清华大学建筑材料实验实验报告

清华大学建造材料实验实验报告混凝土配合比设计实验报告一、实验名称C80高强混凝土配合比设计实验二、实验目的1、掌握混凝土配合比设计的方法，学会通过查阅相关资料，在标准设计步骤指导下完成基本符合预期要求的混凝土配合比方案；2、掌握混凝土拌合工序，学习如何测定混凝土拌合物的基本性能；3、配制出具有较好性能的C80高强泵送混凝土，为混凝土力学性能实验准备试件。三、设计概述（设计初衷及着重点）（一）设计初衷高强混凝土作为一种新的建造材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建造结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高，普通为普通强度混疑土的4〜6倍，故可减小构件的截面，因此最适宜用于高层建造。试验表明，在一或者增加计算所得用水量。在计算所得用水量小于并接近推荐最大用水量时，可如下计算胶凝材料的用量。混凝土中胶凝材料的总质量混凝土中水泥用量可由下式计算：可由下式计算：混凝土中矿物掺合料用量mi可由下式计算：7.含水率的校正及最终配合比的确定见下部份。（三）初步配合比设计.实验室提供原材料水泥（28天抗压强度55.0MPa）o2）一级粉煤灰。3）凝结态硅灰。5~20mm石灰石质碎石，堆积密度1550kg/m3。5）二区中砂（河砂）O6）蔡系粉剂减水剂（减水率20%）o7）聚竣酸液体减水剂（减水率30%）o2.实验室可提供的设备包括：1）行星对流式强制搅拌机。2）温度=20摄氏度，相对湿度90%的养护室。3.初步的配合比根据上述的配合比步骤，完成配合比需要砂、石的含水率以便校正。在矿物掺合料上，根据老师论文中的经验数据，选择的硅灰占胶凝材料总质量的6%-10%,粉煤灰的用量需要根据含水量和建议最大用水量的大小关系进行测试，选择用水量小于或者接近最大用水量的值时候的硅灰质量。我想到由于计算过程较为复杂，于是在前一天编写了一个Excel,以表格完成上述计算过程，这个表格需要我们输入四个值：当天的砂、石含水率，和粉煤灰和硅灰的含量。经过小组成员的讨论，我们将硅灰的含量定为胶凝材料的8%o韩老师当天上午测定的砂石的含水量分别是3.5对口0.8%,将此数据录入表格。那末用水量和配合比粉煤灰用量的函数。通过当天上午我们与韩老师商讨，粉煤灰的用量为胶凝材料的20%。（实际上，这是根据老师的经验而定下的数据。）减水剂的用量需要经过试配，测试新拌混凝土的工作性，选择满足工作性的减水剂的用量。老师直接告诉我们，减水剂的用量为胶凝材料的1.5%,根据胶凝材料的总质量，我们直接计算出减水剂的含量。（事实上，如果没有经验，需要多次试配混凝土，加入不同量的减水剂，老师的经验数据是试配的结果。在这里，老师直接告诉我们减水剂的含量，是为了简化我们配制混凝土的步骤，缩短实验的时间，简化实验过程。）1、确定混凝土配制强度由fcu,ofcu,k1.645及表1得fcu,o801.6455.088.23Mpa2、确定水灰比W/C由经验公式W/CAfcefcu,oABfce得W/CAfce0.4942.50.22fcu,oABfce89.870.490.1342.5（课上老师告诉我们：A=0.49,B=0.13）基于泵送混凝土的流动性要求，水灰比不宜过低，且胶凝材料不宜超过600kg/m3,故取W/C=0.2633、1m混凝土用水量mw的确定4、1m3混凝土水泥用量mC及硅粉用量mfmw155mCmf596kgW/C0.26由硅粉掺量10%可求得5、NF-2-6缓凝高效减水剂掺量取减水剂掺量为1.5%,则可得1m3混凝土减水剂掺量为：6砂率公式：SpOSpOSpOGS（p—石子空隙率，G—石子的表观密度，OG—石子的堆积密度，OS—砂子的堆积密度，S—砂子剩余系数一在混凝土中砂用量与正好填满石子之间空隙的砂的用量的比值，普通为1.2—1.4）这里按普通的情况，取石子的表观密度G=2680kg/m3,堆积密度OG=1480kg/m3,砂的堆积密度为1450kg/m3,可以计算出石子的空隙率为（这里取S=1.4）：P（1砂率：OG1480）100%（1）100%44.8%G268014500.4481.443%14500.44814807、砂石用量确定砂、石的饱和面干含水率分别为1.5%和1.2%,计算砂、石实际含水率与饱和面干含水率的差值公式如下:Sp计算砂、石中所含水分质量：计算砂、石的实际用量：计算水的实际用量：其中和分别为混凝土配合比计算得出的砂、石和水的用量。普通混凝土的表观密度在2400kg/m3—2500kg/m3,这里假设1m3湿混凝土分量为2480kg,于是mCmfmWmGmS2480kgmS100%43%mGmS根据胶凝材料和水的用量，可以计算出砂石的质量：计算1m3混凝土中各原料的质量百分比水泥：硅粉：石子：砂：水=542100%:54100%:986100%:743100%:155100%24802480248024802480=21.8%：2.2%：39.8%：30.0%：6.2%计算真实用水量和砂、石的实际用量。得出混凝土的配合比如下，每1m3（四）预期工作性与真实工作性C80高强混凝土的预期工作性要满足塌落度在10-220mm之间，适宜于成型即可，但不得浮现离析和泌水现象。塌落度以60mm为佳。非自密实型，不须测定扩展度。我们组的C80的真实塌落度为180mm,很好地符合了预期的要求。在填充模具时，混凝土的密实程度较好。但是做实验拆模时，我们发现一些试件的密实程度较差，其中有较大的空洞，这影响了试件强度的发展。五、实验内容（五）抗压预期强度与真实强度发展.混凝土预期抗压强度：1）混凝土强度等级的概念混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值划分。混凝土强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值（以N/mm2计）表示。混凝土立方体抗压强度标准值系指对按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期,用标准试验方法测得的抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5%o).试验依据标准:GB/T*****-20023).试验要求混凝土强度等级NC60,试件周围应设防崩裂罩。.6.1钢垫板的平面尺寸应不小于试件的承压面积，厚度应不小于钢垫板应机械加工，承压面的平面度公差为0.04mm;表面硬度不小于55HRC;硬化层厚度约为5mm.当压力试验机上、下压板不符合条规定时，压力试验机上、下压板与试件之间应各垫以符合462条规定的钢垫板。.加荷速度：<C300.30--0.50MPa/S>C300.50—0.80MPa/S>C600.80—1.0MPa/S.换算系数100x100x100(mm)0.95150x150x150(mm)1.00200x200x200(mm)1.05当混凝土强度等级>C60时，宜采用标准试件；使用非标准试件时，尺寸换算系数应由实验确定。单位:MPaN/mm2.实际抗压强度发展抗压强度测定过程相关参数设置：垂直于受压面加载，对侧面进行实验。对C80混凝土，加荷速率取0.9MPa/s(9.0kN/s),直至试件破坏。结果要求：混凝土抗压和抗折强度的测定均应以3个试件作为一组。以三个试件测定值的算术平均值作为该组试件的强度值（精确至0.1MPa）。三个测定值中最大值或者最小值如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍弃，取中间值作为该组试件的测定结果。如最大值和最小值与中间值的差均超过中间值的15%,则该组试件的测定结果无效。根据要求，我们得到的数据都符合要求。数据如下表：.实际抗压强度发展分析混凝土7天龄期强度发展良好，基本上都已接近等级要求，个别试件甚至已接近设计强度。分析其原因，主要是矿物掺和料硅粉的作用。硅粉有很大的比表面积与很高的活性，除了能加速C3S的水化外，硅粉的弱小颗粒还可以作为C—S—H凝胶沉积的核心，这些作用加速了放热，从而使混凝土的早期水化比较彻底，强度得到较大的提高。C80强度发展的特点，前期强度发展较快，7d时的强度已接近85MPa大于预期强度要求；但是后期发展速度更快，从7d到28d过程中，强度居然由84.5MPa增加到119.0MPa,几乎已经彻底达到了C100的抗压强度要求。通过检索相关资料，我发现C80混凝土的早强是因为硅灰的作用。研究表明若用15%的硅粉替代水泥.贝悔64.8mg硅酸盐水泥中大约有200万粒硅粉。因此.硅粉对混凝土性能的影响不难想象。在硬化混凝土中.硅粉粒子由于填充了水泥颗粒之问

的空隙，从而增加了同体材料之间的密实性。硅粉的掺入能改善混凝土拌和物的均匀性。提高内聚力.故使其有很好的稳定性。甚至在高坍落度的情况下也不离析。试验表明.当硅粉取代水泥用显大于15%时，坍落度为15—20cm.未见材料离析和泌水。这是由于在超细粒子存在下减少了浆体内部液体的流动.接触点的增多也使内聚力增加，在浆体内部还由于水泥颗粒与硅粉粒子之间存在二次水化硅酸钙反应物牢牢地粘贴在一起的原因。用硅灰取代10%水泥用量时，水化放热速度和放热量都略高于普通混凝土。这是因为硅灰的比表面积大，当硅灰存在于水泥颗粒之间的空隙时.与水泥水化时析出的Ca(OH)2迅速进行反应，从而导致强度快速增长。因此，可利用硅灰促进早强作用。这非常符合实验得到的数据。我认真地参加了每一次抗折和抗压实验，对每一件试件进行了观察。我发现，在抗压实验中，我们将试件的成型面置于侧方面。绝大多数的试件现在成型面破裂。我想这主要是因为成型面的骨料在混凝土硬化的过程中产生下沉，水分上升(程度较轻，未泌水)，导致表面的骨料较少，水分较多，因为形成的硬化水泥浆体强度低于中间部位的强度。28d的数据说明:28d的数据说明:28d所取的10cmx10cmx10cm试件中,抗压强度分别达到了119.6,119.6和119.0,郭老师分析说如果数据无误的话可能是我们设计之初，用硅粉的量大了，导致混凝土的强度在后期激增，无非后来几组同学的实验数据也偏高，所以分析可能有一部份的额机器误差影响。虽然28天的强度受到一定的机器因素影响，都显得偏高，但是其他实验指数均正常。结论：所配制的C80混凝土的抗压强度达到了预期的要求。(六)抗折强度发展及分析1混凝土劈裂抗拉强度实验.1试件尺寸:100x100x100(mm)2龄期:14天3加载方式:见下图混凝土劈裂抗拉强度采用直径为150mm的钢制弧型垫条,其长度不短于试件边长.进行劈裂抗拉试验时在垫条与混凝土之间垫一厚3-4mm,宽度为10-20mm的三合板垫层.4加荷速度：(强度等级低的取0.2-0.5,高的取0.5-0.8Mpa/S).混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算：.式中，为混凝土劈裂抗拉强度(Mpa)；F为破坏荷载(N)；A为试件劈裂面面积(mm2)。劈裂抗拉强度计算精确到0.01。.取立方体试件的劈裂抗拉强度为标准值。用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，对100x100的试件取值为0.85。数据处理与混凝土抗压强度相同.定的轴压比和合适的配箍率情况下，高强混凝土框架柱具有较好的抗震性能。而且柱截面尺寸减小，减轻自重，避免短柱，对结构抗震也有利，而且提高了经济效益。高强混凝土材料为预应力技术提供了有利条件，可采用高强度钢材和人为控制应力，从而大大地提高了受弯构件的抗弯刚度和抗裂度。因此世界范围内越来越多地采用施加预应力的高强混凝土结构，应用于大跨度房屋和桥梁中。此外，利用高强混凝土密度大的特点，可用作建造承受冲击和爆炸荷载的建（构）筑物，如原子能反应堆基础等。利用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强的特点，建造具有高抗渗和高抗腐要求的工业用水池等。随着混凝土技术的不断发展，高效减水剂和高活性的混凝土掺和料不断得到开辟与应用以及工程结构向大跨度、高层、超高层及超大型发展的需要，混凝土强度、性能不断提高，特殊是越来越多的大跨桥梁、高层建造、地下、水下建造工程的修筑和使用，使高强和高性能化的混凝土已逐渐成为主要的工程结构材料。此外，港口和海洋工程用高强混凝土，可大大降低维修费用，提高耐久性。由于工程建设的范围与规模不断扩大，要求混凝土具有高强、高体积稳定性、高弹性模量、高密实度、低渗透性、耐化学腐蚀性及高耐久性并具有高工作性等特性。因此，高强高性能混凝土在工程建设中将占领主要地位。C80高强混凝土在国外已有相当的研究与应用水平，如日本在七十年代已能配制C80~C90的高强混凝土。近年来美国、加劈裂抗拉强度测定结果其中可得(A=100x100mm2)=7.68(MPa)=7.30(MPa)标准化：0.95结论：混凝土的抗拉强度惟独抗压强度的1/101/20,且随着混凝土强度等级的提高比值降低。下表是不同等级的混凝土的轴心抗压强度fck和轴心抗拉强度ftk的标准值表5混凝土的轴心抗压强度fck和轴心抗拉强度ftk的标准值由于劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度有一定的换算系数，故可通过换算获得C80混凝土的标准劈裂抗拉强度，并与实验结果对照评定。但未查得换算系数，故没能采用这种办法对照评定。于是只能通过查阅其他较为标准的实验结果进行对照。下表是某混凝土搅拌站得出的标准C80试件劈裂抗拉强度的实验结果。C80劈裂抗拉强度实验结果在混凝土7天龄期抗压强度实验中，我们试件的强度平均值为75.5MPa,故由此估算出我们试件的拉压比大致为6.09/79.9=0.0780（且可能还小一些，因为混凝土试件的抗压强度有所发展，应该高于75.5MPa）,与表中0.0746的拉压比十分接近，所以可以判定我们组混凝土的劈裂抗拉强度基本符合要求。2混凝土与钢筋握裹强度1试件尺寸:100x100x200mm2龄期:14d试件六个为一组（实际为两个）3加荷速度400N/S4加载时到下面任何一种状况时住手加载（1）钢筋达到屈服（2）混凝土发生破裂（3）钢筋滑动超过0.1mm5试验时采用（p16mm的光圆钢筋，拔至最大荷载时住手实验.握裹强度测定结果P1P2（A=200x16Trmm2）2A结论：7天以后混凝土的握裹强度已大于6MPa,符合强度要求。（七）混凝土的氯离子扩散系数.混凝土渗透性评价标准本实验采用氯离子扩散系数测试仪进行测定经验数据表结论：由实验数据得氯离子扩散系数为2.******10八-9,在预想的范围内，符合经验。通过比较发现，C80混凝土的抗渗透能力强于C60和C30混凝土。这是因为，粉煤灰和硅灰内玻璃球体大于80%,起到滚珠作用，使混凝土工作性能得到改善。掺量越大，和易性越好。粉煤灰的掺入量是混凝土抗渗性能重要影响因素，并且随着粉煤灰和硅灰的百分比的增大，混凝土的抗渗性能逐渐增高。(八)成本估算.混凝土配合比用材料成本.C80混凝土的成本(536x450+60x2000+743x80+986x80+155x1.5+8.94x8000)/1000=571.2725元分析：由于C80混凝土中参入了较多的硅灰，并使用了价格不菲的高效减水剂，于是其造价远高于C60和C30混凝土。于是C80混凝土的使用会受到经济因素的约束。若想降低C80混凝土的造价，则需大力发展化工行业，寻觅便宜的矿物掺合料和便宜的减水剂。我想，在未来的短期内，那个国家能够寻觅便宜的矿物掺合料和减水剂，则能产生巨大的经济效益。六、实验感想建造材料是土木系学生学习的专业平台基础课，从它的实验课中，我收获了不少。配合比是这半个学期最大的实验，经历的时间又最长。从中我了解到做科研的辛苦与枯燥，同时这也要求我们有良好的心理素质和研究的治学态度。如果想在专业课中有所收获的话，必须付出不少，所谓“一份耕耘，一份收获”。专业课与基础课不同，因为基础课在高中有底子，而专业课对于每一个人都是一样平等的，无论以前底子怎么样，都可以把专业课学好。如果真的想在清华、在土木系过上有收获的大学本科四年的话，对待每一门专业课都需要全力以赴。从建造材料中，我学到的不仅是知识，更是让我对专业课有了概念，让我有了以后该如何学习专业课的准备。还记得配合比课前那天夜里，我们熬夜计算混凝土配合比时的疲惫；还记得在面对着那一盆新拌混凝土的时候，我们争先恐后地抢着铁锹，渴望在上边戳两下的兴奋；还记得做完氯离子扩散后，我们将试件瓜分掉时，那种宛然拿到了战利品的激动。建造材料实验课激发并增强了我对土木工程的兴趣，增强了我对土木专业的信心，我相信自己能够学好土木工程的课程的。感谢半个学期以来向来耐心指导我们郭自利老师和助教老师!七、参考资料李路华，王海龙，赵庆宽，王圣文《硅粉对混凝土的高性能影响》《山西水利科技》2022年8月第3期王吉星，郭晓燕《浅淡粉煤灰对普通混凝土渗透性的影响》《工业技术》2022年1月郭佩玲、陈翠红、王元《C80高强混凝土的研究与应用》（辽宁省建设科学研究院）郭发明《C80高强高性能混凝土的研制及应用》《科技情报开辟与经济》2022年第16卷第11期拿大也在工程中应用C60〜C100混凝土，最高达C120级的高强混凝土。高强混凝土的应用范围很广，房屋建造中用高强混凝土可增加建造物的美观程度，如芝加哥的79层塔楼建造用C95级高强混凝土，效果明显。（二）技术要求C80高强高性能混凝土是在严酷环境下使用的，要求易于泵送、浇筑、捣实、不离析，能长期保持高强、高韧性与体积稳定性，且使用寿命长。因此它必须具有工程设计和施工所要求的优异的综合技术特性，具体如下：1）、具有高抗渗性和高抗介质侵蚀能力。高抗渗性是高耐久性的关键。2）、具有高体积稳定性，即低干缩、低徐变、低温度应变率和高弹性模量。3）、高强、超早强，即满足工程结构或者构件较高要求的承载能力。4）、具有良好的施工性，即满足施工要求的高流动性、高黏聚性，坍落度损失小，泵送后易于振捣，甚至免振达到自密实。5）、经济合理，应利于节约资源、能源及环境保护。相关标准JGJ55—20001）、配制高强混凝土时应掺用高效减水剂或者缓凝高效减水剂;2）、配制高强混凝土时应掺用活性较好的矿物掺合料，且宜复合使用矿物掺合料；3）、 高强混凝土的水泥用量不应大于550kg/m3,水泥和矿物掺合料的总量不应大于600kg/m3。(三)设计的着重点1.概述我们小组所配制的C80混凝土的侧重点是混凝土的强度和耐久性，这也是强度混凝土中，不仅过渡区的薄弱大大限制了混凝土强度的提高，而且骨料的强度有时也会影响混凝土整体强度，这与低强度混凝土有所不同。为了提高过渡区的强度，要求混凝土的较小，这就需要加入高效减水剂；同时，掺入适量的晶体。在较小的条件矿物掺合料可以促进二次反应，以消耗过渡区的下，混凝土中的原生微裂隙和孔隙较小，进而大大降低了混凝土的渗透性，而提高渗透性是高强混凝土增加耐久性的关键因素。此外，由于C80高强混凝土的密实性极高，故在其后期养护的过程中，外界水分很难进入，其强度的后期发展有可能收到制约，于是做好混凝土浇筑后的后期养护时的水分供给尤其关键。所选择的矿物掺合料和高效减水剂的详细属性及作用机理如下：2.粉煤灰优质粉煤灰中含有大量活性较强的SiO2和AI2O3,掺入混凝土拌和物中能与水泥水化产物Ca(0H)2进行二次反应，生成稳定的水化硅酸钙凝胶，具有明显的增强作用。优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些玻璃体表面光滑、无棱角、性能稳定，在混凝土中起润滑作用，减小了混凝土拌和物之间的磨擦阻力，能显著改善混凝土拌和料的和易性，提高混凝土拌和物的可泵性。止匕外，混凝土中掺加优质粉煤灰还可以降低水化热、降低混凝土干燥收缩率，有效提高混凝土的抗渗性、抗冻性、弹性模量等，还可提高混凝土抗硫酸盐腐蚀性能，抑制碱一一硅反应的膨胀。配制C80高强高性能混凝土应采用I级粉煤灰，且SQ2和AI2O3的总含量超过70%o3.高效减水剂的使用新型高效减水剂是配制C80高强高性能混凝土的必需组分。高效减水剂在配置高强泵送混凝土中的作用为：1）高效减水剂由于具有高的减水作用，可大幅降低混凝土的单方用水量，赋予混凝土拌合物大的流动性，满足泵送施工的要求。2）在满足混凝土泵送施工的情况下，可以降低混凝土的水灰比，从而提高混凝土的抗压强度和弹性模量。3）掺入缓凝高效减水剂，可以满足混凝土泵送施工中保塑性的要求（即混凝土的塌落度损失要小）。4）降低了水泥用量，减少工程成本。5）对减少徐变，提高混凝土的耐久性也非常有利。但掺高效减水剂的混凝土的坍落度损失普通较快，所以施工时宜采用二次掺入法或者掺入相应的缓凝剂，以减少坍落度损失。此外，当日最低温度低于0℃时，高效减水剂虽能增加和易性,其增加强度的作用会大大降低，因此，高效减水剂宜在春季、秋季使用。在选择高效减水剂时，既要考虑到工程特点、施工条件、耐久性要求，也要考虑到高效减水剂的种类、用量、混凝土强度与水泥的适应性等。对于C80高强高性能混凝土考虑到混凝土拌和物的坍落度损失及现场施工是否便利，可采用与缓凝剂复合的高效减水剂。止匕外，所选用的高效减水剂的减水率不宜小于18%o4.硅灰的作用机理硅粉中含有大量的非晶体球形颗粒SiO2,颗粒特殊细，粒径约为O.LO.3|jm,为水泥颗粒径的1/100-1/300。SiO2活性较强，掺入到水泥混凝土中，其增强作用表现在:均匀分布于水化产物中，具有良好的微填充效应，使混凝土密实化；对混凝土早、中期的强度发展特殊有利；使混凝土中游离的Ca（OH）2减少，原片状晶体尺寸缩小，在混凝土中的分散度提高；加入一定量的硅粉，可增加CSH凝胶的数量，混凝土的过度区界面粘接得到了加强，混凝土的强度得到提高。这些特性导致混凝土的强度和耐久性得到显著提高。用于C80高强高性能混凝土的硅粉应符合下述质量指标：1）活性无定形二氧化硅（SiO2）含量不小于90%； 2）比表面积（BEF-N2吸附法）不小于*****m3/kg；3）密度在2200kg/m3