混凝土原材料的进展

二、混凝土原材料的进展

AdvancesinConstituentMaterialsofConcrete

混凝土组成材料1）骨料：粗骨料、细骨料2）胶凝材料：水泥3）水4）化学外加剂5）矿物掺合料（辅助胶凝材料）混凝土的结构与性能大颗粒粗骨料的间隙由小颗粒粗骨料填充小颗粒粗骨料的间隙由细骨料填充浆体填充粗细骨料的间隙并包裹形成润滑层，以满足浇注成型时的工作度要求浆体大颗粒粗骨料小颗粒粗骨料细骨料骨料的空隙率越小，填充其空隙所需要的浆体越少。1.骨料

aggregate

通常骨料要占混凝土体积的65~80%，因此对其微结构、性能和经济性都有十分重要的影响。很多人认为：粗骨料最大粒径越大、砂率越小，所配制的混凝土越好。事实并非如此，骨料最大粒径虽大，但小颗粒（5～10mm或5～15mm)很少甚至没有，填充其空隙需要的砂浆量并不能减少，同时还会带来一些副作用，如新拌混凝土易于离析、泌水；硬化混凝土耐冲击和疲劳强度降低，且对耐久性不利。因此在选用时需要权衡利弊，综合考虑。骨料的种类1）天然骨料（Naturalmineralaggregates)卵石（砾石）、砂、破碎天然岩石、(人工砂）2）人造骨料(Syntheticaggregates)页岩、粘土烧制的轻骨料、重矿渣3）再生骨料（aggregatefromrecycledconcreteandmunicipalwastes)破碎混凝土及市政废弃物骨料的特性1）取决孔隙率的特性：密度、吸水率、强度、硬度、弹模和稳固性2）取决加工参数的特性：粒径、粒形及表面构造3）取决化学和矿物组成的特性：强度、硬度、弹模及存在有害杂质骨料表观密度与堆积密度

为了进行混凝土配合比设计，需要了解骨料的真实密度和堆积密度。任何天然骨料都有一定的孔隙。例如火成岩的孔隙率通常在2%；密实沉积岩的可达5%；而多孔的砂岩或石灰岩可高达10～40%。常用天然骨料，如花岗岩、砂岩和密室石灰岩的表观密度为2.60~2.70。常用天然骨料的堆积密度（填充单位体积的骨料重）为1300~1750kg/m3。不同岩种骨料的弹性模量与泊松比岩石种类

弹性模量(GPa)泊松比()

花岗岩6.0~60.00.11~0.23闪长岩60.0~80.00.25辉绿岩70.0~110.0砂岩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不同岩种骨料料的线胀系数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固性(soundness)坚固性以骨骨料在干湿湿交替或冻冻融循环作作用下，体体积变化对对混凝土劣劣化的影响响程度表征征。有某些些特征孔隙隙的骨料常常呈现稳固固性不良，，如含有某某些燧石、、页岩、石石灰岩、砂砂岩混凝土土的骨料就就易于受冻冻害和盐结结晶损伤；；但不少骨骨料，如浮浮石和膨胀胀粘土吸水水量大，坚坚固性却良良好。所以以骨料的坚坚固性在很很大程度上上与孔径分分布有关：：当一种骨骨料受潮（（或者冰冻冻后融化））时易被水水饱和，而而干燥（或或冰冻）时时水却难以以流出，就就会产生很很高的静水水压力而膨膨胀，使混混凝土劣化化。所以为为潮湿与冻冻融环境的的结构混凝凝土选用骨骨料时，进进行坚固性性检验十分分必要。级配与粒径径SizeandGrading级配就是将将不同粒径径分布的骨骨料颗粒混混合，以尽尽量减小混混凝土的空空隙率，从从而减少浆浆体用量；；同时拌后后的混凝土土运送过程程不易发生生分离。简单的做法法是控制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1450℃℃粉磨铁质石膏石膏熟料水泥生料>100℃℃我国水泥生生产与供应应的发展1）熟料中C3S矿物含量增增多——早强高；2）粉磨细度加加大（实行行新标准后后进一步加加剧）——水化迅速；；3）散装水泥泥运输供应应发展（储储存期温度度高）；混凝土由破破碎和渗漏漏而破坏向向由于开裂裂而破坏的的转变，是是始于水泥泥生产向细细度和C3S增大，该论论点被1944年对混凝土土结构调查查的结果所所证实。1944年，美国公公共道路管管理局对加加州等4个州的桥梁梁进行了检检测，检查查的目的在在于调查西西部各州混混凝土迅速速瓦解的原原因。BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.Mar,2001检测了大约约200座结构，从从小的、单单跨的桥梁梁，到大的的、多跨桥桥梁，建成成时间为3~30年。有足够的证证据表明：：在1930年以后建造造的混凝土土结构使用用寿命不如如在那以前前的。例如如：检查时时在1930年以前建造造的桥梁67%完好，而1930年后建造的的仅27%尚完好。由由于施工技技术仍然保保持一样，，结论是：：水泥的细细度发生变变化很可能能是主要原原因。BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.Mar,2001水泥细度对对混凝土性性能的影响响作者1946~1956年间在垦务务局工作时时，用3种水泥，每每一种都磨磨到从220～490m2/kg范围6种细度，用用于拌和、、浇筑混凝凝土并观察察其行为。。所有混凝土土都浇筑在在一个农场场里并观测测了10年。在细磨磨水泥混凝凝土风化、、龟裂与开开裂的同时时，粗磨水水泥（220m2/kg）对大气侵蚀蚀的反应是是无风化、、不起霜，，也没有龟龟裂或裂缝缝。RichardW.Burrows.TheVisibleandInvisibleCrackingofConcrete水泥美国国家标标准局对199种水泥长达达18年的研究最最重要的发发现，是含含碱量和细细度、C3A与C4AF等参数都对对水泥的抗抗裂性有非非常大影响响。即使水水泥的水化化速率（强强度发展））和自由收收缩值相同同，碱对抗抗裂性的影影响也是明明显的，这这表明低碱碱水泥固有有抵抗开裂裂的能力。。RichardW.Burrows.TheVisibleandInvisibleCrackingofConcrete2）水泥的水水化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泥水化时的的放热曲线线1）CŜ·0.5H＋1.5HCŜH2（二水石膏））2）C3A+6HC3AH6（水化铝酸钙钙）3）C3A+3CŜ·H2+26HC3A·3CŜ·H32（钙矾石）水化反应闪凝与假凝凝水化反应2C3S+6HC3S2H3+3CH（快）2C2S+4HC3S2H3+CH（慢）两种矿物水水化都生成成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）凝结时间间5）体积安定定性6）强度7）水化热3.外加剂（1）减水剂（2）早强剂（3）缓凝剂（4）引气剂（5）膨胀剂与与减缩剂（6）其它外加加剂（1）减水剂WaterReducer1)普通减水剂剂减减水率小于于10%掺量0.10~0.30%；单价较低低；2)高效减水剂剂也也称超塑化化剂(HighRangeWaterReducer；；Superplasticizer)减水率大于于12%，有的达30%以上；掺量0.50~1.50%；单价较高高。为什么加入入减水剂后后水泥浆变变稀？减水剂的作作用1）降低水灰比比（水胶比比），提高高混凝土强强度；2）增大工作作度，使混混凝土易于于浇注、成成型密实；；3）不改变混混凝土强度度和工作度度，在减少少用水量的的同时降低低水泥用量量。能否同时兼兼顾？为什什么？减水剂分散散水泥的机机理加减水剂前前加加减水剂剂后絮凝分散没加减水剂剂的水泥浆浆加减水剂后的的水泥浆高效减水剂剂高效减水剂剂的应用，，成为混凝凝土技术发发展里程一一个重要的的里程碑，，应用它可可以配制出出流动性满满足施工需需要且水灰灰比低，因因此强度很很高的高强强混凝土、、可以自行行流动成型型密实的自自密实混凝凝土，以及及充分满足足不同工程程特定性能能需要和匀匀质性良好好的高性能能混凝土。。高效减水剂剂的发展第一代：坍坍落度损失失较快（30~45分）；第二代：与与缓凝减水水剂复合以以延缓损失失速率（90分以上），，控制有困困难；第三代：新新品种；可可保持几小小时基本不不损失。聚羧酸脂系系高效减水水剂的作用用机理(缓释、空间间位阻）20世纪混凝土土技术发展展史上的里里程碑1）水灰比定定则（1918年，Abrams），为配合比设设计奠基；；2）引气剂（（50年代）应用用，使混凝凝土抵抗冻冻融能力大大大提高；；3）高效减水水剂（60年代），使使水泥分散散，水灰比比得以降低低，提高强强度和耐久久性。（2）早强剂Accelerator早强剂能加加速拌合物物凝固和硬硬化混凝土土的强度发发展，适于在低温温施工时使使用。在负负温下使用用的早强剂剂称为防冻冻剂或防冻冻早强剂，，它能够降降低冰点，，使拌合物物中的水分分不会很快快结冰，使使水泥继续续水化，达达到抵抗冰冰体膨胀的的临界强度度。（3）缓凝剂Retarder缓凝剂主要要用于抵消消因环境温温度高（热热天），混混凝土凝结结硬化加快快的影响，，使其在浇浇注期间保保持工作度度，并消除除由于模板板弯沉引起起的开裂。。它还用于于分层浇注注时保持工工作度，以以避免冷缝缝或结构不不连续问题题的出现。。缓凝剂减减小坍落度度损失的效效果，取决决与水泥和和其它外加加剂的搭配配。缓凝剂对水水泥浆凝结结时间的影影响（4）引气剂airentrainingadmixture是一类表面面活性剂，，通过吸吸附于气泡泡表面，减减小表面能能（表面张张力）使其其稳定，从从而可以大大幅度改善善混凝土抵抵抗冻融循循环的能力力。此外，，引气剂还还有改善混混凝土拌合合物工作度度和泵送性性能的优点点，但也有有影响硬化化混凝土抗抗压强度的的副作用。。亲水基团憎水组分气泡引气剂稳泡泡作用的机机理气孔间距系系数L（μm）次冻融循环后的长长度变化300(μm/m)（5）膨胀剂与与减缩剂expansiveandshrinkagereducingadmixture1）膨胀剂：膨膨胀源分别别有钙矾石石、氧化钙钙和氧化镁镁：Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4+26H2O→C3A·3CaSO4·32H2OCaO(MgO)＋H2O→Ca(OH)2[Mg(OH)2]其中，掺加加MgO类膨胀剂（（MgO含量较高的的水泥)，用于水工大大坝工程的的施工，是是我国首创创，以减少少混凝土大大坝的开裂裂为目的。。由于应用用和评价方方法存在一一些问题，，掺膨胀剂剂有时效果果并不显著著，甚至出出现加剧开开裂等现象象。2）减缩剂使用目的与与膨胀剂有有类似之处处，即减少少混凝土因因收缩变形形受约束引引起的开裂裂现象。但但两者的作作用机理完完全不同，，前者通过过受约束膨膨胀产生预预压应力（（储存膨胀胀能）起作作用；后者者则通过改改变混凝土土内水分的的表面活性性，影响其其迁移，从从而减小混混凝土的收收缩（包括括干缩和自自生收缩，，但对温度度收缩没有有作用）。。（6）其它外加剂剂1）其它功能能的外加剂剂：如防水水剂、泵送送剂、速凝凝剂等；2）复合功能能的外加剂剂：如早强强减水剂、、缓凝减水水剂、引气气减水剂、、减水膨胀胀剂、膨胀胀防水剂等等；4.矿物掺合料料早期在混凝凝土里掺用用主要为两两个目的：：一为节约约水泥，获获取经济效效益；二为为减小大体体积混凝土土温升，避避免温度裂裂缝。今天用矿物物掺合料为为改善混凝土土的微结构构和许多重重要性能，，而且还具具有节约能能源、保护护资源和减减小环境污污染等多重重意义。（1）火山灰性质质一部分矿物物掺合料含含有玻璃态态或者无定定形的氧化化硅，本身身没有胶凝凝性，但是是以细粉末末状态存在在时，能够够与氢氧化化钙和水在在常温下起起化学反应应，生成有有胶凝性产产物的性质质。例如天天然火山灰灰。火山灰反应应：SiO2+Ca(OH)2+H2OC-S-H火山灰反应应——二次反应的的产物与水水泥水化的的产物一样样是C-S-H。而且因为消耗了了部分硅酸酸盐水泥水水化放出的的氢氧化钙钙，加强了了过渡区的的微结构，，因而可以以提高混凝凝土的抗渗渗透性能和和强度（主主要是后期期强度），，改善耐久久性能。火山灰反应应骨料过渡区水泥石本体体C-S-HCH钙矾石骨料氢氧化钙裂缝扩展的的路径和方方向骨料水泥石骨料周围的的过渡区普通混凝土土的微结构构1）粉煤灰煤煤粉粉在锅炉中中燃烧后的