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混凝土 土木工程材料 第 章 学习目标 掌握普通混凝土组成材料的品种 质量指标及测试方法 选用原则及对混凝土性能的影响 掌握混凝土拌和物的性质及其测定和调整方法 掌握硬化混凝土的力学性质 了解其变形性质和耐久性及其影响因素 了解混凝土外加剂的原理 性能及应用 熟练掌握普通混凝土的配合比设计方法 定义 混凝土是指用胶凝材料将粗细骨料胶结成整体的复合材料的总称 砼 人工石材 重混凝土 2600kg m3普通混凝土1950 2500kg m3轻混凝土 1950kg m3 1 按表观密度 一 混凝土的分类 4 0概述 水泥混凝土沥青混凝土聚合物混凝土石膏 纤维 水玻璃混凝土 2 按胶凝材料的品种分 结构混凝土 道路混凝土 水工 耐酸 耐热 防辐射 补偿收缩 防水 泵送 自密实 纤维 聚合物 高强 高性能 1 定义 以水泥为主要胶凝材料 砂 石为主要骨料 经加水搅拌 成型 凝结固化形成的 人工石材 2 优 缺点 1 抗压强度高 2 原材料来源丰富 3 施工方便 在凝结前具有良好的可塑性 可以浇注成各种形状和尺寸的构件或结构物 与现代施机械及施工工艺具有较好的适应性 4 性能可根据要求设计调整 5 耐久性好 二 普通混凝土 缺点 抗拉强度小 属于脆性材料 很多情况下 必须配制钢筋才能使用 自重大 不利于提高有效承载能力 也给施工安装带来一定困难 收缩变形大 3 对普通混凝土的基本要求 1 满足便于搅拌 运输和浇捣密实的和易性 2 满足设计要求的强度等级 3 满足工程所处环境条件所必需的耐久性 4 满足上述三项要求的前提下 最大限度地降低水泥用量 节约成本 即经济合理性 4 1普通混凝土的组成材料及其作用 混凝土的宏观结构 一 水泥 1 水泥品种的选择水泥品种的选择主要根据工程结构特点 工程所处环境及施工条件确定 2 水泥强度等级的选择混凝土设计强度等级越高 则水泥强度等级也宜越高 设计强度等级低 则水泥强度等级也相应低 水泥强度等级的选择原则 保证混凝土中有足够的水泥 既不过多 也不过少 因为水泥用量过多 低强水泥配制高强度混凝土 一方面成本增加 另一方面 混凝土收缩增大 对耐久性不利 水泥用量过少 高强水泥配制低强度混凝土 混凝土的粘聚性变差 不易获得均匀密实的混凝土 严重影响混凝土的耐久性 二 拌和与养护用水 1 混凝土拌制和养护用水不得含有影响水泥正常凝结硬化的有害物质 凡是能饮用的自来水及清洁的天然水都能用来拌制和养护混凝土 2 污水 pH值小于4的酸性水 含硫酸盐 按SO3计 超过1 的水均不能使用 3 当对水质有疑问时 可将该水与洁净水分别配制混凝土 做强度对比实验 如强度不低于用洁净水拌制的混凝土 则此水可以用 4 一般情况下不得用海水拌制混凝土 因海水中含有的硫酸盐 镁盐和氯化物会侵蚀水泥石和钢筋 三 细骨料 砂 1 定义 混凝土用的骨料按其粒径大小分为细骨料和粗骨料两种 粒径 4 75mm的骨料称为细骨料 2 分类 天然砂和人工砂两类 天然砂包括河砂 湖砂 山砂及淡化海砂 人工砂包括机制砂 混合砂 注意 海砂可用于配制素混凝土 但不能直接用于配制钢筋混凝土 主要是氯离子含量高 易导致钢筋锈蚀 3 细骨料的主要质量指标 1 含泥量和泥块含量 表4 7砂中含泥量是指粒径小于0 075mm的粘土 淤泥与岩屑的总和 粘土块是指水浸后粒径小于0 60mm的块状粘土 2 有害物含量 表4 8云母表面光洁 粘结强度极低 它们粘附于砂表面或夹杂其中 严重降低水泥与砂的粘结强度 从而降低混凝土的强度 抗渗性和抗冻性 增大混凝土的收缩 有机质 硫化物及硫酸盐 它们对水泥有腐蚀作用 从而影响混凝土的性能 当采用海砂配制钢筋混凝土时 海砂中氯离子含量不应大于0 06 以干砂重的百分率计 3 坚固性 目的 砂是由天然岩石经自然风化作用而成 机制砂也会含大量风化岩体 在冻融或干湿循环作用下有可能继续风化 因此对某些重要工程或特殊环境下工作的混凝土用砂 应做坚固性检验 如严寒地区室外工程 并处于湿潮或干湿交替状态下的混凝土 有腐蚀介质存在或处于水位升降区的混凝土等等 测试方法 坚固性根据GB T14684规定 采用硫酸钠溶液浸泡 烘干 浸泡循环试验法检验 测定5个循环后的重量损失率 指标应符合表4 9的要求 4 颗粒形状及表面特征 河砂和海砂 颗粒多为近似球状 且表面少棱角 较光滑 配制的混凝土流动性往往比山砂或机制砂好 但与水泥的粘结性能相对较差 山砂和机制砂 表面较粗糙 多棱角 故混凝土拌合物流动性相对较差 但与水泥的粘结性能较好 对混凝土强度的影响 水灰比相同时 山砂或机制砂配制的混凝土强度略高 而流动性相同时 因山砂和机制砂用水量较大 故混凝土强度相近 1 颗粒级配 是指砂中不同粒径砂粒数量的搭配关系 5 颗粒级配与粗细程度 2 砂的粗细程度和颗粒级配测定 筛分法 良好级配的特征 空隙率小 比表面积小 3 细度模数和颗粒级配的测定 vedio 表4 2累计筛余与分计筛余计算关系 4 752 361 180 6000 3000 150 砂的颗粒级配根据0 600mm筛孔对应的累计筛余百分率A4 分成 区 区和 区三个级配区 4 砂的颗粒级配区 图4 2砂级配曲线图 2 砂的粗细程度 细度模数细度模数根据下式计算 精确至0 01 细度模数 砂的颗粒级配区 根据细度模数Mx大小 将砂分为 Mx 3 7特粗砂 Mx 3 1 3 7粗砂 Mx 3 0 2 3中砂 Mx 2 2 1 6细砂 Mx 1 5 0 7特细砂 3 砂的掺配使用 配制普通混凝土的砂宜为中砂 Mx 2 3 3 0 级区 但实际工程中往往出现砂偏细或偏粗的情况 当只有一种砂源时 对偏细砂适当减少砂用量 即降低砂率 对偏粗砂则适当增加砂用量 即增加砂率 当粗砂和细砂可同时提供时 宜将细砂和粗砂按一定比例掺配使用 这样既可调整Mx 也可改善砂的级配 有利于节约水泥 提高混凝土性能 掺配比例可根据粗 细砂各自的细度模数及级配情况 通过试验和计算确定 4 细骨料的选用 配制混凝土时优先选用2区砂 采用1区砂时应适当提高砂率 采用3区砂时 适当降低砂率 一般来说 1区砂适宜配制高强混凝土 水泥用量大 2区砂适宜配制中等强度等级的混凝土 3区砂适宜配制低强度等级的混凝土 四 粗骨料 石子 1 定义 颗粒粒径大于5mm的骨料称为粗骨料 石子 2 种类 碎石与卵石 碎石 由天然岩石经破碎 筛分而成 也可将大卵石轧碎 筛分而得 碎石表面粗糙 多棱角 且较洁净 与水泥浆粘结比较牢固 碎石是建筑工程中用量最大的粗骨料 卵石 由天然岩石经自然条件长期作用而形成的粒径大于5mm的颗粒 按其产源可分为河卵石 海卵石及山卵石等几种 其中以河卵石应用较多 卵石中有机杂质含量较多 但与碎石比较 卵石表面光滑 拌制混凝土时需用水泥浆量较少 拌合物和易性较好 但卵石与水泥石的胶结力较差 在相同条件下 卵石混凝土的强度较碎石混凝土低 3 粗骨料主要技术指标 1 有机质含量粘土 硫化物及硫酸盐 有机物等 表4 82 颗粒形状及表面特征粗骨料的颗粒形状以近立方体或近球状体为最佳 但在岩石破碎生产碎石的过程中往往产生一定量的针 片状 使骨料的空隙率增大 并降低混凝土的强度 特别是抗折强度 各别类粗骨料针片状含量要符合表4 5的要求 粗骨料的表面特征指表面粗糙程度 碎石表面粗糙 且多棱角 因此流动性较差 但与水泥粘结强度较高 卵石表面较光滑 少棱角 因此流动性较好 但粘结性能较差 强度相对较低 但若保持流动性相同 由于卵石可比碎石少用水 因此卵石混凝土强度并不一定低 3 最大粒径定义 混凝土所用粗骨料公称粒级的上限称为最大粒径 粒径对混凝土性能的影响 骨料粒径越大 其表面积越小 通常空隙率也相应减小 因此所需的水泥浆或砂浆数量也可相应减少 有利于节约水泥 降低成本 并改善混凝土性能 所以在条件许可的情况下 应尽量选用较大粒径的骨料 实际工程对骨料最大粒径的限制 最大粒径不得大于构件最小截面尺寸的1 4 同时不得大于钢筋净距的3 4 对于混凝土实心板 最大粒径不宜超过板厚的1 3 且不得大于40mm 对于泵送混凝土 当泵送高度在50m以下时 最大粒径与输送管内径之比 碎石不宜大于1 3 卵石不宜大于1 2 5 4 颗粒级配 1 级配分类 连续粒级和单粒级两种 连续粒级 5mm以上至最大粒径Dmax 各粒级均占一定比例 且在一定范围内 单粒级指 1 2最大粒径开始至Dmax 2 级配要求 碎石和卵石级配均应符合表4 4的要求 3 应用 单粒级用于组成连续粒级骨料 也可与连续粒级混合使用 适宜配制干硬性混凝土 不宜配制流动性混凝土 单粒级一般不宜单独用来配制混凝土 连续级配适宜配制大流动性混凝土和塑性混凝土 5 强度根据GB T14685和JGJ53规定 碎石和卵石的强度可用岩石的抗压强度或压碎值指标两种方法表示 抗压强度采用 50mm 50mm的圆柱体或边长为50mm的立方体试样 抗压强度要求大于混凝土强度等级的1 5倍 且不小于45MPa 饱水 根据GB T14685 压碎值指标是将9 5 19mm的石子m克 装入专用试样筒中 施加200KN的荷载 卸载后用孔径2 36mm的筛子筛去被压碎的细粒 称量筛余 计作m1 则压碎值指标Q按下式计算 压碎值越小 表示石子强度越高 反之亦然 各类别骨料的压碎值指标应符合表4 6的要求 6 坚固性 粗骨料的坚固性指标与砂相似 各类别骨料的质量损失应符合表4 9的要求 五 混凝土外加剂 定义 能有效改善混凝土某项或多项性能的一类材料 其掺量一般只占水泥量的5 以下 却能显著改善混凝土的和易性 强度 耐久性或调节凝结时间及节约水泥 工程意义 远距离运输和高耸建筑物的泵送问题 紧急抢修工程的早强速凝问题 大体积混凝土工程的水化热问题 纵长结构的收缩补偿问题 地下建筑物的防渗漏问题等等 应用 外加剂已成为除水泥 水 砂子 石子以外的第五组成材料 应用越来越广泛 一 外加剂的分类 混凝土外加剂一般根据其主要功能分类 1 改善混凝土流动性能 减水剂 引气剂 泵送剂等 2 调节混凝土凝结硬化性能的 缓凝剂 速凝剂 早强剂等 3 调节混凝土含气量 引气剂 加气剂 泡沫剂等 4 改善混凝土耐久性 引气剂 防水剂 阻锈剂等 5 提供混凝土特殊性能 防冻剂 膨胀剂 着色剂 引气剂和泵送剂等 二 建筑工程中常用的混凝土外加剂品种 1 减水剂1 减水剂 在混凝土坍落度相同的条件下 能减少拌合用水量 或者在混凝土配合比和用水量均不变的情况下 能增加混凝土坍落度的外加剂 2 减水剂的主要功能 1 配合比不变时显著提高流动性 2 流动性和水泥量不变时 减少用水量 降低水灰比 提高强度 3 保持流动性和强度不变时 节约水泥用量 降低成本 4 配置高强高性能混凝土 3 减水剂的机理分散作用和润滑作用 a 絮凝结构 4 常用减水剂品种 1 木质素系减水剂 木素质系减水剂主要有木质素磺酸钙 简称木钙 代号MG 木质素磺酸钠 木钠 和木质素磺酸镁 木镁 三大类 2 萘磺酸盐系减水剂 萘磺酸盐系减水剂简称萘系减水剂 是目前应用量最大的外加剂品种 它是以工业萘或由煤焦油中分馏出含萘的同系物经分馏为原料 经磺化 缩合等一系列复杂的工艺而制成的棕黄色粉末或液体 其主要成分为 萘磺酸盐甲醛缩合物 品种很多 3 树脂系减水剂 磺化三聚氰胺甲醛树脂 通常称为密胺树脂系减水剂 主要以三聚氰胺 甲醛和亚硫酸钠为原料 经磺化 缩聚等工艺生产而成的棕色液体 SM树脂减水剂 2 引气剂1 引气剂 混凝土在搅拌过程中能引入大量均匀 稳定且封闭的微小气泡的外加剂 气泡直径一般为0 02 1 0mm 绝大部分 0 2mm 2 功能 1 改善混凝土拌合物的和易性 保水性 流动性 2 提高混凝土耐久性 抗渗性 抗冻性3 种类 松香树脂 烷基苯磺碱盐 脂肪醇磺酸盐等等 最常用的为松香热聚树脂和松香皂两种 4 应用 掺量一般为0 005 0 01 严防超量掺用 否则将严重降低混土强度 当采用高频振捣时 引气剂掺量可适当提高 3 早强剂1 早强剂 能加速混凝土早期强度发展的外加剂 主要作用机理是加速水泥水化速度 加速水化产物的早期结晶和沉淀 2 功能 缩短混凝土施工养护期 加快施工进度 提高模板的周转率 3 应用 有早强要求的混凝土工程及低温 负温施工混凝土 有防冻要求的混凝土 预制构件 蒸汽养护等等 4 种类 氯盐 硫酸盐和有机胺三大类 但更多使用的是它们的复合早强剂 早强剂的种类1 氯化钙早强剂 氯盐类早强剂主要有CaCl2 NaCl KCl AlCl3和FeCl3等 工程上最常用的是 aCl2 为白色粉末 适宜掺量0 5 3 由于Cl 对钢筋有腐蚀作用 故钢筋混凝土中掺量应控制在1 以内 CaCl2早强剂能使混凝土3天强度提高50 100 7天强度提高20 40 但后期强度不一定提高 甚至可能低于基准混凝土 2 硫酸盐类早强剂 硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠 即元明粉 俗称芒硝 硫代硫酸钠 硫酸钙 硫酸铝及硫酸铝钾 即明矾 等 建筑工程中最常用的为硫酸钠早强剂 3 有机胺类早强剂 有机胺类早强剂主要有三乙醇胺 三异醇胺等 工程上最常用的为三乙醇胺 4 复合早强剂 为了克服单一早强剂存在的各种不足 发挥各自特点 通常将三乙醇胺 硫酸钠 氯化钙 氯化钠 石膏及其他外加剂复配组成复合早强剂效果大大改善 有时可产生超叠加作用 4 缓凝剂1 缓凝剂 能延长混凝土的初凝和终凝时间的外加剂 最常用的缓凝剂为木钙 糖蜜及柠檬酸 2 功能 1 降低大体积混凝土的水化热和推迟温峰出现时间 有利于减少混凝土内外温差引起的应力开裂 2 便于夏季施工和连续浇捣的混凝土 防止出现混凝土施工缝 3 便于泵送施工 滑模施工和远距离运输 4 通常具有减水作用 故亦能提高混凝土后期强度或增加流动性或节约水泥用量 5 速凝剂1 速凝剂 能使混凝土迅速硬化的外加剂 一般初凝时间小于5min 终凝时间小于10h 1h内即产生强度 3天强度可达基准混凝土3倍以上 但后期强度一般低于基准混凝土 2 种类 红星I型 711型 782型和8604型等 3 应用 喷射混凝土 紧急抢修工程 军事工程 防洪堵水工程等 如矿井 隧道 引水涵洞 地下工程岩壁衬砌 边坡和基坑支护等等 一 混凝土的和易性 工作性 1 定义 拌合物易于搅拌 运输 浇捣成型 并获得质量均匀密实的混凝土的综合工艺特性 2 和易性评价指标流动性 拌合物在自重或外力作用下产生流动的难易程度 粘聚性 拌合物各组成材料之间不产生分层离析现象 保水性 拌合物不产生严重的泌水现象 4 2新拌混凝土的和易性 3 混凝土对和易性的要求 和易性良好和易性良好 既具有满足施工要求的流动性 又具有良好的粘聚性和保水性 三者关系 通常情况下 混凝土拌合物的流动性越大 则保水性和粘聚性越差 反之亦然 相互之间存在一定矛盾 因此 不能简单地将流动性大的混凝土称之为和易性好 或者流动性减小说成和易性变差 良好的和易性既是施工的要求 也是获得均匀密实优质混凝土的基本保证 1 和易性的评定 混凝土拌合物和易性是一项极其复杂的综合指标 到目前为止全世界尚无能够全面反映混凝土和易性的测定方法 通常通过测定流动性 再辅以其他直观观察或经验综合评定混凝土和易性 2 流动性的测定方法 坍落度法 维勃稠度法 探针法 斜槽法 流出时间法和凯利球法等十多种 对普通混凝土 最常用的是坍落度法 二 和易性的测定 坍落度筒 混凝土拌合物和易性测定 坍落度法 Vedio 根据坍落度值大小 混凝土的分类 大流动性混凝土 坍落度 160mm 流动性混凝土 坍落度100 150mm 塑性混凝土 坍落度10 90mm 干硬性混凝土 坍落度 10mm 坍落度法测定混凝土和易性的适用条件 a 粗骨料最大粒径 37 5mm b 坍落度 10mm 对坍落度小于10mm的干硬性混凝土 坍落度值已不能准确反映其流动性大小 如当两种混凝土坍落度均为零时 但在振捣器作用下的流动性可能完全不同 故一般采用维勃稠度法测定 3 坍落度的选择原则 构件截面尺寸大小 钢筋疏密 捣实方式 运输距离 气候条件 输送方式一般情况下 坍落度可按表4 14选用 三 影响和易性的主要因素 1 水泥浆稠度 W C 2 水泥浆用量3 用水量4 水泥品种5 砂率6 骨料7 外加剂 1 水泥浆稠度 W C 水灰比水灰比 水用量与水泥用量之比 水灰比对和易性的影响 在水泥用量和骨料用量不变的情况下 水灰比增大 相当于单位用水量增大 水灰比过大会导致水泥浆粘聚性降低 保水性下降 以及出现泌水现象 水灰比的定性确定 水灰比不宜太小 否则因流动性过低影响混凝土振捣密实 易产生麻面和孔洞 合理的水灰比是使混凝土拌合物流动性 保水性和粘聚性良好 2 水泥浆用量水泥浆用量对混凝土的影响 增加水泥浆用量 混凝土流动性增加 过多增加水泥浆会导致泌水和浮浆现象 定性确定 合理的水泥浆用量是使混凝土拌合物的和易性良好 3 单位用水量1 单位用水量对混凝土性能的影响 对混凝土流动性起决定作用用水量增大流动性随之增大 不利影响 保水性和粘聚性变差 易产生泌水分层离析 2 确定方法恒定用水法则 在原材料品质一定条件下 单位用水量一旦选定 单位水泥用量增减50 100kg m3 混凝土的流动性基本保持不变 工程确定 单位用水量可根据施工要求的坍落度和粗骨料的种类 规格 根据JGJ55 2000 普通混凝土配合比设计规程 按表4 13选用 再通过试配调整 最终确定单位用水量 混凝土分层 离析现象 表4 13混凝土单位用水量选用表 注 1 本表用水量系采用中砂时的平均取值 如采用细砂 每立方米混凝土用水量可增加5 10kg 采用粗砂时则可减少5 10kg 2 掺用各种外加剂或掺合料时 可相应增减用水量 3 本表不适用于水灰比小于0 4时的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土 4 水泥品种及细度 1 水泥品种熟料成分不同 早期水化产物数量不同 混合材料的颗粒表面形状不同 粉煤灰 球状颗粒 流动性好 矿渣 吸水能力差 泌水 保水性差 2 水泥细度一般 比表面积增加 粘聚性增加 比表面积减少 易产生泌水 5 砂率 砂率 砂子占砂石总重量的百分率 表达式为 式中 Sp 砂率 S 砂子用量 kg G 石子用量 kg 砂率对流动性 粘聚性和保水性的影响 砂率与混凝土流动性和水泥用量的关系 合理砂率 塌落度最大 水泥用量最小 表4 25 P111 表4 25混凝土砂率选用表 注 1 表中数值系中砂的选用砂率 对细砂或粗砂 可相应地减少或增大砂率 2 本砂率适用于坍落度为10 60mm的混凝土 坍落度如大于60mm或小于10mm时 应相应增大或减小砂率 按每增大20mm 砂率增大1 的幅度调整 3 只用一个单粒级粗骨料配制混凝土时 砂率值应适当增大 4 掺有各种外加剂或掺合料时 合理砂率值应经试验或参照其他有关规定选用 5 对薄壁构件砂率取偏大值 6 骨料的品种和粗细程度 骨料表面形状 碎石 卵石 级配 级配好 和易性好 最大粒径 在不改变水泥浆用量的情况下 粒径增大 混凝土的流动性增加 砂的粗细 粗砂 易泌水 细砂 流动性变差 7 外加剂 减水剂引气剂泵送剂速凝剂 四 混凝土和易性的调整和改善措施 1 当混凝土流动性小于设计要求时 为了保证混凝土的强度和耐久性 不能单独加水 必须保持水灰比不变 增加水泥浆用量 但水泥浆用量过多 则混凝土成本提高 且将增大混凝土的收缩和水化热等 混凝土的粘聚性和保水性也可能下降 2 当坍落度大于设计要求时 可在保持砂率不变的前提下 增加砂石用量 实际上相当于减少水泥浆数量 3 改善骨料级配 既可增加混凝土流动性 也能改善粘聚性和保水性 但骨料占混凝土用量的75 左右 实际操作难度往往较大 4 掺减水剂或引气剂 是改善混凝土和易性的最有效措施 5 尽可能选用最优砂率 当粘聚性不足时可适当增大砂率 一 混凝土的强度1 混凝土立方体抗压强度及强度等级1 抗压强度 根据国家标准试验方法 规定制作边长为150mm的立方体标准试件 在标准养护条件 温度20土3 相对湿度90 以上 下 养护到28d 用标准试验方法测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度 2 立方体抗压强度标准值 是指用标准试验方法则得的具有95 保证率的立方体抗压强度 保证率是指在混凝土立方体强度测定值的总体分布中 低于该值的百分率不超过5 3 混凝土强度等级 根据标准值划分为若干等级 普通混凝土强度等级划分为12级 分别为 C7 5 C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 4 3混凝土的强度 混凝土受压破坏机理 2 混凝土轴心抗压强度测试方法 依据 普通混凝土力学性能试验方法 GBJ50081 2002 试件 l50mm 150mm 300mm的棱柱体 与立方体抗压强度的关系 当标准立方体抗压强度在10 50MPa范围内时 二者比值为0 7 0 8 3 混凝土抗拉强度 1 混凝土抗拉强度的特点 很低 只有其抗压强度的1 10 1 20 且随着混凝土强度等级的提高而降低 2 工程意义 在钢筋混凝土结构设计中 不考虑混凝土承受拉力 而是在混凝土中配以钢筋 由钢筋来承担结构中的拉力 但混凝土抗拉强度对于混凝土抗裂性具有重要作用 它是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要指标 3 测试方法 劈裂法劈拉强度采用边长为150mm的立方体 在试件上下两相对表面的素线上施加均匀分布的压力 使其在竖向平面内产生均布拉应力 可以根据弹性理论计算 式中 fst 混凝土劈裂抗拉强度 MPa P 破坏荷载 N A 试件劈裂面积 mm2 试验研究表明 轴拉强度低于劈拉强度 两者的比值约为0 8 0 9 在无试验资料时 劈拉强度也可通过立方体抗压强度由下式估算 4 混凝土的抗折强度 1 工程意义 道路路面或机场道面用水泥混凝土通常以抗折强度为主要强度指标 抗压强度仅作为参考指标 2 测试方法 标准试件尺寸为150 150 550mm的梁 在标准条件下养护28天 按三分点加荷方式 如图 测定抗折破坏荷载Pcf 3 抗折强度计算 1 水泥强度和水灰比2 骨料的品质3 施工条件 搅拌 成型 4 养护温度及湿度5 龄期的影响6 外加剂及掺合料7 试验方法 采用高强水泥降低水灰比或干硬性混凝土采用优质骨料 合理砂率采用机械搅拌和振捣加强养护掺化学外加剂掺矿物外加剂 二 影响混凝土强度的因素 1 水泥强度和水灰比 1 水泥强度 水泥强度越高 则水泥石自身强度及与骨料的粘结强度就越高 混凝土强度也越高 2 水灰比 水泥完全水化的理论需水量约为水泥重的23 左右 但实际拌制混凝土时 为获得良好的和易性 水灰比一般在0 40 0 65之间 多余水分蒸发后 在混凝土内部留下孔隙 使有效承压面积减少 另一方面 多余水分在混凝土内的迁移过程中遇到粗骨料时 在其底部积聚 形成水泡 极大地削弱砂浆与骨料的粘结强度 使混凝土强度下降 在水泥强度和其他条件相同的情况下 水灰比越小 混凝土强度越高 水灰比越大 混凝土强度越低 但水灰比太小 不能保证振捣均匀密实 强度反而降低 式中 28天混凝土的立方体抗压强度 MPa 混凝土的灰水比 水泥的实际强度 MPa A B 与骨料种类有关的经验系数 3 混凝土强度经验公式 试验证明 混凝土的强度 fcu 与水灰比呈有规律的曲线关系 而与灰水比则成线性关系 混凝土强度经验公式 水泥的实际强度 根据水泥胶砂强度试验方法测定 当无条件时 以水泥实际强度以水泥强度等级乘以富余系数确定 式中 Ke 水泥强度富余系数 一般取1 13 fce k 水泥强度等级 如42 5级 取42 5MPa 经验系数A B可通过试验或本地区经验确定 根据所用骨料品种 JGJ55 2000 普通混凝土配合比设计规程 提供的参数为 碎石 A 0 46 B 0 07卵石 A 0 48 B 0 33 例4 1 已知某混凝土用水泥强度为45 6MPa 水灰比0 50 碎石 试估算该混凝土28天强度值 解 因为 W C 0 50所以C W 1 0 5 2碎石 A 0 46 B 0 07代入混凝土强度公式有 0 46 45 6 2 0 07 40 5 MPa 答 估计该混凝土28天强度值为40 5MPa 例4 2 已知某工程用混凝土采用强度等级为42 5的普通水泥 强度富余系数KC为1 10 卵石 要求配制强度为36 8MPa的混凝土 估算应采用的水灰比 解 1 10 42 5 46 8 MPa 卵石 A 0 48 B 0 33代入混凝土强度公式有 36 8 0 48 46 8 C W 0 33 解得 C W 1 97 所以 W C 0 51答 配制该混凝土应采用的水灰比为0 51 2 骨料的质量 骨料中的有害物质骨料自身强度骨料的颗粒形状和表面粗糙度粗骨料中针片状含量砂的细度模数砂的级配 3 施工条件 施工条件 搅拌和振捣成型 机械搅拌比人工搅拌均匀 如图 搅拌时间长短对混凝土强度影响 如图 机械振捣比人工振捣均匀密实 强度也略高 4 养护条件 养护条件 养护温度 湿度 是决定强度发展的主要外部因素 温度 养护环境温度高 早期强度高 反之亦然 但是 当养护温度超过40 以上时 虽然能提高混凝土的早期强度 但28天以后的强度通常比20 标准养护的低 若温度在冰点以下 不但水泥水化停止 而且有可能因冰冻导致混凝土结构疏松 强度严重降低 尤其是早期混凝土应特别加强防冻措施 湿度 空气的相对湿度 相对湿度低 水分挥发加快 致使缺水而停止水化 强度发展受阻 另一方面 失水过快 易引起干缩开裂 因此 应特别加强早期的浇水养护 根据有关规定和经验 在混凝土浇筑完毕后12h内应开始对混凝土加以覆盖或浇水 对PI PII PO PS配制的混凝土浇水养护不得少于7天 对掺有缓凝剂 膨胀剂 大量掺合料或有防水抗渗要求的混凝土浇水养护不得少于14天 5 龄期 普通硅酸盐水泥配制的混凝土 在标准养护下 混凝土强度的发展大致与龄期 天 的对数成正比关系 式中 fcu 28 fcu n分别为28天和第n天时的混凝土抗压强度 n 3天 当采用早强型普通硅酸盐水泥时 由3 7天强度推算28天强度会偏大 6 外加剂 掺入减水剂 可在保证相同流动性前提下 减少用水量 降低水灰比 从而提高混凝土的强度 掺入早强剂 则可有效加速水泥水化速度 提高混凝土早期强度 但对28天强度不一定有利 后期强度还有可能下降 7 试验条件 试验条件 试件的尺寸 形状 表面状态和加载速度等 试件尺寸 100mm立方体试件换算成150mm立方体标准试件时 应乘以系数0 95 200mm的立方体试件的尺寸换算系数为1 05 试件形状 主要指棱柱体和立方体试件之间的强度差异 表面状态 表面平整强度高 若试件表面涂润滑剂等 环箍效应 减弱 强度较低 含水状态 混凝土含水率较高时 强度较低 干燥时 强度较高 加载速度 当加载速度较快时 强度值偏高 加载速度很慢 使强度偏低 三 提高混凝土强度的措施 1 采用高标号水泥 2 尽可能降低水灰比 或采用干硬性混凝土 3 采用优质砂石骨料 选择合理砂率 4 采用机械搅拌和机械振捣 确保搅拌均匀性和振捣密实性 加强施工管理 5 改善养护条件 保证一定的温度和湿度条件 必要时可采用湿热处理 6 掺入减水剂或早强剂 提高混凝土的强度或早期强度 7 掺硅灰或超细矿渣粉也是提高混凝土强度的有效措施 4 4混凝土的耐久性 混凝土的耐久性 在外部和内部不利因素的长期作用下 保持其原有设计性能和使用功能的性质 影响因素 外部因素 内部因素外部因素 酸 碱 盐的腐蚀作用 冰冻破坏作用 水压渗透作用 碳化作用 干湿循环引起的风化作用 荷载应力作用和振动冲击作用等等 内部因素 碱骨料反应和自身体积变化 评价指标 抗渗性 抗冻性 抗碳化性能 抗腐蚀性能和碱骨料反应等 一 耐久性的评价指标1 混凝土的抗渗性抗渗性 抵抗压力液体 水 油 溶液等 渗透的能力 抗渗性是混凝土耐久性的集中体现 抗渗性好 即混凝土密实性高 外界腐蚀介质不易侵入混凝土内部 从而抗腐蚀性能就好 同样 水不易进入混凝土内部 冰冻破坏作用和风化作用就小 混凝土的抗渗性能用抗渗标号 等级 表示 抗渗标号P4 P6 P8 P10和P12共5个等级 分别表示混凝土能抵抗0 4 0 6 0 8 1 0和1 2MPa的水压力而不渗漏 影响混凝土抗渗性的主要因素 1 水灰比和水泥用量 2 骨料含泥量和级配 3 施工质量和养护条件 提高混凝土抗渗性的措施 除了对上述相关因素加以严格控制和合理选择外 可通过掺入引气剂或引气减水剂提高抗渗性 其主要作用机理是引入微细闭气孔 阻断连通毛细孔道 同时降低用水量或水灰比 对长期处于潮湿和严寒环境中混凝土的含气量应分别不小于4 5 Dmax 40mm 5 5 Dmax 25mm 5 0 Dmax 20mm 2 混凝土的抗冻性 抗冻性 混凝土在吸水饱和状态下 能经受多次冻融循环而不破坏 同时也不严重降低强度的性能 混凝土冻融破坏机理 毛细孔水结冰产生9 左右的体积膨胀 在混凝土内部产生膨胀应力 当超过混凝土局部的抗拉强度时 就可能产生微细裂缝 在反复冻融作用下 微细裂缝逐渐增多和扩大 最终导致混凝土强度下降 或混凝土表面 特别是棱角处 产生酥松剥落 直至完全破坏 混凝土抗冻性表示方法 以抗冻标号表示 将吸水饱和的混凝土试件在 15 下冰冻4h 20 水中融化4h作为一个循环 以抗压强度下降不超过25 重量损失不超过5 时 所能承受的最大冻融循环次数 混凝土的抗冻标号分为D10 D15 D25 D50 D100 D150 D200 D250和D300共9个标号 其中的数字表示混凝土能经受的最大冻融循环次数 3 混凝土的抗碳化性能 1 混凝土碳化机理 Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2O碳化使碱度下降 故也称中性化 碳化深度大致与碳化时间的平方根成正比 可用下式表示 2 碳化对混凝土性能的影响 负面影响 一是收缩增大 导致抗拉和抗折强度降低 或开裂 降低耐久性 二是碱度降低 失去对钢筋的保护作用 正面影响 CaCO3填充孔隙 密实度提高 释放出的水分促进未水化水泥颗粒的进一步水化 提高抗压强度 但碳化作用造成的危害远远大于抗压强度的提高 3 影响混凝土碳化速度的主要因素 混凝土的水灰比 水泥品种和用量 施工养护 环境条件 4 混凝土的碱 骨料反应 碱 骨料反应 混凝土内水泥中所含的碱 K2O和Na2O 与骨料中的活性SiO2发生化学反应 在骨料表面形成碱 硅酸凝胶 危害 碱 硅酸凝胶吸水后将产生3倍以上的体积膨胀 从而导致混凝土膨胀开裂而破坏 碱骨料反应引起的破坏 一般要经过若干年后才会发现 而一旦发生则很难修复 因此 对水泥中碱含量大于0 6 骨料中含有活性SiO2且在潮湿环境或水中使用的混凝土工程 必须加以重视 二 提高混凝土耐久性的措施 1 控制混凝土最大水灰比和最小水泥用量 2 合理选择水泥品种 3 选用良好的骨料质量和级配 4 加强施工质量控制 5 采用适宜的外加剂 6 掺入粉煤灰 矿粉等活性混合材料 三 耐久性设计相关规定 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 对混凝土结构耐久性作了明确界定 共分为五大环境类别 见表4 16 其中一类 二类和三类环境中 设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表4 17的规定 表4 17结构混凝土耐久性的基本要求 表4 16混凝土结构的环境类别 4 7普通混凝土的配合比设计 一 混凝土配合比设计基本要求1 满足施工要求的和易性 2 满足设计的强度等级 并具有95 的保证率 3 满足工程所处环境对混凝土的耐久性要求 4 经济合理 最大限度节约水泥 降低成本 二 混凝土配合比设计中的三个基本参数 1 水灰比在满足混凝土设计强度和耐久性的基础上 选用较大水灰比 以节约水泥 降低混凝土成本 2 单位用水量根据坍落度和粗骨料品种 最大粒径 在满足施工和易性的基础上 尽量选用较小的单位用水量 以节约水泥 3 砂率合理砂率的确定原则 砂子的用量填满石子的空隙略有富余 或通过试验确定合理砂率 三 混凝土配合比设计原理和方法 恒用水量原则 混凝土的和易性主要由单方混凝土中的用水量确定 表4 13 水灰比定则 在组成材料不变的情况下 混凝土强度由w c确定 1 体积法基本原理 体积法的基本原理为混凝土的总体积等于砂子 石子 水 水泥体积及混凝土中所含的少量空气体积之总和 若以Vh Vc Vw Vs Vg Vk分别表示混凝土 水泥 水 砂 石子 空气的体积 则有 Vh Vw Vc VS Vg Vk若以C0 W0 S0 G0分别表示1m3混凝土中水泥 水 砂 石子的用量 kg 以 w c s g分别表示水 水泥的密度和砂 石子的表观密度 g cm3 10 表示混凝土中空气体积 则上式为 式中 为混凝土含气量百分率 在不使用引气型外加剂时 可取 1 3 设计方法 2 重量法基本原理 混凝土的总重量等于各组成材料重量之和 当混凝土所用原材料和三项基本参数确定后 混凝土的表观密度 即1m3混凝土的重量 接近某一定值 若预先能假定出混凝土表观密度 则有 式中 oh为1m3为混凝土的重量 kg 即混凝土的表观密度 可根据原材料 和易性 强度等级等信息在2350 2450kg m3之间选用 四 混凝土配合比设计步骤 计算初步配合比 原始技术资料 调整获得满足和易性要求 确定基准配合比 强度和耐久性满足设计要求 试验室配合比 砂 石料含水率 确定施工配合比 如果混凝土的配制强度与设计强度等级 fcu k 相等 此时保证率为50 亦即只有50 的混凝土强度大于等于设计强度等级 那么强度保证率系数t 0 因此 必须提高混凝土的配制强度 以提高保证率 混凝土强度保证率必须达到95 以上 此时对应的保证率系数t 1 645 当生产单位或施工单位具有统计资料时 可根据实际情况取值 当无统计资料和经验时 强度等级小于C20时 取4 0MPa 当强度等级C20 C35时 取5 0MPa 当强度等级大于C35时 取6 0MPa 一 初步配合比计算步骤 1 计算混凝土配制强度fcu 0 2 根据配制强度和耐久性要求计算水灰比 W C 1 根据配制强度计算水灰比由式 则有 2 根据耐久性要求查表4 26 得最大水灰比限值 3 比较强度要求水灰比和耐久性要求水灰比 表4 19 取两者中的最小值 3 根据施工要求的坍落度和骨料品种 粒径 由表4 13选取每立方米混凝土的用水量 W0 4 计算每立方米混凝土的水泥用量 C0 1 计算水泥用量 2 查表4 19 复核是否满足耐久性要求的最小水泥用量 取两者中的较大值 5 确定合理砂率 Sp 1 可根据骨料品种 粒径及W C查表4 25选取 实际选用时可采用内插法 并根据附加说明进行修正 2 在有条件时 可通过试验确定最优砂率 6 计算砂 石用量 S0 G0 并计算初步配合比 1 重量法 2 体积法 3 配合比的表达方式 根据上述方法求得的C0 W0 S0 G0 直接以每立方米混凝土材料的用量 kg 表示 根据各材料用量间的比例关系表示 C0 S0 G0 1 S0 C0 G0 C0 再加上W C值 二 确定基准配合比 1 和易性调整 根据初步计算配合比配成混凝土拌合物 先测定混凝土坍落度 同时观察粘聚性和保水性 1 当坍落度小于设计要求时 保持水灰比不变 增加用水量和水泥用量 水泥浆 2 当坍落度大于设计值 保持砂率不变 增加砂 石用量 3 当粘聚性和保水性不良时 适当增加砂量 即增大砂率 4 当拌合物砂浆量过多时 可单独加入适量石子 即降低砂率 2 确定基准配合比 在混凝土和易性满足要求后 测定拌合物的实际表观密度 h 并按下式计算每1m3混凝土的各材料用量 令 A C拌 W拌 S拌 G拌 注意 如果初步配合比的混凝土和易性完全满足要求而无需调整 也必须测定实际混凝土拌合物的表观密度 并利用上式计算Cj Wj Sj Gj 否则将出现 负方 或 超方 现象 亦即初步计算1m3混凝土 在实际拌制时 小于或多于1m3 当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2 时 则初步配合比即为基准配合比 无需调整 基准配合比 三 确定试验室配合比 1 目的 确定符合实际配置强度与耐久性要求的水灰比2 做法 1 试件制作 制作三组根据基准配合比和水灰比 配制一组混凝土试件 并保持用水量不变 水灰比分别增加和减少0 05再配制二组混凝土试件 用水量应与基准配合比相同 砂率可分别增加和减少1 制作混凝土强度试件时 应同时检验混凝土拌合物的流动性 粘聚性 保水性和表观密度 并以此结果代表相应配合比的混凝土拌合物的性能 2 实验室配合比确定根据强度确定 三组试件经标准养护28天 测定抗压强度 以三组试件的强度和相应灰水比作图 确定与配制强度相对应的灰水比 并重新计算水泥和砂石用量 根据耐久性确定 当对混凝土的抗渗 抗冻等耐久性指标有要求时 则制作相应试件进行检验 强度和耐久性均合格的水灰比对应的配合比 称为混凝土试验室配合比 四 确定施工配合比 试验室配合比是以干燥 或饱和面干 材料为基准计算而得 但现场施工所用的砂 石料常含有一定水分 因此 在现场配料前 必须先测定砂石料的实际含水率 在用水量中将砂石带入的水扣除 并相应增加砂石料的称量值 设砂的含水率为a 石子的含水率为b 则施工配合比按下列各式计算 普通混凝土配合比设计实例 某处于严寒地区受冻部位的普通钢筋混凝土 其设计强度等级为C25 施工要求的坍落度为35 50mm 采用机械搅拌和机械振动成型 施工单位无历史统计资料 试确定混凝土的配合比 原材料条件为 强度等级为32 5的普通硅酸盐水泥 强度富余系数为1 13 密度为3 1g cm3 级配合格的中砂 细度模数为2 3 视密度为2 65g cm3 含水率为3 级配合格的碎石 最大粒径为31 5mm 视密度为2 70g cm3 含水率为1 饮用水 解 一 确定初步配合比1 确定配制强度fcu 0查表4 22 5 0MPa 因而配制强度fcu 0为 2 确定水灰比Wo Co查表4 18 该值小于所规定的最大值 即取Wo Co 0 49 3 确定用水量W0根据坍落度为35 50mm 碎石且最大粒径为31 5mm 中砂 查表4 12 并考虑砂为中砂偏细 选取混凝土的用水量W0 190kg 4 确定水泥用量C0查表4 18 该值大于所规定的最小值 即取C0 388kg 5 确定砂率根据水灰比Wo Co 0 49 碎石最大粒径为31 5mm 中砂 查表4 13 并考虑砂为中砂偏细 故选取混凝土的砂率 33 6 计算砂用量S0和石用量G0以积法计算 因未掺引气剂 故取1 求解该方程组 即得S0 597kg G0 1213kg 二 试拌检验 调整及确定实验室配合比按初步配合比试拌15L混凝土拌合物 其各材料用量为 水泥5 82kg 水2 85kg 砂8 96kg 石18 20kg 搅拌均匀后 检验和易性 测得坍落度为20mm 粘聚性和保水性合格 水泥用量和水用量增加5 后 水灰比不变 测得坍落度为35mm 且粘聚性和保水性均合格 此时 拌合物的各材料用量 水泥 5 82 1 5 6 11kg 水 2 85 1 5 2 99kg 砂 8 98kg 石 18 20kg 以0 54 0 49 0 44的水灰比分别拌制三组混凝土 对应的水灰比 水泥用量 水用量 砂用量及石用量分别为 0 54 5 54kg 2 99kg 8 98kg 18 20kg 0 49 6 1lkg 2 99kg 8 96kg 18 20kg 0 44 6 80kg 2 99kg 8 96kg 18 20kg养护至28d 测得的抗压强度分别为 29 9MPa 34 4MPa 39 2MPa 绘制灰水比与抗压强度线性关系图 由图可得配制强度 33 2MPa所对应的灰水比C W 1 98 此时混凝土的各材料用量 水泥2 99 1 98 5 92kg 水用量2 99kg 砂用量8 98kg 石用量18 20kg 拌合物的总用量为 5 92 2 99 8 96 18 2 36 07kg并测得拌合物的体积密度 2390kg m3 因而混凝土的实验室配合比为 三 确定施工配合比 392kg 198 594 3 1206 1 168kg 594 1 3 612kg 1206 1 1 1218kg 4 5轻混凝土 普通混凝土的主要弱点 自重大 而轻混凝土的主要优点就是轻 由于质轻 它就具有另外一系列的优良特性 从而使其在工程中应用可获得良好的技术和经济效益 凡是表观密度不大于1950kg m3的混凝土称为轻混凝土 轻混凝土按其表观密度减小的途径不同 可分为以下三种 1 轻骨料混凝土采用表观密度较天然密实骨料小的轻质多孔骨料配制而成的混凝土 称为轻骨料混凝土 它是轻混凝土的主要品种 2 大孔混凝土大孔混凝土又称无砂混凝土 在大孔混凝土中不含细骨科 水泥浆只包裹粗骨料的表面 将粗集料粘结成整体 由了水泥浆不填满粗骨料之间的空隙 使混凝土形成大孔结构 从而可降低自重 3 多孔混凝土多孔混凝土中不合粗 细骨料 它是采用水泥及其他有关材料 再掺入加气剂等配制成浆体 当其硬化后即形成为多孔结构的混凝土 使重量得以显著减小 一 轻骨料的种类轻骨料分为轻粗骨料和轻细骨料 粒径大于5mm 堆积密度小于1000kg m3者 称为轻粗骨料 粒径不大于6mm 堆积密度小于1200kg m3者 称为轻细骨料 又称轻砂 轻骨料按其产源可分为三类 1 工业废渣轻骨料 以工业废渣为原料 经加工而成的轻集料 如粉煤灰陶粒 自然煤矸石 膨胀矿渣珠 煤渣及其轻砂 2 天然轻骨料 天然形成的多孔岩石 经加工而成的轻骨料 如浮石 沸石 火山渣及其轻砂 3 人造轻骨料 以地方材料为原料 经加工而成的轻骨料 如页岩陶粒 粘土陶粒 膨胀珍珠岩及其轻砂 根据轻骨料颗粒的形状 可分为圆球型 普通型和碎石型三种 二 轻骨料的技术性质及要求对轻骨料的技术性质 除了耐久性 体积安定性和有害物质含量外 主要要求其堆积密度 强度 颗粒级配和吸水率等四项技术性质也须符合要求 将轻粗骨料配制成混凝土 通过混凝土强度的测定 间接求出该轻粗骨料在混凝土中的强度值 称为轻粗骨料的强度标号 它表示该轻粗骨料用于配制混凝土时 所得混凝土合理强度的范围 例如 强度标号为20MPa的轻粗骨料 最适宜用于配制CL20的轻骨料混凝土 表7 40为不同密度等级的轻粗骨科的筒压强度要求及