混凝土

  混凝土,是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。通常讲的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料,砂、石作集料,它广泛应用于土木工程。    

混凝土的历史

    
混凝土
混凝土
       1900年,万国博览会上展示了钢筋混凝土在很多方面的使用,在建材领域引起了一场革命。法国工程师艾纳比克1867年在巴黎博览会上看到莫尼尔用铁丝网和混凝土制作的花盆、浴盆、和水箱后,受到启发,于是设法把这种材料应用于房屋建筑上。1879年,他开始制造钢筋混凝土楼板,以后发展为整套建筑使用由钢筋箍和纵向杆加固的混凝土结构梁。仅几年后,他在巴黎建造公寓大楼时采用了经过改善迄今仍普遍使用的钢筋混凝土主柱、横梁和楼板。1884年德国建筑公司购买了莫尼尔的专利,进行了第一批钢筋混凝土的科学实验,研究了钢筋混凝土的强度、耐火能力。钢筋与混凝土的粘结力。1887年德国工程师科伦首先发表了钢筋混凝土的计算方法;英国人威尔森申请了钢筋混凝土板专利;美国人海厄特对混凝土横梁进行了实验。1895年——1900年,法国用钢筋混凝土建成了第一批桥梁和人行道。1918年艾布拉姆发表了着名的计算混凝土强度的水灰比理论。钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料。
  混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料,集料(也称为骨料)和水按一定比例配制,经搅拌振捣成型,在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富,价格低廉,生产工艺简单的特点,因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高,耐久性好,强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围十分广泛,不仅在各种土木工程中使用,就是造船业,机械工业,海洋的开发,地热工程等,混凝土也是重要的材料。
  混凝土可以追溯到古老的年代,其所用的胶凝材料为粘土、石灰、石膏、火山灰等。自19世纪20年代出现了波特兰水泥后,由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性,而且原料易得,造价较低,特别是能耗较低,因而用途极为广泛(见无机胶凝材料)。    20世纪初,有人发表了水灰比等学说,初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后,相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土,各种混凝土外加剂也开始使用。60年代以来,广泛应用减水剂,并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土;高分子材料进入混凝土材料领域,出现了聚合物混凝土;多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。    

分类

   

·按胶凝材料分类

    ①无机胶凝材料混凝土,如水泥混凝土、石膏混凝土、硅酸盐混凝土、水玻璃混凝土等;    ②有机胶结料混凝土,如沥青混凝土、聚合物混凝土等。    

·按表观密度分类

    混凝土按照表观密度的大小可分为:重混凝土、普通混凝土、轻质混凝土。这三种混凝土不同之处就是骨料的不同。    重混凝土是表观密度大于2500Kg/m3;,用特别密实和特别重的集料制成的。如重晶石混凝土、钢屑混凝土等,它们具有不透x射线和γ射线的性能。    普通混凝土即是我们在建筑中常用的混凝土,表观密度为1950~2500Kg/m3;,集料为砂、石。    轻质混凝土是表观密度小于1950Kg/m³的混凝土。它由可以分为三类:    1、轻集料混凝土,其表观密度在800~1950Kg/m3;,轻集料包括浮石、火山渣、陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣、矿渣等。    2、多空混凝土(泡沫混凝土、加气混凝土),其表观密度是300~1000Kg/m³。泡沫混凝土是由水泥浆或水泥砂浆与稳定的泡沫制成的。加气混凝土是由水泥、水与发气剂制成的。    3、大孔混凝土(普通大孔混凝土、轻骨料大孔混凝土),其组成中无细集料。普通大孔混凝土的表观密度范围为1500~1900Kg/m3;,是用碎石、软石、重矿渣作集料配制的。轻骨料大孔混凝土的表观密度为500~1500Kg/m3;,是用陶粒、浮石、碎砖、矿渣等作为集料配制的。    

·按使用功能分类

    结构混凝土、保温混凝土、装饰混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防辐射混凝土等。    

·按施工工艺分类

    离心混凝土、真空混凝土、灌浆混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、泵送混凝土等。按配筋方式分有:素(即无筋)混凝土、钢筋混凝土、钢丝网水泥、纤维混凝土、预应力混凝土等。    

·按混凝土拌合物的和易性分类

    干硬性混凝土、 半干硬性混凝土、 塑性混凝土、流动性混凝土、高流动性混凝土、流态混凝土等。    

混凝土的原材料

    水泥、石灰、石膏等无机胶凝材料与水拌和使混凝土拌合物具有可塑性;进而通过化学和物理化学作用凝结硬化而产生强度。一般说来,饮用水都可满足混凝土拌和用水的要求。水中过量的酸、碱、盐和有机物都会对混凝土产生有害的影响。集料不仅有填充作用,而且对混凝土的容重、强度和变形等性质有重要影响。    为改善混凝土的某些性质,可加入外加剂。由于掺用外加剂有明显的技术经济效果,它日益成为混凝土不可缺少的组分。为改善混凝土拌合物的和易性或硬化后混凝土的性能,节约水泥,在混凝土搅拌时也可掺入磨细的矿物材料──掺合料。它分为活性和非活性两类。掺合料的性质和数量,影响混凝土的强度、变形、水化热、抗渗性和颜色等。    

混凝土的制备

    配合比设计    制备混凝土时,首先应根据工程对和易性、强度、耐久性等的要求,合理地选择原材料并确定其配合比例,以达到经济适用的目的。混凝土配合比的设计通常按水灰比法则的要求进行。材料用量的计算主要用假定容重法或绝对体积法。    混凝土搅拌机
  混凝土设备
  混凝土设备
    混凝土搅拌机:根据不同施工要求和条件,混凝土可在施工现场或搅拌站集中搅拌。流动性较好的混凝土拌合物可用自落式搅拌机;流动性较小或干硬性混凝土宜用强制式搅拌机搅拌。搅拌前应按配合比要求配料,控制称量误差。投料顺序和搅拌时间对混凝土质量均有影响,应严加掌握,使各组分材料拌和均匀。      混凝土车    输送与灌筑:混凝土拌合物可用料斗、皮带运输机或搅拌运输车输送到施工现场。其灌筑方式可用人工或借助机械。采用混凝土泵输送与灌筑混凝土拌和物,效率高,每小时可达数百立方米。无论是混凝土现浇工程,还是预制构件,都必须保证灌筑后混凝土的密实性。其方法主要用振动捣实,也有的采用离心、挤压和真空作业等。掺入某些高效减水剂的流态混凝土,则可不振捣。    养护    养护的目的在于创造适当的温湿度条件,保证或加速混凝土的正常硬化。不同的养护方法对混凝土性能有不同影响。常用的养护方法有自然养护、蒸汽养护、干湿热养护、蒸压养护、电热养护、红外线养护和太阳能养护等。养护经历的时间称养护周期。为了便于比较,规定测定混凝土性能的试件必须在标准条件下进行养护。中国采用的标准养护条件是:温度为20±3°C;湿度不低于90%。    

混凝土的性能

    主要有以下几项:    

·和易性

    混凝土拌合物最重要的性能。它综合表示拌合物的稠度、流动性、可塑性、抗分层离析泌水的性能及易抹面性等。测定和表示拌合物和易性的方法和指标很多,中国主要采用截锥坍落筒测定的落度(毫米)及用维勃仪测定的维勃时间(秒),作为稠度的主要指标。    

·强度

    混凝土硬化后的最重要的力学性能,是指混凝土抵抗压、拉、弯、剪等应力的能力。水灰比、水泥品种和用量、集料的品种和用量以及搅拌、成型、养护,都直接影响混凝土的强度。混凝土按标准抗压强度(以边长为150mm的立方体为标准试件,在标准养护条件下养护28天,按照标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度)划分的强度等级,称为标号,分为C10、C15、C20、C25等。 混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的1/13~1/8。 提高混凝土抗拉、抗压强度的比值是混凝土改性的重要方面。    

·变形

    混凝土在荷载或温湿度作用下会产生变形,主要包括弹性变形、塑性变形、收缩和温度变形等。混凝土在短期荷载作用下的弹性变形主要用弹性模量表示。在长期荷载作用下,应力不变,应变持续增加的现象为徐变,应变不变,应力持续减少的现象为松弛。由于水泥水化、水泥石的碳化和失水等原因产生的体积变形,称为收缩。    混凝土的变形分为两类,一类是在荷载作用下的受力变形,如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形;另一类与受力无关,称为体积变形,如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。    

·耐久性

    在一般情况下,混凝土具有良好的耐久性。但在寒冷地区,特别是在水位变化的工程部位以及在饱水状态下受到频繁的冻融交替作用时,混凝土易于损坏。为此对混凝土要有一定的抗冻性要求。用于不透水的工程时,要求混凝土具有良好的抗渗性和耐蚀性。抗渗性 、抗冻性 、抗侵蚀性 为混凝土耐久性。    

组成材料与结构

    普通混凝土是由水泥、粗骨料(碎石或卵石)、细骨料(砂)、外加剂和水拌合,经硬化而成的一种人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用,并抑制水泥的收缩;水泥和水形成水泥浆,包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用,使混凝土拌合物具有良好工作性能,硬化后将骨料胶结在一起,形成坚强的整体。  
  

混凝土发展前景

    混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。按预定性能设计和制作混凝土,研制轻质,高强度,多功能的混凝土新品种。利用现代新技术、大力发展新工艺、新设备;广泛利用工业废渣作原材料等,都是今后需要不断解决的课题。    

现代混凝土的发展方向——商品混凝土

    商品混凝土是以集中予拌、远距离运输的方式向施工工地提供现浇混凝土。商品混凝土是现代混凝土与现代化施工工艺的结合的高科技建材产品,它应包括:大流动性混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、防渗抗裂大体积混凝土、高强混凝土和高性能混凝土等。为了使商品混凝土性能稳定、经济、性价比高,必须严格选择所需的原材料和优化混凝土的配合比。实践证明,现代混凝土配合比全计算法设计为此提供了简单快捷和可靠的技术途径。   
  混凝土现场
  混凝土现场
    商品混凝土是指以集中搅拌、远距离运输的方式向建筑工地供应一定要求的混凝土。它包括混合物搅拌、运输、泵送和浇筑等工艺过程。严格地讲商品混凝土是指混凝土的工艺和产品,而不是混凝土的品种,它应包括大流动性混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、高强混凝土、大体积混凝土、防渗抗裂混凝土或高性能混凝土等。因此、商品混凝土是现代混凝土与现代化施工工艺的结合,它的普及程度能代表一个国家或地区的混凝土施工水平和现代化程度。集中搅拌的商品混凝土主要用于现浇混凝土工程,混凝土从搅拌、运输到浇灌需1~2h,有时超过2h。因此商品混凝土 搅拌站合理的供应半径应在l0km之内。随着商品混凝土的普及和发展,现浇混凝土成为今后发展方向。在我国许多大城市,如北京、上海、天津、广州、深圳 等,商品混凝土搅拌站都在一百个以上,其规模和工艺水平不亚于发达国家。许多中小城市也在推广应用商品混凝土。    

·概述

    流态混凝土用作商品混凝土时,对新拌混凝土的流动性和流动性损失的控制要更严格。因为运距较长,交通堵塞等因素,要求坍落度损失小,2h(有时超 过2h)内混凝土应保持流动性,浇灌时要求泵送。用后掺法虽然能解决坍落度损失和泵送等问题,但是增加了搅拌时间或次数,这样影响商品混凝土的产量,并且 使搅拌操作复杂。即使这样在泵送前掺超塑化剂,在搅拌运输车中快速搅拌3min,也不能充分发挥超塑化剂的分散作用,拌合物均匀性差。因此,至少在我国, 后掺法不易推广,还是采用同掺法好。这就要求研究新的超塑化剂,保证新拌混凝土的流动性保持在2h或2h以上,而不影响硬化混凝土的强度,特别是早期强 度。    我国商品混凝土中,约70%是标号C25~C40,C50~C60 在一些重要工程中应用,个别特殊情况采用C70~C80。为了减少水泥用量、改善新拌混凝土的工作性,以及提高硬化混凝土性能,特别是耐久性,应当掺用粉 煤灰。这样在掺10%~25%粉煤灰的情况下,可以减少单位水泥用量10%~20%。计算 表明,基准混凝土中掺20%粉煤灰(减少水泥用量10%情况 下)可节省能源10%。基准混凝土掺超塑化剂(减少水泥用量15%时)配制流态混凝土可节省能源15%。当粉煤灰和超塑化剂同时掺用时可节省能源 25.5%。因此,将粉煤灰和超塑化剂同时掺用配制流态混凝土是最节能的,并且在性能和节能两方面都可得到满意的效果。    流态混凝土由于掺超塑化剂使拌合物流变性得到改善,即屈服值减小、塑性粘度降低和滞后圈变小,因而几乎接近牛顿型流体。这样就增加了流态混凝土的 可泵性。基准混凝土中掺0.4%~0.8%(最好是0.75%)超塑化剂所得到的流态混凝土,其泵送压力降低25%一35%。    泵送混凝土在泵压的作用之下,会产生坍落度损失、离析和堵泵现象。关键是通过混凝土配合比和超塑化剂的成分来调整拌合物的均匀性和稳定性、流动性和枯聚 性。在泵送混凝土中,细粉料(<0.25mm)的用量应在350~400kg/m3之间,水泥用量不得低于250kg/m3,粗集料最大粒径为 25mm或31.5mm。另外,最好掺用粉煤灰,因为粉煤灰在较大降低屈服值的同时,塑性粘度降低小—些,这样使拌合物保持一定的粘聚性,提高了稳定性, 从而防止离析和堵泵现象。    流态混凝土主要用于高层建筑的基础、梁、柱、框架、桥梁等现浇混凝土,以及T型接头的整体浇灌。特别是配筋密集、不易振捣或不需振捣(“自坍”或“自流平”)的情况下。    

·商品混凝土的特点和原材料的选择

    商品混凝土是以集中搅拌的方式向建筑工地供应一定要求的混凝土。它包括混合物搅拌、运输、泵送和浇筑等工艺过程。商品混凝土在市场竞争中的唯一要求是保证工作性、强度和耐久性的前提下其成本和售价最低。降低成本的技术途径是正确选择原材料和配合比。    
商品混凝土的特点
    1. 由于是集中搅拌,因此能严格在线控制原材料质量和配合比,能保证混凝土的质量要求;    2.要求拌合物具有好的工作性,即高流动性、坍落度损失小,不泌水不离析、可泵性好    3. 经济性, 要求成本低,性能价格比高。    
原材料的选择与要求
    水泥的选择:通常采用硅酸盐水泥、普硅水泥或矿渣水泥,对水泥的基本要求是:    1. 相同标号时,选择富裕系数大的水泥,因为水泥是使混凝土获得强度的“基础”;    2. 相同强度时选择需水量小的水泥。水泥的标准稠度需水量在21%~27%,在配制混凝土时采用需水量小的水泥可降低水泥用量;    3. 选择C3 S高、C3A低(<8%)、碱含量低(<1%),比表面适中(3400cm2/g~3600cm2/g)、颗粒级配好的水泥;    4. 合理使用不同标号的水泥。配制C40以下的流态混凝土时应用32.5Mpa普硅水泥;配制C40以上的高性能混凝土应用42.5Mpa硅酸盐水泥或普硅水泥;    5.针对不同用途的混凝土正确选择水泥品种,如要求早强或冬季施工尽量采用R型硅酸盐水泥,大体积混凝土采用矿渣水泥或普硅水泥。    矿物细掺料的选择    常用的矿物细掺料有粉煤灰、磨细矿渣、沸石粉、硅粉等。配制商品混凝土时对矿物细掺料的基本要求是:    1.售价低、具有一定的水化活性,能替代部分水泥,在保证强度和其它性能的情况下,应多掺矿物细掺料,使混凝土的成本降低;    2.需水量比小(<100%),颗粒级配合理能提高拌合物的流动性;    3. 合理使用不同品种的细掺料,配制C60以下的流态混凝土时采用II级粉煤灰,C60~C80采用I级粉煤灰或磨细矿渣,100Mpa以上的高性能混凝土掺硅粉。    集料的选择    粗细集料都应符合有关标准的要求。正确选择集料能确保混凝土工作性、强度和经济性。    1.细集料:砂子的颗粒级配合理、含泥量低有利于强度和工作性的提高。人工砂和风化山砂的需水量大、颗粒形状和级配不合理使拌合物流动性下降。河砂是理想的细 集料,使用时应正确选择细度模数。配制高强混凝土时应用粗砂,普通流态混凝土用中砂。砂子的细度模数影响混凝土的砂率和用水量,砂率高用水量大,坍落度损 失快。砂率偏低容易产生泌水和离析。    2.粗集料:石子的最大粒径和级配影响混凝土的用水量,砂率和工作性。配制高强混凝土和高性能混凝土时应采用高强度的碎石,其最大粒径应为19mm或 25mm,因为高强混凝土的强度几近为石子强度的二分之一。普通流态混凝土采用最大粒径25mm或31.5mm碎石,采用泵送工艺时石子最大粒径应小于泵 出口管径的三分之一,否则产生堵泵现象。目前市场连续级配的碎石较少,多数为单一粒级、这时应采用二级配石子。若采用单一粒级的石子应提高砂率。    混凝土的砂率与石子的最大粒径有关,大石子砂率小、小石子砂率大。其中就有合理配合的问题。在配制流态混凝土时,若采用较大粒径(如31.5mm)碎石与中细砂(Mx=2.50)配合可以降低砂率和用水量,因而降低混凝土的成本。    外加剂的选择    商品混凝土所用的外加剂应包括:引气减水剂、高效缓凝引气减水剂、缓凝减水剂、高效缓凝减水剂、泵送剂、高效泵送剂等。选择外加剂的原则:    1.根据所配制的混凝土类型选择相应的外加剂品种;    2.根据混凝土的原材料、配合比和标号确定对外加剂的减水率和掺量的要求;    3.根据工程类型、气候条件、运输距离,泵送高度等因素,确定对坍落度损失程度、凝结时间和早期强度的要求;    4.其它特殊要求(如抗渗性、抗冻性、抗浸蚀性、耐磨性等)。    最后、通过混凝土试配,经济性评估后才能应用外加剂。    

·混凝土配合比设计和优化

    商品混凝土的工艺不同于现场搅拌的混凝土,运输距离和时间的存在必须控制坍落度损失。因此在设计混凝土配合比时应考虑如下因素:    1.根据运距和运输时间确定初始坍落度:近距离(<10km)或1h时,初始坍落度为18cm~20cm;远距距离(>10 km)或2h时,为20cm~22cm。    2.控制坍落度损失,即控制入泵前的坍落度应大于15cm。因为坍落度<15cm时可泵性差。而坍落度>20cm时,浇筑后混凝土长时间保持大流动性状态、其稳定性差容易产生离析,凝结慢。    3.初凝时间的控制:梁板柱浇筑时初凝时间8 h~12h、大体积混凝土为12h~15h。    4.商品混凝土作为一种建材产品参与市场竞争必须考虑经济性,在保证技术性能的前提下售价最低。对商品混凝土总的要求是:稳定、可靠、适用和经济。    传统的混凝土配合比设计方法(即假定容重法和绝对体积法)是以强度为基础的,即根据“水灰比定则”设计配合比。而我们提出的全计算配合比设计方法 是以工作性、强度和耐 久性为基础,通过混凝土体集模型推导出用水量和砂率计算公式,并且将此二式与水灰比定则相结合实现FLC和HPC的组成和配合比的全计算。全计算法与传统 设计方法相比较,全计算法使混凝土配合比设计由半定量走向全定量,由经验走向科学。与传统配合比设计相比,全计算法更方便快捷地得到优化的混凝土配合比。    
  

混凝土期刊

    ISSN:1002-3550    CN:21-1259/TU    邮发代号:8-110    周期:月刊    出版地:辽宁省沈阳市    主办单位:中国建筑东北设计研究院    主管单位:中华人民共和国建设部    曾用名:混凝土及加筋混凝土    《混凝土》杂志是国内唯一公开发行的混凝土行业专业期刊,其内容已涵盖了国内外混凝土行业的各个方面: 一、政策信息、市场动态、发展现状及前景预测; 二、新材料、新技术、新设备、新工艺 三、生产管理、工程实践、检验标准及性能测试、专利技术等。--集指导性、信息性、技术性、实用性于一体,在混凝土行业中起到了宣传政策、交流经验、传播知识、沟通信息、为行业科学发展服务的作用。国内统一刊号:CN 21-1259/TU,国际刊号:ISSN 1002-3550。    

·主要读者对象

    《混凝土》杂志主要读者对象:是混凝土行业内生产、施工、科研、设计单位的科技人员及管理人员、大专院校相关专业师生和混凝土设备、原材料生产企业产品研发及营销人员,建设单位和基建部门的有关人员。    

·主要栏目

    《混凝土》主要栏目:理论研究;原材料与辅助物料;预拌混凝土;混凝土制品;工艺及设备;生产管理;实用技术;行业资讯等。