第4章混凝土 Part4.ppt

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1、土木工程材料 第四章 混凝土 CONCRETE 主讲,Part 4,5. 混凝土外加剂 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的，用以改善混凝土性能的物质。一般情况掺量不超过水泥质量的5%。 混凝土中掺入外加剂，是行之有效的改善混凝土性能的措施。随着科学技术的不断进步，外加剂已越来越多地得到发展和使用。因此，外加剂已成为混凝土中除由四种基本材料以外的第五种组分。,5.1混凝土外加剂的分类 按化学成分可分成三类： （）无机化合物，多为电解质盐类。 （）有机化合物，多为表面活性剂。 （）有机无机复合物。 按功能分为四类： （）改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。如各种减水剂、泵送剂、保水剂等。 （）

2、调节混凝土凝结时间，硬化性能的外加剂。如缓凝剂、早强剂、速凝剂等。 （）改善混凝土耐久性能的外加剂。如引气剂、防水剂和阻锈剂等。 （）改善混凝土其他性能的外加剂。如引气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂、碱骨料反应抑制剂、隔离剂、养护剂等。,5.2 常用混凝土外加剂 5.2.1减水剂 减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。 （1）减水剂的作用机理 减水剂多属于表面活性剂，它的分子结构是由亲水基团和憎水基团组成，当两种物质接触时（如水水泥，水一油，水一气），表面活性剂的亲水基团指向水，憎水基团朝向水泥颗粒（油或气）。减水剂能提高混凝土拌合物和易性及混凝土强度的原因，

3、是由于其表面活性物质间的吸附一分散作用，及其润滑、湿润作用所致。,水泥加水拌和后，由于水泥颗粒间分子引力的作用，产生许多絮状物而形成絮凝结构，使 10 30的拌合水（游离水）被包裹在其中，从而降低了混凝土拌合物的流动性。 当加入适量减水剂后，减水剂分子定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基端指向水溶液。由于亲水基团的电离作用，使水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，产生静电斥力（图47a。），致使水泥颗粒相互分散，导致絮凝结构解体，释放出游离水，从而有效地增大了混凝土拌合物的流动性（图47b）。,阴离子表面活性剂类减水剂，其亲水基团极性很强，易与水分子以氢键形式结合，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜（

4、图47），这层水是很好的润滑剂，有利于水泥颗粒的滑动，从而使混凝土流动性进一步提高。减水剂还能使水泥更好地被水湿润，也有利于和易性的改善。,图47 减水剂的作用示意图,（）减水剂的经济技术效果 掺减水剂的混凝土与未掺减水剂基准混凝土相比，具有如下效果： 在保证混凝土混合物和易性和水泥用量不变的条件下，可减少用水量，降低水灰比，从而提高混凝土的强度和耐久性。 在保持混凝土强度（水灰比不变）和坍落度不变的条件下，可节约水泥用量。 在保持水灰比与水泥用量不变的条件下，可大大提高混凝土混合物的流动性，从而方便施工。,（3）减水剂的常用品种 木质素系减水剂 木质素系减水剂主要有木质素磺酸钙（木钙）、木质

5、素磺酸钠（木钠）和木质素磺酸镁（木镁）之分，其中以木钙使用最多，并简称剂，它属于阴离子表面活性剂。 剂是以生产纸浆或纤维浆的亚硫酸木浆废液为原料，采用石灰乳中和，经生物发酵除糖、蒸发浓缩、喷雾干燥而制成，为棕黄色粉状物。剂因原料丰富，价格低廉，并具有较好的塑化效果，故目前应用十分普遍。 剂为普通减水剂，其适宜掺量为0.20.3，减水率10左右。 剂对混凝土有缓凝作用，一般缓凝。,萘系减水剂 萘系减水剂为高效减水剂，它是以工业萘或由煤焦油中分熘出的含萘及萘的同系物熘分为原料，经磺化、水解、缩合、中和、过滤、干燥而制成，为棕色粉末，其主要成分为一萘磺酸盐甲醛缩合物，属阴离子表面活性剂。这类减水剂品

6、种很多，目前我国生产的主要有、MF、建型、等。 萘系减水剂适宜掺量为，其减水率较大，为 %增强效果显著，缓凝性很小，大多为非引气型。适用于日最低气温以上的所有混凝土工程，尤其适用于配制高强、早强、流态等混凝土。, 树脂类减水剂 此类减水剂为水溶性树脂，主要为磺化三聚氰胺甲醛树脂减水剂，简称密胺树脂减水剂。它是由三聚氰胺、甲醛、亚硫酸钠按适当比例、在一定条件下经磺化、缩聚而成，为阴离子表面活性剂。我国产品有树脂减水剂，为非引气型早强高效减水剂，其各项功能与效果均比萘系减水剂还好。适宜掺量为05.，减水率达。对混凝土早强与增强效果显著，能使混凝土1d 强度提高一倍以上，强度即可达空白混凝土d的强度

7、，长期强度亦明显提高，并可提高混凝土的抗渗、抗冻性能及弹性模量。,糖蜜类减水剂 糖蜜类减水剂为普通减水剂，它是以制糖工业的糖渣、废蜜为原料，采用石灰中和而成，为棕色粉状物或糊状物，其中含糖较多，属非离子表面活性剂。国内产品粉状有TF、ST、3FG等，糊状有糖蜜。 糖蜜减水剂适宜掺量为，减水率10左右，故属缓凝减水剂。,5.2.2早强剂 能加速混凝土早期强度发展的外加剂，称为早强剂。 （）氯盐类早强剂 氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铝及三氯化铁等，其中以氯化钙应用最广。氯化钙的早强作用主要是因为它能与3和a（）2反应，生成不溶性复盐水化氯铝酸钙和氧氯酸钙，增加水泥浆体中固相比例，

8、提高早期强度；同时液相中（）2浓度降低，也使 3、C2S 加速水化，使早期强度提高。,氯化钙的适宜掺量为。氯化钙早强效果显著，能使混凝土强度提高 ，强度提高%。氯化钙早强剂因其能产生氯离子，易促使钢筋产生锈蚀，故施工中必须严格控制掺量。我国规范中规定：在钢筋混凝土中氯化钙的掺量不得超过水泥质量的 ；在无筋混凝土中掺量不得超过。,（）硫酸盐类（硫酸钠、硫酸钙、硫代硫酸钠） 硫酸盐的早强作用主要是与水泥的水化产物a（）2 反应，生成高分散性的化学石膏，它与的化学反应比外掺石膏的作用快得多，能迅速生成水化硫铝酸钙，增加固相体积，提高早期结构的密实度，同时也会加快水泥的水化速度，因而提高混凝土的早期强

9、度。硫酸钠的适宜掺量为，常以复合使用效果更佳。使用时应防止引起碱集料反应。,（）有机胺类（三乙醇胺，三乙丙醇胺） 三乙醇胺是一种非离子型表面活性剂，它不改变水化生成物，但能在水泥的水化过程中起着“催化作用”，与其他早强剂复合效果更好。 （）其它：如甲酸盐等 有些减水剂具有早强效果。也有些早强减水剂是由早强剂和减水剂复合而成。,5.2.3 引气剂与引气减水剂 引气剂是指在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。 引气剂也是表面活性剂，其憎水基团朝向气泡，亲水基团吸附一层水膜，由于引气剂离子对液膜的保护作用，使气泡不易破裂。引入的这些微小气泡（直径为201000）在拌合物

10、中均匀分布，明显地改善混合料的和易性，提高混凝土的耐久性（抗冻性和抗渗性），使混凝土的强度和弹性模量有所降低。 常用的加气剂有松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类等。适宜掺量为水泥质量的0.0050.01%左右。,5.2.4 缓凝剂及缓凝减水剂 缓凝剂是指能延长混凝土凝结时间的外加剂。 由于缓凝剂在水泥及其水化物表面上的吸附作用，或与水泥反应生成不溶层而达到缓凝的效果。缓凝剂同时还具有减水、增强、降低水化热等功能。 常用的缓凝剂及缓凝减水剂有糖类；羟基羧酸及其盐类，如柠檬酸，酒石酸钾钠等。,5.2.5 防冻剂 防冻剂是指能降低水泥混凝土拌和物液相冰点，使混凝土在相应负温下免受冻害

11、，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。常用的外加剂有：氯盐类；氯盐与阻锈剂类（亚硝酸钠）；无氯盐类等。,6. 特种混凝土 6.1 轻集料混凝土 以轻粗集料、轻细集料（或普通细集料）、水泥和水配制而成的，干表观密度不大于1950 /3的水泥混凝土为轻集料混凝土。 轻集料混凝土根据其抗压强度可分为：CL5.0、CL7.5、CL10、 CL15、CL20、CL25、CL30、CL35、CL40、CL45和CL50共11个强度等级。不同强度等级的轻集料混凝土应满足相应抗压强度要求。,影响轻集料混凝土强度的主要因素有集料性质、水泥浆强度及施工质量等。轻集料颗粒本身的强度（或筒压强度）、集料的颗料级配

12、、水泥浆的用量等是决定轻集料混凝土强度的主要因素。 轻集料混凝土配合比设计应满足强度等级和密度等级的要求，满足施工和易性的要求，还应满足耐久性和经济性方面的要求，同时应考虑集料吸水率的影响。,6.2 水泥粉煤灰混凝土 水泥粉煤灰混凝土是指在水泥混凝土中掺加粉煤灰组分的混凝土。 6.2.1对粉煤灰的品质指标技术要求 一般混凝土对粉煤灰的品质指标要求有烧失量、细度、3含量、需水量比等。按（）规定，用于混凝土中的粉煤灰分为 I、II、III三个等级，其相应的技术要求列于表 4-10。,6.2.2 粉煤灰效应 粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，在混凝土中可产生下列三种效应，总称为“粉煤

13、灰效应”。 （）活性效应。粉煤灰中所含的SiO2和Al2O3具有化学活性，它们能与水泥水化产生的Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，可起增强作用。上述反应多在水泥浆体的孔隙中进行，因此显著降低了混凝土内部结构中水泥石的孔隙率，也改善了孔结构（连通孔、大孔减少），提高了混凝土的密实性。,（）颗粒形态效应。煤粉在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为表面光滑、致密、细粒的、海绵状的硅铝酸盐玻璃微珠，掺入混凝土中可减小内摩阻力，从而可减少混凝土的用水量，改善和易性。 （）微骨料效应。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构，增大密实度。,6.2

14、.3 粉煤灰对混凝土性能的改善作用 （1）改善混凝土的和易性； （2）能提高混凝土的强度，特别是后期强度； （3）降低单位体积混凝土内的水化热； （4）能减少混凝土的收缩，主要是减少干燥收缩； （5）显著改善混凝土的耐久性，特别是改善混凝土的抗渗性、抗腐蚀性，抑止混凝土的碱一集料反应。,6.2.4 水泥粉煤灰混凝土的配合比设计 水泥粉煤灰混凝土配合比设计的原理，是以未掺粉煤灰混凝土的配合比为基础，按等稠度和等强度等级的原则，按照粉煤灰的不同掺入法进行调整。 混凝土中掺用粉煤灰的方法可采用等量取代（水泥）法、超量取代法和外加法等。等量取代是指以等质量的粉煤灰取代混凝土中相同质量的水泥，超量取代是

15、指掺入混凝土中的粉煤灰的掺入量超过其取代水泥的质量，超量的粉煤灰取代部分细骨料。其目的是增加混凝土中胶凝材料用量，以补偿由于粉煤灰取代水泥而造成的强度降低；外加法是指在混凝土中水泥用量不变的情况下，外加一定量的粉煤灰。其目的只是为了改善混凝土拌合物和易性。 实践证明，当粉煤灰取代水泥量过多时，混凝土的抗碳化耐久性将变差，所以粉煤灰取代水泥的最大限量应符合有关规范的规定。,6.3 防水混凝土 防水混凝土系指有较高抗渗能力的混凝土，通常其抗渗等级等于或大于级，又称抗渗混凝土。 防水混凝土的配制原理是：采取多种措施，使普通混凝土中原先存在的渗水毛细管通路尽量减少或被堵塞，从而大大降低混凝土的渗水。根

16、据采取的防渗措施不同，防水混凝土可分为普通防水混凝土；外加剂防水混凝土和膨胀水泥防水混凝土。 膨胀水泥防水混凝土是采用膨胀水泥配制而成，由于这种水泥在水化过程中能形成大量的钙矾石，会产生一定的体积膨胀，在有约束的条件下，能改善混凝土的孔结构，使毛细孔径减小，总孔隙率降低，从而使混凝土密实度提高，抗渗性提高。,6.4 耐热混凝土 耐热混凝土是指能长期在高温（200900）作用下保持所要求的物理和力学性能的一种特种混凝土。 耐热混凝土是由适当的胶凝材料、耐热粗、细骨料及水（或不加水），按一定比例配制而成。根据所用胶凝材料不同，通常可分为：硅酸盐水泥耐热混凝土；铝酸盐水泥耐热混凝土；水玻璃耐热混凝土

17、和磷酸盐耐热混凝土。,6.5 耐酸混凝土 能抵抗多种酸及大部分腐蚀性气体侵蚀作用的混凝土称为耐酸混凝土。 耐酸混凝土由水玻璃作胶结料，氟硅酸钠作促硬剂，与耐酸粉料及耐酸粗、细骨料按一定比例配制而成，耐酸粉料由辉绿岩、耐酸陶瓷碎料、含石英高的材料磨细而成。耐酸粗细骨料常用石英岩、辉绿岩、安山岩、玄武岩、铸石等。,6.6 纤维混凝土 以普通混凝土为基材，外掺各种纤维材料而组成的复合材料，称为纤维混凝土。 纤维材料的品种很多，通常使用的有钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维、合成纤维、碳纤维等。其中钢、玻璃、石棉、碳等纤维为高弹性模量纤维，掺入混凝土中后，可使混凝土获得较高的韧性，并提高抗拉强度、刚度和承担动

18、荷载的能力。而尼龙、聚乙烯、聚丙烯等低弹性模量的纤维，掺入混凝土只能增加韧性，不能提高强度。纤维的直径很细，通常为几十至几百微米。纤维的长径比一般为 70120。纤维的掺量按占混凝土体积的百分比计，其掺加体积率一般为0.3。常用钢纤维的直径为0.350.7，长径比在5080之间，适宜掺加体积率为。,6.7 聚合物混凝土 聚合物混凝土是由聚合物、无机胶凝材料和骨料配制而成。 聚合物是指由许多大分子所组成的物质，是有机高分子材料。一般聚合物有良好的塑性、粘结性、抗腐蚀性与耐水性，对水泥混凝土的性能具有很好的互补性，因此在混凝土中使用聚合物会取得良好的性能。 聚合物在混凝土中的应用主要有三种方式：一

19、种是以聚合物为胶结料，与集料拌合形成的聚合物混凝土；第二种是将已硬化的水泥混凝土置于液体聚合物中，使聚合物渗入混凝土内部后固化的聚合物浸渍混凝土；,第三种是在配制水泥混凝土时掺入部分聚合物的聚合物水泥混凝土。由于聚合物能均匀分布于混凝土内，填充了混凝土内部的孔隙，固化后的聚合物与水泥混凝土结合为一个整体。从而提高了混凝土结构的抗拉及抗折强度，改善了混凝土的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性、耐磨性及抗冲击性。常用聚合物有聚氯乙烯、聚醋酸乙烯、苯乙烯、聚酯树脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯等。 聚合物水泥混凝土主要用于铺筑无缝地面、路面以及修补工程中。,6.8 防辐射混凝土 能遮蔽、射线及中子辐射等对人体危

20、害的混凝土，称为防辐射混凝土，它由水泥、水及重骨料配制而成，其表观密度一般在3000kg3以上。混凝土表观密度愈大，防护 、射线的性能越好，且防护结构的厚度可减小。但对中子流的防护，混凝土中还需要含有足够多的氢元素。,配制防辐射混凝土时，宜采用胶结力强、水化热较低、水化结合水量高的水泥，如硅酸盐水泥，最好使用硅酸钡、硅酸锶等重水泥。常用重骨料主要有重晶石（BaSO4）、褐铁矿（2 Fe233H2O）、磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）等。另外，掺入硼化物及锂盐等，也可有效改善混凝土的防护性能。 防辐射混凝土用于原子能工业以及国民经济各部门应用放射性同位素的装置中，如反应堆、加速器、放射化学装置等的防护结构。,6.9 道路混凝土 道路混凝土主要是指路面混凝土。由于道路路面常年受到行驶车辆的重力作用和车轮的冲击、磨损，同时还要经受日晒风吹、雨水冲刷和冰雪冻融的侵蚀、因此要求路面混凝土必须具有较高的抗弯拉强度、良好的耐磨性和耐久性。 道路混凝土主要是以混凝土抗弯拉强度为设计指标，其抗弯拉强度应不低于4.5MPa。抗折弹性模量不低于3.9104a。为保证道路混凝土的耐磨性、耐久性和抗冻性，其抗压强度不应低于30MPa。 道路混凝土的配合比设计一般是先以抗压强度作为初步设计的依据，然后再按抗弯拉强度检验试配结果。砂、石用料仍按普通混凝土设计方法进行，水灰比一般不应大于0.5。,