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第五章混凝土 了解 混凝土的特点及分类 混凝土各组成材料在混凝土中作用 掌握 混凝土的主要技术性质及其意义和影响因素 普通混凝土配合比设计 熟悉 混凝土对各组成材料的要求 各技术指标的测试方法的特点及分类 教学目标 第一节概述一 混凝土的定义由胶凝材料 骨料 水按适当比例配合拌制而成的混合物 经一定的时间硬化而成的人造石材 二 混凝土的分类 一 按干表观密度分 二 按胶凝材料分 三 按用途分 四 按生产工艺和施工方法分 砂子 水泥浆 石子 第二节普通混凝土组成材料普通混凝土的四种基本组成材料 一 水泥二 砂子三 石子四 水 品种根据工程特点 所处环境条件及施工条件 进行合理选择 强度等级高强度等级的水泥配制高强度等级的混凝土 一 水泥 裂缝扩展的路径和方向 骨料 水泥石 骨料周围的过渡区 硬化后的混凝土结构 一 定义 粒径在0 15 4 75mm之间的岩石颗粒 细骨料主要采用天然砂和人工砂 二 细骨料 砂子技术性能 砂中有害物质含量 GB T14684 2001 坚固性指标 GB T14684 2001 压碎指标 GB T14684 2001 表观密度 堆积密度 空隙率应符合如下规定 表观密度大于2500kg m3 松散堆积密度大于1350kg m3 空隙率小于47 表观密度 堆积密度 空隙率 砂的粗细程度及颗粒级配 混凝土用砂为何对粗细程度及颗粒级配有要求 筛分析试验 评定砂的粗细程度和颗粒级配 150 m 300 m 600 m 1 18mm 2 36mm 4 75mm 9 50mm 筛分曲线 砂的筛分曲线 细度模数的计算 Mx为3 7 3 1为粗砂 3 0 2 3为中砂 2 2 1 6为细砂 技术要求有害杂质含量针片状颗粒含量强度颗粒级配与最大粒径坚固性 三 粗骨料 石子强度指标 1 岩石抗压强度 2 压碎指标值 将母岩制成50mm 50mm 50mm的立方体试件或 50mm 50mm的圆柱体试件 在水中浸泡48h以后 取出擦干表面水分 测得其在饱和水状态下的抗压强度值 颗粒级配与最大粒径 粗骨料颗粒级配粗骨料的颗粒级配按供应情况分连续粒级和单粒级 评定方法同砂子颗粒级配的评定方法 颗粒级配与最大粒径 最大粒径公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径 最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1 4 不得超过钢筋最小净距的3 4 对于实心板 不得超过板厚的1 2且不得超过50mm 对于泵送混凝土 最大粒径与输送管道内径之比 碎石不宜大于1 3 卵石不宜大于1 2 5 骨料粒径太大使转换梁浇筑不密实 工程实例分析 砂的坚固性 定义 指砂在自然风化和其他外界物理 化学因素作用下 抵抗破坏的能力 也即指砂的耐久性 天然砂采用硫酸钠溶液法进行试验 计算总质量损失百分率 人工砂采用压碎指标值来判断砂的坚固性 一 混凝土拌合物的和易性 第三节混凝土的性质 一 流动性的测定 1 坍落度法 适用于坍落度不小于10mm 骨料最大粒径不大于40mm 请看坍落度试验动画 混凝土坍落度试验 流动性的测定 2 维勃稠度法 适用于坍落度小于10mm 维勃稠度在5 30s的混凝土拌合物 维勃稠度仪 泌水率测定仪 保水性 二 影响混凝土和易性的因素 砂率砂率是指砂用量占砂 石总用量的质量百分比 砂率过大或过小都会导致混凝土和易性变差 应选择合理砂率 环境因素 施工条件 时间 外加剂 水泥浆量及水灰比在水灰比不变的情况下 如果水泥浆越多 则拌合物的流动性越大 但若水泥浆过多 使拌合物的流动性 粘聚性变差 水泥品种及细度 骨料的性质如用矿渣水泥时 坍落度较普通水泥小 泌水性增加 砂率对混凝土坍落度的影响 观察与讨论 试比较石子表面状态不同对混凝土和易性的影响 卵石 碎石 混凝土立方体抗压强度及强度等级混凝土轴心抗压强度混凝土的抗拉强度 二 混凝土的强度 抗压试验 a 2a a a 圆柱体 美 法 日 立方体 英 德 中 试件形状示意图 CementConcrete 轴心抗压强度试验示意图 一 混凝土立方体抗压强度及强度等级 GB T50081 2002规定 按标准方法制作的试件 在标准条件养护到28d龄期 测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度 以fcu表示 1 立方体抗压强度 标准试件 一 混凝土立方体抗压强度及强度等级 2 混凝土强度等级 立方体抗压强度标准值系指在28d龄期用标准试验方法测得的具有95 保证率的抗压强度 以fcu k表示 普通混凝土划分为十四个强度等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75和C80 混凝土的抗压强度是根据混凝土的立方体抗压强度标准值划分的 强度换算系数 GB T50081 2002 一 混凝土立方体抗压强度及强度等级 fcu P fcU fcu k 95 强度 概率分布曲线 混凝土立方体抗压强度标准值示意图 二 影响混凝土强度的因素 1 水泥强度等级和水灰比 混凝土强度经验公式 式中 C W 灰水比 fcu 混凝土28d抗压强度 fce 水泥28d抗压强度实测值 c 1 13 a b 经验系数 碎石 a 0 46 b 0 07卵石 a 0 48 b 0 33 2 养护的温 湿度 养护温度对混凝土强度的影响 湿度的影响 试验表明 保持足够湿度时 温度升高 水泥水化速度加快 强度增长也快 混凝土结构工程施工质量验收规范 GB50204 2002 规定 在混凝土浇筑完毕后 应在12h内加以覆盖并保湿养护 没有冻结 抗压强度 砼相对强度的增长与冻结时间的关系 受冻越早 强度损失越大 3 龄期 龄期指混凝土在正常养护条件下所经历的时间 最初的7 14d发展较快 28d以后增长缓慢 n 养护龄期 n 3d 14 28 抗压强度 龄期 d 4 其它因素 施工条件 如搅拌 振捣方式 试验条件 如试件的形状 尺寸 表面状态 含水程度及加荷速度等 外加剂和掺合料的掺入 试验条件对混凝土强度的影响 1 试件尺寸相同的混凝土 试件尺寸越小测得的强度越高 试件的形状 当试件受压面积 a a 相同 而高度 h 不同时 高宽比 h a 越大 抗压强度越小 表面状态 试件表面有 无润滑剂 其对应的破坏形式不一 所测强度值大小不同 加荷速度 加荷速度较快时 材料变形的增长落后于荷载的增加 所测强度值偏高 表面状态 试件表面无润滑剂时 试件受环箍效应的影响 破坏后呈棱锥体 所测强度值偏大 加荷速度 加荷速度较快时 材料变形的增长落后于荷载的增加 所测强度值偏高 试块破坏后呈棱锥体 提高混凝土强度的措施 采用高等级水泥或早强型水泥 采用低水灰比的干硬性混凝土 采用湿热处理养护混凝土 采用机械搅拌 机械振捣 掺入混凝土外加剂 掺合料等 一 非荷载作用下的变形化学收缩混凝土的干缩湿胀温度变形 二 荷载作用下的变形短期荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形 徐变 三 混凝土的变形性能 化学收缩 定义 在混凝土硬化过程中 由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小 从而引起混凝土的收缩 称为化学收缩 发展规律 其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加 一般在混凝土成型后40天左右增长较快 以后逐渐趋于稳定 影响 化学收缩值很小 小于1 但是不可恢复 对混凝土结构没有破坏作用 但在混凝土内部可能产生微细裂缝 化学收缩示意图 干湿变形 定义 由于混凝土周围环境湿度的变化 会引起混凝土的干湿变形 表现为干缩湿胀 原因 混凝土在干燥过程中 由于毛细孔水的蒸发 使毛细孔中形成负压 随着空气湿度的降低负压逐渐增大 产生收缩力 导致混凝土收缩 同时 凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发 凝胶体因失水而产生紧缩 龄期 应变 水中养护 空气中养护 膨胀 收缩 混凝土的干湿变形示意图 弯月面 凝胶孔 干湿变形机理示意图 负压 温度变形 定义 混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形 指标 混凝土的温度线膨胀系数为 1 1 5 10 5 危害 温度变形对大体积混凝土及大面积混凝土工程极为不利 易使这些混凝土造成温度裂缝 短期荷载作用下的变形 长期荷载作用下的变形 徐变 一 混凝土的抗渗性 P4 P6 P8 二 混凝土的抗冻性 F10 F15 F25 三 混凝土的抗碳化性 四 碱骨料反应 五 抗化学侵蚀 四 硬化混凝土的耐久性 混凝土抗渗仪 是指混凝土抵抗水 油等液体渗透的能力 抗渗性好坏用抗渗等级来表示 抗渗等级分为P4 P6 P8 P10 P12等5个等级 混凝土水灰比对抗渗性起决定性作用 提高混凝土抗渗性的根本措施在于增强混凝土的密实度 混凝土的抗渗性 抗冻性是指混凝土在饱和水状态下 能经受多次冻融循环而不破坏 也不严重降低强度的性能 是评定混凝土耐久性的主要指标 抗冻等级根据混凝土所能承受的反复冻融循环的次数 划分为F10 F15 F25 F50 F100 F150 F200 F250 F300等9个等级 混凝土的密实度 孔隙的构造特征是影响抗冻性的重要因素 抗冻性 混凝土的碳化 混凝土的碳化 指空气中的CO2在湿度适宜的条件下与水泥水化产物Ca OH 2发生反应 生成碳酸钙和水 使混凝土碱度降低的过程 碳化也称中性化 混凝土的碱 骨料反应 混凝土的碱骨料反应 是指水泥中的碱 Na2O和K2O 含量较高时与骨料中的活性SiO2发生反应 在骨料表面生成碱 硅酸凝胶 这种凝胶具有吸水膨胀特性 会使包裹骨料的水泥石胀裂 这种现象称为碱 骨料反应 第四节混凝土的质量控制 一 混凝土的质量控制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 二 混凝土质量评定的数理统计方法 一 混凝土强度概率的正态分布 特点 曲线以平均强度为对称轴 曲线与横轴之间的面积和为100 一 强度平均值 标准差 变异系数1 强度平均值 注意 平均值只反应混凝土强度总体强度水平 不能说明强度波动的大小 2 标准差 注意 标准差 小 正态颁布曲线窄而高 说明强度分布集中 混凝土质量均匀性好 反之 混凝土的施工控制质量较差 3 变异系数 由于 随强度等级的提高而增大 当混凝土强度不同时 可采用 v作为评定混凝土质量均匀性的指标 v 表示混凝土质量 v 则表示混凝土质量 其计算式如下 第五节普通混凝土配合比设计 1 满足强度等级要求 2 满足所要求的和易性 3 满足工程耐久性的要求 4 符合经济原则 混凝土配合比设计的四项基本要求 第五节普通混凝土配合比设计 1 确定配制强度 fcu o 一 初步配合比的确定 2 确定水灰比值 W C 一 初步配合比的确定 复核耐久性 3 确定用水量 mwo 一 初步配合比的确定 干硬性和塑性混凝土用水量流动性和大流动性混凝土用水量 方法 通过查表确定 4 计算混凝土的单位水泥用量 mco 一 初步配合比的确定 复核耐久性 5 确定合理砂率 查表6 确定1m3混凝土的砂石用量 体积法 一 初步配合比的确定 6 质量法确定砂石用量 一 初步配合比的确定 二 设计配合比的确定 在初步配合比基础上 进行和易性和强度调整得出设计配合比 假设工地砂 石含水率分别为a 和b 则施工配合比为 mc mcms ms 1 a mg mg 1 b mw mw ms a mg b 三 施工配合比的确定 第六节混凝土外加剂 国家标准GB8075 87中按外加剂的主要功能将混凝土外加剂分为四类 1 改善混凝土拌合物流变性能的外加剂 其中包括各种减水剂 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 其中包括缓凝剂 早强剂和速凝剂等 一 外加剂的分类 3 改善混凝土耐久性的外加剂 其中包括引气剂 防水剂和阻锈剂等 4 改善混凝土其他性能的外加剂 其中包括加气剂 膨胀剂 防冻剂 着色剂 防水剂和泵送剂等 二 减水剂 减水剂是指能保持混凝土的和易性不变 而显著减少其拌和用水量的外加剂 一 减水剂的减水作用 水泥加水拌和后 水泥颗粒间会相互吸引 形成许多絮状物 当加入减水剂后 减水剂能拆散这些絮状结构 把包裹的游离水释放出来 二 使用减水剂的技术经济效果1 在保持和易性不变 也不减少水泥用量时 可减少拌和水量5 25 或更多 2 在保持原配合比不变的情况下 可使拌合物的坍落度大幅度提高 可增大100 200mm 3 若保持强度及和易性不变 可节省水泥10 20 4 提高混凝土的抗冻性 抗渗性 使混凝土的耐久性得到提高 三 常用的减水剂目前 减水剂主要有木质素系 萘系 树脂系 糖蜜系和腐殖酸等几类 按主要功能分为普通减水剂 高效减水剂 早强减水剂 缓凝减水剂 引气减水剂等几种 水泥浆结构 1 水泥颗粒 2 游离水 a 未掺减水剂时的水泥浆体中絮状结构 b 掺减水剂的水泥浆结构 加速混凝土早期强度发展的外加剂称为早强剂 这类外加剂能加速水泥的水化过程 提高混凝土的早期强度并对后期强度无显著影响 目前常用的早强剂有氯盐 硫酸盐 三乙醇胺三大类及以它们为基础的复合早强剂 三 早强剂 在搅拌混凝土的过程中 能引入大量均匀分布 稳定而封闭的微小气泡的外加剂称为引气剂 引气剂可在混凝土拌合物中引入直径为0 05 1 25mm的气泡 能改善混凝土的和易性 提高混凝土的抗冻性 抗渗性等耐久性 适用于港口 土工 地下防水混凝土等工程 四 引气剂 延长混凝土凝结时间的外加剂称为缓凝剂 五 缓凝剂 能使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称为防冻剂 六 防冻剂 在负温度条件下施工的混凝土工程须掺入防冻剂 一般 防冻剂除能降低冰点外 还有促凝 早强 减水等作用 所以多为复合防冻剂 定义 特点 外加剂品种的选择 选择