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水工建築材料

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可用以修建水工建築物的各種材料的總稱。水工建築材料隨著社會生產力的發展而逐步發展。中國古代早有「築土御水」之說。戰國時代水利事業獲得發展,例如在這一時期修建的都江堰工程使用了大量的竹子、木材、砂石料和粘土。南朝梁天監十三年(514)在修建浮山堰中曾應用鐵件貫串石塊築堤。明代《天工開物》中詳細記載了用糯米石灰三合土修建貯水池的方法。19世紀以來,建築鋼材、水泥、混凝土和鋼筋混凝土相繼問世,成為主要的建築材料。20世紀又有多種具有特殊性能的水泥、混凝土外加劑、防水材料、合成高分子材料和預應力混凝土等逐步得到發展和應用。水工建築物由於經常受到水的壓力、水流沖刷、磨損、凍融或乾濕循環等作用,出現混凝土凍脹破裂、 收縮開裂、 腐蝕、空蝕、化學侵蝕、海生物侵蝕、鋼材鏽蝕、木材腐蝕、瀝青與合成高分子材料老化等問題,都較其他建築物嚴重,需要重視。

1 水工建築材料 -水工建築材料

 

2 水工建築材料 -正文

  可用以修建水工建築物的各種材料的總稱。水工建築材料隨著社會生產力的發展而逐步發展。中國古代早有「築土御水」之說。戰國時代水利事業獲得發展,例如在這一時期修建的都江堰工程使用了大量的竹子、木材、砂石料和粘土。南朝梁天監十三年(514)在修建浮山堰中曾應用鐵件貫串石塊築堤。明代《天工開物》中詳細記載了用糯米石灰三合土修建貯水池的方法。19世紀以來,建築鋼材、水泥、混凝土和鋼筋混凝土相繼問世,成為主要的建築材料。20世紀又有多種具有特殊性能的水泥、混凝土外加劑、防水材料、合成高分子材料和預應力混凝土等逐步得到發展和應用。水工建築物由於經常受到水的壓力、水流沖刷、磨損、凍融或乾濕循環等作用,出現混凝土凍脹破裂、 收縮開裂、 腐蝕、空蝕、化學侵蝕、海生物侵蝕、鋼材鏽蝕、木材腐蝕、瀝青與合成高分子材料老化等問題,都較其他建築物嚴重,需要重視。
  建築材料按其組成物質可分為四大類。①礦物質材料,包括天然土、砂、石及其加工製成的材料,如燒土製品(磚、瓦等)、無機膠凝材料(石灰、石膏、各類水泥等)、砂漿及各種混凝土等;②有機材料,包括木材、竹材、瀝青、合成高分子材料(如環氧樹脂、聚乙烯樹脂)等;③金屬材料,包括黑色及有色金屬材料;④複合材料,即由上述兩種或兩種以上材料組合構成的材料,如瀝青砂漿、環氧混凝土、土工織物等。水利工程使用的建築材料種類繁多,現擇要說明如下。
  土石壩材料  用於修建土石壩的天然土、砂、石料。天然材料的性質、數量和分佈以及能否合理選用,直接影響土石壩的質量和造價。土石壩材料的運費一般占土石壩造價的50%~60%,如能就地、就近取材,縮短運距,就可以大幅度降低土石壩的造價。材料選用一般要滿足以下要求:①具有與其使用目的相應的工程性質,如防滲料有足夠的防滲性能,壩殼料有較高的強度,反濾料有良好的級配和排水性能等;②材料性質比較穩定,如在大氣和水的作用下不致嚴重風化變質,在滲流作用下不致因可溶鹽溶蝕而造成滲流通道,在高水頭作用下有足夠的抗管涌能力等;③便於施工,如要求土料含水量在最優含水量左右,無超徑料等。土石壩材料分類:①按材料性質可分為土料(含細粒粘性土及礫石土)、砂礫料和石料(含天然卵石、漂石及開採的碎石岩塊);②按滲透性可分為不透水料、半透水料及透水料;③按材料用途及填築部位可分為防滲料、壩殼料、反濾料、過渡料及護坡料。
  防滲料  壩體內減小壩身滲流量的材料。一般要求:①有足夠的防滲性能,對均質壩滲透係數不大於1×10-4cm/s,對心牆或斜牆不大於1×10-5cm/s;②無過量的可溶鹽和有機質;③有較好的塑性和滲透穩定性;④浸水與失水時體積變化較小;⑤便於施工。具有以上性質的粘性土、礫石土、風化礫石土、開挖出來的風化岩、人工摻和的礫石土都可作為防滲料。
  壩殼料  主要用於保持壩身穩定的材料。一般要求有較高的強度,在下游壩殼水下部位及上游壩殼水位變動區還要有較高的透水性。砂、礫石、卵石、漂石、料場開採和由建築物地基開挖的石料都可作為壩殼料。堆石壩早期採用高處拋填配以射水沖實的方法,對石料質量要求嚴格;20世紀60年代以來,堆石壩改用薄層鋪築,振動壓實的方法,風化岩、軟岩石等材料在高壩中得到大量應用。
  反濾料  在防滲料和壩殼料之間為防止滲透破壞,防止細粒土流失而設置的材料。防滲體和壩殼的粒徑及剛度相差很大,為避免壩體內剛度突變,常在中間設置過渡料。一般過渡料也兼有反濾料的作用。這兩種材料的合理使用都是保證土石壩安全運行的重要措施。反濾料和過渡料應具有以下性質:①一定的顆粒級配;②一定的透水性;③質地緻密堅硬,具有較高的抗水性和抗風化能力。一般選用天然砂礫料或爆破后的岩塊再經人工破碎、篩分。
  護坡料  保護土石壩壩坡的材料,可用拋石、干砌石、漿砌石、混凝土、瀝青混凝土以及草皮等材料。上游護坡石料要求質地堅硬,不易風化,石塊尺寸能抵抗風浪淘刷。下游護坡主要防止雨水沖刷,可用砌石、碎石、草皮等材料。
  混凝土  由膠凝材料、骨料、水及其他摻和料按一定比例拌制的拌和物。它是用途極為廣泛的建築材料,種類很多:①按膠凝材料分,有水泥混凝土、瀝青混凝土、硅酸鹽混凝土及聚合物混凝土;②按容重分,有重混凝土(容重大於2700kg/m3)、 普通混凝土(容重為1900~2600kg/m3)和輕混凝土(容重小於1900kg/m3);③按使用功能分,有水工混凝土、建築混凝土、道路混凝土、耐火或耐酸和防射線混凝土等;④按施工工藝分,有常規混凝土、碾壓混凝土、噴射混凝土及泵送混凝土;⑤按強度標號分,有低標號、高標號和超高標號混凝土。此外還有按某種特徵(材料、工藝、配筋、結構、性能等)來命名,以區別於其他混凝土,如加氣混凝土、無砂混凝土、浸漬混凝土、鋼筋混凝土、纖維混凝土、干硬性混凝土、高流態混凝土、預填骨料壓漿混凝土等。用得最多的還是由水泥、砂、石和水配製的普通混凝土以及配有鋼筋的鋼筋混凝土。
  普通混凝土中的水泥和水形成水泥漿,包裹骨料表面並填充中間空隙;在硬化前起粘聚、潤滑作用,使混凝土拌和物易於拌勻、澆築和振搗;在硬化后形成水泥石,把骨料膠結成一整體。混凝土的原材料豐富,適應性強,但抗拉強度較低,性脆易裂,可配以鋼筋或纖維,製成加筋混凝土來適當彌補上述缺點,擴大使用範圍。混凝土的工作性,又稱和易性,是指混凝土拌和物在施工過程中(拌和、運輸、澆築及振搗)保持均勻密實而不分層與不離析的性能。它綜合反映了拌和物的流動性、粘聚性、保水性及易密性。常用坍落度(標準圓柱形混凝土拌和物試件下坍的厘米數)作為流動性指標。坍落度為零的混凝土稱干硬性混凝土。
  混凝土強度一般指抗壓強度,是混凝土最重要的性質,通過標準試塊測定。用規定方法製取的標準試塊,在標準條件下養護,按齡期(從加水拌和成型至強度測試止的天數)28天的抗壓強度而劃分的等級稱為混凝土標號。中國水工混凝土分為75、100、150、200、250、300、400、500及600等9個標號。決定混凝土強度的主要因素是水泥標號和水灰比(拌和物中拌和水量與水泥用量的重量比)。混凝土的其他強度,如抗彎強度約為抗壓強度的1/5~1/8,直接抗剪強度為抗壓強度的1/4~1/6;抗拉強度為抗壓強度的1/9~1/15。混凝土的彈性模量,隨標號增高而增大;其抗裂性能通常以極限拉伸值(軸向拉伸斷裂時的極限拉應變)作為指標。混凝土的耐久性指其抵抗隨時間而引起性能與狀態改變的能力,通常包括抗滲性、抗凍性、抗磨性、抗侵蝕性等。合理選擇水泥及其他原材料、 嚴格控制水灰比、 優化配合比設計、摻用適當的外加劑、採用表面保護處理以及加強施工質量控制,可以提高混凝土的耐久性。混凝土的主要組分為水泥、砂、石及水,還有摻和料及外加劑。
  水泥  水硬性膠凝材料,加入適量水后,成為塑性漿體,能在空氣中硬化,也能在水中硬化,把砂石等散粒材料膠結在一起。水泥種類很多:①按其主要水硬性物質名稱分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥等;②按其用途及性能分為通用水泥(如普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥)、專用水泥(如油井水泥、 砌築水泥)和特種用途水泥(如快硬高強水泥、大壩水泥、膨脹水泥等)。用水泥製成的砂漿或混凝土堅固耐用,在水工建築物中廣泛應用。硅酸鹽水泥也稱波特蘭水泥,是硅酸鹽類水泥的基本品種。當其生料燒至部分熔融,得到以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料,加入適量石膏共同磨細而成;如摻以粒化高爐礦渣,稱礦渣硅酸鹽水泥;摻以火山灰混和材,稱火山灰質硅酸鹽水泥。為適應水利工程的需要,中國還生產大壩水泥、抗硫酸鹽水泥和灌漿水泥等。大壩水泥主要用於要求水化熱較低的大壩或大體積混凝土工程。抗硫酸鹽水泥用於受硫酸鹽侵蝕、凍融和乾濕作用的河港工程及地下工程。灌漿水泥具有凝結時間較長,流動性較好和析水性較小的特點,適用於固結灌漿、帷幕灌漿和接縫灌漿,還可用於密封伸縮縫和修補裂縫等。
  骨料  砂與石子的總稱。一般粒徑為 0.15~5mm的骨料為砂,也稱細骨料;粒徑大於5mm的骨料為石子,也稱粗骨料。產自天然河床或岸上的稱天然骨料;開採岩石經機械破碎、粉磨、篩分而成的稱人工骨料。一般天然骨料成本較低,宜優先使用;如天然骨料儲量不足,或質量較差,或附近無天然骨料,運距較遠,則採用人工骨料或以其補充調劑。骨料一般占混凝土體積的 3/4以上,起骨架作用,並可減少混凝土因水泥硬化、干縮濕脹而引起的體積變化。其物理力學性能對混凝土的性能有直接影響,故需慎重選用。砂一般不分級(也有分兩級的)。石子分為 4級,即小石、中石、大石和特大石,各級的最大粒徑分別為20、40、80和120mm(或150mm)。根據建築物斷面和鋼筋間距大小,一般結構選用二級配或三級配,四級配多用於大斷面素混凝土。骨料的粒徑越大,越能節約水泥,但限於施工設備及工藝條件,一般最大粒徑約為 120mm。骨料的生產流程如轉運次數過多,高差太大,導致骨料破碎、分離和超遜徑過量,將嚴重影響混凝土質量和均勻性,必要時須二次篩分。有鹼活性反應的骨料不宜使用。
  外加劑  為改善混凝土某些物理力學性能或改善施工條件所摻用的化學製劑及工業副產品,有:降低混凝土拌和用水、節約水泥的減水劑;改變混凝土凝結時間的緩凝劑或速凝劑;提高混凝土耐久性的加氣劑;易於泵送或生產高強混凝土的高效減水劑等。中國水工建築物中常用的外加劑有亞硫酸紙漿廢液、木質璜酸鈣、糖蜜或糖蜜酒精廢液、加氣劑、松香熱聚物等。有時使用有兩種以上外加劑的複合製劑,冠以不同商業名稱,既起減水作用,兼有引氣或緩凝作用;對大體積混凝土,複合製劑既可降低水泥用量,減少水化熱,又可降低和推遲溫峰,對溫度控制、防止裂縫都有積極作用。有的外加劑對水泥有選擇性,選用時除根據廠家說明書外,還需預為驗證。
  摻和料  在水泥熟料中摻以天然或人工的礦物質材料,用以調節水泥標號,降低水化熱,改善混凝土和易性與密實性,提高抗侵蝕能力,防止鹼骨料反應等。有的摻和料與水泥產生化學作用,生成水化產物的稱為活性混合材,如火山灰、 頁岩、 浮石、硅藻土、凝灰岩、粉煤灰等;有的僅起填充作用或改善和易性,不產生水化產物的稱為惰性混合材,如石粉、粘土等。使用最為廣泛的摻和料為粉煤灰,對改善水工混凝土性能比較顯著,對節約水泥用量,降低工程成本也有顯著的經濟效益。
  砂漿  由膠凝材料、細骨料和水等按一定比例配製的拌和物。它常以薄層使用,起粘結、傳遞應力、襯墊以及表面裝飾和防護作用,主要用於砌築磚、石、預製塊體和表面抹灰等。按膠凝材料的不同,可分為下列數種。①水泥砂漿:在水利工程中使用最多,適用於砌築處於水中或潮濕環境的砌體;②石灰砂漿:常用於對強度要求不高的砌體;③混合砂漿:摻有適量混合材料的水泥和石灰砂漿;④瀝青砂漿:由瀝青與石粉、細骨料加熱拌勻,鋪築壓實,多用於路面、防水層、伸縮縫等;⑤樹脂砂漿:由合成樹脂加入固化劑、粉料和細骨料調製而成,用於防腐蝕、抗沖磨護面等;⑥聚合物水泥砂漿:以聚合物與水泥共同製成的膠凝材料,用於護面、防水層、粘結劑等。砂漿按抗壓強度等級劃分砂漿標號。中國在水工建築物中常用的標號為25、50、100、150和200號。
  有機材料  水工建築常用的有機材料主要有以下幾類。
  木材  由樹木加工而成的材料。它是最古老的建築材料之一,其特性是質輕、強度較大,彈性和韌性好,抗衝擊能力較強,導熱性小,電絕緣性強,加工性能好。水利工程常用作模板、腳手架、渡槽、閘門、施工便橋以及房屋裝修和生活辦公用具等。人造板材是節約及綜合利用木材的重要手段。大部分人造板材的原料都是木材採伐加工過程中的剩餘物,經機械搗碎,加入適量膠料或粘合劑,壓製成型。這種板材強度較高、脹縮小,耐腐蝕,彌補了天然木材的一些缺陷,發展較快,應用廣泛。
  瀝青  由複雜的高分子碳氫化合物及其非金屬(氧、硫、氮)衍生物混合組成的有機膠凝材料。它能溶於二硫化碳等有機溶劑中,在常溫下呈固態、半固態或液態,具有良好的粘結性、 憎水性、 塑性及抗酸鹼腐蝕能力。水利工程如渠道、 蓄水池、 堤防護面、大壩和壩基的防滲體以及伸縮縫、止水井的灌注等多使用粘滯性較低、塑性好的道路石油瀝青。
  合成高分子材料  由分子量在幾千以上的化合物構成的有機材料,又稱高聚物,如塑料、橡膠、纖維、塗料、粘合劑等。按其來源可分為天然與合成兩類;按其化學結構主要分為鏈狀的線型分子和網狀的體型分子結構;按其生成反映可分為加聚物和縮聚物。
  合成樹脂是指一些類似樹脂的高分子化合物,以合成樹脂為主要成分,摻入(或不摻)填料、增塑劑、穩定劑等塑製成型的材料稱塑料,如聚乙烯、聚氯乙烯等。水利工程中塑料可代替部分止水銅片;塑料薄膜可用於渠道、蓄水池的防滲襯砌。塑料與玻璃纖維或其織物的層疊材料稱玻璃纖維增強塑料,也稱玻璃鋼,用於鋼絲網水泥薄壁構件和溢流面的護面層。多孔塑料板可用於排水系統;泡沫塑料板可用於混凝土的表面保溫。
  合成橡膠是具有可逆形變的高彈性合成高分子化合物。常用的合成橡膠有氯丁橡膠、丁苯橡膠等,用於閘門的止水材料;合成橡膠與錦綸或其他帆布組合的層疊材料可用作橡膠壩的壩袋;其乳液作為外加劑可提高水泥混凝土的塑性。
  合成纖維是全人工合成的線型高分子化合物抽成的纖維。工程上常用的有聚醯胺(商品名錦綸、尼龍、卡普隆)、聚丙烯等。纖維織物可用以代替傳統的砂礫石反濾層或梢料沉排,或作成巨型砂袋堆築堤壩。
  合成高分子材料耐久性較差,易於老化,在氧氣、紫外線和熱的作用下,化學結構逐漸破壞,導致性能變差。但如用於水中或地下工程,壽命也可延長。
  環氧樹脂  含有環氧基的合成樹脂,呈粘性液體或半固體,需摻一定數量的硬化劑(也稱固化劑、高聯劑),使其硬化成熱固性樹脂。水利工程中主要使用胺類硬化劑如乙二胺、間苯二胺,在乾燥條件下效果較好;當用於潮濕表面和水下,則需選用耐水的硬化劑,如酮亞胺、聚醯胺,或摻入促進劑如煤焦油,其粘結強度與混凝土本身抗拉強度基本相同。在環氧樹脂中還常根據不同用途摻入各類稀釋劑、增韌劑和填料等。例如以糠醛、丙酮或二甲苯作稀釋劑,其溶液可用於0.1mm以上的裂縫灌漿;以金剛砂為主要填料的膠泥可用作水輪機過流部件的抗磨損塗層。在配製與使用環氧樹脂時,要注意防毒、防火和避免污染環境。
  金屬材料  分黑色金屬與有色金屬兩大類。鐵、鉻、錳稱黑色金屬;黑色金屬以外的金屬統稱有色金屬。鋼是鐵和碳等元素組成的鐵碳合金。水利工程較多使用普通碳素鋼與普通低合金鋼(也稱低合金高強度鋼)。建築用鋼大多將鋼材製成線材或型鋼使用,如圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼軌、鋼板、鋼帶、鋼管、鋼絲等。鋼筋用於鋼筋混凝土結構,分光面鋼筋和螺紋鋼筋。前者用普通碳素鋼熱軋製成;後者用普通低合金鋼熱軋製成。
  複合材料  水工建築物常用的複合材料有:①以瀝青為基材的防水材料。其品種很多,例如:與紙脂、玻璃纖維布、麻布或再生膠組合成各類防水卷材;與某些合成樹脂配成防水油膏;與粉狀或纖維狀礦物填充料組成瀝青膠,再加砂、石配成瀝青砂漿或瀝青混凝土。②以水泥、 石英粉、 砂、石等作填料,摻入環氧樹脂組成環氧砂漿或環氧混凝土,多用於鑲面石的砌築或勾縫、水泥混凝土的粘合(包括新老混凝土粘合)、已澆混凝土坑洞或大裂縫的修補以及用於抗磨損、抗空蝕、防滲等保護層。③土工合成材料是以人工合成的聚合物為原料(包括各種塑料、合成纖維、合成橡膠等)應用於土木建築工程的新型材料,主要分為土工織物、土工薄膜及特種土工合成材料。製造土工織物的原料以丙綸及滌綸最多,其次是錦綸。土工織物的功能是隔離、排水、反濾、增加強度、用作路基墊層等。製造土工薄膜的原料有瀝青、天然橡膠、合成橡膠以及各種塑料。土工薄膜主要用於防滲,如土石壩的直立或傾斜防滲層、閘壩上游鋪蓋防滲層、混凝土壩擋水面防滲層以及渠道防滲等。特種土工合成材料可以代替土工織物,也可與土工織物組合使用,主要品種有帶狀織物、 席墊、 土工網、土工格柵、成型的塑料板等。

 

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