水泥化学-混凝土科学答案

混凝土科学1、 试述在结构形成过程中有哪些主要的收缩变形及行之有效的减小和抑制措施？答：主要的收缩变形有凝缩、塑性收缩、干燥收缩、化学收缩、自生收缩、温度收缩、碳化收缩等。减小和抑制措施：凝缩：混凝土凝固时，一些水与水泥颗粒结合，使体积减少，称为凝缩塑性收缩：一般由于水泥水化热高，同时在春夏季节，室外温度高而湿度较低，新浇筑的混凝土表面泌水很快被蒸发，随着混凝土表面水分的蒸发，内部的水分逐步向外迁移，这样就造成了混凝土在塑性阶段的体积收缩。干燥收缩：加强潮湿养护，增强混凝土中粗骨料的用量。自生收缩：加入内养护材料，如饱水的轻骨料，吸水性高分子等。温度收缩：减小结构的内外温差，采用膨胀系数低的骨料，大掺量的粉煤灰，低热水泥，降低水泥用量，冷却骨料，冰水搅拌。碳化收缩：化学涂层能有效降低碳化收缩。2、 试给出Vf=0%，Vf=2%，Vf=10%的普通混凝土（PC）、钢纤维混凝土（SFRC）、渍浆纤维混凝土（SIFCON）的荷载-挠度全曲线示意图并分析比较各曲线的特征点、特征阶段的异同之处？（这道题几乎每年都考）答：特征点：A:初裂荷载，B：极限荷载。PA>PAPA，PB>PBPB，（PA-PB）>（PA-PB）>（PA-PB）。3 2>1 32>1 33 22 11

抗弯荷载抗弯荷载钢纤维的掺入，推迟了初裂点的出现，对混凝土的增强阻裂效应不仅表现在裂后阶段，裂前的作用也十分明显，随着Uf的增高，位-荷曲线下的面积也相应的增大。SIFCON除具有上述特征外，还多了一个多点开裂的阶段，它对提高SIFCON的抗拉、抗弯强度，吸收动能的能力，增进韧性有很大影响。3、 试分析聚丙烯纤维、钢纤维、碳纤维对改善混凝土性能的贡献（主要是增强、增韧与阻裂）有何异同之处？（重点）答：聚丙烯纤维：高强度，低弹性模量，掺量较低，一般0.9kg：m3，主要用于抑制混凝土的早期塑性收缩。钢纤维：高强度，高弹性模量，具有增强，增韧，阻裂的效果。碳纤维：高强度，高弹性模量，与钢纤维一样具有增强，增韧，阻裂的效果，但其脆性大，价格高，性价比低4、 如何结束无坝不裂的历史？混凝土坝开裂的主要原因是坝体混凝土方量大，内部水化热不易散发，施工现场环境比较恶劣，风速较大，另外，基础基岩的强约束也是产生裂缝的一个主要原因，同时AAR也是开裂的原因。减小坝体开裂的主要途径有：1、 采用低热或中热的水泥，降低水泥的水化热；2、 在满足性能的情况下，尽可能降低水泥的用量，掺入掺合料；3、 选择线膨胀系数低的骨料；4、 在施工工艺上改进，采用预冷骨料，冰水搅拌，降低浇注温度；5、 对暴露的坝面加强养护；6、 对有碱活性（潜在碱活性）骨料，采取有效抑制措施。5、 现在混凝土与过去混凝土的差别？水泥：现在的水泥比以前磨的更细，比表面积更大。现在广泛掺有掺合料，如粉煤灰FA，slag，SF等，以前的混凝土掺合料有限。现在大量应用外加剂，如减水剂，引气剂等，以前的混凝土应用的较少。施工技术：现在的混凝土工作性能较大，多采用预拌混凝土，以前的混凝土大多采用现场搅拌，现在由于外加剂的应用，小W.；8混凝土越来越多，以前的混凝土的W..；8较大。6、 了解ECC、SCC、RPC混凝土？ECC：Engineeringcementiouscomposites（工程黏性水泥）SCC：self-compacting（consolidating）concreteRPC：ReactivepowerconcreteEcc：美国密歇根大学采用高性能纤维增强水泥砂浆，研制出一种新型水泥，俗称为工程黏性水泥（简称ECC）。其生产工艺类似于纤维混凝土，但不使用粗骨料，纤维体积含量一般不超过2%。由于ECC是基于微观层面的纤维增强机理，采用的是极细的高性能乙烯（PVA）纤维和聚乙烯（PE）纤维，基于材料微观力学设计理论和技术增强水泥砂浆，因此极大地改善了拉伸延性。它甚至具有类似金属材料的拉伸强化现象，其极限拉伸应变可达5%—6%，几乎相当于钢材的塑性变形能力，是一种具有像金属一样可变形的混凝土材料，因此，被俗称为可弯曲水泥。ECC是一种具有高韧性的延性混凝土，它具有很大的吸收能量的能力，因此可以显著改善混凝土结构的抗震性能，可用于抗震结构、抗冲击结构、结构裂缝控制和耐损伤工程结构。由于ECC具有相当于钢材的变形能力，因此可用于混凝土结构中一些塑性变形较大的构件和部位，如在塑性铰区使用ECC，可在很大的塑性变形阶段保持塑性铰的完整性。此外，ECC的抗压强度类似于混凝土，抗压弹性模量较低，但受压变形能力比普通混凝土大很多，ECC的耐火性和耐久性也被证明超过普通混凝土。美国密执安州一座桥梁的延伸工程就使用了ECC水泥；日本横滨在一次大地震后用于加固一座41层楼的支柱也采用了ECC水泥。但专家认为，ECC水泥用于普通建筑工程估计还需要数年时间。自密实混凝土（Self-consolidatingconcrete,self-compactingconcreteorSCC）是「-种高流动性且不离析的混凝土，它可以流淌到各个角落，填充模板，甚至可以填充最密集的钢筋区，而且在此过程中不需要机械振捣。作为一种高性能混凝土，自密实混凝土在保持了所有传统混凝土的力学性能和耐久特性的同时，也具备了这些优点。SCC 自密实混凝土指在几乎不需要振捣的条件下只依靠其自重就能够浇注的混凝土。通过对传统配合比进行调整，并应用高效减水剂，就可以配制出满足要求的流态混凝土。必要的情况下，也可以使用少量粘度调节剂(viscositymodifier)来减少不必要的泌水(bleeding)和离析(segregation)0从1980年代开始，自密实混凝土获得广泛应用。高性能塑性聚合物(polycarboxylatepolymers)和粘度调节剂(viscositymodifier)的发展，使得配制，流态”混凝土成为可能，同时不损害其耐久性，均匀性和抗压强度。自密实混凝土的流动性通过改进的坍落度试验方法测量(如ASTMC143方法)。自密实混凝土的扩展度(slumpflow)取决于工程的具体要求，通常为455-810mm。粘度，可以通过观察混凝土的扩展度来确定，它是塑性混凝土的重要特性，也是在针对在建的工程设计配合比时可以控制的参数。自密实混凝土独特的性能使其具有良好的经济性能、施工性能，以及美学和工程性能。它可以优化现场人力(通过减少人力和劳动强度)，降低噪音，并可以提供一个更安全的工作环境，因此正逐渐成为一个更具吸引力的选择。自密实混凝土更容易泵送，更容易流进复杂结构，具有更好的通过性能，因此能产生更好的均匀性和一致性。这就是自密实混凝土适合于钢筋密集的区域、混凝土活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，RPC)是继无宏观缺陷水泥(Micro—DefectFreeCement，MDF)、超细粒聚密水泥(DensifiedSystemContainingHomogenouslyArrangedUltra一-finePatticles，DSP)、化学结合陶瓷(ChemicallyBondedCeramics，CBC)以及高强混凝土(HighStrengthConcrete，HSC)、高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，HPC)之后，于20世纪90年代由法国人P.Richard开发出的新型水泥基复合材料，是DSP与纤维增强材料复合的高技术复合材料。RPC作为一类新型混凝土，不仅可获得200〜800MPa的超高抗压强度，而且具有30〜60MPa的抗折强度，有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，RPC的优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施中有广泛的应用前景。RPC具有优异的力学性能和耐久性，是一种高强度、高韧性、低空隙率的超高性能混凝土。它的基本设计思想是：通过提高材料组分的细度与活性，减小材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)，获得超高强度与高耐久性。根据这个原理，RPC所采用的原材料平均颗粒尺寸在0.1Ixm到1mm之间，目的是尽量减小混凝土中的孔间距，从而提高拌合物的密实度°RPC的制备采取了以下措施：通过去除粗骨料以提高水泥砂浆的力学性能，消除骨料与水泥砂浆的界面过渡，以提高基质的匀质性；优化颗粒级配，并且在凝固前和凝固期间加压，使基体的堆积密度增大，以提高拌合物的密实度；凝固以后通过热养护使RPC的反应性得以充分发挥，以改善微结构；掺加微细的钢纤维以提高韧性。RPC200中掺人的纤维长度约为13nlnl，直径约0.15〜0.20nlnl，体积掺量为1.5%〜3%。保持搅拌和浇筑的方法和程序尽可能与现有习惯的做法相接近，以便于工程应用。前3条措施使制备的基质具有很高的抗压强度，但韧性相对于普通混凝土没有明显的改变。作为第4条措施的钢纤维掺人不但使抗拉弯强度显著提高，同时也获得所需要的高韧性和延性。提高复合物匀质性及颗粒密实度的措施是RPC设计的根本所在；而加压及热养护旨在进一步提高材料的力学性能，需根据材料的具体应用及施工难易程度而取舍。7、了解变形的概念，如收缩、自收缩、干燥收缩等等？(考水泥化学也会涉及到这些问题)(胶凝材料学P148)化学减缩：在水泥的水化过程中，无水的熟料矿物转变为水化物，固相体积逐渐增加。但水泥-水体系的总体积却在不断缩小。据资料表明，水泥熟料矿物水化后发生化学减缩的大小顺序为：CA>CAF>C。S>Gs。混凝土在空气中硬化时，既要在体系中生成许多毛细孔缝影响混凝土的性能.同时又会因化学减缩引起外表体积的收缩而产生裂缝。化学收缩是不能恢复的。塑性收缩：在混凝土硬化前的塑性阶段，当混凝土表面水分蒸发速度大于补充表面水分的泌水速度时，由于泌出水分的蒸发，在水泥颗粒与集料之间，因面层之间的张力产生凹月面，混凝土在产生足够的抗张强度之前干燥，表面张力大于抗张强度，就会产生塑性收缩裂缝。典型的塑性收缩裂缝通常是相互平行的，间距0.3〜lm，很少会扩展到混凝土材料的自由边。当水分蒸发速度较大时，表面失水加快，任何延长凝结时间的因素都有使塑性收缩增大的趋势，如寒冷的气候，较低的水泥用量，缓凝剂和大多数的减水剂等。干燥收缩：在环境相对湿度低于100%时，混凝土浆体中毛细孔里的水分就开始蒸发，由于毛细孔中的水呈凹月面，随着混凝土中水泥的水化硬化，其曲率半径不断减小，使毛细孔水在液面下所受张力增加，毛细孔周围的固相就必须承受相应的压缩应力以取得平衡，从而产生固相压缩弹性变形而引起干缩。在水泥的熟料矿物组成中，四种矿物的干缩值大小顺序是：C。A>C。S>C2S>GAF。有关研究表明，浆体的干缩值随C3A含量的增加而提高，并且干缩值的差别绝大部分是由于C。A含量变化的缘故，其他组成的作用较为次要。同时，在C。A含量一定的情况下，石膏掺量又成为决定干缩值的关键。因此，最佳石膏掺量的确定，对减小水泥干缩也甚为重要。自生收缩：混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的（即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土），也可以是负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土）。失水收缩：由于湿度和温度的变化，要引起水泥石中水分的变化，伴随着水泥石失水的过程，从而引起水泥石的收缩。其中与相对湿度RH有关的为干燥脱水，而在高温作用下的失水为温度脱水。温度收缩：在绝热状态下，每100kg水泥因水化放热可使混凝土升温10C〜12C，尤其是大体积混凝土，由于水化热产生的升温较高、降温幅度大，使混凝土形成较大的温度和收缩应力，从而导致裂缝的产生。水泥熟料矿物的水化放热大小规律为：C。A>C4AF>c3S>C2S。碳化收缩：在一定的相对湿度范围内。混凝土浆体内的（OH）和其他水化产物会与空气中的C反应，浆体的体积减小，出现不可逆的碳化收缩。不过，在一般的大气中，实际的碳化收缩速度很慢，通常在1年以后才会在混凝土表面产生微细裂缝，主要影响其外观质量。在荷载作用下的变形：弹塑性变形和徐变弹塑性变形：混凝土内部结构中含有砂石骨料、水泥石（水泥石中有存在着凝胶、晶体和未水化的水泥颗粒）、游离水分和气泡，这就决定了混凝土本身的不匀质性。它不是一种完全的弹性体，而是一种弹塑性体。它在受力时，既会产生可以恢复的弹性变形，又会产生不可恢复的塑性变形，其应力与应变之间的关系不是直线而是曲线。徐变：混凝土在长期荷载作用下，沿着作用力方向的变形会随时间不断增长，即荷载不变而变形仍随时间增大，一般要延续2-3年才逐渐趋于稳定。这种在长期荷载作用下产生的变形，通常称为徐变。8、纤维体积率、长径比、临界长径比、临界体积率等基本概念？（这些概念看似简单很难回答，认真看书）纤维体积率：掺入1方混凝土中的纤维的体积数量，vf长径比：纤维长度与纤维的等效直径之比，V-df■f临界长径比：当复合材料受力，纤维应力达到它的极限值时的纤维长度（即临界长度）与纤维直径之比，它与纤维直径、纤维抗拉强度和界面平均粘结强度密切相关。临界体积率：使复合材料在基体开裂后的承载力不致下降所需要的最小纤维体积率，或当混凝土基体开裂后，纤维能承担因基体卸载而转移给它的荷载，而不使复合材料的承载能力下降的最小纤维体积率，/六,一这是判断钢纤维混凝土破坏形成和对混凝土基体能否产生增强、增韧和阻裂等复合效应的重要标志。9、 引起混凝土损伤劣化的主要因素有哪些？抑制混凝土损伤、推迟混凝土失效最关键的措施是什么？最关键的措施：设计满足结构要求的混凝土配合比，针对环境的不同，如ci侵蚀、硫酸盐腐蚀、碱骨料反应（AAR）等，有选择性的优选混凝土原材料，考虑结构的服役期，混凝土在多种因素耦合作用下，对混凝土的耐久性进行评估和预测。施工工艺的提高：加强养护，减少混凝土的干缩开裂的风险，运行期加强维护和监测，一旦发现混凝土出现损伤劣化，就采取相应的维修加固，延长结构的服役期。思考题10、 研究混凝土性能和机理时要采用多尺度结构层次进行分析，主要有哪些层次？11、 大体积混凝土经常发生哪些问题，采用的解决办法有哪些？一、 大体积混凝土简述：现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。它主要的特点就是体积大，一般实体最小尺寸大于或等于1m。它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。所以必须从根本上分析它，来保证施工的质量。二、 大体积混凝土的裂缝大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；而深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性；表面裂缝一般危害性较小。但出现裂缝并不是绝对地影响结构安全，它都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件最大裂缝宽度《0.3mm；处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度《0.2mm。对于地下或半地下结构，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在0.1~0.2mm时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。如超过0.2~0.3mm，则渗漏水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大。所以，在地下工程中应尽量避免超过0.3mm贯穿全断面的裂缝。如出现这种裂缝，将大大影响结构的使用，必须进行化学灌浆加固处理。大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一方面是混凝土内部因素：由于内外温差而产生的；另一方面是混凝土的外部因素：结构的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止混凝土收缩变形，混凝土抗压强度较大，但受拉力却很小，所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内，一般不会影响结构的强度，但却对结构的耐久性有所影响，因此必须予以重视和加以控制。产生裂缝的主要原因有以下几方面：1、温度应力。包括由结构混凝土本身水化热产生的和由环境温度变化产生的。2、干缩应力。由于混凝土的水分扩散系数极小，结构水分的散失，多数发生在混凝土表层很浅的部位，而且拉应力也产生在这个部位。3、外荷载应力。包括自重、水压、泥沙压力、扬压力、地震力、动水压力、冰压力、设备重量及其他设计考虑的活荷载及死荷载。4、基础变形和模板走样产生的应力。5、膨胀力产生的应力。包括冻融破坏、碱-骨料反应、钢筋锈蚀、水泥不安定及硫酸盐侵蚀等。6、自生体积变形应力。可能是膨胀变形，也可能是收缩变形。前者会增加压应力，后者会产生拉应力。三、大体积混凝土的配制大体积混凝土所选用的原材料应注意以下几点：1、 粗骨料宜采用连续级配，细骨料宜采用中砂。2、 外加剂宜采用缓凝剂、减水剂；掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等。3、 大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下，应提高掺合料及骨料的含量，以降低单方混凝土的水泥用量。4、 水泥应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥，优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。但是，水化热低的矿渣水泥的析水性比其它水泥大，在浇筑层表面有大量水析出。这种泌水现象，不仅影响施工速度，同时影响施工质量。因析出的水聚集在上下两浇筑层表面间，使混凝土水灰比改变，而在掏水时又带走了一些砂浆，这样便形成了一层含水量多的夹层，破坏了混凝土的粘结力和整体性。混凝土泌水性的大小与用水量有关，用水量多，泌水性大；且与温度高低有关，水完全析出的时间随温度的提高而缩短；此外，还与水泥的成分和细度有关。所以，在选用矿渣水泥时应尽量选择泌水性的品种，并应在混凝土中掺入减水剂，以降低用水量。在施工中，应及时排出析水或拌制一些干硬性混凝土均匀浇筑在析水处，用振捣器振实后，再继续浇筑上一层混凝土。四、 大体积混凝土的浇筑：浇筑方案，除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外，还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响，常采用的方法有以下几种：1、 全面分层：即在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止。采用这种方案，适用于结构的平面尺寸一般不宜太大，施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。2、 分段分层：混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。由于总的层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，不象第一种方案那样集中。这种方案适用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。3、 斜面分层：要求斜面的坡度不大于1/3,适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。五、 大体积混凝土养护时的温度控制大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过人工的温度控制，防止因温度变形引起混凝土的开裂。温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行人为的控制。在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点：混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20r；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于25°C~30°C。混凝土拆模时，混凝土的温差不超过20C。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行，还有常见的投毛石法，均可以有效地控制因混凝土内外温差而引起的混凝土开裂。保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料（如草袋、锯木、湿砂等）在缓慢的散热过程中，使混凝土获得必要的强度，以控制混凝土的内外温差小于20°C。混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土收缩时产生干裂。在大体积混凝土施工时掌握住它的基本知识，并根据实际采取有较措施，会使施工质量得到很好的保证。温度裂缝的控制措施：（图书馆）实践经验证明，现有大体积混凝土结构的裂缝，绝大多数水由于温度裂缝引起的。工程上常用于控制大体积混凝土温度裂缝的措施主要有：⑴采用中低热的水泥品种；⑵队混凝土合理的分缝分块；⑶在满足混凝土强度和其他性能要求的前提下，尽量降低水泥用量；⑷掺加适量的外加剂;⑸选择是以的骨料；选择混凝土出机温度和脚注温度；⑺预埋水管，通水冷却，降低混凝土内部温升；⑻采取表面保护，保温隔离措施，降低内部温差；⑼采取防治大体积混凝土裂缝的结构措施。此外，还要做到在施工过程中，采取一系列有效的技术措施，根据我国大体积混凝土施工经验，应着重从控制混凝土温升，延缓混凝土降温速率，减少混凝土收缩变形，提