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苏广鑫 道路建筑材料 古代桥梁集锦 中国现存最早 并且保存良好的是隋代赵州安济桥又称赵州桥 桥为敞间圆弧石拱 净跨37 02m 古代桥梁集锦 北京宛平卢沟桥在北京广安门外30里 跨永定河 桥全长212 2m 共11孔 净跨不等 自11 4m至13 45 桥宽9 3m 世界十大预应力混凝土梁桥 法国诺曼底大桥 日本多多罗大桥 世界建筑材料的发展趋势 高性能材料 复合化 多功能化 利用地方资源和工业废渣 节能材料 二 道路工程主要的建筑材料 道路建筑材料的研究内容与任务 道路建筑材料 砂石材料 无机结合料及其制品 有机结合料 石料及石料制品 集料 水泥 石灰 混凝土 有机结合料混合料 高分子聚合物材料 钢材和木材 土工布等 沥青混合料 建筑钢材 木材 沥青材料 三 建筑材料应具备的工程性质1 力学性质各种强度指标及耐磨 抗变形指标 如 水泥混凝土的抗压 抗折强度 沥青混合料的稳定度 流值 石料的磨耗度等 2 物理性质 1 物质指标 如材料的密度 孔隙率 含水量 2 温度稳定性 如沥青软化点 脆点等 3 水稳定性等 如沥青混合料的残留稳定度等 3 化学性质各种材料的化学成分及其变化规律 如 水泥的各种成分与自然界之间的变化 沥青的化学成分及其变化规律 4 工艺性质 混凝土的流动性材料四个性质之间是相互制约 相互联系的 四 建筑材料技术标准 各级标准均有相应的代号 其表示方法由标准名称 标准代号 发布顺序号和发布年号组成 例如 烧结普通砖 GB T5101 1998 标准名称 烧结普通砖 标准代号 GB 推荐标准 T 发布顺序号 5101 发布年号 1998年 各级标准的相应代号 第一章砂石材料 课题 石材的技术性质和技术要求教具用品相关试验仪器教学目的 了解砂石材料的类别 石料的技术性质及其应用重点难点 石料的物理性质 力学性质 1 1砂石材料的技术性质概述 砂石材料按形状分类1 块状石料 简称石料如块石 片石等 2 粒状石料 简称集料集料又按大小分为 粗集料 如碎石 卵石细集料 如砂 石屑砂石材料按来源分类1 天然石料2 人工轧制的集料3 工业冶金矿渣 1 1 1 岩石的技术性质 一 物理性质 包括物理常数 吸水性和耐候性等 1物理常数 真密度 是石料在规定条件下 烘干石料矿质单位体积的质量 用 t表示 则 空气中称量m0 0 因固测定方法 密度瓶法测定 将石料磨细至全部过0 25mm的筛孔 然后将其装入瓶中 利用已知比重的液体置换石料的体积 毛体积密度测定方法 用静水称量法 亦可用蜡封法测定 孔隙率2 吸水性 指石料在规定条件下吸水的能力 1 吸水率 20 2 和大气压状态下 吸水质量的百分率 2 饱水率 20 2 真空 100kPa 吸水质量的百分率饱水 90 时 抗冻性较差 3 抗冻性 1 直接冻融法 饱水后 测定经过冻 15 4h 融 20 5 4h 循环 质量损失不超过5 抗压强度不超过25 的次数 2 坚固性实验 浸泡饱和硫酸钠溶液20h后 105 110 4h 之后浸泡饱和硫酸钠溶液4h后 105 110 4h 循环 注意 15 岩石吸水率大于0 5 时候需要抗冻性实验 二 力学性质1 单轴抗压强度试验条件要求 试件形状 尺寸 吸水饱和 加荷速度等 2 磨耗性 指石料抵抗撞击 边缘剪力和磨擦等联合作用的性质 洛杉矶式磨耗试验 5kg石料 12个5kg的钢球磨500转测定 三 化学性质按SiO2含量 将石料划分为 酸性岩SiO2 65 中性岩52 SiO2 65 碱性岩SiO2 52 1 1 2 集料的技术性质 一 粗集料的技术性质1 物理性质1 物理常数 1 表观密度用网篮法测定 2 毛体积密度 3 堆积密度 4 空隙率 2 级配 分计筛余百分率 累计筛余百分率 通过百分率3 坚固性用Na2SO4溶液干湿循环5次后 测定试样质量损失 碎石标准筛 2 力学性质 1 压碎值取试样 粒径9 5mm 13 2mm 质量3kg 在400kN的压力下 持续加压5s后 将试样过2 36mm筛 称其筛余质量 压碎值计算公式如下 式中 压碎值m0 试样总质量m1 试样筛余质量 压碎指标仪 2 粗集料磨光值测定方法 先将试样磨光 再测定摆值 经换算后得磨光值PSV要求 一级公路 高速公路PSV 42其它公路PSV 353 粗集料的冲击值AIV测定方法 将9 5 13 2mm的试样 分三层装入试模 用13 75kg的锤 自380mm处自由落下 连续冲击15次后 过2 36mm的筛 用下式计算 4 集料磨耗值AAV测定方法 用集料按一定的方法排列并固定 用磨耗仪磨500圈 用下式计算集料磨耗值 式中 AAV 集料的磨耗值 磨耗前试样总质量 g 磨耗后试样总质量 g 集料饱和面干密度 g cm3 二 细集料的技术性质定义 在沥青混合料中 指粒径小于2 36mm天然砂 人工砂及石屑 在水泥混凝土中 指粒径小于4 75mm的天然砂 人工砂 分类 1 天然砂 由岩石在自然条件下风化形成的 天然砂通常包括以下几种类型 1 河砂 性质较好 多用 2 山砂 含泥量及有机杂质多 3 海砂 混有贝壳和盐分等有害杂质 2 人工砂 由岩石轧碎而成的颗粒 表面有棱角 较洁净 但价格较高 无特殊情况多不采用 上述几种细集料中 一般工程上多使用河砂 1 物理常数集料的质量与体积的关系见图所示 2 级配用筛分法测定砂的级配标准筛 52 51 250 630 3150 16mm 圆孔 4 752 361 18 0 6 0 30 15mm 方孔 筛分后 计算相关参数如下 1 分计筛余百分率 2 累计筛余百分率 3 通过百分率 振筛机 3 粗度 水泥混凝土用砂 沥青路面及各种路面的基层 底层用砂 砂的粗度分类为粗砂为中砂为细砂 1 2矿质混合料的组成设计 概述矿质混合料颗粒级配应满足的基本要求 1 最小空隙率 即使不同粒径的各级矿质集料按一定的比例搭配后 应有最大密实度 2 最大磨擦力 各级矿质集料在进行比例搭配时 应使各级集料排列紧密 形成一个多级空间骨架结构 且具有最大的摩擦力 矿质混合料组成设计内容 1 级配理论和级配范围的确定2 基本组成的设计方法 1 2 1 矿质混合料的级配理论1 级配类型 1 连续级配是采用标准筛对某一混合料进行筛分试验 所得级配曲线平顺圆滑 具有连续性 2 间断级配是在矿质混合料中剔徐其中一个分级或几个分级而形成的不连续的混合料 2矿质混合料的级配理论 1 最大密度曲线理论 富勒理论 观点 矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线 则其密度愈大 当矿质混合料的级配曲线为抛物线时 具有最大密实度 a b a 常坐标 b 半对数坐标 理想最大密度级配曲线 最大密度级配曲线公式 可用矿料颗粒粒径 d 与通过量 p 表示 式中 d 矿质混合料各级颗粒粒径 mm p 各级颗粒粒径集料的通过量 k 常数 2 最大密度曲线n幂公式 泰波理论 观点 最大密度曲线是一种理论的级配曲线 实际上 级配曲线应该有一定的波动范围 公式 式中 p d和D 意义同前 n 实验指数 实际研究认为 在沥青混合料中应用 当n 0 45时密度最大 在水泥混凝土中应用 当n 0 25 0 45时工作性较好 通常使用的矿质混合料的级配范围 包括密级配和开级配 n 0 3 0 7 1 2 2 级配曲线范围的绘制 必须采用半对数坐标即横坐标用对数坐标方法 1 先确定横坐标长度S2 求出间距系数K3 计算出各颗粒粒径在横坐标上的位置 1 2 3 矿质混合料的组成设计方法设计依据 各种集料的筛分结果 按规范要求的级配范围即标准级配 一 试算法 1 按题意作下列两点假设 设A B C三种集料在混合料M中的用量比例分别为X Y Z 则 又设混合料M中某一级粒径 i 要求的含量为M i A B C三种集料中该粒径的含量分别为 A i B i C i 则 2 计算步骤 计算A集料在矿质混合料中的用量比例首先 找出A集料占优势含量的某一粒径 如粒径 i 而忽略B C集料在此粒径的含量 即B集料和C集料该粒径的含量aB i 和aC i 均等于零 A集料在混合料中的用量 计算C集料在矿质混合料中的用量比例原理同前 设C集料的优势粒径为j mm 则A集料和B集料在该粒径的含量aA j 和aB j 均等于零 C集料在混合料中的用量 计算B集料在矿质混合料中的用量比例由前式得出B集料在矿质混合料中的用量 校核调整按以上计算的配合比计算合成级配 如不在要求的级配范围内 应调整 重新计算和复核配合比 经几次调整 直到符合要求为止 如经计算确不能满足级配要求时 可掺加某些单粒级集料 或调换其它原始集料 2 图解法 1 基本原理通常级配曲线图采用半对数坐标图绘制 所绘出的级配范围中值为一抛物线 图解法中 为使要求级配中值呈一直线 采用纵坐标的通过量 Pi 为算术坐标 而横坐标的粒径采用筛孔尺寸表示 则绘出的级配曲线中值为直线 如图 2 计算步骤1 绘制级配曲线坐标图 2 确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠 等分 两相邻级配曲线相接 连分 两相邻级配曲线相离 平分 3 校核按图解所得的各种集料用量 校核计算所得合成级配是否符合要求 如不能符合要求 即超出级配范围 应调整各集料的用量 矿质混合料配合比设计工程实例试采用图解法设计某高速公路用细粒式沥青混凝土的矿质混合料配合比 1 原始资料 1 现有碎石 石屑 砂和矿粉四种矿质集料 现场取样进行筛分如下表 2 确定矿质混合料的工程级配范围如下表 2 设计步骤 1 绘制级配曲线图 在纵坐标上按算术坐标绘出通过百分率Pi 如下图 2 连对角线OO 作为级配范围通过率中值 在纵坐标上找出各个筛孔通过率中值作水平线 通过与对角线OO 的交点作垂线 与横坐标的交点 即为相应的筛孔在横坐标上的位置 3 将碎石 石屑 砂和矿粉四种集料的级配曲线绘于下图 4 从碎石 石屑 砂和矿粉四条级配曲线依次分析 均为重叠的位置关系 在其重叠部分分别作垂线AA BB CC 与对角线OO 依次相交于M N R 过M N R分别引水平线 可以确定碎石 石屑 砂 矿粉 36 31 25 8 1009080706050403020100 Pi di mm 98 79 57 45 33 24 17 12 6 16 0 13 2 9 5 4 75 2 36 1 18 0 6 0 3 0 15 0 075 碎石 石屑 砂 矿粉 碎石36 石屑31 砂25 矿粉8 A A B B C C M N R 级配中值线 3 校核 1 计算得合成级配结果 并绘制合成级配曲线 2 调整配合比 配合比调整原则 对高速公路和一级公路 宜在工程设计级配范围内计算1 3组粗细不同的配合比 绘制设计级配曲线 分别位于工程设计级配范围的上方 中值及下方 设计合成级配不得有太多的锯齿形交错 且在0 3 0 6mm范围内不出现 鸵峰 当反复调整不能满意时 宜更换材料设计 1 计算合成级配结果表 2 绘制级配曲线 并调整配合比从图中可以看出 计算的合成级配曲线接近级配范围中值 由于高速公路交通量大 轴载重 为使沥青混合料具有较高的高温稳定性 合成级配曲线应偏向级配曲线范围的下限 因此需要调整 经调整 各种材料用量为碎石 石屑 砂 矿粉 41 36 15 8 按此结果重新计算合成级配 计算结果如表3 4 表中括号部分 并绘图 可见调整后的合成级配曲线光滑 平顺 且接近级配曲线的下限 结论 概述定义 能够通过自身的物理化学作用 从浆体变成坚硬的固体 并能把散粒或块块材料胶结成为一个整体的材料 称为胶凝材料分类1 按化学成分 有机胶凝材料 如沥青类 橡胶类等 无机胶凝材料 如石灰 石膏 水泥等 2 无机胶凝材料按硬化条件 气硬性胶凝材料 只能在大气中硬化 并且只能在大气中保持一定的强度 如石灰 石膏 水硬性胶凝材料 既能用在大气中 又能用在水中的胶凝材料 典型的代表是水泥 2 1石灰 2 1 1 石灰的生产工艺概述主要原料 石灰石 其主要化学成分CaCO3MgCO3以及杂质生产过程 CaCO3在1000 下加热生成CaO和CO2生石灰分类1 优质生石灰 洁白或带灰色 密度轻 一般800 1000kg m32 过火石灰 水化速度慢 体积膨化 产生 崩裂 现象 过火石灰表面有裂缝或玻璃状的外壳 体积收缩明显 颜色呈灰黑色 密度大3 欠火石灰 含有未烧透的内核 效率低 粘结力差 颜色呈深灰色 2 1 2 石灰的消化和硬化1 熟化过程CaO H2OCa OH 2 64 9KJ mol熟化过程应注意加水量 安全 烧伤 烫伤等 避免 过烧 过冷 现象 有关陈伏的概念石料熟化后 必须在隔绝空气的条件下 放置两个星期以上的时间 方可使用 这个过程叫做陈伏 石灰陈伏的目的是为了消除过火石灰的危害 加水量不同 将会得到不同的熟石灰熟石灰粉 加水适量 消化不结团石灰膏 加水量较多 熟石灰呈半固态 石灰乳 加水量更多一些 熟石灰呈流态 将生石灰磨细成生石灰粉 则可不必预先熟化 陈状 可直接使用 可节约场地 改善施工环境 但成本高 存期不能过长 2 石灰的硬化 1 干燥硬化和结晶硬化石灰中水分不断挥发 形成熟石灰结晶 在该过程中 石灰强度增长不明显 2 碳化Ca OH 2 CO2 nH2OCaCO3 n 1 H2O该反应必须有水分存在时才能进行 且反应速度缓慢 2 1 3 石灰的技术要求和技术标准 一 技术要求1 有效CaO和MgO的含量2 生石灰产浆量和未消化颗粒含量3 二氧化碳 CO2 含量即未分解的CaCO3的含量4 消石灰粉游离水含量游离水可使石灰碳化 从而影响质量5 细度用0 9mm及0 125mm的筛进行筛分试验 测定筛余量6 体积稳定性 二 石灰的技术标准见教材中表2 1 2 2 2 3 2 42 1 4 石灰的应用及储存 一 石灰的特点1 可塑性好2 强度低28d的强度只有0 2 0 5mpa3 耐水性差因Ca OH 2易溶于水4 体积收缩大水分挥发 体积收缩 故石灰一般不宜单独使用 必须掺入骨料 如砂 或纤维材料等 起到抗收缩开裂的作用 二 石灰的应用1 制作石灰乳作用室内粉刷涂料2 配制砂浆一般不用消石灰粉3 配制灰土或三合土 是良好的建筑物基础和道路热层 三 石灰的储存1 防潮 不同易燃物品混存 混运2 如需要较长时间贮存生石灰 则应将其消化后存放 并使表面隔绝空气 以防碳化 课题 水泥教具用品 相关试验仪器教学目的 了解水泥的常见品种 水泥生产制造过程及主要矿物成分重点难点 水泥的主要矿物成分特征及其对水泥技术性质的影响 2 2水泥 2 2 1水泥概述水泥历史不长 只100多年的历史 但发展惊人1 水泥品种1 按化学成分为 硅酸盐类水泥有六大类 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 铝酸盐类水泥 无熟料 少熟料 类水泥 2 按用途分为 普通水泥 特殊水泥目前 在道路工程中 仍以硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥为主 故本节着重介绍这两个品种的水泥 此外 由于道路路面对水泥的特殊要求 近年来已生产了道路水泥 特殊水泥是为了满足一些特殊工程所生产的水泥 如 快硬水泥 早强水泥 膨胀水泥等 2 硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料 0 5 的石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 即国外的波特兰水泥Portlandcement分为不掺混合材料PI和掺不超过5 混合材料PII 3 硅酸盐水泥生产工艺概述1 生产原料石灰质原料提供CaO粘土质原料提供SiO2Al2O3Fe2O3等校正材料一般为铁矿 用来补充原材料中铁质的不足 2 生产工艺 按比例配生料并磨细将以上三种原材料按一定的比例配好 并并磨细制成生产水泥的生料 熟料煅烧 窑中煅烧至1450 C 形成熟料 在高温煅烧过程中 原材料之间发生化学反应 生成各种有用物质 尤其是1450 C时最关键 它是水泥中最重要的成分硅酸三钙生成的温度 水泥粉磨 加入石膏磨细制成水泥 即 两磨一烧 2 2 2硅酸盐水泥的矿物组成及特性 1硅酸盐水泥的化学成分与矿物组成 原料 矿物组成 石灰质CaO3CaO SiO2C3S粘土质SiO22CaO SiO2C2SAl2O33CaO Al2O3C3AFe2O34CaO Al2O3 Fe2O3C4AF 2 水泥熟料主要矿物组成的性质C3S是主要成分 含量50 左右 水化速度快 水化热高 且早期强度高 水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作用 C2S含量10 40 水化速度慢 水化热低 早期强度低 后期强度高 耐化学侵蚀性和干缩性较好 C3A含量在15 以下 水化速度最快 水化热最高 耐化学侵蚀性差 干缩性大 C4AF含量5 15 水化速度较快 水化热较高 强度低 但对于抗折强度起重要作用 耐化学侵蚀性好 干缩性小 3 水泥熟料主要成分特性比较 由高至低排列 1 反应速度C3AC3SC4AFC2S2 释热量C3AC3SC4AFC2S3 强度C3SC2SC3A不高C4AF对抗强度有利4 耐侵蚀性C4AFC2SC3SC3A 5 干缩性C3A最大C3S居中C4AFC2S最小4 矿物组成对水泥性能的影响不同的矿物成分 表现出不同的特性 水泥是由多种矿物成分组成的 改变各种矿物成分的含量比例以及它们之间的匹配 则可以生产出性能各异的水泥 如 大坝水泥 降低C3AC3S的含量 提高C2S的含量 道路水泥 提高C3S和C4AF的含量 高强水泥 提高C3S的含量 2 2 3硅酸盐水泥的凝结硬化理论概念凝结 水泥加水后成为可塑的水泥浆体 由于水泥的水化作用 水泥逐渐变稠失去流动性和可塑性和未具强度的过程 称为水泥的凝结 硬化 水泥凝结后产生强度 逐渐发展成为坚硬大道石的过程称为水泥的 硬化 一 水化反应2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 水化硅酸钙凝胶 3Ca OH 22 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 23CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 水化铝酸三钙晶体 4CaO AlO3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 水化铁酸钙凝胶 C3A3CaOAl2O3 6H2O3CaOAl2O36H2O水化铝酸钙在石膏激发下 发生水化反应3CaOAl2O3 3CaSO42H2O 26H2O3CaOAl2O33CaSO432H2O水化硫铝酸钙 AFt 钙矾石 C4AF4CaOAl2O3Fe2O37H2OCaOAl2O36H2O CaOFe2O3H2O石膏存在的情况下 继续反应4CaOAl2O3Fe2O3 3CaSO42H2O 26H2O3CaO Al2O3Fe2O3 3CaSO432H2O三硫型水化铁铝酸钙无论是C3A还是C4AF 在水泥中石膏消耗完毕后 水泥中尚未消化的C3A或C4AF将与其三硫型水化物反应 生成单硫化物 3CaOAl2O33CaSO432H2O 2 3CaOAl2O3 4H2O3 3CaOAl2O3CaSO412H2O AFm 硅酸盐水泥水化产物的化学组成 二 凝结和硬化1 凝结硬化过程1 初始反应期水化反应开始 水泥颗粒分散 保持塑性 2 诱导期水泥颗粒表面覆盖CSH为主的渗透胶 水化反应慢 水泥颗粒仍然分散 保持塑性 3 凝结期渗透腊破裂 水泥进一步水化 生成大量CSH 水泥颗粒间接触点增多 趋近密实 逐渐失去可塑性4 硬化期水泥继续水化 且C4AF亦开始水化 孔隙进一步被充填 逐渐产生强度 2 石膏对水泥凝结 硬化的影响水泥中加入适量的石膏 起到缓凝的作用 提高了水泥的应用性能 过量的石膏将会与水化铝酸钙反应 生成过多的水化硫铝酸钙 引起水泥石结构破坏 2 2 4硅酸盐水泥的技术性质和技术标准1 技术性质1 化学性质 氧化镁的含量 指水泥中游离的MgO含量 其水化反应速度慢 体积膨胀 引起水泥体积不安定 规定5 0 三氧化硫酸含量过多时 亦引起体积膨胀 不安定 规定3 5 烧失量由于受潮或煅烧不佳引起的 要求PI3 0 PII3 5 PO5 0 不溶物用盐酸溶解后的不溶残渣规定PI0 75 PII1 50 2 物理性质 细度 指水泥颗粒的粗细程度细度对水泥的影响 越细则凝结快 早期强度高 过细 则干缩性大测定方法 1 筛析法 负压筛 水筛 适用于其它几种水泥2 比表面积法 适用于硅酸盐水泥规定 硅酸盐水化比表面积大于300m2 kg 其它几种水泥在80方孔筛筛余10 水泥标准稠度用水量达到标准稠度时的用水质量占水泥质量百分比计算公式如下 式中 mw 水泥达到标准稠度时的用水量 g mc 水泥质量 g 测定方法 1 标准法试杆法 试杆沉至距底板6mmE1mm2 代用法 a 固定水量法 p 33 4 0 185s b 调整水量法s 28mmE2mm即测定水泥的锥入深度达到要求时的水质量 凝结时间定义 水泥从加水到失去可塑性所需的时间其测定方法只有标准方法 没在代用方法 分为1 初凝时间试针沉入距底板 4mmE1mm2 终凝时间试针沉入试样 0 5mm凝结时间对公路施工的影响 初凝不能太快 终凝不能太慢规定 1 对硅酸盐水泥 其初凝不早于45min的 终凝不迟过6 5h 390min 水泥净浆搅拌机 水泥标准稠度及凝结时间测定仪 2 对普通硅酸盐水泥 其初凝不早于45min的 终凝不迟过10h 体积安定性定义 反映水泥浆在凝结 硬化过程中 体积变化的均匀程度 影响因素 三氧化镁含量 三氧化硫含量测定 煮沸法 试饼法 雷氏夹法 强度 水泥胶砂强度试验 ISO法水泥 标准砂 水 1 3 0 5制成试件40G40G160mm 在标准状态下 经养护后 测定3d 28d的抗折 抗压强度A强度等级 42 542 5R52 552 5R62 562 5RB水泥型号 普通型 早强型 水泥沸煮箱 雷氏夹 水泥胶砂搅拌机 水泥胶砂振实台 水泥胶砂试模 标准养护箱 水泥胶砂抗折机 水泥抗压夹具 2 技术标准见教材表2 11及相应规定其中规范规定 废品水泥 MgO SO2 初凝 安定性 不合格时不合格品水泥 细度 终凝 不溶物 烧失量及混合料过多 强度过低 2 2 5硅酸盐水泥的腐蚀与防治水泥制品长期处于某些腐蚀性液体或气体介质中 使得水泥石结构遭到破坏 强度降低 甚至整个工程遭到破坏 这种现象称为水泥石腐蚀 1 腐蚀原因 1 淡水的腐蚀 溶析性侵蚀 Ca OH 2溶于水中 不断溶解 导致水化硅酸钙 水化铝酸钙的分解 2 硫酸盐的腐蚀 3 镁盐的腐蚀Ca OH 2 MgSO4 2H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2无胶凝能力 4 碳酸腐蚀Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2OCaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2 2 措施 1 合理选用水泥品种 2 提高水泥石的密实度 控制W C 3 敷设耐蚀防护层 硅酸盐水泥泥的应用宜用于 要求早期强度高 冬季施工及严寒地区遭受反复冰冻的工程 不宜用于 大体积混凝土工程 耐热工程 硅酸盐水泥的运输和保管储存运输时要防潮 防水 保管时要 1 通风 防潮 2 存期不要超过3个月 过期水泥应重新标号 3 不同标号 不同品种的水泥应分开堆放 2 3 掺混合材料水泥定义 在硬硅酸盐水泥熟料中掺入适量的混合料 与石膏共同磨细制成的不同品种的硅酸盐水泥 2 3 1混合材料的类型1 活性混合料粒化高炉矿渣火山灰质混合材料粉煤灰2 非活性混合料 又称填充性混合材料 如 石英砂 石灰石 粘土等 以及不符合技术要求的粒化高炉矿渣 粉煤灰及火山灰质混合材料 2 3 2普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料掺入6 15 混合材料与适量石膏共同磨细生成的水硬性胶凝材料 称为普通水泥 代号PO 强度等级有 32 5 32 5R42 5 42 5R 52 5 52 5R 共六级 2 3 3掺混合材料水泥 1混合水泥种类 1 矿渣硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料和20 70 的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料 称为矿渣硅酸盐水泥 简称矿渣水泥 代号P S 2 火山灰质硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料和20 50 的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料 称为火山灰质硅酸盐水泥 简称火山灰水泥 代号P P 3 粉煤灰硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料和20 40 的粉煤灰及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥 代号P F 2 掺混合材料的硅酸盐水泥的凝结硬化 1 凝结硬化原理硅酸盐水泥熟料与水发生反应 生成的产物与硅酸盐水泥相同 随后是熟料矿物水化析出的氢氧化钙和掺入水泥中的石膏分别作为碱性激发剂和硫酸盐激发剂 与活性混合材料的活性成分发生二次水化反应 生成水化产物 亦叫 火山灰反应 与硅酸盐水泥相比 Ca OH 2含量相对较少 水化硅酸钙和钙矾石含量高 水化硅酸钙凝胶结构更加致密 2 混合材料对水泥性质的影响 水化速度慢 早期强度低 但后期强度增长较多 甚至可超过同强度等级的硅酸盐水泥或普通水泥 故这三种水泥不宜用于有早强要求的工程 化学稳定性高 水化放热速度慢 放热量低 宜用大体积混凝土工程 抗冻性差 这三种水泥早期强度低 受冻易损害 且混合材料加入需水量大 又因为保水性差 易在水泥内产生孔隙通道 抗冻性差 故不宜用于严寒地区 特别是严寒地区水位经常变动的部位 3 掺混合材料的硅酸盐水泥的技术性质 1 细度 80um方孔筛 筛余量不得超过10 0 2 凝结时间 初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于10h 3 体积安定性 除了矿渣水泥中三氧化硫含量不得超过4 0 外 其他技术要求均与硅酸盐水泥相同 4 强度及强度等级 强度等级有32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R 4 掺混合材料水泥的应用 1 矿渣硅酸盐水泥应用于大体积工程 湿热处理 耐腐蚀 耐火的场合 不适合抗冻性 抗渗性的场合 2 火山灰质硅酸盐水泥应用于大体积工程 不适合干燥 3 粉煤灰硅酸盐水泥适用于大体积水工建筑及水中结构和海港工程 不适合抗冻性 2 4其他品种水泥 1 道路硅酸盐水泥由较高铁铝酸钙含量的道路硅酸盐水泥熟料 0 10 活性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为道路硅酸盐水泥 简称道路水泥 水泥的粉磨细度增加 虽可提高强度 但水泥的细度增加 收缩增加很快 从而易产生微细裂缝 使道路易于破坏 适当提高水泥中的石膏加入量 可提高水泥的强度和降低收缩 对制造道路水泥是有利的 另外 为了提高道路混凝土的耐磨性 可加入5 以下的石英砂 2 快硬硅酸盐水泥凡以硅酸盐水泥熟料和石膏磨细制成 以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料 称为快硬硅酸盐水泥 简称快硬水泥 快硬水泥以3d强度确定其标号 制造过程与硅酸盐水泥基本相同 只是适当增加了熟料中硬化快的矿物 即硅酸三钙含量达50 一60 铝酸三钙为8 一14 两者总量应不少于60 一65 同时适当增加石膏掺量 达8 并提高水泥的粉磨细度 通常比表面积达450m2 kg 快硬硅酸盐水泥水化放热速率快 水化热较高 早期强度高 但干缩率较大 主要用于配制早强混凝土 适用于紧急抢修工程和低温施工工程 3 膨胀水泥和自应力水泥 硅酸盐膨胀水泥是以硅酸盐水泥为主 外加高铝水泥和石膏配制而成 膨胀源均来自于在水泥石中形成钙矾石产生体积膨胀而致 膨胀水泥适用于补偿混凝土收缩的结构工程 作防渗层或防渗混凝土 填灌构件的接缝及管道接头 结构的加因与修补 固结机器底座及地脚螺丝等 自应力水泥适用于制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件 使水泥产生膨胀的反应主要有三种 Ca0水化生成Ca OH 2 Mg0水化生成Mg OH 2以及形成钙矾石 因为前两种反应产生的膨胀不易控制 目前广泛使用的是以钙矾石为膨胀组分的各种膨胀水泥 自应力硅酸盐水泥 以适当比例的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 高铝水泥和天然二水石膏磨制而成的膨胀性的水硬性胶凝材料称为自应力硅酸盐水泥 自应力铝酸盐水泥 自应力铝酸盐水泥是以一定量的高铝水泥熟料和二水石膏粉磨而成的大膨胀率胶凝材料 按1 2标准砂浆28d自应力值分为3 0 4 5和6 0三个级别 膨胀硫铝酸盐水泥 凡以适当成分的生料 经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料 加入适量二水石膏磨细制成的具有可调膨胀性能的水硬性胶凝材料 称为膨胀硫铝酸盐水泥 第三章水泥混凝土和砂浆 定义 水泥混凝土是由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 分类 1 按表观密度分为 普通混凝土 轻混凝土 重混凝土 2 按强度分为 低强度混凝土 中强度混凝土 高强度混凝土3 按流动性分为 塑性混凝土 低流动性混凝土 干硬性混凝土混凝土的优缺点优点 1 抗压强度较高 养护费用极少 2 新拌混凝土具有良好塑性 可加工成任何形状 3 材料来源广泛 便于就地取材 价格便宜 4 可以根据工程要求改变材料配合比来满足需要 缺点 1 抗拉强度低 2 由于干缩 易出现裂缝 3 1普通水泥混凝土 一 普通水泥混凝土组成材料1 水泥2 水此两者组成水泥浆 起流动胶结作用3 粗集料4 细集料此两者起骨架作用各种材料所占比例见下表所示 混凝土组成及各组分材料绝对体积比 一 水泥1 水泥品种选择 应根据工程特点 气候与环境条件选择 2 水泥强度等级 考虑混凝土抗压强度 低强度时1 1 1 6倍 高强度时 0 7 1 2倍 二 细集料具体要求1 有害杂质含量 1 含泥量及泥块含量 2 云母含量 2 3 轻物质含量的颗粒 4 有机质含量 延缓硬化过程 影响强度 5 硫化物与硫酸盐含量 2 粗细程度与颗粒级配3 压碎值和坚固性压碎值 坚固性 5次循环 质量损失小于10 三 粗集料1 强度与坚固性2 有害杂质含量3 最大粒径及颗粒级配 最大粒径及混凝土的影响 在条件容许的前提下 越大越好 规范对D的要求 颗粒级配应满足教材表3 8要求所示4 颗粒形状及表面特征针状颗粒 L 2 4d平均片状颗粒 厚度d 0 4d平均5 碱活性检验 四 拌和用水可以使用饮用水 地下水 海水 工业废水等 不应含有油脂 糖类等 采用蒸馏水配制的水泥砂浆或混凝土作对比 不应低于其强度的90 五 外加剂1 外加剂的作用流变性 可以使用减水剂 引气剂 泵送剂 保水剂 硬化速度 采用缓凝剂 早强剂 速凝剂 含气量 可以使用引气剂 加气剂 泡沫剂 消泡剂 耐久性 采用阻锈剂 防水剂 抗渗剂 特殊性 膨胀剂 防冻剂 着色剂 抑制剂等 2 外加剂的种类普通减水剂 可以使用木质磺酸盐类 减水剂 采用多环芳香族磺酸盐类 水溶性树脂磺酸盐类 引气剂 松香树脂类 早强剂 有机胺类 氯盐类 缓凝剂 糖类 木质磺酸盐等 膨胀剂 硫铝酸钙类 氧化钙类 氧化镁类 金属类等 3 1 2普通水泥混凝土的技术性质 对于水泥混凝土的技术性质 通常分两种情况进行分析 一是新拌混凝土混合料的性质 二是凝结硬化的混凝土的性质 本次课重点讲解新拌混凝土混合料的工作性 一 新拌水泥混凝土的工作性 和易性 1 新拌混凝土工作性的概念指混凝土拌和物易于施工操作且成型后质量均匀密实的性质 它包括以下四个方面 流动性 指混凝土拌和物在自身或机械振捣下 能产生流动且能均匀密实地填滿模板的性能 粘聚性 组成材料之间有一定的粘聚力 保水性 具有保持一定水分能力 不致产生泌水 捣实性 2 新拌混凝土工作性的测定方法目前缺少全面的测定方法 主要偏重于测定流动性1 坍落度 mm 试验按规定拌和水泥混凝土混合料 将坍落筒按要求湿水 然后分三层将拌和物装入筒内 每层捣实25次 测定坍落强度H mm 坍落度试验只适用于集料最大粒径D不大于31 5mm 坍落度H不小于10mm的新拌混凝土 在试验测定的同时 必须观察粘聚性 保水性 以定性评价其工作性 2 维勃稠度适用于D不超过31 5mm 坍落度H小于10mm 维勃稠度5 30s之间的干硬性混凝土的稠度测定3 影响混凝土混合料工作性的因素1 组成材料质量及其用量 1 水泥浆的数量和集浆比 正常情况 水泥浆充满集料间隙略有剩余 用浆过多 流浆 浪费水泥 且影响强度 耐久性 用浆过少 产生分层 泌水 维勃稠度仪 2 水灰比的影响过大 可使水泥浆变稀 但易产生流浆 离析 甚至影响强度 过小 可使水泥浆变稠 但拌和物流动性小 所以要选择合理水灰比 3 砂率砂率对坍落度的影响见下图 4 水泥的品种和集料的性质 水泥品种不同的水泥 达到标准稠度用水量不同 其所表现出的工作性亦不一样 集料表面特征 如碎石与卵石 5 外加剂使用外加剂 可在不增加用水量及水泥用量的前提下 有效地改善水泥混凝土的工作性 如减水剂等 2 温度与搅拌时间如夏季与冬季在施工中注意的问题不一样 搅拌时间过短 拌和物的工作性差 4 新拌混凝土工作性的选择 1 桥涵混凝土工作性选择见表3 12 应考虑下列因素 结构物断面尺寸 钢筋疏密程度 振捣方式 2 路面混凝土工作性选择一般选10 25mm5 改善工作性的措施1 调节材料组成设计合理的配合比 使之有较好的工作性 2 掺加外加剂合理地利用外加剂 改善混凝土的工作性 3 提高振捣的效能 二 硬化后混凝土的力学性质1 强度1 抗压强度标准值和强度等级 立方体抗压强度fcu制作150X150X150mm试件 养护28d 测定强度三个值的算术平均值作为测定值 误差 15 若任一个超过15 取中值作为测定值 若两个超过15 则测定结果无效 混凝土搅拌机 振动台 抗压试模 立方体抗压强度标准值fcu k指保证率为95 时的抗压强度 强度等级C7 5C10C15C60共12个强度等级 由抗压强度标准值确定 2 抗折强度 fcf 试件尺寸为150 x150 x550mm 养护28d 测定其强度值 数据取舍方法同抗压强度试验加荷速度3 8kN 5 3kN s3 轴心抗压强度用尺寸为150mmx150mmx300mm的棱柱体试件 进行测定 4 劈裂抗拉强度制作尺寸为150mmX150mmX150mm的试块 试件中心间内用圆弧为垫条施加两个方向的均布压力2 影响混凝土强度的因素1 材料组成对混凝土强度的影响 水泥强度和水灰比式中 fce为水泥的实际强度 可经过试验测定 亦可用下列经验 公式计算 该公式经1919年美国 1925年挪威 1930年瑞士学者们论证 集料特征 形状及表面特征特别是粗集料的形状与表面特征对强度有着直接的影响 就混凝土强度而言 存在着最优浆集比 2 养护条件 温度 湿度混凝土拌和后必须保持适当的温度和湿度 使水泥充分水化 以保证混凝土强度不断提高 3 龄期 混凝土在正常养护条件下 强度随龄期的增长而增长 它们之间的关系可用下式表示 4 试验条件 试件形状与尺寸 试件湿度 试件温度 支承条件和加载方式等3 提高混凝土强度的措施1 采用高强度水泥2 采用低水灰比和浆集比3 蒸气养护 蒸压养护4 掺外加剂5 采用机械搅拌和振捣 4 混凝土的变形1 非荷载作用变形 1 化学收缩由水化反应引起 不能恢复 2 干湿变形收缩值 膨胀值约30 60 3 温度变形2 荷载的变形 弹性变形 塑性变形 徐变形 三 混凝土的耐久性1 抗冻性100mmx100mmx400mm的棱柱体 170C 50C冻融循环 测定混凝土试件所能承受的循环次数 有确定其抗冻能力 抗冻标号等级 D25D50D100D150D200D300 2 耐磨性测定150mmx150mmx150mm试件 养护17d60C烘干后 在200N负荷下磨50转 测其单位面积质量损失3 碱集料反应我国现行规范用最大水比灰及最水水泥来控制混凝土的耐久性 见教材表3 18所示课后小结 硬化后的水泥混凝土的技术性质主要包括强度及变形两个方面 影响强度的因素有很多 水泥的强度等级及水灰比是最重要的因素 课题 普通混凝土的组成设计教具用品 挂图教学目的 掌握普通水泥混凝土配合比设计的方法 基本要求及步骤重点难点 试配强度与设计强度的关系 3 1普通水泥混凝土 三 普通水泥混凝土的组成设计 一 概述混凝土各组成材料用量之比即为混凝土的配合比 混凝土配合比设计的内容 包括选料和配料两部分 本节重点讲解配料方面的内容 1 混凝土配合比表示方法 1 单位用量表示法 以1m3混凝土中各种材料的用量表示水泥 水 砂 石 X Y Z A 2 相对用量表示法以水泥质量为1 并按水泥 细集料 粗集料 水灰比的顺序表示 2 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试配强度 设计强度2 满足施工工作性的要求3 满足环境耐久性的要求设计配合比时 应考虑最大水灰比 最小水泥用量4 满足经济性的要求在满足前三项的前提下 尽量节约水泥 合理使用材料 以降低成本 3 水泥混凝土配合比设计的三个参数 水灰比W C 砂率 单位用水量 水泥浆与集料的关系 4 混凝土配合比设计的步骤 1 计算初步配合比 2 提出基准配合比 3 确定试验室配合比 4 换算工地配合比 二 普通混凝土配合比设计方法 以抗压强度为指标 1 初步配合比计算1 确定试配强度fcu 0式中 2 计算水灰比 按强度计算式中 复核耐久性按砝码耐久性要求 复核水灰比不得大于表中的规定 3 选定单位用水量mw0根据粗集料品种 粒径及施工要求的混凝土稠度 查表选择 4 计算单位水泥用水量复核耐久性5 选定砂率方法一 查表确定 坍落度 粗集料品种 最大粒径及水灰比 方法二 对坍落度大于60mm的混凝土 查表后应作调整 方法三 坍落度小于10mm的混凝土 其砂率应经试验确定 6 计算粗 细集料单位用量 mgomso 质量法 体积法 2 试配 调整提出基准配合比1 试配 按初步配合比称取相应的材料作工作性及强度试验2 校核工作性 确定基准配合比3 检验强度 确定试验室配合比1 制作试件 检验强度三组试件 一组为基准配合比 一组试件水灰比为 第三组试件的水灰比为2 确定试验室配合比测定强度与湿表观密度选择既满足强度要求 工作性又满足要求的配合比作为试验室配合比 4 施工配合比换算设施工现场砂 石含水率分别为a b 则施工配合比中各材料单位用量为 3 1普通水泥混凝土的技术性质 混凝土配合比设计例题 题目 试设计钢筋混凝T型桥梁用混凝土配合比 原始资料 1 已知混凝土设计强度等级为C30 无强度历史统计资料 要求混凝土拌和物坍落度为30 50mm 桥梁所在地区属寒冷地区 2 材料组成 可供硅酸盐水泥 等级为42 5 富裕系数 砂为中砂 表观密度 碎石最大粒径为dmax 31 5mm 表观密度 设计要求 1 按资料计算初步配合比 2 按初步配合比在试验室进行材料调整得出试验室配合比 设计步骤 1 计算初步配合比1 确定混凝土配制强度 fcu o 2 计算水灰比w c 计算水泥实际强度 计算水灰比2 按耐久性复核水灰比查表P84表3 18允许最大水灰比0 55故取w c 0 553 确定单位用水量 mwo 查表3 20P85mwo 185 4 计算单位水泥用量 mco 1 计算 2 复核耐久性查表3 18最小水泥用量 280kg m3 则mco 336kg m35 选定砂率 查表3 21P84取6 计算砂石用量 1 采用质量法设则即解方程得 2 采用体积法解方程得mso 617mgo 12522 调整工作性 提出基准配合比1 计算试拌材料用量 拌合混合料各材料用量 设试拌15L混凝土混合料 水泥 336 0 015 5 04kg水 185 0 015 2 78kg砂 617 0 015 9 26kg碎石 1252 0 015 18 78kg2 调整工作性将上述各材料拌和后 测定工作性 按以下几种情况调整 测得坍落度值符合设计要求 其它各项性能良好 则该盘混凝土用来浇制检验强度或其它指标的试块 坍落度值符合要求 其它性能不要求 则应加大砂率 重新称料 搅拌检测 坍落度低于设计要求 可把所有拌和物收集 保持水灰比不变 增加水泥浆用量 重新搅拌后再检验其坍落度 若一次添料后即能满足要求 则此调整后的配合比即为基准配合比 如果一次添料不能满足要求 则该盘混凝土作废 重新称料调整 直至符合要求为止 如坍落度大于设计要求 则该盘混凝土作废 保持水灰比不变 减少水泥浆用量 称料拌合进行测定 3 提出基准配合比3 检验强度 测定试验室配合比1 检验强度三组试件 水灰比分别为A 0 50B 0 55C 0 60作图找出标准水灰比经作图 混凝土的标准水灰比为0 55 2 确定试验室配合比用水量 体积法 解得 密度核实计算湿表观密度实测湿表观密度4 换算工地配合比已知砂的含水量为5 碎石的含水量为1 则该混凝土的施工配合比为水泥用量砂用量碎石用量 3 1 4路面水泥混凝土配合比设计方法 路面水泥混凝土配合比设计方法 以抗弯拉强度为指标的设计方法 基本要求 施工工作性 抗弯拉强度 耐久性 包括耐磨性 经济合理性1 计算配制强度 2计算水灰比 w c 对碎石混凝土对于卵石混凝土规范规定 路面混凝土水灰比一般不小于0 40 不大于0 50 3 计算单位用水量 对于碎石混凝土对于卵石混凝土确定砂率查表3 25P94 4 计算单位水泥用量规范规定 路面混凝土单位水泥用量一般不小于300kg m3 不大于360kg m3 5 计算砂石材料单位用量 用绝对体积法2 试拌调整 提出基准配合比 1 试拌一般拌制30L混合料 2 测工作性 3 调整配合比 流动性不合格 增减水泥浆用量 保水性 粘聚性不合格 应调整砂率 4 提出基准配合比3 强度测定 确定试验室配合比 三组试件 水灰比相差0 03 测定强度 养护28d后 测定混凝土的抗折强度 选定既符合强度要求 且最经济的配合比4 换算工地配合比根据施工现场材料性质 砂石材料颗粒表面含水率 对理论配合比进行换算 最后得出施工配合比 换算时注意 试验室配合比是以砂石材料饱和面干含水率为准 3 1 5普通水泥混凝土的质量控制 一 混凝土质量的波动影响混凝土质量的因素有 1 原材料的质量和配合比原材料中对质量影响最大的是水泥配合比 现场含水率变化时 应及时调整施工配合比 防止杂质混入 配合比应得到正确 准确地执行称料容许误差 水 水泥为 1 砂 石 2 2 施工工艺 拌合方式 人工 机械 运输时间 应考虑水泥的水化反应速度对运输时间的限制 浇灌或振捣情况 养护时间 湿度3 养护方法 保湿 覆盖 洒水 保温 保证水泥能在正常的温度范围内水化 4 试验条件取样方法 试件成型 养护条件等 浇注一般体积的结构物 如基础 墩石等 时每一单元结构物应制取2组试件 连续浇注大体积结构时 每80 200m3或第一工作班应制取2组上部结构 主要构件长16m以下应制取1组 16 30m制取2组 31 50m制取3组 50m以上者不少于5组 小型构件批或第工作班至少应制取2组 每根钻孔桩至少应制取2组 桩长20m以上者不少于3组 桩径大 浇注时间长时 不少于4组 如换班工作时 每工作班应制取2组 构筑物 小桥涵 挡土墙 每座 每处或每工作班制取不少于2组 另取n组作为施工阶段的强度依据 二 混凝土质量评定方法混凝土质量评定一般以抗压强度作为评定指标1 统计方法 已知标准差方法 当强度等级C20时 尚应满足 2 统计方法 未知标准差方法 n 10组为验收系数 见P97表3 28Sfcu必须 0 06fcu k3 非统计方法 n 10 3 2其他功能混凝土 3 2 1高强混凝土强度等级高于C60的混凝土称为高强混凝土 通常采用下列几方面