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8 ． 1 凝結(jié)時間水泥漿體的凝結(jié)時間，對于建筑工程的施工具有十分重要的意義。水泥漿體的凝結(jié)可分為初凝和終凝。初凝表示水泥漿體失去流動性和部分可塑性，開始凝結(jié)。終凝則表示水泥漿體逐漸硬化，完全失去可塑性，并具有一定的機戒強度，能抵抗一定的外來壓力。從水泥加水拌和到水泥初凝所經(jīng)歷的時間稱為“初凝時間”，到終凝所經(jīng)歷的時間稱為“終凝時間”。在施工過程中，若初凝時間太短，往往來不及進(jìn)行施工漿體就變硬 , 因此，應(yīng)有足夠的時間來保證混凝土砂漿的攪拌、輸送、澆注、成型等操作的順利完成。同時還應(yīng)盡可能加快脫模及施工進(jìn)度，以保證工程的進(jìn)展要求。為此，各國的水泥標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了水泥的凝結(jié)時間。特別是凝結(jié)時間 , 對水泥的使用更具有實際意義。根據(jù)我國水泥國家標(biāo)準(zhǔn) GB175 — 99 規(guī)定，硅酸鹽水泥初凝不得早于 45min ，終凝不的遲于 390min 。8 ． 1 ． 1 凝結(jié)速度水泥凝結(jié)時間的長短決定于其凝結(jié)速度的快慢。從水泥的水化硬化過程可知，水泥加水拌和后熟料礦物開始水化，熟料中各礦物 28 天的水化速度大小順序為 C 3 A>C 3 S> C 4 AF>C 2 S ，并產(chǎn)生各種水化物， C 3 S 與 C 2 S 水化生成 C — S — H 凝膠和 Ca(OH) 2 ， C 3 A 與 C 4 AF 在石膏作用下，根據(jù)石膏摻量的不同可分別水化生成三硫型水化硫鋁（鐵）酸鈣（ AFt ）、單硫型水化硫鋁（鐵）酸鈣（ AFm ）和 C 4 AH 13 固溶體，隨著水化作用的繼續(xù)進(jìn)行，水化產(chǎn)物逐漸長大增多并初步聯(lián)結(jié)成網(wǎng)，逐漸失去流動性與可塑性而凝結(jié)。所以，凡是影響水化速度的各種因素，基本上也同樣影響水泥的凝結(jié)速度，如熟料礦物組成、水泥細(xì)度、水灰比、溫度和外加劑等。但水化和凝結(jié)又有一定的差異。例如，水灰比越大，水化越快，凝結(jié)反而變慢。這是因為加水量過多，顆粒間距增大，水泥漿體結(jié)構(gòu)不易緊密，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以形成的緣故。水泥的凝結(jié)速度既與熟料礦物水化難易有關(guān)，又與各礦物的含量有關(guān)。決定凝結(jié)速度的主要礦物為 C 3 A 和 C 3 S 。 R.H. 鮑格和 W. 勒奇等人認(rèn)為， C 3 A 的含量是控制初凝時間的決定因素。在 C 3 A 含量較高，或石膏等緩凝劑摻量過少時，硅酸鹽水泥加水拌和后， C 3 A 迅速反應(yīng)，很快生成大量片狀的水化鋁酸鈣，并相互連接形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)不可逆的固化現(xiàn)象，稱為“速凝”或“閃凝” 。產(chǎn)生這種不正常快凝時，漿體迅速放出大量熱，溫度急劇上升。但在是如果 C 3 A 較少（≤ 2% ）或摻加有石膏等緩凝劑時，就不會出現(xiàn)快凝現(xiàn)象 , 水泥的凝結(jié)快慢則主要由 C 3 S 水化來決定。所以說，快凝是由 C 3 A 造成的，而正常凝結(jié)則是受 C 3 S 制約的。事實上，水泥的凝結(jié)速度還與熟料礦物和水化產(chǎn)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)系。實驗證明，即使化學(xué)組成和表面積完全相同的水泥，但由于煅燒制度的差異，仍可使熟料結(jié)構(gòu)有所不同，凝結(jié)時間也將發(fā)生相應(yīng)的變化。如急冷熟料凝結(jié)正常，而慢冷熟料常出現(xiàn)快凝現(xiàn)象。這是因為慢冷時 C 3 A 能充分結(jié)晶， C 3 A 晶體相對較多，使水化加快，而急冷時 C 3 A 固溶與玻璃體中，由于玻璃結(jié)構(gòu)致密，相對 C 3 A 晶體水化較慢。同樣，若水化產(chǎn)物是凝膠狀的，則會形成薄膜，包裹在未水化的水泥周圍，阻礙礦物進(jìn)一步水化，因而能延緩水泥的凝結(jié)。溫度的變化也會影響水泥的凝結(jié)速度。溫度升高，水化加快，凝結(jié)時間縮短，反之則凝結(jié)時間會延長，如圖 8.1 所示。所以，在炎熱季節(jié)及高溫條件下施工時，須注意初凝時間的變化，在冬季或寒冷條件下施工時應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?，以保證正常的凝結(jié)時間。總之，影響水泥的凝結(jié)快慢因素是多方面的， 圖 8.1 溫度對凝結(jié)時間影響一例 ,但主要還是 C 3 A 的影響，因此在生產(chǎn)上都是摻入石膏來控制水泥的凝結(jié)時間。8 ． 1 ． 2 緩凝機理及其適宜摻量的確定一般水泥熟料中 C 3 A 含量較高，若不加緩凝劑，在使用時，加水拌和后，很快就會凝結(jié)而無法施工。參加適量石膏就可以控制水泥的水化速度，調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，而且由于石膏的摻入，還可提高早期強度，降低干縮變形，改善水泥的耐久性等一系列性能。石膏作為水泥中常用的緩凝劑，對于其緩凝機理，目前存在著不同的觀點。一般認(rèn)為，Ｃ 3 Ａ在石膏 -- 石灰的飽和溶液中，生成溶解度極低的鈣礬石，這些棱柱狀的小晶體生長在顆粒表面，形成覆蓋層或薄膜，覆蓋并封閉了水泥顆粒表面，從而阻滯了水分子及離子的擴(kuò)散，阻礙了水泥顆粒尤其是 C 3 A 的進(jìn)一步水化，故防止了快凝現(xiàn)象。隨著擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行，鈣礬石增多，當(dāng)鈣礬石覆蓋層增加到足夠厚時，滲透到內(nèi)部的ＳＯ 4 2- 逐漸減小到不足以生成鈣礬石，而形成單硫型水化硫鋁酸鈣， C 4 AH 13 及其固溶體，并伴隨有體積增加，由于固相體積增加所產(chǎn)生的結(jié)晶壓力達(dá)到一定數(shù)值時，鈣礬石膜就會局部脹裂，水和離子的擴(kuò)散失去阻礙，水化就能得以繼續(xù)進(jìn)行。楊（ＹＯＡＵＮＧ）認(rèn)為，水泥在水化過程中，由于 Ca(OH) 2 晶核表面吸附了緩凝劑，妨礙了它進(jìn)一步生成和長大，使得 Ca(OH) 2 晶體不能及時析出，阻礙了硅酸鹽的水化速度，從而導(dǎo)致緩凝，這是所謂的晶核受損學(xué)說。洛赫爾（ Locher ）則認(rèn)為，水泥的凝結(jié)是由于漿體內(nèi)部形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，石膏并不改變 C 3 A 的水化速度，如圖 8.2 所示，當(dāng)熟料中 C 3 A 不多（即反應(yīng)能力低），硫酸鹽含量也低時，水化開始后既生成晶粒細(xì)小的鈣礬石薄膜，并不阻礙水泥顆粒相互移動，漿體仍有可塑性。經(jīng)過幾小時鈣礬石增加到足夠數(shù)量，晶體長成細(xì)長針狀后，才在水泥顆粒間相互交叉聯(lián)接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到正常凝結(jié)（如圖 8.2 （Ⅰ）），若 C 3 A 含量較高，硫酸鹽也相應(yīng)增加時，水化開始生成的鈣礬石也相應(yīng)增多，凝結(jié)稍快，但仍屬正常（圖 8.2 （Ⅱ））；但若 C 3 A 含量較高，溶液中硫酸鹽很少時，除生成鈣礬石薄膜外，剩余的 C 3 A 會很快在顆粒間隙生成片狀 C 4 AH 13 和單硫型水化硫鋁酸鈣并析出晶體，使水泥顆粒相互聯(lián)接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致快凝（圖 8.2 （Ⅲ））；若 C 3 A 含量低，而硫酸鹽濃度相對過高時，反應(yīng)剩余的硫酸鹽將立即結(jié)晶形成條狀二次石膏，也會造成快凝（圖 8.2 （Ⅳ））。因此，石膏適宜摻量是決定水泥凝結(jié)時間的關(guān)鍵。由上可知，石膏摻量過多或過少都會導(dǎo)致不正常凝結(jié)。一般情況下，石膏還不至于多到造成快凝，但其摻量增大到一定程度時，對凝結(jié)時間的影響便會變得 很小，如圖 8.3 所示。圖 8.3 石膏對水泥凝結(jié)時間的影響 圖 8.4 水泥強度和 SO 3 摻量的含量當(dāng) SO 3 摻量小于約 1.3% 時，石膏摻量過小，水泥會產(chǎn)生快凝，進(jìn)一步增加 SO 3 含量時，石膏才出現(xiàn)明顯的緩凝作用，但 SO 3 摻量超過 2.5% 以后，凝結(jié)時間增長很少。也有許多研究者指出，石膏的適宜摻量，應(yīng)是加水后 24h 左右能夠別耗盡的數(shù)量。應(yīng)該指出，確定石膏的最佳摻量不僅要考慮凝結(jié)時間，還要注意其對不同齡期的強度，水泥安定性的影響．據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，現(xiàn)代硅酸鹽水泥中 SO 3 與 AI 2 O 3 的適宜比例為 0.5 ～ 0.9 ，平均約為 0.6 。通常石膏摻量是很難以經(jīng)驗公式精確計算出。確定最佳石膏摻量的可靠方法是強度和有關(guān)性能的實驗。如圖 8.4 所示。影響石膏摻量的因素很多 , 主要有以下幾個方面。石膏的種類石膏除了二水石膏外，還有硬石膏及工業(yè)副石膏 , 硬石膏在常溫下的溶解度比二水石膏大，但其溶解速度很慢，故其摻入量應(yīng)比二水石膏要適當(dāng)增加。一般硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥中石膏摻量 ( 以 SO 3 計 ) 在 1.5% ～ 2.5% 之間。如表 8.1 所示。表 8.1 各種硫酸鹽的溶解度、溶解速度與緩凝作用石膏種類化學(xué)式溶解度 (g/L)相對溶解速度相對緩凝作用半水石膏CaSO 4 · 0.5H 2 O6快很強烈二水石膏CaSO 4 · 2H 2 O2.4慢較強烈可溶性無水石膏CaSO 4 · 0.001 ～ 0.5H 2 O6快很強烈天然無水石膏CaSO 42.1最慢弱2. 熟料中 C 3 A 含量熟料中 C 3 A 含量是石膏摻量最主要的影響因素。 C 3 A 含量高，石膏摻量應(yīng)相應(yīng)增加，反之則減少。作為一般的規(guī)律，可以大致地說， C 3 A ＜ 11% 的普通硅酸鹽水泥， SO 3 最佳摻量為 2.3% 。3. 熟料中 SO 3 含量由于使用原燃料、配料的緣故，以及部分立窯采用石膏、重晶石等作為礦化劑，熟料中常含有少量 SO 3 ，當(dāng)熟料中 SO 3 含量較高時，則要相應(yīng)減少石膏摻量。4. 水泥細(xì)度熟料中，在相同 C 3 A 含量的情況下，當(dāng)水泥粉磨得較細(xì)時，其比表面積增大，水化加快，則應(yīng)適當(dāng)增加石膏摻量。5. 混合材的種類與摻量水泥中摻加不同品種和數(shù)量的混合材時，其石膏摻入量也不同。如 . 混合材采用粒化高爐礦渣，且含量較多時，應(yīng)適當(dāng)多摻入些石膏，這是因為石膏在水泥中除了起緩凝劑作用外，還對礦渣活性起到硫酸鹽激發(fā)劑的作用，加速礦渣的硬化過程。此外，水泥中堿含量較高時，其凝結(jié)速度加快，石膏摻量也應(yīng)適當(dāng)增加。8 ． 1 ． 3 假凝現(xiàn)象假凝是指水泥的一種不正常的早期固化或過早變硬現(xiàn)象。在水泥用水拌和的幾分鐘內(nèi)，物料就顯示凝結(jié)。假凝和快凝是不同的，前者放熱量極微，而且經(jīng)劇烈攪拌后，漿體又可恢復(fù)塑性，并達(dá)到正常凝結(jié)，對強度并無不利影響；而快凝或閃凝 圖 8.5 不正常凝結(jié)時間的典型特征曲線 往往是由于緩凝不夠所引起的，漿體已具有一定強度，重拌并不能使其再具塑性。圖 8-5 為這兩種不正常凝結(jié)的典型特性曲線，由圖可見假凝漿體在重拌后，維卡儀試針插入深度的變化即能與正常凝結(jié)大致相近，而快凝的水泥卻幾乎不變。因此，假凝的影響比快凝較為輕微，但仍會給施工帶來一定困難。假凝現(xiàn)象與很多因素有關(guān)，除熟料 C 3 A 含量偏高 ，石膏摻量較多等條件外，一般認(rèn)為，主要還由于水泥在粉磨時受到高溫，使較多的二水石膏脫水成半水石膏的緣故。當(dāng)水泥調(diào)水后，半水石膏迅速溶于水，部分又重新水化為二水石膏析出，形成針狀結(jié)晶網(wǎng)狀構(gòu)造，從而引起漿體固化。對于某些含堿較高的水泥，所含的硫酸鉀會依下式反應(yīng)：K 2 SO 4 + CaSO 4 · 2H 2 O = K 2 SO 4 · CaSO 4 · H 2 O + H 2 O所生成的假石膏結(jié)晶迅速長大，也會是造成假凝的原因。另外，即使在漿體內(nèi)并不形成二水石膏等晶體所連生的網(wǎng)狀構(gòu)造，有時也會產(chǎn)生不正常凝結(jié)現(xiàn)象。有的研究者認(rèn)為，水泥顆粒各相的表面上，由于某些原因而帶有相反的電荷，這種按其本質(zhì)是觸變性的假凝，則是這些表面間相互作用的結(jié)果。實踐表明，假凝現(xiàn)象再摻有混合材料的水泥中很少產(chǎn)生。實際生產(chǎn)時，為了防止所摻的二水石膏脫水，在水泥粉磨時常采用必要的降溫措施。還應(yīng)盡量采用無水硫酸鈣含量較高的石膏，將水泥適當(dāng)存放一段時間，或者在制備混凝土?xí)r延長攪拌時間等，也可以消除假凝現(xiàn)象的產(chǎn)生。8 ． 1 ． 4 調(diào)凝外加劑除石膏外，還有許多無機鹽或有機化合物，能夠影響硅酸鹽水泥的凝結(jié)過程，他們均可作為調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的外加劑，按照其所起的作用，通常有緩凝劑和促凝劑 ( 早強劑 ) 兩種，由于在正常情況下，主要是 C 3 S 影響著凝結(jié)。而 C 3 A 則是引起不正常凝結(jié)的原因。因此，一般就將外加劑的作用歸結(jié)于他們對 C 3 S 和 C 3 A 的影響。1 ． 緩凝劑緩凝劑是用來延長凝結(jié)時間，使新拌混凝土漿體較長時間保持塑性，以便滿足較長時間運輸?shù)男枰?，提高施工效率，在夏季和大體積混凝土漿體施工中摻用緩凝劑可延緩漿體的凝結(jié)，延長搗實漿體的時間，延緩水泥小化放熱，減少因放熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力而使硬化漿體產(chǎn)生裂縫。        可以應(yīng)用的有機緩凝劑有：木質(zhì)素磺酸鹽，羥基羥酸及其鹽，多元醇及其衍生物，糖類及碳水化合物，胺鹽和胺酸等。例如，屬于羥基羥酸一類的酒石酸和檸檬酸能吸附到 C 3 A 表面，使他們難以較快地生成 AFt 結(jié)晶，起到緩凝作用。又如木質(zhì)素磺酸鈣或木質(zhì)素碳酸鈉在摻入水泥后，即吸附到 C 3 S 、 C 3 A 等的表面，不但阻礙 C-S-H 的成核，而且還能使 Ca(OH) 2 的結(jié)晶成長推遲。另外，由于這些表面活性物質(zhì)吸附于水泥顆粒及其水化產(chǎn)物的表面上，形成帶有電荷的親水性薄膜，使擴(kuò)散層水膜增厚，因此阻滯了水泥顆粒間的粘結(jié)以及水化產(chǎn)物的凝聚，也必有助于達(dá)到延緩凝結(jié)的目的。幾種緩凝劑對水泥漿體凝結(jié)時間影響如表 8.2 所示。表 8.2 幾種緩凝劑對水泥漿體凝結(jié)時間影響摻量時間空白水楊酸檸檬酸蔗糖三乙醇胺甲基纖維素磷酸00.050.050.100.050.100.050.050.100.050.10初凝（ h ： min ）125170170295255465205145170262350終凝（ h ： min ）190218265475288520260240350298430無機緩凝劑包括：硼砂，氯化鋅，碳酸鋅，鐵，銅，鋅和鎘的硫酸鹽。磷酸鹽和偏磷酸鹽等。由于緩凝作用不穩(wěn)定，因此不常使用，他們的作用機理在于在水泥顆粒表面形成難溶性膜，阻礙水泥水化過程。2. 促凝劑促凝劑是減少水泥漿由塑性變?yōu)楣虘B(tài)所需時間的外加劑。在施工過程中，有時要求水泥漿體較快地凝結(jié)和硬化，或者要求較高的早期強度。在低溫氣候條件下要求加速水泥水化和硬化。這些場合需要使用促凝劑。可以應(yīng)用的無機促凝劑有：氯鹽，碳酸鹽，硅酸鹽，氟硅酸鹽 ，鋁酸鹽，硼酸鹽，硝酸鹽，亞硝酸鹽，硫代硫酸鹽等或者氫氧化鈉，氫氧化鉀和氫氧化銨等鹽基。其中最常用的則是氯化鈣。通常認(rèn)為，雖然絕大部分無機電解質(zhì)都有促進(jìn) C 3 S 水化的作用，但其中有以可溶性鈣鹽最為有效。主要是能使液相提早達(dá)到必需的 Ca(OH) 2 過飽和度，從而加快 Ca(OH) 2 的結(jié)晶析出，縮短誘導(dǎo)期。另外， CaCl 2 的存在還會加速 AFt 的形成，或與 C 3 A 生成水化氯鋁酸鹽，故還能促進(jìn)水泥硬化，提高早期強度。又由于 CaCl 2 能使水泥的水化熱效應(yīng)提早而且集中的放出，特別適用于冬季施工，其摻量一般為 1 ～ 2% ， 2 ～ 3 天強度可提高 40 ～ 100% 。在氯化鈣的基礎(chǔ)上，還發(fā)展出如 CaCl 2 和 Na 2 SO 4 , 、 CaCl 2 和 Ca 2 SO 4 等復(fù)合外加劑， CaCl 2 的最大缺點是促使鋼筋銹蝕，因此在有關(guān)規(guī)范中都作出了具體的使用規(guī)定，目前改善的方法是降低水灰比，并且仔細(xì)搗實。 CaCl 2 與亞硝酸鈉等阻銹劑配合使用。其比例理論上是 1:1, 而實際應(yīng)為 1:2 。較為普通的有機促凝劑是三乙醇胺 [N(CH 2 — CH 2 OH) 3 ] ，其優(yōu)點是不會導(dǎo)致鋼筋銹蝕。它可單獨使用，但更多的是作為復(fù)合外加劑中的一個促凝組分。其作用也是加速 C 3 A 的水化以及 AFt 的形成，但會使 C 3 S 水化延緩。所以在礦物組成不同的硅酸鹽水泥中加入相同量的三乙醇胺時，會有相差很大的結(jié)果。常用的摻量一般在水泥重量的 0.05 ～ 0.5% ，摻量低于 0.05% ，會使初凝時間推遲。此外，尚有二乙醇胺、甲酸鈉和糖蜜等也有類似三乙醇胺的作用。值得注意的是，有些外加劑在摻量改變時會起相反作用，如緩凝劑，在一定摻量時緩凝。超量則凝結(jié)加速。還有，加有緩凝劑的水泥，凝結(jié)延遲，早期強度的發(fā)展變慢。而后期強度反而有所增加。而加有促凝劑的水泥，常兼有快硬早強的特性，但最終強度卻又會低于正常硬化下的強度。為了克服對后期物理性質(zhì)的不利影響，往往采用無機鹽與有機表面活性劑或聚合物電解質(zhì)組成的復(fù)合外加劑。8 ． 2 強度水泥的強度是評比水泥質(zhì)量重要的指標(biāo)，是劃分強度等級的依據(jù)。通常按齡期將 28d 以前的強度稱為早期強度，如 1d 、 3d 強度， 28d 及以后的強度稱為后期強度。水泥強度及其發(fā)展與很多因素有關(guān)，如熟料的礦物組成、水泥細(xì)度 、水灰比 、養(yǎng)護(hù)溫度、石膏摻量以及外加劑等。8 ． 2 ． 1 強度的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)硬化水泥漿體強度的產(chǎn)生，存在著不同的說法。一種說法認(rèn)為，水泥加水伴和后，熟料礦物迅速水化，生成大量的水化產(chǎn)物 C — S — H 凝膠，并生成 Ca(OH) 2 及鈣礬石（ AFt ）晶體，經(jīng)過一定時間以后， C — S — H 也以長纖維晶體從熟料顆粒上長出。同時鈣礬石晶體逐漸長大，它門在水泥漿體中相互交織聯(lián)結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生強度。隨著水化的進(jìn)一步進(jìn)行，水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增加，晶體尺寸不斷長大，從而使硬化漿體結(jié)構(gòu)更為致密，強度逐漸提高。另一種看法認(rèn)為，硬化水泥漿體強度的產(chǎn)生，是由于水化產(chǎn)物尤其是 C — S — H 凝膠所具有的巨大表面能，導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生范德華力或化學(xué)鍵力吸引其他離子形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而具有強度。8 ． 2 ． 2 影響水泥強度的因素影響水泥強度的因素相當(dāng)復(fù)雜，而且涉 及很廣，有些機理目前還缺乏確切的結(jié)論，仍有待進(jìn)一步研究。下面將從以下幾方面來 論述。 熟料的礦物組成 圖 8.6 C 3 S 、 C 2 S 的相對含量對強度發(fā)展的影響 在硅酸鹽水泥熟料中，四種主要礦物 C 3 S 、 C 2 S 、 C 3 A 、 C 4 AF 每一種都以單獨的相存在，并在水化反應(yīng)中顯示各自不同的特性。因此，礦物組成及其相對含量，對水泥的水化速度，水化物的形態(tài)，尺寸有決定性影響。對水泥強度的形成和發(fā)展有著至關(guān)重要的作用?？梢哉f，礦物組成是水泥早期強度，強度增長速度和后期強度高低最為重要的影響因素。表 8.3 和表 8.4 是水泥熟料四種單礦物質(zhì)強度的測定結(jié)果。由于試驗條件的差異，各方面所測單礦物的絕對強度不一樣，但就其基本規(guī)律卻是一致的。即硅酸鹽礦物的含量是決定水泥強度的主要因素。其中 C 3 S 的早期強度最大， 28d 強度基本上依賴于 C 3 S 含量 ,C 3 S 含量高，水泥的早期強度高，但以后強度增長不大。而 C 2 S 高的水泥雖早期強度不高，但長期強度增幅大，到 1 年以后可以趕上甚至超過 C 3 S 高的水泥。如圖 8.6 所示。表 8.3 四種主要礦物的抗壓強度（ MPa ）礦物名稱3d7d28d90d180dC 3 S24.2230.9842.1657.6557.84C 2 S1.732.164.5119.0228.04C 3 A7.558.148.049.416.47C 4 AF15.1016.4718.2416.2719.22表 8.4 四種主要礦物的抗壓強度（ MPa ）礦物名稱7d28d180d365dC 3 S31.6045.7050.2057.30C 2 S2.354.1218.9031.90C 3 A11.6012.2000C 4 AF29.4037.7048.3058.30C 3 A 的早期強度增長很快，一般認(rèn)為， C 3 A 主要對早期強度有利，但強度絕對值不高，而且，后期強度增長隨齡期延長逐漸減少，甚至有倒縮現(xiàn)象。實驗表明，當(dāng)水泥中 C 3 A 含量較低時，水泥強度隨 C 3 A 增多而提高，但超過某一最佳含量后，強度反而降低，同時齡期越短， C 3 A 的最佳含量越高。 C 3 A 的含量對 1 、 3 天的早期強度影響最大，如果超過最佳含量，則將對后期強度產(chǎn)生不利影響。關(guān)于 C 4 AF 的強度，目前國內(nèi)外有關(guān)實驗證明， C 4 AF 不僅對早期強度有利，而且有助于后期強度的發(fā)展，由表 8.3 和表 8.4 數(shù)據(jù)，其 3d 、 7d 、 28d 抗壓強度遠(yuǎn)比 C 2 S 和 C 3 A 高，其一年強度甚至還能超過 C 3 S 。我國有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，若 V 5+ 、 Ti 4+ 、 Mn 4+ 等金屬離子進(jìn)入鐵相晶格，與鐵離子通過不等價置換形成置換型固溶體，有可能進(jìn)一步提高 C 4 AF 的水硬活性。由此可知， C 4 AF 也是一種水化活性較好的熟料礦物，但其凝膠性能否正常發(fā)揮，不僅取決于不同條件下形成的鐵相固溶體的化學(xué)成分，晶體缺陷及原子團(tuán)的配位狀態(tài)等有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在原因，而且也與水化環(huán)境，水化產(chǎn)物形態(tài)等因素有關(guān)。至于如何最有效的地發(fā)揮鐵相固溶體的強度，則還需進(jìn)一步研究。作為調(diào)凝劑加入的石膏，也能改變水泥的強度，石膏對強度的影響受細(xì)度、 C 3 A 含量和堿含量等因素控制。當(dāng)加入適量的石膏時，有利于提高水泥的強度，特別是早期強度，但石膏加入量過多時，則會使水泥產(chǎn)生體積膨脹而使強度降低。由于熟料中存在的堿會使 C 3 S 、 C 3 A 等的水化速度加快，所以含堿水泥的早期強度提高，但 28 天及以后的強度則會降低。此外，熟料中如含有適量的 P 2 O 5 、 Cr 2 O 3 （ 0.2 ～ 0.5% ）或者 BaO 、 TiO 2 、 Mn 2 O 3 （ 0.5 ～ 2.0% ）等氧化物 , 并以固溶體的形式存在時 , 都能促進(jìn)水泥的水化 , 提高早期強度。應(yīng)該注意的是，水泥的強度并非是幾種礦物強度的簡單加和，還與各種礦物之間的比例、煅燒條件、結(jié)構(gòu)形態(tài)、微量元素的存在著一定的關(guān)聯(lián)。因此，必須把各種影響因素綜合考慮，否則將直接影響水泥的強度。 2. 水泥細(xì)度水泥細(xì)度對強度和強度增長速度也有著十分重要的影響。水泥越細(xì)，顆粒分布范圍越窄越均勻，其水化速度越快，而且水化更為完全，水泥的強度，尤其是早強越高，適當(dāng)增大水泥細(xì)度，還能改善漿體泌水性，和易性和粘結(jié)力等。而粗顆粒水泥只能在表面水化，未水化部分只起填充料作用。實驗證明，不同細(xì)度的水泥水化活性不同，一般：0 ～ 30 μ m —— 活性好 ; 30 ～ 60 μ m —— 活性一般 ;>60 μ m —— 活性較差 ; >90 μ m —— 活性極差。但是水泥太細(xì)，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大，增大了硬化漿體結(jié)構(gòu)的孔隙率，從而引起強度下降。據(jù)大量實驗證明，水泥較細(xì)時，其 1d 、 3d 早強提高。但小于 10μm 顆粒大于 50 ～ 60% 時， 7d 、 28d 開始下降。因此，水泥細(xì)度只有在一定范圍內(nèi)強度才能提高。3. 施工條件水泥石結(jié)構(gòu)的強度與其施工過程密切相關(guān)。在施工過程中，水灰比，骨料級配，攪拌振搗的程度，養(yǎng)護(hù)溫度及是否采用外加劑等對強度有很大影響。水灰比及密實程度水泥的水化程度越高，單位體積內(nèi)水化產(chǎn)物就越多，水泥漿體內(nèi)毛細(xì)孔被水化產(chǎn)物填充的程度就高，水泥漿體的密實程度也就高些，許多研究表明，水泥 圖 8.7 水泥漿體抗壓強度和孔隙率的關(guān)系石結(jié)構(gòu)中總孔隙率和大毛細(xì)孔減少時，其強度能得到較大程度的提高。如圖 8.7 為弗爾德曼在孔隙率較高時得出的試驗結(jié)果。水灰比越大，產(chǎn)生的毛細(xì)孔越多，從而影響了強度，尤其是后期強度。事實上，水灰比是孔隙率的一個量度，在水泥組成和細(xì)度相同的情況下，水灰比與強度之間的關(guān)系，和孔隙率與強度的關(guān)系相類似。 施工中攪拌與振搗是否充分，對漿體結(jié)構(gòu)強度，尤其是抗折強度，有很大的影響。攪拌不充分，漿體內(nèi)組分產(chǎn)生所謂離析現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥漿分布不均，從而降低了強度。而施工中振搗不夠充分，使?jié){體不夠致密而產(chǎn)生氣泡孔，微裂縫，對強度影響更大。大量實踐表明，在施工中采用劇烈攪拌，碾軋，加壓成型等工藝措施，能使水灰比降低，硬化漿體的孔隙率降低到 20% 一下，可是尺寸超過 100μm 的大孔不多于總體積的 2% ，甚至可使 15 μ m 以上的總孔隙率控制在 0.5% 以內(nèi)，減少微裂縫的數(shù)量和尺寸，增大水泥石的致密程度，使強度特別是抗折強度有較大的提高。（ 2 ）養(yǎng)護(hù)溫度在水泥水化過程中，提高養(yǎng)護(hù)溫度 ( 即水化的溫度 ) ，可以使早強得到較快發(fā)展，但后期強度，特別是抗折強度反而會降低（如圖 8.8 所示）。洛赫爾等人，通過實驗認(rèn)為，溫度對強度的影響，主要是形成 C-S-H 纖維長短所引起的。溫度升高，早期會增加水化產(chǎn)物的比例，并促進(jìn) C-S-H 纖維的生長，而在后期則會阻礙纖維生長，使 C-S-H 纖維的生長變短，因而空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較差。而在低溫度下長期水化則可提供較多的長纖維，所以溫度升高會影響后期強度。 圖 8.8 養(yǎng)護(hù)溫度對水泥漿體強度增長的影響維爾巴克等人認(rèn)為，高溫下水化造成強度降低的主要原因是由于在高溫下水化迅速，生成的凝膠等水化產(chǎn)物的不到充分的擴(kuò)散而均勻的沉析到水泥顆粒之間的空間中。這樣，凝膠分布稀疏的部位就成了結(jié)構(gòu)的弱點，從而影響強度的增強。同時，由于水泥顆粒被密集的凝膠層包裹后，后期水化延緩，也影響到強度的進(jìn)一步的發(fā)展，在常溫或低溫下，水化雖慢，但水化產(chǎn)物生長和擴(kuò)散充分，結(jié)構(gòu)內(nèi)凝膠分布均勻，強度較高。還有一些研究者認(rèn)為，漿體內(nèi)各組分熱膨脹系數(shù)的差別是損害漿體結(jié)構(gòu)的主要原因。漿體結(jié)構(gòu)中各組分尤其是飽和空氣在受熱時會劇烈膨脹，產(chǎn)生巨大內(nèi)應(yīng)力，使?jié){體聯(lián)結(jié)力減弱，孔隙率增加，甚至產(chǎn)生微裂縫，使對裂縫最為敏感的抗折強度顯著下降。應(yīng)當(dāng)注意的是，在提高養(yǎng)護(hù)溫度的同時，必須使?jié){體保持潤濕，否則水化將可能停止。一般宜用飽和或高壓飽和蒸汽養(yǎng)護(hù)。但據(jù)研究，蒸壓條件下，高溫對總強度的有害作用比 100 ° C 以下時，更要嚴(yán)重的多，經(jīng)分析是由于在蒸壓時水化產(chǎn)物的化學(xué)組成和物理性質(zhì)都發(fā)生了變化，同時增大了漿體的孔隙率，為防止強度下降，一般在漿體蒸壓是采用摻加適量硅質(zhì)材料如細(xì)石英砂或粉煤灰等。( 3 ）外加劑在現(xiàn)代建筑工程中，幾乎絕大部分混凝土及制品中都采用外加劑。根據(jù)需要采用適當(dāng)?shù)耐饧觿λ嗍Y(jié)構(gòu)的強度也會有一定影響。如采用摻入適當(dāng)品種與摻量的減水劑，可使水灰比大幅度減小到 0.25 ，穩(wěn)定地促進(jìn)強度的增長，采用早強劑可大幅度提高早強。而采用另外一些外加劑如引氣劑，膨脹劑，速凝劑等則可能會引起后期強度的降低，故在使用時應(yīng)嚴(yán)格控制其摻加量。8.3 體積變化與水化熱8.3.1 體積變化硬化水泥漿體的體積變化也是一項非常重要的性能指標(biāo)。由于漿體中生成了各種水化產(chǎn)物以及反應(yīng)前后濕度，溫度等外界條件的改變，硬化水泥漿體必然會發(fā)生一系列的體積變化。如化學(xué)減縮，濕脹干縮和碳化收縮等。這些變化，尤其是劇烈而不均勻的體積變化，將會嚴(yán)重影響到水泥漿體的物理，力學(xué)及耐久性能。因此，研究硬化水泥漿體的體積變化是十分必要的，而且具有現(xiàn)實意義。化學(xué)減縮水泥在水化硬化過程中，無水的熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)物，固相體積大大增加，而水泥漿體的總體積卻在不斷縮小，由于這種體積減縮是化學(xué)反應(yīng)所致 , 故稱化學(xué)減縮。以 C 3 S 的水化反應(yīng)為例：2(3CaO · SiO 2 ) + 6H 2 O = 3CaO · SiO 2 · 3H 2 O + 3Ca (OH) 2密度 3.14 1.00 2.44 2.23摩爾質(zhì)量 228.23 18.02 342.48 74.10摩爾體積 72.71 18.02 140.40 33.23體系中所占體積 145.42 108.12 140.40 99.69由此可見，反應(yīng)前體系總體積為： 145.42+108.12=253.54cm 3 ，而反應(yīng)后則為： 140.40+99.96=240.09 cm 3 ，體積減縮為： 253.51-240.09=13.45cm 3 ，故化學(xué)減縮占體系原有絕對體積的 5.3% ，而固相體積卻增加了 65.1% 。其他熟料礦物在水化時，也有不同程度的化學(xué)減縮。表 8.5 列出了幾種主要熟料礦物在水化前后的體積變化情況。有表 8.5 可見，水泥水化后固相體積總是大大增加，即填充原來體系中水所占的部位，使硬化漿體變得更加致密，因而導(dǎo)致整個體系產(chǎn)生體積減縮現(xiàn)象。當(dāng)硬化過程在空氣中進(jìn)行時，會引起外表體積收縮，同時在體系內(nèi)生成氣孔。由于化學(xué)減縮，是水泥水化反應(yīng)的結(jié)果，所以可以利用化學(xué)減縮來間接說明水泥的水化速度和水化程度。在一定齡期內(nèi)化學(xué)減縮越大，說明水化速度越大，水化程度越高。試驗說明，無論就絕對數(shù)值或相對速度而言，水泥熟料中各單礦物的減縮作用，其大小順序均為： C 3 A>C 4 AF>C 3 S>C 2 S ，如表 8.6 所示表 8.6 硅酸鹽水泥熟料單礦物的減縮作用礦物名稱28d極限值 (cm 3 /100g)C 3 S5.26 ～ 7C 2 S1.24C 3 A17.017.5 ～ 18C 4 AF9.010 ～ 11所以減縮量的大小，常與 C 3 A 的含量成線性關(guān)系。根據(jù)一般的硅酸鹽水泥的礦物組成進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，每 100g 水泥水化的減縮量為 7 ～ 9 cm 3 。若每立方米混凝土用水泥 300kg ，則減縮量將達(dá)到（ 21 ～ 27 ）× 10 3 cm 3 。由此可見，化學(xué)減縮作用帶來的孔隙數(shù)量也是相當(dāng)大的。不過，隨著水化作用的進(jìn)展，化學(xué)減縮雖在相應(yīng)增加，但固相體積的大幅增長，填充了大部分孔隙，總孔隙率還是在不斷減少的。濕脹干縮硬化水泥漿體的體積隨其含水量而變化。漿體結(jié)構(gòu)含水量增加時，其中凝膠粒子由于分子吸附作用而分開，導(dǎo)致體積膨脹，如果含水量減少，則會使體積收縮。濕脹和干縮大部分是可逆的。干燥與失水有關(guān)，但二者沒有線性關(guān)系。關(guān)于干燥引起收縮的確切原因，目前尚有不同看法，一般認(rèn)為與毛細(xì)孔張力，表面張力，拆散壓力及層間水的變化等因素有關(guān)。有關(guān)研究表明，硬化漿體的干縮值主要由 C 3 A 的含量決定，并隨 C 3 A 的增加而提高，其他組成的作用比較次要，如圖 8.9 。而在 C 3 A 含量相同時，石膏摻量就成了決定脹縮的主要因素。所以石膏的最佳摻量，除要使水泥獲得合適的凝結(jié)時間和 最高強度之外，還應(yīng)達(dá)到干縮值最低的要求。 圖 8.9 水泥漿體干縮率隨時間的變化水灰比對漿體干縮也有一定影響。一 1-C 3 A 4% ； 2- C 3 A 6% ； 3- C 3 A 8%一般說來，早期干縮發(fā)展較快，但水灰比對其影響不大，一直到 28d 后，干縮才隨水灰比減小而明顯降低。而且水灰比低的漿體，干縮停止較早。例如，對水灰比為 0.26 的漿體，在 90 天時干縮已經(jīng)基本停止。因此，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)適當(dāng)降低水灰比，并加強養(yǎng)護(hù)，以減少干縮。3. 碳化收縮在一定的相對濕度下，硬化水泥漿體中的水化產(chǎn)物如 Ca(OH) 2 、 C-S-H 等會與空氣中的 CO 2 作用，生成 CaCO 3 和 H 2 O ，造成硬化漿體的體積減少，出現(xiàn)不可塑的收縮現(xiàn)象，成為碳化收縮。其反應(yīng)式如下：Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O3CaO · 2SiO 2 · 3H 2 O + CO 2 = CaCO 3 + 2( 3CaO · SiO 2 · H 2 O) + H 2 O3CaO · SiO 2 · H 2 O + CO 2 = CaCO 3 + SiO 2 · 2 H 2 O通常，在大氣中，實際的碳化速度很慢，而且僅限于表面進(jìn)行，大約在 1 年后才會在硬化水泥漿體表面產(chǎn)生微裂縫，只影響其外觀質(zhì)量，對強度并沒有不利影響。綜上所述，引起硬化水泥漿體體積變化的因素是多方面的。在生產(chǎn)應(yīng)用中，不論是膨脹還是收縮，最重要的是體積變化的均勻性。如果水化形成的固相發(fā)生局部的不均勻膨脹，則會引起硬化漿體結(jié)構(gòu)破壞，造成安定性不良。但如控制得當(dāng)，所增加的固相體積恰能使水泥漿體產(chǎn)生均勻的膨脹，反而有利于水泥石結(jié)構(gòu)變得更加致密，提高其強度，相應(yīng)改善抗凍、抗?jié)B等性能。甚至還可利用其作為膨脹組分，成為配制各種膨脹水泥的基礎(chǔ)。8.3.2 水化熱水泥的水化熱是由各種熟料礦物與水作用時產(chǎn)生的，在冬季施工中，水化放熱能提高水泥漿體的溫度，有利于水泥正常凝結(jié)，不致因環(huán)境溫度過低而使水化太慢 , 影響施工進(jìn)度。但在大體積混凝土工程中，水化放出的熱量聚集在混凝土內(nèi)部不易散失，使其內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生應(yīng)力，致使混凝土結(jié)構(gòu)不均勻膨脹而產(chǎn)生裂縫，給工程帶來嚴(yán)重的危害。所以，水化熱是大體積混凝土工程一個重要的使用性能，如何降低水化熱，是提高大體積混凝土質(zhì)量的重要舉措之一。水泥水化放熱的周期很長 , 但大部分熱量是在 3 天以內(nèi) , 特別是在水泥漿發(fā)生凝結(jié)、硬化的初期放出。大量實驗表明，水泥的水化熱與其礦物組成有關(guān)。如表 8.7 ， 8.8 所示，熟料中各單礦物的水化熱大小順序為 C 3 A>C 3 S>C 4 AF>C 2 S 。在實踐中，適當(dāng)摻入外加劑與調(diào)整熟料的礦物組成，就可能使水化放熱速率和水化熱有所改變，例如要降低水泥的水化熱，應(yīng)該增大熟料中 C 2 S 和 C 4 AF ，相應(yīng)降低 C 3 A 和 C 3 S 的含量。在熟料礦物組成相同時，其礦物固溶狀態(tài)不同，水化熱也不一樣。圖 8.10 和圖 8.11 表示了不同含量的 C 3 A 和 C 3 S 對水泥水化熱的影響。由此可知，調(diào)整熟料礦物組成是配制低熱水泥的基本措施。表 8.7 水 化 熱名 稱水化熱 (J/g)名 稱水化熱 (J/g)C 3 S500f-MgO840C 2 S250普通硅酸鹽水泥375 ～ 525C 3 A1340抗硫酸鹽水泥與礦渣水泥355 ～ 440C 4 AF420火山灰水泥315 ～ 420f-CaO1150高鋁水泥545 ～ 585表 8.8 某水泥熟料礦物水化熱齡期C 3 SC 2 SC 3 AC 4 AF3d2405088029028d3771051378494圖 8.10 C 3 A 含量對水泥水熱化的影響 圖 8.11 C 3 S 含量對水泥水熱化的影響（ C 3 S% 基本相同） （ C 3 A% 基本相同）硅酸鹽水泥的水化熱基本上具有加和性，可以通過下式進(jìn)行計算：Q 3d = 240(C 3 S) + 50(C 2 S) + 880(C 3 A) + 290(C 4 AF)Q 28d = 377(C 3 S) + 105(C 2 S) + 1378(C 3 A) + 494(C 4 AF)式中 : 系數(shù) --- 相應(yīng)各單礦物的水化熱 (J/g)C 3 S 、 C 2 S 、 C 3 A 、 C 4 AF---- 為各熟料礦物的含量（ % ）Q 3d — 3 天齡期的水化熱 （ J/g ）Q 28d — 28 天齡期的水化熱 （ J/g ）例如：某一硅酸鹽水泥的熟料礦物組成為 C 3 S45% ， C 2 S25% ， C 3 A10% ， C 4 AF10% ，則 3 天水化熱經(jīng)計算得為： 237.5J/g; 28 天水化熱為： 383.1 J/g 。影響水化熱的因素有很多，除了熟料礦物組成及其固溶情況以外，還有熟料的煅燒與冷卻條件，水泥的粉磨細(xì)度、水灰比、養(yǎng)護(hù)溫度、水泥儲存時間等，均能影響水泥的水化放熱情況。例如，熟料冷卻速度快，玻璃體含量多，則 3 、 28 天水化熱較大。水泥的細(xì)度對水化熱總量雖無關(guān)系，但粉磨較細(xì)時，早期放熱速率顯著提高。總之，凡能加速水化的各種因素，均能相應(yīng)提高放熱速率。因此，單按熟料礦物含量通過上式計算，僅能對水化熱作大致估計，準(zhǔn)確數(shù)值尚須根據(jù)實際測定。8.4 硅酸鹽水泥的耐久性硅酸鹽水泥硬化后，在通常的使用條件下一般可以有較好的耐久性。有些 100 ～ 150 年以前建造的水泥混凝土建筑至今仍無絲毫損壞跡象。部分長齡期試驗的結(jié)果表明， 30 ～ 50 年后抗壓強度比 28 天時會提高 30% 左右，有的達(dá)到 1 倍以上。但是，也有不少失敗的工程實踐指出，早到 3 ～ 5 年就會有早期損壞甚至徹底破壞危險。影響耐久性的因素雖然很多，但抗?jié)B性，抗凍性以及對環(huán)境介質(zhì)的抗蝕性，則是衡量硅酸鹽水泥耐久性的三個主要方面。另外，在某些特定場合，堿集料反應(yīng)也可能是工程過早失效的一個重要因素。8.4.1 抗?jié)B性因為絕大多數(shù)有害的流動水，溶液，氣體等介質(zhì)，無不是從水泥漿體或混凝土中的孔縫滲入的，而抗?jié)B性就是抵抗各種有害介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部的能力。所以提高抗?jié)B性是改善耐久性的一個有效途徑。另外，對水工構(gòu)筑物以及儲油罐，壓力管，蓄水塔等工程對抗?jié)B性就更有一定的使用要求。 當(dāng)水進(jìn)入硬化水泥漿體一類的多孔材料時，開始滲入速率決定于水壓以及毛細(xì)管力的大小。待硬化漿體達(dá)到水飽和，使毛細(xì)管力不再存在以后，就達(dá)到一個穩(wěn)定流動的狀態(tài)，其滲水速率可用下列公式表示：=K × A × L ×式中：— 滲水速率（ mm 3 /s ）；A — 試件的橫截面（ mm 2 ）；h — 作用于試件兩側(cè)的壓力差（ mmH 2 O ）；L — 試件的厚度（ mm ）；K — 滲透系數(shù) （ mm/s ）。由上式可知，當(dāng)試件尺寸和兩側(cè)的壓力壓力差一定時，滲水速率和滲透系數(shù)成正比，所以通常用滲透系數(shù) K 表示抗?jié)B性的高低。而滲透系數(shù) K 又可用下式表示：K = C ×式中：ε ——總孔隙率；r ——孔的水力半經(jīng)（孔隙體積 / 孔隙表面積）；η ——流體的粘度；C ——常數(shù)。可見，滲透系數(shù) K 正比于孔隙半徑的平方，與總孔隙率卻只有一次平方的正比關(guān)系。因而孔徑的尺寸對抗?jié)B性有著更為重要的影響。經(jīng)驗表明，當(dāng)管徑小于 1 μ m 時，所有的水都吸附于管壁或做定向排列，很難流動。至于水泥凝膠則由于膠孔尺寸更小，據(jù)鮑維斯的測定結(jié)果，其滲透系數(shù)僅為 7 × 10 -16 m/s 。因此，凝膠孔的多少對抗?jié)B性實際上幾乎無影響，滲透系數(shù)主要決定于毛細(xì)孔率的大小，從而使水灰比就成為控制抗?jié)B性的一個主要因素，如圖 8.12 所示。從圖 8.12 可知，滲透系數(shù)隨水灰比的增加而提高，例如圖 8.12 硬化水泥漿體與混凝土的滲透系數(shù)和水灰比的關(guān)系水灰比 0.7 的硬化漿體，其滲透系數(shù)要超過水灰比 0.4 的幾十倍。這主要是因為孔系統(tǒng)的連通情況有所改變的緣故。在水灰比較低的場合，毛細(xì)孔常被水泥凝膠所堵隔，不易連通，滲透系數(shù)在相當(dāng)程度上受到凝膠的影響。所以水灰比的改變不致引起滲透系數(shù)較大的變化。但當(dāng)水灰比較大時，不僅使總孔隙率提高，并使毛細(xì)孔徑增大，而且基本連通，滲透系數(shù)就會顯著提高。因此可以認(rèn)為，毛細(xì)孔，特別是連通的毛細(xì)孔對抗?jié)B性極為不利。當(dāng)絕大部分毛細(xì)孔均較細(xì)小且不連通時，水泥漿體的滲透系數(shù)一般可低至 10 -12 cm/s 數(shù)量級。但如硬化齡期較短，水化程度不夠，滲透系數(shù)會明顯變大。隨著水化產(chǎn)物的增多，毛細(xì)管系統(tǒng)變得更加細(xì)小曲折，直至完全堵隔，互不連通。因此，滲透系數(shù)雖齡期而變小，約如表 8.9 所示：表 8.9 硬化水泥漿體的滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系 ( 水灰比 =0.51)齡期（天）新拌1371428100240滲透系數(shù) (m/s)10 -510 -810 -910 -1010 -1210 -1310 -1610 -18附注與水灰比無關(guān)毛細(xì)孔相互連通毛細(xì)孔互不連通而實際上要達(dá)到毛細(xì)孔互不連通的所需時間又依水灰比而變。據(jù)有關(guān)試驗：在濕養(yǎng)護(hù)的條件下，水灰比為 0.40 時僅需 3 天； 0.50 時需 28 天； 0.60 時需要半年； 0.70 的則長達(dá) 1 年左右。當(dāng)水灰比超過 0.70 以后，即使完全水化，毛細(xì)孔再也不能為水化產(chǎn)物所堵塞，就是齡期很長，抗?jié)B性仍然較低。梅塔進(jìn)一步用試驗論證了孔徑分布對抗?jié)B性的重要影響。無論水灰比或水化齡期如何，抗?jié)B性主要決定于大的毛細(xì)孔，特別是直徑超過 1320 ? 的孔的數(shù)量。實驗結(jié)果表明，當(dāng)水灰比提高時，孔隙率增大主要是由于這部分大毛細(xì)孔增多的緣故。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，在早期主要是這些較大的孔被水化產(chǎn)物所填充，一直到后期才使小孔均勻地變細(xì)。因此認(rèn)為，單單用總的孔隙率或者毛細(xì)孔率的大小來衡量漿體的抗?jié)B能力就有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｓ捎?>1320 的孔對于滲透性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)比小孔要大得多，因而提出以 >1320 ? 孔的體積 / 總孔隙率的比值，作為衡量抗?jié)B性的主要指標(biāo)。該項比值增加，滲透系數(shù)以對數(shù)增加，兩者有較好的相關(guān)性。如再將水化程度 , 最大孔徑等參數(shù)一并考慮，經(jīng)多元回歸所得的關(guān)系式，可有相當(dāng)高的精確度。而紐美等人則提出應(yīng)該特別注意漿體內(nèi)最大的連通孔尺寸，其大小與抗?jié)B性有著較好的線性關(guān)系。因此，除降低水灰比外，還可以改變孔級配，變大孔為小孔以及盡量減小連通孔等途徑來提高抗?jié)B性，達(dá)到改善耐久性的目的。值得注意的是，在實驗室條件下，雖然能夠制得抗?jié)B性很好的硬化漿體，但實際使用的砂漿，混凝土，其滲透系數(shù)要大得多（參閱圖 8.12 ）。這是因為砂，石等集料與水泥漿體的界面上存在著過渡的多孔區(qū)。集料越粗，影響越大。如果漿體先經(jīng)干燥然后受濕，滲透系數(shù)要增加，這可能是由于干縮時孔分部改變，部分毛細(xì)孔又恢復(fù)連通的緣故。特別是集料界面上的開裂對混凝土的影響更為明顯。另外，混凝土搗實不良或者泌水過度所造成的通路，都會降低抗?jié)B性。蒸汽養(yǎng)護(hù)也要使抗?jié)B性變差。所以，混凝土的抗?jié)B性仍然是一個更值得重視的問題。部分大壩用混凝土滲透系數(shù)變動于 8 ～ 35 × 10 -12 m/s 之間；某些單位則規(guī)定 15 × 10 -12 m/s 為滲透系數(shù)最大限值。8 ． 4 ． 2 抗凍性抗凍性也是硬化水泥漿體的一項重要使用性能。硅酸鹽水泥在寒冷的地區(qū)使用時，其耐久性主要取決于抵抗凍融循環(huán)的能力。據(jù)研究，寒冷地區(qū)的凍融循環(huán)對混凝土尤其是港口混凝土的破壞作用是相當(dāng)嚴(yán)重的。水在結(jié)冰時，體積約增加 9% 。硬化水泥漿體中的水結(jié)冰時會使毛細(xì)孔壁承受一定的膨脹應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過漿體結(jié)構(gòu)的抗拉強度時，就會使水泥石內(nèi)產(chǎn)生微細(xì)裂縫等不可逆變化，在冰融化后，不能完全復(fù)原，再次凍結(jié)時，又會將原來的裂縫膨脹得更大，如此反復(fù)的凍融循環(huán)，裂縫越來越大，最后導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞。因此，水泥的抗凍性一般是以試塊能經(jīng)受 -15℃ 和 20℃ 的循環(huán)凍融而抗壓強度損失率小于 25% 時的最高凍融循環(huán)次數(shù)來表示，如 200 次或 300 次凍融循環(huán)等。次數(shù)越多說明抗凍性越好。硬化漿體中水的存在形式有：化合水、吸附水、（包括凝膠水和毛細(xì)水）、自由水三種。其中化合水不會結(jié)冰，凝膠水由于凝膠孔極小，只能在極低溫度下（如 -78℃ ）才能結(jié)冰。在自然條件的低溫下，只有毛細(xì)孔內(nèi)的水和自由水才會結(jié)冰，而毛細(xì)水由于溶有 Ca(OH) 2 和堿形成鹽溶液，并非純水，其冰點至少在 -1℃ 以下。同時，還受到表面張力作用，使冰點更低。另外，毛細(xì)孔徑越小，冰點就越低。如 10nm 孔徑中水到 -5℃ 時結(jié)冰，而 3.5nm 孔徑的水要到 -20℃ 才結(jié)冰。但就一般混凝土而言，在 -30℃ 時，毛細(xì)孔水能夠完全結(jié)冰。所以在寒冷地區(qū)，混凝土常會受凍而開裂。大量實踐證明，水泥的抗凍性與水泥的礦物組成、強度、水灰比、孔結(jié)構(gòu)等因素有密切關(guān)系。一般增加熟料中 C 3 S 含量或適當(dāng)提高水泥石中石膏摻入量，可以改善其抗凍性。在其他條件相同的情況下，水泥的強度越高，漿體結(jié)構(gòu)抵抗結(jié)冰時膨脹應(yīng)力的能力就越強，其抗凍性就越好。據(jù)研究，將水灰比控制在 0.4 以下時，硬化漿體的抗凍性是相當(dāng)高的，而水灰比大于 0.55 時，其抗凍性將顯著下降，這是因為水灰比較大。硬化漿體內(nèi)毛細(xì)孔數(shù)越多，孔的尺寸也增大，導(dǎo)致抗凍性下降。另外，在低溫下施工時，采用適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)保溫措施，防止過早受凍，或在混凝土中摻加引氣劑，使水泥石內(nèi)形成大量分散極細(xì)的氣孔，也是提高抗凍性的重要途徑。8.4.3 環(huán)境介質(zhì)的侵蝕硬化的水泥漿體與環(huán)境接觸時，通常會受到環(huán)境介質(zhì)的影響。對于水泥耐久性有害的環(huán)境介質(zhì)主要有淡水、酸和酸性水、硫酸鹽溶液和堿溶液等。再環(huán)境介質(zhì)的侵蝕作用下，硬化的水泥石結(jié)構(gòu)會發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，降低強度，甚至潰裂破壞。環(huán)境介質(zhì)對水泥石的侵蝕作用可分為以下幾類：淡水侵蝕 又稱溶出侵蝕。它是指硬化水泥漿體受淡水侵析時，其組成逐漸被水溶解并在水流動時被帶走，最終導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。在各種水化產(chǎn)物中， Ca(OH) 2 溶解度最大。因而最先被溶解。由于水泥中的水化產(chǎn)物都必須在一定濃度的 Ca(OH) 2 溶液中才能穩(wěn)定存在，當(dāng) Ca(OH) 2 被溶出后，若水量不多，且處于靜止?fàn)顟B(tài)，則溶液會很快飽和，溶出即停止。但在流動水中，水流會將 Ca(OH) 2 不斷溶出并帶走，從而促使其他水化產(chǎn)物分解，特別在由水壓作用而混凝土的滲透性有較大的情況下，將會進(jìn)一步增大孔隙率，使水更易滲透，使溶出侵蝕加快。據(jù)莫斯克維測定的數(shù)據(jù)，水泥的各主要水化產(chǎn)物能穩(wěn)定存在的 CaO 極限濃度如下：CaO·SiO 2 ·(aq) CaO 濃度 >0.05g/L2CaO·SiO 2 ·(aq) CaO 濃度 >1.1g/L2CaO·AI 2 O 3 ·(aq) CaO 濃度 >0.36 ～ 0.56g/L3CaO·AI 2 O 3 ·(6 ～ 8aq) CaO 濃度 >0.56 ～ 1.08g/L4CaO·AI 2 O 3 ·(12 ～ 13aq) CaO 濃度 >1.08g/L2CaO·Fe 2 O 3 ·(aq) CaO 濃度 >0.64 ～ 1.06g/L由此可見，在大量流動水作用下，水泥石中的 CaO 在溶出并帶走后，首先是 Ca(OH) 2 被溶解，隨著溶液中 CaO 濃度的逐漸降低，高堿性的水化硅酸鈣、水化鋁酸鹽等會分解而成為低堿性的水化產(chǎn)物。溶出繼續(xù)進(jìn)行時，低堿性水化產(chǎn)物也會分解，最后成為無膠結(jié)能力的硅酸凝膠、氫氧化鋁等產(chǎn)物，從而大大降低結(jié)構(gòu)強度。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) CaO 溶出 5% 時，強度約下降 7% ，而 CaO 溶出 24% 時，強度下降達(dá) 29% ，溶出再繼續(xù)增大時，強度則下降更多。水泥結(jié)構(gòu)與淡水接觸時間較長時，會遭到一定的溶出侵蝕破壞。但對于抗?jié)B性較好的水泥石或混凝土，淡水的溶出過程發(fā)展很慢，幾乎可以忽略不計。酸和酸性水侵蝕又稱溶析和化學(xué)溶解雙重侵蝕。這是指硬化水泥漿體與酸性溶液接觸時，其化學(xué)組分就會直接溶析或與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成易溶物質(zhì)被水帶走，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)實驗表明，溶液酸性越強，生成的產(chǎn)物溶解度越大，則侵蝕破壞嚴(yán)重。酸和酸性水對水泥結(jié)構(gòu)的侵蝕反應(yīng)如下：H + + OH - → H 2 OCa 2+ + 2R - → CaR 2酸類離解出的 H + 離子和酸根 R - 離子，分別與漿體中 Ca(OH) 2 電離出的 OH - 離子和 Ca 2+ 離子結(jié)合成水和鈣鹽。由上可知，酸的侵蝕作用強弱，決定于溶液的 H + 離子即酸性強弱。溶液酸性越強， H + 離子越多，結(jié)合并帶走的 Ca(OH) 2 就越多，侵蝕就越嚴(yán)重。當(dāng) H + 離子達(dá)到足夠高的濃度時，還能直接與水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣甚至未水化的硅酸鈣、鋁酸鈣等作用而嚴(yán)重破壞水泥結(jié)構(gòu)。侵蝕性的大小與酸根陰離子的種類也有關(guān)系。常見的酸大多能和 Ca(OH) 2 生成可溶性鹽。如無機酸，鹽酸和硝酸能與 Ca(OH) 2 作用生成可溶性的氯化鈣和硝酸鈣，隨后也被水流帶走，造成侵蝕破壞，而磷酸與水泥石中的 Ca(OH) 2 反應(yīng)則生成幾乎不溶于水的磷酸鈣，堵塞在毛細(xì)孔中，侵蝕速度就較慢。有機酸不如無機酸侵蝕程度強烈。其侵蝕性也與其生成的鈣鹽性質(zhì)有關(guān)。如醋酸、蟻酸、乳酸等與 Ca(OH) 2 生成的鹽易溶解，而草酸生成的都是不溶性鈣鹽，在混凝土表面能形成保護(hù)層，實際應(yīng)用時還可以用以處理混凝土表面，增加對其他弱有機酸的抗蝕性。一般情況下，有機酸濃度越高，分子量越大，侵蝕性越強。上述酸侵蝕一般只在化工廠或工業(yè)廢水中才存在。在自然界中，對水泥有侵蝕作用的主要是從大氣中溶入水中的 CO 2 產(chǎn)生碳酸侵蝕。水中有碳酸存在時，首先與水泥石中 Ca(OH) 2 發(fā)生作用，在混凝土表面生成難溶于水的碳酸鈣。所生成的碳酸鈣在繼續(xù)與碳酸反應(yīng)生成易溶于水的碳酸氫鈣，從而使 Ca(OH) 2 不斷溶出，而且還會引起水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的分解。其反應(yīng)式如下：Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O → CaCO 3 ↓ + 2H 2 OCaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca(HCO 3 ) 2上式的第二個反應(yīng)是可逆的，當(dāng)水中 CO 2 和 Ca(HCO 3 ) 2 之間的濃度達(dá)到平衡時，反應(yīng)即停止。由于天然水中本身常含有少量 Ca(HCO 3 ) 2 ，因而能與一定量的碳酸保持平衡，這部分碳酸不會溶解碳酸鈣，沒有侵蝕作用，稱為平衡碳酸，但是，當(dāng)水中還有較多的碳酸時，其超過平衡需要的多余碳酸就會溶解碳酸鈣，對水泥產(chǎn)生侵蝕作用，這一部分碳酸稱為侵蝕性碳酸。因此碳酸的含量越大，溶液酸性越強，侵蝕也會越嚴(yán)重。水的暫時硬度越大，所需的平衡碳酸量越多，即使有較多的 CO 2 存在也不會產(chǎn)生侵蝕，同時， Ca(HCO 3 ) 2 或 Mg(HCO 3 ) 2 含量較高時，與硬化漿體中的 Ca(OH) 2 作用，生成溶解度極小的碳酸鈣或碳酸鎂，沉積在硬化漿體結(jié)構(gòu)的孔隙內(nèi)及表面，提高了結(jié)構(gòu)的密實性，阻礙了水化產(chǎn)物的進(jìn)一步溶出，這樣就降低了侵蝕作用。而在暫時硬度不高的水中，即使 CO 2 含量不多，但只要是大于當(dāng)時相應(yīng)的平衡碳酸量，也會產(chǎn)生一定的侵蝕作用。硫酸鹽侵蝕又稱膨脹侵蝕。它是指介質(zhì)溶液中的硫酸鹽與水泥石組分反應(yīng)形成鈣礬石而產(chǎn)生結(jié)晶壓力，造成膨脹開裂，破壞硬化漿體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。硫酸鹽對水泥石結(jié)構(gòu)的侵蝕主要是由硫酸鈉、硫酸鉀等能與硬化漿體中的 Ca(OH) 2 反應(yīng)生成 CaSO 4 · 2H 2 O, 如下式：Ca(OH) 2 + NaSO 4 · 10H 2 O → CaSO 4 · 2H 2 O + 2NaOH + 8H 2 O上述反應(yīng)使固相體積增大了 114%, 在水泥石內(nèi)產(chǎn)生了很大的結(jié)晶壓力 , 從而引起水泥石開裂以至破壞。但上述形成的 CaSO 4 · 2H 2 O 必須在溶液中 SO 4 2- 離子濃度足夠大（達(dá) 2020 ～ 2100mg/L 以上）時，此能析出晶體。當(dāng)溶液中 SO 4 2- <1000 mg/L 時，由于石膏的溶解度較大， CaSO 4 · 2H 2 O 晶體不能溶出。但生成的 CaSO 4 · 2H 2 O 會繼續(xù)與漿體結(jié)構(gòu)中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，反應(yīng)使如下：4CaO · AI 2 O 3 · 13H 2 O + 3(CaSO 4 · 2H 2 O) + 14H 2 O → 3CaO · AI 2 O 3 · 3CaSO 4 · 32H 2 O + Ca(OH) 2由于鈣礬石的溶解度很小，在 SO 4 2- 離子濃度較低時就能析出晶體，使固相體積膨脹 94% ，同樣會使水泥石結(jié)構(gòu)脹裂破壞。所以，在硫酸鹽濃度較低的情況下（ 250 ～ 1500mg/L ）產(chǎn)生的是硫鋁酸鹽侵蝕。當(dāng)其濃度達(dá)到一定大小時，就會轉(zhuǎn)變?yōu)槭嗲治g或硫鋁酸鈣與石膏混合侵蝕。除硫酸鋇以外，絕大部分硫酸鹽對硬化水泥漿體都有明顯的侵蝕作用。在一般的河水和湖水中，硫酸鹽含量不多，通常 <60mg/L ，但在海水中 SO 4 2- 的含量長達(dá) 2500 ～ 2700 mg/L ，有的地下水流經(jīng)含有石膏，芒硝（硫酸鈉）或其他富含硫酸鹽成分的巖石夾層時，將部分硫酸鹽溶入水中，也會提高水中 SO 4 2- 離子濃度而引起侵蝕。在硫酸鹽發(fā)生侵蝕作用時，不同的陽離子侵蝕大小也不同，如海水中有較多的 Mg 2+ 離子，這樣，存在的 MgSO 4 就具有更大的侵蝕作用，因為漿體結(jié)構(gòu)中的 Ca(OH) 2 會與 MgSO 4 反應(yīng)如下式：MgSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O → CaSO 4 · 2H 2 O + Mg(OH) 2由于生成的氫氧化鎂溶解度極小，極易從溶液中沉淀出來，從而使反應(yīng)不斷向右進(jìn)行。增大 CaSO 4 · 2H 2 O 的濃度，導(dǎo)致其結(jié)晶而脹裂毀壞水泥石。同時，還會促使水泥石結(jié)構(gòu)不斷放出 CaO 以補充消耗，從而引起水化硅酸鈣和鋁酸鈣等不斷分解而破壞整個漿體結(jié)構(gòu)，實質(zhì)上就是硫酸鎂使水化硅酸鈣等分解，如下式：3CaO · 2SiO 2 · aq + 3MgSO 4 +nH 2 O →3 （ CaSO 4 · 2H 2 O ） + Mg(OH) 2 + 2SiO 2 · aq另外， Mg 2+ 離子還會進(jìn)入水化硅酸鈣凝膠，使其膠結(jié)性能變差。因此，硫酸鎂除產(chǎn)生硫酸鹽侵蝕外，還有 Mg 2+ 離子的嚴(yán)重危害，常稱為“鎂鹽侵蝕”。又如硫酸氨由于能生成極易揮發(fā)的氨，形成不可逆反應(yīng)，而且反應(yīng)相當(dāng)迅速，侵蝕也相當(dāng)嚴(yán)重。反應(yīng)式如下：(NH 4 ) 2 SO 4 + Ca(OH) 2 → CaSO 4 · 2H 2 O + 2NH 3 ↑8.4.4 堿集料反應(yīng)水泥雖屬堿性物質(zhì)，一般能夠抵抗堿類的侵蝕，但當(dāng)水泥漿體結(jié)構(gòu)中堿含量較高，而配制混凝土的集料中含有活性物質(zhì)時，水泥石結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定時間后會出現(xiàn)明顯的膨脹開裂，甚至剝落潰散等破壞現(xiàn)象，稱為堿集料反應(yīng)。由于現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，為擴(kuò)大混凝土集料來源，充分利用工業(yè)廢渣，在含堿外加劑廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的同時，提高混凝土質(zhì)量，對堿集料反應(yīng)的研究也變得日益重要。堿集料反應(yīng)主要是由于水泥中堿含量較高（ R 2 O>0.6% ），而同時集料中由含有活性 SiO 2 時，堿就會與集料中的活性 SiO 2 反應(yīng)，形成堿性硅酸鹽凝膠。反應(yīng)式如下：活性 SiO 2 + 2mNaOH → mNaO·SiO·nH 2 O上式反應(yīng)生成的堿性硅酸鹽凝膠有相當(dāng)強的吸水性能，在積聚水分的過程中產(chǎn)生膨脹而將硬化漿體結(jié)構(gòu)脹裂破壞。一般情況下，堿集料反應(yīng)通常很慢，要經(jīng)過相當(dāng)長的時間后才會明顯出現(xiàn)。據(jù)斯坦頓研究，影響堿集料反應(yīng)因素很多，主要與水泥中堿含量、活性集料含量及粒徑、水含量等有關(guān)。如圖 8.13 ，當(dāng)堿含量 <0.6% 時。不會發(fā)生明顯膨脹，而且，對于活性集料，有一個導(dǎo)致最大膨脹的 “ 最危險 ” 含量，對蛋白石， “ 最危險 ” 含量可低至 3% ～ 5% ，而對活性較低的集料， “ 最危險 ” 含量可達(dá) 10% ～ 20% ，甚至 100% 。即在活性顆粒較少時，隨其含量增加，堿性硅酸鹽凝膠越多，膨脹越大，但超過 “ 最危險 ” 含量后，情況正好相反，如圖 8.14 。因此，摻加適量活性 SiO 2 細(xì)粉或火山灰、粉煤灰等，可有效抑制堿集料膨脹。除此之外，水泥中堿還可與白云石質(zhì)石灰石產(chǎn)生膨脹反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土破壞。稱為堿 — 碳酸鹽巖反應(yīng)，如下式：CaMg(CO 3 ) + 2ROH → Ca(CO 3 ) 2 + Mg(OH) 2 + R 2 CO 3上述反應(yīng)又稱反白云石化反應(yīng)， Gilott 等認(rèn)為，上述反應(yīng)使白云石中粘土礦物暴露并吸水膨脹而造成破壞。由于水泥漿體結(jié)構(gòu)中有較多的 Ca(OH) 2 存在，還會依下式反應(yīng)使堿重新產(chǎn)生：NaCO 3 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 + NaOH這樣，使反白云石化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，不斷循環(huán)，造成更嚴(yán)重的破壞。圖 8.13 水泥含量與堿集料膨脹率的關(guān)系 圖 8.14 活性集料的粒性及其含量與堿集料膨脹率的關(guān)系1— 粒性； 2- 含量綜上所述，要提高混凝土質(zhì)量，防止堿集料反應(yīng)，可采取如下措施：盡量降低水泥中堿含量，采取適當(dāng)粒徑的集料、降低活性集料含量、或根據(jù)實際摻加適量活性氧化硅或火山灰、粉煤灰等。8.4.5 耐久性的改善途徑由上述討論可知，影響水泥混凝土耐久性的因素有很多方面，為了提高混凝土的耐久性，在使用水泥時，首先要考慮使用的環(huán)境條件，采用適當(dāng)組成的水泥，量材為用，從根本上提高混凝土的耐久性，配制混凝土?xí)r，要精心設(shè)計，采取合理的配比，盡量降低水灰比，并考慮適宜的施工方案，加強攪拌、振搗、養(yǎng)護(hù)等，提高混凝土的致密度，以提高其強度尤其是早強。改善孔徑分布，防止侵蝕介質(zhì)深入內(nèi)部。并考慮使用合適的外加劑，改善混凝土的性能，在特殊情況下，還可利用其他材料，進(jìn)行表面處理以彌補水泥混凝土本身的不足。選擇適當(dāng)組成的水泥水泥質(zhì)量的好壞，是關(guān)系硬化水泥漿體耐久性的首要問題。只有提高水泥質(zhì)量，才能從根本上提高其耐久性。在使用水泥時，應(yīng)根據(jù)環(huán)境的不同而選擇不同熟料礦物組成的水泥。降低熟料中 C 3 A ，相應(yīng)增加 C 4 AF 含量，可以提高水泥的抗硫酸能力。研究表明，在硫酸鹽作用下，鐵鋁酸鈣所形成的水化硫鐵酸鈣或其與硫鋁酸鈣的固溶體，系隱晶質(zhì)成凝膠狀析出，而且分布比較均勻，因此其膨脹性能遠(yuǎn)比鈣礬石小。而且，硫酸鹽對其侵蝕速度隨 A/F 減小而降低。經(jīng)實驗證明，在硫酸鹽侵蝕下， A/F<0.7 時，水泥性能最穩(wěn)定； A/F=0.7 ～ 1.4 時，水泥穩(wěn)定性較好； A/F>1.4 時，水泥不能穩(wěn)定存在。由于 C 3 S 在水化時析出較多的 Ca(OH) 2 ，而 Ca(OH) 2 又是造成溶出侵蝕的主要原因，故適當(dāng)減少 C 3 S 的含量，相應(yīng)增加 C 2 S 的含量，也能提高水泥的抗蝕性尤其是抗水性。水泥中摻加石膏量的不同，對其耐久性也有一定影響，具有合理級配及最佳石膏摻量的水泥具有的抗蝕性比其他水泥明顯要好，這主要是在水化早期， C 3 A 快速溶解于石膏生成大量鈣礬石，而此時水泥漿體尚具有塑性，足以將鈣礬石產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力分散，非但不會產(chǎn)生破壞，反而使水泥石更加致密。若石膏摻量不足，生成大量單硫型水化鋁酸鈣，則會與外來侵蝕介質(zhì)硫酸鹽反應(yīng)生成二次鈣礬石，產(chǎn)生膨脹而破壞硬化漿體結(jié)構(gòu)。但應(yīng)注意，石膏的摻量不易太高，以免在硬化后期產(chǎn)生膨脹破壞而影響安定性，其也是有害的。摻適量混合材料水泥中摻加的混合材料的種類及其數(shù)量多少，也會影響耐久性。一般說來，硅酸鹽水泥中摻加火山灰質(zhì)混合材料和?；郀t礦渣，可以提高其抗蝕能力。因為熟料水化時析出的 Ca(OH) 2 能與其活性氧化硅相結(jié)合，生成低堿水化產(chǎn)物，反應(yīng)式如下：xCa(OH) 2 + SiO 2 + aq → xCaO·SiO·aq在混合材料摻量一定時，所形成的水化硅酸鈣中 C/S 接近于 1 ，使其平衡所需的石灰極限濃度僅為 0.05 ～ 0.09g/L ，比普通水泥為穩(wěn)定水化硅酸鈣所需的石灰濃度低得多。因此，在淡水中的溶析速度要明顯減慢。同時，還能使水化鋁酸鹽的濃度降低，而且在氧化鈣濃度降低的液相中形成的低堿性水化硫鋁酸鈣溶解度較大，結(jié)晶較慢，不致因膨脹而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。另外，摻加混合材料后，熟料所占比例減少， C 3 A 和 C 3 S 的含量相應(yīng)降低，也會改善抗蝕性，而且由于生成較多的凝膠，提高了硬化水泥漿體的密實性，阻止侵蝕介質(zhì)的溶入，從而增強了其抗蝕能力。所以說，火山灰水泥和礦渣水泥的抗蝕性比硅酸鹽水泥要強。礦渣水泥的抗蝕性又與其礦渣摻量、 Al 2 O 3 含量有關(guān)。適當(dāng)提高礦渣摻量，降低 Al 2 O 3 含量，其抗蝕性也會相應(yīng)提高。必須注意的事，火山灰水泥的抗凍性和大氣穩(wěn)定性不高，在含酸或鎂鹽的溶液中，摻加火山灰質(zhì)混合材料的水泥也不能抵抗侵蝕。另外，在摻燒粘土類火山灰質(zhì)混合材料時，由于活性 Al 2 O 3 含量較高，抗硫酸鹽能力反而可能變差，應(yīng)當(dāng)引起重視。此外，嚴(yán)格控制水泥中堿含量，防止或明顯抑制堿集料反應(yīng)，也是提高水泥耐久性的有效途徑。所以，在不同外界環(huán)境條件下使用不同的水泥，在同樣條件下選用強度較高的水泥，是提高水泥結(jié)構(gòu)耐久性的根本途徑。質(zhì)量較好的集料也有助于改善耐久性。一般應(yīng)選擇強度較高，不含粘土、有機物和硫酸鹽等有害雜質(zhì)的潔凈集料，并根據(jù)集料需要，考慮其合適的級配。混凝土中拌和用水也應(yīng)選擇不含酸、堿、糖、油及硫酸鹽等有害成分的水，一般飲用水如自來水、河水、井水等均可。提高施工質(zhì)量施工質(zhì)量的好壞，也是關(guān)系到混凝土耐久性的關(guān)鍵。在施工中，應(yīng)加強攪拌，防止各組分產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象，提高混凝土的均勻性和流動性，使拌合物很好地充滿模板，減少其內(nèi)部空隙，并且強化振搗，增大混凝土的密實度，盡可能排出其內(nèi)部氣泡，減少顯孔、大孔、尤其是連通孔，提高其強度，從而提高其抗?jié)B能力，最終達(dá)到改善其耐久性的目的。在混凝土施工中，還可根據(jù)實際需要，摻加合適的減水劑，加氣劑等外加劑，如采用減水劑可以在保證和易性不變的情況下，大大減少拌合用水量，降低水灰比，從而減少混凝土內(nèi)部空隙，提高其強度。如采用加氣劑則可引入大量 50 ～ 125μm 的微小氣泡，隔絕漿體結(jié)構(gòu)內(nèi)毛細(xì)管通道，阻礙水分遷移，減少泌水現(xiàn)象。同時由于其變形能力大，因而可明顯提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B、抗凍、抗裂等能力。采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施，保持水化的適宜溫度和濕度，保證水泥水化硬化的正常進(jìn)行，從而提高早強，也有利于改善混凝土的耐久性。進(jìn)行表面處理在特殊情況下，對水泥結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理，可以避免水泥結(jié)構(gòu)與侵蝕介質(zhì)直接接觸，從而保障其耐久性。表面處理常有表面化學(xué)處理和涂覆貼面處理兩種。<1> 表面化學(xué)處理對混凝土表面進(jìn)行化學(xué)處理，可以提高其表面的密實程度。常用表面碳化處理的方法，使水泥結(jié)構(gòu)表面毛細(xì)孔中氫氧化鈣和空氣中二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈣，沉積在水泥結(jié)構(gòu)表面，形成難溶的保護(hù)性外殼，并堵塞毛細(xì)孔，從而改善抗淡水浸析和硫酸鹽侵蝕的能力。這種方法受實際條件限制大，同時效果也不好。在混凝土表面用硅酸鈉或氟硅酸鹽的水溶液處理，使其在表面孔隙中生成極難溶的氟化鈣和硅酸凝膠等，也能提高抗?jié)B耐蝕能力，但形成的保護(hù)層同樣很薄。使用壓滲法則是將四氟化硅氣體以一定壓力壓滲進(jìn)混凝土內(nèi)部，能夠獲得較厚的保護(hù)層，但比較昂貴，不適于現(xiàn)場施工。<2> 表面涂覆和貼面處理在侵蝕強烈的情況下，最好的方法是將混凝土與侵蝕介質(zhì)隔絕，即在混凝土表面涂上一層防滲抗蝕層，如瀝青、樹脂、有機硅、瀝青石蠟等。在化學(xué)侵蝕特別強的工程中，可以采用貼面材料的方法，如瓷磚、金屬、塑料及復(fù)合貼面材料等，以防止侵蝕介質(zhì)與混凝土直接接觸而造成侵蝕破壞。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工程具體情況和客觀條件的需要，針對不同的侵蝕，采取相應(yīng)的預(yù)防措施和改善耐久性的方法。如在侵蝕較弱的情況下，可以選用強度較高的水泥，采取降低水灰比使 W/C<0.55 ，適當(dāng)增大水泥用量，加強施工中攪拌、振搗等手段；在侵蝕較強的環(huán)境中，則應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)乃嗥贩N，增大水泥用量，進(jìn)一步減小水灰比，或摻加一定的外加劑，甚至采用涂覆或貼面材料進(jìn)行表面處理。當(dāng)有幾種因素同時作用時，還應(yīng)注意復(fù)合作用的影響，綜合考慮，分清主次，抓住主要因素采取針對措施，才能獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。8 .5 硅酸鹽水泥的應(yīng)用從社會效益看，水泥并非最終產(chǎn)品，只是半成品，只有把水泥加工為成品即混凝土或混凝土制品等后才能加以應(yīng)用。隨著社會進(jìn)步，人們逐步認(rèn)識到把水泥生產(chǎn)鏈延續(xù)到混凝土及其建筑構(gòu)件和構(gòu)筑物并使水泥與混凝土生產(chǎn)一體化，集體化的重要性。水泥行業(yè)生產(chǎn)混凝土，混凝土成為商品已是大勢所趨，水泥行業(yè)懂混凝土，掌握混凝土并且擔(dān)當(dāng)起生產(chǎn)的重任已經(jīng)是不再遙遠(yuǎn)的現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的事情了，出售商品混凝土而不再出售水泥已在我國部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)成為現(xiàn)實。從某種意義上講，水泥的應(yīng)用技術(shù)與制造技術(shù)一樣，也展現(xiàn)了嶄新的局面。8 ． 5 ． 1 普通混凝土混凝土是水泥的最主要的應(yīng)用形式之一，也是當(dāng)代最主要的建筑材料之一。通常所稱的混凝土 ( 即普通混凝土 ) 是指由水泥，砂 ( 細(xì)集料 ) ，石子 ( 粗集料 ) 和水按一定的配比拌和均勻，經(jīng)成形和硬化而成的人造石材。硬化前的混凝土常被稱為混凝土拌和物；如果在混凝土中配有鋼筋，則稱之為鋼筋混凝土；如果混凝土組成中沒有粗集料則為砂漿；而由水泥和水拌和所得到的是水泥漿。普通混凝土有很多優(yōu)點：改變水泥和粗細(xì)集料的品種可制備不同用途的混凝土；改變各組成材料的比例，則能使混凝土強度等性能得到適當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足工程的不同需要；混凝土拌和物具有良好的塑性，可以澆制成各種形狀的構(gòu)件；與鋼筋有很好的粘合力，能和鋼筋協(xié)同工作，組成鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，從而廣泛用于各種工程。但普通混凝土還存在著容積密度大，導(dǎo)熱系數(shù)高，抗拉強度偏低以及抗沖擊，韌性差的缺點，有待進(jìn)一步的發(fā)展研究。8.5.1.1 混凝土的組成材料混凝土的主要組成材料為水泥、砂、石、水以及改變混凝土性能的外加劑。1. 水泥在混凝土中，水和水泥拌成的水泥漿是起膠結(jié)作用的組成部分。在硬化前的混凝土即混凝土拌和物中，水泥漿填充砂石空隙，包裹砂，石表面并起潤滑作用，使混凝土獲得必要的和易性；在硬化后，則將砂、石牢固地膠結(jié)成整體。因此，水泥的性質(zhì)直接決定了混凝土的特性。拌制混凝土所用水泥的品種，應(yīng)按工程的要求，混凝土所處的部位，環(huán)境條件以及其他技術(shù)條件選定。水泥的標(biāo)號必須與混凝土的強度相適應(yīng)，一般選用水泥強度等級為設(shè)計混凝土強度等級的 1.2-2.0 倍為宜，如兩者的標(biāo)號接近，說明水泥用量過大，不經(jīng)濟(jì)；如現(xiàn)有的水泥標(biāo)號過高時，水泥用量過少，可適當(dāng)摻加粉裝混合材，如粉煤灰，改善拌和物的和易性，提高混凝土的密實度；如混凝土標(biāo)號比水泥標(biāo)號高，可采用低水灰比，配以高效減水劑來達(dá)到高強的目的。所用水泥的強度等級宜高于 325MPa 。2. 集料砂、石是混凝土中起骨架及填充作用的粒狀材料，稱之為集料或骨料。集料有粗細(xì)之分。常用的粗細(xì)集料有卵石與碎石兩種；細(xì)集料是天然砂，按產(chǎn)地不同有河砂，山砂和海砂，通常多采用河砂。為了保證混凝土的強度，用于拌制混凝土用的粗細(xì)集料，必須滿足以下幾點要求。<1>. 粗集料 : 碎石、卵石 GB/T14685 —— 2001類別：按碎石、卵石技術(shù)要求分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。用途：Ⅰ類宜用于強度等級大于 C60 的混凝土；Ⅱ類宜用于強度等級 C30 ～ C60 及抗凍、抗?jié)B或其它要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強度等級小于 C30 的混凝土a. 集料必須質(zhì)地致密，具有足夠的強度。集料強度常用壓碎指標(biāo)值表示，壓碎指標(biāo)值越小，表示其抵抗壓碎的能力越強。在水飽和狀態(tài)下 , 其抗壓強度活成巖應(yīng)不小于 80Mp, 變質(zhì)巖應(yīng)不小于 60Mp, 水成巖應(yīng)不小于 40Mp 。用于混凝土粗集料的壓碎指標(biāo)見表 8.10 。表 8.10 壓碎指標(biāo)（ GB/T14685--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類碎石壓碎指標(biāo)小于121418卵石壓碎指標(biāo)小于102030b. 集料要求潔凈，除去有害雜質(zhì)并保證其堅固性。用于混凝土中粗集料的有害雜質(zhì)及堅固性見表 8.11 、表 8.12 、表 8.13 和表 8.14 所示。表 8.11 含泥量和泥塊含量（ GB/T14685--2001 ）項目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類含泥量 ( 按質(zhì)量計 )%＜ 0.5＜ 1.0＜ 1.5泥塊含量 ( 按質(zhì)量計 )%0＜ 0.5＜ 0.7表 8.12 針片狀顆粒含量（ GB/T14685--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類針片狀顆粒 (%) 小于51525表 8.13 有害物質(zhì)含量（ GB/T14685--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類有 機 物合格合格合格硫化物及硫酸鹽 ( 以 SO 3 計 ) 小于0.51.01.0表 8.14 堅固性指標(biāo)（ GB/T14685--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類質(zhì)量損失 (%) 小于5812c. 混凝土用粗集料最大粒徑不得大于結(jié)構(gòu)物最小斷面尺寸的 1/4 ；同時也不得大于鋼筋間最小凈距的 3/4 。d. 集料的顆粒級配要適當(dāng)。級配的好壞直接影響到集料件的孔隙率的大小以及混凝土的性能。粗集料的級配應(yīng)符合表 8.15 的要求。表 8.15 碎石或卵石的顆粒級配范圍（ GB/T14685--2001 ）級配情況公稱粒徑（ mm ）累計篩余，按質(zhì)量計（ % ）篩孔尺寸（方孔篩）（ mm ）2.564.759.5016.019.026.531.537.553.063.075.090.0連續(xù)粒級5 ～ 1095 ～ 10080 ～ 1000 ～ 1505 ～ 1695 ～ 10085 ～ 10030 ～ 600 ～ 1005 ～ 2095 ～ 10090 ～ 10040 ～ 80---0 ～ 1005 ～ 2595 ～ 10090 ～ 100---30 ～ 70--0 ～ 505 ～ 31.595 ～ 10090 ～ 10070 ～ 90----15 ～ 45--0 ～ 505 ～ 40---95 ～ 10070 ～ 90----30 ～ 65----0 ～ 50單粒粒級10 ～ 2095 ～ 10085 ～ 1000 ～ 15016 ～ 31.595 ～ 10085 ～ 1000 ～ 10020 ～ 4095 ～ 10080 ～ 1000 ～ 10031.5 ～ 63.075 ～ 10045 ～ 750 ～ 10040 ～ 8095 ～ 10070 ～ 10030 ～ 600 ～ 100e. 集料的外觀形狀也影響拌合物的和易性及混凝土的強度。表面粗糙的集料拌制的混凝土和易性較差，強度較高，而表面光滑的集料與水泥的粘結(jié)較差，拌制的混凝土和易性好，但強度稍低。此外，粗集料中如果針、片狀顆粒過多，也會使混凝土強度降低。<2>. 拌制混凝土用的細(xì)集料，也必須滿足以下幾點要求。砂按細(xì)度摸數(shù)分為粗、中、細(xì)三種規(guī)格，其細(xì)度摸數(shù)分別為：粗： 3.7 ～ 3.1; 中： 3.0 ～ 2.3 細(xì)： 2.2 ～ 1.6砂按技術(shù)要求分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ。a. 砂的級配要適當(dāng)，砂的級配應(yīng)符合表 8.16 。b. 砂要求潔凈，其有害雜質(zhì)應(yīng)滿足表 8.17 和表 8.18 。表 8.16 砂顆粒級配（ GB/T14684--2001 ）累計篩余 (%)方孔篩（ mm ）級 配 區(qū)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類9.50 mm0004.75 mm10 ～ 010 ～ 010 ～ 02.36 mm35 ～ 525 ～ 015 ～ 01.18 mm65 ～ 3550 ～ 1025 ～ 0600 μm85 ～ 7170 ～ 4140 ～ 16300 μm95 ～ 8092 ～ 7085 ～ 55150 μm100 ～ 90100 ～ 90100 ～ 90表 8.17 天然砂的含泥量和泥塊含量（ GB/T14684--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類含泥量 ( 質(zhì)量計 ),%＜ 1.0＜ 3.0＜ 5.0泥塊含量 ( 質(zhì)量計 ),%0＜ 1.0＜ 2.0表 8.18 有害物質(zhì)含量（ GB/T14684--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類云母 ( 質(zhì)量計 ),% 小于1.02.02.0輕物質(zhì) ( 質(zhì)量計 ),% 小于1.01.01.0有機物 ( 比色法 )合格合格合格硫化物及硫酸鹽 ( 以 SO 3 計 ),% 小于0.50.50.5氯化物 ( 以 CI - 質(zhì)量計 ),% 小于0.010.020.06c. 砂的堅固性指標(biāo)應(yīng)滿足表 8.19表 8.19 天然砂堅固性指標(biāo)（ GB/T14684--2001 ）項 目指 標(biāo)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類質(zhì)量損失 (%) 小于88103. 水凡是可以飲用的水，無論自來水或潔凈的天然水，都可以用來拌制混凝土。水的 pH 值要求不低于 4 ，硫酸鹽含量按 SO 2- 離子計算不得超過水量的 1% 。含有油類、糖、酸或其他污濁物質(zhì)的水，會影響水泥的正常凝結(jié)與硬化，甚至造成質(zhì)量事故，均不得使用。海水對鋼筋有促進(jìn)銹蝕作用，不能用來拌制配筋結(jié)構(gòu)的混凝土。4. 混凝土外加劑根據(jù)我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，《混凝土外加劑分類命名與定義》，混凝土外加劑是在拌制混凝土過程中摻入，用以改善混凝土性能的物質(zhì)。摻量不大于水泥質(zhì)量的 5% （特殊情況除外）?；炷镣饧觿┒鄶?shù)是表面活性劑，表面活性劑的基本作用是降低分?jǐn)?shù)體系中兩相間的界面自由能，提高分?jǐn)?shù)體系的穩(wěn)定性，目前世界上的混凝土外加劑的品種數(shù)量繁多。采用外加劑既可以節(jié)約水泥，又能使混凝土性能得到改善。使用外加劑已成為混凝土滿足種種新要求的一種最簡便靈活經(jīng)濟(jì)的措施。外加劑的量一般應(yīng)小于水泥量的 1% ，即使使用無機鹽類外加劑也應(yīng) <5% 。<1>. 外加劑的種類目前世界上混凝土外加劑的數(shù)量品種繁多，至少有 300 ～ 400 種。按外加劑的化學(xué)成分可分為無機化合物和有機化合物兩大類；按外加劑的功能，可將其大致分成以下幾類：①改善新拌混凝土流變性的外加劑，如各種減水劑、流化劑、泵送劑、引氣劑等。②調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時間及硬化時間的外加劑，如外加劑、緩凝劑、早強劑、速凝劑等。③調(diào)節(jié)混凝土空氣含量的外加劑，如引氣劑、消泡劑、發(fā)泡劑等。④改善混凝土力學(xué)性能和耐久性的外加劑，如引氣劑、減水劑、防凍劑、減縮劑、阻銹劑等。⑤賦予混凝土特殊性能的外加劑，如著色劑、泡沫劑、膨脹劑等。<2>. 減水劑減水劑又成為分散劑或速化劑，由于使用時可使新拌混凝土的用水量明顯減少，因此而得名。減水劑是混凝土中使用最多最廣泛的一種外加劑，其生產(chǎn)約占外加劑總產(chǎn)量的 70% ～ 80%.減水劑能減少混凝土拌和用水量，而仍能使混凝土保持同樣的流動速；或水灰比不變，可以大大改善和易性，從而提高強度，改善物理學(xué)性能；如果配置同樣標(biāo)號的混凝土，則可節(jié)約水泥用量，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。減水劑可分為普通減水劑和高效減水劑。①普通減水劑普通減水劑是指能夠保持混凝土和易性相同的情況下，顯著地減少拌和用水的外加劑。常用的普通減水劑有木質(zhì)磺硫酸、糖密、腐殖酸鹽等。木質(zhì)素磺酸鈣屬木質(zhì)磺酸鹽系列減水劑。其減水作用的機理是因為木質(zhì)素磺酸鈣是陰離子型高分子表面活性劑，具有半膠體性質(zhì)，能在界面上產(chǎn)生單分子層吸附，其膜層厚度為（ 15 ～ 25 ）× 10 -10 m 。因此，它能使界面上的分子性質(zhì)和相間分子相互作用特性發(fā)生較大變化。木質(zhì)素磺酸鈣摻入水泥漿中，離解成大分子陰離子和陽離子（如 Na + 、 Ca 2+ ）。呈現(xiàn)較強表面活性的大分子及離子吸附在水泥粒子的表面上，使水泥粒子帶負(fù)電荷。由于相同電荷相互排斥致使水泥粒子分散 . 。同時，由于與木質(zhì)素磺酸鈣是親水性的，吸附層在水泥粒子周圍形成溶劑化的膜也能阻礙水泥的凝聚。因此使水泥粒子和二次凝聚力子分散開來，釋放出膠凝體中所含的水和空氣。這樣游離水增多，使水泥漿體的流動性提高。另外，木質(zhì)素磺酸鈣由于能降低氣—液表面強力，而具有一定的引氣性，微氣泡的滾動和浮 作用改善了水泥漿體的和易性。我國以亞硫酸紙漿廢液為原料，經(jīng)發(fā)酵處理、脫糖烘干而成為粉末狀。木質(zhì)素磺酸鈣在混凝土中的摻量為水泥質(zhì)量的 0.2% ～ 0.3% ，減水率 10% ～ 15% ， 28d 強度可提高 20% ，對混凝土有緩凝作用，凝結(jié)時間延緩 2 ～ 4h 。摻量在砂漿中超過 0.6% ，混凝土中超過 0.8% ，會使混凝土長期不凝結(jié)而沒有強度。在低于 5 ℃是不宜單獨使用，要與早強劑相復(fù)合應(yīng)用才好。糖蜜是制糖工業(yè)生產(chǎn)過程中提煉食糖后剩下的殘液，經(jīng)石灰中和處理加工而成糖蜜減水劑。摻量一般為水泥質(zhì)量的 0.1% ～ 0.2% ，減水率在 10% 左右， 28d 強度可提高 10% 左右，有緩凝作用。②高效減水劑高效減水劑是一種減水率高，緩凝和引氣作用極小的外加劑，在保持混凝土流動性相同的情況下，用水量大幅度減小，強度顯著提高。國內(nèi)高效減水劑究其化學(xué)成分可分為聚烷基芳基磺酸鹽系、三聚氰胺系、古馬隆系和氨基磺酸系四大類。MF 減水劑屬聚烷基芳基磺酸鹽系。其原料是提供焦油時的副產(chǎn)品，在精加工處理而成，通常是褐色粉末或藍(lán)色液體。適宜產(chǎn)量為水泥質(zhì)量的 0.3% ～ 0.7% ，減水率達(dá) 15% 以上，混凝土 1d 強度可提高 25% ～ 100%,28d 強度則能增強 8% ～ 30% 。SM 減水劑屬三聚氰胺系，減水率 20% ～ 30% ；當(dāng)摻量為水泥質(zhì)量的 1.5% 時， 1d 強度可提高 80% ， 28d 強度可提高 40% ，因此，節(jié)約水泥 25% 左右，且耐久性、抗化學(xué)侵蝕以及鋼筋的粘結(jié)力都有所改善，但成本較高，應(yīng)用受到限制。<3>. 引氣劑引氣劑是一種在攪拌過程中能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡的外加劑。摻引氣劑后，可改善新拌混凝土的和易性，減少離析和泌水現(xiàn)象，提高混凝土的抗凍融能力，從而提高混凝土的耐久性。但摻入引氣劑時，混凝土含氣量增大，強度會降低。在相同水灰比的情況下，每增加 1% 含量，混凝土抗析和抗壓強度分別下降 2% ～ 3% 和 4% ～ 6% 。國內(nèi)常用的引氣劑有松香熱聚物、松香酸鈉、皂化松香，烷基苯磺酸鈉、脂肪酸硫酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣、烷基磺酸鈉等。引氣劑的產(chǎn)量一般僅為水泥質(zhì)量的 0.001% ～ 0.005% ，使混凝土內(nèi)部適宜的空氣引入量為 3% ～ 6% ，砂漿內(nèi)部適宜的空氣引入量為 9% ～ 10% 。引氣劑與減水劑、促凝劑復(fù)合使用，也可以取得較好的效果。<4>. 早強劑早強劑是一種加速混凝土早期強度發(fā)展的外加劑。由于早強劑類型不同，對凝結(jié)時間也有一定影響。摻早強劑或早強減水劑的水泥漿體和混凝土，其早期強度顯著增長，后其強度基本不變或稍有增長。<5>. 其他外加劑為使混凝土迅速凝結(jié)硬化常加入速凝劑。速凝劑主要用于噴射混凝土，冬季施工、堵漏搶險工程常少不了速凝劑。緩凝劑主要用于延緩混凝土凝結(jié)、使水泥漿體水化誘導(dǎo)期延長，水化速度減慢，推遲水化的放熱過程，尤其對水工工程、大體積工程、炎熱地區(qū)工程等有利。泵送劑主要是提高混凝土的可泵性，它兼有減水、潤滑管壁及引氣作用多種功能。早強泵送劑 EP 減水率 11% ～ 16% ，引氣量 <3%,17h 抗壓強度平均提高 110% ， 28d 抗壓強度提高 10% ，抗凍性、抗?jié)B性均有所提高，但凝結(jié)時間略有延長。此外， DP-440 泵送劑應(yīng)用于超高層建筑工程泵送效果良好。膨脹劑是用來防止或控制混凝土干縮裂縫的外加劑，同時也可用于補修工程的壓力灌漿、大型機械設(shè)備的基座固定及自應(yīng)力混凝土等。此外，還有流化劑、抗?jié)B劑、抗凍劑、防水劑、著色劑等均有廣泛的應(yīng)用8.5.1.2 混凝土拌合物的和易性混凝土的組成材料，經(jīng)一定比例配合，攪拌均勻得到的拌合物，必須具有良好的和易性，以便在一定的施工條件下，易于操作，并能獲得質(zhì)量均勻、密實的混凝土。和易性包含有流動性、可塑性、穩(wěn)定性和易密性幾個方面的涵義。衡量和易性的指標(biāo)常用坍落度表示。影響和易性的因素有很多，主要有用水量和水灰比、集料、拌合物所經(jīng)過的時間和溫度等。此外，水泥的泌水性能和保水性能對混凝土的和易性也有影響。1. 用水量當(dāng)水泥用來固定時，混凝土拌合物的流動性隨著用水量的增加而提高。但用水量過大，拌合物的穩(wěn)定性變差，產(chǎn)生嚴(yán)重的分層、泌水流漿等現(xiàn)象，反而降低和易性，混凝土的強度也隨之下降。實踐中，為了保證混凝土的強度和耐久性，在變更水量的同時，必須同時改變水泥的用量，保持水灰比不變。所采用的水灰比不宜過小，否則用一般的施工方法很難成型密實。一般常用的水灰比范圍為 0.40 ～ 0.70 ，水灰比在通常的使用范圍內(nèi)變化時，對拌合物流動性的影響不大?；炷劣盟靠蓞⒖急?8.20 和表 8.21 所示。2. 集料集料的最大粒徑，砂率及外觀性狀都會影響到混凝土拌合物的和易性。表 8.20 塑性混凝土用水量 (kg/m 3 ) (JGJ55--2000)拌和物稠度碎石最大粒徑 (mm)卵石最大粒徑 (mm)項目指標(biāo)162031.540102031.540坍落度 (mm)10 ～ 3020018517516519017016015035 ～ 5021019518517520018017016055 ～ 7022020519518521019018017075 ～ 90230215205195215195185175注 : 1. 表中數(shù)據(jù)適用于 W/C=0.4 ～ 0.8 的混凝土2. 細(xì)砂用水量增加 5 ～ 10kg ，粗砂用水量減少 5 ～ 10kg 。3. 采用外加劑或摻合料時，用水量應(yīng)相應(yīng)調(diào)整。表 8.21 干硬性混凝土用水量 (kg/m 3 ) (JGJ55--2000)拌和物稠度碎石最大粒徑 (mm)卵石最大粒徑 (mm)項 目指標(biāo)162040102040維勃稠度 (s)16 ～ 2018017015517516014511 ～ 151851751601801651505 ～ 10190180165185170155①砂率砂率是指集料總質(zhì)量中砂質(zhì)量所占的百分?jǐn)?shù)，表示砂和石子的比例關(guān)系。在混凝土拌合物中，砂子填充在石子間的孔隙中，水泥漿填充砂石間空隙，并有一定剩余量來包裹集料的表面，集料表面水泥漿層的厚度決定了混凝土拌合物的和易性的高低。當(dāng)水泥漿用量一定時，砂率過大，砂子太多，集料總面積增大，使水泥漿層減薄，和易性較差；當(dāng)砂率過低，雖然集料總面積不大，但砂子不足以填充石子的空隙，必然有較多的水泥漿代替砂子填充空隙，因而集料表面水泥漿層也減薄，流動性仍然降低。因此，存在著一個最佳砂率。最佳砂率即是在水泥漿用量相同、水灰比不變的情況下，混凝土拌合物的坍落度達(dá)到最大值。采用最佳砂率，能在水泥漿用量一定時，是拌合物獲得最佳的和易性；或者能在水泥用量最少的條件下，獲得要求的和易性。因此，對混凝土量較大的工程，應(yīng)通過實驗找出最佳砂率。通常可以參考表 8.22 ，結(jié)合本單位對所用材料的使用經(jīng)驗，選用合理的數(shù)值。表 8.22 混凝土的砂率 (JGJ55--2000)水灰比(W/C)碎石最大粒徑 (mm)卵石最大粒徑 (mm)1620401020400.4030 ～ 3529 ～ 3427 ～ 3226 ～ 3225 ～ 3124 ～ 300.5033 ～ 3832 ～ 3730 ～ 3530 ～ 3529 ～ 3428 ～ 330.6036 ～ 4135 ～ 4033 ～ 3833 ～ 3832 ～ 3731 ～ 360.7039 ～ 4438 ～ 4336 ～ 4136 ～ 4135 ～ 4034 ～ 39注 : 表中數(shù)據(jù)適用于中砂拌制 , 坍落度為 10 ～ 60mm ，對細(xì)砂和粗砂 , 可相應(yīng)地減小或增大砂率。②最大粒徑其他條件相同時，在一定范圍內(nèi)，平均粒徑增大，質(zhì)量相同的集料顆粒總數(shù)減小，集料表面裹層增后，流動性改善。當(dāng) D max <80mm 時，水泥用量隨著 D max 減小而急劇增加。但當(dāng) D max >150mm 時，節(jié)約水泥效果并不明顯。③其他在其他條件相同的情況下，集料外觀形狀粗糙，所制混凝土拌合物的流動性差。砂石的細(xì)度越細(xì)，配制混凝土拌合物達(dá)到相同的坍落度，用水量大。級配好的集料孔隙率低，達(dá)到同樣坍落度時用水量少。3. 時間和溫度隨著時間的延長，拌和物逐漸變的干硬，由于部分水被集料吸收或者參與初始的水化反應(yīng)。拌合物受到風(fēng)吹日曬，溫度升高，更要蒸發(fā)較多的水分。拌和時間越長，環(huán)境溫度越高，坍落度越低。因此，長距離運送的預(yù)拌混凝土，在高溫下使用的混凝土，要達(dá)到要求的坍落度，就要適當(dāng)增加用水量。4. 水泥的性能在制備混凝土?xí)r，拌和用水往往比水泥水化所需的水量多 1 ～ 2 倍。使用泌水性較大的水泥，使混凝土拌合物在輸送澆搗的過程中，因泌出較多的水分，和易性過快降低，制成的混凝土產(chǎn)生分層現(xiàn)象，在表面形成一層水灰比極大，強度差的薄弱層；在內(nèi)部形成大孔，連通的毛細(xì)孔，使孔隙率提高，混凝土整體強度降低。普通硅酸鹽水泥與火山灰硅酸鹽水泥相比，需水量較小。礦渣水泥的保水性差，泌水性較大，使用時應(yīng)注意。因此，在實際的工作中，為了調(diào)整拌合物的和易性，應(yīng)該盡量采用較粗的砂、石；改善砂石 ( 特別是石子 ) 的級配；盡可能能降低用砂量，采用最佳砂率。在上述措施的基礎(chǔ)上，維持水灰比不變，適當(dāng)增加水泥和水的用量，達(dá)到要求的和易性，并且要適當(dāng)注意水泥的泌水性和保水能力。而在任何新的施工條件下，現(xiàn)場實測澆灌時混凝土的坍落度，必將更有實際意義。8 ． 5 ． 1 ． 3 混凝土的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)要了解混凝土的特性，必須了解硬化后混凝土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)?；炷潦且环N非均質(zhì)的多相分散體系，有粗、細(xì)集料，水泥水化形成的水化產(chǎn)物，未水化的顆粒構(gòu)成的固相，以及存在于孔隙中的空氣和水組成。如圖 8.15 所示。圖 8.15 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況普通混凝土所用的集料通常較為密實，混凝土內(nèi)部的孔隙主要是在硬化的水泥漿體中形成的，特別是游離水蒸發(fā)時所產(chǎn)生的相互連通的毛細(xì)孔網(wǎng)，對抗?jié)B性、抗凍性的危害更大。同時混凝土拌和物在澆搗后，不同程度地產(chǎn)生砂石下沉，水或水泥漿上浮的泌水分層現(xiàn)象，不但造成大量的毛細(xì)孔通道，而且在鋼筋和石子的底面，水分因上浮受到阻礙，可能積聚而成較大的孔隙。此外硬化水泥漿體干縮也會使混凝土表面形成微細(xì)裂縫。施工時如拌和欠勻，澆搗不足，必然使混凝土結(jié)構(gòu)的均勻性、密實性嚴(yán)重降低，強度也隨之下降，耐久性能降低。混凝土的強度強度使混凝土最重要的力學(xué)性質(zhì)。通常用混凝土的強度來評定和控制混凝土的質(zhì)量，或者作為評定原材料、配合比、工藝過程和養(yǎng)護(hù)程度等影響程度的指標(biāo)。混凝土的強度等級按邊長為 15cm 立方體 28d 抗壓強度的指標(biāo)值劃分，采用符號 C 與立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值（以 Mpa 計）表示?；炷量蓜澐譃椴煌膹姸鹊燃墸?C7.5 、 C10 、 C15 、 C20 、 C25 、 C30 、 C35 、 C40 、 C45 、 C50 、 C55 、 C60 等 。現(xiàn)正向高強度混凝土發(fā)展，現(xiàn)場澆注的近 C100 級混凝土已達(dá)到實用階段?；炷翉姸鹊燃壟c標(biāo)號可用表 8.23 進(jìn)行換算。表 8.23 混凝土強度等級與標(biāo)號的換算混凝土標(biāo)號1015202530405060混凝土強度等級C8C13C18C23C28C38C48C58各單位采用試件的尺寸不同，影響混凝土標(biāo)號的正確確定，必須進(jìn)行換算。建筑工程中可根據(jù)集料的最大粒徑來選擇不同的試體，采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試體，混凝土標(biāo)號之間的換算系數(shù)可參見表 8.24 所示。表 8.24 不同尺寸試體抗壓強度的換算系數(shù) ( 單位 :cm)試體尺寸10 × 10 × 1015 × 15 × 1520 × 20 × 20￠ 10 × 20￠ 15 × 30￠ 20 × 40換算系數(shù)0.951.001.050.951.001.05混凝土的耐久性混凝土在硬化后，除要求具有設(shè)計的強度外，還應(yīng)該在周圍的自然環(huán)境及工作條件下長年作用，不致于使混凝土形成開裂、毀壞，這種混凝土被認(rèn)為具有耐久性。強度和耐久性一直作為混凝土的兩大基本性能，而在水工、海工等建筑中，耐久性常常比強度更為重要。混凝土的均勻密實程度是決定耐久性的主要因素。結(jié)構(gòu)致密均勻的混凝土，強度高，抗?jié)B性、抗凍性、耐蝕性能好，混凝土的耐久性也好。在鋼筋混凝土構(gòu)件中，混凝土不僅要承受荷載所造成的應(yīng)力，而且還要保護(hù)鋼筋不受銹蝕，鋼筋在銹蝕時，伴隨著體積的增大，最嚴(yán)重的可達(dá)到原體積的 6 倍以上，因而使周圍的混凝土脹裂甚至剝落，不但危害鋼筋本身，同時也嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。普通混凝土孔內(nèi)的溶液呈強堿性， pH 值達(dá) 12.5 左右，能在鋼筋表面形成致密的保護(hù)層，防止鋼筋銹蝕。但采用摻混合材偏多或者 C 3 S 等高堿礦物含量較少的水泥，由于漿體液相的堿度低，鋼筋保護(hù)層失去，就會受到水和氧的作用而銹蝕。碳化作用使混凝土表面 pH 值僅為 8 ，但離開表面 6mm 后， pH 值仍在 11 以上，不會對鋼筋產(chǎn)生銹蝕，但如果混凝土的密實度、均勻性差，碳化就會沿著集料或鋼筋的下部孔隙，施工縫等薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行，滲入內(nèi)部，不但在較大范圍內(nèi)降低混凝土液相的堿度，甚至還會增加氫離子的數(shù)量，加速鋼筋銹蝕。在 1m 3 混凝土中，氯離子的含量如果超過 0.6 ～ 0.9kg ，即使在 pH=11.5 的條件下，保護(hù)層也會不穩(wěn)定而失效，使鋼筋銹蝕，同時當(dāng)含有較多數(shù)量的氯離子后，混凝土的吸濕性增大，從而提高了混凝土的電導(dǎo)率，也會加速電化學(xué)腐蝕。由上述可知，普通混凝土對鋼筋防護(hù)作用的好壞，主要決定于混凝土保護(hù)層的不滲透性和厚度，如果能有效阻止水、二氧化碳和氧進(jìn)入，一般可使鋼筋避免銹蝕。生產(chǎn)混凝土?xí)r，所用膠凝材料為水泥、含堿外加劑及環(huán)境中提供的堿含量較多時，一旦遇到集料中含有與堿反應(yīng)的活性組分，如蛋白石，在長期處于潮濕的環(huán)境中，就可以產(chǎn)生堿—集料反應(yīng)。此反應(yīng)在集料的表面上生成一層復(fù)雜的硅酸鹽凝膠等物質(zhì)，凝膠吸水膨脹，造成集料與水泥硬化體界面膨脹，粘結(jié)強度下降，嚴(yán)重時使混凝土結(jié)構(gòu)破壞，耐久性下降。為了保證混凝土的強度和耐久性，最大的水灰比和最小的水泥用量不能超過表 8.25 所規(guī)定的數(shù)值。表 8.25 根據(jù)耐久性的需要，混凝土的最大水灰比和最小水泥用量環(huán)境條件結(jié)構(gòu)物類別最大水灰比最小水泥用量素混凝土鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土素混凝土鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土1. 干燥環(huán)境正常的居住或辦公用房屋內(nèi)部件不作規(guī)定0.650.62002603002. 潮濕環(huán)境無凍害高濕度的室內(nèi)部件室外部件在非侵蝕性和 ( 或 ) 水中的部件0.70.60.6225280300有凍害經(jīng)受凍害的室外部件在非侵蝕性和 ( 或 ) 水中且經(jīng)受凍害的部件高濕度且經(jīng)受凍害室內(nèi)部件0.550.550.552502803003. 有凍害和除冰劑的潮濕環(huán)境經(jīng)受凍害和除冰劑作用的室內(nèi)和室外部件0.500.50300300300注 :1. 當(dāng)用活性摻合料取代部分水泥時 , 表中的最大水灰比及最小水泥用量即為替代前的水灰比和水泥用量。2. 配制 C15 級及以下等級的混凝土 , 可不受本表限制。8.5.1.4 混凝土配合比的設(shè)計混凝土配合比是指混凝土內(nèi)各種組成材料的數(shù)量比例，通常有兩種表示方法：一種是體積法，另一種是質(zhì)量法。混凝土配合比的設(shè)計是根據(jù)工程的要求，選擇原材料，并設(shè)計出既經(jīng)濟(jì)而又好的混凝土?？煞秩齻€主要環(huán)節(jié)。以水泥和水配成一定的水灰比的水泥漿，以滿足要求的強度和耐久性。將砂石組成孔隙率最小，總表面積不大的集料，也就是要確定砂石比即砂率，以便在經(jīng)濟(jì)的原則下，達(dá)到要求的和易性。確定水泥漿對集料的比例。設(shè)計混凝土配合比時，一般都采用計算和實驗相結(jié)合的方法，現(xiàn)已下列實例說明混凝土配合比的設(shè)計。混凝土配合比應(yīng)按下列步驟進(jìn)行計算 :1. 計算配制強度 ? CU ， 0 并求出相應(yīng)的水灰比；CU ， 0 ≥ ? CU ， k + 1.645 σ （ 8 — 1 ）式中： ? CU ， 0 ——混凝土配制強度（ Mpa ）CU ， k ——混凝土立方體強度標(biāo)準(zhǔn)值（ Mpa ）σ——混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差（ Mpa ），參見表 8.26 所示。表 8.26 標(biāo)準(zhǔn)差取值表混凝土強度等級（ Mpa ）C10 ～ C20C25 ～ C40C50 ～ C60標(biāo)準(zhǔn)差σ（ Mpa ）4562. 選取每立方米混凝土的用水量 , 并計算出每立方米混凝土的水泥用量 ;3. 選取砂率 , 計算粗集料和細(xì)集料的用量 , 并提出供試配用的計算配合比。混凝土強度等級小于 C60 級時，水灰比按下式計算：W/C =（ 8 — 2 ）式中：α a 、 α b ——— 回歸系數(shù)，參見表 8.27 所示。ce ——水泥 28d 抗壓強度實測值（ Mpa ）當(dāng)無水泥 28d 抗壓強度實測值時，公式中的 ? ce 值可按下式確定：ce = γ C × ? ce ， g式中：γ C — 水泥強度等級值的富余系數(shù)，可按實際統(tǒng)計資料確定。若無統(tǒng)計資料可采用全國平均水平值 1.13 。ce ， g — 水泥強度等級值表 8.27 回歸系數(shù)α a 、α b 選用表系數(shù)碎石卵石α a0.460.48α b0.070.33[ 實例 ]設(shè)某工程制作鋼筋混凝土梁 , 混凝土設(shè)計強度等級為 C20, 機械拌和 , 機械振搗 , 坍落度 30 ～ 50mm, 確定配合比。水泥 : 普通硅酸鹽水泥 , 強度等級為 32.5Mp, ρ C = 3.1g/cm 3 。砂子 :M k = 2.7, 中砂 , ρ S =2650kg/m 3 。石子：碎石，最大粒徑 40mm ，ρ g =2730kg/m 3 。水：自來水。設(shè)計步驟如下：確定混凝土配制強度，查表取標(biāo)準(zhǔn)差σ = 4MpaCU ， 0 = ? CU ， k + 1.645 σ = 20 + 1.645 × 4 = 26.58 Mpa(2) 計算水灰比ce = γ C × ? ce ， g =1.13 × 32.5 = 36.72 MpaW/C === 0.61(3) 確定用水量。查表 13.6 得 m wo = 175 kg/m 3(4) 計算水泥用量。m cO == 175 ÷ 0.61 = 287 kg /m 3(5) 確定砂率。查表 13.7 得β S = 0.34(6) 計算砂（ m SO ）、石（ m go ）用量。常用的計算砂、石用量的方法有體積法和質(zhì)量法。體積法假設(shè)理想的密實混凝土是：水泥漿填滿砂的孔隙，而水泥砂漿再填滿石子的孔隙中，因此，材料間互相緊密的填滿， 1m 3 混凝土體積中除夾雜少量的空氣之外，應(yīng)當(dāng)是四種材料密實體積之和，故又稱絕對體積法。用公式表示：++++ 0.01α = 1式中 : α — 混凝土的含氣量百分?jǐn)?shù)，在不使用引氣型外加劑時，α可取為 1 。β s =× 100%所以 ，得 ：①又因為砂率為得 ：= 0.34 ②聯(lián)立①、②方程，解得： m s0 = 664kg m g0 = 1289kg⑺計算初步配合比，參見表 8.28 所示。表 8.28 混凝土設(shè)計初步配合比用料名稱水泥砂石水每立方米混凝土材料量 (kg)2876641289175配合比12.314.490.61(8) 試配與調(diào)整。第一種調(diào)整情況：若測得坍落度小于要求時 , 可保持水灰比不變 , 增加水泥漿 , 同時砂率不變 , 相應(yīng)減少砂和石的用量。首先按初步配合比計算出 15L 拌合物的材料用量，分別為：m c0 = 4.46(kg) m s0 = 10.3(kg) m g0 = 20.03(kg) m w0 = 2.72(kg)按上述材料拌和后，測的混合物坍落度 10mm ，小于設(shè)計要求的坍落度（ 30 ～ 50mm ），保持水灰比不變，水和水泥各增加 2% ，同時按砂率不變相應(yīng)減少砂和石的質(zhì)量，再重新稱料拌和試驗，若測得坍落度為 30mm ，則符合要求，重新計算配合比（基準(zhǔn)配合比）。m c0 = 287+287 × 2% = 287+5.74 = 293(kg)m w0 = 175+175 × 2% = 175 + 3.5 = 179(kg)m c0 + m w0 = 5.74 + 3.5 = 9.24(kg)則 m s0 、 m g0 相應(yīng)減少 9.24(kg)β s = 0.34m s0 = 664 － 9.24 × 0.34 = 661(kg)m g0 = 1284 － 9.24 × 0.66 = 1278(kg)然后按基準(zhǔn)配合比作強度試驗，假定滿足要求，則不需再調(diào)整。于是，試驗室配合比（即理論配合比）為：m c0 ： m s0 ： m g0 = 293 : 661 : 1278 = 1 : 2.26 : 4.36W/C = 179/293 = 0.61第二種調(diào)整情況：當(dāng)坍落度大于要求時，且拌和物粘聚性不好，可保持水灰比不變，減少水泥漿數(shù)量，并保持砂、石質(zhì)量不變，適當(dāng)增加砂子用量（調(diào)整砂率）。按初步配合比材料用量進(jìn)行調(diào)整。如減少用水量 5kg ，同時相應(yīng)的減少水泥用量，以保持水灰比不變。增加砂率 2.0% ，再增加砂量的同時，相應(yīng)的減少石子用量，以保持砂石總質(zhì)量不變。m w0 = 175 － 5 = 170(kg) m c0 = 170/0.61 = 279(kg)則③= 0.36 ④聯(lián)立③、④方程，解得： m s0 = 720kg m g0 = 1282kg調(diào)整后每立方米混凝土材料用量及水灰比為：m c0 ： m s0 ： m g0 = 279 : 720 : 1282 = 1 : 2.58 : 4.59W/C = 170/279 = 0.61上述為基準(zhǔn)配合比，用這種配合比做強度試驗，假定強度符合要求，則理論配合比同上。第三種調(diào)整情況：為簡化起見，調(diào)整坍落度時，只增減水泥漿，不改變砂石用量。按初步配合比計算 15L 的料為：水泥 4.46kg ；水： 2.72 kg ；砂： 10.30 kg ； 石： 20.03 kg ；假定上述材料混合物坍落度為 0mm ，小于設(shè)計要求 30 ～ 50mm 。保持水灰比不變，增加 2.0% 水泥漿在做坍落度試驗。此時 15L 拌和物水泥用量為：4.46 + 4.46 × 2% = 4.55 kg15L 拌合物中水用量為：2.72 + 2.72 × 2% = 2.77 kg經(jīng)增加 2% 水泥漿，則的坍落度為 10mm ，仍不符合要求，后再作調(diào)整，故再增加 2% 水泥漿。水泥用量為： C 0 = 4.55 + 4.55 × 2% = 4.64kg水用量為： W 0 = 2.77 + 2.77 × 2% = 2.83 kg此次測坍落度為 30mm ，滿足要求，即可做檢驗抗壓強度用的試塊。假定強度符合要求，故不需調(diào)整。于是得出試驗室配合比（理論配合比）如表 8.29 所示。表 8.29 試驗室配合比用料名稱水泥砂石水1m 3 材料用量 (kg)2986641289182配合比12.234.330.61⑼計算施工配合比按上述第三種情況計算。若經(jīng)實測現(xiàn)場砂子含水率為 5% ，石子含水率 1% ，則需要求出濕料的實際用量，并在加水量中扣除由砂子、石子帶入的水量。其計算如下：以水泥 100kg 計的試驗室配合比（理論配合比）為：m c0 ： m s0 ： m g0 = 100 : 233 : 433 W/C = 0.61以水泥 100kg 為基準(zhǔn)的施工配合比為 ：m s0 = 233 + 233 × 5% = 233 + 11.65 = 245(kg)m g0 = 433 + 433 × 1% = 433 + 4.33 = 237(kg)m w0 = 61 － 11.65 － 4.33 = 45(kg)m c0 = 100(kg)按上述計算可列表 8.30 所示。表 8.30 試驗室配合比換算成施工配合比用料名稱水泥砂石水用料名稱水泥砂石水試驗室配合比10023343361砂、石含水（ % ）51校正含水量 (kg)11.654.3315.98施工配合比10024543745施工稱量 (kg)5012321922.5質(zhì)量法根據(jù)經(jīng)驗，如果原材料情況比較穩(wěn)定，所配制的混凝土拌和物的容重將接近一個固定值，這就可以先假定一個混凝土混合物表觀密度值，再根據(jù)各材料之間的質(zhì)量關(guān)系，計算出各材料的用量。這種方法目前正在廣泛采用。其主要優(yōu)點在于：節(jié)省了體積法中把質(zhì)量變成為絕對體積和把絕對體積變成質(zhì)量這些繁瑣的換算，從而使配合比的設(shè)計更加簡捷。具體計算方法如下：假定混凝土的計算表觀密度新澆筑混凝土表觀密度，可根據(jù)本單位積累的試驗資料確定，再無資料時可按表 8.31 選用。表 8.31 混凝土的計算表觀密度混凝土標(biāo)號≤ 1015 ～ 30＞ 30計算表觀密度 (kg/m 3 )236024002450選定混凝土的試配強度計算水灰比確定用水量計算水泥用量確定砂率以上各項計算方法與初步確定與“絕對體積法”相同。計算砂、石用量先根據(jù)表 8.28 選出一個計算表觀密度ρ C,C ，然后則可根據(jù)以下兩個關(guān)系式計算：ρ C,C = m c0 + m s0 + m g0 + m w0 β s =式中：ρ C,C ——拌和物的計算表觀密度（ kg/m 3 ）計算初步配合比將各種材料的用量除以水泥質(zhì)量及得以水泥為 1 的質(zhì)量配合比。m c0 ： m s0 ： m g0 = 1 ：：試配與調(diào)整按計算出的初步配合比，稱取 10 ～ 25L 的用料量，拌制混凝土，測定其坍落度并觀察其粘聚性與保水性，如果不合要求，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整用水量及砂率，再行拌和試驗，直至符合要求為止。和易性與水灰比調(diào)整的原則與體積法相同。當(dāng)試拌調(diào)整工作完成后，應(yīng)測出混凝土拌和物的實際表觀密度。其表觀密度的調(diào)整方法如下：將實測表觀密度除以計算表觀密度得出材料用量修正系數(shù)，即：K =將配合比中每項材料用量均乘以校正系數(shù) K ，即得試驗室配合比。確定施工配合比施工配合比的確定與體積法相同。[ 實例 ]制作鋼筋混凝土梁，混凝土設(shè)計強度等級為 C20 ，機械振搗，坍落度 30 ～ 50mm ；原材料：水泥：為強度等級 32.5Mpa ，普通水泥（不知實際強度），ρ C = 3.1g/cm 3 。中砂 : ρ S =2650kg/m 3 （表觀密度）；碎石 : ρ g =2730kg/m 3 （表觀密度），最大粒徑 40mm ；自來水。設(shè)計步驟如下：⑴設(shè)混凝土計算表觀密度 ρ C,C = 2400 kg/m 3⑵選定混凝土的試配強度與上述絕對體積法相同： 即 ? CU ， 0 = 26.58 Mpa⑶計算水灰比與上述絕對體積法相同： 即 W/C = 0.61⑷確定用水量查表 13.6 得 m wo = 175 kg/m 3⑸計算水泥用量m cO == 175 ÷ 0.61 = 287 kg/m 3⑹確定砂率查表 13.7 得β S = 0.34⑺計算砂、石用量砂、石用量可按下式計算：m c0 + m s0 + m g0 + m w0 = 2400 kg/m 3m s0 + m g0 = 2400 －（ m c0 + m w0 ） = 2400 －（ 287+175 ） = 1938kgβ s == 0.34m s0 = (m s0 + m g0 ) ×β s = 1938 × 0.34 = 659kgm g0 = (m s0 + m g0 ) － m s0 = 1938 － 659 = 1279 kg⑻計算初步配合比水泥：砂：石 =287 ： 659 ： 1279=1 ： 2.30 ： 4.46W/C = 175/287 = 0.61調(diào)整坍落度和調(diào)整水灰比與絕對體積相同。調(diào)整表觀密度：混凝土表觀密度實測值為 2455 （ kg/m 3 ）m c0 =kgm s0 =kgm g0 =kgm w0 =kg得出試驗室配合比（理論配合比）為：水泥：砂：石 =293 ： 673 ： 1306=1 ： 2.30 ： 4.46W/C = 179/293 = 0.61⑼計算施工配合比計算施工配合比與絕對體積法相同。8 ． 5 ． 2 高強混凝土及其應(yīng)用配制出滿足工作性和強度發(fā)展要求的高強混凝土，其材料的選擇要比普通混凝土嚴(yán)格。要求高質(zhì)量材料及更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在試拌的基礎(chǔ)上，應(yīng)用廣泛的高質(zhì)量材料配制出高強混凝土。8 ． 5 ． 2 ． 1 水泥在配制高強混凝土?xí)r，應(yīng)當(dāng)采用硅酸鹽水泥，其強度等及應(yīng)等于或高于 42.5Mpa 。在配制用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的高強混凝土?xí)r，采用早強硅酸鹽水泥。從水泥礦物組成上選擇 C 3 S 高， C 3 A 低，含堿量低的水泥。如果 C 3 S 含量變化超過 4%, 燒失量大于 0.5% ，比表面積大于 3750cm 2 /g ，要維持穩(wěn)定的高強度可能成問題。 SO 3 含量應(yīng)保持最佳值，其變動應(yīng)限于 0.20% 之內(nèi)，由于高墻混凝土水泥用量大，如果考慮水化放熱過大造成的危害，在滿足強度要求的前提下可以采用Ⅱ型低水化熱水泥。進(jìn)一步需要考慮水泥與外加劑的相溶性（或適應(yīng)性），因為減水劑對需水量的實際作用取決于水泥的特性。強度的發(fā)展取決于水泥的特性和水泥的用量。通常采用 52.5 Mpa 水泥，摻高效減水劑可以配制 700 ～ 800 # 的高強混凝土。 62.5 Mpa 水泥與高效減水劑結(jié)合使用，則可配制 800 # ～ 100 # 混凝土。其試驗結(jié)果，如表 8.32 和表 8.33 所示。表 8.32 52.5 Mpa 水泥用量與混凝土強度關(guān)系52.5 Mpa 水泥用量 (kg/m 3 )混凝土 28d 抗壓強度 (Mp)空白混凝土摻 30-0340048.072.050052.087.460058.092.6注 :30-03 ——萘系高效減水劑，摻量 1% ；坍落度 30mm表 8.33 62.5 Mpa 水泥用量與混凝土強度關(guān)系62.5 Mpa 水泥用量 (kg/m 3 )混凝土 28d 抗壓強度 (Mp)空白混凝土摻 10-0340053.282.450064.896.960076.0109.3注 :10-03 ——三聚氰胺系高效減水劑，摻量 1% ；坍落度 50mm8.5.2.2 外加劑1. 高效減水劑普通減水劑的減水率為 5% ～ 8% ，不適于配制高強魂凝土。高效減水劑，如萘系、多環(huán)芳烴系和三聚氰胺系，因為他們減水量較大。摻高效減水劑對混凝土有很好的早強（ 3d 強度提高 40% ～ 70% ）和增強（ 28d 強度提高 20% ～ 40% ）作用，因此配制高強混凝土?xí)r，一般不摻用早強劑。2. 緩凝劑高強混凝土中摻緩凝劑的作用：其一是控制早期水化，延緩水化防熱過程；其二是進(jìn)一步提高減水作用；其三是提高混凝土強度，并且隨摻量增大成正比。正常摻量（ 0.02% ～ 0.10% ）緩凝劑可以提高 24h 及以后的強度。用緩凝劑調(diào)整水泥水化速度，使混凝土在預(yù)計的溫度下符合要求的硬化速度，消除冷接，滿足澆灌、振搗和脫模時間等工藝要求。8.5.2.3 集料用于高強混凝土中的粗細(xì)集料至少要滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。1. 細(xì)集料天然砂表面光滑呈圓形顆粒，用作細(xì)集料在混凝土中需水量減少，相反，人工砂需水量大，因此高強混凝土中應(yīng)優(yōu)先選擇天然砂。對細(xì)集料優(yōu)化級配，考慮更多的是對需水量的影響而不是物理填充。細(xì)度模數(shù)低于 2.5 的砂使混凝土干硬而難于振搗密實；而細(xì)度模數(shù)約等于 3.0 時，混凝土的工作性和抗壓強度好。砂的級配對混凝土早期強度沒有明顯影響，但在后面又逐漸提高趨勢。用間斷級配砂與連續(xù)級配砂相比，其混凝土強度低。2. 粗集料許多研究證明，以高水泥用量和低水灰比能獲得最大抗壓強度，而粗集料最大粒徑應(yīng)盡量小些，即 12.7mm 或 9.5mm 。也有用最大粒徑 19.0 和 25.4mm 的成功例子。因集料顆粒大小影響界面粘結(jié)力，粒徑 76mm 集料的粘結(jié)強度僅是 13mm 集料顆粒粘結(jié)強度的 1/10 。集料粒徑小有利于配置高強度混凝土的另一個原因，是顆粒表面由于水泥漿和集粒彈性模量差而產(chǎn)生的應(yīng)力集中小。集料顆粒形狀影響機械粘結(jié)力，多棱角骨料使混凝土需水量增加和工作性降低。理想的集料應(yīng)當(dāng)是干凈、立方形顆粒，含針狀和片狀顆粒最少。配制高強混凝土?xí)r，選用高強度的集料是極其重要的。表 8.34 中所列不同強度的集料對混凝土強度的影響。由表可見，用這些集料制成的混凝土，其強度幾乎隨著集料的強度成比例地增加，約為集料強度的 50% 。也就是說，用抗壓強度 190Mpa 的硬砂巖和輝綠巖制成的混凝土， 28d 齡期的強度在 100Mpa 以上。而強度低的集料，河卵石和石灰石（ 65.2Mpa ）相同配比制成的混凝土 28d 強度分別為 74.2Mpa 和 83.7Mpa 。雖然時會是屬于有一定活性的骨料，能提高界面粘結(jié)力，其混凝土強度大于本身強度，但只能用于配制 80Mpa 以下的高強混凝土。 80Mpa 以上的超高強混凝土。必須采用高強優(yōu)質(zhì)集料。表 8.34 集料抗壓強度與混凝土的強度（ Mpa ）集料品種集料抗壓強度混凝土抗壓強度混凝土抗拉強度7d28d7d28d河卵石—52.171.24.044.47石灰石62.664.980.44.635.11花崗巖146.374.991.14.845.06輝綠巖193.581.9101.45.115.37硬砂巖186.484.7103.05.085.52注 : 最大粒徑 25mm ， W/C=0.27 ，多環(huán)芳烴系減水劑 0.5% 。8.5.2.4 拌合用水高強度混凝土對用水質(zhì)量的要求與普通混凝土的一樣，通常，混凝土的用水規(guī)定為可飲用水。在必須使用低質(zhì)量水的情況下，應(yīng)進(jìn)行混凝土對比試驗，其 7d 、 28d 強度應(yīng)大于或等于用蒸餾水的強度的 90% 。有特殊污染物，特別是含機質(zhì)的應(yīng)禁止使用。對用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的，考慮到氯鹽對鋼筋的銹蝕作用，拌合水中的氯離子含量不得超過 1.5 × 10 -4 。8.5.2.5 礦物摻合料主要包括粉煤灰、硅粉、礦渣膠結(jié)料等細(xì)粉末礦物摻合料，已廣泛用于高強混凝土中。其目的是代替部分水泥，減少水泥用量，并且改善混凝土物理力學(xué)性能。8.5.2.6 高強混凝土配合比設(shè)計1. 水灰比為 0.27 ～ 0.32 。配制 C80 混凝土宜用水灰比 0.30 ～ 0.32, 配制 C100 混凝土宜用水灰比 0.27 左右。2. 水泥用量不宜少于 500 kg/m 3 ，配制 C80 混凝土宜用 550 kg/m 3 ，配制 C100 混凝土宜用 600 kg/m 3 。3. 砂率，一般為 0.25 到 0.32, C80 混凝土宜選用 0.30, 混凝土強度越高砂率宜選得越小。高效減水劑摻量一般控制在水泥用量的 1% 左右，太小如低于 0.7%, 則混凝土強度有降低趨勢 ; 過大如高于 1.5%, 則可增大坍落度 , 但強度增長已不明顯。8.5.3 高性能混凝土20 世紀(jì) 80 年代末，人們終于總結(jié)出了高性能混凝土的新概念。因為現(xiàn)代的高強混凝土是經(jīng)過改善的，它必須具備出高強以外的優(yōu)良性能，主要是優(yōu)異的耐久性。我國高強高性能混凝土專業(yè)委員會的專家學(xué)者們認(rèn)為：高性能混凝土是以耐久性為基本要求，能夠滿足工業(yè)化預(yù)拌生產(chǎn)，機械化泵送施工的混凝土。在性能上，按混凝土齡期發(fā)展三階段而具有這樣一些特點：1. 新版混凝土有良好的流變學(xué)特性—不泌水，不離析甚至能達(dá)到自流密實。2. 硬化過程中水化熱低、體積穩(wěn)定，無裂縫或者少裂縫。3. 硬化后結(jié)構(gòu)致密，抗?jié)B性優(yōu)良，滲透系數(shù)可比普通混凝土低 1 ～ 2 個數(shù)量級，抗?jié)B性將士評估其耐久性的一個主要綜合指標(biāo)。8.5.3.1 高性能混凝土的組成材料高性能混凝土的第一特性是耐久性，因此混凝土必須有高的密實度和體積穩(wěn)定性。因而其組份較普通混凝土復(fù)雜，獲得它的技術(shù)途徑也多種多樣。不過在制備高性能混凝土?xí)r，這些技術(shù)措施往往配合使用。①降低水灰比，可以獲得高強度。②降低空隙率，可以獲得高密實度、低滲透性。③改善水泥的水化生產(chǎn)以提高強度