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第一章水泥第一节水泥的类别和性能一、我国水泥的类别水泥是混凝土中，也是高性能混凝土中最重要的一种胶凝材料，它的选择直接影响混凝土的性能和成本。我国水泥种类很多，按照不同的划分方法可分为不同的类型(见表1—1)。随着水泥生产技术的发展，如生料的均化和原料预均化技术的发展，烘干兼粉磨设备的不断改进，水泥新型干法窑(悬浮预热器窑和窑外分解窑)不但大大第3页降低了熟料的能耗，产量大幅提高，而且熟料质量完全可与湿法生产的熟料相媲美，已成为当前世界各国水泥工业主要发展的窑型。目前，我国大型水泥厂一般均为新型干法窑。二、水泥品种配制高性能混凝土主要选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，特殊情况下，还可选用其他几种类型的水泥。在高性能混凝土中，如果选用含有各种混合材的水泥，必须弄清楚水泥中矿物混合材的品种、细度和掺量，在进行高性能混凝土配合比设计时必须扣除水泥中混合材掺量，并在大量试配基础上确定各组分的用量。1．硅酸盐水泥凡是由硅酸盐水泥熟料、o～5％石灰石或高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥分为两种类型，不掺混合材料的称为I型硅酸盐水泥，代号P·I，在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5％石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为n型硅酸盐水泥，代号P．Ⅱ，广泛用于各种混凝土或钢筋混凝土工程。2．普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、6％一15％混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)，代号P．O。按照国家标准(GBl75)，普通水泥中掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15％，其中允许用不超过水泥质量5％的窑灰或不超过水泥质量10％的非活性混合材料来代替；掺非活性混合材料时，最大掺量不得超过水泥质量10％。普通水泥广泛用于各种混凝土或钢筋混凝土工程。3．矿渣硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥)，代号P．S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量分数计为20％一70％，允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥质量的8％，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20％。该水泥具有水化热较低、耐蚀性和耐热性较好等特点；但泌水性和干缩性较大，抗冻性较差，早期强度较低(但后期强度增进率较快)。矿渣硅酸盐水泥可用于地面、地下、水中各种混凝土工程中。《火山灰质硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥(简称火山灰水泥)，代号P．P。按照国家标准GB第二章矿物外加剂在混凝土中加入矿物外加剂一般可达到下列目的：减少水泥用量，有的还可以改善混凝土的工作性；降低水化热；增进后期强度；改善混凝土的内部结构，提高抗渗性和抗腐蚀能力；抑制碱—集料反应等。在高性能混凝土中所用的各种超磨细的矿物原料与以前用于水泥混合材的矿物原料在作用和性能上有显著不同。当矿渣与熟料混磨时，由于矿渣比熟料难磨，熟料磨到一定细度后，矿渣仍不够细(当前生产的矿渣硅酸盐水泥中矿渣细度为250mz／k8左右)，以致矿渣水泥的保水性差、早期强度低，其混凝土的耐久性不好。表2—1为用硅酸盐水泥熟料加入4％二水石膏磨至比表面积为305mz／kg的硅酸盐水泥(P1)，在其中分别掺入40％比表面积为310mz／kg的矿渣和比表面积为700m2／k2的磨细矿渣等量取代硅酸盐水泥，配成矿渣硅酸盐水泥(SP和SC)的胶砂强度试验结果。从表中的试验结果可以看出，掺人普通细度矿渣的SP水泥各龄期强度(ad，7d，28d)都低于硅酸盐水泥强度，而掺人磨细矿渣的SC水泥各龄期强度都显著高于硅酸盐水泥PI的强度。这说明普通细度的矿渣由于颗粒较粗，水化慢；而磨细矿渣由于颗粒较细，水化快，并发挥了磨细矿渣的填充和改善集料界面作用，所以各龄期强度都较高。将两者加以区分是必要的，美国也称这类掺合料为矿物外加剂(mineraladmixture)。国标《GB／T18736高强高性能混凝土用矿物外加剂》明确规定：用于改善混凝土耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料又被称作矿物外加剂，其主要特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用于改善混凝土的耐久性能和工作性能。本书把高性能混凝土中加人的这类矿物材料统称为矿物外加剂。国标《GB／T18736高强高性能混凝土用矿物外加剂》规定了常用的矿物外第12页加剂(磨细矿渣、硅灰、粉煤灰和磨细天然沸石四类产品)的技术性能要求。这四种矿物外加剂是当前使用中量大面广的、条件较成熟的，其他种类的矿物外加剂(如煅烧煤矸石、磨细石灰石等)也有研究和应用，但实际用量相对较少。下面分别介绍这四个品种矿物外加剂的基本情况、性能及对高性能混凝土的影响。第一节磨细旷渣一、磨细矿渣的来源及产量矿渣是在炼铁炉中浮于铁水表面的熔渣，排出时用水急冷，得到水淬矿渣，生产矿渣水泥和磨细矿渣用的都是这种粒状渣。磨细矿渣是将这种粒状高炉水淬渣干燥，再采用专门的粉磨工艺磨至规定细度，在混凝土配制时掺人的一种矿物外加剂。我国每年高炉矿渣排量约为4000万吨以上，大约有3400万吨被水泥工业利用，作为水泥混合材与水泥熟料、石膏一起粉磨，生产矿渣硅酸盐水泥，已有相当长的历史。在共同粉磨时，由于矿渣较水泥熟料难以磨细，在水泥中颗粒较粗，所以矿渣水泥中矿渣的水化活性难以得到充分发挥，给矿渣硅酸盐水泥混凝土带来一些缺点，如混凝土早期强度低、易泌水、耐久性差。随着粉磨技术的不断发展．水淬高炉矿渣开始被加工成商品磨细矿渣粉(比表面积400m2／k日以上，有些甚至达到800mz／k8)，并且逐渐在混凝土中得到应用，这时的磨细矿渣与前边提到的水泥混合材概念是完全不一样的。它作为辅助性胶凝材料，等量替代水泥，在混凝土拌和时直接加入馄凝土中，可以改善新拌混凝土及硬化混凝土性能，使矿渣的利用价值更上一层楼。将这一大宗工业废渣转化为高附加值的磨细矿渣产品，符合环境保护和可持续发展的战略要求。在我国推广和应用磨细矿渣，正是实现这一战略目标的具体举措。目前，我国有关磨细矿渣的研究、生产和工程应用已进人新的发展阶段；水淬高炉矿渣这一大宗工业废渣已经开始转化为高附加值的磨细矿渣产品在工程中应用。磨细矿渣所采用矿渣的化学成分应符合GB／T203—1994《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的要求。矿渣粉磨时分两种情况，一是单纯的磨细矿渣；二是在粉磨时可以揍人适量的石膏，根据国内外研究和使用经验，掺入适量的石膏可以提高混凝土的早期强度及其他有关性能，因此允许在粉磨时掺人适量的石膏，所用石膏的性能应符合GB／丁5483—1996《石膏和硬石膏》的规定，掺量以S03为控制指标，应小于4％。由于矿渣较为难磨，为提高粉磨效率，在矿渣粉磨时还允许掺入不大于矿渣质量1％的助磨剂，所掺助磨剂应符合JC／丁667《水泥粉磨第13页上一章下一章工成网第三章集料集料，又称骨料，是混凝土的主要组成材料之一，在混凝土中约占3／4。正确选择集料的品种是配制高性能混凝土的基础。集料在传统混凝土中主要起骨架作用和减少由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料。在高性能混凝土中，集料用量、品种、性能等对流动性、强度和耐久性都有影响：在自流平混凝土中，良好的集料粒形对增加流动度很有益：在高强混凝土中，由于水胶比小，水泥石强度提高，集料的差异对混凝土强度影响很大，必须选择自身强度高的集料，才能得到高强、超高强的混凝土；集料中如果含有蛋白石、玉髓、微晶石英等矿物成分就有可能导致碱—集料反应的发生，会引起混凝土膨胀开裂，甚至破坏，极大地影响混凝土的耐久性等。本章介绍高性能混凝土用粗、细集料的性能及对高性能混凝土性能的影响(轻集料等其他集料在本丛书其他分册中介绍，本章略去)，重点突出集料碱活性的检测和判定。由于京津塘地区是我国经济高速发展地区之一，建设规模较大，工程用集料安全问题非常重要，在本章还介绍了对该地区集料进行碱活性普查以及建立安全型矿山等方面的研究成果。第一节集料分类和性能高性能混凝土中常用的集料有卵石、碎石和砂。卵石，又称为砾石，是自然条件作用(如水流冲刷)下形成的天然无棱角粒状材料，特点是表面光滑，与水泥石的黏结力不如碎石，但松堆空隙率较小，可减少胶凝材料用量，增加拌和物的流动性。碎石是用天然岩石经破碎筛分而得的颗粒状材料，表面粗糙，材质的均匀性较好，与水泥石的黏结性能比卵石好，在同样条件下用碎石配制的混凝土，较用卵石配制的混凝土强度略高。一般高性能混凝土工程细集料以采用河(江)砂居多，山砂与海砂较少。按其加工方法不同，可分为天然砂和人士破碎砂两大类。河砂因长期受流水冲洗，颗粒成圆形，人工破碎砂是将天然石材破碎而成的，或加工粗集料过程中产生的碎屑，在资源日渐紧张的今天，一些符合建筑用砂质量标准的尾矿砂也在工程中使用。粗细集料的一些物理和化学性能对高性能棍凝土的影响很大。第51页一、粗集料对粗集料的质量要求主要包括：颗粒级配、针片状颗粒含量、含泥量、泥块含量、强度(岩石抗压强度和压碎指标值)、坚固性、有害杂质含量和碱活性。石于级配对节约水泥和保证混凝土和易性有很大关系，关于集料粒径及级配对高强高性能混凝土强度的影响，已有许多试验研究结果。粗集料最大粒径是其公称粒径的上限。该值愈大，则集料的总表面积愈小，混凝土的用水量也愈小，水泥用量也愈小。但该值过大，使混凝土的和易性变差，易产生离析。集料粒径超过40mm后，由于集料比表面积的减小和混凝土不均匀性的增大，致使混凝土集料粒径越大，混凝土强度越低。故ACl363委员会报告指出，集料最大粒径应尽量小。我国许多工程的实践经验是，配制C60一C80的混凝土，集料最大粒径应在20mm左右，针、片状颗粒含量是评定粗集料质量的指标。凡颗粒的长度大于该颗粒所属粒级平均粒径2．4倍者称为针状颗粒；厚度小于平均粒径的o．4倍者称为片状颗粒。一般地说，针、片状颗粒主要存在于碎石中，尤其是变质岩中的板岩经破碎后的针、片状颗粒较多，它们对混凝土拌和物和易性有明显的影响，且对高强度等级混凝土的影响更大一些。如针、片状颗粒含量增加25％，高强度等级混凝土的坍落度约减少12mm，而对中、低强度等级混凝土仅减少6mm。另外，针、片状颗粒的存在对混凝土的抗折强度也有一定的影响。集料物理力学性能及矿物成分对高强高性能混凝土的影响是一个比较复杂的问题。一些试验资料表明，当采用质地较软、强度较低的石灰岩作集料时，随着混凝土水灰比的减小，混凝土强度的增幅会逐渐下降，集料强度成了制约混凝土强度增长的关键因素。在高强高性能低水灰比的混凝土中，采用致密的石灰石作集料的混凝土，其强度较卵碎石作集料的棍凝土明显增大，即集料品种对高强高性能混凝土强度影响很大。粗集料的强度用岩石的立方体(或圆柱体)强度和压碎指标两种方法表示。一般要求岩石的抗压强度值与混凝土强度等级之比应不小于1．5。采用石灰石碎石、花岗岩碎石和辉绿岩碎石三种碎石进行了混凝土强度方面的试验，以确定其对混凝土强度的影响。试验用粗集料粒径均为5—20mm。表3—1是三种碎石的筛分试验结果。利用这三种碎石进行掺硅灰和磨细矿渣以及不掺矿物外加剂的混凝土试验。混凝土配比见表3—2，其抗压、劈张和抗折强度的试验结果见表3—3。表3—2试验结果表明，在水胶比为o．25～o．26的情况，三种岩石混凝土拌和物的坍落度和坍落流动度值基本相似，说明这三种岩石对新拌混凝土工作性能第四章化学外加剂原则上在普通混凝土中使用的化学外加剂都可以在高性能混凝土中使用，但是根据高性能混凝土性能要求和施工工艺，最重要的三类化学外加剂是高效减水剂、泵送剂和引气剂。第一节高效减水剂高效减水剂是制备高性能混凝土必不可少的技术措施之一，由于它的正确使用，才能使得高性能混凝土的水灰比降得很低，具有良好的工作性，以及坍落度经时损失小，以得到均匀的混凝土拌和物。1962年，日本花王石碱公司的服部健一博士研制成功了萘系高效减水剂；1963年，德国研制成功蜜胺高效减水剂，开始了最早的高效减水剂生产。20世纪70年代中后期，这两