膨胀，凝凝结硬化形形成的微结结构体积较较大，相对对疏松，且且在随后的的降温期间间，或受干干燥环境作作用收缩变变形时产生生大量微裂裂缝，致使使结构混凝凝土强度与与渗透性（（耐久性））受到严重重影响。其他品种水水泥1）铝酸盐水泥泥：硬化、、强度发展展非常迅速速，适用于于抢修工程程和耐火材材料，但当当温度高于于30℃时，存在强强度倒缩明明显的问题题；2）硫铝酸盐与与铁铝酸盐盐水泥：我我国发明；；具有硬化化较快、早早期强度高高、微膨胀胀、碱性低低等特点，，适用于低低温施工、、特殊工程程或环境中中使用。已已用于配制制C80混凝土应用用在高层建建筑等工程程的建设。。3）低热硅酸酸盐水泥：：C2S占50％以上，C3A约4％，需水量量较小，后后期强度增增长幅度较较大，适用用于配制高高强混凝土土等。水泥的技术术性质1）密度与表观观密度2）细度3）标准稠度度用水量4）凝结时时间5）体积安安定性6）强度7）水化热热3.外加剂（1）减水剂剂（2）早强剂剂（3）缓凝剂剂（4）引气剂剂（5）膨胀剂剂与减缩缩剂（6）其它外外加剂（1）减水剂剂WaterReducer1)普通减水水剂减减水水率小于于10%掺量0.10~0.30%；单价较较低；2)高效减水水剂也也称称超塑化化剂(HighRangeWaterReducer；；Superplasticizer)减水率大大于12%，有的达达30%以上；掺量0.50~1.50%；单价较较高。为什么加加入减水水剂后水水泥浆变变稀？减水剂的的作用1）降低水灰灰比（水水胶比）），提高高混凝土土强度；；2）增大工工作度，，使混凝凝土易于于浇注、、成型密密实；3）不改变变混凝土土强度和和工作度度，在减减少用水水量的同同时降低低水泥用用量。能否同时时兼顾？？为什么么？减水剂分分散水泥泥的机理理加减水剂剂前加加减水剂剂后絮凝分散没加减水水剂的水水泥浆加减水剂后后的水泥泥浆高效减水水剂高效减水水剂的应应用，成成为混凝凝土技术术发展里里程一个个重要的的里程碑碑，应用用它可以以配制出出流动性性满足施施工需要要且水灰灰比低，，因此强强度很高高的高强强混凝土土、可以以自行流流动成型型密实的的自密实实混凝土土，以及及充分满满足不同同工程特特定性能能需要和和匀质性性良好的的高性能能混凝土土。高效减水水剂的发发展第一代：：坍落度度损失较较快（30~45分）；第二代：：与缓凝凝减水剂剂复合以以延缓损损失速率率（90分以上）），控制制有困难难；第三代：：新品种种；可保保持几小小时基本本不损失失。聚羧酸脂脂系高效效减水剂剂的作用用机理(缓释、空空间位阻阻）20世纪混凝凝土技术术发展史史上的里里程碑1）水灰比定则则（1918年，Abrams），为配合比设计计奠基；2）引气剂（50年代）应用，，使混凝土抵抵抗冻融能力力大大提高；；3）高效减水剂剂（60年代），使水水泥分散，水水灰比得以降降低，提高强强度和耐久性性。（2）早强剂Accelerator早强剂能加速速拌合物凝固固和硬化混凝凝土的强度发发展，适于在低温施施工时使用。。在负温下使使用的早强剂剂称为防冻剂剂或防冻早强强剂，它能够够降低冰点，，使拌合物中中的水分不会会很快结冰，，使水泥继续续水化，达到到抵抗冰体膨膨胀的临界强强度。（3）缓凝剂Retarder缓凝剂主要用用于抵消因环环境温度高（（热天），混混凝土凝结硬硬化加快的影影响，使其在在浇注期间保保持工作度，，并消除由于于模板弯沉引引起的开裂。。它还用于分分层浇注时保保持工作度，，以避免冷缝缝或结构不连连续问题的出出现。缓凝剂剂减小坍落度度损失的效果果，取决与水水泥和其它外外加剂的搭配配。缓凝剂剂对水水泥浆浆凝结结时间间的影影响（4）引气剂剂airentrainingadmixture是一类类表面面活性性剂，，通通过吸吸附于于气泡泡表面面，减减小表表面能能（表表面张张力））使其其稳定定，从从而可可以大大幅度度改善善混凝凝土抵抵抗冻冻融循循环的的能力力。此此外，，引气气剂还还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优点点，但但也有有影响响硬化化混凝凝土抗抗压强强度的的副作作用。。亲水水基基团团憎水水组组分分气泡泡引气气剂剂稳稳泡泡作作用用的的机机理理气孔孔间间距距系系数数L（（μm）次冻冻融融循环环后后的的长长度度变变化化300(μμm/m)（5）膨膨胀胀剂剂与与减减缩缩剂剂expansiveandshrinkagereducingadmixture1）膨胀胀剂剂：：膨膨胀胀源源分分别别有有钙钙矾矾石石、、氧氧化化钙钙和和氧氧化化镁镁：Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4+26H2O→→C3A··3CaSO4·32H2OCaO(MgO)＋H2O→Ca(OH)2[Mg(OH)2]其中，掺掺加MgO类膨胀剂剂（MgO含量较高高的水泥泥)，用于水工工大坝工工程的施施工，是是我国首首创，以以减少混混凝土大大坝的开开裂为目目的。由由于应用用和评价价方法存存在一些些问题，，掺膨胀胀剂有时时效果并并不显著著，甚至至出现加加剧开裂裂等现象象。2）减缩剂剂使用目的的与膨胀胀剂有类类似之处处，即减减少混凝凝土因收收缩变形形受约束束引起的的开裂现现象。但但两者的的作用机机理完全全不同，，前者通通过受约约束膨胀胀产生预预压应力力（储存存膨胀能能）起作作用；后后者则通通过改变变混凝土土内水分分的表面面活性，，影响其其迁移，，从而减减小混凝凝土的收收缩（包包括干缩缩和自生生收缩，，但对温温度收缩缩没有作作用）。。（6）其它外加加剂1）其它功功能的外外加剂：：如防水水剂、泵泵送剂、、速凝剂剂等；2）复合功功能的外外加剂：：如早强强减水剂剂、缓凝凝减水剂剂、引气气减水剂剂、减水水膨胀剂剂、膨胀胀防水剂剂等；4.矿物掺合合料早期在混混凝土里里掺用主主要为两两个目的的：一为为节约水水泥，获获取经济济效益；；二为减减小大体体积混凝凝土温升升，避免免温度裂裂缝。今天用矿矿物掺合合料为改善混凝凝土的微微结构和和许多重重要性能能，而且且还具有有节约能能源、保保护资源源和减小小环境污污染等多多重意义义。（1）火山灰性性质一部分矿矿物掺合合料含有有玻璃态态或者无无定形的的氧化硅硅，本身身没有胶胶凝性，，但是以以细粉末末状态存存在时，，能够与与氢氧化化钙和水水在常温温下起化化学反应应，生成成有胶凝凝性产物物的性质质。例如如天然火火山灰。。火山灰反反应：SiO2+Ca(OH)2+H2OC-S-H火山灰反反应——二次反应应的产物物与水泥泥水化的的产物一一样是C-S-H。而且因为消耗耗了部分分硅酸盐盐水泥水水化放出出的氢氧氧化钙，，加强了了过渡区区的微结结构，因因而可以以提高混混凝土的的抗渗透透性能和和强度（（主要是是后期强强度），，改善耐耐久性能能。火山灰反反应骨料过渡区区水泥石石本体体C-S-HCH钙矾石石骨料氢氧化化钙裂缝扩扩展的的路径径和方方向骨料水泥石石骨料周周围的的过渡渡区普通混混凝土土的微微结构构1）粉煤煤灰煤煤粉粉在锅锅炉中中燃烧烧后的的灰份份；2）粒状状高炉炉矿渣渣高高炉炉炼铁铁排出出的废废渣，，经水水淬并并粉磨磨后使使用；；3）硅粉粉生生产硅硅铁合合金排排出的的烟气气冷凝凝形成成微细细的粉粉末；；4）沸石石粉、、稻壳壳灰、、石灰灰石粉粉、偏偏高岭岭土等等。（2）主主要的的矿物物掺合合料种种类（3）主要矿矿物掺合料料的组成氧化物粉粉煤灰磨磨细矿渣硅硅粉水水泥低钙高高钙SiO24840369720Al2O32718925Fe2O39810.14MgO24110.11CaO3204064Na2O1