第三章_混凝动力学
混凝土的动力学性能原理及其应用
混凝土的动力学性能原理及其应用一、引言混凝土作为一种常用的建筑材料，具有许多优点，如强度高、耐久性好、施工方便等等。
然而，混凝土的性能并不止于此，它还具有很好的动力学性能，因此在工程中得到广泛应用。
本文将介绍混凝土的动力学性能原理及其应用。
二、混凝土的动力学性能混凝土的动力学性能是指在受到外力作用下，混凝土的应力、应变和变形等性能。
混凝土的动力学性能主要包括以下几个方面。
1. 动态弹性模量动态弹性模量是指混凝土在动态加载下的弹性模量。
它是描述混凝土在受到冲击荷载时变形程度的重要参数。
动态弹性模量与静态弹性模量的关系是：动态弹性模量比静态弹性模量小，一般在0.6-0.9之间。
2. 应力波传播速度应力波传播速度是指混凝土内应力波在传播过程中的速度。
它是描述混凝土在受到冲击荷载时反应速度的重要参数。
应力波传播速度与混凝土的密度、弹性模量、泊松比等参数有关。
3. 损伤模型混凝土在受到冲击荷载时，会发生损伤。
损伤模型是指描述混凝土在受到冲击荷载时损伤程度的数学模型。
常用的损伤模型有Johnson-Cook模型、Cavitation模型等。
4. 动态强度动态强度是指混凝土在动态加载下的强度。
它是描述混凝土在受到冲击荷载时承受能力的重要参数。
动态强度与静态强度的关系是：动态强度比静态强度小，一般在0.6-0.9之间。
三、混凝土的动力学性能测量方法为了研究混凝土的动力学性能，需要进行测量。
目前常用的测量方法有以下几种。
1. 冲击试验冲击试验是指在混凝土表面施加冲击荷载，测量混凝土的反应。
常用的冲击试验设备有冲击锤、冲击台等。
根据冲击试验的结果，可以获得混凝土的动态弹性模量、应力波传播速度、动态强度等参数。
2. 拉伸试验拉伸试验是指在混凝土试件上施加拉力，测量混凝土的应变和应力。
通过拉伸试验，可以获得混凝土的静态弹性模量、静态强度等参数。
3. 压缩试验压缩试验是指在混凝土试件上施加压力，测量混凝土的应变和应力。
通过压缩试验，可以获得混凝土的静态弹性模量、静态强度等参数。
第三节 混凝
混凝原理 混凝剂与助凝剂 混凝工艺过程及设备 操作管理 澄清池
钱意
一、混凝原理
混凝就是通过向水中投加一些药剂（常称混凝剂）使水中 难以沉淀的细小颗粒（粒径大致在1~100μ m）及及胶体颗 粒脱稳并互相聚集成粗大的颗粒而沉降，从而实现与水分 离，达到水质的净化。
混凝的原理：双电层作用(低分子电解质对胶体微粒产生 电中和以引起胶体微粒凝聚)和化学架桥作用(胶体微粒对 高分子物质具有强烈的吸附作用，各微粒依靠高分子的连 接作用构成某种聚集体，结合成为絮状物)。
混凝机理简介
压缩双电层机理 吸附电中和机理 吸附架桥机理 沉淀物网捕机理
影响混凝效果的因素
PH值 水中pH值对混凝剂的水解及其形成的难溶盐溶解度、凝聚 效果等有直接影响，不同的混凝剂，对其产生混凝作用时 的最佳pH值有不同的要求。 水温 水温以 20℃~30℃ 为宜。水温低时，因无机盐类混凝剂 的水解是吸热反应，不利于混凝剂如硫酸铝的水解，且水 温低时水的粘度大，颗粒的布朗运动强度减弱，不利于胶 体脱稳和絮凝物的成长。铝盐作为混凝剂时，水温对混凝 效果有较大影响；铁盐作为混凝剂时，水温对混凝效果影 响不大。
胶体粒子的结构及其电位分布
电泳与电渗
电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向 移动的现象。也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间 的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性 固体的现象称为电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的。 当在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶 体微粒带正电；向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电。
W—溶液池的容积，m³ a—混凝剂最大用量，mg/L Q—处理的水量，m³/h c—溶液浓度，一般用10％~20％ n—每昼夜配制溶液的次数，一般为2~6次 溶药池容积：W1=（0.2~0.3）W
第3章_凝聚和絮凝
排 斥 势 能 E R
r
r
Er E Emax
(a)
0
a
c
间 x 距
吸 引 势 能 EA
Ea
图 6-2 3-2
相 作 势 与 粒 离 系 互 用 能 颗 距 关
（ a)双 层 叠 电 重 ； (b)势 变 曲 能 化 线
3.2 混凝机理
一.铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表性的是硫酸铝Al2(SO4)3⋅18H2O,溶 于水后,立即离解铝离子,通常是以[Al(H2O)6]3+存在. 在水中,会发生下列过程。 1. 过 配位水分子发生水解： [Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++ H+ ……. 其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al (OH)3沉淀
。 胶
H值的影响 (2) 水的pH值的影响 (3) 水的碱度的影响 (4) 水中浊质颗粒浓度的影响 (5) 水中有机污染物的影响 (6) 混凝剂种类与投加量的影响 (7) 混凝剂投加方式的影响 (8) 水力条件的影响
3.3 混凝剂
一.混凝剂 种类有不少于200 300种 200－ 种类有不少于200－300种 其分类见表3-1 其分类见表3
3.1 胶体的稳定性
一.胶体的稳定性 胶体的稳定性
动力学稳定性 聚集稳定性
布朗运动对抗重力。 布朗运动对抗重力。 胶体带电相斥（憎水性胶体） 胶体带电相斥（憎水性胶体） 水化膜的阻碍（亲水性胶体） 水化膜的阻碍（亲水性胶体）
两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。 两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。 对胶体稳定性的影响起关键作用
G= p
µ
当 当 能 ，
混凝的原理
混凝的原理什么是混凝混凝，也称凝聚剂，是一种常见的建筑材料，被广泛用于混凝土、砂浆和其他建筑材料中。
混凝的主要作用是使液体混合物在适当条件下发生凝结，形成坚固的结构。
混凝的应用领域非常广泛，在建筑、道路、桥梁等工程中起到至关重要的作用。
混凝的原理混凝的原理主要涉及凝聚剂与液体材料之间的相互作用。
凝聚剂一般由粘合剂和添加剂组成，它们与液体材料中的颗粒发生化学反应或物理吸附，从而促进材料颗粒之间的结合。
物理作用物理作用是混凝的主要原理之一。
在液体材料中，颗粒会靠着分子间的引力相互靠拢。
凝聚剂中的添加剂会通过在颗粒表面形成吸附层的方式，使颗粒之间的距离进一步缩小，从而形成较为紧密的结构。
此外，物理作用还包括颗粒之间的电荷作用力、表面张力等。
化学作用化学作用是混凝的另一个重要原理。
凝聚剂中的粘合剂会与液体材料中的颗粒发生化学反应，形成新的物质，从而使颗粒之间的结合更加牢固。
例如，在混凝土中，粘合剂水泥与骨料中的矿物质发生水化反应，生成水化硬固体，从而使混凝土具有一定的强度和耐久性。
混凝的施工过程混凝的施工过程包括准备工作、配合比设计、材料拌和、浇注成型和养护等环节。
准备工作在进行混凝材料的施工之前，需要进行一系列的准备工作。
这包括确定混凝材料的种类和性能要求、施工场地的布置和清理、检查施工设备和工具的完好性等。
配合比设计配合比设计是混凝材料施工的关键环节之一。
通过根据材料的种类及其比例来确定混凝材料的配合比，以确保混凝材料具有所需的强度、可塑性等性能。
材料拌和在混凝材料施工过程中，不同的材料需要按照一定的比例进行拌和。
一般来说，先将颗粒状材料与粘结剂充分混合，再根据需要逐步加入水或其他添加剂进行搅拌。
搅拌的时间和速度也需要根据具体的材料类型和施工要求进行调整。
浇注成型材料拌和后，需要将其迅速浇注到预定的模具或施工区域中。
浇注的过程需要保证材料的均匀性和密实性，避免产生空洞或裂缝等缺陷。
养护材料浇注后，需要进行一定的养护，以确保混凝材料能够发生正常的凝固和硬化过程。
第三章 混凝
同向紊流理论-说明 • 说明 • 1. p 和
沿用习惯，也称为G.
• 2.G能反映所给功率，其值越大，颗粒碰撞 速率越大，混凝效果越好。若太大，由于 过大的水流剪力力，会破坏形成的絮凝体 （处于研究阶段）。 • 3.实际中最佳G值及药物投加量，要通过混 凝条件实验来确定。
3.6混凝动力学—混凝控制指标
混凝剂的种类有不少于200-300种，分为无机与有 机两大系列
3.4混凝剂和助凝剂—混凝剂
铝系
无机 铁系 硫酸铝（在我国使用方便） 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合 物 人工 合成
适宜pH：5.5~8
3.3混凝机理
凝聚机理
压缩双电层 吸附——电中和作用 吸附架桥作用 网捕——卷扫作用
絮凝机理
异向絮凝 同向絮凝
一、凝聚机理—压缩双电层
• 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 • 电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双 电层――电位――稳定性――凝聚
电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电 位＝0，只要使Emax=0即可，此时的电位称为 临界电位
3.4混凝剂和助凝剂—助凝剂
凡是不能在某一特定的水处理工艺中单独用作混 凝剂但可以与混凝剂配合使用而提高或改善混凝 效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加 混凝，也可不参加混凝。 按投加目的可分为几类：
1.以吸附架桥改善已形成的絮体结构：如骨胶、活化硅酸、 聚丙烯酰胺（PAM）及其水解产物 2.以调节原水酸碱度来促进混凝剂水解：调整水的pH，如 石灰、硫酸等 3.以破坏水中有机污染物对胶体颗粒的稳定作用来改善混 凝效果：如投加高锰酸盐、臭氧等 4.以改变混凝剂化学形态促进混凝效果：主要指硫酸亚铁 作为混凝剂时，投加Cl2促使亚铁离子氧化成三价铁
第三章-混凝的原理与应用
助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
改善絮体结构－增加颗粒重量
PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物 ，骨胶等
3.影响混凝效果的主要影响因素
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位电位只要降至某一程度而使胶粒 间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
同向絮凝
2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
第三章+混凝
布朗运动的动能不足以克服能垒，使双电层结构不易遭破坏，从而胶体保持稳定。对于亲水 胶体其水壳厚度使之不能相互接近。 3、胶体颗粒的脱稳与絮凝
3.3.3 水中杂质性质，成分和浓度
水中存在二价及其以上的正离子，利于双电层压缩； 水中存在较多粘土，可降低混凝剂用量； 水中存在较多有机物时，将增加混凝剂用量； 水中杂质越单一、尺寸越均匀、颗粒越细小，越不利于混凝效果； 杂质浓度过低，不利于颗粒间接触而影响混凝效而果； 目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。
电中和
小胶粒被异号大胶粒吸附
巨大颗粒一般指矾花、滤料。
3-2 混凝的过程与机理
3.2.1 水处理中混凝的特点
天然水中的颗粒是一个很复杂的体系──大小不一，组分多样，性质各异。废水中存在的 颗粒有：
粘土、细菌、腐植酸、蛋白质等； 无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒；
比胶体化学中研究的单一胶体更为复杂。 水的混凝过程要考虑：颗粒增大至足以沉降的粒度，有较结实和比重大的结构。
3.1.4 胶体的稳定性与凝聚
1、稳定性 胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性。
2、稳定的原因： ① 布朗运动：保持分散状态；提供碰撞机会 ② 静电斥力：疏水胶体外的同号电荷形成静电斥力，又叫 ζ 电位库仑力，与颗粒间距离
的平方成反比，与电位成正比。 ③ 水（溶剂）化作用：亲水胶体由于具有水壳，具有水化作用。其大小与水壳的厚度有
3-3 影响混凝的主要因素
3.3.1 水温
混凝剂的水解为吸热过程， 低温不利于混凝剂水解（水温每降 10℃，水解速度将降低 2~4 倍）；
混凝动力学PPT
3.4 混凝动力学研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒之间相互碰撞，浓度随时间减少的过程。
颗粒之间相互碰撞的动力颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。
由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。
由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称为同向絮凝3.4.1 异向絮凝动力学由布朗运动造成的颗粒碰撞聚集。
由于布朗运动方向的不规律性，对某一个胶体来说，它可能受到来自各个方向的颗粒的碰撞，故称为“异向”。
其碰撞速率与水温成正比，与颗粒数量的平方成正比，而与颗粒尺寸无关。
但当颗粒的粒径大于1 µm时布朗运动消失。
3.4.2 同向絮凝动力学由外加能量或消耗自身势能产生流体运动而造成的颗粒碰撞聚集的过程当在同一方向上运动的两个颗粒间存在速度差，两个颗粒在垂直运动方向上的球心距离小于它们的半径之和时，速度快的将赶上速度慢的颗粒，从而相碰接触产生絮凝现象3.4.4 混凝控制指标自混凝剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。
由混合和絮凝过程构成。
GT 值：速度梯度与水流在混凝设备中的停留时间T 的乘积。
反映在T 时间内颗粒碰撞的总次数。
GTC V 值: 考虑到浓度的影响后的混凝控制指标G 值：速度梯度混合设备和絮凝设备的水力条件1)混合阶段：对水流进行剧烈搅拌，使药剂快速均匀分散于水中以利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。
平均G＝700~1000s-1，时间通常在10～30s，一般<2min。
此阶段，絮体颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。
2)絮凝阶段：主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。
同向絮凝效果不仅与G 有关，还与时间有关。
通常以G值和GT值作为控制指标。
平均G＝20－70s-1，GT＝104-105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。
3.4.5 影响混凝效果的主要因素水温：水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。
第3章混凝
胶粒：通常将胶核与吸附层合在一起 称为胶粒
胶团：胶粒与扩散层组成的电中性胶 团，称为胶团。 由于胶粒内反离 子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总 是带电的 ，其电量等于表面电荷数与 吸附层反离子电荷数之差 ，其电性与 电位离子电性相同。
2 胶体的电位
胶体的电动电位（ζ电位）：当胶体粒子运动 时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团， 向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩 余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电 荷数值，符号与电位离子相同），使胶粒与 扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶 体的电动电位，常称为ζ电位。
式中[CaO]：纯石灰CaO投量，mmol/L；
[a]：混凝剂投量，mmol/L；
[x]：原水碱度，按mmol/L，CaO计；[δ]： 保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通 过试验决定。
3.水中悬浮物浓度的影响
杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效 果差。可采取的对策有： ①加高分子助凝剂； ②加粘土 ③投加混凝剂后直接过滤
3.1.3 DLVO理论
DLVO理论：胶体颗粒之间的相互作用 决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥 力与范德华引力产生。
排斥势能：ER－1/d2 吸引势能：EA－1/d6
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能 与距离之间的关系，
排
斥
势
Er
能
ER E
Emax 0a
吸
Ea
引
势
能
EA
r c
r (a)
图 6-6 胶体保护示意
4 网捕卷扫作用
向水中投加含金属离子的化学药剂后， 由于金属离子的水解和聚合，会以水中 的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者 在这种沉淀物从水中析出的过程中，会 吸附和网捕胶粒而共同沉降下来这称为 网捕卷扫作用。
水质工程学——第3章 混凝
稳定性原因 双电层结构与电位
•Φ电位：胶核表面的点位，总电位。
扩散层
•电位：滑动面上的电位，动电位。
在数值上等于总电位中和
吸附层
胶 胶粒 核
胶
団
天然水中胶体杂质通常是负电胶 体，如粘土，细菌，病毒，藻类， 腐殖物等。 粘土电位＝-15~-40 mV 细菌电位＝-30~-70 mV 藻类电位＝-10~-15 mV
の
阳离子浓度 阴离子浓度
憎水胶体稳定性的原因：DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用：
排斥势能——静电斥力 排斥势能：ER－1/d2 吸引势能——范德华引力 吸引势能：EA－1/d6（或1/d2，1/d3） 胶体颗粒能否聚集取决于总势能
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
0
a b
高分子投量过少，不足以形成吸附架桥 投加过多，会出现“胶体保护”现象。 •铝盐的多核水解产物： 长度不足，电性中和 •中性氢氧化铝聚合物： 架桥作用 •高分子物质： 吸附架桥 +（电中和）
线性、长度
弹性势能、电性 斥力、水化膜
架桥模型示意图
胶体保护示意图
3.网捕或卷扫 网捕或卷扫 机械作用
金属氢氧化物在形成过
天然水体一般pH=6.5-7.8 ，主要吸附 架桥和电性中和。
作业一
1.什么是胶体稳定性？水中胶体为什么
处于稳定状态（稳定状态的分类）？ 2.用DLVO理论解释胶体稳定性的原因 3.混凝机理有哪些？
3.2 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
混凝剂符合的要求
混凝效果好 对人体无危害
使用方便 货源充足，价格低廉
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定 性对胶体稳定性的影响起关键作用。布朗运动既 是胶体稳定性原因，也是引起碰撞聚结的不稳定 因素。
混凝土的动力学性能原理及其应用
混凝土的动力学性能原理及其应用一、前言混凝土是建筑工程中最常见的建筑材料之一，其良好的力学性能使其成为建筑物的重要组成部分。
本文将重点介绍混凝土的动力学性能原理及其应用。
二、混凝土的动力学性能原理1. 混凝土的力学性质混凝土的力学性质是指混凝土在外力作用下的变形和破坏特性。
混凝土的力学性质与混凝土中的水泥石、骨料、细集料、外加剂等因素有关。
水泥石是混凝土的主要成份，对混凝土的力学性质起着决定性的作用。
2. 混凝土的动力学性能混凝土在受到瞬间外力作用时，其应力、应变关系呈现出动态响应特性，即混凝土的动力学性能。
混凝土的动力学性能与混凝土的静态性能有所不同，其主要体现在以下几个方面。
（1）弹性模量：混凝土的弹性模量随着外力频率的增加而减小，即混凝土的动态弹性模量小于静态弹性模量。
（2）泊松比：混凝土的泊松比随着外力频率的增加而增大，即混凝土的动态泊松比大于静态泊松比。
（3）抗拉强度：混凝土的抗拉强度随着外力频率的增加而减小，即混凝土的动态抗拉强度小于静态抗拉强度。
（4）动态强度：混凝土的动态强度是指在动态加载下混凝土的承载能力。
混凝土的动态强度随着外力频率的增加而减小，即混凝土的动态强度小于静态强度。
三、混凝土的应用1. 地震工程混凝土的动力学性能使其成为地震工程中重要的建筑材料。
混凝土能够吸收地震作用下的能量，在地震中保护建筑的安全。
此外，混凝土与钢筋的组合构件能够提高建筑的抗震能力。
2. 道路工程混凝土在道路工程中的应用主要包括混凝土路面、桥梁和隧道等。
混凝土路面是道路工程中最常见的应用，其具有平整、耐磨、防滑等特点。
混凝土桥梁和隧道具有优异的抗压和抗拉性能，能够承受大量的交通荷载。
3. 水利工程混凝土在水利工程中的应用主要包括水坝、水电站、渠道等。
混凝土水坝具有良好的抗震、抗滑、防渗等特点，能够有效地保护水资源和人民生命财产安全。
混凝土水电站具有高效、环保等特点，能够有效地满足人民对能源的需求。
第三章_混凝动力学
• 3.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：
•
一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗
粒碰撞聚集称“异向絮凝”。
•
另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流
体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
•
2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。 • 3.水温低时，水中胶体颗粒的布朗运动减弱。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重
量和强度，提高沉速。
• 二、水的pH值和碱度
值作为控制指标。
•
CV——水中颗粒体积浓度。
a——颗粒有效碰撞系数。
•
如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。从
理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但具 体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继续
研究的目标。
3.2影响混凝的因素
•
p——单位体积流体所耗功率 （w/m3)
•
G——速度梯度 （S-1）
• 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗；
•
PV=gQh…………………………(8)
•
混凝土的动力学性能原理及其应用
混凝土的动力学性能原理及其应用一、前言混凝土是一种常用的建筑材料，具有广泛的应用领域。
混凝土的力学性能是其能否承受外部荷载并保持稳定的关键因素。
然而，混凝土在受到外力作用时会发生变形和破坏，因此需要了解混凝土的动力学性能，以便更好地应用于实际工程中。
本文将深入探讨混凝土的动力学性能原理及其应用。
二、混凝土的力学性质1. 弹性模量弹性模量是指在弹性阶段，单位应变下应力的比值。
混凝土的弹性模量受到多种因素的影响，如水胶比、骨料种类和大小、龄期等。
通常情况下，混凝土的弹性模量约为剪切模量的10倍。
2. 抗拉强度混凝土的抗拉强度相对较低，通常只有其抗压强度的10%左右。
这是因为混凝土在受到拉应力时会出现微裂纹，导致强度降低。
因此，在实际工程中，需要采取一些措施来增强混凝土的抗拉强度，如添加钢筋等。
3. 抗压强度混凝土的抗压强度是指在试验条件下，单位面积的混凝土能够承受的最大压应力。
混凝土的抗压强度受到多种因素的影响，如水胶比、骨料种类和大小、龄期等。
通常情况下，混凝土的28天抗压强度为20~50 MPa。
4. 压缩变形混凝土在受到压应力时会发生压缩变形，即体积缩小。
混凝土的压缩变形受到多种因素的影响，如水胶比、骨料种类和大小、龄期等。
通常情况下，混凝土的压缩变形率为0.002~0.003。
三、混凝土的动力学性能1. 动力学力学性能混凝土在受到动态荷载作用时，其力学性能会发生变化。
例如，在地震或爆炸等情况下，混凝土的强度和变形能力会受到影响。
因此，需要研究混凝土的动力学性能，以便更好地应对这些情况。
2. 疲劳性能混凝土在受到反复荷载作用时，会出现疲劳现象，即强度和变形能力逐渐降低。
这是由于混凝土中的微裂纹会逐渐扩展，导致强度降低。
因此，需要对混凝土的疲劳性能进行研究，以便更好地应对这些情况。
3. 冻融性能混凝土在受到冻融循环作用时，会出现开裂现象，导致强度降低。
这是由于混凝土中的水会在冻结时膨胀，导致混凝土受到应力。
混凝
本章小结
简单水合铝离子 主要是多核羟基配合物对带 有负电荷的胶体起电性中和 作用，凝聚体比较密实；
pH<3 pH＝ 7～7.5
[Al(H2O)6 ]3+可起压缩胶体双
电层作用；
pH＝ 4.5～6.0
pH＝ 6.5～7.8
电中性氢氧化铝聚合物 [Al(OH)3]n可起吸附架桥作用， 同时也存在某些羟基聚合物的 电性中和作用。
三、胶粒之间的作用力关系
胶体布朗运动的平均动能Eb=1.5kT （k为波兹曼常数，T为水的热力学 温度）。
排 斥 势 能 ER
r
r
Er E Emax
(a)
0
a
c
间距x
吸 引 势 能 EA
Ea
当胶体距离x<oa或x>oc时，吸引势 能占优势； 当oa <x< oc时，排斥势能占优势； 当x=ob时，排斥势能最大，称为排 斥能峰Emax。 只有x<oa时，即Eb> Emax时，凝聚 才会发生。 胶体的布朗运动能量大于排斥能峰 时，胶体颗粒能发生凝聚。 水中胶粒排斥能峰Emax远远大于Eb， 故胶粒处于稳定状态。上述颗粒间 势能的概念简称DLVO理论。
[Al(OH) (H O) ]+ H O = [Al(OH) (H O) ] + H O
3 2 3 2 4 2 2 3
+
2、羟基桥联 生成两核络合物。PH升高时，溶液会平行交错进行两类反应
：一类是羟基桥联的络合反应，其结果使生成物中Al核数目及
电荷数目都不断增多。
OH
2
O)5]2+ + [Al(OH)(H2O)5]2+
羟基桥联反应。
第三章 混凝和絮凝1
与水作用后溶解并电离： 与水作用后溶解并电离： 胶体表面物质与水反应后产生阴、阳离子，释放阳、 阴离子到水中，使胶体颗粒带与阴、阳离子相同的 电荷。 石英砂表面的硅原子水合后产生硅烷醇基团 SiOH, 摄取H+而带正电，摄取OH-而带负电，一般带负电。 离子的吸附： 离子的吸附： 一般胶体易吸附阴离子而带负电。表面活性剂特殊 难溶胶体选择性吸附与晶格组分相似的离子而带不 同电荷，取决于分散体系的组成。 AgI胶体：AgNO3+KI AgI+KNO3 若KI过量，AgI优先吸附I-而带负电，否则带正电。
第三章 凝聚和絮凝
内 容： 3.1 胶体的稳定性 3.2 混凝机理 3.3 混凝剂 3.4 混凝动力学 3.5 混凝过程 3.6 混凝设施 3.7 混凝试验 重 点： 混凝基本理论和动力学 难 点： 混凝动力学
关于混凝的几个基本概念
混凝（Coagulation）： ）：水中胶体粒子以及微小悬浮 混凝（Coagulation）：水中胶体粒子以及微小悬浮 物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。 物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。 凝聚（Aggregation）： ）：使胶体脱稳并生成微小聚集 凝聚（Aggregation）：使胶体脱稳并生成微小聚集 体的过程。 体的过程。 絮凝（Flocculation）： ）：脱稳的胶体或微小悬浮物 絮凝（Flocculation）：脱稳的胶体或微小悬浮物 通过吸附、 通过吸附、卷扫和架桥等作用而聚结成更大的絮凝 体的过程。 体的过程。 混凝过程涉及： 水中胶体的性质； 混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②投加化学药 剂的特性； 胶体与化学药剂的相互作用。 剂的特性；③胶体与化学药剂的相互作用。 混凝去除对象：悬浮物和胶体。 混凝去除对象：悬浮物和胶体。
混凝
隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头
损失组成。往复式总水头损失一般在0.3~0.5m，回 转式的水头损失比往复式的小40％左右。 隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮 凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。
2.8m
接沉淀池
进 水
接 沉 淀 池
19.7m
22.0m
进 水 管
进 水 管
图 6-15
往复式隔板絮凝池
图 6-16 回转式隔板絮凝池
2.折板絮凝池
通常采用竖流式，它将隔板絮凝池 的平板隔板改成一定角度的折板。折板 波峰对波谷平行安装称“同波折板”， 波峰相对安装称“异波折板”。与隔板 式相比，水流条件大大改善，有效能量 消耗比例提高，但安装维修较困难，折 板费用较高。其示意图见图6-17与图618。
2.水的pH和碱度影响
原水pH值对混凝剂的影响程度，视混 凝剂品种及原水水质不同而异（除浊、 色的pH不同） 根据所选用的混凝剂，水体的pH过高 或过低必须进行调整。
3.水中悬浮物浓度的影响
杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效 果差。可采取的对策有： ①加高分子助凝剂； ②加粘土 ③投加混凝剂后直接过滤 如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的 用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水 常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。
原水管
图 6-13 管式静态混合器
图 6-14 扩散混合器
3 机械混合 在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是 桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度 700~1000s-1，时间10~30s以内，优点是混 合效果好，不受水质影响，缺点是增加机 械设备，增加维修工作。
3.5.2 絮凝设备
1.隔板絮凝池
隔板絮凝池分往复式和回转式，见图6-15与图616。
第三章 混凝
[Al3(OH)4(H2O)10]5+ 三聚体
23
水污染 控制工程 Ⅰ
硫酸铝混凝过程
在缩聚反应的同时，聚合物水解反应仍继续进行，使在
水中形成多种形态的高聚物，如：
[A13(OH)4(H2O)10]5++H2O [A13(OH)5(H2O)9]4++H3O+
由于上述聚合和水解反应交错进行，因而其产物必然是多种
第三章 混凝
16
水污染 控制工程 Ⅰ
3.1.3
胶体的脱稳与凝聚机理
（3）吸附架桥 胶粒和细微悬浮物并 不一定要脱稳，也无 需直接接触;
ζ电位的大小不起决 定作用;
但聚合物的加入量及 搅拌强度和搅拌时间 必须严格控制。
第三章 混凝
17
水污染 控制工程 Ⅰ
3.1.3 胶体的脱稳与凝聚机理
形态的聚合铝络离子在一定条件下的混合平衡。
第三章 混凝
24
水污染 控制工程 Ⅰ
硫酸铝混凝过程
由上可见，从投加混凝剂开始到反应结束，是从简单到复 杂的各种产物相继出现并交叉发挥作用的过程，其中包括： 低pH值下低聚合度的高电荷络离子的压缩双电层和电 荷中和作用； 高pH值下高聚合度的低电荷络离子的吸附桥联作用； 以及中性条件下 [A1(OH)3(H2O)3]n沉淀的网捕作用。 要充分发挥混凝剂的作用，往往需要投加石灰以维持溶液 的pH值，以促进水解聚合反应的进行。
第三章 混凝
13
水污染 控制工程 Ⅰ
压缩双电层机理的适用范围
特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况。Eg. 港湾处泥沙沉积现象。 机理的缺陷 理论上应是在等电状态下混凝效果最好，但实际上ζ电 位往往大于0。 溶液中超额的反离子进入扩散层，出现胶粒电荷改变 符号而使胶粒重新稳定的情况，见下页图。如三价铝 盐或铁盐混凝剂投量过多时效果反而下降。 不能单纯用静电作用来说明在水溶液中投加混凝剂使胶粒 脱稳的胶粒、混凝剂和水溶液三个方面的相互作用的综合 现象。
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5
3 4 2 5 7 1 8
6
h
9
10
图 6-9 泵前投加
1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球阀； 6-投药苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-压水管；
1 2 4 6 7 3 1 8 高压水 6 5
2
3
5 4
图 6-10 高位水箱溶液重力投加
1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱； 5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；
（1）泵前投加 ：安全可靠，一般适用取水泵房距 水厂较近者，图中水封箱是为防止空气进入，见 图6-9。。 （2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂 较远者，安全可靠，但溶液池位置较高，见图610。 （3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池 高度不会受太大限制，但效率低，易磨损，见图 6-11。 （4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自 动控制系统，有利于药剂与水混合，见图6-12。
3.3.2 混凝剂投加
混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、 必要的水封箱以及注入设备等。。 1.计量设备 计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵 等。 2.投加方式 按混凝剂的状态分固体投加（干投）和溶液投加（湿 投）； 按混凝剂投加到原水中的位置有泵前投加和泵后投加； 在溶液投加中按药液加注到原水中的动力来源有重力投 加和压力投加之分。
• •
•
AL2(SO4)3 + 3H2O + 3CaO = 2AL(OH)3 + 3CaSO4 2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2
三、水中悬浮物浓度的影响 • 因电解质能使胶体凝聚，所以水中溶解盐类能 对混凝发生影响，由于 AL2(SO4)3 的水解产物都带 正电核，所以天然水中 Ca2+ 、Mg2+ 对混凝有利， 而水中某些阴离子如 Cl-，对混凝产生不利影响， 不过，这些方面还有许多问题有待研究。 • 粘土杂质，不同的水源粒经大小和级配、化学 组成、带电性能和吸附性能等，各不相同，因而即 使浊度相同，混凝性能也未必一样。一般而言，粒 经细小而均一者，混凝效果较差，粒经不同者于混 凝有利。颗粒浓度过低往往不利于混凝，人工投加 粘土或其它混凝剂可提高混凝效果。 •
五、混凝剂种类与投加量的影响 • 由于不同种类的混凝剂其水解特性和 适用的水质情况不完全相同，因此应根 据原水水质情况优化选用适当的混凝剂 种类。对于无机盐类混凝剂，要求形成 能有效压缩双电层或产生强烈点中和作 用的形态，对于有机高分子絮凝剂，则 要求有适量的官能团和聚合结构，较大 的分子量。
六、混凝剂投加方式的影响 • 混凝剂的投加方式有干投和湿透两种。 硫酸铝以稀溶液形式投加更好，而三氯 化铁则以干投或浓溶液形式投加更好。 如果除投加混凝剂之外还投加助凝剂， 则各种药剂之间的投加先后顺序对混凝 效果也有很大影响。
•
从铝盐和铁盐水解反应式可以看出，水解过程中不断产生的H+必然 导致水的 PH 值的下降，天然水中含有一定的碱度。
•
• •
HCO3- + H+ CO2 + H2O
当投药量较少，原水的碱度又较大时，由于水中的碳酸化合物的缓 冲作用，水的 PH 值略有降低，对混凝效果不会有大的影响。 当投药量较大，原水的碱度小时，水中的碱度已不足以中和水解产 生的酸时，水的PH将大幅度下降，以至将至最优混凝条件以下。这时便 不能获得良好的混凝效果，为了保持水的 PH 值在混凝过程中始终处于 最优范围内须向水中投加碱剂，既对水进行碱化。一般投加 CaO.
子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。 缺点是投药量与流动电流很少相关。 透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚 颗粒的变化，达到混凝在线连续控制的新技
• K——波兹曼常数,(1.38×10-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将(2)式代入(1)式
•
8 NP KTn 2 ……………………………. 3
(3)
• 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大 于1m，布朗运动消失。
3.特性参数法
影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、
某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，
这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流 动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参 数法。
流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力
作用下随着流体流动而产生的电流。此电流
与胶体ξ电位有正相关关系。混凝后胶体ξ电
位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因
•
•
• •
有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以 CVGT 或 aCVGT 值作为控制指标。
CV——水中颗粒体积浓度。 a——颗粒有效碰撞系数。 如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。 从理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但 具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继 续研究的目标。
•第三章 混凝动力学
• 3.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计
方法建立符合实际生产的数学模型。适用特定原 水条件，水质仪表多，投资大。
2.现场模拟试验法 采用现场模拟装置来确定和控制投药量是
较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管
沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低时，
常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉
淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后 现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别， 但与实验室相比，更接近实际情况。
•
• • • •
Np=8dDBn2…………………..(1)
Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n——颗粒数量浓度；（个/ cm3 ） d——颗粒直径；（cm) DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)
• 扩散系数DB可用斯笃克斯—曼因斯坦公式表示： •
KT ……………………………….(2) DB 3d
• 水温低时 • 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。 • 3.水温低时，水中胶体颗粒的布朗运动减弱。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重 量和强度，提高沉速。
•
水力条件对混凝效果的影响是显著的，此处所指 的水利条件包括水力强度和作用时间两方面的因素。 混合阶段要使投入的混凝剂迅速均匀地分散到原水中， 这样混凝剂能均匀地在水中水解聚合并使胶体颗粒托 文凝聚，快速混合要求有快速而剧烈的水力或机械搅 拌作用，而且短时间内完成，一般在几秒或一分钟内 完成，一般不超过2分钟。 • 絮凝反应阶段，要求已脱稳的胶体颗粒通过异向 絮凝和同向絮凝的方式逐渐增大成具有良好沉降性能 的絮凝体，因此絮凝反应阶段搅拌强度和水流速度应 随着絮凝体的增大而逐渐降低，避免已聚集的絮凝体 被打碎而影响混凝沉淀效果。同时，由于絮凝反应是 一个絮凝体逐渐增大的慢速过程，如果混凝反应后需 要絮凝体增长到足够大的颗粒尺寸通过沉淀去除，需 要保证一定的絮凝作用时间，如果混凝反应后是采用 气浮或直接过滤的工艺，则反应时间可以大大缩短。
七、水力条件的影响
3.3混凝剂的配制和投加
• 3.3.1混凝剂的配制 • 混凝剂的溶解 和溶液的配制
• 大中型水厂通常建造 混凝土溶解池并配置搅拌 装置，搅拌的目的在于加 速药剂溶解。搅拌装置有： 机械搅拌、压缩空气搅拌、 水泵搅拌、水力搅拌等。 中小型水厂，常用自然
•
浸溶，压力水经穿孔管淋溶或冲溶。
• 二、水的pH值和碱度
• 1.水的pH值直接与水中胶体颗粒的表面电荷和电位 有关，不同的pH值下胶体颗粒的表面电荷和点位不 同，所需的混凝剂量也不同。 • 2.水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同 的混凝剂的最佳水解反应所需的pH值范围不同，因 此，水的pH值对混凝效果的影响也因混凝剂的种类 而异。 • 对一般的浑浊水，投硫酸铝的最佳pH范围为6.57.5。 • 三价铁盐混凝剂适应的pH值范围较宽，最优pH值大 约在6.0-8.4之间。
图 6-11 水射器投加
1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗； 4-水射器；5-压水管；6-高压水管
2
1
3
图 6-12 计量泵投加
1-溶液池；2-计量泵；3-压水管
3.3.3 混凝剂投加量自动控制
1.数学模拟法 对于某一特定水源，可根据水质、水量建立
数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数
学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前
3.2影响混凝的因素
• 影响混凝效果的因素较多也很复杂，但总体 上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所 处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、 水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等， 另一类是主观因素，即可以通过人为改变的一些 混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件 等。
• 一、水温
• 三、混凝控制指标
• 在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度 快速剧烈，通常在10-30 S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速 度梯度计，一般G=700-1000 S-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。 在絮凝阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。 通常以G值和GT作为控制指标。G=20-70 S-1 范围内，GT=1×104 -1×105 范围内。