水泥混凝土及砂浆-土木工程材料.ppt

1、第4章 水泥混凝土及砂浆,南华大学杨建明教授,21:26:04,水泥混凝土是以水泥和水组成的水泥浆体为粘结介质、将分散其间的不同粒径的粗、细集料胶结起来，在一定条件下，硬化成为具有一定力学性能的一种人工石材。 1824年约瑟夫.阿斯帕丁发明波特兰水泥 1830年前后水泥混凝土问世 1850年产生钢筋混凝土 1928年制成预应力混凝土 1965年混凝土外加剂应用 轻质、超高强、高耐久性、多功能和智能化方向发展,第4章 水泥混凝土及砂浆,21:26:04,按表观密度分： 普通混凝土干表观密度20002500 kg/m3，2400kg/m3 轻混凝土1950 kg/m3 重混凝土2600 kg/m3

2、屏蔽各种射线的辐射采用各种高密度集料配制。 按强度分级分为： 低强度混凝土抗压强度小于30MPa 中强度混凝土抗压强度介于3060MPa 高强度混凝土抗压强度大于60MPa 超高强混凝土抗压强度大于100 MPa,第4章 水泥混凝土及砂浆,21:26:04,第4章 水泥混凝土及砂浆,按用途可分为结构混凝土、防水混凝土、防辐射混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、大体积混凝土、膨胀混凝土、道路混凝土。,21:26:04,混凝土优缺点： 优点： 原材料丰富，造价低廉，可以就地取材； 可塑性好； 与钢筋有较高握裹力，混凝土与钢筋的线膨胀系数基本相同。,第4章 水泥混凝土及砂浆,21:26:04

3、,第4章 水泥混凝土及砂浆,缺点： 抗拉强度低； 易产生裂缝，受拉时易产生脆性破坏 自重大，比强度小 耐久性不够,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,普通混凝土是水泥、水、砂子和石子组成，另外还常掺量的外加剂和掺和料。 砂子和石子在混凝土中起骨架作用，故称为骨料（或集料） 细骨料（或细集料）、粗骨料（或粗集料），分界在4.75mm,21:26:04,一、水泥 1、水泥品种的选择表4.1 2、水泥强度等级的选择表4.2。水泥强度等级宜为混凝土强度等级1.31.7倍。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,表4.1 硅酸盐系水泥的选用,21:26:04,表4.2 水泥

4、强度等级可配制的混凝土强度等级,21:26:04,二、细骨料 建设用砂（GBT14684-2011）粒径在150m4.75mm称细骨料 1、细骨料的种类及其特性 河砂、湖砂 天然砂海砂 山砂 人工砂机制砂 混合砂 根据砂的技术要求，将砂分为类（C60混凝土）、类（C30C60及抗冻、抗渗或其他要求混凝土）、类（用于配制强度等级小于C30混凝土和建筑砂浆）,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,2、细骨料的技术要求 1）含泥量、石粉含量和泥块含量 含泥量是指天然砂中粒径小于75m的颗粒含量。 石粉含量是指人工砂中粒径小于75m的颗粒含量。 泥块含量是指砂中原粒径大于1.18mm，经

5、水浸洗、手捏后小于600m的颗粒含量。 如表4.3、4.4 2）有害物质 云母、轻物质、硫酸盐和硫化物、氯盐、有机质表4.5 3）碱骨料反应,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,表4.3 天然砂的含泥量和泥块含量,21:26:04,表4.4 人工砂的石粉含量和泥块含量,21:26:04,表4.5 砂有害物质含量限值,21:26:04,4）粗细程度和颗粒级配 砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后的平均粗细程度。 砂的颗粒级配是指粒径大小不同的砂粒的搭配情况。GBT14684-2011 筛分析采用4.75mm、2.36mm、1.18mm、600m、300m和150m方孔筛。

6、计算筛余量、分计筛余百分率ai和累计筛余百分率Ai（表4.6）。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,砂的粗细程度根据累计筛余百分率计算细度模数（Mx）表示。 粗砂Mx=4.13.7 中砂Mx=3.02.3 细砂Mx=2.21.6,21:26:04,表4.6 分计筛余和累计筛余的关系,21:26:04,根据600m筛孔的累计筛余，把Mx在3.71.6之间的常用砂的颗粒级配分为三个级配区，如表4.7所示。也常采用筛分曲线来表示。 所谓筛分曲线是指以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标的曲线如图4.1 判定砂级配合格方法如下： 4.75mmm

7、、600m不允许超出。 配制混凝土宜优选用2区砂，当采用1区砂，应提高砂率，采用3区砂时，应降低砂率。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,5）坚固性 砂的坚固性是指在气候、环境或其他物理因素作用下抵抗碎裂的能力。 天然砂采用砂在硫酸钠溶液中经五次浸泡循环后质量损失的大小来判定。 人工砂采用压碎指标进行检查。,21:26:04,表4.7 建筑用砂颗粒级配,21:26:04,图4.1 砂的级配区曲线,21:26:04,6）表观密度、堆积密度、空隙率 GB/T146842011规定，砂表观密度大于2500kg/m3，松散堆积密度大于1350 kg/

8、m3，空隙率小于47%。 3、细骨料的含水率和湿胀（图4.2） 按饱和面干时体积为标准 建筑工程以干燥状态为基础，水利、道路工程以饱和面干状态为准。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,图4.2 细骨料含水状态,21:26:04,三、粗骨料 建设用卵石、碎石（GB T 14685-2011 ）规定，粒径在4.75mm90mm间的骨料称为粗骨料。 1、粗骨料的种类及其特性 同上所述 2、粗骨料的技术要求 1）含泥量和泥块含量 表4.8,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,2）有害物质含量 表4.9 3）碱骨料反应 4）最大粒径和颗

9、粒级配 粗骨料最大粒径是指粗骨料公称粒级的上限。 混凝土结构施工质量验收规范（GB502042002）（2011年版）规定，混凝土最大粒径不得超过截面最小尺寸的1/4，且不得大于钢筋最小净距的3/4；对于混凝土实心板，骨料最大粒径不宜超过板厚1/3，且不得超过40mm。,21:26:04,表4.8 粗骨料含泥量及泥块含量,21:26:04,表4.9 粗骨料有害物质,21:26:04,粗骨料级配含义同细骨料，也通过筛析法来测定。 2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、75.0mm、90.0mm 粗骨料的颗粒级

10、配分连续级配和间断级配（表4.10）。 5）颗粒形状 6）强度碎石强度可用抗压强度和压碎值表示，表4.11 卵石强度用压碎指标值表示,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,表4.10 卵石和碎石的颗粒级配,21:26:04,表4.11 粗骨料压碎指标（%）,21:26:04,7）坚固性用硫酸钠溶液法检验，试样经5次循环 8）表观密度、堆积密度、空隙率 建设用卵石、碎石GB T 14685-2011 规定，粗骨料的表观密度大于2500 kg/m3，松散堆积密度大于1350 kg/m3，空隙率小于47%。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,四、混凝土拌和用水 不应影

11、响混凝土的和易性和凝结 有损于混凝土强度发展 降低混凝土的耐久性，加快钢筋的腐蚀和导致预应力钢筋的脆断 使混凝土表面出现污斑 1、混凝土拌和用水的类型和应用 水源：饮用水、地表水、地下水、海水及经过适当处理后的工业废水。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,2、混凝土拌和水的技术要求（表4.12）JGJ63-2006 （1）有害物质含量控制 （2）被检验水样应与饮用水样进行水泥凝结时间对比试验。对比试验的水泥初凝时间差及终凝时间差均不应大于30min （3）被检验水样应与饮用水样进行水泥胶砂强度对比试验，被检验水样配制的水泥胶砂3d 和28d

12、强度不应低于饮用水配制的水泥胶砂3d 和28d 强度的90。,21:26:04,表4.12 混凝土用水中的物质含量限值,21:26:04,五、混凝土外加剂 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质。称为混凝土第五组份。 （一）外加剂的分类 改善混凝土拌和物流变性能的外加剂，如各种减水剂、引气剂、泵送剂、保水剂。 调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂，如缓凝剂、早强剂、速凝剂。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,改善混凝土耐久性的外加剂，如引气剂、阻诱剂、防水剂。 改善混凝土其它性能的外加剂，如加气剂、防冻剂、碱集料反应抑制剂。 （二）常用混凝土外加剂

13、1、减水剂 1）减水剂的作用机理（图4.3） 吸附分散作用 润滑作用 湿润作用,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,图4.3 减水剂减水机理示意图,21:26:04,2）减水剂的技术经济效益 减少用水量提高混凝土强度 增大混凝土的流变性 节约水泥用量,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,3）减水剂分类： 木质素磺酸盐类；木质素磺酸钠、钙、镁，又称木钠、木钙、木镁。0.20.3%减水率515%28d强度1015%节约水泥510% 萘系；0.21.0、1525% 树脂系；0.52.0、20%30% 糖蜜系；0.20.3、510% 腐

14、植酸系；,21:26:04,2、引气剂 引气剂是指在搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气孔（直径10m100m）的外加剂。 松香热聚物、烷基磺酸钠、脂肪磺酸盐类、蛋白质盐及石油磺酸盐系 松香热聚物和松香皂,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,提高混凝土拌和物和易性； 抗渗性和抗冻性； 强度有所降低。 适宜的参加量为水泥用量的0.005%0.01%，混凝土中含气量为3%6%,21:26:04,3、早强剂 氯盐类、硫酸盐类、有机胺类 氯化钙早强剂；掺量0.51.0%，3d强度提高50%100%，7d20%40%，一般同阻诱剂复合使用，如

15、亚硝酸钠（NaNO2） 三乙醇胺复合早强剂,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,4、缓凝剂 有机：木质素磺酸盐、羟基羧酸盐、多羟基碳水化合物 羟基羧酸盐如酒石酸、柠檬酸 多羟基碳水化合物如糖蜜 无机：硼砂、氧化锌、硝酸锌、硫酸铁 无机化合物如Na3PO4,21:26:04,5、速凝剂 铝酸钠、碳酸钠、铝酸钙、氟硅酸锌等 红星1型、711型、782型 产生原因：同石膏反应,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,6、防冻剂 混凝土在负温下硬化，并在规定时间内达到足够防冻强度的外加剂。 （1）防冻组分：

16、氯化钙、氯化钠、亚硝酸钠 （2）引气：松香热聚物 （3）早强：NaCl、CaCl （4）减水，木钙,21:26:04,7、膨胀剂 硫铝酸钙、氧化钙 如明矾膨胀剂 8、防水剂 能降低混凝土在静水压力下透水性的外加剂。 （1）无机：FeCl2、硅灰粉末 （2）有机：脂肪酸 （3）混合物 9、泵送剂,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,六、掺合料 混凝土掺合料是指在混凝土搅拌前或搅拌过程中，现混凝土其他组分一起，直接加入的人造或天然的矿物材料以及工业废料。其目的是为了改善混凝土性能、调节混凝土强度等级和节约水泥用量。 粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉、磨细自燃煤矸石以及其他工业废渣。,4.1

17、 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,1、粉煤灰 按收集方式，分静电收尘和机械收尘 按排放方式，分湿排灰和干排灰 按CaO的含量高低分为高钙灰（CaO含量大于10%）和低钙灰（CaO含量小于10%）,21:26:04,1）粉煤灰的颗粒形貌和化学成分 形貌主要是玻璃微珠 有空心和实心珠 空心微珠是因矿物杂质转变过程中产生的CO2、CO、SO2、SO3等气体，被截留于熔融的灰滴中形成的。空心微珠和薄壁和厚壁之分，前者能漂浮在水面上，又叫“漂珠”，其活性高；后者置于水中能下沉，又叫“空心沉珠”。 还的部分未燃尽的碳粒，未成珠的多孔玻璃体。 化学成分有SiO2

18、、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3等,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,2）粉煤灰的效应 粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，掺入混凝土中可产生三种效应，总称为粉煤灰效应。 （1）活性效应SiO2、Al2O3水泥水化Ca(OH)2，水化硅酸钙和水化铝酸钙 （2）形态效应玻璃微珠 （3）微骨料效应改善混凝土孔结构和增大混凝土密实度,21:26:04,3）粉煤灰活性的激发 （1）物理活化 （2）化学活化常用激发剂有碱性激发剂（Ca(OH)2、NaOH、KOH、Na2SiO3）硫酸盐激发剂（CaSO4.2H2O、CaSO

19、4、CaSO4.1/2H2O、Na2SO4）和氯盐激发剂（CaCl2、NaCl） （3）水热活化 （4）复合活化,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4）粉煤灰的环境特性 5）粉煤灰的利用 混凝土和砂浆的掺和料 水泥的混合料或生产原料 烧制普通砖和粉煤灰陶粒 生产硅酸盐制品 用地筑路和回填 农田改造 制作功能材料,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,2、硅灰 硅灰是在生产硅铁、硅钢或其他硅金属时，高钝度石英和煤在电弧炉中还原所得到的以无定形SiO2为主要成分的球状玻璃体颗粒粉尘。 一般化学成分 SiO2：85%90%；Fe2O3：2%3%；MgO：1%2%；Al

20、2O3：0.5%1.0%；CaO：0.2%0.5%,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,硅灰颗粒极细，平均粒径为0.1m0.2m，比表面积20000m2/kg25000 m2/kg。密度2.2g/cm3，堆积密度250kg/m3300kg/m3。 硅灰活性极高，火山灰活性指标高达110%。硅灰取代水泥后，其作用与粉煤灰类似，取代量5%15%。,21:26:04,3、磨细矿渣粉 磨细矿渣粉是将粒化高炉矿渣经磨细而成的粉状掺合料。 其主要成分为CaO、SiO2、Al2O3 少量Fe2O3、MgO和SO3 其活性较粉煤灰高，掺量也可比粉煤灰大。可等量

21、取代水泥，使混凝土多项性能提高。大幅度提高混凝土强度、耐久性和降低水泥水化热。,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,4、沸石粉 沸石粉是由沸石岩经粉磨加工制成的含水化硅酸盐为主的矿物火山灰质活性掺合材料。主要有斜发沸石或涤光沸石 主要化学成分为SiO2占60%70%，Al2O3占10%30%,可溶硅占5%12%，可溶铝占6%9%。 沸石粉密度2.2 g/cm3；堆积密度700kg/m3800kg/m3。 沸石粉本身没有水化能力，在水泥中碱性物质激发下其活性才能表现出来。取代水泥10%20%,21:26:04,5、其他掺合料 1）磨细自燃煤矸石粉

22、 2）浮石粉、火山渣粉,4.1 普通水泥混凝土的组成材料,21:26:04,4.2 混凝土拌和物的和易性,新拌混凝土的工作性 硬化后混凝土的力学性质（强度、变形性能、耐久性） 一、和易性的概念 由混凝土组成材料拌和而成、尚未硬化的混合料，称为混凝土拌和物，又称新拌混凝土。 和易性指混凝土拌和物易于施工操作（拌和、运输、浇筑和振捣），不发生分层、离析、泌水等现象，以获得质量均匀、密实的混凝土的性能。,21:26:04,4.2 混凝土拌和物的和易性,流动性 和易性粘聚性 保水性 即满足输送和浇捣要求的流动性，不为外力作用产生脆断的可塑性，不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣密致的密实性。,21:26

23、:04,二、和易性的测定方法 坍落度试验 维勃稠度试验 1、坍落度试验美国查普曼 坍落度园锥筒H300mm，上口直径100mm，下底直径200mm 还应观察混凝土拌合物的粘聚性、保水性和含砂情况 2、维勃稠度试验皮纳 坍落度小于10mm的新拌混凝土，可采用维勃稠度仪，以时间s表示。,4.2 混凝土拌和物的和易性,21:26:04,4.2 混凝土拌和物的和易性,三、影响新拌混凝土的和易性的因素 1、组成材料的影响 1）单位用水量 单位用水量实际上决定混凝土拌和物中水泥浆的数量。 试验表明，当集料不变时，如果单位用水量一定，若水泥增减量不超过50100kg/m3，混凝土拌和物的坍落度可大致保持不变

24、，这一规律称为“固定用水量定则”。,21:26:04,2）水灰比（水胶比，新规范） 3）砂率的影响 砂率是指细集料（或砂）质量占全部（砂、石）总质量的百分率。,4.2 混凝土拌和物的和易性,21:26:04,4.2 混凝土拌和物的和易性,4）水泥品种和细度 如矿渣水泥和火山灰拌制混合物流动性比普通水泥小。水泥颗料越细，总表面积越大，需水更多。 5）集料特性 集料级配、颗粒形状、表面特性及粒级 6）外加剂 2、外界因素的影响 1）环境因素 2）时间,21:26:04,四、改善新拌混凝土工作性的措施 1）调节混凝土材料组成 2）掺加各种外加剂 3）提高振捣机械的效能,4.2 混凝土拌和物的和易性,

25、21:26:04,五、混凝土拌合物的和易性选择 结构面断面尺寸，钢筋配置的疏密以及捣实的机械类型和施工方法 表4.13 六、混凝土拌和物的凝结时间 贯入阻力仪以贯入阻力4.5MPa和28Mpa划两条平行线，初凝时间和终凝时间,4.2 混凝土拌和物的和易性,21:26:04,表4.13 混凝土浇筑时的坍落度,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,包括强度和变形 一、混凝土强度 （一）混凝土的结构和受压破坏过程 1、混凝土的结构 复合材料，即粗骨料、细骨料、未水化水泥颗粒、水泥凝胶、凝胶孔、毛细管孔和引进的气孔 通常认为混凝土是由粗骨料与砂浆或粗细骨料与水泥石两相组成的、不十分密实的、非匀质

26、的分散体。,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,宏观堆聚结构 混凝土结构的另一个特征是粗骨料的表面到水泥石之间存在10m50m界面过渡区。过渡区水泥石的结构比较疏松，缺陷多，强度低。图4.4 普通混凝土骨料与水泥之间的结合主要粘着和机械啮合，骨料界面是最薄弱的环节，特别是粗骨料下方因泌水留下的孔隙，尤为薄弱。,21:26:04,图4.4 混凝土界面过渡区示意图,21:26:04,2、混凝土受压破坏过程 典型静力受压时的荷载变形曲线（图4.5） （1）阶段当荷载到达“比例极限”以前 （2）阶段当荷载超过“比例极限”后 （3）阶段荷载超过临界荷载 （4）阶段,4.3 混凝土的力学性质,21

27、:26:04,图4.5 混凝土受压变形曲线,21:26:04,（二）混凝土强度 常用的强度有立方体强度、轴心抗压强度、抗拉强度和抗折强度 1、混凝土立方体抗压强度（fcu） 普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T500812002） 150mm150mm150mm立方体，标准养护条件，温度202，相对湿度95%以上或202的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中），养护28d龄期，以标准试验方法测得的抗压强度值。,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,环箍效应 GB/T500812002C60用非标准试件乘以尺寸换算系数 2002002001.05 10010010

28、00.95 60使用非标准试件，尺寸换算系数应由试验确定。,21:26:04,2、强度等级 混凝土强度检验评定标准（GB/T501072010） 用“C”和“立方体抗压强度标准值”，如C30 C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60 混凝土立方体抗压强度标准值系指按照标准方法养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,3、混凝土轴心抗压强度（fcp） 150mm150mm300mm棱柱体试件 4、劈裂抗拉强度（fts） 150150300mm

29、 5、抗弯拉强度（或抗折强度） 150150600mm（或550mm） 采用100100400非标准试件0.85,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,（三）影响硬化后水泥混凝土强度的因素 1、水泥强度等级与水灰比的影响(新版2011规范） 大量试验1930年鲍罗米 A、B回归系数，按普通混凝土配合比设计规程（JGJ552000） 碎石A0.46,B0.07卵石A0.48，B0.33。fce水泥实际强度 抗折强度与水灰比的关系,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,普通混凝土配合比设计规程（JGJ552011） a、b回归系数，按普通混凝土配合比设计规程（

30、JGJ552011） 碎石a0.53,b0.20卵石a0.49，b0.13 B-胶凝材料用量；W/B水胶比,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,公路水泥混凝土路面施工技术规范JTG F30-2003,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,2、骨料的影响 3、养护温度及湿度的影响 （1）温度；（2）湿度 常见的混凝土养护有如下： （1）自然养护 洒水养护、喷涂薄膜养护 （2）标准养护 （3）蒸汽养护100 （4）蒸压养护175，8大气压 （5）同条件养护,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4、龄期与强度的关系

31、适用标准养护条件，中等强度（C20C30）的混凝土。 此外我国还有“一小时推定混凝土强度”。,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,（四）提高混凝土强度的措施 1、选用高强度水泥和早强型水泥 如重交通路面，抗折强度应大于5.0MPa，水灰比不大于0.46，水泥用量不大于360kg/m3。 2、采用低水灰比和浆集比 不超过0.45，用水量不超过150kg/m3。,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,3、掺加混凝土外加剂和掺合料 桥梁工程用预应力混凝土，C50以上，水灰比0.350.40 4、采用湿热处理蒸汽养护和蒸压养护 蒸汽养护60以上温度，90%以上湿

32、度 蒸压养护8大气压，温度175以上。 5、采用机械搅拌和振捣,21:26:04,二、混凝土的变形性能 由物理、化学因素引起变形称非荷载变形，包括化学收缩、干湿变形、碳化收缩及温度变形。 由荷载作用引起的变形称为荷载变形，包括短期荷载变形及长期荷载变形。,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,（一）在非荷载作用下的变形 1、化学收缩 2、干湿变形 混凝土极限收缩值可达510-4910-4mm/mm。结构设计中混凝土干缩率取值1.510-42.010-4mm/mm 3、碳化收缩,21:26:04,4、温度变形 混凝土温度膨胀系数0.710-51.410-5/,一般

33、取1.010-5/，即温度每改变1，1m混凝土将产生0.01mm膨胀或收缩变形。 大体积混凝土采用以下方法： （1）低热水泥 （2）外加剂,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,（3）预先冷原材料 （4）预埋冷却管 （5）大体积化整为零施工 （6）表面绝热，调节混凝土表面温度下降速率。 5、影响混凝土非荷载作用下变形的因素 集料含量、集料质量、单位用水量、相对湿度、养护方法、外加剂,21:26:04,6、减少非荷载作用下变形的措施 正确设计密级配集料，提高浆集比； 较低单位用水量和水灰比； 水泥品种，C3AF高； 正确选用外加剂 采用蒸养或压蒸养护,4.3 混凝

34、土的力学性质,21:26:04,（二）在荷载作用下的变形 1、在短期荷载作用下的变形 1）混凝土的弹塑性变形（图4.6） 2）混凝土弹性模量（图4.7） GB/T500812002规定，采用标准尺寸为150mm150mm300mm棱柱体试件，试验荷载为轴心抗压强度1/3，经三次反复加荷和卸荷后，得到弹性模量。 C10C60弹性模量约为1.75104MPa4.9104MPa,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,图4.6加荷和卸荷时混凝土应力应变曲线,21:26:04,图4.7 水泥混凝土弹性模量分类,21:26:04,3）影响混凝土弹性模量的因素 粗骨料、水泥浆体 2、混凝土在长期荷载作

35、用下的变形 混凝土在长期荷载作用会发生徐变。当混凝土卸荷后，一部分变形瞬间恢复，一部分要经过一段时间才能恢复（称徐变恢复），剩余的变形不可恢复，称为残余变形。,4.3 混凝土的力学性质,21:26:04,4.3 混凝土的力学性质,产生徐变的原因，一般认为是由于在长期荷载作用下，水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细孔中迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透所致。 主要因素是水泥用量和水灰比。 徐变有利一面，削弱温度、干缩等引起的约束变形。 不利面，预应力结构中，徐变产生应力松驰，引起预应力损失。,21:26:04,4.4 混凝土的耐久性,钢筋混凝土结构耐久性包括材料耐久性和结构耐

36、久性 混凝土耐久性是指混凝土能抵抗环境介质长期作用，保持正常使用性能和处理完整性的能力。,21:26:04,4.4混凝土的耐久性,一、抗冻性 混凝土在纯水中的抗冻性、道路工程存在盐冻破坏 混凝土的抗冻性用抗冻等级Fn来表示，分为 F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300 慢冻法以标准养护28d龄期的立方体试件，15+20冻融，抗压强度下降率不超过25%，质量损失率不超过5%,21:26:04,4.4混凝土的耐久性,快冻法GBJ8285100mm100mm400mm棱柱体试件 当冻融300次以上，动弹模量下降至60%以下，质量损失达到5%，即可停止试验。,

37、21:26:04,二、抗渗性 混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力液体（水、油和溶液）渗透作用的能力。 工程上抗渗等级表示，分为P4、P6、P8、P10、P12 GB/T50082-2009 采用顶面直径175mm，底面直径185mm，高度150mm，6个试件中4个试件未出现渗水时最大压力表示混凝土抗渗等级。 H6个试件中3个试件表面渗水时水压力（MPa）,4.4 混凝土的耐久性,21:26:04,三、混凝土的碳化（释义） 钢筋失去碱性保护而锈蚀； 水泥石密实，强度得高。 影响混凝土碳化的因素有： 1、环境湿度，相对湿度在50%70%时，混凝土碳化速度最快。 2、水灰比,4.4混凝土的耐久性,21

38、:26:04,4.4混凝土的耐久性,混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀，即二氧化碳对混凝土的侵蚀。是不能避免的，对混凝土实体质量是没有什么影响的。 但是在回弹法测混凝土强度时，须对混凝土的碳化深度进行测量并对强度进行修正。 但是经年的混凝土，当混凝土保护层厚度大于碳化深度时，钢筋没有锈蚀；保护层厚度与碳化深度接近时，则钢筋表面开始有局部锈点出现，当碳化浓度大于保护层时，锈蚀一般不可避免地要出现。 由于已碳化混凝土中钢筋锈蚀将产生钢筋截面削弱、钢筋与混凝土相互作用能力降低，所以一般也认为当钢筋锈蚀发展到混凝土保护层沿钢筋开裂的程度时，尽管尚不影响构件安全使用，但可认为是开始危及结构安全的前

39、兆，甚至可认为这是构件使用寿命的一种极限状态。 对强度短时间影响不大，但因中性化，会对其中的钢筋有大的影响，易生锈！,21:26:04,4.4混凝土的耐久性,3、环境二氧化碳的浓度 4、水泥品种 5、外加剂 碳化深度两种检测方法：一种是X射线法；二种化学试剂法。 混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度，混凝土结构耐久性设计规范GB_T 50476-2008,21:26:04,4.4混凝土的耐久性,21:26:04,四、混凝土的抗侵蚀性 五、混凝土的碱骨料反应 碱骨料反应有三种：碱硅酸反应、碱碳酸盐反应、碱硅酸盐反应 碱骨料反应必须同时具备三条件： 1、混凝土中含有过量的碱（Na2O+K2O）。 2、

40、碱活性骨料总量的比例大于1%。 3）潮湿环境。空气相对湿度大于80%，或直接接触水的环境。,4.4 混凝土的耐久性,21:26:04,可采取以下措施防范： 1、尽量采用非活性骨料 2、严格控制混凝土碱含量，如采用碱含量小于0.6%的水泥。 3、掺入火山灰质混合材料 4、掺入引气剂或引气减水剂 骨料碱活性检验方法有岩相法、化学法、砂浆长度法、岩石柱法、混凝土棱柱法和压蒸法。,4.4 混凝土的耐久性,21:26:04,4.4 混凝土的耐久性,砂浆长度法：JGJ52-2006采用碱含量1.2%水泥1:2.75 160mm40mm40mm砂浆试件，湿度95%，温度（402），砂浆半年膨胀率小于0.1%

41、或3个月小于0.05%，无危害。 砂浆长度法，将粗骨料破碎。 岩石柱法针对碳酸盐岩石，直径91mm，长（355）mm园柱体试件，放入（202），NaOH。,21:26:04,六、混凝土的表面磨损 混凝土表面磨损有三种情况： 1、机械磨耗，如路面、机场跑道、厂房地坪 2、冲磨，如桥墩、水工泄水结构物、沟渠 3、空蚀，如水工泄水结构物 水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范 DL.T 5207-2005,4.4 混凝土的耐久性,21:26:04,4.4 混凝土的耐久性,影响混凝土耐磨性的因素如下： 1、混凝土的强度 2、粗骨料的品种和性能 辉绿岩、铁矿粉最好，花岗岩、闪长岩次之，石灰岩、白云岩较差

42、3、细骨料与砂率 4、水泥和掺合料 5、养护和施工方法,21:26:04,4.5普通水泥混凝土的组成设计,普通混凝土配合比设计是确定混凝土中各组成材料质量比。 混凝土配合比表示方法有二种： 单位用量以每1m3混凝土中各种材料的用量表示。 相对用量以水泥的质量为1，按水泥：细集料：粗集料：水灰比如1：2.14：3.82w/c=0.45,21:26:04,4.5普通水泥混凝土的组成设计,一、混凝土配合比设计的基本要求 1）满足结构设计强度的要求 2）满足施工和易性的要求 3）满足环境耐久性的要求 4）满足经济要求,21:26:04,二、混凝土配合比设计的三参数（图4.8） 1）水灰比（W/C ）；

43、 2）砂率Sp； 3）单位用水量(W) 常用符号的含义C表示水泥，S表示砂，G表示石子，W表示水。,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,图4.8混凝土四组分三参数的关系图,21:26:04,三、混凝土配合比设计的步骤 （1）计算初步配合比水泥：水：细骨料：粗骨料Co:Wo:So:Go （2）提出基准配合比C基:W基:S基:G基 （3）确定试验室配合比C实:W实:S实:G实 （4）换算工地配合比C施:W施:S施:G施,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,四、普通混凝土配合比设计方法 1、初步配合比的计算 1）确定混凝土的配制强度fcu,o（新规范2011） fcu

44、,k混凝土设计立方体抗压强度标准值，MPa；t概率度；标准差。MPa。概率度t与强度保证率P（%）见表4.14。,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,表4.14 不同t值的保证率P（%）,21:26:04,4.5普通水泥混凝土的组成设计,根据普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2011）的规定：95%，与此对应t=-1.645 即混凝土强度的保证率为95%，t-1.645 还可以根据强度离散系数Cv来确定。,21:26:04,2）计算水灰比（W/C）（新规范2011） （1） fce,k水泥标号标准值；rc富余系数 （2）

45、按耐久性校核水灰比JGJ552000,4.5普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,4.5普通水泥混凝土的组成设计,普通混凝土配合比设计规程（JGJ552011） a、b回归系数，按普通混凝土配合比设计规程（JGJ552011） 碎石a0.53,b0.20卵石a0.49，b0.13 B-胶凝材料用量；W/B水胶比,21:26:04,3）选定单位用水量表3-13确定适宜坍落度值，再参考规范定出1m3混凝土的用水量。 4）计算单位水泥用量 （1）按强度要求计算 （2）按耐久性校核用灰量 5）选定砂率（SP） 也可以计算,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,6）计算粗、细集料单位

46、用量（S0、G0） （1）绝对体积法 基本原理是假定刚浇捣完毕的混凝土拌和物的体积，等于其各组成材料的绝对体积及其所含少量空气体积之和。 不掺引气剂时，可取1；掺引气剂时，24,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,2、假定表观密度法 假定表观密度法又称为质量法，基本原理是假定普通混凝土拌和物表观密度（oc）接近一个恒值。 oc表观密度（kg/m3）；Sp砂率 C7.5C15，oc2360kg/m3；C20C30，oc2400kg/m3；C35C45，oc2450kg/m3；,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,2、混凝土配合比调整 1）和易性调整确定基准配合比

47、（1）按初步配合比试件一定体积的混凝土，测定混凝土拌和物的和易性。 （2）测定和易性满足设计要求的混凝土拌和物的表观密度 。 （3）计算混凝土基准配合比。,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,2）强度调整确定实验室配合比 （1）调整水灰比 用三个不同配合比，其中一个是基准配合比，另外增加和减少0.05，用水量与基准配合比相同，砂率可分别增加或减少1%。 （2）确定达到配制强度时各材料的用量 3个灰水比值 ，取fcu.i对应C/W； 用水量Wq取基准配合比用水量； 水泥用量Cq； Gq、Sp取基准配合比中粗细骨料含量，并按选定灰水比作适当调整。,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,

48、21:26:04,（3）确定实验室配合比 计算实验室配合比： 3、确定混凝土施工配合比 五、混凝土配合比设计实例,4.5 普通水泥混凝土的组成设计,21:26:04,4.6 普通水泥混凝土的质量控制,一、混凝土质量波动 1、混凝土生产前的因素 2、混凝土生产过程中的因素 3、混凝土生产后的因素 二、混凝土强度波动规律正态分布,21:26:04,图4.9 混凝土强度的正态分布曲线,21:26:04,4.6 普通水泥混凝土的质量控制,三、衡量混凝土施工质量水平的指标 混凝土强度的平均值、标准差、变形系数和强度保证率 1、混凝土强度平均值（ ）,21:26:04,图4.10 混凝土强度离散性不同的正

49、态分布曲线,21:26:04,4.6普通水泥混凝土的质量控制,2、混凝土强度标准差（） 3、变异系数（Cv）,21:26:04,4.6普通水泥混凝土的质量控制,4、强度保证率（P） 混凝土强度保证率是指混凝土强度总体中，大于等于设计强度等级（ ）的概率。 混凝土强度检验评定标准（GB/T 50107-2010）,21:26:04,4.6 普通水泥混凝土的质量控制,四、混凝土的质量控制 1、混凝土质量控制内容 （1）原材料的质量控制 （2）施工过程质量控制 机械法；振动台、振动棒 人工法 2、混凝土质量控制图,21:26:04,4.6普通水泥混凝土的质量控制,五、混凝土强度的合格评定 1、统计方

50、法（已知标准差方法） 边续三次试件组成一验收批,21:26:04,4.6普通水泥混凝土的质量控制,当混凝土强度等级不高于C20 当混凝土强度等级高于C20,21:26:04,4.6普通水泥混凝土的质量控制,2、统计方法（未知标准差） 10组试件组成验收批 1、2混凝土强度判定系数,21:26:04,4.6普通水泥混凝土的质量控制,3、非统计方法 4、混凝土强度的合格性判定,21:26:04,4.6 普通水泥混凝土的质量控制,六、结构实体混凝土的强度和内部缺陷的检测 钻取试样 非破损检测：回弹法、超声回弹法、拔出法,21:26:04,4.7其他混凝土,一、粉煤灰混凝土 粉煤灰混凝土是指将粉煤灰在

51、混凝土搅拌前或搅拌过程中与混凝土其他组分一起掺入所制得的混凝土。 （一）粉煤灰的技术要求 用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596-2005）规定,21:26:04,4.7其他混凝土,F类粉煤灰 由无烟煤或烟煤锻烧收集的粉煤灰。 C类粉煤灰一 由褐煤或次烟煤锻烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于 10写。 级粉煤灰的品位最高，都是经静电收尘器收集的，细度较细，并富集大量表面光滑的球状玻璃体。 级粉煤灰系我国大多数火力发电厂的排出物。其细度较粗，对混凝土强度的贡献较级小。 级粉煤灰是指火电厂排出的原状干灰或湿灰。 如表4.15,21:26:04,表4.15 用于混凝土中的粉煤灰技术要求,21

52、:26:04,表4.15 用于混凝土中的粉煤灰技术要求,21:26:04,（二）粉煤灰混凝土的性能 和易性，用水量相同的情况下，混凝土拌和物流动性、粘聚性提高； 可泵性，可泵性明显提高； 凝结时间，缓凝； 水化热，降低； 引气量，增加；,4.7 其他混凝土,21:26:04,4.7 其他混凝土,强度，早期低，60天后强度大于基准混凝土强度； 弹性模量，相等，可能更高； 收缩徐变，影响不大； 抗渗性，增强； 抗冻性，早期较差，后期与基准相近； ,抗碳化，较基准混凝土差。,21:26:04,（三）粉煤灰最大掺量和取代水泥率 粉煤灰混凝土应用技术规范GBJ1461990规定 见表4.16,4.7其他

53、混凝土,21:26:04,4.7其他混凝土,（四）粉煤灰混凝土配合比设计 粉煤灰混凝土应用技术规范GBJ1461990 1、粉煤灰的掺法 粉煤灰混凝土配合比设计以不掺粉煤灰的混凝土配合比为基准（基准混凝土配合比），按绝对体积法计算。 等量取代法 超量取代法超量系数表4.17 外加法,21:26:04,表4.16 粉煤灰取代水泥的最大限量,21:26:04,表4.17 粉煤灰的超量系数,21:26:04,2、粉煤灰混凝土应用技术规范GBJ1461990规定的粉煤灰混凝土配合比设计步骤 1）计算基准混凝土配合比 首先按照设计要求的混凝土强度等级，设计普通混凝土的配合比，作为基准混凝土（即未掺粉煤灰

54、的水泥混凝土）配合比。,4.7其他混凝土,21:26:04,4.7其他混凝土,2）等量取代法 （1）根据基准混凝土中各种材料的用量Co、Wo、So、Go选定与基准混凝土相同或稍低的水灰比； （2）根据确定的粉煤灰等量取代水泥量（f%）计算粉煤灰用量（F）和水泥用量（C）,21:26:04,（3）粉煤灰混凝土的用水量 （4）水泥和粉煤灰的浆体体积,4.7 其他混凝土,21:26:04,（5）砂和石子的总体积 （6）选用与基准混凝土相同或稍低的砂率（Sp），砂和石子用量 （7）1m3粉煤灰混凝土中各种材料用量为： C、F、W、S、G,4.7 其他混凝土,21:26:04,3）超量取代法 所谓“超量

55、取代法”是粉煤灰总掺入量中，一部分取代等体积的水泥，超量部分粉煤灰取代等体积的砂。超量取代法是以基准混凝土等和易性、等强度原则进行配合比计算调整。 （1）计算基准混凝土配合比Co、Wo、So、Go （2）选定粉煤灰取代水泥的掺量百分率（f%）和粉煤灰超量系数(K)，GBJ14690。,4.7 其他混凝土,21:26:04,（3）计算粉煤灰取代水泥量，超量部分质量和总掺量 粉煤灰取代水泥量（F）、超量部分质量（Fe）和总掺量（Ft）,4.7 其他混凝土,21:26:04,（4）水泥的质量 （5）调整后砂的质量 （6）1m3粉煤灰混凝土中各种材料用量为C、Ft、W0、Se、G0,4.7 其他混凝土

56、,21:26:04,4）外加法 （1）根据基准混凝土计算的各种材料用量（Co、Wo、So、Go），选定外加粉煤灰掺入率（fm%） （2）外加煤灰的质量 （3）调整后砂的质量,4.7其他混凝土,21:26:04,4.7其他混凝土,（4）1m3粉煤灰混凝土中各种材料用量为：C0、Fm、Sm、W0、G0 5）计算实例,21:26:04,（五）粉煤灰混凝土的应用 1、粉煤灰的适用范围 （1）级粉煤灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6m的预应力混凝土。 （2）级粉煤灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土。 （3）级粉煤灰主要用于无筋混凝土。,4.7 其他混凝土,21:26:04,4.7 其他混凝土,2、粉煤灰混凝土特

57、别适用于下列情况： （1）节约水泥和改善混凝土拌和物和易性的现浇混凝土，尤其泵送混凝土 （2）坝体、房屋及道路在基等低水泥用量、高粉煤灰掺量的碾压混凝土（用级灰） （3）C80级以下大流动度高强混凝土（用级灰） （4）受海水等硫酸盐作用的海工、水工混凝土工程（用级灰） （5）须要降低水化热的大体积混凝土 （6）须抑制碱骨料反应的混凝土工程（用级灰）,21:26:04,4.7 其他混凝土,一、轻骨料混凝土 轻骨料混凝土是指轻粗骨、轻细骨料（或普通砂）、水泥和水（有时还包括适量外加剂和掺合料）配制而成。 干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土,21:26:04,4.7其他混凝土,（一）轻骨料

58、1、轻骨料的种类 轻骨料是指堆积密度小于1200 kg/m3的骨料。通常采用天然多孔岩石破碎加工而成，或用人造材料、工业废料等原材料烧制而成。 （1）按轻骨料粒径分：粒径大于5mm，堆积密度小于1000kg/m3，称为轻粗骨料。粒径不大于5mm，堆积密度小于1200kg/m3，称为轻细骨料。,21:26:04,4.7其他混凝土,（2）按骨料性能分：超轻骨料（堆积密度不大于500kg/m3）、普通轻骨料（大于500 kg/m3）、高强轻骨料 （3）按轻骨料产源分：天然轻骨料、工业废渣轻骨料和人造轻骨料,21:26:04,2、轻骨料的技术性质及要求 1）最大粒径：轻粗骨料最大粒径是指累计筛余不超过

59、10%该号筛孔尺寸。保温及结构保温，不宜大于40mm，结构20mm。 2）级配：表4.18 3）堆积密度：表4.19 4）轻粗骨料的强度：轻骨料混凝土技术规程（JGJ512002）筒压法,4.7其他混凝土,21:26:04,4.7其他混凝土,5）吸水率与软化系数：超轻骨料吸水率不大于15%30%。普通轻骨料10%22%。高强轻骨料吸水率不大于8%15% 6）有害物质含量：轻骨料中严禁混入煅烧石灰石、白云石和硫化铁，表4.20,21:26:04,表4.18 轻骨料的颗粒级配,21:26:04,表4.19 轻骨料的密度等级,21:26:04,表4.20 轻骨料有害物质含量,21:26:04,（二）轻骨料混凝土的技术性质 150mm150mm150mm LC5.0、LC7.5、LC10、LC15、LC20、LC5、LC30、LC35、LC40、LC45、LC50、LC60 按其干表观密度分为14个密度等级，如表4.21 1、轻骨料混凝土的种类 1）按细骨料品种分，全轻混凝土和砂轻混凝土 2）按粗骨料品种分，工业废渣轻骨料混凝土、天然轻骨料混凝土和人造轻骨料混凝土 3）按用途分，保温轻骨料混凝土、结构保温轻骨料混凝土、结构轻骨料混凝土,4.7 其他混凝土,21:26:04,表4.21 轻骨料混凝土的密度等级,21:26:04,2、轻骨料混凝土的技