生态水泥混凝土材料与技术
1、前言
以水泥为胶凝材料生产的混凝土，今天已成为全世界各种各样结构工程建设首选的建筑材料，这主要是由它的经济性所决定：原材料来源广泛、便宜，施工与维修费用较低廉。使混凝土技术向前推进的两大驱动力是加快施工速度和改善混凝土耐久性。除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三种驱动力，即对环境友好的工业化材料，这方面在未来技术评价中的重要性正在日益增大[1].随着人类数量的迅速增长和工业化进程的加快，混凝土材料不再仅用于修建普通建筑和道路，而且大量用于修建基础设施，如地下快速交通系统、污水处理设施、海洋建筑等。去年全世界每年共生产约16亿吨水泥，排放出占全球总排放量5%的二氧化碳。混凝土工业每年消耗100亿吨砂石和10亿吨淡水[2].水泥混凝土对于地球的生态环境影响很大，探索循环经济理论，使水泥混凝土工业走向可持续发展的道路是我国建材工业面临的重大的课题。
“环境材料”首先由日本通产省提出，之后又出现了许多类似的提法，如“生态材料”、“生态环境材料”、“绿色材料”、“保健环境材料”等，它们都是以保护地球环境和资源为出发点而提出的概念。绿色建筑材料是那些以对生态环境负责的方式使用地球资源、无毒、尽量利用再生资源并且本身是可以再生利用的材料[3]. “绿色”的名词来源于60年代，指天然、原始的环境，现在“绿色”已经成为无毒、无害、无污染的代
名词。
1993年前沿科学研究会提出生态材料（Environmentally Conscious Materials）的概念，日本混凝土协会与生态混凝土研究委员会于1995年首先提出“生态混凝土”的概念（eco-concrete/Environmentally Friendly Concrete），其涵义是减轻地球环境负荷、与生态体系协调发展、并创造舒适生活环境的混凝土材料。日本混凝土协会于1995年设立了生态混凝土研究委员会，发表的关于各种生态混凝土材料研究成果受到了社会的关注[4].
2、减轻环境负荷的生态混凝土（Environmentally Mitigatable Concrete）减轻环境负荷型生态混凝土即指能减轻地球环境压力的混凝土材料。这包括资源的消耗量以及资源的采伐、深加工、使用时的能耗各个环节对地球产生的压力都比较小的混凝土材料，即混凝土制造时降低环境的负担，混凝土在使用中降低环境负荷，使用后混凝土材料本身能够循环利用以降低环境负担。
2.1 生态水泥配制混凝土及水泥生产的生态化制造技术生态水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水处理厂的污泥及其它的工业废弃物等作为水泥的原料制造的水泥。用这种水泥制作混凝土可以有效解决废弃物处理占地、石灰石资源和节省能源的问题。
用水泥回转窑在生产水泥过程中处理城市危险废弃物和生活垃圾也已经成为了水泥生态化制备的重要技术，在欧洲、日本和中国都实现了工业化生产。北京水泥厂已经利用水泥回转窑在水泥生产过程中处理
水泥混凝土路面板块修补问题，一直以来未能得到很好的解决，其根本问题之一就是修补材料的性能不理想。用于水泥混凝土路面板块修补的材料必须符合以下技术要求： ①快硬高早强：路面修补与普通混凝土路面施工不同，一般说来需要修补的混凝土路面大多都是正在使用的道路，不允许长时间封闭交通。因此，修补材料必须具有迅速硬化的性能，使修补路面短时间内达到开放交通的强度要求。 ②收缩小：水泥混凝土路面修补，新老混凝土的结合部位往往是最薄弱的环节。造成新老混凝土结合不好的重要原因之一就是新拌混凝土的收缩。收缩会产生收缩应力，从而将新老混凝土在薄弱的结合部位拉开。因此，修补材料必须控制好收缩率。 ③具有一定粘性：要提高新老混凝土结合部位的粘结性，就要求修补材料本身具有一定的粘性。 ④后期性能稳定，强度发展与老混凝土基本同步：修补材料的后期强度发展速度应与老混凝土基本一致，不得出现强度衰减，但也不要强度发展太快，致使新老混凝土力学性能差异太大，影响路面的整体性能。 ⑤耐磨性高，耐久性好 ⑥施工和易性好 当前，对于水泥混凝土路面板块的修补材料及修补工艺研究众多，研制出的快速修补材料种类繁多，根据国内外的快速修补材料的使用方法和材料组成将这些材料分为三种：快硬水泥、快硬混凝土、水泥混凝土快速修补剂。它们分别通过水泥品种的选择、加入混凝土掺和料和添加混凝土外加剂达到混凝土快硬早强的目的。根据相关资料研究表明，现已开发出来可用于水泥混凝土路面修补的特种修补材料主要有以下几种： 1）用于快速修补的快硬水泥 ①快硬硅酸盐水泥 ②高铝水泥 ③快硬硫铝酸盐、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥 ④高铝水泥和普硅水泥 ⑤磷酸盐水泥 ⑥碱硅水泥 2）快速修补混凝土 ①硅灰混凝土 ②偏高岭土混凝土 ③纤维增强混凝土和聚合物混凝土 聚合物混凝土(或砂浆)以其良好的抗冲击性、耐磨性、抗渗透性，粘结强度和抵抗混凝土塑性收缩应变等性能成为薄层快速修补混凝土(砂浆)的首选，国内学者对此进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。国内各单位相继研制出各种聚合物混凝土、聚合物改性混凝土、纤维混凝土、掺外加剂、掺合料混凝土、几种修补材料复合的水泥混凝土及修补砂浆等等。具体见表1-1。
水泥混凝土 水泥混凝土 ? 混凝土材料组成（了解） 由水泥及粗细集料和水按适当比例混合，需要时掺入适宜外加剂、掺合料等配制而成。? 普通混凝土概念（了解） 水泥和水发生化学反应生成具备胶凝作用的水化物，将集料颗粒紧密粘结一起，经过 一定凝结、硬化时间后形成人造石材，成为混凝土。其中水泥起胶凝和填充作用，集料起 骨架和密实作用。? 混凝土技术性质 ? 混凝土工作性（了解） 新拌混凝土的工作性又称和易性，是指混凝土具有流动性、可塑性、稳定性和易密性 等几方面的综合性能。 ? 常用混凝土拌和物工作性的测定方法有坍落度仪法和维勃仪法二种。 ? 混凝土工作性检测方法原理及评定方法 坍落度仪法操作原理（熟悉） 将待测混凝土拌和物以规定的方式分三层装入标准坍落度圆锥筒中，每层按要求扦捣25次，多余拌和物用镘刀刮平。随后提起圆锥筒，在重力作用下混凝土会自动坍落。测出筒高与坍落后混凝土试件最高点之间的高差（以mm计），作为试验结果之一，称之为坍 落度。 ▊混凝土工作性评价方法（熟悉） 评价混凝土工作性的指标有棍度、含砂情况、粘聚性和保水性。 棍度：按扦捣混凝土拌和物时的容易程度评定，分 “上”、“中”、“下”三级。 “上”：表示扦捣容易； “中”：表示扦捣时稍有石子阻滞现象；“下”：表示很难扦捣。 含砂情况：按拌和物外观含砂多少而评定，分“多”、 “中”、“少”三级。 “多”：表示镘刀抹面时，一二次即使拌和物表面
平整无蜂窝； “中”：表示抹五、六次才可以使表面平整无蜂窝；“少”：表示抹面困难，不易 抹平，有空隙及石子 外露现象。 粘聚性：观测拌和物各成分相互粘聚情况，评定方 法是用捣棒在已坍落的混凝土侧面轻打，如锥体逐渐下沉，表示粘聚性良好；如锥体 突然倒坍、部分崩裂或发生石子离析现象，表示粘聚性不好。 保水性：指水分从拌和物中析出情况，分“多量”、 “少量”、“无”三级评定。 多量：表示提起坍落度筒后，有较多水分从底部析 出； 少量：表示提起坍落度筒后，有少量水从底部析出；无：表示提起坍落度筒后，没 有水份从底部析出。▼（2）维勃仪法（了解） 按坍落度试验相同的操作方法将拌和物装填到放在维勃稠度仪上的圆锥筒中，提起圆 锥筒后，将一透明圆盘扣在混凝土拌和物上。开启振动台，同时开始计时，当透明圆盘底 面被水泥浆布满的瞬间停止计时，并关闭振动台。以这一过程所需的时间作为维勃试验的 结果，以秒计。维勃时间愈长，混凝土拌和物坍落度就愈小。 维勃仪法适用于集料公称最大粒径不大于31.5mm及维勃时间在5-30s之间的干稠性 混凝土。▊影响混凝土工作性的因素（熟悉） 分为内因和外因两大类。外因主要是指施工环境条件，包括外界环境、气温、湿度、 风力大小以及时间等。内因包括原材料特性、单位用水量、水灰比和砂率等方面。 1）原材料特性 ·水泥品种和细度将会影响混凝土拌和物的工作性； ·粗集料的颗粒形状也能影响混凝土工作性；·使用外加剂会显著改善混凝土工作性。 2）单位用水量 ·单位用水量的多少决定了混凝土拌和物中水泥浆的数量。在组成材料一定的情况下，拌和物的流动性随单位用水量的增加而加大。
水泥是混凝土重要原材料，水泥的质量和性能对混凝土具有重要影响。了解一些水泥方便的 知识对混凝土生产是十分必要的。 （1）水泥细度 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，规范要求其比表面积不小于300m2/kg，其他品种的水泥细度用筛余表示，其80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm方孔筛筛余不大 于30%。由于水泥标准尽规定细度的下限，造成目前水泥普遍偏细，很多水泥比表面积都超 过350m2/kg，有的甚至超过350m2/kg。水泥磨的太细，造成其需水量增加，与外加剂相容 性差，外加剂用量也相应增加，生产的混凝土坍落度损失加大。水泥细度偏细，水泥水化速 度快，水化热过快释放，给混凝土温控带来难度，温度裂缝的几率增加。早期强度的过快增长，造成后期强度增长不足，甚至有强度倒缩现象。因此，水泥细度太细，对混凝土工作性、强度、耐久性都是不利的，国家相关标准应控制水泥比表面积不超过350m2/kg，这是很有必 要的。 （2）水泥碱含量 水泥中碱含量增加，其需水量也相应增加，与外加剂相容性变差，混凝土开裂敏感性增加， 不利于耐久性控制。但水泥碱含量也不是越低越好，其碱含量不足也会造成与外加剂适应性差，混凝土坍落度损失大，外加剂用量稍高于饱和点，混凝土容易出现泌水、离析。因此， 水泥适宜碱含量以Na2O当量为0.4%～0.6%。 （3）水泥异常凝结 1.水泥快凝。水泥中C3A含量高或活性高，水泥中的硫酸盐不难满足正常凝结需要时，C3A 快速水化造成水泥在45min内凝结，这种现象称为快凝。 2.水泥闪凝。水泥中石膏掺量很低或可溶性石膏很低，不能抑制C3A的快速水化，造成水泥 瞬间凝结，同时有水化放热现象，称为闪凝。 3.水泥假凝。水泥中C3A含量低或活性降低，而水泥中半水石膏含量偏多，浆体中钙离子和 硫酸根离子浓度达到饱和形成一定量的二水石膏晶体，使浆体稠度增加，流动度降低，这种 现象称为假凝。假凝与快凝和闪凝的区别是没有水化放热现象。 （4）水泥与外加剂相容性 在混凝土中添加一定量的外加剂，其拌合物的流动性、坍落度保持能力良好，无离析、泌水 现象，即外加剂与水泥相容性好。反之，出现外加剂用量高，混凝土用水量偏高或流动性和 坍落度保持能力降低，以及异常凝结，则二者相容性差。水泥中C3A含量对外加剂影响很大，当C3A含量超过9%时，与外加剂相容性明显降低。石膏形态、品种不同，其溶解度也不相同，溶解度的差异造成外加剂与水泥相容性差异。此外，外加剂某些组分如木钙对无水石膏、磷石膏的溶解度有影响，造成相容性差。水泥的碱含量偏高或偏低，混凝土用水量增加，与 外加剂适应性变差。 生产中，应加强水泥与外加剂适应性检验，可使用净浆流动度试验或直接使用C30生产配合 比进行混凝土试验，观察混凝土用水量、流动性、保坍性，发现问题及时查找原因，采用相 应对策预防混凝土质量事故。
学习指导 本章学习内容的屮心是围绕着如何采用满足质量要求的各种组成材料，配制成满足 工程基本要求的混凝土来进行的。围绕此中心，一是要求掌握各种原材料的选择原则及质量 要求。 二是要求掌握工程对混凝土基本要求的内容，表示方法及影响因素。三是掌握如何用基本组 成材料设计配制出满足工程要求的浞凝土。在掌握普通浞凝土的基础分析、对比了解 各种其他类型的混凝土。 一、名词解释 碱一骨料反应；和易性；流动性；粘聚性；饱水性；颗粒级配；粗细程度；合理砂率；立 方体抗压强度标准伉；饱和而干状态；浞凝土的耐久性；徐变；强度保证率；混凝土外加剂； 混凝土减水剂混凝土引气剂；混凝上早强剂；C30； P8； F50；压碎指标；连续级配；单粒 级级配；颗粒继配；恒定用水呈定则；筒压强度；强度标号；混凝土的强度等级。 二、填空题 1 .在浞凝土屮，水泥浆在硬化前起到 和 作用，而在硬化后起到 作 用，砂、石在混凝土中主要起 作用，并不发生 2 .在保证混凝土强度不变及水泥用量不增加的条件下 是 、 _> 。 3 .在砂石骨料质量要求中，对杂质的含量要求包括 含量、含量。含量、 含 量。 含量、含量，而对骨料的性和祖骨料屮 含量也需测定。 4. 粗骨料由于颗粒形状和表面状态不同分为卵石和碎石，卵石多为_形，表面_，与 水泥石粘结，但拌制的混凝土拌合物好。而碎石颗粒形状为，且表面.与水泥 石粘结强度_，但拌制的混凝土拌合物差。 5. 砂中含泥量大将严重降低混凝土的和，增大混凝土的。 6. 拌制浞凝土选用细骨料时应是级配好、颗粒大，这样使骨料的和均较小，不仅节 约用量，又有利于硬化后混凝土的性能。 7. 选择粗骨料吋粒径越大越节约成本，但最大粒径的确定要受到、及 限制，规 范规定，粗骨料最大粒径不得超过，且不得超过。对混凝土实心板，最大粒径不宜超 过，且不得超过 mm 。 8. 籼骨料最大粒径是指 的上限，如5?31.5mm 粒级的骨料其最大粒径为 。 9. 砂的粗细程度和颗粒级配是用 法确定的，砂的粗细程度用 表示，而颗粒级配是 用 或 来判定。 10. 粗骨料的强度，可用岩石的 和两种方式表示，压碎值的大小反映了粗骨料的 能力，而骨料的坚固性用法來测定，它是用來检验 的能力。 11. 普通混凝土的和易性包括、 、 。三方而的含义，测定流动性的方法有法 和 法，其方法用具体指标检验了 的大小，而 和 只能在试验的同吋用目测判定。 12. 影响混凝土拌合物和易性的主要因素有 ................................ ...... 13. 配制混凝土时如砂率过大,则骨料的和 都会增大，会影响到混凝土拌合物的性， 若砂过小，将严重影响浞凝土拌合物的性，并影响性和性，因此要选择 14. 合理砂率是指在水和水泥用量一定的情况下，能获得最大：并且能保证和 的 砂率，或者是在保证混凝土拌合物所要求的 所得到的砂率。作用，而在硬化后起到 反应。 改善和易性最有效的方法 及良好的 和 吋，水泥用量最少，
第五章工程材料-第五章_水泥混凝土 混凝土是以胶凝材料与骨料按适当比例配合，经搅拌、成型、硬化而成的一种人造石材。按所用胶凝材料分为水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土等，本章主要介绍广为应用的水泥混凝土。本章是全书 的重点。 第一节普通混凝土的组成及基本要求 一、一、混凝土的组成 混凝土是由水泥、水、砂和石子组成。水和水泥成为水泥浆，砂和石子为混凝土的骨料。在混凝土的组成中，骨料一般占总体积的70%-80%；水泥石约占20%-30%，其余是少量的空气。 二、二、混凝土的基本要求 1、1、混凝土拌合物的和易性：混凝土拌合物必须具有 与施工条件相适应的和易性。 2、2、强度：混凝土经养护至规定天数，应达到设计要 求的强度。 3、3、耐久性 4、4、经济性 第二节普通混凝土的组成材料 一、一、水泥 水泥标号的选择，根据混凝土的强度要求确定，使水泥标号与混凝土强度相适应。水泥的强度约为混凝土强度的1.5-2.0倍为好。 二、二、细骨料 粒径为5㎜以下的骨料称为细骨料，一般采用天然砂。混凝土用砂的质量要求，主要有以下几项： 1、1、砂的粗细程度及颗粒级配 粒径越小，总表面积越大。在混凝土中，砂的表面由水泥浆包裹，砂的总表面积越大，需要的水泥浆越多。当混凝土拌合物的流动性要求一定时，显然用粗砂比用细砂所需水泥浆为省，且硬化后水泥石含量少，可提高混凝土的密实性，但砂粒过粗，又使混凝土拌合物容易产生离析、泌水现象，影响混凝土的均匀性，所以，拌制混凝土的砂，不宜过细，也不宜过粗。 评定砂的粗细，通常用筛分析法。该法是用一套孔径为5.00、2.50、1.25、0.630、0.315、0.160㎜的标准筛，将预先通过孔径为10.0㎜筛的干砂试样500克由粗到细依次过筛，然后称量各筛上余留砂样的质量，计算出各筛上的“分计筛余百分率”和“累计筛余百分率”，
水泥混凝土路面施工材料要求 水泥混凝土路面的施工材料要求 (1)水泥 1)特重、重交通路面宜采用旋窑道路硅酸盐水泥，也可采用旋窑硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥;中、轻交通的路面可采用矿渣硅酸盐水泥;低温天气施工或有快通要求的路段可采用r型水泥，此外宜采用普通型水泥。 2)水泥进场时每批量应附有化学成分、物理、力学指标合格的检验证明。 (2)粗集料 1)粗集料应使用质地坚硬、耐久、洁净的碎石、碎卵石和卵石，并应符合表1b412061—3的规定。高速公路、一级公路、二级公路及有抗(盐)冻要求的三、四级公路混凝土路面使用的粗集料级别应不低于ⅱ级，无抗(盐)冻要求的三、四级公路混凝土路面、碾压混凝土及贫混凝土基层可使用ⅲ级粗集料。有抗(盐)冻要求时，i级集料吸水率不应大于1.0%;ⅱ级集料吸水率不应大于2.0%。 2)用做路面和桥面混凝土的粗集料不得使用不分级的集料，应按最大公称粒径的不同采用2—4个粒级的集料进行掺配，并应符合合成级配的要求。卵石最大公称粒径不宜大于19.0mm;碎卵石最大公称粒径不宜大于26.5mm;碎石最大公称粒径不应大于31.5mm。贫混凝土基层粗集料最大公称粒径不应大于31.5mm;钢纤维混凝土与碾压混凝土粗集料最大公称粒径不宜大于19.0mm。碎卵石或碎石中粒径小于75um的石粉含量不宜大于1%。 (3)细集料 1)细集料应采用质地坚硬、耐久、洁净的天然砂、机制砂或混合砂。高速公路、一级公路、二级公路及有抗(盐)冻要求的三、四级公路混凝土路面使用的砂应不低于ⅱ级，无抗(盐)冻要求的三、四级公路混凝土路面、碾压混凝土及贫混凝土基层可使用ⅲ级砂。特重、重交通混凝土路面宜使用河砂，砂的硅质含量不应低于25%。 2)细集料的级配要求应符合规范的规定，路面和桥面用天然砂宜为中砂，也可使用细度模数2.0～3.5之间的砂。同一配合比用砂的细度模数变化范围不应超过0.3，否则，应分别堆放，并调整配合比中的砂率后使用。 (4)水 1)饮用水可直接作为混凝土搅拌合养护用水。 2)不得含有油污、泥和其他有害杂质。 3)对水质有疑问时，应检验下列指标，合格者方可使用。硫酸盐含量(按s042-计)小于0.0027mg/mm3;含盐量不得超过0.005mg/mm3;ph值不得小于4。 (5)外加剂 供应商应提供有相应资质外加剂检测机构的品质检测报告 (6)接缝材料 1)应选用能适应混凝土面板膨胀和收缩、施工时不变形、弹性复原率高、耐久性好的胀缝板。高速公路、一级公路宜采用塑胶、橡胶泡沫板或沥青纤维板;其他公路可采用各种胀缝板。 2)填缝材料应具有与混凝土板壁粘结牢固、回弹性好、不溶于水、不渗水，高温时不挤出、不流淌、抗嵌入能力强、耐老化龟裂，负温拉伸量大，低温时不脆裂、耐久性好等性能。填缝料有常温施工式和加热施工式两种。高速公路、一级公路应优选用树脂类、橡胶类或改性沥青类填缝材料，并宜在填缝料中加入耐老化剂。
第一章总概 ■什么是砼 混凝土是指由水泥、石灰、石膏等无机胶凝材料和水或沥青、树脂等有机胶凝材料的胶状物与集料，必要时加入化学外加剂和矿物外加剂，按一定比例混合，并在一定条件下硬化而成的人造石材。 【水泥+水+砂+石=普通水泥混凝土】 ■【水泥+水=水泥浆】在混凝土中的作用： （1）、填充作用：填充砂、石集料间空隙；具有密实性。 （2）、润滑作用：包裹砂、石集料表面；降低摩擦，提高流动性。 （3）、胶结作用：把散粒的砂、石胶结为一个整体。 ■【水泥浆+砂=砂浆】在混凝土中的作用： （1）、填充作用：填充石子之间空隙。 （2）、粘聚作用：粘聚（使粗集料在施工过程中不离析）和保水作用。 （3）、骨架作用：砂是细集料，起骨架和抑制体积变形的作用（收缩）。 {石子（粗骨料）起骨架和抑制体积变形作用，同时降低混凝土经济成本。需透水结构用无沙混凝土} ■混凝土的分类 胶凝材料（无机、有机）、表观密度、强度等级、用途、施工工艺、配筋方式等 混凝土在工程建设中的重要性：混凝土是现代土木建筑中用量最大、用途最广一种工程材料。
■混凝土的优点：经济、可塑性好、性能可设计、耐久性好、耐火性好、复合能力强、利用废弃物能力强。 ■混凝土的缺点：抗拉强度低、抗裂性差、自重大比强度低、质量波动大、施工期长。 第二章胶凝材料·胶凝材料的定义与分类 定义：凡能在物理、化学作用下，由可塑性浆体变为坚固的石状体，在次过程中能将散粒的砂、石胶结成一个整体，且有一定机械强度的物质，统称胶凝材料。 分类：无机和有机两大类。 有机胶凝材料指沥青和各种树脂等材料。 无机胶凝材料：气硬性（只能在空气中硬化，并保持或持续提高其强度；石膏石灰、水玻璃等）；水硬性（既能在空气中硬化也能在水中硬化，保持并继续提高其强度；各种水泥） 胶凝材料·通用水泥·硅酸盐水泥 ■什么是硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥孰料、0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，都称为硅酸盐水泥。 孰料：凡以适当组成生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的物料，称为硅酸盐水泥孰料，简称孰料。 硅酸盐水泥分类：P·I（不含掺和料）；P·II（石灰，矿渣<5%）