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1、混凝土常用材料混凝土常用材料本章重点：1、混凝土常用材料及其作用；、混凝土常用材料及其作用；2、常用水泥的种类、组成及主要特性；、常用水泥的种类、组成及主要特性；3、粗、细骨料的种类及特性；、粗、细骨料的种类及特性；4、拌合用水的要求；、拌合用水的要求；5、外加剂和掺合料的种类及特性。、外加剂和掺合料的种类及特性。一、普通混凝土的组成水泥水水泥浆石子砂子骨 料新拌混凝土100%体积6075%715%2540%1421%2128%3942%凝结硬化硬化混凝土混凝土外加剂 为了改善或提高混凝土的性能混凝土的组成材料u传统混凝土的4大组分：水泥、粗、细骨料、水。u外加剂(第5组分）能使混凝土性能和功

2、能得到显著的改善和提高的少量物质。掺入量不得大于胶凝材料质量的百分之五。u掺合料(第6组分)在混凝土配制时，取代部分水泥的磨细无机矿物质材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等），一般掺加量为水泥质量的百分之五以上。二、各组成材料的作用（2）骨料v廉价的填充材料，廉价的填充材料，节省水泥用量节省水泥用量v混凝土的混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展v传力作用传力作用v降低水化热降低水化热v提供耐磨性提供耐磨性（1）水泥浆v润滑作用润滑作用与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动性。与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动性。v胶结作用胶结作用包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的凝

3、结硬包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的凝结硬 化，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体。化，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体。（3）水v混凝土中的拌和水有两个作用混凝土中的拌和水有两个作用供水泥的水化反应供水泥的水化反应赋予混凝土的和易性赋予混凝土的和易性v剩余水留在混凝土的孔（空）隙中剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中产生孔隙使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝对防止塑性收缩裂缝有利有利对渗透性、强度和耐久性对渗透性、强度和耐久性不利不利（4）外加剂 改善混凝土的性能。改善混凝土的性能。缓凝剂缓凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢；使水泥浆凝结硬化速度减慢；促凝剂促凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢；

4、使水泥浆凝结硬化速度减慢；减水剂减水剂减少拌和需水量；减少拌和需水量；引气剂引气剂在混凝土中引起封闭气孔；在混凝土中引起封闭气孔；（5）矿物掺合料矿物掺合料 减少水泥用量，改善混凝土性能。减少水泥用量，改善混凝土性能。粉煤灰粉煤灰硅灰硅灰矿渣矿渣三、常用水泥1、水泥的定义：凡细磨材料，加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料，通称为水泥。2、水泥的生产工艺（两磨一烧）按比例混合磨细高温煅烧混合磨细3、水泥的分类 （1）按其主要成分分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥和磷酸盐类水泥等。（2）按水泥的用途和性能又可

5、分为通用水泥(如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等)、专用水泥(如中、低热水泥等)及特性水泥(如快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥等)。（3）工程中“五大水泥”：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。（4）硅酸盐水泥 a、硅酸盐水泥、硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、05%的混合料(如石灰石或粒化高炉矿渣等)、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。b、硅酸盐水泥分两种类型：不掺混合材的称型硅酸盐水泥型硅酸盐水泥，其代号为P；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材的称型硅酸盐水泥型硅酸盐水泥，其代号为P。C、硅酸盐水泥分为42.5、42.5R

6、、52.5、52.5R、62.5、62.5R等6个强度等级。4、水泥品种及强度等级的选择（1）水泥品种选择工程性质及所处的环境；施工条件；混凝土的强度等级。（2）水泥强度等级：为混凝土强度的1.52倍。C30（32.5）C30(42.5）用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土，虽然满足强度要求的水泥用量少，但难以满足混凝土的和易性和耐久性的要求，不可取。若用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土，满足强度要求的水灰比会很小，其和易性难以满足施工要求，也不可取。5、硅酸盐水泥的技术性质（1）密度、堆积密度、细度。v 硅酸盐水泥的密度约为3.10g/cm3。其松散状态下的堆积密度为10001100kg/

7、m3，紧密堆积密度达1600kg/m3。v细度是指水泥颗粒的粗细程度，是影响水泥性能的重要指标。国家标准GB 17599规定，硅酸盐水泥比表面积应大于300m2/kg。（2）标准稠度用水量 为了测定水泥的凝结时间及体积安定性等性能，应该使水泥净浆在一个规定的稠度下进行，这个规定的稠度称为标准稠度。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 13462001)规定的方法测定。（3）凝结时间 凝结时间分初凝和终凝。初凝时间是指水泥从开始加水拌和起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是指从水泥开始加水拌和起至水

8、泥浆完全失去可塑性，并开始产生强度所需的时间。水泥的凝结时间是按水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB 13462001)规定的方法测定的。国家标准规定:硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min终凝时间不得迟于6.5h。（4）体积安定性v 水泥体积安定性简称水泥安定性，是指水泥浆硬化后体积变化是否均匀的性质。v当水泥浆体在硬化过程中或硬化后发生不均匀的体积膨胀，会导致水泥石开裂、翘曲等现象，称为体积安定性不良。v 水泥安定性通常用雷式夹法测定。v 引起水泥体积安定性不良的原因主要有熟料中含有过量的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入的石膏过多。v体积安定性不合格的水泥不能用于工程中。（5）水泥

9、的强度v水泥强度是表示水泥力学性能的一项重要指标，是评定水泥强度等级的依据。v根据GB/T 17599规定，硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R等6个强度等级，各强度等级水泥在各龄期的强度值不得低于下表中的数值。硅酸盐水泥的强度指标（依据硅酸盐水泥的强度指标（依据GB17599GB17599）强度等级 抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d283d2842.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.52352.54.07.052.5R2752.55.07.062.52862.55.08.062.5R3262.55.58

10、.0（6）水化热v水化热是指水泥与水发生水化反应时放出的热量，通常用J/kg表示。v水化热的大小主要与水泥的细度及矿物组成有关。颗粒愈细，水化热愈大；不同的矿物成分，其放热量不一样(见下表)，矿物中C3S、C3A含量愈多，水化热愈大。水泥熟料单矿物水化时特征水泥熟料单矿物水化时特征 名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙凝结硬化速度28d水化放热量强 度 快多高 慢少早期低，后期高 最快最多低 快中低 5、水泥进场检查及复试(1)水泥进场必须有产品合格证、出厂检验报告。(2)对水泥品种、级别、包装或散装仓号、出厂日期等进行检查验收。(3)对水泥强度、安定性及其他必要的性能指标进行复试，其质量必

11、须符合硅酸盐、普通硅酸盐水泥GBl75等的规定。(4)当在使用中对水泥质量有怀疑或水泥出厂超过三个月(快硬水泥超过一个月)时，应进行复试，并按复试结果使用。(5)钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构中，严禁使用含氯化物的水泥。(6)水泥在运输和贮存时，应有防潮、防雨措施，防止受潮后水泥凝结成块，强度降低。不同品种和标号的水泥应分别贮存，不得混杂在一起。v经济上：在不影响混凝土性能的条件下，在混凝土中尽可能多地加入骨料，以降低混凝土的成本；v骨料可提供混凝土很好的稳定性和比水泥石更好的耐久性。三、骨料1、骨料的种类v按照骨料粒径粗骨料：粒径大于4.75mm的岩石颗粒，如卵石、碎石细骨料：粒径小于4.

12、75mm的岩石颗粒，如河砂、山砂、海砂v按照骨料的密度普通骨料：堆积密度在15201680kg/m3的骨料 密度在25002700kg/m3轻骨料：堆积密度1120kg/m3的骨料 密度在1000kg/m3重骨料：堆积密度2080kg/m3的骨料 密度在35004000kg/m3 如陶粒、煅烧页岩、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、泡沫塑料颗粒等。如铁矿石、重晶石等。碎 石卵 石骨料的种类普通骨料轻骨料重骨料骨料的分类骨料的种类按照骨料来源分为：v天然岩石骨料：由天然岩石组成的骨料，如砂、卵石、碎石等。v按照岩石的主要成分分为：氧化硅矿物、碳酸盐矿物、氧化铁矿物、硫化物矿物、粘土矿物等。v人工骨料：热加工

13、骨料：膨胀页岩、膨胀蛭石等；工业副产物：矿渣、铁渣、粉渣等；v再生骨料：破碎混凝土、破碎粘土砖等。2.混凝土中骨料的基本要求 v具有良好的颗粒级配，使堆积空隙率小，颗粒总比表面积较小，以减少水泥浆用量；v骨料颗粒表面干净，以保证与水泥浆有良好的粘结力；v含有害杂质少，不得含有影响水泥凝结硬化和后期混凝土耐久性的成分；v具有足够的强度和坚固性，以保证起到骨架和传力作用。骨料用量对混凝土与净浆收缩比的影响骨料用量对混凝土与净浆收缩比的影响3、骨料的特性及对混凝土性能的影响v骨料的含水状态v骨料的密度v骨料的粒径与级配v骨料的孔隙率v骨料的形状v骨料的表面特征v骨料的弹性模量v骨料的强度v骨料的坚固

14、性v骨料的硬度混凝土配合比设计所要求影响新拌混凝土性能影响硬化混凝土性能(1)骨料的密度、表观密度与堆积密度 v密度测量 可用“排液法”直接测量砂、石骨料颗粒的密度。直接测得的密度实际是骨料的表观密度，但由于砂、石的孔隙率小，将此法测得的密度为视密度（表观密度）密度（毛体积密度）。大多数天然骨料的视密度为2.43.0。v堆积密度测量 砂、石的堆积密度一般用固定体积法测量；砂用5升的体积的质量确定；石用10升体积的质量确定。骨料堆积密度取决于颗粒粒径与级配 天然岩石的密度岩石种类平均密度密度范围玄武岩(Basalt)2.802.603.0花岗岩(Granite)2.692.603.0砂岩(Gri

15、tstone)2.692.602.9角页岩(Hornfels)2.822.703.0石灰岩(Limestone)2.662.52.8斑岩(Porphyry)2.732.602.9石英岩(Quartzite)2.622.62.7(2)骨料的粒径及其分布v骨料粒径及其分布粗骨料：最大粒径与颗粒级配；细骨料：细度模数与颗粒级配。v骨料粒径与颗粒级配影响骨料堆积孔隙颗粒级配合理可减少堆积孔隙；单一粒径越大，堆积孔隙越多。v粒径及其分布影响的混凝土性能混凝土的用水量；混凝土的水泥用量；新拌混凝土的和易性混凝土的微裂缝关于骨料粒径及其分布的几个基本概念v颗粒级配 指的是大小粒径的骨料颗粒的互相搭配的比例情

16、况不同粒径颗粒的分布。v粗细程度 指的是不同粒径细骨料混合在一起的总体粗细程度平均粒径大小。v最大粒径 指的是粗骨料公称粒级的上限允许最大值。1）砂子的颗粒级配与粗细程度v细度模数Mx细度模数表征砂的粗细程度，由筛分法测定。细度模数越大，骨料越粗，根据细度模数将砂分为：细砂（2.21.6）；中砂（3.02.3）；粗砂（3.73.1）。v级配曲线级配曲线表示不同粒径砂的颗粒搭配情况；根据级配曲线分为三个区：、；级配间接反映了砂颗粒的堆积密度。砂颗粒级配与细度模数的测定v筛分法砂子标准筛：9.50 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15mm 共七个孔径的筛。方法：将500g烘干

17、的砂子试样由粗到细一次过筛，然后称出余留在各个筛上的砂子质量。计算：各个筛上的余量为分计筛余ai，各个筛及以上筛上的分计筛余的和为累计筛余Ai。则：累计筛余Ai=ai （i=1i）u颗粒级配 然后用Ai作纵坐标，筛孔尺寸作横坐标，绘制级配曲线或级配区表4.5。u计算细度模数 Mx=(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1/(100A1)砂的级配曲线区砂：较粗，宜配制低流动性混凝土；区砂：偏细，可使拌含物均匀稳定性好，但干缩大；区砂：粗细适中，拌制混凝土较为理想。2 2）石子的颗粒级配与最大粒径v颗粒级配：筛分法测定。连续级配 要求颗粒尺寸由大到小连续分级，每一级骨料都占有适当比例，这种级配较好

18、；间断级配 是人为地剔除骨料中的某些粒级，造成粒级间断，大粒径骨料间的空隙由比其小几倍的小粒径颗粒填充，从而降低堆积空隙率。v最大粒径：一般不超过40mm。在条件允许的情况下，粗骨料的最大粒径应尽可能选得大些，可节约水泥。但过大混凝土和易性变差，易产生离析。最大粒径的确定还受到结构截面尺寸、钢筋净距及施工条件的限制。（3 3）骨料的形状与表面特征v骨料的形状 骨料颗粒的外观几何形状，对于粗骨料有：等径颗粒球形体颗粒：没有菱角和边；多面体颗粒：有菱角和边。针状颗粒 长度大于颗粒所属的平均粒径的2.4倍；片状颗粒 厚度小于平均粒径的0.4倍。v骨料的表面特征表面粗糙程度；是否有菱角；干净程度等。等

19、径颗粒骨料针片状骨料颗粒针片状球状表面特征与形状对混凝土性能的有何影响？v表面粗糙和针片状颗粒需要更多的水泥浆 影响混凝土的成本。v表面光滑且等径颗粒易于流动，而粗糙且针片状颗粒不易流动影响新拌混凝土的和易性。v粗糙表面骨料与水泥浆的界面结合力较大 影响混凝土中界面区的结合力。v影响混凝土的强度骨料表面越粗糙，与水泥浆接触面越大，混凝土强度越高；针片状骨料使混凝土强度低于圆形骨料；大粒径骨料使混凝土强度低于小粒径骨料（4）骨料的含水状态 v骨料含水有四种状态：完全干燥 骨料表面及内部完全不含水；气干 骨料表面完全不含水，而内部可能含少量水；饱和面干 骨料的表面干燥而颗粒内部的孔隙含水饱和，此时

20、的含水率为饱和面干吸水率。含水湿润 骨料表面吸附水且湿润。含水状态：完全干燥 气 干 饱和面干 含水湿润含水量：不含水 有效含水量 有效含水量 有效含水量 完全干燥 气 干 饱和面干 含水湿润骨料含水量的影响v骨料的含水率以骨料的干质量为基数计算。v计算混凝土配合比时，应扣除骨料所含的水。v骨料在饱和面干状态时，既不会从混凝土中吸水，也不会给出水。所含的水对混凝土无有害作用。v湿润状态下的自由水将成为混凝土拌和水的一部分，影响混凝土的和易性、强度和耐磨性。（5）骨料的有害杂质v有害杂质的种类：粘土、泥块、云母；硫酸盐、硫化物、有机质；活性SiO2；针片状颗粒等。v有害杂质的危害：影响水泥的水化

21、、腐蚀水泥石；影响混凝土的和易性影响混凝土的强度与耐磨性；增大混凝土的收缩；引起碱骨料反应等。含泥量很大的骨料碱骨料反应v定义：骨料中的活性SiO2与水泥中的Na、K等碱金属离子间的形成碱硅酸盐凝胶的化学反应；v危害：在骨料与水泥石的界面产生的碱硅酸盐凝胶吸水后体积膨胀，导致水泥石开裂；v原因：水泥中的含碱(Na2O、K2O)量0.6%骨料中含有活性SiO2；v检验方法：砂浆棒法，膨胀率0.10%。碱硅酸盐凝胶（6）骨料的坚固性与强度v骨料的坚固性 骨料不因干湿循环或冻融循环等气候变化而产生体积变化导致混凝土的劣化。骨料的坚固性取决于孔隙率、裂缝和杂质。粗骨料的强度对混凝土强度有一定影响，要求

22、骨料强度是混凝土配制强度的1.5倍。1）砂子的坚固性v定义：砂在气候、环境变化或其它物理因素作用下抵抗碎裂的能力。v测试方法：用硫酸钠溶液浸泡检验，试样经5次循环后其质量损失率作为其评价指标。v测试原理：硫酸钠(NaSO4 10H2O)在砂的孔隙中结晶时将产生体积膨胀，使砂内部产生作用于孔壁的应力，如坚固性不好将会使砂碎裂。2）石子的强度与坚固性v粗骨料强度碎石：抗压强度（采石场、C60）、压碎指标值卵石：压碎指标值立方体强度立方体强度 用用50 50 50mm3的立方体的立方体(或或 50 50 mm的圆柱体的圆柱体)岩石试件，吸水饱和后测定的试件抗压强度。岩石试件，吸水饱和后测定的试件抗压

23、强度。压碎指标压碎指标 将气干状态下将气干状态下1020mm的石子，按一定方的石子，按一定方法装入特制的圆柱筒内，在法装入特制的圆柱筒内，在160300s内加荷至内加荷至200kN，卸荷后称取试样质量（卸荷后称取试样质量（G），然后用孔径为），然后用孔径为2.5mm的筛的筛进行筛分，称取试样的筛余量（进行筛分，称取试样的筛余量（G1）。压碎指标压碎指标=(G-G1)/G 100%v坚固性坚固性 可直接用冻融循环或硫酸盐溶液进行快速检验石子的坚固可直接用冻融循环或硫酸盐溶液进行快速检验石子的坚固性。性。PP骨料颗粒压碎强度试验示意图 1.5倍倍（1.2 1.7）混凝土强度混凝土强度4.混凝土用砂

24、的技术要求 v混凝土用砂的级配曲线一般应在区，以中砂为宜。v有害杂质含量 符合国家标准(GB/T14684-2001)的要求。v坚固性 质量损失率 8%10%。v表观密度应大于2500kg/m3，堆积密度应大于1350kg/m3,空隙率应小于47。v经碱-骨料反应检验后，应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象。5.混凝土用石子的技术要求 v最大粒径最大粒径Dmax要求：要求：中等强度的混凝土的最大粒径应中等强度的混凝土的最大粒径应 40mm；高等级混凝土应高等级混凝土应 25mm。对于钢筋混凝土，对于钢筋混凝土，Dmax 结构断面尺寸的结构断面尺寸的1/4、板厚的、板厚的1/2，或钢筋间最小净距的，或

25、钢筋间最小净距的3/4。v岩石强度与混凝土设计强度等级之比不应小于岩石强度与混凝土设计强度等级之比不应小于150%；v颗粒级配颗粒级配 符合符合JGJ53-92规定。规定。v有害杂质含量有害杂质含量 应符合表应符合表4-4的规定的规定 骨料最大粒径骨料最大粒径(Dmax)混凝土类型混凝土类型 Dmax(mm)大坝混凝土大坝混凝土 150普通混凝土普通混凝土 40高强混凝土高强混凝土 25（碎石）（碎石）15（卵石）（卵石）活性粉末混凝土活性粉末混凝土 0.6四、水 v一般河水、可饮用水，均可用来配制混凝土；vpH4及硫酸盐含量（SO3）超过1%的水不能用于配制混凝土；v海水不允许用来配制钢筋混

26、凝土；v含有对水泥水化有害的有机杂质的水不能用来拌制混凝土。v工业废水：需处理检验合格后才可使用。五、混凝土外加剂v外加剂在混凝土中加入除四种主要组分以外的其它外加材料。v种类化学外加剂和矿物外加剂：矿物外加剂：掺加量在水泥质量5%以上的称为掺和料；化学外加剂：掺加量在水泥质量5%以下的称为外加剂。为什么要使用外加剂？v单纯依靠调节水、水泥和骨料用量，难以解决下列技术问题用水量与良好和易性间的矛盾；施工操作对凝结时间、放热速度、强度增长的要求；耐久性对低连通孔隙率的要求。外加剂的作用 改善混凝土拌合物的和易性；加快或延缓凝结时间；控制强度增长；提高抗冻融、热开裂、碱骨料膨胀、硫酸盐侵蚀和钢筋锈

27、蚀等作用下的耐久性；节约水泥用量，降低成本；减少放热速度，控制温升。类型主要功能主要功能适用范围适用范围普通减水剂 1.工作性及强度不变，节约水泥用量2.工作性及水泥用量不变，减少用水量，提高强度3.用水量及水泥用量不变，增大流动性 1.日最低气温以上2.各种预制及现浇混凝土、钢筋混凝土及预应力混凝土3.大模板施工、滑模施工、大体积混凝土、泵送混凝土以及流动性混凝土 高效减水剂 1.工作性及水泥用量不变，大幅减少用水量，可制备早强、高强混凝土2.用水量及水泥用量不变，可增大流动性，制备大流动性混凝土 1.日最低气温以上2.钢筋密集、界面复杂、空间狭窄以及不易振捣部位3.各种预制及现浇混凝土、钢

28、筋混凝土及预应力混凝土4.普通减水剂适用的范围5.早强、高强混凝土以及流动性混凝土 引气剂引气减水剂1.改善混凝土拌合物的工作性，减少混凝土泌水离析2.增加硬化混凝土的抗冻融性1.有抗冻性要求的混凝土2.集料质量差以及轻集料混凝土3.提高混凝土抗渗性可用于防水混凝土4.改善混凝土的抹光性5.泵送混凝土 外加剂分类外加剂分类类型主要功能主要功能适用范围适用范围缓凝剂缓凝减水剂 降低热峰值推迟热峰值出现的时间 1.日最低气温以上的混凝土施工2.大体积混凝土3.夏季和炎热地区的混凝土施工4.预制新拌混凝土、滑模混凝土、泵送混凝土 早强剂 1.缩短混凝土的热蒸养时间2.增加硬化混凝土的抗冻融性1.日最

29、低气温-3以上2.正负气温交替的亚寒地区3.蒸养混凝土、早强混凝土速凝剂 速凝、早强 用于喷射混凝土防冻剂 混凝土在负温条件下，仍有液相自由水以保证水化，使混凝土达到预制强度 冬季负温（0以下）混凝土施工 膨胀剂 使混凝土体积在水化硬化过程中产生一定膨胀，以减少混凝土干缩裂缝，提高抗裂性和抗渗性能 1.补偿收缩混凝土，用于防水等2.填充用膨胀混凝土，用于底座灌浆，螺栓固定3.自应力混凝土，用于自应力混凝土压力管 外加剂分类外加剂分类1.化学外加剂种类：v按照组成有：有机质和无机质外加剂有机质表面活性物质无机质电解质盐类化合物表面活性物质：甲物质的加入能降低乙液体的表面张力，则称甲对乙有表面活性

30、。由于水是最常用的溶剂，故通常称有表面活性均是指对水而言的。具有表面活性的物质称为表面活性物质，表面活性剂都是表面活性物质。反之不成立。表面活性物质的结构特点：结构上具有两性的特点，一端具有亲水性，另一端则具有疏水性（或亲油性）。这两种极性分子会自身定向排列在液体表面上，极性基团伸向水中，而疏水的烃基则伸向空气、油或者固体的界面，从而降低液体的表面张力。亲油基是烃基，亲水基则是多样的。表面活性物质为什么能降低表面张力？v表面张力简单定义：表面张力简单定义：液体表面层由于分子引力不均衡而产生液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。的沿表面作用于任一界线上的张力。v 表面

31、张力解释表面张力解释：通常，由于环境不同，处于界面的分子与：通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体

32、表面具有自动缩小的趋势，这种表面收缩力称为表面张力。小的趋势，这种表面收缩力称为表面张力。v降低的原因：降低的原因：如在液气界面上，表面活性物质的亲水基和水如在液气界面上，表面活性物质的亲水基和水结合在一起，另一基伸向空气，相当于增加了空气对于水的结合在一起，另一基伸向空气，相当于增加了空气对于水的作用力，这样水分子表面的作用力就平衡了。作用力，这样水分子表面的作用力就平衡了。混凝土外加剂的发展 1885 氯化钙(促凝剂)的专利 1925 水密性外加剂 1930 铝 粉(发泡剂)1932 萘磺酸甲醛缩合物(减水剂)1938 引气剂 1938 早强剂与缓凝剂 1939 木质磺酸盐(减水剂)195

33、0 消泡剂 1955 冰点降低剂 1960 密胺树脂(减水剂)1993 聚丙烯酸(减水剂)1997 聚羧酸脂(减水剂)(1)减水剂 Water Reducersv减水剂功能上能在和易性不变时，减少单位用水量；或在单位用水量不变时，能改善和易性；或二者都具备又不改变含气量的外加剂。v组成特点：碳氢分子链上带有亲水性离子基团的表面活性物质。v种类：减水效果l普通减水剂(也称塑化剂，Plasticiser)；l高效减水剂(也称超塑化剂，Superplasticiser)。复合功能l早强减水剂；l缓凝减水剂；l引气减水剂。1)减水剂的组成与分子结构特点 v减水剂都是表面活性剂，分子结构中含有亲水的离子

34、基团和碳氢分子链，其中：离子基团是酸根离子或氨基，如：SO3-、COO-、NH 3+等；碳氢分子链，带有羟基(OH-)，如：烷烃基、芳香烃基等。v其结构如下图所示：阴离子基团碳氢链木质素磺酸盐的重复结构单元2)减水剂的物理化学特征v可溶于水，能显著降低水的表面张力；v能吸附在固体表面，并在固体表面定向排列，形成表面吸附分子层，降低水固界面张力。3)减水剂的作用效果 通过湿润、润滑、分散、塑化等作用，能使水泥浆变稀、混凝土拌和流动性增大，从而，取得下列效果：在保持用水量不变的条件下，增大坍落度，改善和易性，使混凝土易于浇注、成型密实；在保持坍落度不变的条件下，减少用水量，降低水灰比(水胶比)，提

35、高混凝土强度和抗渗性；在保持混凝土强度和和易性，在减少用水量的同时减少水泥用量。坍落度坍落度(inch)(inch)减水剂掺量减水剂掺量(水泥质量的水泥质量的)减水剂对混凝土拌合物坍落度的影响 当水灰比一定时，混凝土拌合物的坍落度随着减水剂掺量的增加而增大水灰比水灰比减水剂掺量减水剂掺量(水泥质量的水泥质量的)减水剂掺量对水灰比的影响 当坍落度恒定时，新拌混凝土的水灰比随着减水剂掺量的增加而减小4)减水剂的作用机理v不加减水剂的情况：水泥加水拌合后，由于水泥颗粒分子引力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，使10%30%的拌合水被包裹在水泥颗粒之中，不能参与自由流动和润滑作用，从而影响了混凝土拌合物的

36、流动性。v分散作用：当加入减水剂后，由于减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同一种电荷（通常为负电荷），形成静电排斥作用，促使水泥颗粒相互分散，絮凝结构破坏，释放出被包裹部分水，参与流动，从而有效地增加混凝土拌合物的流动性。v润滑作用：减水剂中的亲水基极性很强，因此水泥颗粒表面的减水剂吸附膜能与水分子形成一层稳定的溶剂化水膜，这层水膜具有很好的润滑作用，能有效降低水泥颗粒间的滑动阻力，从而使混凝土流动性进一步提高。加减水剂前的絮凝结构加入减水剂后，絮凝结构被打破4)减水剂的作用机理v空间位阻作用：减水剂结构中具有亲水性的聚醚侧链，伸展于水溶液中，从而在所吸附的水泥颗粒表面形成

37、有一定厚度的亲水性立体吸附层。当水泥颗粒靠近时，吸附层开始重叠，即在水泥颗粒间产生空间位阻作用，重叠越多，空间位阻斥力越大，对水泥颗粒间凝聚作用的阻碍也越大，使得混凝土的坍落度保持良好。（空间位阻效应主要指分子中某些原子或基团彼此接近而引起的空间阻碍作用。）v接枝共聚支链的缓释作用：新型的减水剂如聚羧酸减水剂在制备的过程中，在减水剂的分子上接枝上一些支链，该支链不仅可提供空间位阻效应，而且，在水泥水化的高碱度环境中，该支链还可慢慢被切断，从而释放出具有分散作用的多羧酸，这样就可提高水泥粒子的分散效果，并控制坍落度损失。减水剂分散水泥的机理 加减水剂前 加减水剂后絮 凝分 散没加减水剂的水泥浆加

38、减水剂后的水泥浆5)减水剂的品种及其应用v普通减水剂v高效减水剂普通减水剂 Water-reducerv特点：一般含有杂质；减水率较小，约10%；有一些副作用；v主要品种木质素磺酸盐(木钙，)副作用：引进气泡多而大羟基羧酸及其盐(如柠檬酸、葡萄糖酸钠等)副作用：缓凝作用明显，有引气剂时会增大拌合物含气量多元醇(如糖钙等)；副作用：缓凝但不影响含气量高效减水剂 High-range Water-reducerv特点：具有较高的分子量，纯度较高；减水效率高，在掺量较小的条件下，可取得高效；副作用小。v种类：改性木质素磺酸盐，较高分子量的纯木质素盐；磺化密胺缩合树脂，一般是钠盐；磺化萘甲醛缩合树脂，

39、一般也是萘磺酸钠盐；含有羧基和/或醚基的聚合物，如聚丙烯酸钠、聚羧酸酯，聚醚等；高效减水剂的应用，成为混凝土技术发展里程一个重要的里程碑，应用它可以配制出流动性满足施工需要且水灰比低，因此强度很高的高强混凝土、可以自行流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性能需要和匀质性良好的高性能混凝土。减水剂的技术经济效果v在保持用水量不变的情况下，使拌和物的坍落度增大100200mm；v在保持坍落度不变的情况下，使用水量减少10%15%，抗压强度增加15%40%；v在保持坍落度和强度不变的情况下，可节约水泥10%15%；v混凝土的渗水性可降低40%80%；v可减慢水泥水化初期的放热速度，减

40、少开裂现象。减水剂使用中的几个注意的问题v减水剂水泥相容性问题v混凝土拌合物坍落度损失问题减水剂水泥的相容性与坍落度损失v相容性，过去称“适应性”，是指减水剂与水泥之间是否有不利于减水剂效率发挥的相互作用。v相容性好表现为减水率大、坍落度损失小，拌合物和易性良好。v一般来说，C3A含量高的水泥与高效减水剂的相容性较差；此外，用含碱量大、放热量大的水泥时，通常相容性较差。v相容性好坏可以用净浆流动度测定方法评价v当水泥的C3A含量大于6%时，掺木质磺酸盐后反而会使混凝土的水灰比增大。坍落度损失 70年代以后，萘系和密胺两个系列的高效减水剂开始在国内外逐步推广应用。但其中最大的障碍就是掺有这类外加

41、剂后，混凝土坍落度损失迅速，无法满足长途运送与长距离泵送工艺的要求。延缓坍落度损失的措施 后掺法与多次添加法；载体流化剂法；与缓凝剂复合使用；超剂量添加法；开发新系列高效减水剂。载体流化剂：以水泥混凝土中的增强剂为载体，与流化剂配合而成。(2)引气剂v什么是引气剂？能在混凝土拌和物中产生许多均匀分布的微小气泡(孔径为0.012mm)，并在硬化后仍能稳定存在的外加剂。v组成特点：带有憎水基和亲水基的表面活性剂v物理化学特性：可溶于水；降低水的表面张力；能吸附在气泡表面，使之稳定。1)引气机理 v混凝土引气剂基本上都属于阴离子表面活性剂，其分子结构由憎水基团和亲水基团组成，亲水基团在分子溶于水解离

42、后会因释放出阳离子而带负电荷。v概括起来讲，引气剂的作用机理在于：在混凝土搅拌过程中能使其大量包裹微小的气泡，而这些微小的气泡又能稳定地存在于混凝土体内。v具体地分析，引气剂的作用机理包括以下方面：v1)界面活性作用 v不加引气剂时，搅拌混凝土过程中，也会裹入一定量的气泡。但是当加入引气剂后，在水泥-水-空气体系中，引气剂分子很快吸附在各相界面上。在水泥-水界面上，形成憎水基指向水泥颗粒，而亲水基指向水的单分子(或多分子)定向吸附膜；在气泡膜(也即水-气界面)上，形成憎水基指向空气，而亲水基指向水的定向吸附层。由于表面活性剂的吸附作用，大大降低了整个体系的自由能，使得在搅拌过程中，容易引入小气

43、泡。v由于表面张力或者表面能的降低，容易引入小气泡。v2)起泡作用v清净的水不会起泡，即使在剧烈搅动或振荡作用下，使水中卷入搅成细碎的小气泡而混浊，但静置后，气泡立即上浮而破灭。但是当水中加入引气剂(比如洗衣粉)后，经过振荡或搅动，便引入大量气泡。其原因是：液体表面具有自动缩小的趋势，而起泡是一种界面面积大量增加的过程，在表面张力不变的情况下，必然导致体系自由能大大增加，是热力学不稳定的系统，会导致气泡缩小、破灭。但在引气剂存在的情况下，由于它能吸附到气-液界面上，降低了界面能，即降低了表面张力，因而使起泡较容易。v即：表面张力或表面自由能越小，起泡（即伴随着表面积的增大）越容易。v3)稳泡作

44、用 v气泡有定向吸附层，相互排斥且均匀分布，而且阴离子表面活性剂在含钙的溶液中，作为钙盐而沉淀，吸附于气泡膜，使气泡稳定。2)引气剂的作用效果 v改善拌和物的和易性，减少用水量5%9%，改善保水性，减少泌水性；v混凝土的抗渗性提高50%，抗冻标号提高3倍；v降低混凝土的强度，引入1%的空气，可使强度下降56%；v增大变形性，降低弹性模量，提高抗裂性和抗冲击性。3)常用引气剂 v松香热聚物；v松香皂；v烷基苯磺酸钠；v脂肪酸硫酸钠；v烷基酚环氧乙烷缩合物等。其用量一般为水泥质量的(0.51.2)/10000 松香酸引气剂水泥相容性 当粉煤灰存在时，引气剂掺量要成倍增大，特别是粉煤灰掺量很大、粉煤

45、灰含碳高以及混凝土干稠时尤其突出。因此，很有必要开发新品种引气剂。(3)调节混凝土凝结时间的外加剂v土木工程应用中，有时需调节混凝土的凝结时间。例如：隧道内衬、水下工程施工要求混凝土喷出后能迅速凝结；道路修补工程要求混凝土早期强度高，以便早日开放交通；冬天施工，要求混凝土强度增长快，以免冻坏；大体积工程要求混凝土缓慢凝结，以免水化放热太快引起温度应力和变形开裂。调节凝结时间的外加剂种类v早强剂 早强剂能加速新拌混凝土凝固，提高混凝土早期强度，而对后期强度无显著影响的外加剂称为早强剂。v防冻剂 在负温下使用的早强剂称为防冻剂或防冻早强剂，它能降低冰点，促使水泥水化放热反应，达到抵抗冰体膨胀的临界

46、强度v速凝剂 能使水泥混凝土急速凝结硬化(15min内初凝，210min内终凝)的外加剂。v缓凝剂 能延缓水泥混凝土凝结硬化时间，并对后期强度无显著影响的外加剂主要成分有：氯化物：氯化钙、氯化钠；硫酸盐：石膏、硫酸钠；三乙醇胺以及复合早强剂。主要成分有：水溶性铝酸盐、纯碱、碳酸钠，碱金属硅酸盐等。主要成分有：氯化物、亚硝酸盐、硝酸盐、碳酸盐等。主要成分：糖蜜、酒石酸、柠檬酸、硼酸盐、锌酸盐等。早强剂的作用机理n氯盐系v氯盐属于强电解质，溶解于水后将全部电离成离子，氯离子吸附于水泥熟料硅酸三钙和硅酸二钙的表面，增加水泥颗粒的分散度，加速水泥初期水化反应。v氯化钙与铝酸三钙作用，生成不溶性的水化氯

47、铝酸钙固溶体，氯化钙与氧化钙作用生成不溶于氯化钙溶液的氧氯化钙。这些综合作用使水泥浆中固相比例增大，促使水泥凝结硬化。v由于溶液中大量的钙离子和氯离子的存在，加速了水化物晶核的形成及成长v氯化钠（现在已经不允许用了）n硫酸盐系v硫酸钠溶解于水中与水泥水化时的氢氧化钙作用，生成氢氧化钠和硫酸钙。v硫酸钙的颗粒很细，活性比外掺的要高，因而与水化铝酸钙反应生成钙矾石的速度要快。v氢氧化钠是一种活性剂，能提高铝酸三钙和石膏的溶解度，加速钙矾石的生成。早强剂的作用机理n三乙醇胺系v是一种表面活性剂，可以促进铝酸三钙和石膏的溶解度，加速钙矾石的生成；v与无机盐类复合使用时，不仅能促进水泥本身的水化，还促进

48、水泥与无机盐类的反应。速凝剂的作用机理v速凝剂加入混凝土后，其主要成分中的铝酸钠、碳酸钠在碱性溶液中迅速与水泥中的石膏反应形成硫酸钠，使石膏丧失其原有的缓凝作用，从而导致铝酸钙矿物迅速水化，并在溶液中析出其水化产物晶体。从而使水泥混凝土迅速凝结。v石膏调节凝结时间的原理 石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。主要成分有：水溶性铝酸盐、纯碱、碳酸钠，碱金属硅酸盐等。缓凝剂的作用机理 v缓凝剂分子吸附在水泥颗粒表面

49、，屏蔽活性点，阻碍水泥的水化。如分子中的某些官能团与游离的钙离子生成难溶性的钙盐吸附于矿物颗粒表面。v能产生多元酸根离子吸附在金属（如钙、铝）离子上，阻碍水泥水化物的结晶沉淀，从而延缓了水泥浆体结构的形成，使混凝土的凝结时间延缓几小时。缓凝剂对水泥浆凝结时间的影响2.掺合料问题？混凝土中为什么要使用掺合料？v代替水泥，所以也称水泥代用材料v改善混凝土微结构，尤其是界面过渡区结构v改善混凝土性能，尤其是耐久性v保护生态环境，节约资源和能源主要矿物外加剂(掺合料)的种类v粉煤灰 煤粉在锅炉中燃烧后的灰份；v磨细矿渣 高炉炼铁排出的废渣，经粉磨后使用；v硅灰 生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末

50、；v磨细石灰石粉 将石灰石骨料开采时的碎屑磨成粉末氧化物 粉煤灰 磨细矿渣 硅粉 水泥 低钙 高钙SiO2 48 40 36 97 20Al2O3 27 18 9 2 5Fe2O3 9 8 1 0.1 4MgO 2 4 11 0.1 1CaO 3 20 40 64Na2O 1 0.2K2O 4 0.5主要矿物外加剂(掺合料)的化学组成主要矿物外加剂(掺合料)的物理性质 性质 粉煤灰 磨细矿渣 硅粉 水泥 密度 2.1 2.9 2.2 3.15粒径(m)1150 3200 0.010.5 0.1100比表面积(m2/kg)350 400 15000 350加 密硅铁合金厂硅冶炼厂烟罩冷凝硅粉20