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作者:侯伟 主编 李坦平、吴锦杨 副主编

出版社:化学工业出版社

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混凝土工艺学

混凝土工艺学试读:

前言

混凝土是世界上使用量最大、使用范围最广的建筑材料。混凝土是由水泥、砂、石、水、外加剂和掺合料等多组分材料组成的一种复合材料,其性能除了受混凝土配合比设计影响以外,还受到混凝土的搅拌工艺、输送工艺以及施工工艺的影响。随着技术的进步,人们对混凝土的性能提出了更高的要求。

近几年,混凝土行业的国家标准和行业标准更新较多,而相关教材出版较少。目前,大部分关于混凝土的教材都是介绍高性能混凝土,对于大学生入门课程“普通混凝土”的介绍较少;主流教材主要侧重介绍混凝土的原材料、拌合物性能、力学性能及混凝土配合比设计,并未详细介绍搅拌设备、运输设备、浇筑设备、密实成型设备以及养护设备;主流教材介绍的特种混凝土,知识点更新较少,关于近十年内新型3D打印混凝土、透光混凝土的介绍更是极少提及,无法拓展学生视野。因此,现有的混凝土方面的教材既不能充分满足师生教学要求,也不能满足对从业人员进行技术指导的要求。鉴于此,笔者联合武汉理工大学、湖南工学院、安徽建筑大学城市建设学院、洛阳理工学院的同行教师,将理论知识和工程实践相结合,共同编写了本书。本书主要特点如下:(1)本书将混凝土生产技术和混凝土生产设备结合在一起来讲述。书中系统全面地对混凝土原材料、拌合物性能、力学性能、耐久性、配合比设计、搅拌工艺、输送工艺、施工工艺进行了介绍。(2)本书附录中增设了混凝土工程常见外观质量弊病和防治措施,目的就是为了让学生能够用所学理论知识分析实际工程中遇到的问题,培养学生分析解决实际问题的能力。(3)由于近几年混凝土相关的国家标准和行业标准更新较多,本书及时将知识点更新至目前最新标准,同时将标准代号附在每个知识点的位置,便于读者能够知晓理论知识来源。(4)本书配套实验教材为《混凝土工艺学实验》,理论教材侧重理论知识讲解,实验教材侧重实验操作,能够让学生做到学-做结合,提高学生动手能力。建议读者两本书结合使用,从而更全面地了解相关知识。

本书由侯伟担任主编,李坦平、吴锦杨担任副主编。第1章~第5章由侯伟编写;第6章由李坦平编写;第7章和附录由吴锦杨编写;第8章由石明明编写;第9章由茹晓红编写;第10章由朱莉云编写。在本教材的编写过程中,王文革、周学忠、曾利群、赵洪、王宇东、袁龙华、吴智、张婵娟对教材初稿的审阅和修订提出了宝贵的意见,在此一并表示感谢。全书由侯伟统稿。

本书由武汉理工大学博士生导师马保国教授主审。编者对主审人的精心审阅表示衷心的感谢。

本书在编写过程中,得到了教育部卓越工程师教育培养计划、湖南省重点建设学科“材料学”的资助,在此表示衷心的感谢。

由于建筑材料种类繁多,近几年混凝土理论和技术发展较快,且行业内各标准并不完全统一,加之编者水平有限,教材中如有不妥或遗漏之处,敬请广大读者和同仁批评指正,以便再版时修订和更正。(E-mail:2007houwei@163.com)编者第1章 绪论1.1 混凝土发展概况及趋势1.1.1 混凝土发展概况

早在公元前,古罗马人就利用石灰与火山灰混合料浆加入石渣、砖块、天然卵石等制成混凝土。利用这种混凝土建成的各种建筑,如著名的万神庙、古罗马竞技场等已有2000年左右的历史,其整体结构或主要部分至今依然完好。我国也有利用石灰与火山灰筑造的部分长城和城墙,而且进一步利用人造火山灰——烧黏土或红砖粉拌合石灰,在明代和清代建成各种储水和输水建筑,其功效也历经考验。不同的是古罗马火山灰本身含有约10%的NaO和KO(与石灰混合22后实质就是最原始的碱激发水泥),我国和世界上大多数国家的火山灰含NaO和KO较少。因此,世界上大多数石灰火山灰混凝土,凝22结硬化较慢、早期强度较低。随着历史的发展,石灰火山灰胶凝材料逐步被天然水泥和波特兰水泥所取代。对比混凝土所用胶凝材料种类的变化过程,可发现其实质上是矿物组成由基本独立的活性CaO、SiO和AlO矿物体系向合成的活性硅铝酸钙矿物体系的转变,也是223其化学成分当中CaO含量与SiO+AlO含量之比大体上由低向高的转223变。因而使混凝土具有更优良的工作性、凝结时间和早期强度。

1824年英国工程师约瑟夫·阿斯普丁(Joseph AsPdih)获得第一份水泥专利,标志着水泥的发明。这以后,水泥以及混凝土才开始广泛应用到建筑上。19世纪中叶,法国人约瑟夫·莫尼哀(1823—1906)制造出钢筋混凝土花盆,并在1867年获得了专利权。在1867年巴黎世界博览会上,莫尼哀展出了钢筋混凝土制作的花盆、枕木,另一名法国人兰特姆展出了钢筋混凝土制造的小瓶、小船。1928年,美国人Freyssinet发明了一种新型钢筋混凝土结构形式:预应力钢筋混凝土,并于二次世界大战后被广泛地应用于工程实践。钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土解决了混凝土抗压强度高,抗折、抗拉强度较低的问题,使高层建筑与大跨度桥梁的建造成为可能。

19世纪中后期,清朝洋务派进步人士掀起学习西方先进工业技术的高潮,并在上海建成了我国第一家水泥厂,当时,称水泥为“洋灰”。在19世纪末20世纪初,我国也开始有了钢筋混凝土建筑物,如上海市的外滩、广州市的沙面等,但工程规模很小,建筑数量也很少。1949年以后,我国在落后的国民经济基础上进行了大规模的社会主义建设。随着工程建设的发展及国家进一步的改革开放,混凝土结构在我国各项工程建设中得到迅速的发展和广泛的应用。

早期混凝土组分简单(水泥、砂、石子、水),强度等级低,施工劳动强度巨大,靠人工搅拌或小型自落式搅拌机搅拌,施工速度慢,质量控制粗糙。高性能混凝土外加剂的广泛应用,是混凝土发展史上又一座里程碑。外加剂不但可以减少用水量、实现大流动性,还能够使混凝土施工变得省力、省时、经济。

20世纪30年代末,美国发明了松脂类引气剂和纸浆废液减水剂,使混凝土的耐久性以及和易性得到前所未有的提高。20世纪60年代,日本和德国相继成功研制出了萘系高效减水剂和三聚氰胺树脂系高效减水剂。在相同水胶比的条件下,掺入高效减水剂可以使混凝土的坍落度成倍提高,即使是水胶比很低的高性能混凝土,坍落度仍能达到200~250mm。其实,在混凝土中掺入外加剂的做法并非现代才有,罗马建筑告诉我们,当时的混凝土中经常加入动物血或鸡蛋白,来改善混凝土的工作性和耐久性。唐宋以来用桐油、糯米汁、牛马血、杨桃藤汁掺入石灰砂浆中提高防水与耐久性。近代的各种增强混凝土,掺加混合材与各种外加剂,都是用来改善混凝土性能,以达到增强、耐久、经济等目的。

20世纪末期,出现了集中搅拌的专业混凝土企业,使泵送混凝土施工中混凝土的搅拌供料有了保证。1978年,在江苏省常州市,3中国建成第一家混凝土搅拌站,当时每盘混凝土只能搅拌1m。十一届三中全会后,我国确立了经济改革开放的基本国策,城市建设突飞猛进,混凝土搅拌站在沿海地区如雨后春笋般大量涌现。

跨入21世纪,计算机技术、机械工业技术、先进检测分析研究技术、现代管理技术的飞速进步,我国预拌混凝土技术的发展与时俱进,取得了世界瞩目的成就。天津117大厦其混凝土泵送高度达621m,创下混凝土泵送高度吉尼斯世界纪录。天津117大厦的建造成为中国乃至世界的又一标志性建筑,从混凝土实际泵送高度上,621m的泵送高度一举超越了迪拜哈利法塔601m的“净身高”,同时也超越了上海中心大厦606m的混凝土泵送高度,创造了世界混凝土泵送第一高度。

目前一些发达国家,如日本、美、英等许多国家已基本在全部混凝土中掺用外加剂,其中必掺的外加剂是引气剂,只有在少数的特种混凝土中才不掺引气剂。我国在20世纪50年代就开始使用外加剂,在70年代中期,又掀起了使用和研制外加剂的热潮,但与国外发达国家相比仍存在很大差距。尤其是引气剂的使用情况,目前与发达国家的使用情况几乎相反,只在少数的混凝土中掺用了引气剂。

20世纪50年代,国际上将高强混凝土定义为抗压强度35MPa及以上,70年代为50MPa及以上,80年代为60MPa及以上,90年代为80MPa及以上。我国《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)和《建筑材料术语标准》(JGJ/T 191—2009)将高强混凝土定义为:强度等级不低于C60的混凝土。我国天津117大厦,其中混凝土最高强度等级达到C120。现在人们已经能够配制150MPa的混凝土;配制200MPa的活性粉末混凝土(掺入纤维,去除粗骨料,增大堆积密度和匀质性)。活性粉末混凝土在薄壁钢管的约束下,抗压强度可提高至375MPa;使用金属粉末取代砂子时,混凝土的抗压强度甚至可达800MPa。

然而,在混凝土强度不断提高的进程中,混凝土的耐久性并非全部得到了提高,其中甚至还有降低的情况。从20世纪70年代起,发达国家已有投入使用的诸多基础建设和重大工程出现了过早破坏的问题。如美国有25.3万座混凝土桥梁,桥面板使用不到20年就开始破裂。英国英格兰的中环城快车道上有8座高架桥,全长21km,总造价约2800万英镑,而2004年修补费用达1.2亿英镑。我国房屋与基础设施的使用年限低于世界平均水平,且远远达不到设计的要求。有的公路桥梁甚至仅使用3~5年就出现了破损现象,个别桥梁建成后尚未投入使用便开始维修,甚至边建边修,大大缩短了混凝土结构的服役寿命。其内在原因与水泥中CS含量和粉磨细度的盲目提高以及混凝土3水胶比的不适当变化都有必然的联系。

为提高混凝土的耐久性,1968年以来,日本、美国、加拿大、法国、德国等国家大力投入开发和研究高性能混凝土。1990年,美国国家标准与技术研究院(NIST)和ACI201委员会将其定名为“HPC”,它否定了过去过于偏重强度的发展道路,美国学者认为:HPC是一种易于浇筑、捣实、不离析,能长期保持高强度、高韧性和体积稳定性,在严酷条件下使用寿命很长的混凝土。我国学者及专家认为:高性能应体现在工程力学特性、新拌混凝土施工特性、使用寿命和节能利废(经济学特性)的综合能力之上。然而,在何种应用环境下何种结构的混凝土才具有最佳的技术经济性能,以及如何采用切实可行的手段使各种混凝土具有相对的高性能,目前尚需不断深入的研究。1.1.2 混凝土发展趋势

现代科技革命给混凝土的研究和发展带来巨大的冲击和挑战,同时也带来了机遇和促进。随着混凝土朝着高性能、智能和绿色化的方向不断发展,随着人类社会经济的高速发展,基础设施建设的不断加快,人民生活水平逐渐提高而对住房的需求日益增大,混凝土材料必将以其经济、耐久、智能、绿色等特点成为建筑工程领域中使用最广泛的材料。(1)高性能化

混凝土的高性能化主要体现在高工作性、高强度和高耐久性(水工混凝土的抗渗、寒冷地区的抗冻、机场和公路混凝土路面的抗冲耐磨、海工或化工混凝土工程的抗酸性侵蚀、大体积混凝土的抗裂等)几个方面。高工作性可通过复合超塑化剂来实现,使得混凝土能够无须振捣靠自重流平模板的每一个角落,即自密实混凝土。高强度可以通过复合各种纤维来实现,法国研究人员通过特殊工业复合直径0.15mm、长度13mm、最大体积掺量为2.5%的钢纤维,在400℃的养护条件下,制备出的超高强混凝土其抗压强度达到800MPa。这种混凝土在韩国得到了商业应用,如Cheong人行桥,跨度120m,拱高130m,其细长比创造了世界纪录。高的耐久性,根据不同要求复合不同的材料,如复合化学纤维、超细矿物掺合料或引气剂等可以提高混凝土的抗渗性和抗冻性,复合钢纤维和硅灰可以提高路面的抗冲耐磨性能,复合高炉矿渣和粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力,复合大掺量粉煤和相变材料(如冰)可以减少大体积混凝土内部温升从而控制其开裂等。(2)智能化

所谓智能化,就是在混凝土原有的组分的基础上复合智能型组分,使混凝土材料成为具有自感知、自记忆、自调节、自修复特性的多功能材料。自感知混凝土就是在混凝土基材中加入导电相可使混凝土具备本征自感应功能,例如在混凝土中加入具有温敏性的碳纤维,使得混凝土具有热电效应和电热效应。

日本学者研制了自动调节环境湿度的混凝土,该混凝土本身即可完成对室内环境湿度的探测,并根据需求对其进行调控。这种为混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉,其作用机理-10-10为:沸石中的硅钙酸盐含有3×10~9×10m的孔隙,这些孔隙可以对水分、NO和SO气体选择性吸附,通过对沸石种类进行选择xx(天然的沸石有40多种),可以制备出符合实际需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点:优先吸附水分;水蒸气压低的地方,其吸湿容量大;吸放湿与温度相关,温度上升时放湿,温度下降时吸湿。这种材料已成功用于多家美术馆的室内墙壁,取得非常好的效果。

自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理,采用粘结材料和基材相复合的方法,对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能,恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。日本学者将内含粘结剂的空心胶囊掺入混凝土材料中,一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂,空心胶囊就会破裂而释放粘结剂,粘结剂流向开裂处,使之重新粘结起来,起到愈伤的效果。(3)绿色环保化

混凝土虽然拥有众多优势,但其对环境的影响却不能忽视。混凝土每年大约消耗15亿吨的水泥和近90亿吨的天然砂石料,可以说是世界上最大的天然资源用户,其生产和应用必将给生态环境带来许多不利的影响。所以混凝土就必然面临这一问题所带来的冲击,可持续经济、循环经济、节能减排等一系列国家政策要求混凝土必须走绿色环保之路。

①以工业废料代替水泥 许多工业废料如煤热电厂排放的粉煤灰、炼钢厂排放的粒化高炉矿渣(磨细)、工业燃煤后留下的未能充分燃烧的煤矸石(磨细),生产硅金属时排放的硅灰等都可以用来部分代替水泥,而不降低混凝土的性能。事实上,这些工业废料等量代替水泥后,如果配料得当,往往能够提高混凝土的各种性能,如强度和耐久性能。我国的三峡大坝,使用2800万立方米混凝土,混凝土约6720万吨,其中的粉煤灰替代水泥的量为40%,既减少了成本,又成功解决了三峡大坝大体积混凝土温升的问题。硅灰已成为现代高强高性能混凝土必不可少的矿物掺合料之一。

②建筑垃圾循环利用 如果将占混凝土质量80%左右的天然骨料(砂、石)全部用工业和建筑垃圾代替,将具有重要意义。将工业和建筑垃圾(如拆迁的废砖和废旧混凝土)破碎后,经过分级、清洗和配比都可以制成再生骨料,再用其部分或全部代替天然骨料制成混凝土(再生混凝土),这种再生骨料的替代率越高,混凝土的绿色度自然就越高。香港理工大学的S.C.Kou等人将废旧混凝土破碎后制成再生粗细骨料,100%代替天然砂石,配制出28d强度为64.2MPa的高性能再生自密实混凝土。1.2 混凝土的基本特征1.2.1 混凝土的定义及分类

凡由胶凝材料、粗细骨料、水(必要的时候可加入外加剂)按一定比例,均匀搅拌、密实成型,经过一定的时间养护硬化后而制成的一种人造石材,称为混凝土(也称为砼)。

商品混凝土,又称预拌混凝土,简称为商砼,是由水泥、骨料、水及根据需要掺入的外加剂、矿物掺合料等组分按照一定比例,在搅拌站经计量、拌制后出售并采用运输车在规定时间内运送到使用地点的混凝土拌合物。

混凝土的种类很多,从不同的角度考虑,有以下几种分类方法。(1)按表观密度分类3

①轻混凝土:干表观密度小于2000kg/m,采用陶粒、页岩等轻质多孔骨料或掺加引气剂、泡沫剂形成多孔结构的混凝土,具有保温隔热性能好、质量轻等优点,多用作保温材料或高层、大跨度建筑的结构材料。3

②普通混凝土:干表观密度2000~2800kg/m,由天然砂石做骨料制成。是土建工程中最常用的混凝土,主要用作各种土木工程的承重结构材料。3

③重混凝土:干表观密度大于2800kg/m,常采用重晶石、铁矿石、钢屑等做骨料和锶水泥、钡水泥共同配制防辐射混凝土,作为核工程的屏蔽结构材料。具有不透过X射线和γ射线的性能。(2)按所用胶凝材料分类

按照所用胶凝材料的种类,混凝土可以分为水泥混凝土、硅酸盐混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等。(3)按流动性分类

按照新拌混凝土流动性的大小,可分为干硬性混凝土(坍落度小于10mm且需用维勃稠度表示)、塑性混凝土(坍落度为10~90mm)、流动性混凝土(坍落度为100~150mm)及大流动性混凝土(坍落度大于或等于160mm)。(4)按生产和施工方法分类

按生产和施工方法可分为预拌混凝土(商品混凝土)、泵送混凝土、喷射混凝土、压力灌浆混凝土(预填骨料混凝土)、造壳混凝土(裹砂混凝土)、碾压混凝土、挤压混凝土、离心混凝土、真空脱水混凝土、热拌混凝土等。(5)按用途分类

按用途分类,可分为结构混凝土、大体积混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、膨胀混凝土、防辐射混凝土、道路混凝土等。(6)按强度等级分类

①低强度混凝土,抗压强度f<30MPa。cu

②中强度混凝土,抗压强度30≤f<60MPa。cu

③高强度混凝土,抗压强度60MPa≤f≤100MPa。cu

④超高强混凝土,抗压强度在f>100MPa。cu(7)按配筋方式分类

按配筋方式可分为素混凝土、钢筋混凝土、纤维混凝土、钢丝网混凝土、预应力混凝土等。

混凝土分类方式较多,本书并未逐一列举。混凝土的品种虽然繁多,但在实际工程中还是以普通的水泥混凝土应用最为广泛,如果没有特殊说明,狭义上通常称其为混凝土,也是本书所涉及的内容。1.2.2 混凝土的特点(1)混凝土的优点

混凝土作为用量最大的土木工程材料,必然有其独特之处。它的优点主要体现在以下几个方面:

①可塑性强。现代混凝土可以具备很好的可塑性,可以通过改变模板的尺寸和形状制成形态各异的建筑物及构件。

②握裹力好。与钢筋等有牢固的粘结力,与钢材有基本相同的线膨胀系数,能在混凝土中配筋或埋设钢件制成钢筋混凝土构件或整体结构。

③经济性好。同其他材料相比,混凝土所需原材料价格较低,来源广,容易就地取材,结构建成后的维护费用也较低。

④安全性高。硬化混凝土具有较高的抗压强度,同时与钢筋有牢固的粘结力,使结构安全性得到充分保证。

⑤耐火性好。混凝土一般可有1~2h的防火时效,比钢铁更为耐火,钢结构建筑物在高温下很快软化,容易造成坍塌的现象。

⑥应用范围广。混凝土在土木工程中适用于多种结构形式,满足多种施工要求,可以根据不同要求配制出不同强度等级的混凝土加以满足,所以被称为“万用之石”。

⑦耐久性好。混凝土水化反应是一个长期而漫长的过程,水化需要数十年甚至上百年的时间才能完成,因此,混凝土本身就是一种耐久性很好的材料。古罗马建筑经过几千年的风雨仍然屹立不倒,这本身就意味着混凝土应该“历久弥坚”。

⑧能耗相对较低。混凝土及其制品的生产相对其他建筑材料能耗较低。(2)混凝土的缺点

①抗拉强度低。混凝土抗拉强度是混凝土抗压强度的1/10左右,是钢筋抗拉强度的1/100左右。

②延展性差。混凝土属于脆性材料,变形能力差,只能承受少量的张力变形(约0.003),否则就会因无法承受而开裂;抗冲击能力差,在冲击荷载作用下容易产生脆性断裂。

③自重大。高层、大跨度建筑物要求材料在保证力学性质的前提3下,以轻为宜,而普通混凝土干表观密度一般为2000~2800kg/m。

④体积稳定性差。尤其是当水泥浆量过大时,这一缺陷表现得更加突出。随着温度、湿度、环境介质的变化,容易引发体积变化,产生裂纹等内部缺陷,直接影响建筑物的使用寿命,如图1-1所示。图1-1 水泥用量多导致混凝土干缩开裂

⑤热导率大,保温性差。普通钢筋混凝土热导率高达1.74W/(m3·K),而泡沫混凝土(ρ=700kg/m)的热导率为0.22W/(m·K),相差约8倍。

⑥生产周期长。混凝土硬化较慢,水化至少28d才能达到设计强度值,并且在之后的漫长时间内,混凝土水化可达数十年甚至上百年。

⑦生产工艺复杂,质量难以控制。混凝土的性能受到原材料、配合比、搅拌、运输、浇筑、成型及养护工艺的影响,由于各个阶段均存在许多不确定因素,各因素波动均有可能导致混凝土性能降低。如砂石含泥量过高导致的拌合物流动性较差,混凝土后期容易产生开裂;浇筑过程中工人加水导致混凝土强度不足;振捣过程中的过振或漏振导致密实性较低;养护时间不足引起的一系列问题等,均会降低混凝土的工程质量。

与此同时,在混凝土新技术平台上,混凝土还呈现出如下特点:减少了强度对水泥的依赖性;水胶比较低,浆骨比较大;严酷环境下的工程增加,使耐久性要求日益突现;在水泥水化热增大、强度提高的同时,结构尺度增大,改变了大体积混凝土的概念;混凝土强度使用范围很宽,从C10到C120都可适用。思 考 题

1.1 混凝土的分类方法有哪几种?

1.2 你对你所在城市周边混凝土的发展过程和发展趋势有什么看法?

1.3 为什么混凝土是使用最广泛的工程材料?

1.4 与钢材相比,将混凝土用于结构工程中能带来哪些好处?

1.5 混凝土的缺点是什么?第2章 混凝土的结构和组成材料

混凝土是由胶凝材料、粗细骨料、水(必要的时候可加入外加剂)按一定比例,均匀搅拌、密实成型,经过一定的时间养护硬化后而制成的一种人造石材。硅酸盐水泥是最主要的胶凝材料,近年来,优质粉煤灰、矿粉、硅灰等活性矿物掺合料,也成为配制高性能混凝土必不可少的辅助胶凝材料。胶凝材料的水化硬化是粘结粗细骨料,并使混凝土具有整体性的决定因素,其水化产物不断填充粗细骨料等固相组分堆积后留下的空隙,与固相颗粒紧密粘结,不断形成致密的内部结构,从而使物理、力学性能得以提高。因此,混凝土内部结构的含义不仅包括水泥石的结构,即水化产物的类型、结晶状态、大小以及聚集形式等,还包括固相组分的堆积状态、孔结构及水泥石-骨料的界面等。混凝土原材料的性能以及配合比是决定混凝土内部结构和各项性能形成与发展的内在因素。但是,无论是预制混凝土制品,还是现浇混凝土,其成型和养护工艺是决定混凝土结构的形成与发展的重要外因。特别是混凝土内部结构发展将经历相当长的时间,在工程服役过程中,胶凝材料仍然在继续水化,甚至在几十年的老结构中仍然存在未水化的水泥颗粒。水泥的水化,特别是早期,合适的养护温度和足够的湿度就显得格外重要。

为了生产优质经济的混凝土,使其同时满足强度、耐久性、工作性和经济性四方面的要求,首要的基本条件就是选择适宜的原材料(水泥、外加剂、矿物掺合料、砂石骨料等),其次是选择适宜的混凝土配合比和施工方法。原材料的选择是保证混凝土工程质量的基础和关键。2.1 混凝土的结构特点

普通混凝土的组成材料如表2-1所示。普通混凝土是由粗、细骨料作为填充材料,水泥净浆作为胶凝材料构成的。骨料是粒状材料,如砂、卵石、碎石,与胶凝介质共同形成水泥混凝土或砂浆,骨料占总体积的70%左右。粒径大于4.75mm的骨料称为粗骨料,包括碎石和卵石。粒径小于4.75mm的骨料称为细骨料,包括天然砂和人工砂。占总体积30%左右的水泥净浆又可分为水泥胶体、凝胶孔、毛细孔、空隙和未水化的水泥颗粒等。在大气环境中,凝胶孔和微毛细孔通常充满着自由水,大毛细孔和空隙通常充满蒸汽空气混合气体;与水接触时,大毛细孔和空隙也可以被水充填。水泥净浆的质量(即组成结构)对于混凝土的性能起决定性的作用,骨料的质量对于混凝土的性能也有很大的影响。表2-1 普通混凝土各组成材料

混凝土中除了水泥、砂、石子和水这四种材料外,有时还掺入少量的外加剂和一定量的掺合料,以改善混凝土某些性能或节省水泥。混凝土中各组成材料的作用如下。(1)骨料

①由于骨料比水泥便宜很多,因此可作为廉价的填充材料,节省水泥用量,降低混凝土的成本。

②掺入骨料可以减少水泥用量,从而减少混凝土的收缩等不良现象,骨料的存在使混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性。

③骨料表观密度要低于水泥表观密度,加入骨料还可以降低混凝土的表观密度,特别是在轻骨料混凝土中,该作用表现更加明显。

④由于混凝土的耐磨性取决于骨料的耐磨性,因此,混凝土中掺入耐磨性较高的骨料,便可以改善混凝土的耐磨性。(2)水泥浆

①润滑作用。与水形成水泥浆,砂石分散在水泥浆中,从而赋予新拌混凝土以流动性。

②填充作用。由于水泥颗粒较细,水泥浆体可以占据骨料的间隙,从而填充砂和石子的空隙,并包裹砂粒和石子。

③胶结作用。水泥浆体能够包裹在所有骨料表面,硬化前赋予混凝土以流动性,后期通过水泥浆的凝结硬化,将砂、石骨料胶结成整体,形成固体。(3)外加剂

①改善混凝土拌合物流变性能,主要包括减水剂、引气剂等。

②调节混凝土凝结时间和硬化性能,主要包括缓凝剂、速凝剂及早强剂等。

③改善混凝土耐久性能,主要包括引气剂、膨胀剂、防水剂及防锈剂等。

④改善其他性能,如加气剂、防冻剂及着色剂等。(4)矿物掺合料

①减少水泥用量。矿物掺合料取代部分水泥,不仅能够降低水化热,而且掺合料具有一定的活性,能够保证混凝土的后期强度,因此,掺合料的掺入,能够降低水泥用量。

②改善混凝土性能。矿物掺合料的形态效应可以改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土的流动度,加入掺合料一般可以减少混凝土的用水量,但硅灰需水量大,加入之后反而提高混凝土的用水量;矿物掺合料的火山灰效应和微集料填充效应可以提高混凝土的力学性能和耐久性等性能。(5)水

①混凝土拌合物中加入的水为水泥的水化反应提供所需用水,由于水泥水化用水一般不超过水泥质量的25%,多余的水分有一部分被蒸发掉,还有一部分留在混凝土的孔(空)隙中,对混凝土的强度、抗渗性等耐久性产生不利影响。因此,高性能混凝土中必须掺入高效减水剂,降低混凝土的水胶比。

②赋予混凝土和易性。混凝土拌合用水在混凝土硬化前能够使水泥形成水泥浆体,从而使混凝土拌合物具有一定的流动性。2.1.1 混凝土内部结构概述(1)借鉴沥青拌合物的物理结构,可用两种方式理解混凝土物理结构的形成原理。

①表面胶结原理 混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥石组成的密实的体系,粗、细骨料构成骨架,水泥石包裹在骨料颗粒表面,将它们胶结为一个具有强度的整体,可采用图2-1进行图解。图2-1 混凝土内部结构的表面胶结原理示意图

②多级分散原理 混凝土的物理结构也可理解为以粗骨料为分散相分散在砂浆中而形成的一种粗分散系,同样,砂浆是以细骨料为分散相而分散在水泥石中的一种细分散系,水泥石是以水化硅酸钙(C-S-H凝胶)为连续相,其他晶体水化产物、未水化水泥颗粒、胶凝材料中的惰性颗粒为分散相而形成的微分散系,如图2-2所示。图2-2 混凝土内部结构的多级分散原理示意图(2)按照表面胶结原理和多级分散原理,为了形象地理解,又可以将混凝土的内部结构分为以下三类。

①悬浮-密实结构 统一考察粗、细骨料颗粒整体的紧密堆积,按粒子干涉理论,为避免次级颗粒对前级颗粒密排的干涉,前级颗粒之间必须留出比次级颗粒粒径稍大的空隙供次级颗粒排布。按此组合的混凝土,经过多级密堆垛虽然可以获得很大的密实度,但是各级骨料均被次级骨料所隔开,不能直接靠拢而形成骨架,其结构如图2-3(a)所示。这种结构的新拌混凝土具有较小的内摩擦力,易于泵送、振捣。但是弹性模量、抗折强度、收缩、徐变等性能不佳。图2-3 混凝土内部结构

②骨架-空隙结构 当混凝土中粗骨料所占的比例较高,细骨料很少时,粗骨料可以相互靠拢形成骨架;但由于细颗粒数量过少,不足以填满粗骨料之间的空隙,因此形成骨架-空隙结构,如图2-3(b)所示。除了透水混凝土等特殊场合,应当避免这种结构,其抗水、抗化学介质渗透的能力差。

③密实-骨架结构 当骨料中除去中间尺寸的颗粒,既有较多数量粗骨料可形成空间骨架,同时又有相当数量细骨料可填实骨架的空隙时,形成密实-骨架结构,如图2-3(c)所示。这种结构的新拌混凝土有较高的内摩擦阻力,不易泵送。但弹性模量、抗折强度高,收缩、徐变小。

由以上的分析可知,粗、细骨料的级配和堆积状态对混凝土的结构和性能有重要影响,而水泥石是将粗、细骨料胶结成整体的关键。因此水泥水化形成水泥石的过程、水泥石的结构以及骨料与水泥石的界面是混凝土内部结构的决定因素。2.1.2 水泥石的组成

水泥石作为混凝土中重要的组成部分,它由固、液、气三相组成。水泥石孔中的水溶液构成液相;当孔中不含溶液时,则为气相。为提高混凝土抗冻性而引入的微小气泡,也是气相的重要部分。固相则主要由C-S-H凝胶、氢氧化钙(也称羟钙石,CH)、三硫型水化硫铝酸钙(也称钙矾石)、单硫型水化硫铝酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝(铁)酸钙、未水化的水泥颗粒以及混合材和掺合料中尚未水化的颗粒或惰性颗粒组成。

C-S-H凝胶在完全水化的水泥浆体中,占据50%~60%的体积,是浆体长期强度和耐久性的主要来源,C-S-H这个术语使用连字符,表明了它不是一个很确定的化合物,其C/S之比在1.2~2.3,且结构水含量变化更大。氢氧化钙晶体占水泥浆体固相体积的20%~25%,与C-S-H不同,氢氧化钙是具有确定化学组成的化合物Ca(OH)。2水化硫铝酸钙占水泥浆体固相体积的15%~20%。由于水化硫铝酸钙中的铝可以被铁置换而成为含铝、铁的水化产物,故三硫型水化硫铝酸钙常用AFt表示,单硫型水化硫铝酸钙常用AFm表示。

但是,随着活性矿物外掺料的广泛应用,由于火山灰反应,水泥中的CH数量减少,并形成更多的C-S-H凝胶。这些水化产物的特性列于表2-2,其中C-S-H是一种成分(Ca/Si、H/Si)不确定、结晶度很差、微观形貌多样的凝胶体。表2-2 硬化水泥浆体主要水化产物的基本特性注:OM表示光学显微镜(optical microscopy);SEM表示扫描电子显微镜(scanning electronic microscopy)。2.1.3 混凝土界面过渡区

硬化后的混凝土,可以分为水化水泥基相(水泥石)、分散粒子和界面过渡区三个构成要素。混凝土作为一种典型的水泥基复合材料,其结构和性能不再是其组成成分的简单叠加。从国内外的研究现状来看,关于水化水泥基相的研究比较全面深入,所形成的理论也比较成熟。分散粒子由于其自身性质单一稳定,对混凝土性能的影响相对较小;而界面过渡层其结构和性能与非过渡区水泥水化物存在较大的差异,许多关于混凝土性能方面的现象难以从其他方面寻求解答,却能通过对界面过渡区的分析而得到解释。诸如在相同水胶比、相同水化时间的前提下,水泥砂浆的强度比混凝土要高;随着粗骨料粒径的增大,混凝土的强度降低,在遭遇火灾时,混凝土弹性模量比抗压强度的降低要快;混凝土的抗拉强度比抗压强度小一个数量级等。

界面过渡区是指硬化水泥浆(水泥基相)和骨料(分散基相)之间的薄层部分,也称为混凝土的第三相,如图2-4~图2-6所示。通常,其厚度约为10~50μm,存在于骨料的外围,约占全部水泥浆体的1/3。该区域的密实性和强度都远小于硬化水泥石本体,是混凝土结构中最薄弱的环节,该过渡区的结构与性能在很大程度上制约了水泥混凝土整体的结构性能。图2-4 混凝土的宏观结构图2-5 混凝土过渡区微观结构图2-6 混凝土过渡区结构示意图

新拌水泥混凝土中各种颗粒的沉降不均匀,特别在振捣作用下,密度相对较小的水分子向上运动并在粗骨料的下方富集形成水囊,同时水泥熟料颗粒水化产生的大量气孔也被带到了该区域,这样在粗骨料的下方形成了较一般界面过渡区结构更为薄弱的过渡区。

法国学者J.C.Maso曾观察过混凝土浇筑后界面过渡区随时间发展的结构特性,他认为界面过渡区的形成机理如下:首先,在新拌混凝土中,粗骨料周围有水膜形成,这是由于浆体中的水分向亲水的骨料表面迁移,离粗骨料表面越近的区域水胶比越大;然后,由硫酸钙(石膏)、铝酸钙等化合物溶解而产生的钙离子、硫酸根离子、氢氧根离子和铝离子结合而形成针状钙矾石晶体和六方片状氢氧化钙晶体,由于水胶比较高,这些粗骨料界面附近的结晶产物相对粗大,从而形成一个比普通水泥基相或砂浆更多孔的结构,平板状的氢氧化钙晶体趋向于形成定向层状排列并附着在骨料表面;最后,随着水化过程的继续,产生的C-S-H凝胶和较细小的钙矾石及CH晶体填充多孔结构中的孔隙,这使得过渡层的密实程度稍有增大。

界面过渡层是富集于界面上定向排列的Ca(OH)(以下简写2为CH)粗大结晶。过渡区范围内,接触层与骨料表面处几乎都是定向排列的六方片状CH结晶,中间层分布着CH及粗大的AFt、AFm晶体及少量的C-S-H凝胶。

界面过渡区约占胶凝材料基本体积的30%~40%。其结构性质如下:

①具有较高的孔隙率,离骨料表面距离越近孔隙率越高。如骨料表面处水泥石的孔隙率为40%,离骨料表面35~40μm处则降至12%左右,已接近水泥石本体。

②随着水化反应的进行以及干燥作用的影响,该区域将形成一个Ca(OH)晶体定向排列的结构疏松层,极易产生裂缝并诱导裂缝2进一步扩展。2.2 水泥

凡能在物理、化学作用下,从具有可塑性的浆体逐渐变成坚固石状物体的过程中,能将其他物料胶结为整体并具有一定机械强度的物质,统称为胶凝材料(binding materials)。胶凝材料可以分为无机和有机两大类。各种树脂和沥青等属于有机胶凝材料。无机胶凝材料按其硬化条件,又可分为水硬性和非水硬性两种。水硬性胶凝材料加水后既能在空气中硬化,又能在水中硬化并具有强度,如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。凡磨细成粉末状,加入适量水后成为塑性浆体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料,通称为水泥。非水硬性胶凝材料不能在水中硬化,但能在空气中或其他条件下硬化。只能在空气中硬化的胶凝材料,称为气硬性胶凝材料,如石膏、石灰、镁质胶凝材料等。2.2.1 水泥的组成与分类

水泥的种类很多,按其水硬性矿物成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥以及少熟料或无熟料水泥等;按用途及性能可分为通用水泥、专用水泥和特种水泥三大类。

硅酸盐水泥的组分材料主要有:

①硅酸盐水泥熟料:由主要含CaO、SiO、AlO、FeO的原22323材料,按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得到的以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。通常由硅酸三钙(CS)、硅酸二钙3(CS)、铝酸三钙(CA)和铁铝酸四钙(CAF)四种矿物组成。234其中硅酸钙矿物含量不少于66%,氧化钙和氧化硅质量比不小于2.0。

②石膏:天然石膏或工业副产品石膏。天然石膏应符合《天然石膏》(GB/T 5483—2008)中规定的G类或M类二级(含)以上的石膏或混合石膏。工业副产品石膏即以硫酸钙为主要成分的工业副产物,采用前应经过试验证明对水泥性能无害。

③活性混合材:指符合《用于水泥中的粒化高炉矿渣》(GB/T 203—2008)、《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046—2017)、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)、《用于水泥中的火山灰质混合材料》(GB/T 2847—2005)标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材。火山灰质混合材按其成因可分成天然混合材和人工混合材两大类。

④非活性混合材:活性指标低于《用于水泥中的粒化高炉矿渣》(GB/T 203—2008)、《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046—2017)、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)、《用于水泥中的火山灰质混合材料》(GB/T 2847—2005)标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材;石灰石和砂岩,其中石灰石中的三氧化二铝含量应不大于2.5%。

⑤窑灰:从水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘。应符合《掺入水泥中的回转窑窑灰》(JC/T 742—2009)的规定。

⑥助磨剂:水泥粉磨时允许加入助磨剂,其加入量应不大于水泥质量的0.5%,助磨剂应符合《水泥助磨剂》(GB/T 26748—2011)的规定。

通用硅酸盐水泥按混合材的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥六大品种。其主要组成及性能如表2-3所示。表2-3 通用硅酸盐水泥的组成和性能

在混凝土结构工程中,通用水泥的使用可参照表2-4进行选择。表2-4 常用水泥的选用注:1.蒸汽养护时用的水泥品种,宜根据具体条件通过试验确定。2.复合硅酸盐水泥选用应根据其混合材的比例确定。2.2.2 硅酸盐水泥的质量指标(1)细度

细度是指水泥颗粒总体的粗细程度。水泥颗粒越细,与水发生反应的表面积越大,因而水化反应速率越快,而且反应较完全,早期强度也越高。但是,粉磨过细,会导致成本提高,水化放热速度过快,在空气中硬化收缩性较大。水泥颗粒过粗则不利于水泥活性的发挥。在水泥行业质量控制中,常用180目(80μm)和325目(45μm)标准筛的筛余来表示细度。目前普遍认为,水泥颗粒小于45μm时才具有较高的活性,大于45μm的水泥颗粒水化缓慢,大于80μm的水泥颗粒活性很小,甚至不能完全水化。

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥细度用比表面积表示。比表面积是2水泥单位质量的总表面积(m/kg)。国家标准《通用硅酸盐水泥》2(GB 175—2007)中规定,硅酸盐水泥比表面积应大于300m/kg;矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示,其45μm方孔筛筛余不大于30%或80μm方孔筛筛余不大于10%。(2)标准稠度用水量

确定标准稠度的目的是为了在进行水泥凝结时间和安定性试验时,对水泥净浆在标准稠度的条件下测定,使不同的水泥具有可比性。利用水泥净浆搅拌机和标准法维卡仪,水泥标准稠度净浆对标准试杆的沉入具有一定的阻力。通过试验不同含水量水泥净浆的穿透性,以确定水泥标准稠度净浆所需加入的水量。

达到标准稠度时的用水量称为标准稠度用水量,以水与水泥质量之比的百分数表示,按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB 1346—2011)规定的方法测定。(3)凝结时间

水泥的凝结时间有初凝与终凝之分。自加水拌合起到水泥浆体开始失去塑性、流动性减小所需的时间,称为初凝时间;自加水拌合起至水泥浆体完全失去塑性、开始有一定结构强度所需的时间,称为终凝时间。硅酸盐水泥初凝时间不少于45min,终凝时间不大于390min。普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝时间不少于45min,终凝时间不大于600min。(4)安定性

安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程发生了不均匀的体积变化,会导致水泥石膨胀开裂、翘曲,即安定性不良。熟料中游离氧化钙、游离氧化镁过多以及石膏掺量过多均会导致水泥安定性不良。安定性不良的水泥会降低建筑物质量,甚至引起严重事故。安定性试验可采用试饼法、雷氏法,当试验结果有争议时以雷氏法为准。当雷氏夹指针尖端沸煮后与沸煮前距离增加量不大于5.0mm时,认为水泥安定性合格。(5)化学指标

通用硅酸盐水泥的化学指标应符合表2-5的规定。表2-5 通用硅酸盐水泥的化学指标

在表2-5中,如果硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的压蒸试验合格,则水泥中氧化镁的含量允许放宽至6.0%(质量分数)。当矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中氧化镁的含量大于6.0%(质量分数)时,需进行水泥压蒸安定性试验并应合格。当对水泥的氯离子含量(质量分数)有更低要求时,该指标由买卖双方协商确定。(6)强度

水泥强度是评定水泥质量的重要指标,通常把28d以前的强度称为早期强度,28d及以后的强度则称为后期强度。不同品种、不同强度等级的通用硅酸盐水泥,其不同龄期的强度应符合表2-6的规定。表2-6 通用硅酸盐水泥不同龄期的强度2.2.3 水泥的水化与凝结硬化2.2.3.1 水泥的水化过程

当水泥颗粒与水接触后,熟料矿物与水的作用称为水化反应(hydration)。Taylor(泰勒)在《水泥化学》中将水化定义为:在水泥化学中“水化”一词是笼统地指水泥或水泥熟料矿物在和水混合后所发生的全部变化,而期间发生的化学反应要比单一的无水化合物转变为水化产物复杂得多。水化反应生成水化产物,并放出一定的热量,水泥中各矿物的水化反应式如下:  (2-1)  (2-2)  (2-3)  (2-4)

硅酸三钙和硅酸二钙水化生成的水化硅酸钙不溶于水,以胶体微粒析出,并逐渐凝聚成凝胶体(称为C-S-H凝胶),构成强度很高的空间网状结构;生成的氢氧化钙在溶液中很快达到饱和,呈六方晶体析出,以后的水化是在氢氧化钙的饱和溶液中进行的。硅酸三钙与水作用,反应较快,水化放热量较大;而硅酸二钙则反应较慢,水化放热量较小,产物中氢氧化钙量也较少。

铝酸三钙和铁铝酸四钙水化生成的水化铝酸钙为立方晶体,在氢氧化钙饱和溶液中还能与氢氧化钙进一步反应,生成六方晶体的水化铝酸四钙。在有石膏存在时,水化铝酸钙与石膏反应,生成针状的三硫型水化硫铝酸钙晶体(3CaO·AlO·3CaSO·32HO),简称钙矾石2342(ettringite),常用AFt表示,见图2-7。当石膏消耗完后,部分钙矾石将转变为片状的单硫型水化硫铝酸钙晶体(3CaO·AlO·CaSO·23412HO),常用AFm表示,见图2-8。铝酸三钙与水的反应速率极快,2水化放热量最大;而铁铝酸四钙与水作用时,反应也较快,水化放热量相对较小,生成的水化铁酸一钙溶解度很小,呈胶体微粒析出,最后形成凝胶。图2-7 AFt扫描电镜图图2-8 AFm扫描电镜图

硅酸盐水泥是一种多矿物、多组分的物质,它的水化不同于单矿物水化,它的特点是不同矿物之间会对水化过程产生影响,例如,有少量硅酸三钙存在的情况下,硅酸二钙的水化速度比只有硅酸二钙单矿物的水化速度快些。硅酸盐水泥与水拌合后,就立即发生化学反应。硅酸盐水泥加水后,铝酸三钙立即发生反应,硅酸三钙和铁铝酸四钙也很快水化,而硅酸二钙则水化较慢。如果忽略一些次要的和少量的成分,则硅酸盐水泥与水作用后,生成的主要水化产物有水化硅酸钙和水化铁酸一钙凝胶,氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体;水泥浆体扫描电镜图如图2-9所示。在充分水化的水泥石中,C-S-H凝胶约占70%,Ca(OH)约占20%,钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约2占7%。图2-9 水泥浆体扫描电镜图2.2.3.2 水泥凝结硬化过程

水泥加水拌合后,首先是水泥颗粒表面的矿物溶解于水并与水发生水化反应,最初形成具有可塑性的浆体,随着水化反应的进行,水泥浆体逐渐变稠失去可塑性,这一过程称为水泥的凝结;随着水化反应的进一步进行,凝结的水泥浆体开始产生强度,并逐渐发展成为坚硬的水泥石,这一过程称为硬化。水泥浆的凝结、硬化是水泥水化的外在反映,它是一个连续的、复杂的物理化学变化过程,其结果决定了硬化水泥石的结构和性能。

硅酸三钙(CS)在水泥熟料中的含量一般占50%左右,有时高3达60%以上,故硬化水泥浆体的性能在很大程度上取决于CS的水化3作用、产物以及所形成的相应结构。

硅酸三钙的水化速度很快,其水化过程根据水化放热速度-时间2+曲线,可划分为五个阶段,如图2-10所示,图中同时也显示了Ca浓度变化曲线。2+图2-10 CS水化放热速度-时间曲线和Ca浓度变化曲线3

①诱导前期(Ⅰ)。加水后立即发生急剧反应,但该阶段时间很短,在15min以内结束。

②诱导期(Ⅱ)。这一阶段反应速度极其缓慢,又称静止期,一般持续1~4h,是硅酸盐水泥浆体能在几小时内保持塑性的原因。初凝时间基本上相当于诱导期的结束。

③加速期(Ⅲ)。反应重新加快,反应速度随时间延长而增大,出现第二个放热峰,在到达峰顶时本阶段即告结束。一般持续4~8h,此时终凝已过,开始硬化。

④减速期(Ⅳ)。反应速度随时间延长而下降,该阶段一般持续约12~24h,水化作用逐渐受扩散速度的控制。

⑤稳定期(Ⅴ)。反应速度很低、处于基本稳定的阶段,水化作用完全受扩散速度控制。

硅酸盐水泥的凝结硬化过程,一般按水化反应速率和物理化学的主要变化可分为四个阶段,如表2-7所示。表2-7 水泥凝结硬化过程

①初始反应期。水泥加水拌合后,未水化的水泥颗粒分散在水中,成为水泥浆体,如图2-11(a)所示。水泥颗粒的水化从其表面开始。水和水泥接触,水泥颗粒表面的熟料矿物与水反应,形成相应的水化产物并溶于水中。图2-11 水泥凝结硬化过程示意图1—水泥颗粒;2—水分;3—凝胶层;4—水泥颗粒的未水化内核;5—毛细孔

②潜伏期。水化作用继续下去,使水泥颗粒周围的溶液很快达到水化产物的饱和或过饱和状态。由于各种水化产物的溶解度都很小,继续水化的产物以细分散状态的胶体颗粒析出,附在水泥颗粒表面,形成凝胶膜包裹层,如图2-11(b)所示。在水化初期,水化产物不多,包有水化产物膜层的水泥颗粒之间仍彼此分离着,水泥浆具有可塑性。水泥颗粒不断水化,水化产物膜层逐渐增厚,减缓了外部水分的渗入和水化产物向外扩散的速度,使水化反应在一段时间变得缓慢。

③凝结期。随着水化反应的不断深入,膜层内部的水化产物不断向外突出,最终导致膜层破裂,水化又重新加速。水泥颗粒间的空隙逐渐缩小,而包有凝胶体的颗粒则逐渐接近,以致相互接触,接触点的增多形成了空间网状结构,如图2-11(c)所示。凝聚结构的形成,使水泥浆开始失去可塑性,此为水泥的初凝,但这时还不具有强度。

④硬化期。以上过程不断地进行,固态的水化产物不断增多并填充颗粒间的空隙,毛细孔越来越少,结晶体和凝胶体互相贯穿形成的凝聚-结晶网状结构不断加强,结构逐渐紧密。水泥浆体完全失去可塑性,达到能担负一定荷载的强度,水泥表现为终凝,并开始进入硬化阶段,如图2-11(d)所示。水泥进入硬化期以后,水化速度逐渐减慢,水化产物随时间的增长而逐渐增加,扩展到毛细孔中,使结构更加致密,强度也相应提高。

水泥的水化反应是从颗粒表面深入到内核的。开始时水化速度较快,水泥的强度增长快,但由于水化反应不断进行,聚积在水泥颗粒周围的水化产物不断增多,阻碍了水和未水化的水泥接触,水化速度减慢,强度增长也逐渐减慢。但无论时间多久,水泥颗粒的内核很难完全水化。因此,在硬化水泥石中,同时包含有水泥熟料矿物水化的凝胶体和结晶体、未水化的水泥颗粒、水(自由水和吸附水)和孔隙(毛细孔和凝胶孔),它们在不同时期相对数量的变化,使水泥石的性质随之改变。2.2.3.3 影响水泥凝结硬化的主要因素

水泥的强度发展过程也就是水泥的凝结硬化过程,为了正确使用水泥,必须了解水泥凝结硬化的影响因素,以便采取合理有效的措施,调节水泥的性能。(1)熟料矿物组成

熟料矿物组成是影响水泥凝结硬化主要内因。各种矿物的水化特性不同,当水泥中各矿物的相对含量不同时,水泥的凝结硬化将产生明显的变化。其中CS和CA在熟料中的相对含量越多,水泥凝结硬33化速度越快。(2)石膏掺量

水泥粉磨时掺入适量石膏,可以调节水泥的凝结硬化速度。若不掺石膏或石膏掺量不足时,水泥会发生瞬凝现象。这是由于铝酸三钙3+在溶液中电离出三价离子(Al),它与硅酸钙凝胶的电荷相反,促使胶体凝聚。加入石膏后,石膏与水化铝酸钙反应,生成难溶于水的3+钙矾石,沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜,降低了溶液中Al的浓度,并阻碍了铝酸三钙的水化,延缓了水泥的凝结。但石膏掺量过多时,则会促使水泥凝结加快,并且还会在后期引起水泥石的膨胀而产生开裂破坏。

石膏的适宜掺量主要取决于水泥中CA的含量和石膏中SO的含33量,同时与水泥细度及熟料中SO的含量有关。石膏掺量一般为水泥3质量的3%~5%。(3)细度

水泥颗粒粉磨得越细,总表面积越大,与水接触时水化反应面积也越大,则水化速度越快,凝结硬化也越快,但是,粉磨过细会导致水化放热速度过快,因此,应控制较为合理的细度最为合适。(4)温度和湿度

在工程中,保持环境的温度和湿度,使水泥石强度不断增长的措施称为养护。混凝土在浇筑后的一段时间里,应十分注意保温保湿养护。

温度对水泥的凝结硬化有着明显的影响。升高温度可以使水泥水化反应加快,强度增长加快;相反,降低温度,则水化反应减慢,强度增长变慢。当温度低于5℃时,水化速度大大降低;当温度低于0℃时,水化反应基本停止,当水结冰膨胀时,还会破坏水泥石的结构。实际工程中,常通过蒸汽养护来加速水泥制品的凝结硬化过程,

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