1、第三节 混凝土外加剂Admixtures for Concrete.基本概念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。学习要求 掌握外加剂的重要种类；物理化学特征；作用机理；应用及其负作用。.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。v外加剂是解决上述问题，改善混凝土性能，以满足工程特殊要求的重要技术途径；v现在有708
2、0以上的混凝土使用了外加剂；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。.一、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v按照功能有：改善和易性：减水剂、泵送剂、引气剂等；调节凝结时间：速凝剂、缓凝剂、早强剂等；减少塑性收缩：减缩剂、膨胀剂等；提高耐久性：引气剂、阻锈剂、防水剂等；其它：防冻剂、泡沫剂、消泡剂等。.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
3、铝 粉(发泡剂)1932 萘磺酸甲醛缩合物(碱水剂)1938 引气剂 1938 早强剂与缓凝剂 1939 木质磺酸盐(碱水剂)1950 消泡剂 1955 冰点降低剂 1960 密胺树脂(碱水剂)1993 聚丙烯酸(碱水剂)1997 聚羧酸脂(碱水剂).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)
4、。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，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
5、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当没有减水剂时，水泥加水后，不能获得均匀分散体系，
6、由于下列原因而产生絮凝结构，使得部分拌合水包含其中，不能贡献给水泥浆的流动性：水具有高表面张力(氢键分子结构)水泥颗粒边、角和表面正负电荷间的相互吸力v当减水剂加入到水泥浆中，吸附在水泥颗粒表面，离子基团朝向水，使水泥颗粒表面带有几毫伏的负电荷，引起水泥颗粒相互排斥，打破了絮凝结构，释放其包含的水，改善分散性静电排斥作用；v由于减水剂碳氢分子链上的极性基吸附水，形成吸附层包裹在水泥颗粒表面，产生空间位阻效应，阻碍水泥颗粒的紧密接触，阻止絮凝结构的形成。加减水剂前的絮凝结构减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附加入减水剂后，絮凝结构被打破.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
7、剂的水泥浆加减水剂后的水泥浆.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
8、化萘甲醛缩合树脂，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。.高效减水剂的作用机理v改性木质素磺酸盐、磺化密胺树脂和萘磺酸盐三种以静电排斥作用为主；v含有羧基和/或醚基的聚合物以空间位阻最重要，因为在其分子链结构中，主链上含有高度密集的支链，形成“梳状”大分子链；聚羧酸脂系高效减水剂的作用机理(空间位阻).减水剂的技术经济效果v在保持
9、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，减少开裂现象。不同减水剂的减水率木质磺酸盐 515%密胺树脂 525%萘磺酸盐甲醛缩合物 1525%聚丙烯酸盐 2030%聚羧酸脂 2540%.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
10、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.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搅拌水可产生气泡，但很快消失，为什么？水的表面张力是气泡不稳定！v水中加入引气剂后水的表面张力降低，在搅拌过程中将空气引入而产
11、生许多气泡；通过吸附于气泡表面形成单分子膜，减小液气界面能(表面张力)，使气泡表面的液膜坚固不易破裂而稳定存在。亲水基团憎水基团气泡引气剂稳泡作用的机理.(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 问题？减水剂与引气剂均是表面活性剂，那么，减水剂是
12、否可当引气剂用？为什么？答：不能！因为减水剂没有稳泡作用，减水剂分子中的碳氢链是极性，与水有较强的相互作用；而引气剂分子的碳氢链是非极性的，完全憎水！木质素磺酸盐的重复结构单元松香酸.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，有时需要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
13、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
14、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v通过同离子效应，降低水泥水化物在水中的溶解度，促使水化物快速结晶沉淀；v形成结晶性很好、化学结合水量较大、且有一定膨胀性的不溶性复合盐水化物晶体，如氯铝酸钙、硫铝酸钙水化物，降低了孔隙率、加快了水泥浆结构的形成；v提高了水泥浆体的碱性，使水泥矿物的水化速度加快，如三乙醇胺；早强剂使用中需注意的哪些问题？:CaSO42H2O;:CaCl2,Ca(NO3)2;:K2CO3,NaCO3,NaSiO3;:碳氢链上带有极性基团的表面活性剂(如葡萄糖酸盐、木质素磺酸盐和糖),磷酸、硼酸、草酸和氢氟酸的钠盐；:甲酸盐和三乙
15、醇胺.速凝剂的作用机理v使水泥生产时掺入的起调凝作用的石膏分解，从而使C3A迅速水化；v速凝剂中的组分与硫酸钙反应生成能促进水泥水化的化合物；v水溶性的铝酸盐能迅速促进水泥浆的凝结硬化。.缓凝剂的作用机理 v缓凝剂分子吸附在水泥颗粒表面，屏蔽活性点，阻碍水泥的水化；v能产生多元酸根离子吸附在金属离子上，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.(二)矿物外加剂(掺合料)问题？混凝土中为什么要使用矿物外加剂或掺合料？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
16、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；v磨细石灰石粉 将石灰石骨料开采时的碎屑磨成粉末主要矿物外加剂(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
17、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.粉煤灰的生产Fly Ash煤粉+-电收尘器锅炉炉底灰粉煤灰烟囱.磨细高炉矿渣的生产铁水熔融矿渣高 炉水 池水淬烘干、粉磨球磨机.加 密硅铁合金厂硅冶炼厂烟罩冷凝硅粉200300kg/m3500600kg/m3硅灰的生产.矿物外加剂在混凝土中的作用v活性效应v稀释效应v填充效应等价球体直径(m)质量累计百分率(%)硅灰硅灰硅酸盐硅酸盐水泥水泥低钙粉煤灰低钙粉煤灰高钙粉煤灰高钙粉煤灰水泥与矿物外加剂的分体等球体直径Bamforth的实验(厚2.5m结构
18、物中部的温度变化)70%硅酸盐水泥+30%粉煤灰100%硅酸盐水泥25%硅酸盐水泥+75%磨细矿渣不同养护条件下混凝土强度发展硅酸盐水泥水泥/矿渣水泥/粉煤灰水泥/粉煤灰水泥/矿渣硅酸盐水泥龄 期20 C标准养护标准养护现场同温度养护现场同温度养护.硅粉的特性与应用v颗粒非常微细，在高效减水剂强烈的分散作用下，可填充水泥颗粒的间隙，从而进一步降低水胶比，提高强度和抗渗透性能；v由于会使拌合物粘聚性明显增大，并加剧自身收缩，通常限制掺量为10%以内；v由于表观密度小，运输时体积大、费用高，通常只用于等级很高的混凝土（100MPa）；v掺硅粉混凝土必须尽早开始湿养护，以避免开裂。硅灰、凝胶相和未水
19、化水泥颗粒的堆积图像 掺加10硅灰的水泥浆体水化14天后的SEM(3500倍)照片.第四节 路面水泥混凝土的组成设计道路建筑材料水泥混凝土.1.路面普通水泥混凝土(1)路面普通混凝土组成材料的技术要求 1)水泥品种与强度要求：特重、重交通等级的水泥混凝土路面，应优先采用旋窑道路硅酸盐水泥，中、轻交通路面，也可采用矿渣硅酸盐水泥。2）粉煤灰 3）粗集料 4）细集料品种与质量要求 5）外加剂 6）水道路建筑材料水泥混凝土.2.路面普通混凝土配合比设计指标（1）设计弯拉强度标准值（2）施工和易性 1）路面混凝土拌合物的施工方式 2）路面混凝土拌合物的施工和易性要求（3）耐久性道路建筑材料水泥混凝土.
20、3.路面普通水泥混凝土配合比设计步骤（1）配制弯拉强度（2）水灰比的计算、校核及确定（3）选取砂率（4）计算单位用水量（5）确定单位水泥用量（6）单位粉煤灰用量（7）砂石材料用量道路建筑材料水泥混凝土.4、喷射混凝土v1930铁路工程协会就提出了“喷射混凝土”（shotcrete）的术语，来描述混凝土的喷射法施工。v1951年美国混凝土协会将这个术语用于干拌过程。v现在“喷射混凝土（Shotcrete）”用于湿拌过程已被普遍接受。.软泥土Muck.支挡支挡Support.喷射混凝土组成材料v骨料Aggregate 细骨料=骨料总量的60-70%粗骨料=30-40%v 水泥：硅酸盐水泥和普通硅酸
21、盐水泥，320450kg/m3。v 水灰比：W/C=0.33-0.45v 减水剂：高效减水剂v硅灰：水泥质量的5%-15%v乳液改性剂：主用用于修补v速凝剂硅酸盐，如水玻璃铝酸盐，如铝酸钠，用量占胶凝材料的2-5%.喷射混凝土应用v地基密封防治腐蚀和风化阻止渗进和渗出v挖掘支挡体系的成分主支挡锚杆/喷射混凝土体系锚杆/喷射混凝土/网架体系v表面修饰实用、功能和艺术的考虑，并不形成混凝土。v修补.喷嘴技术.挡土墙加固.喷射混凝土施工前的挂网喷射施工喷射混凝土表面装饰艺术处理喷射混凝土喷射混凝土Shotcrete喷射混凝土Shotcrete.5、泵送混凝土Pumping Concrete.泵送混凝
22、土Pumping Concrete.泵送混凝土.泵送混凝土Pumping Concrete.泵送混凝土Pumping Concrete.泵送混凝土Pumping Concrete.岩基岩基水面水面泵送混凝土泵送混凝土.泵送混凝土的特点v可用泵进行垂直和水平输送，并可浇注的混凝土。v可泵性：在泵压下，连续稳定，不离析大流动性良好的保水性和粘聚性v足够的稠度和适中的浆体.组成材料与配合比v原材料水泥 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥等骨料 最大粒径与管径之比，连续级配外加剂 泵送剂、减水剂、矿物粉末等v配合比水灰比0.6；水泥用量300kg/m3；砂率 3845；引气剂 含气量4.6、碾压混凝土Roll
23、er Compacted Concrete(RCC)RCCD(Dam)RCCP(Pavement).碾压混凝土碾压混凝土.碾压混凝土碾压混凝土.碾压混凝土碾压混凝土RCC.碾压混凝土碾压混凝土RCC.碾压混凝土的性能特点v强度高 v收缩小 降低1/21/3；v耐久性好 结构密实，抗渗性好v节约水泥 节约30，200kg/m3;v工效高 用于修路可提高2倍.7、自密实混凝土Self-Compacted Concrete.和易性特点v混凝土自密实可解释为，拌合物的屈服剪应力较小，塑性粘度足够使骨料悬浮于水泥浆中，不离析和泌水，能自由流淌并通过钢筋间隙等狭窄空间不被堵塞，且均匀填充密实模板各个角落，
24、从而能避免因振捣不足或不能振捣造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。v自密实混凝土不需机械振捣，而是依靠自重使混凝土密实。混凝土的流动度虽然高，但仍可以防止离析。v混凝土不仅能达到自密实的效果，而且混凝土还应具有良好的粘聚性、保水性和流动性。.配制自密实混凝土的方法（1）粗骨料的体积为固体混凝土体积的50%；（2）细骨料的体积为砂浆体积的40%；（3）水灰比为0.9-1.0；（4）进行流动性试验，确定超塑化剂用量及最终的水灰比，使材料获得最优的组成。.施工特点v在施工现场无振动噪音；v可进行夜间施工，不扰民；v对工人健康无害；v混凝土质量均匀、耐久；v钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑；v施工
25、速度快，现场劳动量小。.自密实混凝土自密实混凝土.自密实混凝土自密实混凝土.坍落度与坍扩度测定.自密实混凝土.自密实混凝土.第五节 砂浆道路建筑材料水泥混凝土.1.砌筑砂浆的技术性质 新拌砂浆的施工和易性 新拌砂浆的施工和易性包括流动性和保水性两个 方面的要求 1）流动性：砂浆的流动性是指其在重力或外力作用下流动，能在粗糙的砖，石基面上铺筑成均匀的薄层并能与底面很好粘结的性能。2）保水性：砂浆保水性是指砂浆保持水分的能力，即新拌砂浆在运输过程中，不易产生分层，析水现象，水不易从砂浆中分离出来的性质。道路建筑材料水泥混凝土.2.砂浆的组成材料（1）水泥 砂浆通常由水泥，矿渣水泥，火山灰水泥等配制
26、。（2）掺合料和外加剂 为了节约水泥并改善施工和易性，砂浆中可以掺加各种掺合料，如粉煤灰、石灰、石膏和粘土等。（3）细集料 砂浆用砂应符合混凝土用砂的技术性能要求道路建筑材料水泥混凝土.3.砂浆的配合比（1）砌筑砂浆配合比计算与确定 1）水泥混合砂浆配合比计算 2）水泥砂浆的配合比确定 3）砂浆配合比试配、调整与确定（2）抹面砂浆的配合比 1）普通抹面砂浆 2）防水砂浆道路建筑材料水泥混凝土.本章小结 本章主要介绍了水泥混凝土的发展历史、特点、分类以及优缺点，混凝土的外加剂，砂浆。并以此为基础学习了普通混凝土的配合比设计。通过学习，要求学生了解水泥混凝土的技术性质，掌握普通混凝土的配合比设计。道路建筑材料水泥混凝土.
