第四章 生态建筑材料精编版

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1、普通混凝土存在的普遍问题及研究途径 （一）自重大问题 混凝土自重相对于钢材较低，但由于目前普遍使用的混凝土强度较低，则其单位重量的比强度就很低，不能满足未来超高层、超大跨度以上结构的需要。这个问题从以下两方面考虑 1、正确利用自重大的特性 用于防核辐射，深气油井建筑 2、提高比强度 提高途径： 1）选高强轻集料或人造轻骨料 2）设计超高强混凝土 强度提高一倍，就相当于自重下降一半。但随着强度的提高，混凝土的脆性也明显上升，配制的工艺不成熟，强度不稳定。,第四章 生态建筑材料,（二）耐久性问题 混凝土在恒温、恒湿的洁净空气中，耐久性很好，但复杂的环境主要从下面几个方面影响其耐久性 1、温差变化的

2、热胀冷缩 混凝土中不同相其温差变形系数不同，因此在不同的相界面产生的应力不同。 2、冻融破坏 3、化学侵蚀 4、流动淡水侵蚀和气蚀 5、磨蚀 6、碱集料反应 高性能、高耐久性混凝土的研究和使用是提高混凝土耐久性的根本方法.,耐久性问题实例: 1、日本海沿岸,许多港湾建筑、桥梁等,建成后不到10年时间,混凝土表面开裂、剥落,钢筋锈蚀外露-碱集料反应所至 日本的鸟取县境内，有一座钢筋混凝土桥，由于碱骨料反应造成严重破坏，达到了不可修复的程度，被炸掉重建。 2、北京三元立交桥桥墩，建成后不到两年，个别地方发生“人字形”的裂纹，也认为是碱集料反应所至。 3、1987年，山西大同的钢筋混凝土大水塔突然毁

3、坏，水流象山洪暴发一样的冲下，造成很大的人员伤亡和建筑设施等严重毁坏渗漏造成钢筋锈蚀，混凝土断裂而毁坏。,维修费用高昂的实例： 1、1980年，美国有56万座公路桥因使用除冰盐引起混凝土剥蚀和钢筋锈蚀，其中有9万座需要大修或重建。经济损失超过了63亿美元。 2、桥梁方面，目前已有253000座桥的桥面板不同程度的劣化，而且每年还以35000座的速度增加，修复这些桥面板需要500亿美元，而维修或更换所有劣化的混凝土结构将花2000亿美元。 可见，工程事故和惊人的维修费用说明，在结构设计时，对使用材料的耐久性应象力学性质一样予以仔细的考虑。,（三）高脆低韧问题 高脆低韧是素混凝土材料固有的问题，国

4、此，只有通过改变混凝土的组成才能解决，解决的途径 1、微观复合化 引入具有一定的柔韧性的物质，如高分子材料或纳米材料 2、细观复合化 是目前采用最多的办法，即引入分散高强高韧纤维 3、宏观复合化 即钢筋混凝土和钢管混凝土,（四）功能单一问题 目前的混凝土大多只满足力学、保温隔热等要求。但随着建筑的智能化和多功能化，必然要求混凝土具有多种功能，如：兼有力学、保温、调湿功能的混凝土；兼有力学、导电、导航功能的混凝土；兼有力学、调湿、自报警功能的混凝土；兼有力学、自控湿、自愈合功能的混凝土；兼有力学、补偿收缩、防水功能的混凝土等等，即功能型、智能型混凝土： 研究途径： 兼有力学、补偿收缩、防水功能在

5、混凝土中加一定的膨胀剂、防水剂 兼有力学、导电、屏蔽功能的混凝土在混凝土中加入导电纤维（碳纤维、钢网等） 兼有力学、自诊断功能的混凝土加入可在应力下产生电流或改变电阻的物质（碳纤维等） 有自控温、自愈合功能的混凝土加入含粘结液的空心玻纤或胶襄，在混凝土受力开裂后，自动释放粘结液，以修补裂隙。,（五）环保问题 1、再生混凝土 2、消化其他建筑垃圾和工业废料的混凝土 普通混凝土发展方向: 绿色、高性能混凝土,第一节 高性能混凝土(High Performance Concrete简写为HPC),基本概念: 高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制

6、作的混凝土,它以耐久性作为设计的主要指标.针对不同用途要求,高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证:耐久性,工作性,适用性,强度,体积稳定性,经济性.因此,高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比,选用优质原材料,并除水泥,水集料外,必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。,研制HPC的主要技术途径和措施,影响混凝土性能（特别是强度和耐久性）的主要因素有两方面： 一是混凝土中硬化水泥浆体的孔隙率，孔分布和孔特征降低混凝土中水泥石的孔隙率，改善孔分布，减少开口孔。 二是混凝土硬化水泥浆体与集料的界面设法减少在集料浆体界面上主要由氢氧化钙晶体定向排列组成的过渡带的厚度，从而增强界面物理或化学连接的强

7、度。 基于以上因素，目前主要从以下几方面的技术措施：,获得高性能混凝土的主要技术途径,一、选用优质、符合要求的水泥 1、基于低水胶比及良好的施工和易性的要求，高性能混凝土所用水泥要与所加的高效减水剂有很好的相容性。C3A和碱含量高的水泥与减水剂的相容性往往要差。 2、注意水泥的颗粒形状和颗粒级配 用球状水泥：改善水泥粉磨工艺制得表面无裂纹且呈圆球状的水泥颗料，以减少水泥的平均粒径和微粉量，使其具有高的流动性和填充性。在保护混凝土拌合物坍落度相同条件下,球状水泥的用水量较普通水泥降低10%左右. 用调粒水泥：将水泥组成中的粒度分布进行调整，提高胶凝材料的填充率。 用活化水泥: 将粉状超塑化剂与熟

8、料混磨即能制得,或将粉状超塑化剂与矿物质材料混磨制成活化填料,取代部分水泥,制得需水量低的胶结料,活性大大提高.,二、选用优质砂石骨料 1、骨料的级配要好 空隙率要低:达到相同流动性时,水泥浆的用量低,混凝土的自收缩变形低,水化热低,体积稳定性好,对强度耐久性均好. 评价指标:骨料的质量系数 K=MZ(50-P) K-骨料的质量系数 MZ-骨料的细度模量 P-骨料的空隙体积百分率,粗骨料的细度模量:与砂类似,对应的筛孔为:40,20,10,5,2.5,1.25,0.63,0.315,0.16 粗骨料的细度模量一般在68,2、物理性能要好 吸水率要低，表面粗糙，粒形好。表观密度和堆积密度大。表观

9、密度2.65,堆积密度1450/m3.有利于降低骨料空隙率,降低水泥浆用量,增大流动性,提高强度和耐久性.吸水率1.0%,比较致密.粒径一般20. 3、力学性能 不含软弱或风化的颗粒，弹性模量要大 4、化学性能 无碱活性骨料，不含泥块、有机物、硫化物和硫酸盐等有害物质。,三、掺加矿物掺合料 矿物掺合料是高性能混凝土的第六大组分,也是普通混凝土高性能化不可缺少的组分. 常用的矿物超细粉为:硅灰,超细矿渣粉,超细粉煤灰超细石灰石粉,超细沸石粉等 在混凝土中的主要作用: 1.活性效应 二次水化反应 减少了氢氧化钙 2.微集料效应 直径大多5m,可填充到一般集料和水泥中混合粉粒所不能填充的孔隙中,使水

10、泥石进一步密实. 3.复合胶凝效应 在超细粉中掺入一些对超细粉活性有激活作用的物质,可使超细粉的活性进一步加强,二次水化速度加快,称”复合胶凝效应”,矿物掺合料的分类 1.有胶凝性(潜在活性的): 粒化高炉矿渣,水硬性石灰 2.有火山灰活性的: 粉煤灰等 3.同时具有以上两种性能的: 高钙粉煤灰等 常用矿物掺合料: 1.粉煤灰 2.粒化高炉矿渣粉 3.硅灰 4.天然沸石粉,四、选用高效减水剂，降低水灰比 高效减水剂是高性能混凝土不可缺的组成材料之一. 高效减水剂又称超塑化剂.与普通送减水剂的区别在于减水效率高. 普通减水剂一般为510%,而高效减水剂的减水率可达到1530%; 普通减水剂的掺量

11、不能超过限制值,而高效减水剂则可以较高比例掺入水泥,并对混凝土无不利影响. 当前国内高效减水剂可分为四大类: 1. 萘系 2. 多羧酸系 3. 三聚氰胺系 4. 氨基磺酸系,五、改善混凝土的施工工艺 (一)水泥裹砂混凝土搅拌工艺 投入砂子加1次水(搅拌1min) 加水泥(搅拌2min)加入石子(搅拌23min) 加两次水和外加剂(搅拌23min) 出料 改善原理: 一次搅拌时,砂子颗粒表面粘结了一层水泥,形成了“水泥外壳”,在二次加水后再搅拌时,砂子周围的水泥外壳与二次水混合形成分散性良好的水泥浆填充在骨料之间的空隙.减少了水泥浆的泌水现象,也改善了砂子与水泥浆体的界面. 作用: 在相同配和原

12、料条件下,强度比普通方法制备的混凝土高20%左右,耐久性,抗渗性也可以大幅度提高.,(二)采用超声波振动或高频振动密实 普通振动设备产生的振动频率所能破坏的混凝土内的气泡直径为0.90.07,而在混凝土中,对混凝土强度及耐久性明显有害的孔直径一般为0.01,而超声波振动频率较普通振动设备高的多,可以达到破坏更小直径孔的作用,从而使混凝土更加致密.没有超声振动条件下,采用高频振动器也能取得一定的改善效果. (三)对浇筑成型的新拌混凝土进行真空吸水 吸去多余的水分,降低水胶比.,高性能混凝土的配合比设计高性能混凝土配制应满足的三个基本要求: 1.新拌混凝土良好的工作性 2.硬化混凝土的高强度 3.

13、硬化混凝土的高耐久性目前国际比较典型和较多应用的三种方法:1、美国混凝土协会（ACI）方法 适用于抗压强度在41-83Mpa之间的混凝土。系采用一系列不同胶凝材料比例和用量进行试配，最后得到最佳配合比。2、法国国家路桥试验方法 通过在模型材料上大量试验的结论数据编制了计算机软件，称为BETONLAB，可较好的预测给定要求下的最佳、最经济的配合比。3、加拿大方法 在现在高强混凝土实践经验基础上加以总结，对配合比设计的主要参数给定一些假设，进而算出第一盘试配的混凝土配合比。,Mehta和Atcin的方法： 一、配合比总体考虑 （一）水泥浆-骨料比 对给定的水泥浆/骨料体积比35:65，通过使用合适

14、的粗骨料，可以获得足够尺寸稳定的高性能混凝土 （二）强度等级 应用大多数天然骨料，通过改善水泥浆的强度（选择用水量及掺合料品种和用量来控制）可以制出高达120Mpa抗压强度的混凝土。为方便配比计算，将60 120Mpa强度划分为几个等级。 （三）用水量 对传统混凝土，拌合用水取决于骨料的最大尺寸和混凝土的坍落度。但HPC的骨料最大尺寸和坍落度值允许波动范围很小（1019，200250），且坍落度可通过调节超塑化剂用量来控制，故确定用水量时不必考虑骨料的最大尺寸及坍落度。 （四）水泥用量 由于强力搅拌，即使不加任何引气剂，混凝土中也含有约2%的空气。对于一定体积的水泥浆（35%），如果已知水和空

15、气的体积，则水泥或胶凝材料的体积可以计算得出。,（五）矿物掺合料的种类及用量 分三种情况： 第一种：单独使用硅酸盐水泥，不加掺合料（很少使用） 第二种：用一种或多种矿物掺合料取代部分水泥 从减小水化热，改善工作性，提高充分水化水泥浆微观结构等方面，经验表明：约25%的水泥可由高质量的粉煤灰或磨细矿渣代替。因此，假设硅酸盐水泥与选用的矿物掺合料体积比为7525 第三种：在使用的矿物掺合料中，以凝聚硅灰取代部分粉煤灰或磨细矿渣，则效果更好。 （六）减水剂的种类与用量 超塑化剂通常固体用量为胶凝材料质量的0.8%2%。 （七）粗细骨料的比例 由于HPC中水泥浆含量相对较大，故细骨料体积用量不超过骨料

16、总量的40%。因此，假设第一次拌合粗细骨料体积比为 32。,二、配合比计算方法 基于以上考虑，以下是拌合1m3非引气型混凝土各组成材料的质量 （一）强度选择 将60 120Mpa强度人为的划分为五个等级65Mpa、75Mpa、90Mpa、105Mpa、120Mpa，是混凝土试件标准养护28d的平均抗压强度。 （二）拌合水估算 对某一给定强度等级的混凝土，可查下表，表中最大用水量数值是经验性的，适用于大坍落度掺超塑化剂的混凝土，骨料最大尺寸为1019。通过对超化剂中多出水的修正，可计算出拌合用水量,（三）水泥浆中各组分的体积含量 由于水泥浆的总体积是0.35m3,减去拌合水量及0.02m3含气量，各强度等级混凝土总胶凝材料计算体积可得出。 假定三种情况： 情况1：单独硅酸盐水泥（PC） 情况2：PC+粉煤灰（FA）或高炉矿渣（BFS）体积比为75 ：25 情况3：PC+FA（或BFS）+凝聚硅灰（CSF）体积比为75