道路工程材料第五章 水泥混凝土课件

第五章水泥混凝土与砂浆5.15.25.35.4水泥混凝土的技术性质普通水泥混凝土的组成设计混凝土外加剂与掺合料路面水泥混凝土的组成设计5.5砂浆★水泥混凝土的定义水泥、水和粗、细集料按适当比例配合，必要时掺加适量外加剂、掺合料或其他改性材料拌制成混合料经硬化而成的人造石材。水泥集料水外加剂掺合料改性材料胶凝、填充作用骨架、密实作用资源丰富，就地取材，成本低可满足不同工程的要求可制成不同形状和尺寸的结构与钢筋具有牢固的粘结力抗压强度高，耐久性好★水泥混凝土特点水泥混凝土路面道路类型公路城市道路高速公路一级～四级公路等外公路乡村道路快速路主干路次干路支路路面等级高级路面次高级路面低级路面中级路面砂石路面稳定土类沥青表处、水泥路面等沥青混凝土路面、水泥混凝土路面水泥混凝土路面特点强度高、刚度大（承载能力大）稳定性好、使用寿命长自重大、抗拉强度低、韧性低、抗冲击能力差维修困难和易性：即工作性，易于施工操作并获得质量均匀、成型密实的性能。流动性：克服内摩阻力产生流动，均匀密实地填满模板的能力捣实性：易密性粘聚性：粘聚力，不产生分层、离析保水性：不泌水5.1水泥混凝土的技术性质一、混凝土拌合物的施工和易性1.混凝土拌合物施工和易性的概念水泥、水与粗细集料搅拌后得到的混合物，即尚未凝结硬化的水泥混凝土称为混凝土拌合物。5.1水泥混凝土的技术性质一、混凝土拌合物的施工和易性2.施工和易性的测定方法——流动性坍落度试验VB稠度试验5.1水泥混凝土的技术性质一、混凝土拌合物的施工和易性4.混凝土拌合物和易性分级按坍落度分级按VB稠度分级级别名称坍落度值(mm)允许偏差(mm)级别名称VB稠度值(s)允许偏差(mm)T1低塑性混凝土10~40±10V0超干硬型混凝土T2塑性混凝土50~90±20V1特干硬型混凝土30~21±6T3流动性混凝土100~150±30V2干硬型混凝土20~11±4T4大流动性混凝土≥160±30V3半干硬型混凝土10~5±3≥315.1水泥混凝土的技术性质⑴立方体抗压强度fcu（单轴）①立方体抗压强度标准值fcu,k②强度等级：根据立方体抗压强度标准值确定，表示方法：“C”+fcu,kC7.5,C10,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60如：C25表示混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k=25MPa。⑵混凝土的轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）fcp—钢筋混凝土结构⑶混凝土的抗折强度fcf——道路路面结构⑷混凝土的劈裂抗拉强度fts——确定fts～fcf二、硬化混凝土的强度特征2.混凝土的强度5.1水泥混凝土的技术性质二、硬化混凝土的强度特征4.混凝土强度的质量评定评定方法已知标准差的统计方法未知标准差的统计方法非统计方法三组试件一个验收批次。不小于10组试件一个验收批次。5.1水泥混凝土的技术性质二、硬化混凝土的强度特征4.混凝土强度的质量评定混凝土质量水平的评定统计周期内混凝土强度标准差（σ0）及试件强度不低于要求强度等级的百分率P进行评定。5.1水泥混凝土的技术性质三、硬化混凝土的变形特征弹性变形徐变变形温度变形干缩变形硬化混凝土变形特征5.1水泥混凝土的技术性质四、硬化混凝土的耐久性混凝土抵抗环境介质作用而保持其形状、质量和适用性的能力。混凝土的耐久性抗渗性抗冻性抗化学侵蚀性耐磨性碱-集料反应5.1水泥混凝土的技术性质★耐久性小结

混凝土的耐久性在很大程度上与其密实度有关混凝土的密实度主要取决于水灰比和水泥用量现行国标中规定了混凝土的最大水灰比和最小水泥用量5.2普通水泥混凝土的组成设计一、普通水泥混凝土组成材料的技术要求4.拌合水5.外加剂与掺合料

外加剂是在混凝土拌和前或拌合时掺入、掺量不大于水泥质量5%（特殊情况下除外），并能按照某些要求改善混凝土性能的物质。掺合料用于改善水泥拌合物的施工和易性、降低混凝土水化热、调节凝结试件等。★组成设计内容确定原材料：明确强度、和易性、耐久性要求配合比设计：确定各组成材料用量★混凝土配合比的常用表示方法以1m3混凝土中各种材料的质量表示水泥330kg，水185kg，砂598kg，石子1281kg以水泥质量为1表示其它各项材料用量的相对关系表示水泥：砂：石子＝1：1.81：3.88；水灰比＝0.56★水泥混凝土配合比设计的主要步骤

初步配合比→基准配合比→设计配合比→施工配合比5.2普通水泥混凝土的组成设计二、普通水泥混凝土的配合比设计5.2普通水泥混凝土的组成设计2.混凝土初步配合比设计步骤⑴按设计要求强度等级计算混凝土的配制强度fcu,0⑵按配制强度计算出相应的水灰比W/C，并进行耐久性校核⑶查表5-14选定1m3中混凝土的单位用水量mw0⑷计算1m3中混凝土的水泥用量，并进行耐久性校核表5-12⑸查表5-15确定砂率S⑹计算粗集料和细集料的用量：绝对体积法或表观密度法

★得出混凝土的初步配合比为：水泥：水：砂：石子＝mc0：mw0：ms0：mg0二、普通水泥混凝土的配合比设计图5-21水泥混凝土体积组成示意图绝对体积法——方程组： 表观密度法——方程组：砂率的确定方法(教材P191表5-15)★依据：粗集料品种、最大粒径及水灰比坍落度在10～60mm范围混凝土砂率，可根据按表5-15选用坍落度≥100mm的混凝土砂率，应在表5-15的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予以调整坍落度＜10mm或在60～100mm内的混凝土及掺用外加剂和掺合料的混凝土，其砂率应经试验确定3.混凝土配合比的试配、调整与确定1)基准配合比——检查混凝土拌合物的施工和易性配合比调整：保持水灰比不变，相应调整用水量或砂率2)设计配合比(1)确定水灰比与强度的关系28d强度检验：基准配合比用水灰比W/C，W/C±0.05（0.03）试拌混合料的和易性检测符合要求(2)设计配合比的确定强度试验由配制强度fcu,0→灰水比C/W设计配合比：用水量mw、水泥用量mc、粗细集料用量mg和ms(3)混凝土组成材料用量的调整表观密度计算值c,c＝mc＋mw＋ms＋mg表观密度实测值c,t

设计配合比：水泥：水：砂：石子＝mc：mw：ms：mg5.2普通水泥混凝土的组成设计二、普通水泥混凝土的配合比设计4.施工配合比水泥：mc=mc0砂：

ms=ms×（1+Ws%）碎石：mg=mg×（1+Wg%）水：

mw=mw－（ms×Ws%＋mg×Wg）

5.2普通水泥混凝土的组成设计二、普通水泥混凝土的配合比设计图5-2坍落度测试示意图测定混合料流动性，并通过目测检查混合料的粘聚性及保水性。①方法：②测定单位：mm③适用范围：集料dmax≯31.5mm坍落度≮10mm④结果评定：坍落度越大，流动性越大⑤粘聚性、保水性的测试坍落度试验图5-3V.B稠度仪示意图①测试方法：浆混凝土拌合物装于VB稠度试验仪的容器中，把透明盘转至混凝土试样顶部，开启振动台，计时至透明圆盘被水凝浆布满的瞬间停止。②单位：V.B稠度值，以s计③适用范围：dmax≯31.5mmV.B稠度值=5～30s④结果评定：VB稠度越大，流动性越小。VB稠度试验图5-4-1砂率与坍落度的关系曲线图5-4-2水泥用量与砂率的关系最优砂率在相同水泥量下，混合料工作性最好的砂率满足工作性要求条件下，水泥浆用量最小的砂率

图5-5坍落度与温度的关系曲线图5-6坍落度与时间的关系曲线

（相同时间）（相同温度）

正态分布曲线平均值标准差σ变异系数Cv＝标准差σ反映施工质量水平，σ越大，施工质量越不稳定。变异系数反映混凝土质量，越小，质量水平越高。立方体抗压强度标准方法制成边长150mm立方体试件，标准条件下养护28d，用标准方法测定其受压极限破坏荷载，MPa立方体抗压强度标准值标准方法制成变长150mm立方体试件，标准条件下养护28d，用标准方法测定抗压强度总体分布的平均值减去1.645倍的标准差。强度标准值保证率不低于95%。抗折强度测试示意图目的：混凝土结构设计（确定路面板厚）混凝土质量控制150mm×150mm×550mm直角棱柱小梁，标准条件养护28d，三分点加荷方式。劈裂抗拉强度抗拉强度约为抗压强度的1/10~1/20，并随着抗压强度的增加而减小。采用劈裂抗拉试验间接求混凝土的抗拉强度。150mm立方体试件，垫条施压。压应力拉应力劈裂抗拉强度石灰岩、花岗岩、碎石混凝土为：fts=1.868×fcf

0.871玄武岩碎石混凝土为：fts=3.035×fcf

0.423劈裂抗拉强度约为轴心抗拉强度的0.9倍，与弯拉强度有关。

水泥混凝土受力破坏示意图集料与水泥粘结界面的破坏水泥石的破坏集料的破坏水泥混凝土强度取决于：水泥石的强度水泥石与集料界面的粘结强度①水泥强度等级与水灰比试验条件及水灰比相同——水泥强度↑，水泥石强度↑，混凝土的强度↑。水泥品种一定——水灰比↑，混凝土强度↓。水泥混凝土强度的主要因素分析——组成材料的影响水灰比公式：抗压强度：fcu,28＝acfce（C/W－ab）抗折强度：fcf,28＝ac＋adfcef＋aeC/W水灰比定则：fce↑fcu↑；C/W↑fcu↑→W/C↑fcu↓②

集料特性集料的颗粒形状、表面特征、表面的洁净程度影响到集料与水泥浆界面的粘结强度。

水泥强度及水灰比相同的条件下，碎石比砾石混凝土强度高W/C＜0.4时，碎石混凝土强度比砾石混凝土强度高38％左右W/C↑，二者差距逐渐缩小W/C≥0.65时，二者差距已不明显集料数量：在水灰比一定的条件下，集灰比↑强度↑水泥混凝土强度的主要因素分析——组成材料的影响水泥混凝土强度的主要因素分析——养护条件的影响混凝土强度与养护温度的关系养护温度高，混凝土早期强度高，但后期强度增进率小。养护温度低，早期强度低，后期强度提高。温度过低或冰点以下，混凝土强度不发展。湿度条件对混凝土强度的影响1－空气中养护2－九个月后水中养护3－三个月后水中养护4－标准湿度下养护水泥混凝土强度的主要因素分析——养护条件的影响湿度不足，水化反应不能正常进行，影响混凝土的强度。混凝土强度与龄期的关系强度随龄期增长，早期快，后期慢①对数公式：f28=f

n(n＞3d龄期)②斯拉特公式：f28=f7+k水泥混凝土强度的主要因素分析——龄期影响混凝土弹性模量分类初始切线弹性模量(0)割线弹性模量(1)切线弹性模量(2)应变应力OCC’AA’ε残ε弹混凝土应力-应变特征示意图混凝土的变形特性——弹性变形静力抗压弹性模量影响因素：粗集料的弹性模量、混凝土强度混凝土的徐变和恢复曲线变形特征：弹性变形→徐变变形→瞬间恢复的变形→徐变恢复→永久变形（也称残余变形）持续荷载作用下的变形特征混凝土变形特性——徐变变形影响因素：水泥石的徐变变形引起混凝土变形特性——温度变形原理：热胀冷缩，温度膨胀系数（10~14）×10-6/℃影响：温度变形不利于大体积混凝土工程、温差较大季节施工。改善措施：采用低热水泥、施工时人工降温，外表保温，设置各类接缝混凝土的干湿变形混凝土变形特性——干缩变形干燥环境中，混凝土内部水分蒸发引起体积变化，干缩。湿胀值《干缩值干缩应变极限值(50~90)×10-5，干缩系数0.5~0.9mm/m影响因素：水泥石的干缩→水泥品种、单位用水量；集料；施工、养护条件。→防止措施：限制水泥用量且保证一定的集料用量，减少水灰比，充分捣实、早期养护混凝土的耐久性——抗渗性混凝土的抗渗性：混凝土对液体或气体渗透的抵抗能力。影响因素：混凝土的密实度（孔隙率）及孔隙结构特征。改善措施：降低水灰比（采用减水剂）以减少混凝土内部毛细管通道。防止由于离析、泌水导致在混凝土内形成空隙。加强养护及防止出现施工缺陷。抗渗性的表示——抗渗标号。标准试件，标准养护28d，规定方法测试其承受的最大水压力。六等级——S2、S4、S6、S8、S10、S12混凝土的耐久性——抗冻性混凝土的抗冻性：混凝土抵抗冻融循环作用的能力。影响因素：混凝土的密实度（孔隙率）及孔隙结构特征。改善措施：掺加引气剂，在混凝土中形成均匀分布的不连通微孔抗冻性的表示——抗冻标号。标准试件，标准养护28d，吸水饱和后，-15~-20，15~20温度下反复冻融，满足抗压强度下降不超过25%，质量损失不超过5%时的最大冻融循环次数。九等级——D10、D15、D25、D50、D100、D150、

D200、

D250、D300混凝土的耐久性——抗化学侵蚀性影响因素：混凝土的密实度（孔隙率）及孔隙结构特征。改善措施：降低水灰比（采用减水剂）以减少混凝土内部毛细管通道。防止由于离析、泌水导致在混凝土内形成空隙。加强养护及防止出现施工缺陷。掺加引气剂，在混凝土中形成均匀分布的不连通微孔侵蚀机理：同泥石的侵蚀。混凝土的耐久性——碱－集料反应碱集料反应条件：●水泥中的碱（Na2O和K2O）含量较高●集料中含有碱活性物质：SiO2和Al2O3等●水两种类型的碱－集料反应：①碱—硅反应：水化物为碱硅酸凝胶，体积增大近3倍②碱—碳酸盐反应：生成物由白云石→水镁石，体积增大近1.5倍。5.3混凝土外加剂与掺合料一、混凝土外加剂1.外加剂类型1)按其主要功能分类（表5-16）2)按化学成分分类无机化合物——早强剂CaCl2和Na2SO4等，主要是无机电解质盐类有机化合物——表面活性剂类和某些有机化合物及复盐表面活性现象分子组成特点亲油端（憎水基）、亲水端（亲水基）离子型：阳离子型阴离子型非离子型图5-18表面活性现象图5-19表面活性分子模型5.3混凝土外加剂与掺合料一、混凝土外加剂2.常用混凝土外加剂混凝土外加剂减水剂引气剂混凝剂早强剂常用混凝土外加