鐵嶺市建築設計院監理員培訓講義
混凝土工程
主講人：王稔實
2023年1月3日
混凝土工程
第一章概論
一、 混凝土的概念
混凝土是由膠凝材料、骨料及其他外加材料按適當比例配製，在經硬化而成的人工石材。簡寫成「砼」。
其中應用最廣的是以水泥為膠凝材料，以砂石骨料，加水拌合而成的拌合物，經一定時間硬化而成的水泥混凝土——普通混凝土。
二、 混凝土分類
混凝土按膠凝材料分為水泥混凝土、石膏混凝土和瀝青混凝土等。水泥混凝土主要用於建築結構工程，瀝青混凝土主要用作路面材料。
（一）按表觀密度ρ。分為：
1、輕混凝土（ρ。<1900）
廣泛用於高層建築，大跨度橋梁及高強預製構件等。
包括：1）輕骨料混凝土
2）多孔混凝土
3）大孔混凝土
2、普通混凝土（ρ=2000~2500）：各種承重結構
3、重混凝土（ρ。>2600）：用於原子能工程的遮蔽材料
（二）按強度分為：
1、普通混凝土（抗壓強度<60mpa）
2、高強混凝土（抗壓強度》60mpa）
3、超高強混凝土（抗壓強度》80mpa）
（三）按成型或施工工藝分為：
1、現澆混凝土
2、預拌混凝土
3、灌漿混凝土
4、噴射混凝土
（凝結硬化之前叫什麼？新拌混凝土或混凝土拌合物）
三、硬化原理：
水泥加水，生產水化反應。一種化學變化。生成矽酸鹽的化合物和凝膠，同時放出熱量。
形成晶體結構，具有很高的強度。最終結果是將散狀的砂石顆粒緊緊粘在一起，形成共同承受外力的整體。
第二章組成材料
第一節通用矽酸鹽水泥
按主要水硬性物質名稱又可分為矽酸鹽水泥、鋁酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽類水泥等。建築工程中應用最廣的是通用矽酸鹽水泥。
通用矽酸鹽水泥組成成分（表一）
一、矽酸鹽水泥生產工藝流程
矽酸鹽水泥：用適當成分的生料，燒至部分熔融，以所得矽酸鈣為主要成分的矽酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細製成的水硬性膠結材料，稱為矽酸鹽水泥。
二、水泥的化學成分
水泥熟料四種主要化學成分控制如下範圍：
cao——64~67%
sio——21~24%
al2o3——4~7%
fe2o3——2~5%
矽酸鹽水泥主要成分：
矽酸鹽三鈣 3cao.sio2c3s
矽酸鹽二鈣 2cao.sio2 c2s
鋁酸鹽三鈣 3cao.al2o3 c3a
鐵鋁酸四鈣 4cao.al2o3.fe2o3 c4af
矽酸三鈣約佔1/2，矽酸二鈣佔1/4，另外兩種佔1/4。由於矽酸鹽約佔75%以上，所以稱之為矽酸鹽水泥。
三、幾種成分化學特性
上述幾種熟料礦物在單獨與水作用是所表現的特性如下：
1、 矽酸三鈣c3s
矽酸三鈣時矽酸鹽水泥熟料中的主要礦物成分，遇水時水化反應速度快，水化熱大。凝結硬化快，其水化產物表現為早期強度高。
矽酸三鈣時主要賦予矽酸鹽水泥早期強度的產物。
2、 矽酸二鈣c2s
矽酸二鈣時矽酸鹽水泥中的餓主要礦物。遇水時水化反應速度慢，水化熱很低，其水化產物表現為早期強度底二後期強度增進較高。矽酸二鈣時決定矽酸鹽水泥後期強度的礦物。
3、 鋁酸三鈣c3a
鋁酸三鈣在矽酸鹽水泥中的含量一般為7~15%，遇水時水化反應極快，水化熱很大，水化產物的強度很低。鋁酸三鈣主要影響矽酸鹽水泥的凝結時間，同時也是水化熱的主要**。由於在煅燒過程中，鋁酸三鈣的熔融物是生成矽酸三鈣的基因，故被列為「熔煤礦物」。
4、 鐵鋁酸四鈣c4af
鐵鋁酸四鈣在矽酸鹽水泥中的含量為10~18%，遇水時水化反應速度快，水化熱底。水化產物的輕度也很低。由於在煅燒熔融階段有助於矽酸三鈣的生成。同樣屬於「熔煤礦物」。
由此可知，這幾種熟料礦物在與水單獨作用時，所表現出的效能是不同的。
矽酸鹽水泥能具有的許多技術效能，主要是水泥熟料中幾種礦物進行水化作用的結果。改變熟料礦物成分間的比例。水泥的技術效能會隨之而變化。
例如提高矽酸三鈣、矽酸二鈣的含量，可以制得具有快硬性的水泥；降低鋁酸三鈣的含量，提高矽酸二鈣的含量，可製得水化熱第的大壩水泥。
四．矽酸鹽水泥的凝結和硬化
水泥加水拌合後，最初形成具有可塑性的漿體，而後逐漸變失去塑性，這一過程稱為初凝，開始具有強度時稱為終凝，由初凝到終凝的過程為凝結。終凝後強度逐漸提高並變成堅固的石狀物體——水泥石，這一過程為硬化。
水泥的凝結硬化過程大致可分為如下三個階段：
1. 溶解期
水泥與水調和後，其幾種主要礦物即發生化學反應，生產水化物。某些水化物之間還會再一次發生反應，形成新的水化物。
四種礦物的水化反應及主要水化物如下：
矽酸三鈣水化反應較快，生產水化矽酸鈣及氫氧化鈣：
2（3cao.sio2）+6h2o=3cao.2sio2.3h2o+3ca(oh)2
由於氫氧化鈣的生產，使溶液迅速飽和，此後各礦物的水化都是在這種石灰飽和溶液中進行的。
矽酸二鈣水化反應較慢。生產水化矽酸鈣和氫氧化鈣：
2（2cao.sio2）+4h2o=3cao.sio2.3h2o+ca(oh)2；
鋁酸三鈣水化反應最快，生成水化鋁酸鈣：
3cao.al2o3+6h2o=3cao.al2o3.6h2o；
鐵鋁酸四鈣加水後，較快地生成水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣。
4cao.al2o3.fe2o3+7h2o=3cao.al2o3.6h2o=cao.fe2o3.h2o；
另外：摻入的石膏與部分水化鋁酸鈣反應，生產難容的水化硫鋁酸鈣，以針狀結晶析出，這些水化硫鋁酸鈣的存在，延緩了水泥的凝結時間，其化學反應式如下：
3cao+al2o3.6h2o+3(caso4.2h2o)+19h2o=3cao.al2o3.3caso4.31h2o)
綜上所述，矽酸鹽水泥在溶解期內，經水化反應後生產了以下五種主要的水化物：水化矽酸鈣，水化鋁酸鈣、氫氧化鈣、水化鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣。這些水化物的綜合效果，決定了水泥石的凝結硬化過程所具有的效能。
2. 凝結期
經過溶解期後，溶液已達到飽和，水繼續與水泥顆粒，作用而形成的水化物已不能再溶解，他們根據各自的溶解度和結構形式的不同，先後以膠體狀態析出，最後發展稱為網狀凝結構的凝膠體，隨著凝膠體的逐漸變調，水泥漿慢慢失去塑性，從而表現為水泥的凝結。
3. 硬化期
由於凝膠體的形成以及發展，使水泥的水化工作越來越困難，因此在凝結後，水泥中還存在有大量未完成水化的顆粒，他們吸收凝膠體內的水分繼續進行水化作用，使凝膠體由於誰飯漸漸乾固、脫水，而趨於緊密。同時氫氧化鈣及水化鋁酸鈣也由膠質狀態轉化為穩定的結晶狀態。隨著結晶體的增生和凝膠體的緊密，兩者相互結合，使水泥硬化並不斷增長強度。
總之，水泥的凝結，硬化過程，是乙個長期而複雜的，交錯進行的，物理化學變化過程。
五、影響凝結硬化的因素。主要有以下幾個方面：
1. 礦物組成：礦物成分影響水泥的凝結硬化，組成的礦物不同，使水泥具有不同的水化特性，其強度的發展規律也必然不同。
2. 水泥細度：水泥顆粒的粗細影響著水化的快慢。同樣質量的水泥，其顆粒越細。總表面積越大，越容易水化，凝結硬化越快；其顆粒越粗時，表現則相反。
3. 用水量：拌合水的用量，影響著水泥的凝結硬化。
加水太多，水化固然進行得充分，但水化物間加大了距離，減弱了彼此間的作用力，延緩了凝結硬化；再者，硬化後多餘的水蒸發，會留下較多的孔隙而降低水泥石的輕度。因此，適宜的加水量，可使水泥充分水化，加快凝結硬化，並能減少多餘水分蒸發所留下的孔隙。同時，由於水化物結合水減少，結晶過程受到抑制二形成更緊密的結構。
所以在工程中，減少水灰比時提高水泥製品強度的一項有利措施。
4. 溫濕度：溫度和濕度，時保障水泥水化和凝結硬化的重要外界條件。
必須在高溫環境下，才能維持水泥的水化用水，如果處於乾燥環境下，強度會過早停滯，並不再增長。因此，水泥製品成型凝結後，要加強濕度養護，持別時早期的養護。一般地說，溫度越高，水泥的水化反應越快。
當處於0℃以下的環境，凝結硬化完全停止。因此在保障溫度的同時，又要有適當的溫度，水泥石的強度才能不斷增長。因此，通常對水泥製品多採用，蒸汽養護的措施。
5. 石膏摻量：石膏摻入水泥中的目的主要是延緩水泥漿的凝結速度，若過量會引起水泥石的膨脹破壞，因此應嚴格控制。一般情況下，石膏的摻量應佔水泥總量的3~5%。
六、通用矽酸鹽水泥的主要技術性質
1、強度等級：
矽酸鹽水泥強度等級分為42.5、42.5r、52.5、52.5r、62.5、62.5r
六個等級。
普通矽酸鹽水泥強度等級分為42.5、42.5r、52.5、52.5r四個等級。
礦渣矽酸鹽水泥，火山灰質矽酸鹽水泥，粉煤灰矽酸鹽水泥。復合矽酸鹽水泥的強度等級分為32.5、32.
5r、42.5、42.5r、52.
5、52.5r六個等級。
2、化學指標（表二）
3、細度
細度指水泥顆粒的粗細程度。細度對水泥的凝結硬化熟讀，強度，需水性及硬化收縮等均有影響。成分相同的水泥，顆粒越細，與水起反應的表面積越大。
則凝結硬化速度越快，早期強度越高。但細小顆粒粉磨時，能量消耗較大，故成本較高。而且拌合水用量增大，在空氣中硬化後體積收縮率大。
一般認為，水泥的水化速度及強度。主要取決於小於40微公尺的各種粒級的顆粒。
國家規定：矽酸鹽水泥和普通矽酸鹽水泥以比表面積表示，不小於300m/kg;礦渣矽酸鹽水泥、火山灰質矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥和復合矽酸鹽水泥以篩餘表示80m方孔篩篩餘不大於10%或45mm方孔篩篩餘不大於30%（1m=1/1000mm）。
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