第二章 混凝土衬砌材料

第一节 混凝土原材料

普通混凝土是以水泥为胶凝材料,以砂、石为骨料加水拌和,经浇筑成型、凝结硬化形成的人造石材。其中水泥和水构成水泥浆,包裹在骨料表面并填充砂的空隙形成砂浆,砂浆包裹石子颗粒并填充石子的空隙形成混凝土。在混凝土硬化前,水泥浆赋予拌和物一定的和易性,起润滑作用,使拌和物便于浇筑。水泥浆硬化后,则将骨料胶结成一个坚实的整体。混凝土中的砂称为细骨料(或细集料),石子称为粗骨料(或粗集料)。粗细骨料一般不与水泥发生化学反应,其作用是构成混凝土骨架,并对水泥石变形起一定的抑制作用。

一、水泥

(一)水泥的分类

水泥品种较多,按其组成成分可分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥和铁铝酸盐类水泥等;按其性能及用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三类。渠道衬砌工程中最常用的是通用硅酸盐水泥(CommonPortlandCement),通用硅酸盐水泥是指以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥6种。各品种的组分和代号应符合表1-2-1的规定。

表1-2-1 通用硅酸盐水泥的组分和代号

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续表

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① 本组分材料为符合标准的活性混合材料,其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的非活性混合材料或不超过水泥质量5%且符合标准的窑灰代替。
② 本组分材料为符合GB/T203或GB/T18046的活性混合材料,其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的活性混合材料或非活性混合材料或窑灰中的任一种材料代替。
③ 本组分材料为符合GB/T2847的活性混合材料。
④ 本组分材料为符合GB/T1596的活性混合材料。
⑤ 本组分材料为由两种(含)以上符合标准的活性混合材料或/和符合标准的非活性混合材料组成,其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的窑灰代替。掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。

(二)通用硅酸盐水泥的技术要求

1.化学指标

通用硅酸盐水泥化学指标应符合表1-2-2的规定。

表1-2-2 通用硅酸盐水泥的化学指标

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① 如果水泥压蒸试验合格,则水泥中氧化镁的含量(质量分数)允许放宽至6.0%。
② 如果水泥中氧化镁的含量(质量分数)大于6.0%时,需进行水泥压蒸安定性试验并合格。
③ 当有更低要求时,该指标由买卖双方确定。

2.碱含量(选择性指标)

碱含量是指水泥中氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O)的含量。近些年来,在混凝土施工中发现了许多碱集料反应,即水泥中的碱和集料中的活性二氧化硅反应,生成膨胀性的碱硅酸盐凝胶,导致混凝土开裂。因此,当使用活性骨料时,要使用低碱水泥。水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。若使用活性骨料,用户要求提供低碱水泥时,水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。

3.物理力学指标

水泥质量应符合现行国家标准规定,常用水泥的品质指标应满足表1-2-3的规定。

表1-2-3 常用水泥品质指标

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注 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示;矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以80μm方孔筛筛余表示。

(三)通用水泥的性能特点及适用范围

通用硅酸盐水泥的性能及适用范围见表1-2-4。

表1-2-4 常用水泥的性能及适用范围

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续表

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(四)水泥的选用

渠道衬砌混凝土常用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等通用水泥。水泥品种的选用,主要决定于工程环境条件,必要时可对水泥的化学成分、矿物组成和细度提出专门要求。选择水泥品种应符合下列原则:

(1)每一个渠道衬砌工程所用水泥品种以1~2种为宜,并应固定供应厂家。

(2)选用的水泥应符合现行国家标准的规定,水泥强度等级应与混凝土强度等级相适应。混凝土强度等级在C15~C20范围时,水泥强度等级与混凝土强度等级之比宜在2.0~1.6之间;混凝土强度等级在C30~C50范围时,水泥强度等级与混凝土强度等级之比宜在1.5~1.0之间。关于通用水泥的选用可参考表1-2-5。

表1-2-5 通用水泥的选用

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续表

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(3)有抗冻要求时,宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥;环境水对混凝土有硫酸盐侵蚀性时,应选用抗硫酸盐水泥。

(五)水泥的运输、保管和使用

运至工地上的每一批水泥,应有生产厂家的出厂合格证和品质试验报告,使用单位应进行检验,必要时应进行复验。水泥的运输、保管和使用,应遵守下列规定:

(1)优先使用散装水泥。

(2)运到工地的水泥,应按标明的品种、强度等级、生产厂家和出厂批号,分别储存到有明显标志的储罐或仓库中,不得混装。

(3)水泥在运输过程中应防水防潮,已受潮结块的水泥应经处理并检验合格方可使用。罐储水泥宜一个月倒罐一次。

(4)水泥仓库应有排水、通风措施,保持干燥。堆放袋装水泥时,应设防潮层,距地面、边墙至少30cm,堆放高度不得超过15袋,并留出运输通道。

(5)散装水泥运至工地的入罐温度不宜高于65℃。

(6)先出厂的水泥应先用。袋装水泥储运时间超过3个月、散装水泥储运时间超过6个月,使用前应重新检验。

(7)应避免水泥的散失浪费,做好环境保护。

二、骨料

混凝土中所用的骨料按粒径大小分为两种,粒径大于5mm的称为粗骨料(石料),粒径小于5mm的称为细骨料(砂料)。混凝土中的粗、细骨料的体积之和约占总体积的80%,甚至更多,骨料质量的优劣将直接影响到混凝土的性质,选用时应予重视。应根据优质、经济、就地取材的原则,选用天然骨料、人工骨料,或两者互相补充。有条件的地方宜选用石灰质的人工骨料。未经专门论证,不得使用碱活性骨料。

(一)细骨料(砂料)

混凝土中所用细骨料(砂料),一般是由天然岩石长期风化等自然条件形成的天然砂。根据产源不同,天然砂可分为河(江)砂、海砂和山砂三类。如无条件时,也可使用人工砂。

1.细骨料选用原则

(1)砂料应质地坚硬、清洁、级配良好,天然砂的细度模数宜在2.2~3.0范围内,人工砂的细度模数宜在2.4~2.8范围内,人工砂饱和面干的含水率不宜超过6%。

(2)混凝土可采用中砂或粗砂,砂浆可采用中砂或细砂。在缺乏中砂和粗砂地区,渠道流速小于3m/s时,可采用细砂或特细砂。

(3)砂料中有活性骨料时,应进行专门试验论证,以防止发生碱—骨料反应。

2.细骨料(砂料)质量要求

细骨料(砂料)的质量应符合表1-2-6的规定。

表1-2-6 细骨料的品质指标

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3.细骨料(砂料)的级配

细骨料(砂料)的级配,可参考表1-2-7中数值选用。

(二)粗骨料(石料)

1.最大粒径与级配

表1-2-7 天然砂级配范围

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注 累计筛余量允许稍超出表列数值,但几种粒径的累计筛余量之和不得超出5%。

粗骨料(石料)应洁净、坚硬、无裂纹和级配良好,最大粒径不应超过素混凝土板厚度的1/3~1/2、构件断面最小边长的1/4和钢筋净间距的2/3。抗压强度宜大于混凝土强度1.5倍。气候温和地区的中、小型渠道混凝土衬砌工程,当没有合格的粗骨料时,允许选用抗压强度大于10.0MPa的石料,拌制抗压强度为7.5~10.0MPa混凝土。当选用含有活性成分、黄锈和钙质结核等粗骨料时,必须进行专门试验论证。

由于混凝土应具有较高的密实度,因此,要求粗骨料的级配应使其空隙率最小。骨料空隙率小,不仅节约水泥,还可以提高混凝土的抗渗性以及其他耐久性。当最大料径为40mm时,常分成两级,即粒径5~20mm的占40%~45%,20~40mm的占55%~60%。采用连续级配还是间断级配,最好由试验来确定。如采用间断级配,应注意运输中混凝土的分层离析问题。

2.粗骨料(石料)的质量要求

粗骨料(石料)的质量要求应符合表1-2-8和表1-2-9的规定。

表1-2-8 粗骨料的压碎指标值

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表1-2-9 粗骨料的品质指标

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续表

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三、外加剂

(一)外加剂分类

混凝土外加剂是指在拌制混凝土的过程中,掺入的用以改善混凝土性能的物质。其掺量一般不大于水泥重量的5%。掺用适当的外加剂可以改善混凝土性能,提高工程质量,降低造价。

混凝土外加剂种类很多,按照主要功能的不同,把外加剂分为四类:①改善混凝土拌和物流变性能的外加剂,如减水剂、引气剂、泵送剂等;②调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂,如缓凝剂、早强剂等;③改善混凝土耐久性的外加剂,如防水剂、阻锈剂、抗冻剂等;④提供特殊性能的外加剂,如加气剂、膨胀剂、着色剂等。

(二)外加剂的品质要求

外加剂质量应符合现行国家标准的规定,掺常用外加剂混凝土性能指标应符合表1-2-10的规定。

表1-2-10 掺常用外加剂混凝土性能指标

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注 1.表中抗压强度比、收缩率比、相对耐久性为强制性指标,其余为推荐性指标。
2.除含气量和相对耐久性外,表中所列数据为掺外加剂混凝土与基准混凝土的差值或比值。
3.凝结时间之差性能指标中的“-”号表示提前,“+”号表示延缓。
4.相对耐久性(200次)性能指标中的“≥80”表示将28d龄期的受检混凝土试块快速冻融200次后,动弹模量保留值≥80%。
5.1h含气量经时变化量指标中的“-”号表示含气量增加,“+”号表示含气量减少。
6.其他品种外加剂是否需要测定相对耐久性指标,由供需双方协商确定。

(三)常用外加剂

1.减水剂

减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下,能减少拌和用水量的外加剂。按减水能力及其兼有的功能有普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂及引气减水剂等。

(1)减水剂使用效果。根据使用条件的不同,混凝土掺用减水剂后可以产生出以下四方面的效果:

1)在配合比不变的条件下,可增大拌和物的流动性,且不降低混凝土的强度。

2)在保持流动性及水灰比不变的条件下,可以减少用水量及水泥用量,节约水泥。

3)在保持流动性及水泥用量不变的条件下,可以减少用水量,从而降低水灰比,使混凝土的强度得到提高。

4)显著改善了混凝土的孔结构,提高了密实度,从而提高了混凝土的耐久性。

(2)常用减水剂。目前常用的减水剂品种有木质素系、萘系、树脂系、糖蜜系及腐殖酸系等几种。当与其他外加剂复合时,还可制成引气减水剂、早强减水剂及缓凝减水剂等多种复合减水剂。

1)木质素系减水剂。木质素系减水剂的主要品种有木质素磺酸钙(简称木钙或M剂)、木质素磺酸钠(木钠)和木质素磺酸镁(木镁)。以木钙应用最多,它属于阴离子表面活性剂。

木钙是由生产纸浆或纤维浆的废液,经发酵提取酒精后的残渣,再经磺化、石灰中和、过滤喷雾干燥而制得。木钙减水剂中含木质素磺酸钙60%以上,含糖率低于12%,pH值为4~6。

木钙掺量一般为水泥质量的0.2%~0.3%,减水率10%左右,混凝土28d抗压强度提高10%以上。在保持混凝土强度和坍落度不变的条件下,可节约水泥8%~10%。

木钙对水泥有缓凝作用,并可减小水泥水化放热的速率。一般在混凝土中掺入0.25%的木钙,能使凝结时间延长1~3h,对大体积混凝土夏季施工有利。但若掺量过多,将使混凝土硬化过程变慢,甚至降低混凝土的强度。在保持混凝土坍落度及抗压强度不变的条件下,掺有木钙的混凝土抗拉强度、抗折强度、弹性模量、抗渗性及抗冻性等项性能均较未掺外加剂的混凝土有不同程度的提高。

木钙的原料丰富,价格低廉,经济效益显著,是工程中广泛应用的普通减水剂,它适用于一般混凝土工程及滑模、泵送大体积、夏季施工的混凝土工程。

2)萘系高效减水剂。萘系减水剂是以煤焦油中分馏出的萘及萘的同系物为原料,经磺化、水解、缩聚、中和而得。主要成分是萘或萘的同系物磺酸盐甲醛缩合物,属亲水性阴离子表面活性剂。目前国内已有数十个品种,主要有NF、NNO、FDN、UNF、MF、建1、JN、SN、AF等。

萘系减水剂对水泥有强烈的分散作用,减水率在15%~20%以上,混凝土28d强度可增加20%以上,并有早强作用。其适宜掺量为0.5%~1.5%,通常为0.5%~0.75%。大部分产品为非引气型的(或引气量小于2%),少数产品具有一定的引气性(如MF、建1等),对于有一定引气性的产品,可加消泡剂复合使用。

萘系高效减水剂适用于各种混凝土工程,更适用于配制高强混凝土及流态混凝土。掺入非引气型高效减水剂,将水灰比降至0.25~0.35,可配制出高强混凝土,它可以常温养护、蒸汽养护或蒸压养护。掺入萘系高效减水剂也可配制大流动性混凝土或泵送混凝土。与早强剂、引气剂或缓凝剂等复合使用,可全面地改善混凝土性能。

3)树脂系高效减水剂。目前国产水溶性树脂系高效减水剂有三聚氰胺甲醛树脂(或称蜜胺树脂,代号SM)及磺化古马龙树脂(代号CRS)。

SM高效减水剂为非引气型早强高效减水剂,减水率很高,当掺量为0.5%~2.0%时,可减水20%~27%,最高减水率达30%。混凝土28d抗压强度可提高30%~60%,可用来配制80~100MPa的超高强混凝土,并特别适用于蒸汽养护的混凝土,对铝酸盐水泥也有很好的适用性,还可用于配制耐火及耐高温的混凝土。但因其价格昂贵,使用受到一定限制。

CRS高效减水剂是由炼油厂的副产品古马龙——茚树脂,经硫酸磺化而制得。它是非引气型减水剂,减水率达19%~29%,混凝土28d强度可提高21%~27%。可用于配制高强混凝土及大流动性混凝土。其抗渗、抗冻性等也有显著提高。其价格及适用范围与萘系减水剂相似。

4)糖蜜系减水剂。糖蜜减水剂是以制糖厂提炼食糖后所得的副产品糖渣或废蜜为原料,用石灰中和所得的盐类物质,也可用废蜜发酵提取酒精后的残渣做减水剂。主要产品有糖蜜塑化剂、甜菜糖渣减水剂及糖蜜酒精糟减水剂等,均属非离子型亲水性表面活性剂。

糖蜜减水剂的适宜掺量为0.2%~0.3%,减水率为6%~10%,混凝土28d强度可提高10%~15%。糖蜜减水剂除有减水作用外,还有显著的缓凝作用能使凝结时间延长3h以上,并可改善混凝土黏聚性、降低水泥水化热以及提高混凝土抗渗性、抗冻性及抗冲磨性等。糖蜜减水剂适用于大体积混凝土工程及夏季混凝土施工等。

5)复合减水剂。减水剂可与引气剂、早强剂或消泡剂等复合,不同减水剂也可复合,从而制得引气减水剂、早强减水剂、缓凝减水剂等许多品种。不同类型外加剂复合使用,应通过试验确定出适宜品种及掺配比例。复合减水剂,常取得两种外加剂的双重效果。

(3)减水剂的掺入方法。减水剂掺入混凝土的方法有先掺法、同掺法、后掺法和滞水法等4种。

1)先掺法。将减水剂与水泥混合后再与骨料和水一起搅拌。优点是使用方便。缺点是减水剂中有粗粒子时,在拌和物中不易分散,影响质量且搅拌时间要长,因此不常采用。

2)同掺法。将减水剂先溶于水形成溶液后,再加入拌和物一起搅拌,优点是计量准且易搅拌均匀,使用方便。缺点是增加了溶解和储存工序。此法常用。

3)后掺法。指在混凝土拌和物运送到浇筑地点后,才加入减水剂再次搅拌均匀进行浇筑。优点是可避免混凝土在运输过程中的分层、离析和坍落度损失,提高减水剂使用效果及其对水泥的适应性。缺点是需两次或多次搅拌。此法适用于商品混凝土(因其运距远),且有混凝土运输搅拌车。

4)滞水法。在搅拌过程中减水剂滞后1~3min加入。优点是能提高减水剂使用效果。缺点是搅拌时间长,生产效率低。一般不常用。

2.引气剂

(1)引气剂主要品种。在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布的、稳定而封闭的微小气泡的外加剂,称为引气剂。主要品种有松香热聚物、松脂皂及801引气剂等(市售产品有DH9、PC-2、H10、AEA等)。

其中以松香热聚物的效果较好,最常使用。松香热聚物是以松香与硫酸、石碳酸起聚合反应,再经氢氧化钠中和而得的憎水性表面活性剂。它不能直接溶解于水,使用时需先将其溶解于加热的氢氧化钠溶液中,再加水配成一定浓度的溶液。

801引气剂是将脂肪醇聚氧乙烯醚进行磺化而得的一种黏稠状半固体物质,为阴离子表面活性剂。其引气效果与松香热聚物相似,且可直接溶于水,使用较方便,但价格稍贵。常用引气剂品种、成分及掺量见表1-2-11。

表1-2-11 常用引气剂品种、成分及掺量

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(2)引气剂作用机理。引气剂吸附在水—气界面上,显著降低表面张力,在搅拌力作用下产生大量气泡;引气剂分子定向排列在泡膜界面上,阻碍泡膜内水分子的移动,增加了泡膜的厚度及强度,使气泡不易破灭;水泥等微细颗粒吸附在泡膜上,水泥浆中的氢氧化钙与引气剂作用生成的钙皂沉积在泡膜壁上,也提高了泡膜稳定性。

(3)引气剂使用效果。引气剂掺入混凝土中对混凝土性能的影响主要表现在以下几个方面:

1)改善了混凝土拌和物的和易性。在混凝土拌和物中引入的大量微小气泡,相对增加了水泥浆体积,气泡起到如同滚珠的作用,使颗粒间摩擦力减小,从而可提高混凝土的流动性,由于水分被均匀分布在气泡表面,又显著改善了混凝土的保水性和黏聚性。

2)提高混凝土的耐久性。由于气泡能隔断混凝土中毛细管通道以及气泡对水泥石内水分结冰时所产生压力的缓冲作用,故能显著提高混凝土的抗渗性和抗冻性。

3)降低混凝土强度和耐磨性。由于引入大量的气泡,减小了混凝土受力有效面积,使混凝土强度和耐磨性有所降低。当保持水灰比不变时,含气量增加1%,混凝土强度约下降3%~5%。混凝土中含气量的多少,对混凝土的和易性、强度及耐久性等有很大影响,若含气量太少,不能获得引气剂的积极效果;若含气量过多,又会过多地降低混凝土强度,故应使混凝土具有适宜的含气量值。一般骨料最大粒径为20mm时,适宜含气量为5.5%;40mm时为4.5%;80mm时为3.5%;150mm时为3%。

引气剂的适宜掺量与引气剂的品种有关,松香热聚物引气剂的适宜掺量为0.006%~ 0.012%(占水泥质量)。此外,还与水泥品种、掺和料用量、混凝土配合比及气温等因素有关。

(4)引气剂的使用方法。最常用的引气剂是松香热聚物,它不能直接溶解于水,使用时需将其溶解于加热的氢氧化钠溶液中,再加水配成一定浓度的溶液后加入混凝土中,当引气剂与减水剂、早强剂、缓凝剂等复合使用时,配制溶液时应注意其共溶性。

引气剂与减水剂相比较各有特点,引气剂比较适用于强度要求不太高、水灰比较大的混凝土,如大体积混凝土;减水剂比较适用于强度要求较高、水灰比较小的混凝土。对抗冻性要求较高的混凝土,也需掺用引气剂。当引气剂与减水剂复合掺用时,可获得增加强度和提高耐久性的双重效果。

3.早强剂

能加速混凝土早期强度发展的外加剂称早强剂。

(1)早强剂主要类型。早强剂主要有氯盐类、硫酸盐类、有机胺类以及它们组成的复合早强剂。常用早强剂见表1-2-12。

表1-2-12 常用早强剂

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(2)早强剂的掺入方法。含有硫酸钠的粉状早强剂使用时,应加入水泥中,不能先与潮湿的砂石混合。含有粉煤灰等不溶物及溶解度较小的早强剂、早强减水剂应以粉剂掺入,并按适当延长搅拌时间。

(3)早强剂的适用范围。早强剂能够显著提高混凝土早期强度,适宜用于冬季施工、紧急抢修工程、有早强或防冻要求的混凝土。氯化钙易使钢筋锈蚀,故不宜在钢筋混凝土中使用,适宜用于素混凝土中;硫酸盐类则适用于不允许掺氯盐的混凝土。

4.缓凝剂

缓凝剂是指能延长混凝土拌和物凝结时间,并对混凝土后期强度发展无不利影响的外加剂。为了防止在气温较高或运距较长的情况下,混凝土发生过早凝结失去可塑性而影响浇筑质量,以及防止出现冷缝等质量事故,常需掺入缓凝剂。缓凝剂的品种很多,主要有:①多羟基碳水化合物类,如木质素系、糖、糖钙类;②羟基羧酸及其盐类,如酒石酸、柠檬酸、酒石酸钾钠等;③无机盐类,如磷酸钠、硼砂等。此外,还有多元有机磷酸及盐类和丙烯酸类共聚物等。

(1)常用缓凝剂。本钙及糖蜜是最常用的缓凝剂,其掺量分别为水泥质量的0.2%~0.3%及0.1%~0.3%,延缓混凝土凝结时间2~4h。掺量增大缓凝作用增强,过大掺量会导致混凝土长时间不凝结。各类常用缓凝剂的掺量及缓凝效果见表1-2-13。

表1-2-13 常用缓凝剂

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(2)缓凝剂作用机理。有机类缓凝剂多为表面活性剂,掺入混凝土中,能吸附在水泥颗粒表面,形成同种电荷的亲水膜,使水泥颗粒相互排斥,阻碍水泥水化产物凝聚,起到缓凝作用。无机类缓凝剂,往往是在水泥颗粒表面形成一层难溶的薄膜,对水泥颗粒的正常水化起阻碍作用,从而导致缓凝。

(3)缓凝剂的掺入方法。缓凝剂及缓凝减水剂应配制成适当浓度的溶液加入拌和水中使用。糖蜜减水剂中常有少量难溶和不溶物,静置时会有沉淀现象,使用时应搅拌成悬浮液。

当缓凝剂与其他外加剂复合使用时,必须共溶的才能事先混合,否则应分别掺入。

(4)缓凝剂适用范围。缓凝剂适用于夏季施工、泵送及滑模施工、远距离运输等要求缓凝的混凝土工程,亦适用于大体积混凝土等要求降低水化热的工程,缓凝剂掺量过大,会使混凝土长期不硬化,强度严重下降,缓凝剂不宜单独使用于蒸养混凝土,亦不宜用于5℃以下施工的混凝土工程。

5.防冻剂

防冻剂是能使混凝土在负温下硬化并在规定养护下达到预期性能的外加剂。

(1)常用防冻剂。防冻剂是由多组分复合而成,其主要组分有防冻组分、减水组分、引气组分和早强组分等。防冻组分分为三类:氯盐类(如氯化钙、氯化钠);氯盐阻锈类(氯盐与阻锈剂复合,阻锈剂有亚硝酸钠、铬酸盐、磷酸盐等);无氯盐类(硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐、尿素、乙酸盐等)。减水、引气、早强组分则分别采用前面所述的各类减水剂、引气剂和早强剂。

(2)防冻剂的作用机理。防冻组分可改变混凝土液相浓度,降低冰点,保证了混凝土在负温下有液相存在,使水泥仍能继续水化;减水组分可减少混凝土拌和用水量,从而减少了混凝土中的成冰量,并使冰晶粒度细小且均匀分散,减小对混凝土的破坏应力;引气组分是引入一定量的微小封闭气泡,减缓冻胀应力;早强组分能提高混凝土早期强度,增强混凝土抵抗冰冻的破坏能力。因此,防冻剂的综合效果是能够显著提高混凝土的抗冻性。

(3)防冻剂的使用。各类防冻剂具有不同的特性,有些还有毒副作用,选择时应十分注意。氯盐类防冻剂对钢筋有锈蚀作用,硝酸盐、亚硝酸盐及碳酸盐也不得用于预应力钢筋混凝土及与镀锌钢材或铝铁相接触部位的钢筋混凝土。含有六价铬盐、亚硝酸盐的防冻剂有一定毒性,严禁用于饮水工程及与食品接触的部位。防冻剂的掺量应根据施工环境温度条件通过试验确定。各类防冻组分掺量应符和有关规范(如GBJ119《混凝土外加剂应用技术规定》)的规定。

综上所述,混凝土外加剂品种很多,它们对混凝土性能各有不同的影响。应根据不同的使用目的,选择适宜的品种及掺量,并应注意对混凝土其他性能的影响。使其充分发挥有益的效果,避免副作用,小型渠道混凝土外加剂的掺量可参考表1-2-14选用。此外,同一种外加剂会因水泥品种不同有不同的效果,称为“外加剂对水泥的适应性”,选择时应当充分注意,使用外加剂时,应预先进行试验。

表1-2-14 常用混凝土外加剂

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四、粉煤灰

粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集的微细粉末,由大部分直径以μm计的实心微珠和空心微珠以及少量的多孔玻璃体、玻璃体碎块、结晶体和未燃尽碳粒等矿物质组成。

(一)粉煤灰分类

粉煤灰按钙含量分为高钙灰(CaO>10%)和低钙灰﹙CaO<10%﹚。由褐煤燃烧形成的粉煤灰呈褐黄色,为高钙灰,具有一定的水硬性;由烟煤和无烟煤燃烧形成的粉煤灰呈灰色或深灰色,为低钙灰,具有火山灰活性。低钙灰来源广泛,是当前国内外用量最大、使用范围最广的混凝土掺和料;按排放方式,分为干排灰和湿排灰两种。湿排灰含水率高,活性降低较多,质量不如干排灰。干排灰按收集方法的不同,又分为静电收尘灰和机械收尘灰两种。静电收尘灰颗粒细、质量好;机械收尘灰颗粒较粗、质量较差。为改善粉煤灰的品质,可对粉煤灰进行再加工,经磨细处理的称为磨细灰;采用风选处理的,称为风选灰;未经加工的称为原状灰。

(二)粉煤灰的品质要求

混凝土对粉煤灰的品质要求,除限制其有害组分含量和一定细度外,主要着重其强度活性。国家标准GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》,将粉煤灰成品按细度、烧失量和需水量比(掺30%粉煤灰的水泥浆标准稠度用水量和纯水泥浆标准稠度用水量之比)划分等级,见表1-2-15。其中,I级灰一般为静电收尘灰,可用于普通钢筋混凝土工程和跨度小于6m的预应力混凝土构件;Ⅱ级灰多数为机械收尘灰,主要用于普通钢筋混凝土及素混凝土。

表1-2-15 粉煤灰的品质指标与检测方法

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(三)粉煤灰使用方法与效果

根据使用条件和方法不同,混凝土掺用粉煤灰后可产生以下三方面的效果:

(1)在等量掺入的条件下,可节约水泥并减少混凝土发热量。资料表明:粉煤灰替代20%水泥,可使7d水化热降低11%,替代30%水泥可降低25%。同时,可以改善混凝土和易性,提高混凝土抗渗性,常用于大体积混凝土。此时,由于粉煤灰活性较低,混凝土早期及28d龄期强度降低,但随着龄期的延长,掺粉煤灰混凝土强度可逐步赶上基准混凝土(不掺粉煤灰的混凝土)。

(2)在保持水泥用量不变的条件下,掺入粉煤灰并减少混凝土中砂的用量,称为粉煤灰代砂。由于粉煤灰具有火山灰活性,混凝土强度将高于基准混凝土。同时,混凝土黏聚性及保水性将显著优于基准混凝土。

(3)在超量掺入的条件下,可保持混凝土28d强度及和易性不变。即粉煤灰的掺入量大于所取代的水泥量,多出的粉煤灰取代同体积的砂,混凝土内石子用量及用水量基本不变。

混凝土中掺入粉煤灰时,常与减水剂或引气剂等外加剂同时掺用,称为双掺技术。减水剂使粉煤灰的潜在活性得到充分发挥,还可以克服某些粉煤灰增大混凝土需水量的缺点;引气剂的掺用,可以解决粉煤灰混凝土抗冻性较低的问题。

五、钢筋

钢筋宜选用热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋,常用钢筋的力学性能和工艺性能指标应符合表1-2-16的规定。

表1-2-16 常用热轧钢筋品质指标

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