网站原创第水利工程技术 第一章 第一节
程
等
别工程规模水库总库容
(108m3)防洪治涝灌溉供水发电保护城镇
及工矿企
业的重要性保护农田
(104亩)治涝面积
(104亩)灌溉面积
(104亩)供水对象
重要性装机容量
(104kW)工大(1)型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120Ⅱ大(2)型10～1.0重要500～100200～60150～50重要120～30Ⅲ中型1.0～0.10中等100～3060～1550～5中等30～5Ⅳ小(1)型0.1～0.01一般30～515～35～0.5一般5～1V小(2)型0.Ol～0.001<,5<,3<,0.5<,1
对于综合利用的水利水电工程,当按各分项利用项目的分等指标确定的等别不同时,其工程等别应按其中的最高等别确定.
(二)水工建筑物的级别划分
水利水电工程中水工建筑物的级别,反映了工程对水工建筑物的技术要求和安全要求.应根据所属工程的等别及其在工程中的作用和重要性分析确定.
1.永久性水工建筑物级别
水利水电工程的永久性水工建筑物的级别应根据建筑物所在工程的等别,以及建筑物的重要性确定为五级,分别为1,2,3,4,5级,见表2.1.2.
永久性水工建筑物级别表2.1.2
工程等别主要建筑物次要建筑物工程等别主要建筑物次要建筑物I13Ⅳ45Ⅱ23V55Ⅲ34
堤防工程的级别应按照《堤防工程设计规范》(GB50286—98)确定.堤防工程的防洪标准主要由防洪对象的防洪要求而定.堤防工程的级别根据堤防工程的防洪标准确定,见表2.1.1.3.
堤防工程的级别表2.1.3
防洪标准
(重现期,年)≥100<,100,且≥50<,50,且≥30<,30,且≥20<,20,且≥10堤防工程的级别l2345穿堤水工建筑物的级别,按所在堤防工程的级别和与建筑物规模相应的级别中的最高级别确定.
2.临时性水工建筑物级别
对于临时性水工建筑物的级别,按表2.1.4确定.对于同时分属于不同级别的临时性水工建筑物,其级别应按照其中最高级别确定.但对于3级临时性水工建筑物,符合该级别规定的指标不得少于两项.
临时性水工建筑物级别表2.1.4
级别保护对象失事后果使用年限
(年)临时性水工建筑物规模高度(m)库容(108m3)3有特殊要求的1
级永久性水工建
筑物淹没重要城镇,工矿企业,交通干线或推迟总工期及第一台(批)机组发电,造成重大灾害和损失>,3>,50>,1.041,2级永久性水
工建筑物淹没一般城镇,工矿企业,交通干线或影响总工期及第一台(批)机组发电,造成较大经济损失3～1.550～151.0～0.153,4强永久性水
工建筑物淹没基坑,但对总工期及第一台(批)机组发电影响不大,经济损失较小<,1.5<,15<,0.1 第二节
堤高超过6m的背水坡应设戗台,宽度不宜小于1.5m,风浪大的海堤,湖堤临水侧宜设置消浪平谷:其宽度可为波高的1～2倍,但不宜小于3m.
城市,工矿区等修建土堤受限制的地段,宜采用浆砌石,混凝土或钢筋混凝土结构的防洪墙,它们与重力坝的构造相似.
第节
(一)闸室
闸室是水闸的主体,起挡水和调节水流的作用.它包括底板,闸墩,闸门,胸墙,工作桥和交通桥等.
1.底板.底板按结构形式,可分为平底板,低堰底板和反拱底板,工程中用得最多的是平底板.根据底板与闸墩的连接方式不同,平底板可分为整体式和分离式两种.
(1)整体式底板.底板与闸墩连成整体.作用是将上部结构重量及荷载传给地基,并有防冲及防渗作用.底板厚度必须满足强度和刚度要求,可取为1/5～1/7倍闸孔净宽,但不宜小于0.5～0.7m.整体式平底板抗震性能较好.中等密实以下的地基或地震区适宜采用整体式底板.
对多孔水闸,为适应地基不均匀沉降和减小底板内的温度应力,需要沿水流方向设变形缝(温度沉降缝)将闸室分成若干段,每个闸段一般不超过20m.
(2)分离式底板.闸孔中间的底板与闸墩下的底板之间用沉降缝分开,称为分离式底板.分离式闸墩底板基底压力较大,一般宜建在中等密实以上的地基上.
2.闸墩.闸墩的作用主要是分隔闸孔,支承闸门,胸墙,工作桥及交通桥等上部结构.
闸墩多用C15～C30的混凝土浇筑,小型水闸可用浆砌块石砌筑,但门槽部位需用混凝土浇筑.
3.工作桥.工作桥的作用是安装启闭机和供管理人员操作启闭机之用,为钢筋混凝土简支梁或整体板梁结构.桥的高度必须满足闸门能提出门槽检修的要求.
4.胸墙.作用是挡水,以减小闸门的高度.跨度在5m以下的胸墙可用板式结构,超过5m跨度的胸墙用板梁式结构,胸墙与闸墩的连接方式有简支和固结两种.
(二)上游连接段
上游连接段由铺盖,护底,护坡及上游翼墙组成.
1.铺盖.作用主要是延长渗径长度以达到防渗目的,应该具有不透水性,同时兼有防冲功能.常用材料有黏土,混凝土,钢筋混凝土等,以混凝土铺盖最为常见.
混凝土铺盖常用C15混凝土浇筑,厚度0.2～0.4m,铺盖与底板接触的一端应适当加厚,并用沉降缝分开,缝内设止水,如图2.3.2所示.
2.护底与护坡.它的作用是防止高速水流对渠(河)底及边坡的冲刷,长度一般为3～5倍堰顶水头.材料有干砌石,浆砌石或混凝土等.
3.上游翼墙.它的作用是改善水流条件,挡土,防冲,防渗等.其平面布置形式有圆弧形翼墙,扭曲面翼墙,八字形翼墙和隔墙式翼墙等,结构形式有重力式,悬臂式,扶壁式和空箱式等.
(1)重力式翼墙.如图2.3.3所示,依靠自身的重量维持稳定性,材料有浆砌石或混凝土,适用于地基承载力较高,高度在5～6m以下的情况,在中小型水闸中应用很广.
(2)悬臂式翼墙.挡土墙是固结在底板上的悬臂结构,由钢筋混凝土筑成.适用于高度在6～9m左右,地质条件较好的情况.
(3)扶壁式翼墙.扶壁式翼墙是由直墙,底板和扶壁组成的钢筋混凝土结构.适用于高度在8～9m以上,地质条件较好的情况.
(4)空箱式翼墙.空箱式翼墙是扶壁式翼墙的特殊形式.由顶板,底板,前墙,后墙,隔墙与扶壁组成.适用于高度较高,地质条件较差的情况.
(三)下游连接段
下游连接段通常包括护坦,海漫,下游防冲槽(齿墙)以及下游翼墙与护坡等.
1.护坦.承受高速水流的冲刷,水流脉动压力和底部扬压力的作用,因此要求护坦应具有足够的重量,强度和抗冲耐磨能力,通常用混凝土筑成,也可采用浆砌块石.为了防止不均匀沉降而产生裂缝,护坦与两侧翼墙底板及闸室底板之间,均应设置沉陷缝.缝的位置如在闸基防渗范围内,缝中应设止水.
2.海漫与防冲槽.在消力池后面应设置海漫与防冲槽,如图2.3.4所示.其作用是继续消除水流余能,调整流速分布,确保下游河床免受有害冲刷.
海漫构造要求:表面粗糙,能够沿程消除余能,透水性好,以利渗流顺利排出,具有一定的柔性,能够适应河床变形.海漫材料一般采用浆砌或干砌块石.
在海漫末端与土质河床交接处可能会遭受冲刷,因此在海漫末端设置防冲槽与下游河床相连,以保护海漫末端不受冲刷破坏.
3.下游翼墙与护坡.与上游翼墙与护坡基本相同,护坡要做到防冲槽尾部.下游八字形翼墙的总扩散角在15°～24°之间.
第四节(一)坝顶构造(图2.4.1)
1.坝顶宽度.坝顶宽度应根据构造,施工,运行和抗震等因素确定.如无特殊要求,高坝可选用10～15m,中,低坝可选用5～10m.同时,坝顶宽度必须充分考虑心墙或斜墙顶部及反滤层,保护层的构造需要.
2.护面.护面的材料可采用碎石,砌石,沥青或混凝土,Ⅳ级以下的坝下游也可以采用草皮护面.如有公路交通要求,还应满足公路路面的有关规定.作用是保护坝顶不受破坏.为了排除雨水,坝顶应做成向一侧或两侧倾斜的横向坡度,坡度宜采用2%～3%.对于有防浪墙的坝顶,则宜采用单向向下游倾斜的横坡.
3.防浪墙.坝顶上游侧常设混凝土或浆砌石修建的不透水的防浪墙,墙基要与坝体防渗体可靠地连接起来,以防高水位时漏水,防浪墙的高度一般为1.0～1.2m.
(二)防渗体
土坝防渗体主要有心墙,斜墙,铺盖,截水墙等,设置防渗设施的作用是:减少通过坝体和坝基的渗流量,降低浸润线,增加下游坝坡的稳定性,降低渗透坡降,防止渗透变形.
1.均质坝.整个坝体就是一个大的防渗体,它由透水性较小的黏性土筑成.
2.黏性土心墙和斜墙.心墙一般布置在坝体中部,有时稍偏上游并略为倾斜,斜墙布置在坝体的上游,以便于和上游铺盖及坝顶的防浪墙相连接.
黏性心墙和斜墙顶部水平厚度一般不小于3m,以便于机械化施工.防渗体顶与坝顶之间应设有保护层,厚度不小于该地区的冰冻或干燥深度,同时按结构要求不宜小于1m.
3.非土料防渗体.非土料防渗体有钢筋混凝土,沥青混凝土,木板,钢板,浆砌块石和塑料薄膜等,较常用的是沥青混凝土和钢筋混凝土.
(三)土石坝的护坡与坝坡排水
1.护坡.土石坝的护坡形式有:草皮,抛石,干砌石,浆砌石,混凝土或钢筋混凝土,沥青混凝土或水泥土等.作用是防止波浪淘刷,顺坝水流冲刷,冰冻和其他形式的破坏.
2.坝坡排水.除干砌石或堆石护面外,均必须设坝面排水.为了防止雨水冲刷下游坝坡,常设纵横向连通的排水沟.与岸坡的结合处,也应设置排水沟以拦截山坡上的雨水.坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置,用浆砌石或混凝土板铺设成矩形或梯形.坝较长时,则应沿坝轴线方向每隔50～100m左右设一横向排水沟,以便排除雨水.
(四)土石坝的排水设施
1.排水设施.形式有贴坡排水,,棱体排水,褥垫排水,管式排水和综合式排水.坝体排水的作用是降低坝体浸润线及孔隙水压力,防止坝坡土冻胀破坏.在排水设施与坝体,土基接合处,都应设置反滤层.其中贴坡排水和棱体排水最常用.
(1)贴坡排水.紧贴下游坝坡的表面设置,它由1～2层堆石或砌石筑成,如图2.4.2所示.贴坡排水顶部应高于坝体浸润线的逸出点,保证坝体浸润线位于冰冻深度以下.
贴坡排水构造简单,节省材料,便于维修,但不能降低浸润线,且易因冰冻而失效,常用于中小型工程下游无水的均质坝或浸润线较低的中等高度坝.
(2)棱体排水.在下游坝脚处用块石堆成棱体,顶部高程应超出下游最高水位,超出高度应大于波浪沿坡面的爬高,并使坝体浸润线距坝坡的距离大于冰冻深度.应避免棱体排水上游坡脚出现锐角,顶宽应根据施工条件及检查观测需要确定,但不得小于1.0m,如图2.4.3所示.
图2.4.2贴坡排水图2.4.3堆石棱体排水
1—浸润线2—护坡3—反滤线4—排水体5—排水沟1—下游坝坡2—浸润线3—棱体排水4—反滤层
棱体排水可降低浸润线,防止坝坡冻胀和渗透变形,保护下游坝脚不受尾水淘刷,多用于河床部分(有水)的下游坝脚处.
2.反滤层.为避免因渗透系数和材料级配的突变而引起渗透变形,在防渗体与坝壳,坝壳与排水体之间都要设置2～3层粒径不同的砂石料作为反滤层.材料粒径沿渗流方向由小到大排列.
二、溢洪道:
溢洪道是属于泄水建筑物的一种.溢洪道从上游水库到下游河道通常由引水段,控制段,泄水槽,消能设施和尾水渠五个部分组成.溢洪道按泄洪标准和运用情况,分为正常溢洪道和非常溢洪道.前者用以宣泄设计洪水,后者用于宣泄非常洪水.按其所在位置,分为河床式溢洪道和岸边溢洪道.河床式溢洪道经由坝身溢洪.岸边溢洪道按结构形式可分为:正槽溢洪道.泄槽与溢流堰正交,过堰水流与泄槽轴线方向一致.侧槽溢洪道.溢流堰大致沿等高线布置,水流从溢流堰泄入与堰轴线大致平行的侧槽后,流向作近90°转弯,再经泄槽或隧洞流向下游.井式溢洪道.洪水流过环形溢流堰,经竖井和隧洞泄入下游.虹吸溢洪道.利用虹吸作用泄水,水流出虹吸管后,经泄槽流向下游,可建在岸边,也可建在坝内.岸边溢洪道通常由进水渠,控制段,泄水段,消能段组成.进水渠起进水与调整水流的作用.控制段常用实用堰或宽顶堰,堰顶可设或不设闸门.泄水段有泄槽和隧洞两种形式.为保护泄槽免遭冲刷和岩石不被风化,一般都用混凝土衬砌.消能段多用挑流消能或水跃消能.当下泄水流不能直接归入原河道时,还需另设尾水渠,以便与下游河道妥善衔接.溢洪道的选型和布置,应根据坝址地形,地质,枢纽布置及施工条件等,通过技术经济比较后确定.第五节
2,按桥梁上部结构的建筑材料分:有木桥,石桥,混凝土桥,钢筋混凝土桥,预应力混凝土桥(有时三者统称混凝土桥),钢桥和结合梁桥等.
木桥易腐蚀多用于临时性桥梁.石料和混凝土抗压强度高而抗拉强度低,主要用于拱桥.钢筋混凝土桥为耐压的混凝土和抗拉,抗压性能均好的钢筋结合而成的桥,主要用于跨度不大的梁式桥和拱桥.预应力混凝土桥是采用高强度钢筋(丝)和高标号混凝土建成,可达到比钢筋混凝土大得多的跨度,可采用的结构体系也比钢筋混凝土桥广泛得多.钢桥用结构钢制造,现常用于实腹梁桥及大跨度的桁架梁桥,拱桥,斜张桥和悬索桥.其主要优点是施工速度较快,跨越能力大,缺点是用钢量较多,维修费大.结合梁桥也称组合梁桥,是由两种不同建筑材料结合而成的桥,通常指用钢梁和钢筋混凝土桥面板结合而成的桥,可以节省钢材.
3,按用途分类有公路桥,人行栈桥.
4,按跨越障碍分:有跨河桥,跨谷桥,跨线桥和高架线路桥等.跨河桥的长度和高度,应满足泄洪和通航的要求,在主河槽部分的桥梁称为正桥,跨度较大,其余部分称为引桥,其跨度一般由经济条件确定,宜优先选用标准设计(见桥梁标准设计).
5,按桥面位置分:有上承式桥,中承式桥,下承式桥.将桥面布置在主要承重结构之上的称为上承式桥,在主要承重结构下缘附近的称为下承式桥,介于上,下缘之间的称为中承式桥,上下缘均设桥面的称为双层桥.上承式桥具有构造简单,容易养护,制造架设方便,节省墩台圬工数量以及视野开阔等优点,在桥梁设计中常优先选用.中,下承式桥都具有桥梁建筑高度小的优点,视设计要求而用.
6,按制造方法分:混凝土桥分就地灌筑桥和装配式桥两类.后者的构件在工厂(场)中预制,运往工地拼装架设,其优点可使桥梁制造工业化,机械化,降低成本,提高速度,而且质量也有保证.也有两者结合的装配,现浇式混凝土桥.钢桥一般都是装配式的.
7,按使用期限分:有临时性桥,永久性桥和半永久性桥.临时性桥的构造简易,仅在有限的短期内使用或在永久性桥未建成以前供维持交通之用.永久性桥为长期使用的桥梁,需按规定的设计洪水频率,桥面宽度和检查维修设备等进行设计.半永久性桥一般是下部结构按永久性桥设计,而上部结构是临时性的.
二、桥梁的基本特点
梁式桥包括简支板梁桥,悬臂梁桥,连续梁桥其中简支板梁桥跨越能力最小,一般一跨在8-20m.连续梁桥国内最大跨径在200m以下,国外已达240m.
拱桥在竖向荷载作用下,两端支承处产生竖向反力和水平推力,正是水平推力大大减小了跨中弯矩,使跨越能力增大.理论推算,混凝土拱极限跨度在500m左右,钢拱可达1200m.亦正是这个推力,修建拱桥时需要良好的地质条件.
刚架桥有T形刚架桥和连续刚构桥,T形刚架桥主要缺点是桥面伸缩缝较多,不利于高速行车.连续刚构主梁连续无缝,行车平顺.施工时无体系转换.跨径我国最大已达270m(虎门大桥辅航道桥).
组合体系桥有梁拱组合体系,如系杆拱,桁架拱,多跨拱梁结构等.梁刚架组合体系,如T形刚构桥等.
桁梁式桥:有坚固的横梁,横梁的每一端都有支撑.最早的桥梁就是根据这种构想建成的.他们不过是横跨在河流两岸之间的树干或石块.现代的桁梁式桥,通常是以钢铁或混凝土制成的长型中空桁架为横梁.这使桥梁轻而坚固.利用这种方法建造的桥梁叫做箱式梁桥.
悬臂桥:桥身分成长而坚固的数段,类似桁梁式桥,不过每段都在中间而非两端支承.
拱桥:借拱形的桥身向桥两端的地面推压而承受主跨度的应力.现代的拱桥通常采用轻巧,开敞式的结构.
吊桥:是建造跨度非常大的桥梁最好的设计.道路或铁路桥面靠钢缆吊在半空,钢缆牢牢地悬挂在桥塔之间.较古老的吊桥有的使用铁链,有的甚至使用绳索而不是用钢缆.
三、桥梁的构造:
桥梁一般由基础,承台,墩柱,桥面,引道等组成.
第六节泵站,渠水系建筑物的构造及作用
一、小型泵站:
(一)叶片泵的分类
叶片泵按工作原理的不同,可分为离心泵,一轴流泵和混流泵三种.
1.离心泵.按其基本结构,形式特征又分为单级单吸式离心泵,单级双吸式离心泵,多级式离心泵以及自吸式离心泵.
2.轴流泵.按主轴方向又可分为立式泵,卧式泵和斜式泵,按叶片可调节的角度不同可分为固定式,半调节式和全调节式.
3.混流泵.按结构形式分为蜗壳式和导叶式.
(二)泵站进出水建筑物
泵站进出水建筑物一般包括引水渠,沉砂及冲砂建筑物,前池,进水池,出水管道和出水池.
1.引水渠.当泵站的泵房远离水源时,应利用引水渠(岸边式泵站可设涵洞)将水源引至前池和进水池.泵站的引水渠分为自动调节引渠和非自动调节引渠.
2.沉砂及冲砂建筑物.当水源(河流)含砂量较大时,除在进水口前设置拦砂设施外,还应增设沉砂池,以及冲砂口门,以减少高速含砂水流对水泵和管道的磨损和破坏.
3.前池.是衔接引渠和进水池的水工建筑物.根据水流方向可将前池分为两大类,即正向进水前池和侧向进水前池.
4.进水池.是水泵(立式轴流泵)或水泵迸水管(卧式离心泵,混流泵)直接吸水的水工建筑物,一般布置在前池和泵房之间或泵房的下面(湿室型泵房).
5.出水池.是衔接水泵出水管与灌溉(或排水)千渠(或承泄区)的水工建筑物,根据水流出流方向,出水池分为正向出水池和侧向出水池.
6.压力水箱.是一种封闭形式的出水建筑物,箱内水流一般无自由水面,大多用于排水泵站且承泄区水位变幅较大的情况.按水流方向来分,压力水箱有正向出水和侧向出水两种.
7.出水管道.水泵房至出水池之间有一段压力管道称为出水管道.出水管道的铺设方式有明式铺设和暗式铺设两种.
(三)泵房的结构形式
泵房结构形式有移动式和固定式两大类.移动式分为囤船型和缆车型,固定式泵房分为分基型,干室型,湿室型,块基型四种.
二、渠水系建筑物:
在渠道上修建的水工建筑物称为渠系建筑物,它使渠水跨过河流,山谷,堤防,公路等.类型主要有渡槽,涵洞,倒虹吸管,跌水与陡坡等.
(一)渡槽的构造及作用
按支承结构渡槽可分为梁式,拱式,桁架式等,渡槽由输水的槽身及支承结构,基础和进出口建筑物等部分组成.小型渡槽一般采用简支梁式结构,截面采用矩形.
1,梁式渡槽
1)槽身结构.梁式渡槽槽身结构一般由槽身和槽墩(排架)组成,主要支承水荷载及结构自重.槽身按断面形状有矩形和U形,梁式渡槽又分成简支梁式,双悬臂梁式,单悬臂梁式和连续梁式.简支矩形槽身适应跨度为8～15m,U形槽身适应跨度为15～20m.
2)渡槽的进出口建筑物.它和水闸基本相同,由翼墙,护底,铺盖和消能设施组成,把矩形或U形槽身和梯形渠道连接起来,起改善水流条件,防冲及挡土作用.
2,拱式渡槽
拱式渡槽的水荷载及结构自重由拱承担,其他和梁式渡槽相同.
(二)涵洞的构造及作用
根据水流形态的不同,涵洞分有压,无压和半有压式.
1,涵洞的洞身断面形式
1)圆形管涵.它的水力条件和受力条件较好,多由混凝土或钢筋混凝土建造,适用于有压涵洞或小型无压涵洞.
2)箱形涵洞.它是四边封闭的钢筋混凝土整体结构,适用于现场浇筑的大中型有压或无压涵洞.
3)盖板涵洞.断面为矩形,由底板,边墙和盖板组成,适用于小型无压涵洞.
4)拱涵.由底板,边墙和拱圈组成.因受力条件较好,多用于填土较高,跨度较大的无压涵洞.
2,洞身构造
洞身构造有基础,沉降缝,截水环或涵衣,如图2F311017所示.
1)基础.管涵基础采用浆砌石或混凝土管座,其包角为90°～135°.拱涵和箱涵基础采用C15素混凝土垫层.它可分散荷载并增加涵洞的纵向剐度.
2)沉降缝.设缝间距不大于10m,且不小于2～3倍洞高,主要是适应地基的不均匀沉降.对于有压涵洞,缝中要设止水,以防止渗水使涵洞四周的填土产生渗透变形.
3)截水环或涵衣.对于有压涵洞要在洞身四周设若干截水环或用黏土包裹形成涵衣,用以防止洞身产生集中渗流.
(三)倒虹吸管的构造和作用
倒虹吸管有竖井式,斜管式,曲线式和桥式等,主要由管身和迸,出口段三部分组成.
1,进口段的形式.进口段包括进水口,拦污栅,闸门,渐变段及沉砂池等,用来控制水流,拦截杂物和沉积泥砂.
2,出口段的形式.出口段包括出水口,渐变段和消力池等,用于扩散水流和消能防冲.
3,管身的构造.水头较低的管身采用混凝土(水头在4～6m以内)或钢筋混凝土(水头在30m左右),水头较高的管身采用铸铁或钢管(水头在30m以上).为了防止管道因地基不均匀沉降和温度变化而破坏,管身应设置沉降缝,内设止水.现浇钢筋混凝土管在土基上缝距15～20m,在岩基上缝距10～15m.为了便于检修,在管段上应设置冲砂放水孔兼作进人孔.为了改善路下平洞的受力条件,管顶应埋设在路面以下1.0m左右.
4,镇墩与支墩.在管身的变坡及转弯处或较长管身的中间应设置镇墩,以连接和固定管道镇墩附近的伸缩缝一般设在下游侧.在镇墩中间要设置支墩,以承受水荷载及管道自重的法向分量.
第二章建筑材料 第一节
建筑材料的分类方法很多,常按材料的化学成分,来源_功能用途进行分类.
(一)建筑材料按材料的化学成分分类
1,无机材料
1)金属材料.包括黑色金属,如合金钢,碳钢,铁等,有色金属,如铝,锌等及其合金.
2)非金属材料.如天然石材,烧土制品,玻璃及其制品,水泥,石灰,混凝土,砂浆等.
2.有机材料
1)植物材料.如木材,竹材,植物纤维及其制品等.
2)合成高分子材料.如塑料,涂料,胶粘剂等.
3)沥青材料.如石油沥青及煤沥青,沥青制品.
3,复合材料
复合材料是指两种或两种以上不同性质的材料经适当组合为一体的材料.复合材料可以克服单一材料的弱点,发挥其综合特性.以下介绍几种常用的复合材料.
1)无机非金属材料与有机材料复合.如玻璃纤维增强塑料,聚合物混凝土,沥青混凝土,水泥刨花板等.
2)金属材料与非金属材料复合.如钢筋混凝土,钢丝网混凝土,塑铝混凝土等.
3)其他复合材料.如水泥石棉制品,不锈钢包覆钢板,人造大理石,人造花岗岩等.
(二)建筑材料按其材料来源分类
1.天然建筑材料.如常用的土料,砂石料,木材等.
2.人工材料.如石灰,水泥,金属材料,土工合成材料,高分子聚合物等.
(三)建筑材料按其功能用途分类
1.结构材料.如混凝土,型钢,木材等.
2.防水材料.如防水砂浆,防水混凝土,紫铜止水片,膨胀水泥防水混凝土等.
3.胶凝材料.如石膏,石灰,水玻璃,水泥,沥青等.
4.装饰材料.如天然石材,建筑陶瓷制品,装饰玻璃制品,装饰砂浆,装饰水泥,塑料制品等.
5.防护材料.如钢材覆面,码头护木等.
6.隔热保温材料.如石棉板,矿渣棉,泡沫混凝土,泡沫玻璃,纤维板等.
二、建筑材料的基本性质
(一)表观密度和堆积密度
1.表观密度,是指材料在自然状态下,单位体积的质量.
材料在自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的表观体积.当材料内部的孔隙内含有水分不同时,其质量和体积均将有所变化,故测定表观密度时,应注明含水率.在烘干状态下的表观密度,称为干表观密度.
2.堆积密度.是指粉状,颗粒状或纤维状材料在堆积状态下,单位体积的质量.
材料在堆积状态下的体积不但包括材料的表观体积,而且还包括颗粒间的空隙体积.其值的大小与材料颗粒的表观密度,堆积的密实程度,材料的含水状态有关.
(二)密实度和孔隙率
1.密实度.是指材料体积内被固体物质所充实的程度.其值为材料在绝对密实状态下的体积与在自然状态下的体积的百分比.
2.孔隙率.是指材料中孔隙体积所占的百分比.建筑材料的许多工程性质,如强度,吸水性,抗渗性,抗冻性,导热性,吸声性等都与材料的致密程度有关.
(三)填充率与空隙率
1.填充率.是指粉状或颗粒状材料在某堆积体积内,被其颗粒填充的程度.
2.空隙率.是指粉状或颗粒状材料在某堆积体积内,颗粒之间的空隙体积所占的比例.
(四)与水有关的性质
1.亲水性与憎水性.材料与水接触时,根据其是否能被水润湿,分为亲水性和憎水性材料两大类.亲水性材料包括砖,混凝土等,憎水性材料如沥青等.
2.吸水性.材料在水中吸收水分的性质称为吸水性.吸水性的大小用吸水率表示.吸水率有质量吸水率和体积吸水率之分.质量吸水率是指材料吸入水的质量与材料干燥质量的百分比,体积吸水率是指材料吸水饱和时吸收水分的体积占干燥材料自然体积之比值.
3.吸湿性.材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为吸湿性.吸湿性的大小用含水率表示.材料含水后,可使材料的质量增加,强度降低,绝热性能下降,抗冻性能变差,有时还会发生明显的体积膨胀.
4.耐水性.材料长期在饱和水作用下木破坏,其强度也不显着降低的性质称为耐水性.但材料因含水会减弱其内部的结合力,因此其强度都会有不同程度的降低.
5.抗渗性.材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性(或称不透水性),用渗透系数K表示,K值越大,表示其抗渗性能越差,对于混凝土和砂浆材料,其抗渗性常用抗渗等级W表示,如材料的抗渗等级为W4,Wl0,分别表示试件抵抗静水水压力的能力为0.4MPa和lMPa.
6.抗冻性.材料在饱和水的作用下,能经受多次冻融循环的作用而不破坏,强度不显着降低,且其质量也不显着减小的性质称为抗冻性.用抗冻等级F表示,如F25,F50,分别表示材料抵抗25次,50次冻融循环,而强度损失未超过规定值.抗冻性常是评价材料耐久性的重要指标.
(五)材料的耐久性
在使用过程中,材料受各种内外因素或腐蚀介质的作用而不破坏,保持其原有性能的性质,称为材料耐久性.材料耐久性是一项综合性质,一般包括抗渗性,抗冻性,耐化学腐蚀性,耐磨性,抗老化性等.
第二节
根据不同的分类条件混凝土可分为:
1.按所用胶凝材料的不同可分为石膏混凝土,水泥混凝土,沥青混凝土及树脂混凝土等.
2.按所用骨料的不同可分为矿渣混凝土,碎石混凝土及卵石混凝土等.
3.按表观密度的大小可分为重混凝土(干表观密度大于2800kg/m3),普通混凝土(千表观密度在2000～2800kg/m3之间)及轻混凝土(干表观密度小于2000kg/m3).重混凝土可用作防辐射材料,普通混凝土广泛应用于各种建筑工程中,轻混凝土分为轻骨料混凝土,多孔混凝土及大孔混凝土,常用作保温隔热材料:
4.按使用功能的不同可分为结构混凝土,水工混凝土,道路混凝土及特种混凝土等.
5.按施工方法不同可分为普通浇筑混凝土,离心成型混凝土,喷射混凝土及泵送混凝土等.
6.按配筋情况不同可分为素混凝土,钢筋混凝土,纤维混凝土,钢丝混凝土及预应力混凝土等.
二、混凝土的主要质量要求
1,和易性
和易性是指混凝土拌合物在一定施工条件下,便于操作并能获得质量均匀而密实的混凝土的性能.和易性良好的混凝土在施工操作过程中应其有流动性好,不易产生分层离析或泌水现象等性能.和易性是一项综合性指标,包括流动性,黏聚性及保水性三个方面的含义.
流动性是指新拌混凝土在自重或机械振捣力的作用下,能产生流动并均匀密实地充满模板的性能.
黏聚性是指混凝土拌合物中各种组成材料之间有较好的黏聚力,在运输和浇筑过程中,不致产生分层离析,使混凝土保持整体均匀的性能.黏聚性差的拌合物中水泥浆或砂浆与石子易分离,混凝土硬化后会出现蜂窝,麻面,空洞等不密实现象.
保水性是指混凝土拌合物保持水分,不易产生泌水的性能.
(1)和易性的指标及测定方法
一般常用坍落度定量地表示拌合物流动性的大小i根据经验,通过对试验或现场的观察,定性地判断或评定混凝土拌合物粘聚性及保水性.坍落度的测定是将混凝土拌合物按规定的方法装入标准截头圆锥筒内,将筒垂直提起后,拌合物在自身质量作用下会产生坍落现象,坍落的高度(以mm计)称为坍落度.坍落度越大,表明流动性越大.按坍落度大小,将混凝土拌合物分为:低塑性混凝土(坍落度为10～40mm),塑性混凝土(坍落度为50～90mm),流动性混凝土(坍落度为100～150mm),大流动性混凝土(坍落度≥160mm).
在测定坍落度的同时,应检查t昆凝土的黏聚性及保水性.黏聚性的检查方法是用捣棒在已坍落的拌合物锥体一侧轻打,若轻打时锥体渐渐下沉,表示黏聚性良好,如果锥体突然倒塌,部分崩裂或发生石子离析,则表示黏聚性不好.保水性以混凝土拌合物中稀浆析出的程度评定,提起坍落度筒后,如有较多稀浆从底部析出,拌合物锥体因失浆而骨料外露,表示拌合物的保水性不好.如提起坍落筒后,无稀浆析出或仅有少量稀浆在底部析出,混凝土锥体含浆饱满,则表示混凝土拌合物保水性良好.
对于干硬性混凝土拌合物(坍落度小于10mm),采用维勃稠度(VB)作为其和易性指标.
(2)影响混凝土拌合物和易性的因素
影响拌合物和易性的因素很多,主要有水泥浆含量,水泥浆的稀稠,含砂率的大小,原材料的种类以及外加剂等.
①水泥浆含量的影响.在混凝土的水灰比保持不变的情况下,单位体积混凝土内水泥浆含量越多,拌合物的流动性越太,但若水泥浆过多,骨料不能将水泥浆很好地保持在拌合物内,混凝土拌合物将会出现流浆,泌水现象,使拌合物的黏聚性及保水性变差.因此,混凝土内水泥浆的含量,以使混凝土拌合物达到要求的流动性为准,不应任意加大.
②含砂率的影响.混凝土含砂率(简称砂率)是指砂的用量占砂,石总用量(按质量计)的百分数.混凝土中的砂浆应包裹石子颗粒并填满石子空隙.砂率过小,砂浆量不足,不能在石子周围形成足够的砂浆润滑层,'将降低拌合物的流动性,严重影响混凝土拌合物的黏聚性及保水性,使石子分离,水泥浆流失,甚至出现溃散现象,砂率过大,石子含量相对过少,骨料的空隙及总表面积都较大,在水灰比及水泥用量一定的条件下,混凝土拌合物显得干稠,流动性显着降低,在保持混凝土流动性不变的条件下,会使混凝土的水泥浆用量显着增大.因此,混凝土含砂率应合理.合理砂率是在水灰比及水泥用量二定的条件下,使混凝生拌合物保持良好的黏聚性和保水性并获得最大流动性的含砂率.即在水灰比一定的条件下,当混凝土拌合物达到要求的流动性,而且具有良好的黏聚性及保水性时,水泥用量最省的含砂率,即最佳砂率.
③水泥浆稀稠的影响.在水泥品种一定的条件下,水泥浆的稀稠取决于水灰比的大小.当水灰比较小时,水泥浆较稠,拌合物的黏聚性较好,泌水较少,但流动性较小,相反,水灰比较大时,拌合物流动性较大但黏聚性较差,泌水较多.普通混凝土常用水灰比一般在0.40～0.75范围内.
④其他因素的影响.除上述影响因素外,拌合物和易性还受水泥品种,掺合料品种及掺量,骨料种类,粒形及级配,混凝土外加剂以及混凝土搅拌工艺和环境温度等条件的影响.
2,强度
混凝土的强度包括抗压强度,抗拉强度,抗弯强度和抗剪强度等.
(1)混凝土抗压强度
①混凝土的立方体抗压强度.按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2002,制作边长为.150mm的立方体试件,在标准养护(温度20±2℃,相对湿度95%以上)条件下,养护至28d龄期,用标准试验方法测得的极限抗压强度,称为混凝土标准立方体抗压强度,以fcu.表示.按《混凝土结构设计规程》GB50010—2002的规定,在立方体极限抗压强度总体分布中,具有95%强度保证率的立方体试件抗压强度,称为混凝土立方体抗压强度标准值(以MPa计),以fcu,k表示.
混凝土强度等级按混凝土立方体抗压强度标准值划分为C15,C20,C25,C30,C35,0,5,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80等14个等级.例如,强度等级为C25的混凝土,是指25MPa≤fcu,k<,30MPa的混凝土.预应力混凝土结构的混凝土强度等级不小于C30.
测定混凝土立方体试件抗压强度,也可以按粗骨料最大粒径的尺寸选用不同的试件尺寸.但在计算其抗压强度时,应乘以换算系数.选用边长为100mm的立方体试件,换算系数为0.95,边长为200mm的立方体试件,换算系数为1.05.
②混凝土棱柱体抗压强度.按棱柱体抗压强度的标准试验方法,制成边长为150mm×150mm×300mm的标准试件,在标准条件下养护28d,测其抗压强度,即为棱柱体的抗压强度(fck),通过实验分析,fck≈0.67fcu,k.
(2)混凝土的抗拉强度
混凝土在直接受拉时,很小的变形就会开裂,它在断裂前没有残余变形,是一种脆性破坏.混凝土的抗拉强度一般为抗压强度的1/10～1/20.我国采用立方体的劈裂抗拉试验来测定混凝土的抗拉强度,称为劈裂抗拉强度.抗拉强度对于开裂现象有重要意义,在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标.对于某些工程(如混凝土路面,水槽,拱坝),在对混凝土提出抗压强度要求的同时,还应提出抗拉强度要求.
3,混凝土的变形
混凝土在硬化后和使用过程中,受各种因素影响而产生变形,主要有化学收缩,干湿变形,温度变形及荷载作用下的变形等.这些变形是使混凝土产生裂缝的重要原因之一,直接影响混凝土的强度和耐久性.
4,混凝土的耐久性
硬化后的混凝土除了具有设计要求的强度外,还应具有与所处环境相适应的耐久性,混凝土的耐久性是指混凝土抵抗环境条件的长期作用,并保持其稳定良好的使用性能和外观完整性,从而维持混凝土结构安全,正常使用的能力.
混凝土的耐久性是一个综合性概念,包括抗渗,抗冻,抗侵蚀,抗碳化,抗磨性,抗碱一骨料反应等性能.
(1)混凝土的抗渗性
抗渗性是指混凝土抵抗压力水,油等液体渗透的性能.混凝土的抗渗性主要与其密实性及内部孔隙的大小和构造有关.
混凝土的抗渗性用抗渗等级(W)表示,即以28d龄期的标准试件,,按标准试验方法进行试验所能承受的最大水压力(MPa)来确定.混凝土的抗渗等级可划分为W2,W4,W6,W8,Wl0,W12等6个等级,相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压力分别为0.2MPa,0.4Mpa,0.6MPa,,0.8MPa,1.0MPa,l.2MPa.
提高混凝土抗渗性能的措施有:提高混凝土的密实度,改善孔隙构造,减少渗水通道,减小水灰比,掺加引气剂,选用适当品种的水泥,注意振捣密实,养护充分等.
(2)混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在含水饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏,同时强度不严重降低的性能.混凝土的抗冻性以抗冻等级(F)表示.抗冻等级按28d龄期的试件用快冻试验方法测定,分为F50,Fl00,F150,F200,F300,F400等6个等级,相应表示混凝土抗冻性试验能经受50,100,150,200:300,400次的冻融循环.
影响混凝土抗冻性能的因素主要有水泥品种,强度等级,水灰比,骨料的品质等.提高混凝土抗冻性最主要的措施是:提高混凝土密实度t减小水灰比,掺和外加剂,严格控制施工质量,注意捣实,加强养护等.
(3)提高混凝土耐久性的主要措施
①严格控制水灰比.水灰比的大小是影响混凝士密实性的主要因素,为保证混凝土耐久性,必须严格控制水灰比.
②混凝土所用材料的品质,应符合有关规范的要求.
③合理选择骨料级配.可使混凝土在保证和易性要求的条件下,减少水泥用量,并有较好的密实性.这样不仅有利于混凝土耐久性而且也较经济.
④掺用减水剂及引气剂.可减少混凝土用水量及水泥用量,改善混凝土孔隙构造.这是提高混凝土抗冻灶及抗渗性的有力措施.
⑤保证混凝土施工质量.在混凝土施工中,应做到搅拌透彻,浇筑均匀,振捣密实,加强养护,以保证混凝土耐久性.
第三节
胶凝材料根据其化学组成可分为有机胶凝材料和无机胶凝材料,无机胶凝材料按硬化条件差异又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料.气硬性胶凝材料只能在空气中硬化,保持或发展强度,适用于干燥环境,如石灰i水玻璃等,水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化,而且能更好地在潮湿环境或水中硬化,保持并继续发展其强度,如水泥.沥青属于有机胶凝材料.
一、石灰
(一)石灰的原料及生产
石灰是工程中常用的胶凝材料之一,其原料石灰石主要成分是碳酸钙(CaCO3),石灰石经高温煅烧分解产生以CaO为主要成分(少量MgO)的生石灰.
(二)石灰的熟化
石灰的熟化又称消解,是指生石灰与水(H2O)发生反应,生成Ca(OH)2的过程.生石灰的熟化过程伴随着剧烈的放热与体积膨胀现象(1.5～3.5倍).
(三)石灰的特点
1.可塑性好.生石灰消解为石灰浆时,其颗粒极微细,呈胶体状态,比表面积大,表面吸附了一层较厚的水膜,因而保水性能好,同时水膜层也降低了颗粒间的摩擦力,可塑性增强.
2.强度低.石灰硬化缓慢,强度较低,通常1:3的石灰砂浆,其28d抗压强度只有0.2～0.5MPa.
3.耐水性差.在石灰硬化体中存在着大量尚未碳化的Ca(OH)2,而Ca(OH)2易溶于水,所以石灰的耐水性较差,故石灰不宜用于潮湿环境中.
4.体积收缩大.石灰在硬化过程中蒸发掉大量的水分,引起体积显着收缩,易产生裂纹.
因此,石灰一般不宜单独使用,通常掺人一定量的骨料.(砂)或纤维材料(纸筋,麻刀等)或水泥以提高抗拉强度,抵抗收缩引起的开裂.
二、水玻璃
水玻璃是一种碱金属硅酸盐水溶液,俗称"泡花碱".根据碱金属氧化物的不同,分为硅酸钠水玻璃和硅酸钾水玻璃等.常用的是硅酸钠(Na2O.nSiO2)水玻璃的水溶液,硅酸钠中氧化硅与氧化钠的分子比"n"称为水玻璃模数.
(一)水玻璃的性质
水玻璃通常为青灰色或黄灰色黏稠液体,具有较强的粘结力,其模数越大,粘结力越强.同一模数的水玻璃溶液,浓度越大,密度越大,黏度越大,粘结力越强.
水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶,可堵塞材料的毛细孔隙,具有一定的防渗作用,能抵抗多数无机酸,有机酸的腐蚀,具有很强的耐酸腐蚀性,还有着良好的耐热性,在高温下不分解,强度不降低甚至有所增加.
(二)水玻璃的用途
1.灌浆材料.常用于加固地基,水玻璃和氯化钙溶液交替灌入地基中,两种溶液发生化学反应,析出硅酸胶体,起到胶结和填充土壤空隙的作用,增加了土的密实度和强度.
2.涂料.天然石材,混凝土硅酸盐制品等表面涂上一层水玻璃,可提高其防水性和抗风化性,用水玻璃涂刷钢筋混凝土中的钢筋,可起到一定的阻锈作用.
3.防水剂.水玻璃还可以与多种矾配制成防水剂,用于防水砂浆和防水混凝土.
4.耐酸材料.水玻璃与促硬剂,耐酸粉,耐酸骨料配合可制得耐酸砂浆和耐酸混凝土,对于硫酸,盐酸,硝酸等无机酸具有较好的耐腐蚀能力,常用于防腐工程.
5.耐热材料.利用水玻璃的耐热性可配制耐热砂浆和耐热混凝土.
6.粘合剂.液体水玻璃,粒化高炉矿渣,砂和氟硅酸钠按_定的比例配合可制得水玻璃矿渣砂浆,用于块材裂缝的修补,轻型内墙的粘结等.
三、水泥
凡磨细成粉末状,加入适量水后能成为塑性浆体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂,石等材料牢固地胶结成整体材料的水硬性胶凝材料,通称为水泥.
水泥种类很多,按照主要的水硬性物质不同可分为硅酸盐水泥,铝酸盐水泥,硫铝酸盐水泥,铁铝酸盐水泥等系列.按用途和性能,又可分为通用水泥,专用水泥,特性水泥三大类.
(一)通用水泥
通用水泥是指大量用于一般土木建筑工程的水泥,包括羟酸盐水泥,普通水泥,矿渣水泥,火山灰水泥,粉煤灰水泥和复合水泥.使用最多的为硅酸盐类水泥,如硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥等.
(二)专用水泥
专用水泥是指有专门用途的水泥.下面介绍水利工程中常用的大坝水泥和低热微膨胀水泥.
大坝水泥包括中热和低热水泥.以适当成分的硅酸盐水泥熟料,加入适量石膏,磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料,称为中热硅酸盐水泥,简称中热水泥,以适当成分的硅酸盐水泥熟料,加入适量矿渣,石膏,磨细制成的具有低等水化热的水硬性胶凝材料,称为低热硅酸盐水泥,简称低热水泥.低热,中热水泥适用于大坝工程及大型构筑物等大体积混凝土工程.
低热微膨胀水泥(LHEC)是指以粒化高炉矿渣为主要组分,加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏,磨细制成的具有低水化热和微膨胀性能的水硬性胶凝材料.低热微膨胀水泥由于水化热低,并且具有微膨胀的性能,对防止大体积混凝土的干缩开裂有重要作用.适用于要求低热和补偿收缩的混凝土,大体积混凝土,要求抗渗和抗硫酸盐侵蚀的工程.
(三)特性水泥
特性水泥是指其某种性能比较突出的一类水泥,如快硬硅酸盐水泥,快凝快硬硅酸盐水泥,抗硫酸盐硅酸盐水泥,白色硅酸盐水泥,自应力铝酸盐水泥,膨胀硫酸盐水泥等.
1.快硬硅酸盐水泥,是指以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制以3d抗压强度表示强度等级的水硬性胶凝材料,简称快硬水泥.快硬水泥初凝不得早于45min,终凝不得迟于10h.
2.快凝快硬硅酸盐水泥,是指以硅酸三钙,氟铝酸钙为主的熟料,加入适量的硬石膏,粒化高炉矿渣,无水硫酸钠,经过磨细制成的凝结快,强度增长快的水硬性胶凝材料,简称双快水泥.双快水泥初凝不得早于10min,终凝不得迟于60min.主要用于紧急抢修工程,以及冬季施工,堵漏等工程.施工时不得与其他水泥混合使用.
3.抗硫酸盐硅酸盐水泥,是指以硅酸钙为主的特定矿物组成的熟料,加入适量石膏,磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料.抗硫酸盐水泥适用于受硫酸盐侵蚀的海港,水利,地下隧涵等工程.
4.白色硅酸盐水泥,是指以白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料.
5.铝酸盐水泥,是以铝酸钙为主要成分的各种水泥的总称.主要品种有:高铝水泥,低钙铝酸盐水泥,铝酸盐自应力水泥等.其中工程中常用的高铝水泥特点是早期强度递增快,强度高,水化热高,主要用于紧急抢修和早强要求的特殊工程,适用于冬期施工,主要缺点是后期强度倒缩,在使用3～5年后高铝水泥混凝土的强度只有早期强度的一半左右,抗冻渗和耐蚀等性能亦随之降低.高铝水泥不宜用于结构工程,使用温度不宜超过30℃,不得与其他水泥混合使用.
第四节
混凝土外加剂种类繁多,按其主要功能分为四类:
1,改善混凝土拌合物流动性能的外加剂.包括各种减水剂,引气剂和泵送剂等.
2,调节混凝土凝结时间,硬化性能的外加剂.包括缓凝剂,早强剂和泵送剂等.
3,改善混凝土耐久性的外加剂.包括引气剂,防水剂和阻锈剂等.
4,改善混凝土其他性能的外加剂.包括引气剂,膨胀荆,防冻剂,着色剂等.
二、工程中常用的外加剂
目前在工程中常用的外加剂主要有减水剂,引气剂,早强剂,缓凝剂,防冻剂等.
(一)减水剂
减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下,能显着减少混凝土拌合水量的外加剂.在混凝土中加入减水剂后,根据使用目的的不同,一般可取得以下效果:在用水量及水灰比不变时,混凝土坍落度可增大100～200mm,且不影响混凝土的强度,增加流动性,在保持流动性及水泥用量不变的条件下,可减少拌合水量10%～15%,从而降低了水灰比,使混凝土强度提高15%～20%,特别是早期强度提高更为显着,在保持流动性及水灰比不变的条件下,可以在减少拌合水量的同时,相应减少水泥用量,即在保舟混凝土强度不变时,可节约水泥用量10%～15%,掺入减水剂能显着改善混凝土的孔隙结构,使混凝土的密实度提高,透水性可降低40%～80%,从而可提高抗渗,抗冻,抗化学腐蚀及抗锈蚀等能力,改善混凝土的耐久性.此外,掺用减水剂后,还可以改善混凝土拌合物的泌水,离析现象,延缓混凝土拌合物的凝结时间,减慢水泥水化放热速度和可配制特种混凝土.
(二)早强剂
早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂.早强剂可促进水泥的水化和硬化进程,加快施工进度,提高模板周转率,特别适用于冬期施工或紧急抢修工程.目前广泛使用的混凝土早强剂有三类,即氯化物(如CaCl2,NaCl等),硫酸盐系(如Na2SO4等)和三乙醇胺系i但使用更多的是以它们为基材的复合早强剂.其中氯化物对钢筋有锈蚀作用,常与阻锈剂共同使用.
(三)引气剂
引气剂是指搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布,稳定而封闭的微小气泡的外加剂.引气剂能使混凝土的某些性能得到明显的改善或改变:改善混凝土拌合物的和易性,显着提高混凝土的抗渗性,抗冻性,但混凝土强度略有降低.引气剂可用于抗渗混凝土,抗冻混凝土,抗硫酸侵蚀混凝土,泌水严重的混凝土,轻混凝土以及对饰面有要求的混凝土等,但引气剂不宜用于蒸养混凝土及预应力钢筋混凝土.引气荆的掺用量通常为水泥质量的0.005%～0.015%(以引气剂的干物质计算).
(四)缓凝剂
缓凝剂是指能延缓混凝土凝结时间,并对混凝土后期强度发展无不利影响的外加剂.缓凝剂主要有四类:糖类,如糖蜜,木质素磺酸盐类,如木钙,木钠,羟基羧酸及其盐类,如柠檬酸,石酸,无机盐类,如锌盐,硼酸盐等.常用的缓凝剂是木钙和糖蜜,其中糖蜜的缓凝效果最好,糖蜜缓凝剂是制糖下脚料经石灰处理而成,糖蜜的适宜掺量为0.1%～0.3%,混凝土凝结时间可延长2～4h,掺量过大会使混凝土长期不硬,强度严重下降.
缓凝剂具有缓凝,减水和降低水化热等的作用,对钢筋也无锈蚀作用.主要适用于大体积混凝土,炎热气候下施工的混凝土,以及需长时间停放或长距离运输的混凝土.缓凝剂不宜用在日最低气温5℃以下施工的混凝土,也不宜单独用于有早强要求的混凝土及蒸养混凝土.
(五)防冻剂
防冻剂是指在规定温度下,能显着降低混凝土的冰点,使混凝土液相不冻结或仅部分冻结,以保证水泥的水化作用,并在一定的时间内获得预期强度的外加剂.常用的防冻剂有氯盐类(氯化钙,氯化钠),氯盐阻锈类(以氯盐与亚硝酸钠阻锈剂复合而成),无氯盐类(以硝酸盐,亚硝酸盐,碳酸盐,乙酸钠或尿素复合而成).
氯盐类防冻剂适用于无筋混凝土,氯盐阻锈类防冻剂适用于钢筋混凝土,无氯盐类防冻剂用于钢筋混凝土工程和预应力钢筋混凝土工程.硝酸盐,亚硝酸盐,碳酸盐易引起钢筋的腐蚀,故不适用于预应力钢筋混凝土以及与镀锌钢材或与铝铁相接触部位的钢筋混凝土结构.
防冻剂用于负温条件下施工的混凝土.目前国产防冻剂品种适用于0～—15℃的气温,当在更低气温下施工时,应增加其他混凝土冬期施工的措施,如暖棚法,原料(砂,石,水)预热法等.
(六)速凝剂
速凝剂是指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂.速凝剂主要有无机盐类和有机物类两类.我国常用的速凝剂是无机盐类,主要型号有红星I型,7Ⅱ,728型,8604型等.
红星I型速凝剂是由铝氧熟料(主要成分为铝酸钠),碳酸钠,生石灰按质量1:1:0.5的比例配制而成的一种粉状物,适宜掺量为水泥质量的2.5%～4.0%.7Ⅱ型速凝剂是铝氧熟料与无水石膏按质量比3:1配合粉磨而成,适宜掺量为水泥质量的3%～5%.
速凝剂掺入混凝土后,能使混凝土在5min内初凝,10min内终凝,1h就可产生强度,ld强度提高2～3倍,但后期强度会下降,28d强度约为不掺时的80%～90%.速凝剂主要用于矿山井巷,铁路隧道,引水涵洞,地下工程.
(七)膨胀剂
膨胀剂是使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂,如硫铝酸钙类,氧化钙类,氧化镁类等.掺人适量的膨胀剂可提高混凝土的抗渗性和抗裂性,而对混凝土的力学性能不会带来大的改变.
三、外加剂的选择和使用
在混凝土中掺人外加剂,可明显改善混凝土的技术性能,取得显着的技术经济效果.若选择和使用不当,会造成事故.因此,在选择和使用外加剂时,应注意以下几点:
(一)外加剂品种选择
外加剂品种,品牌很多,效果各异,特别是对于不同品种的水泥效果不同.使用时应根据工程需要和现场的材料条件,参考有关资料并通过试验确定.
(二)外加剂掺量确定
混凝土外加剂均有适宜掺量,掺量过小,往往达不到预期效果,掺量过大,则会影响混凝土质量,甚至造成质量事故,应通过试验试配确定最佳掺量.
(三)外加剂掺加方法
外加剂掺量很少,必须保证其均匀度,一般不能直接加入混凝土搅拌机内,对于可溶水的外加剂,应先配成一定浓度的水溶液,随水加入搅拌机,对不溶于水的外加剂,应与适量水泥或砂混合均匀后加入搅拌机内.另外,外加剂的掺人时间,方式对其效果的发挥也有很大影响,如为保证减水剂的减水效果,减水剂有同掺法,后掺法,分次掺人三种方法.
第五节
(一)钢筋按化学成分分类
钢筋按化学成分不同可分为碳素结构钢和普通低合金钢两类.
1.碳素结构钢.根据含碳量的不同又可分为低碳钢(含碳量小于0.25%),如I级钢,中碳钢(含碳量0.25%～0.60%),高碳钢(含碳量0.60%～1.40%),如碳素钢丝,钢绞线等.随着含碳量的增加,钢材的强度提高,塑性降低.
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2.普通低合金钢(合金元素总含量小于5%).除了含碳素钢各种元素外,还加入少量的合金元素,如锰,硅,钒,钛等,使钢筋强度显着提高,塑性与可焊性能也可得到改善,如Ⅱ级,Ⅲ级和Ⅳ级钢筋都是普通低合金钢.
(二)钢筋按生产加工工艺分类
可分为热轧钢筋,热处理钢筋,冷拉钢筋和钢丝(直径不大于5mm)四类.热轧钢筋由冶金厂直接热轧制成,按强度不同分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ级,随着级别增大,钢筋的强度提高,塑性降低.热处理钢筋是由强度大致相当于Ⅳ级的某些特定钢号钢筋经淬火和回火处理后制成,钢筋强度能得到较大幅度的提高,但其塑性降低并不多.冷拉钢筋由热轧钢筋经冷加工而成,其屈服强度高于相应等级的热轧钢筋,但塑性降低.钢丝包括光面钢丝,刻痕钢丝,冷拔低碳钢丝和钢绞线等.
(三)钢筋按其外形分类
可分为光面钢筋和变形钢筋两种.变形钢筋有螺纹,人字纹和月牙纹,月牙纹钢筋最常用.通常变形钢筋直径不小于10mm,光面钢筋的直径不小于6mm.
(四)钢筋按力学性能分类
可分为有物理屈服点的钢筋和无物理屈服点的钢筋.前者包括热轧钢筋和冷拉热轧钢筋,后者包括钢丝和热处理钢筋.
二、钢筋的主要力学性能
(一)钢筋的应力一应变曲线
1.有物理屈服点钢筋的典型应力一应变曲线如图2F311035(a)所示a
2.无物理屈服点钢筋的应力—应变曲线如图2F311035(b)所示.这类钢筋的抗拉强度一般都很高,但变形很小,也没有明显的屈服点,通常取相应于残余应变ε等于0.2%时的应力,作为名义屈服点,即条件屈服强度或条件流限,其值约相当于0.8倍的抗拉强度.
(二)钢筋的强度和变形指标
有物理屈服点的钢筋的屈服强度是钢筋强度的设计依据.另外,钢筋的屈强比(屈服强度与极限抗拉强度之比)表示结构可靠性的潜力,抗震结构要求钢筋底强比不大于0.8,因而钢筋的极限强度是检验钢筋质量的另一强度指标.无物理屈服点的钢筋由于其条件屈服点不容易测定,因此这类钢筋的质量检验以极限强度作为主要强度指标.
反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能.伸长率δ5或δ10是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比值,它反映了钢筋拉断前的变形能力.伸长率大的钢筋(如有物理屈服点的钢筋)在拉断前有足够的预兆,属于延性破坏.伸长率小的钢筋(如无物理屈服点的钢筋)塑性差,拉断前变形小,破坏突然,属于脆性破坏.
钢筋的冷弩硅能是钢筋在常温下承受弯曲变形的能力.在达到规定的冷弯角度时钢筋应不出现裂纹或断裂.因此冷弯性能可间接地反映钢筋的塑性性能和内在质量.
屈服强度～极限强度,伸长率和冷弯性能是有物理屈服点钢筋进行质量检验的四项主要指标,而对无物理屈服点的钢筋则只测定后三项.
三、混凝土结构用钢材
(一)热轧钢筋
热轧钢筋按表面形状分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋.
1.牌号.钢筋混凝土用热轧钢筋有HPB235,HRB335,HRB400,HRB500四个牌号.牌号书,HPB代表热轧光圆钢筋,HRB代表热轧带肋钢筋,牌号中的数字表示热轧钢筋的屈服强度.其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成,表面光圆,热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成,外表带肋.
2.选用.光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性好,便于冷加工,广泛用做普通钢筋混凝土,HRB335,HRB400带肋钢筋的强度较高,塑性及焊接性也较好,广泛用做大,冲型钢筋混凝土结构的受力钢筋,HRB500带肋钢筋强度高,但塑性与焊接性较差,适宜用做预应力钢筋.
(二)冷拉热轧钢筋
为了提高强度以节约钢筋,工程中常按施工规程对热轧钢筋进行冷拉.
冷拉Ⅰ级钢筋适用于非预应力受拉钢筋,冷拉Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级钢筋强度较高,可用做预应力混凝土结构的预应力筋.由于冷拉钢筋的塑性,韧性较差,易发生脆断,因此,冷拉钢筋不宜用于负温度,受冲击或重复荷载作用的结构.
(三)冷轧带肋钢筋
冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘条为母材,经冷拉或冷拔减径后,在其表面轧成具有三面或两面月牙形横肋的冷轧带肋钢筋.冷轧带肋钢筋代号为LL,按抗拉强度分为:LL550,LL650,LL800,其中数值表示钢筋应达