土木工程材料-第5章混凝土、第6章建筑砂浆课件

林建好 建筑工程学院,第5章 混凝土,主要内容,概述 5.1 普通混凝土的组成材料 5.2 混凝土拌合物的性能 5.3 硬化后混凝土的性能 5.4 混凝土的质量控制与强度评定 5.5 普通混凝土配合比设计 5.6 泵送混凝土,概 述,正在施工的秦山核电站,一、混凝土的定义,混凝土 由胶凝材料、粗集料、细集料和水(或不加水)按适当的比例配合、拌合制成混合物，经一定时间后硬化而成的人造石材。混凝土常简写为“砼”。 普通混凝土 由水泥、砂、石子、水以及必要时掺入的化学外加剂组成，经过水泥凝结硬化后形成的、干表观密度为20002500kg/m3，具有一定强度和耐久性的人造石材。又称为水泥混凝土，简称为“混凝土”。,三峡工程钢筋混凝土重力坝,二、混凝土的分类,按干表观密度分 重混凝土 02600kg/m3。 普通混凝土 0 20002500kg/m3。 轻混凝土 01950kg/m3。 按胶凝材料分 水泥混凝土、硅酸盐混凝土、沥青混凝土、聚合物水泥混凝土、聚合物浸渍混凝土等。 按用途分 结构混凝土、防水混凝土、道路混凝土、耐酸混凝土、大体积混凝土、防辐射混凝土等 。,二、混凝土的分类,按流动性分 干硬性砼、塑性砼、流动性砼及大流动性砼 。 生产和施工方法分 按生产方式可分为预拌砼和现场搅拌砼；按施工方法分为泵送砼、喷射砼、碾压砼、挤压砼、离心砼、压力灌浆砼等 。,按强度等级分 低强度砼C30 、中强度砼C30C60、高强度砼 C60和超高强度砼 100MPa。,喷射混凝土施工,三、混凝土的特点,优点 原材料丰富，造价低廉，可以就地取材（经济性） ； 可根据混凝土的用途来配制不同性质的混凝土（适用性）； 凝结前有良好的可塑性，可利用模板浇灌成任何形状及尺寸的构件或结构物，它是“万用之石”（多用性）； 与钢筋有较高的握裹力，混凝土与钢筋的线膨胀系数基本相同，两者复合后能很好地共同工作（安全性） 。,缺点 抗拉强度低（约为抗压强度的1/101/20）、变形性能差； 自重大（约为2400kg/m3左右），比强度小，不利于建筑物(构筑物)向高层、大跨度方向发展； 耐久性不够，在自然环境、使用环境及内部因素作用下，混凝土的工作性能易发生劣化； 硬化较慢，生产周期长，在自然条件下养护的混凝土预制构件，一般要养护714d方可投入使用。,四、混凝土五个基本要求或准则,满足与使用环境相适应的耐久性要求； 满足与设计强度要求； 满足与施工相规定所规定的工作要求； 满足业主或施工单位渴望经济性要求； 满足可持续发展所必需的生态性要求,五、混凝土性能优化途径及采取措施,性能优化途径： 降低水泥用量，由水泥、粉煤灰或磨细矿粉等共同组成合理的胶凝材料体系； 依靠减水剂实现砼低水胶比； 使用引气剂减少砼内部的应力集中现象； 通过改变加工工艺，改变集料的粒径或级配 ； 减少单方砼用水量及水泥浆量；,五、混凝土性能优化途径及采取措施,主要措施： 大量使用工业废弃资源； 扶植再生砼产业使建筑垃圾作为骨料再利用； 大力发展中、低等级耐久性好砼。,5.1 普通混凝土的组成材料,混凝土的结构,混凝土的结构 水泥+水水泥浆+砂水泥砂浆+石子混凝土拌合物硬化混凝土 组成材料的作用 水泥+水：填充作用、润滑作用和胶结作用。 砂+石子：骨架作用、降低成本作用和稳定体积作用。,混凝土体积构成 水泥石25左右； 砂和石子70以上； 孔隙和自由水15%。,5.1.1水泥的选择,品种的选择 配制水泥混凝土的水泥品种，应根据混凝土的工程特点或所处的环境条件，结合水泥性能，且考虑当地生产的水泥品种情况等，进行合理地选择。 强度等级的选择 原则上，配制高强度等级的混凝土，选择高强度等级的水泥； 一般情况下，水泥强度等级为混凝土强度等级的1.52.0倍； 配制高强混凝土时，可选择水泥强度等级为混凝土强度等级的0.91.5倍左右。,观察与讨论,道路水泥混凝土质量与水泥选用 请观察此使用一年多的水泥混 凝土道路表面(如图所示)，该 水泥混凝土选用普通硅酸盐水 泥，其熟料矿物组成分别为 C3S 53，C2S 25，C3A 15 ，C4AF 7。请从水泥的角 度分析其选用有否不当之处 。,该路面磨损较严重，已出现较多裂纹。可见表面水泥砂浆层干缩较大、耐磨性较差。从资料可见，所选用的水泥熟料矿物组成中C3A含量较高，当水泥中C3A含量较高，其耐磨性较差、干缩较大，可见选用水泥不当。,工程案例分析,使用受潮水泥 广西百色某车间单层砖房屋盖采用预制空心板12 m跨现浇钢筋混凝土大梁，1983年10月开工，使用进场已3个多月并存放潮湿地方的水泥。1984年拆完大梁底模板和支撑，1月4日下午房屋全部倒塌。,事故的主因是使用受潮水泥，且采用人工搅拌，无严格配合比。致使大梁混凝土在倒塌后用回弹仪测定平均抗压强度仅5 Mpa左右，有些地方竟测不出回弹值。此外振捣不实，配筋不足等问题。,5.1.2 细集料,定义 是指粒径在0.154.75mm的集料。 分类 按产源分,砂,天然砂,机制砂,河砂、湖砂、山砂、和淡化海砂等,天然岩石轧碎而成，俗称人工砂,5.1.2 细集料,按技术要求分 类 宜用于强度等级大于C60的混凝土； 类 用于强度等级为C30C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土； 类 宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。,5.1.2 细集料,技术要求 1.表观密度、堆积密度及空隙率 表观密度s2500kg/m3； 松散堆积密度so1400kg/m3； 空隙率P44%。 2.含泥量、泥块含量及石粉含量 含泥量是指粒径小于0.075mm的颗粒含量； 泥块含量是指粒径大于1.18mm，经水洗、手捏后小于600m的颗粒含量； 石粉含量是指人工砂中粒径小于0.075mm的颗粒含量。具体指标见表。,5.1.2 细集料,天然砂的含泥量和泥块含量,5.1.2 细集料,人工砂石粉含量和泥块含量,5.1.2 细集料,3.有害物质含量 砂中不应混有草根、树叶、树枝、塑料等杂物，有害物质主要是云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯化物等。见下表。,5.1.2 细集料,4.颗粒级配和粗细程度 （1）颗粒级配是指不同粒径颗粒搭配的比例情况。 （2）级配良好的砂，不同粒径颗粒搭配比例适当，其空隙率小，且总表面积小，可以节约水泥或改善混凝土拌合物的和易性。 （3）颗粒级配采用筛分法确定，详见实验部分。 （4）颗粒级配的指标 级配区 : 按600m筛的累计筛余率的大小，可分为1区、2区、3区共三个级配区。详见下页表。 级配合格判定 : 砂的实际级配全部在任一级配区规定范围内；除4.75mm和600m筛档外，可以略有超出，但超出总量应小于5。,5.1.2 细集料,砂的颗粒级配区,5.1.2 细集料,（5）级配的选择 宜优先选择级配在2区的砂；当采用1区砂时，应适当提高砂率；当采用3区砂时，应适当减小砂率。 粗细程度 砂按细度模数大小分为粗砂、中砂、细砂：粗砂 Mx =3.73.1；中砂 Mx =3.02.3；细砂 Mx =2.21.6。 细度模数按下式计算： 式中：Mx细度模数；在配制混凝土时，必须同时考虑砂的级配和细度模数。,5.1.3 粗集料,定义 粒径在4.7590mm的集料称为粗集料。 分类 按产源分：卵石和碎石 按技术要求分： 类 宜用于强度等级大于C60的混凝土； 类 用于强度等级为C30C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土； 类 宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。,5.1.3 粗集料,技术要求 1.表观密度、堆积密度及空隙率 表观密度g2600kg/m3； 连续级配松散堆积空隙率P类、类和类分别43%、45%和47%。 2.含泥量、泥块含量及石粉含量 含泥量是指粒径小于0.075mm的颗粒含量； 泥块含量是指卵石、碎石中粒径大于4.75mm经水洗手捏后小于2.36mm的颗粒含量。具体指标见表。,5.1.3 粗集料,碎石、卵石含泥量和泥块含量,5.1.3 粗集料,3.针片状颗粒含量 针状颗粒是指颗粒长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径2.4倍者； 片状颗粒是指颗粒厚度小于平均粒径0.4倍者。 针片状颗粒不仅本身容易折断，而且会增加骨料的空隙率，使拌合物和易性变差，强度降低。见表。,5.1.3 粗集料,碎石、卵石针片状颗粒含量,4.有害物质含量 卵石、碎石中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物。见下表。,5.1.3 粗集料,5.强度 采用岩石抗压强度和压碎指标两种检验： 岩石抗压强度是将母岩制成50mm50mm50mm立方体试件（或50mm50mm圆柱体），在水饱和状态下（浸水48h）测定其极限抗压强度值。,5.1.3 粗集料,压碎指标是将一定质量风干状态下9.5019.0mm的颗粒装入标准圆筒内，在压力机上按1kN/s速度均匀加荷至200kN并稳定5s，卸荷后用2.36mm的筛筛除被压碎的细粉，称出筛余量。按下式计算： 式中：Qc压碎指标值 ； G1试样的质量 ，g； G2压碎后的筛余量，g。,5.1.3 粗集料,碎石、卵石的压碎指标,5.1.3 粗集料,6.颗粒级配 为减少空隙率，改善混凝土拌合物和易性及提高混凝土的强度，粗集料也要求有良好的颗粒级配。 粗集料的级配也采用筛分法试验,用12种孔径的方孔筛进行筛分,其原理与砂基本相同. 粗集料的颗粒级配有连续级配与间断级配两种。 连续级配是石子由小到大连续分级； 间断级配是指用小颗粒的粒级直接和大颗粒的粒级相配，中间为不连续的级配，由于易产生离析，应用较少。,5.1.3 粗集料,7.最大粒径 粗集料公称粒级的上限称为该粒级的最大粒级的最大粒径。 从结构上考虑 根据规定，混凝土用粗集料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，且不得超过钢筋最小净间距的3/4；对混凝土实心板，不宜超过板厚的1/3，且不得超过40mm。,5.1.3 粗集料,7.最大粒径 从施工上考虑 对泵送混凝土，粗集料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，高层建筑宜在1：31：4，超高层建筑宜在1：41：5。 从经济上考虑 当最大粒径小于80mm时，水泥用量随最大粒径减小而增加， 当大于150mm后，节约水泥的效果却不明显。,5.1.3 粗集料,8.碱活性 集料中若含有活性SiO2或含有碳酸盐，在一定条件下会与水泥中的碱发生碱集料反应，生成凝胶，吸水产生膨胀，导致混凝土开裂。 若集料含有活性SiO2，采用化学法和砂浆棒法进行检验。 若集料含有活性碳酸盐，采用岩石柱法进行检验 。,观察与讨论,石子形状对混凝土性能的影响 请观察下图中A、B、C三种石子的形状有何差别，分 析其对拌制混凝土性能会有哪些影响。,A,B,C,观察与讨论,A为碎石1，针片状颗粒含量较多。此针片状的碎石过多，表面积大，不仅会影响混凝土和易性，还会影响强度。 B为碎石2，表面较粗糙，多棱角，比表面积较碎石1小，拌制混凝土时的性能优于碎石1。 C为卵石，表面光滑、少棱角，空隙率及表面积较小。故拌制混凝土时所需水泥量较小。混凝土拌和物和易性较好。但卵石与水泥石粘结力会较差。在相同条件下，混凝土强度较低。,工程案例分析,集料杂质多危害混凝土强度 某中学一栋砖混结构教学楼，在结构完工，进行屋面施工时，屋面局部倒塌。经审查设计，未发现任何问题。对施工方面审查发现： 所设计为C20的混凝土，施工时未留试块，事后鉴定其强度仅C7.5左右，在断口处可清楚看出砂石未洗净，集料中混有鸽蛋大小的粘土块粒和树叶等杂质。此外梁主筋偏于一侧，梁的受拉区1/3宽度内几乎无钢筋。,工程案例分析,集料的杂质对混凝土强度有重大的影响，必须严格控制杂质含量。树叶等杂质固然会影响混凝土的强度，而泥黏附在骨料的表面，防碍水泥石与骨料的黏结，降低混凝土强度，还会增加拌和水量，加大混凝土的干缩，降低抗渗性和抗冻性。泥块对混凝土性质的影响严重。,5.1.4混凝土拌合用水及养护用水,混凝土拌合和养护用水按水源不同分为饮用水、地表水、地下水和经适当处理的工业用水。 拌制和养护混凝土宜采用饮用水，当采用其它来源水时，应符合混凝土拌合用水标准（JGJ632006）的规定。,工程案例分析,含糖份水使混凝土两天仍未凝结 某糖厂建宿舍，以自来水拌制混凝土，浇注后用曾装食糖的麻袋覆盖于混凝土表面，再淋水养护。后发现该水泥混凝土两天仍未凝结，而水泥经检验无质量问题，请分析此异常现象的原因。 由于养护水淋于曾装食糖的麻袋，养护水已成糖水，而含糖份的水对水泥的凝结有抑制作用，故使混凝土凝结异常。,5.1.5 外加剂,定义 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的，用以改善土性能的物质。一般情况掺量不超过水泥质量的5%。,5.1.5 外加剂,按主要功能的分类 （1）改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。 （2）调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。 （3）改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。 （4）改善混凝土其它性能的外加剂，包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂和泵送剂等。,5.1.5 外加剂,（一）、减水剂 混凝土减水剂是种在保持混凝土拌合物坍落度相同条件下，能减少拌合用水量的外加剂，又称为“塑化剂”，高效减水剂又称为“超塑化剂”。,5.1.5 外加剂,1.减水剂的作用机理 减水剂多属于表面活性剂，它的分子结构是由亲水基团和憎水基团组成，可以降低表面能； 掺入减水剂前： 当水泥加水拌合形成水泥浆的过程中，水泥颗粒把一部分水包裹在颗粒之间而形成絮凝状结构，水的作用不能充分发挥；,5.1.5 外加剂,絮凝状结构,5.1.5 外加剂,掺入减水剂后： 表面活性剂在水泥颗粒表面作定向排列使水泥颗粒表面带有同种电荷，这种排斥力远远大于水泥颗粒之间的分子引力，使水泥颗粒分散，絮凝状结构中的水分释放出来，混凝土拌合用水的作用得到充分的发挥，拌合物的流动性明显提高，这是减水剂分子吸附产生的分散作用。,5.1.5 外加剂,表面活性剂的极性基与水分子产生缔合作用，使水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，阻止了水泥颗粒之间直接接触，起到润滑作用，改善了拌合物的流动性。 减水剂在水泥颗粒表面的吸附，使水泥颗粒表面能较低且带有相同电荷而相互电斥，导致水泥颗粒在液相中分散，絮凝结构中被水泥颗粒包围的水被释放出来，这就是减水剂的作用机理。,5.1.5 外加剂,2.减水剂的作用效果 （1）在保持一定和易性时，减少混凝土拌合物的用水量，提高混凝土的强度。在混凝土拌合物坍落度基本一定的情况下，减少混凝土的单位用水量525（普通型515，高效型1030）。 （2）在不减少单位用水量情况下，提高混凝土拌合物的流动性。在用水量和强度一定的条件下，坍落度可提高100200mm。,5.1.5 外加剂,2.减水剂的作用效果 （3）在保持一定强度时，节约水泥。在混凝土拌合物坍落度、强度一定的情况下，可节约水泥520。 （4）改善混凝土拌合物的可泵性及其他物理力学性能。掺入减水剂可以减少混凝土拌合物的泌水、离析现象；延缓拌合物的凝结时间；减缓水泥水化放热速度；显著提高混凝土硬化后的抗渗性和抗冻性。,5.1.5 外加剂,3.常用的减水剂 （1） 木质素系减水剂（M型） 木质素系减水剂主要使用木质素磺酸钙（木钙），属于阴离子表面活性剂，为普通减水剂，其适宜掺量为0.20.3，减水率10左右。 对混凝土有缓凝作用，一般缓凝。,5.1.5 外加剂,（2）萘系减水剂 高效减水剂，其主要成分为一萘磺酸盐甲醛缩合物，属阴离子表面活性剂。这类减水剂品种很多，目前我国生产的主要有NNO、NF、FDN、UNF、MF、建型等。 萘系减水剂适宜掺量为0.51.0，其减水率较大，为1025%增强效果显著，缓凝性很小，大多为非引气型。适用于日最低气温以上的所有混凝土工程，尤其适用于配制高强、早强、流态等混凝土。,5.1.5 外加剂,（3）水溶性树脂类减水剂 为水溶性树脂，主要为磺化三聚氰胺甲醛树脂减水剂，简称密胺树脂减水剂，为阴离子表面活性剂。我国产品有SM树脂减水剂，为非引气型早强高效减水剂，其各项功能与效果均比萘系减水剂还好。 SM适宜掺量为0.52.0，减水率达2027。,5.1.5 外加剂,（4）糖蜜类减水剂 普通减水剂。它是以制糖工业的糖渣、废蜜为原料，采用石灰中和而成，为棕色粉状物或糊状物，其中含糖较多，属非离子表面活性剂。国内产品粉状有TF、ST、3FG等。 适宜掺量0.20.3，减水率10左右，属缓凝减水剂。,5.1.5 外加剂,（二）、早强剂 作用机理 氯盐类的作用机理有二：其一是CaCl2对水泥水化起催化作用，促使Ca(OH)2浓度降低，加速C3S的水化;其二是钙离子吸附于C-S-H表面，生成复合水化硅酸盐，同时在石膏存在下与C3A作用生成水化氯铝酸盐，此外，CaCl2还增强水化硅酸钙缩聚过程。甲酸钙已被公认为较好CaCl2替代物。 硫酸盐类的作用机理：在水泥硬化时，硫酸盐很快与Ca(OH)2作用生成石膏和碱，新生成的细粒二水石膏比生产水泥加入石膏更迅速发生反应生成AFt，同时这种反应也能加快C3S的水化。,5.1.5 外加剂,（三）、缓凝剂 作用机理 大多数无机缓凝剂是以水泥水化产物生成复盐，沉淀于水泥颗粒表面，抑制水泥的水化。 多数有机缓凝剂缓凝机理 它们均有表面活性，在固液界面上产生吸附，改变固体粒子表面性质； 由于亲水基团吸附大量水形成较厚的水膜层，使晶体间相互接触受到屏蔽，改变了结构形成过程； 通过某些官能团与游离钙离子生成难溶性的钙盐吸附在矿物颗粒表面，抑制水泥水化。,5.1.5 外加剂,（四）、速凝剂 作用机理 主要成分为铝酸钠，此外还有碳酸钠、铝酸钙、氟硅酸锌、氟硅酸镁、氯化亚铁、硫酸铝、三氯化铝等盐类。 速凝剂产生速凝的原因是，速凝剂中的铝酸钠、碳酸钠在碱溶液中迅速与水泥中的石膏反应生成硫酸钠，使石膏丧失缓凝作用或迅速生成钙矾石所致。,5.1.5 外加剂,（五）、膨胀剂 作用机理 硫铝酸盐系膨胀剂： 是由于自身组成中的无水硫铝酸钙或参与水泥矿物水化或与水泥水化产物反应，生成AFt，造成固相体积增加而引起表观体积膨胀。 石灰系膨胀剂： 主要有CaO晶体水化生成Ca(OH)2晶体，体积增加所致。 铁粉系膨胀剂： 是由于铁粉中的Fe和氧化剂作用生成Fe2O3，并在碱性环境中生成胶状的Fe(OH)3而产生膨胀效应。,5.1.5 外加剂,（六）、引气剂 定义 它是一种在混凝土搅拌过程中引入大量均匀分布、稳定而封闭微小气泡，起到改善混凝土和易性以提高混凝土抗冻性和耐久性的外加剂。 作用机理 引气剂属表面活性剂，其界面活性作用与减水剂相似，区别在于引气剂的界面活性主要发生在气液界面上，而不是液固界面上。,5.1.5 外加剂,对混凝土质量的影响： 可改善拌合物和易性，增加可塑性，减少单位用水量。每提高含气量1%，能减少单位用水量3%。 减少离析、泌水现象，提高抗渗性。 提高抗腐蚀性和耐久性。 含气量每提高1%，抗压强度下降35%，抗折强度23%。 干缩增大，但若同时减少用水量，对干缩影响不会太大。 钢筋与混凝土黏结强度有所下降。含气量4%时，对垂直方向的钢筋黏结强度下降1015%，对水平方向稍有下降。,5.2 混凝土拌合物的性能,5.2.1 混凝土拌合物的和易性,1、和易性（工作性）的概念,混凝土拌和物便于施工操作，并获得质量均匀、成型密实的性能。和易性主要包括流动性、粘聚性和保水性：,和易性,粘聚性,保水性,流动性,易达结构均匀,易成型密实,好,好,在本身自重或施工机械振捣作用下，能产生流动并且均匀密实地填满模板的能力。,各组成材料之间具有一定的内聚力，在施工运输和浇注过程中不致产生离析和分层现象，使砼保持整体均匀性的能力。,具有一定的保持水分的能力，在施工过程中不致发生泌水现象的性质。,保证混凝土硬化后的质量,2、和易性的评定,定量测定拌合物的流动性、辅以直观经验评定粘聚性和保水性。,（1）坍落度法 测定混凝土拌合物在自重作用下产生的变形值坍落度（单位mm）。 适用范围： 集料最大粒径不大于40mm； 坍落度值不小于10mm的低塑性混凝土、塑性混凝土。,2、和易性的评定,（2）维勃稠度法 测定使拌合物密实所需要的时间，s。 适用范围 粗集料最大粒径不大于40mm； 坍落度小于10mm，维勃稠度在5s30s之间的干硬性混凝土。,3、混凝土拌合物按流动性的分类,按混凝土质量控制标准（GB50164）的规定，塑性混凝土、干硬性混凝土分别按坍落度 、维勃稠度分为四级。见下表。,4、混凝土施工时坍落度的选择,混凝土拌合物坍落度的选择，应根据施工条件、构件截面尺寸、配筋情况、施工方法等来确定。 见下表。,5、影响和易性的因素,（1）组成材料及其用量之间的关系 水泥浆数量和单位用水量； 骨料的品种、级配和粗细程度； 砂率 ； 外加剂 。见下图。 （2）施工环境的时间，温度,搅拌制度及矿物掺合料和含气量。,水泥,水,砂,石子,外加剂,水泥浆,骨料,混凝土拌合物,5、影响和易性的因素,合理砂率的确定 合理砂率是指在水泥浆数量一定的条件下，能使拌合物的流动性（坍落度T）达到最大，且粘聚性和保水性良好时的砂率；或者是在流动性（坍落度T）、强度一定，粘聚性良好时，水泥用量最小的砂率。,6、调整与改善和易性的措施,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； 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，实际上减少水泥浆数量。选择合理的浆骨比； 改善集料级配，既可增加混凝土流动性，也能改善粘聚性和保水性； 掺减水剂或引气剂，是改善混凝土和易性的有效措施； 尽可能选用最优砂率，当粘聚性不足时可适当增大砂率。,5.2.2混凝土拌合物的凝结时间,混凝土拌合物的凝结时间通常用贯入阻力仪来测定。先用5mm的圆孔筛从混凝土拌合物中筛取砂浆，按一定的方法装入规定的容器中，然后每隔一定时间测定砂浆贯入到一定深度的贯入阻力。绘制贯入阻力与时间的关系曲线。以贯入阻力3.5MPa和28.0MPa划两条平行于时间坐标的直线，直线与曲线交点的时间分别为混凝土拌合物的初凝时间和终凝时间。 通常情况下混凝土的凝结时间为610h，但水泥组成、环境温度、外加剂等都会对混凝土凝结时间产生影响。当混凝土拌合物在10下养护时，其初凝和终凝时间要比23时约分别延缓4h和7 h。,观察与讨论,混凝土中的蜂窝 请观察下图中混凝土楼面，其中有空洞（俗称蜂窝）。 该混凝土是采用人工振捣，其混凝土坍落度为30 mm。请 分析混凝土不密实的原因。,空洞位置,局部放大,观察与讨论,该混凝土未采用振动器振捣，仅人工振捣，而混凝土的坍落度偏低，流动性较差，故易产生蜂窝，应增大混凝土的坍落度，具体按GB 50204-2002混凝土结构工程施工质量验收规范规定进行。实际施工时，混凝土拌和物的坍落度要根据构件截面尺寸大小、钢筋疏密和捣实方法来确定。当构件截面尺筋较密，或采用人工捣实时，坍落度可选择大一些。反之，若构件截面尺寸较大，或钢筋较疏，或采用机械振捣，则坍落度可选择小一些。,工程案例分析,泵送混凝土的和易性问题 某高架桥桥台采用泵送混凝土。因该混凝土保水性较 差，泌水量大，大量水泥稀浆从模板缝中流出，拆模板后 可见桥台混凝土集料裸露。 泵送混凝土要求的坍落度较大，不仅要有较大的流 动性，而且还要有较好的保水性及粘聚性，才可保证工程 质量。,5.3 硬化后混凝土的性能,内容回顾,5.3.1 混凝土的受压破坏机理,砼受压破坏实际上是裂缝的失稳、扩张到贯穿过程。裂缝扩展分四个阶段： 界面裂缝无明显变化； 界面裂缝增长; 出现砂浆裂缝和连续裂缝; 连续裂缝迅速发展 因此,混凝土的受力破坏过程 实际上是混凝土裂缝的发生和发展 过程,也是混凝土内部结构从连续 到不连续的演变过程。,5.3.1 混凝土的受压破坏机理,在压力作用下混凝土破坏有三种破坏形式：破坏类型，原因和可能性分析如下所示。,5.3.2 混凝土的强度,1.立方体抗压强度(fcu) 以边长为150mm的标准立方体试件，在温度为202，相对湿度为95以上的潮湿条件下或者在Ca（OH）2饱和溶液中养护，经28d龄期，采用标准试验方法测得的抗压极限强度。用fcu表示。,5.3.2 混凝土的强度,当采用非标准试件时，须乘以换算系数，见下表： 标准试验方法是指普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T500812002 ），详见实验部分。,5.3.2 混凝土的强度,2.混凝土强度等级 按混凝土立方体抗压强度标准值划分的级别。以“C”和混凝土立方体抗压强度标准值（fcu,k）表示，主要有C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80等十四个强度等级。,5.3.2 混凝土的强度,立方体抗压强度标准值（fcu,k ） ，是立方体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%。 强度等级表示的含义： 强度的范围：某混凝土，其fcu30.034.9MPa；其fcu30.0MPa的保证率为95%。,C30,“30”代表fcu,k30MPa,“C”代表“混凝土”。,5.3.2 混凝土的强度,3.轴心抗压强度fcp 采用150mm150mm300mm的棱柱体试件。在立方体抗压强度为050MPa范围内fcp=（0.70.8）fcu 。在结构设计计算时，一般取fcp0.67fcu。 非标准尺寸的棱柱体试件的截面尺寸为100mm100mm和200mm200mm，测得的抗压强度值应分别乘以换算系数0.95和1.05。,5.3.2 混凝土的强度,4. 劈裂抗拉强度 式中：fts劈裂抗拉强度，MPa； P破坏荷载，N； A试件劈裂面积，mm2。 劈裂抗拉强度较低，一般为抗压强度的1/101/20。,拉应力,压应力,P,P,5.3.2 混凝土的强度,5.混凝土的抗折强度 采用150mm150mm600mm（或550mm）的小梁在三分点加荷状态下测得的 非标准试件为100mm100mm450mm和集中单点加荷，测得的抗折强度值应乘以换算系数0.85。,工程案例分析,綦江县彩虹桥特大垮塌事故 綦江县彩虹桥位于綦江县城古南镇綦 河上，是一座连接新旧城区的跨河人行 桥。该桥为中承式钢管混凝土提篮拱桥， 桥长140米，主拱净跨120米，桥面总宽6 米，净宽5.5米。该桥在未向有关部门申 请立项的情况下，于1994年11月5日开工， 1996年2月竣工。1999年1月4日18时50分， 彩虹桥整体垮塌，造成死亡40人、受伤 14人，直接经济损失约631万元。,5.3.2 混凝土的强度,6.影响抗压强度的因素 （1）水泥的强度和水灰比 fcu混凝土28d龄期的抗压强度值，MPa； fce水泥28d抗压强度的实测值，MPa； 混凝土灰水比，即水灰比的倒数; a、b回归系数。碎石 a0.53； b 0.20； 卵石a 0.49； b 0.13。,5.3.2 混凝土的强度,当混凝土水灰比值在0.400.80之间时越大，则混凝土的强度越低；水泥强度越高，则混凝土强度越高。,5.3.2 混凝土的强度,（2）骨料的影响 碎石形状不规则，表面粗糙、多棱角，与水泥石的粘结强度较高； 卵石呈圆形或卵圆形，表面光滑，与水泥石的粘结强度较低。 在水泥石强度及其它条件相同时，碎石混凝土的强度高于卵石混凝土的强度。,5.3.2 混凝土的强度,（3）养护条件 在保证足够湿度情况下，温度越高，水泥凝结硬化速度越快，早期强度越高； 低温时水泥混凝土硬化比较缓慢，当温度低至0以下时，硬化不但停止，且具有冰冻破坏的危险。 混凝土浇筑完毕后，必须加强养护，保持适当的温度和湿度，以保证混凝土不断地凝结硬化。,5.3.2 混凝土的强度,常见的混凝土养护有：自然养护、标准养护、蒸汽养护、蒸压养护、同条件养护。,5.3.2 混凝土的强度,（4）龄期 龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。 在正常的养护条件下，混凝土的抗压强度随龄期的增加而不断发展，在714d内强度发展较快，以后逐渐减慢，28d后强度发展更慢。 混凝土的强度发展可持续数十年。,5.3.2 混凝土的强度,当采用普通水泥拌制的混凝土的抗压强度与其龄期的对数成正比。 式中： fn、f28分别为n、28天龄期的抗压强度，MPa （5）外加剂 （6）施工条件 （7）试验条件：试件尺寸、形状、表面状况、加荷速度等。,n3,5.3.2 混凝土的强度,6.提高混凝土抗压强度的措施 （1）采用高强度等级水泥； （2）采用单位用水量较小、水灰比较小的干硬性混凝土； （3）采用合理砂率，以及级配合格、强度较高、质量良好的碎石；,混凝土,5.3.2 混凝土的强度,6.提高混凝土抗压强度的措施 （4）改进施工工艺，采用机械搅拌和振捣； （5）采用加速硬化措施，提高混凝土的早期强度； （6）在混凝土拌合时掺用外加剂和掺合料。 （7）采用湿热处理。,观察与讨论,混凝土试件受压破坏后形状分析 下图是混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后 形状，请分析试件破坏后所得形状的原因。,破坏后试件的形状是环箍效应所致。,工程案例分析,混凝土强度低屋面倒塌 某县东园乡美利小学1988年建砖 混结构校舍，11月中旬气温已达 零下十几度，因人工搅拌振捣， 故把混凝土拌得很稀，木模板缝 隙又较大，漏浆严重，至12月9日， 施工者准备内粉刷，拆去支柱， 在屋面上用手推车推卸白灰炉渣 以铺设保温层，大梁突然断裂,屋 面塌落，并砸死屋内两名取暖的 女小学生。,由于混凝土水灰比大，混凝土离 析严重。从大梁断裂截面可见，上部 只剩下砂和少量水泥，下部全为卵石， 且相当多水泥浆已流走。现场用回弹 仪检测，混凝土强度仅达到设计强度 等级的一半。这是屋面倒塌的技术原 因。,小结,混凝土的强度 1、种类 2、影响因素 3、提高的措施,5.3.3 混凝土的变形,1、在非荷载作用下的变形,由于水泥水化产物的总体积小于水化物的总体积而产生收缩称为化学收缩。 收缩量大致与时间的对数成正比。 收缩值为(4100)x10-6 mm/mm，可使混凝土内部产生细微裂纹，这会影响混凝土承载性能和耐久性能。 化学收缩是不可恢复的。,（1）化学收缩,1、在非荷载作用下的变形,混凝土会随温度的变化产生热胀冷缩的变形，其温度线膨胀系数为(1.)10-5 mm/(mm)。 在大体积砼内部的温度比外部高，可达5070 ，造成内部膨胀，外部收缩，两者相互制约，在外层产生很大拉应力，使砼产生裂缝。,（2）温度变形,1、在非荷载作用下的变形,克服常用办法： 最大限度减少用水量和水泥用量。 采用低热水泥。 选用热膨胀系数低的骨料，减少热变形。 预冷原材料，在砼中来冷却水管，表面绝热，减少内外温差。 对砼合理分缝、分块、减轻约束。,（2）温度变形,1、在非荷载作用下的变形,砼在干燥过程中，发生气孔水和毛细水蒸发。气孔水不致砼收缩，毛细孔水的蒸发,会导致毛细孔中形成负压，随湿度的降低，负压增大，导致砼收缩。 水泥凝胶体颗粒吸附水也部分蒸发，由于分子引力使粒子距离变小，凝胶体紧缩。 吸水后部分收缩，残余收缩为收缩量3040%，不能恢复。,（3）干湿变形,1、在非荷载作用下的变形,砼极限收缩值为(5090)x10-5 mm/mm，会在砼表面产生拉应力导致开裂。 工程设计中，混凝土线收缩采用每米收缩0.15 0.20 mm。 干缩主要由水泥石产生，故降低水泥用量，减少w/c是减少收缩关键。,（3）干湿变形,2、在荷载作用下的变形,（1）在短期荷载作用下的变形 混凝土的弹塑性变形 砼本身是种不均匀的材料，故它是种弹塑体，受力时，其应力和应变是曲线。 在工程应用中，采用反复加荷应力小于(0.3 0.5)fcp、卸荷的方法使塑性变形， 从而测得弹性变形。,2、在荷载作用下的变形,混凝土的弹性模量 在计算钢筋砼变形、裂缝开展及大体积砼的温度变形时，需确定该时砼的弹性模量。 在静力受压弹性模量试验中，让砼的应力在0.4fcp水平反复加荷卸荷，最后得到-曲线与初始切线大致平行，测得的就是弹性模量。 砼的弹性模量受其组成与孔隙率的影响，并与砼强度有一定相关性。,2、在荷载作用下的变形,（2）徐变混凝土在恒定荷载的长期作用下的变形。 产生徐变原因 是由于水泥石中凝胶体在长期荷载作用下的粘性流动，是凝胶孔水向毛细孔内迁移的结果。,2、在荷载作用下的变形,徐变的结果 消除钢筋砼内部应力集中。 对大体积砼可消除部分因温度变形所产生破坏应力。 徐变会使预应力钢筋砼结构中的钢筋预加应力损失，造成结构承载能力受影响。 影响徐变最根本因素 是水泥用量与W/C，水泥用量越大，水灰比越大，徐变越大。,工程案例分析,混凝土干缩缝 某车间完工后发现顶层每个框架横梁上都出现不同程度的 裂缝。裂缝均于梁的上部，长约为梁高一半，裂缝上宽下窄， 最大宽为0.5mm。经设计复查，设计计算无误；整个车间坐落 于完整的砂岩地基上，没有不均匀沉降，材料全部合格，混凝 土强度满足要求。经了解，在顶层施工中为赶进度，把混凝土 的强度等级从C20提高至C30，单位水泥用量增加了90kg，且当 时使用的砂亦恰好细度变细。,从裂缝形状看，可知不属荷载裂缝，为收缩变形产生的 裂缝。原因是施工中任意提高混凝土强度，加大水泥用量，且 采用细度模数小的砂，这两方面都会使收缩增大，从而导致产 生裂缝。,5.3.4 混凝土的耐久性,1、混凝土的抗渗性,定义是混凝土抵抗压力随渗透的能力。它是决定砼耐久性最基本的因素。 表示方法 混凝土抗渗性用抗渗等级表示，共有P4、P6、P8、P10、P12五个等级。具有抗渗要求的砼，试验要求的抗渗水压值应比设计值高0.2MPa，试验结果应符合： PtP/10+0.2 式中Pt 六个试件中四个未出现渗水的最大水压值，MPa； P 设计要求的抗渗等级值,1、混凝土的抗渗性,提高抗渗性的途径 降低w/c。 选择好的骨料级配。 充分振捣和养护。 掺用引气剂和优质粉煤灰掺合料。,2、混凝土的抗冻性,定义只指砼在水饱和状态下经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。 抗冻性的表征 慢冻法采用立方体试块，以龄期28d试件吸水饱和后承受反复冻融循环(冻、融各4h)，与抗压强度下降25%，质量损失5%所承受的最大冻融循环次数表示。如D50、D100。,2、混凝土的抗冻性,快冻法采用100mm100mm400mm试件，以龄期28d试件吸水饱和后承受反复冻融循环，一个循环在24h内完成，以相对动弹性模量值60%，质量损失5%所承受的最大冻融循环次数表示。如F100、F150。 提高抗冻性的主要措施 降低混凝土水胶比，降低孔隙率。 掺加引气剂，保持含气量在45%。 提高混凝土强度。,3、碳化与钢筋锈蚀,（1）碳化 定义指空气中的CO2与水泥石中的水化产物在有水的条件下发生反应，生成CaCO3和H2O。 混凝土碳化影响 使混凝土碱度降低，减弱对钢筋的保护。 引起砼收缩，易使砼表面产生微细裂纹，抗拉抗折强度下降。 水泥石中的水化产物分解。,3、碳化与钢筋锈蚀,影响碳化因素 CO2 浓度：CO2 浓度将加速碳化进行。 环境湿度：相对湿度在5075%时，碳化最快。 水泥品种和掺和料用量：熟料成分减少，掺和料用量增加，碳化加快。 混凝土密实度：水胶比W/B低，碳化速度慢。,3、碳化与钢筋锈蚀,（2）钢筋锈蚀 原因 当钢筋表层保护膜破坏时，在其表面发生电化学反应生成FeO、Fe(OH)3等腐蚀物。 对钢筋砼影响 钢筋锈蚀后，有效直径减小，危及砼结构安全性。 钢筋锈蚀后， 锈蚀生成物体积膨胀，致使砼保护层顺筋开裂，品质迅速劣化。,4、混凝土的抗侵蚀性,混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥石的抗侵蚀性 混凝土的抗侵蚀性受胶凝材料的组成、混凝土的密实度、孔隙结构特征与强度等因素的影响。,5、抗碱-集料反应,定义是指水泥、外加剂等混凝土碱性氧化物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂的膨胀反应。 碱集料反应破坏特征 开裂破坏特征一般发生在浇筑后两三年或更长时间；常呈现顺筋开裂和网状龟裂；裂缝边沿出现凹凸不平现象；越潮湿的部位反应越强烈，膨胀和开裂破坏越明显；常有透明、淡黄色、褐色凝胶从裂缝处析处，其一旦发生不易修复。,5、抗碱-集料反应,碱集料病害的预防措施 碱-集料反应的三个条件： 混凝土中含过量的碱； 碱活性集料 潮湿环境 避免使用碱活性集料；限制砼中碱总含量，一般3.5kg/m3；掺用矿物细粉掺合料，但至少要替代25%以上的水泥；掺用引气剂；保证混凝土使用期一直处于干燥状态。,六、提高混凝土耐久性的主要措施,根据混凝土工程的特点和所处的环境条件，合理选择水泥品种； 选用质量良好、技术条件合格的砂石集料； 严格控制混凝土的水灰比及水泥用量； 掺入减水剂或引气剂，改善混凝土的孔结构，对提高混凝土的抗渗性和抗冻性有良好作用； 掺用引气剂；添加高效减水剂和添加低需水量比矿物掺合料以减少拌合水及水泥浆的用量； 加强混凝土质量的生产控制，在混凝土施工中，应当搅拌均匀，浇灌和振捣密实及加强养护，以保证混凝土施工质量。,观察与讨论,混凝土孔结构对耐久性的影响 A、B两混凝土采用相同的水泥、砂、石，A掺 用了引气剂，并降低了水灰比，其抗渗性优于B。请 观察两混凝土断面的孔结构，如图所示。并讨论如 何可提高混凝土抗渗性。,A,B,观察与讨论,A混凝土虽有较多气泡，但这些气泡是不连通的，截断了毛细管通道，从而提高了抗渗性。且其减少了水灰比，使其它部分更为致密。可见，改善混凝土孔结构，提高混凝土密实度，可提高混凝土抗渗性。,观察与讨论,某海港码头梁裂缝锈蚀 南方某海港码头建成后发现部分纵梁底部混凝土脱落，钢筋全部外露，见图A。纵梁底部严重锈裂，而型板面基本完好，见图B。请讨论该码头钢筋混凝土腐蚀破坏的原因。,A,B,观察与讨论,该码头纵梁钢筋锈蚀，是因其处于浪溅区，海水氯盐入侵混凝土，使钢筋周围氯离子含量超过钢筋致锈的临界值，引起钢筋锈蚀。而锈蚀使混凝土膨胀开裂，以致脱落，又进一步加剧了钢筋的锈蚀。 a.从混凝土其它方面来看，码头梁混凝土的水灰比为0.50 和0.55。较大的水灰比使混凝土孔径和孔隙率增大，利于氯离子渗透，扩散至钢筋表面。 b.混凝土单位体积胶凝材料用量偏低。该工程混凝土未掺外加剂，水泥用量分别为350 kg/m3。 c.混凝土保护层厚度不足。该混凝土保护层设计厚度为5.5 mm，且由于施工偏差，部分构件实际保护层还低于设计值。,5.4 混凝土的质量控制与强度评定,5.4.1混凝土的质量控制,混凝土质量控制的目标是使所生产的混凝土能按规定的保证率满足设计要求。质量控制过程包括以下三个过程： 1.混凝土生产前的初步控制，主要包括人员配备、设备调试、组成材料的检验及配合比的确定与调整等项内容。 2.混凝土生产过程中的控制，包括控制称量、搅拌、运输、浇筑、振捣及养护等项内容。 3.混凝土生产后的合格性控制。包括批量划分，确定批取样数，确定检测方法和验收界限等项内容。,5.4.2混凝土强度质量的评定,造成混凝土质量波动的原因 原材料的影响 施工方法的影响 试验条件的影响 混凝土的质量检验： 原材料质量、数量的检验; 混凝土的和易性与W/C的检验; 硬化后的混凝土强度的检验。 混凝土质量（强度）的分布规律正态分布,强度概率分布曲线图,5.4.2混凝土强度质量的评定,混凝土质量的评定（数理统计的方法） 强度平均值：只能反应混凝土的总体水平 强度标准差：能反应混凝土的质量均匀性,5.4.2混凝土强度质量的评定,强度离差系数：能反应混凝土的质量均匀性 混凝土的强度保证率 定义：制混凝土的强度总体中大于等于设计强度等级所出现的概率 计算: 概率参数法：概率参数,5.4.2混凝土强度质量的评定,概率为： 统计周期内： 混凝土的配制强度：,5.4.2混凝土强度质量的评定,.统计方法评定 混凝土强度进行分批检验评定。 当混凝土生产条件在较长时间内能保持一致，其强度变异性能保持稳定时，应由连续的三组试件组成一个验收批。其强度应同时满足： mfcufcu，k+0.70 fcu,min fcu，k+0.70 当混凝土强度等级C20时， fcu,min 0.85fcu，k 当混凝土强度等级C20时， fcu,min 0.90fcu，k,5.4.2混凝土强度质量的评定,验收批混凝土立方体抗压强度的标准差 0按下列计算： 式中： 第组混凝土试件的立方体抗压强度代表值（N/mm2），精确到0.1 （N/mm2）； 前一检验期内的样本容量。 注：上述检验期不应少于60d也不宜超过90d，且在该期间内样本容量不应少于45。,5.4.2混凝土强度质量的评定,当混凝土生产条件在较长时间内不能保持一致，且其强度变异性能不能保持稳定时，应由不少于10组试件组成一个验收批。其强度应同时满足： mfcu-1Sfcufcu，k fcu,min 2fcu，k 式中Sfcu同一批验收混凝土立方体抗压强度标准差，MPa； 1，2合格判定系数。,5.4.2混凝土强度质量的评定,2.非统计法评定 混凝土强度应同时满足： mfcu1.15（1.10）fcu，k fcu,min0.95fcu，k 若按上述方法检验，发现不满足合格条件时，则该批混凝土强度判为不合格。 当对混凝土试件强度的代表性有怀疑时，可采用从结构或构件中钻取试样方法或采用非破损检验方法对混凝土进行推定。,观察与讨论,混凝土强度的波动规律 请观察下图中A、B两种混凝土的离散程度不同 的强度分布曲线，讨论其生产管理水平及强度保 证率。,观察与讨论,对同一种混凝土进行系统的随机抽样，测试结果表明其强度的波动规律符合正态分布。该分布如上图所示，可用两个特征统计量强度平均值( )和强度标准差()作出描述。 强度平均值反映了混凝土总体强度的平均水平，但不能反映混凝土强度的波动情况。 强度标准差是正态分布曲线上两侧的拐点离开强度平均值处对称轴的距离，它反映了强度离散性（即波动）的情况。如图4-所示，值越大，强度分布曲线越矮而宽，说明强度的离散程度较大，反映了生产管理水平低下，强度质量不稳定。故A混凝土的强度质量比B混凝土的稳定，生产管理水平也更高。,5.5 普通混凝土配合比设计,一、配合比及其表示方法,普通混凝土的配合比 就是跟据工程要求和结构形式以及施