土木工程材料混凝土1.ppt

Chapter4Concrete 混凝土 混凝土也称砼 tong 是当代最主要的土木工程材料之一 它是由胶结材料 骨料和水按一定比例配制 经搅拌振捣成型 在一定条件下养护而成的人造石材 混凝土具有原料丰富 价格低廉 生产工艺简单的特点 因而使其用量越来越大 同时混凝土还具有抗压强度高 耐久性好 强度等级范围宽 使其使用范围出十分广泛 不仅在各种土木工程中使用 就是造船业 机械工业 海洋的开发 地热工程等 混凝土也是重要的材料 混凝土的历史混凝土有悠久的历史 早在古罗马时代 人们就懂得把石头 砂子和一种在维苏威火山地区发现的粉尘物 Pozzolana 与水混合制成混凝土 用于建筑伟大的罗马城和诸多神庙 甚至实现了诸如万神庙穹顶这样伟大的建筑奇迹 后因种种原因 其复杂的加工技术失传了许多世纪 后来在文艺复兴时期的建筑丛书中才有提到 现代意义的混凝土直到19世纪才出现 特指由骨料 砂 石等 水泥和水混合而成的建材 这依赖于1824年英国人约瑟夫 阿斯曾丁 JosephAspdin 发明的水泥 但真正展示水泥特性的就是混凝土 混凝土在拉丁语中是 结合在一起共同成长 之意 在英语中 混凝土一词为 Concrete 分解开是 不同材料的结合物 之意 现在中文的混凝土一词则是从日本传来的 是 Concrete 的日语音译 通常意义上 我们很容易将混凝土理解成一种结构材料 在中国绝大多数建筑中 也是这样来使用混凝土的 但实际上 混凝土也是一种内涵及表现力相当丰富的装饰材料 甚至是某种艺术追求的唯一元素 例 混凝土的艺术气质 成就了一代建筑大师安藤忠雄 若干年前 安藤忠雄是一个高中毕业生 一个普通木匠和一个失败的职业拳手 总之是一个从未学习过任何建筑工程的机械工程学生 因在某次旅行中看见广岛和平纪念馆的清水混凝土而受了刺激 便一头栽入建筑领域 竟玩出了强烈的建筑风格及享誉全球的高知名度 成为东京大学建筑系教授 全日本最顶尖的建筑大师 以及建筑界最高荣誉 普立兹克奖 的得主 安藤忠雄的伟大贡献就是清水混凝土技术 简单地说 就是用最简洁的质感体现最具现代感和最有精神的建筑 用一句大众熟悉的话来讲 清水混凝土是真正的手工水饺 而其它建筑墙体都是速冻类的工业水饺 只有清水混凝土才能真正体现建筑的高手工技术 所以有人说 清水混凝土是建筑界的华山论剑 真正是建筑高度的攻关 清水混凝土极具装饰效果 所以又称装饰混凝土 它浇筑的是高质量的混凝土 而且在拆除浇筑模板后 不再作任何外部抹灰等工程 它不同于普通混凝土 表面非常光滑 棱角分明 无任何外墙装饰 只是在表面涂一层或两层透明的保护剂 显得十分天然 庄重 上海浦东发展银行全国结算中心 0 分类 1 Bysortofgelmaterials 胶凝材料的种类 Cementconcrete 水泥混凝土 gypsumconcrete 石膏混凝土 waterglassconcrete 水玻璃混凝土 asphaltconcrete 沥青混凝土 2 Bybulkdensity 体积密度 Heavyweightconcrete drybulkdensity 2600kg m3用重晶石 铁矿石和铁屑等作集料制成的混凝土 对X射线和 射线有较高的屏蔽能力 normalweightconcrete drybulkdensity 1950 2500kg m3用普通砂石作集料制成的混凝土 在土木工程中应用最广 广泛应用于房屋 桥梁 大坝 路面等各种工程结构 lightweightconcrete drybulkdensity 1950kg m3采用轻集料或引入气孔制成的混凝土 强度高可用于桥梁 强度低用作隔热保温用 4 1Constituentmaterialsofordinaryconcrete 普通混凝土组成材料 Concreteiscomposedmainlyofthreematerials namely cement aggregateandwater andadditionalmaterials knownasanadmixture 1 Cement 水泥 Cementisthechemicallyactiveconstituentbutitsreactivityisonlybroughtintoeffectonmixingwithwater 1 Varietyofcement 水泥品种 配制混凝土时 应根据混凝土工程性质 部位 施工条件 环境状况等 按各品种水泥的特性作出合理的选择 如大坝工程 宜用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥 几种通用水泥的性能特点及应用 2 Strengthgradeofcement 水泥强度等级 水泥强度等级的选择 应与混凝土设计强度等级相适应 若用低强度等级的水泥配制高强度等级混凝土 不仅会使水泥用量过多 还会对混凝土产生不利影响 反之 用高强度等级的水泥配制低强度等级混凝土 若只考虑强度要求 会使水泥用量偏少 从而影响耐久性能 若水泥用量兼顾了耐久性等要求 又会导致超强而不经济 因此 根据经验一般以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1 5 2 0倍为宜 请观察此使用一年多的水泥混凝土道路表面 如图下图 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C3S53 C2S25 C3A15 C4AF7 请从水泥的角度分析其选用有否不当之处 2 Aggregate 集料或骨料 aggregateismuchcheaperthancementandmaximumeconomyisobtainedbyusingasmuchaggregateaspossibleinconcrete Itsusealsoconsiderablyimprovesboththevolumestabilityandthedurabilityoftheresultingconcrete 骨料 也称集料 总体积占混凝土体积的60 80 按粒径大小分为粗骨料和细骨料 1 Classificationofaggregate Thinaggregate 细骨料 粒径4 75mm以下的骨料称为细骨料 俗称砂 砂按产源分为天然砂 人工砂两类 天然砂是由自然风化 水流搬运和分选 堆积形成的 粒径小于4 75mm的岩石颗粒 但不包括软质岩 风化岩石的颗粒 天然砂包括河砂 湖砂 山砂和淡化海砂 人工砂是经除土处理的机制砂 混合砂的统称 coarseaggregate 粗骨料 粒径大于4 75mm的骨料称为粗骨料 俗称石 常用的有碎石及卵石两种 碎石是天然岩石或岩石经机械破碎 筛分制成的 粒径大于4 75mm的岩石颗粒 卵石是由自然风化 水流搬运和分选 堆积而成的 粒径大于4 75mm的岩石颗粒 卵石和碎石颗粒的长度大于该颗粒所属相应粒级的平均粒径2 4倍者为针状颗粒 厚度小于平均粒径0 4倍者为片状颗粒 平均粒径指该粒级上 下限粒径的平均值 2 Technicalpropertiesofaggregate 骨料的技术性质 骨料的各项性能指标将直接影响到混凝土的施工性能和使用性能 骨料的主要技术性质包括 particletextureandgrading 颗粒级配及粗细程度 颗粒级配是指粒径大小不同的集料相互搭配的情况 在混凝土中集料间的空隙是由水泥浆所填充 为了达到节约水泥的目的 应尽量减少集料的总表面积和集料间的空隙 集料的总表面积由集料的粗细程度来控制 集料间的空隙由颗粒级配来控制 在配制混凝土时 集料的颗粒级配和粗细程度这两个因素应同时考虑 当集料的级配良好且颗粒较大 则空隙及总表面积均较小 这样的集料比较理想 不仅水泥浆用量少 而且可以提高混凝土的密实度和强度 粗集料颗粒级配有连续级配与间断级配之分 连续级配是从最大粒径开始 由大到小各级相连 其中每一级都有适当的比例 连续级配在工程中应用较多 间断级配是各级不连续 即省去中间一 二级 例如 5 10mm与20 40mm两种粒级的集料配合使用 中间缺少10 20mm的集料 即成间断级配 间断级配可以降低集料的粉隙率 可节约水泥 但易使混凝土拌合物产生离析 故工程中应用少 细集料按其细度模数可分为粗 中 细三种规格 粗砂 3 7 3 1 中砂 3 0 2 3 细砂 2 2 1 6 细度模数是衡量砂粗细程度的指标 细度模数愈大 表示砂愈粗 其表示式为 式中 Mx 细度模数 A1 A2 A3 A4 A5 A6 分别为4 75mm 2 36mm 1 18 mm 600 m 300 m 150 m筛的累积筛余 对于粗集料 集料的最大粒径对水泥混凝土和沥青混合料性能的影响 往往比平均粗细程度的影响大 因此 在明确了级配要求后 还用最大粒径作为粗集料颗粒大小的表征 最大粒径是指骨料的100 都要求通过的最小的标准筛筛孔尺寸 公称最大粒径是指骨料可能全部通过或允许有少量不通过 一般允许筛余不超过10 的最小的标准筛筛孔尺寸 通常比骨料最大粒径小一个粒级 Particleshapeandsurfacecharacter 颗粒形态和表面特征 集料特别是粗集料的颗粒形状和表面特征对水泥混凝土和沥青混合料的性能有显著的影响 通常 集料颗粒有浑圆状 多棱角状 针状和片状四种类型的形状 其中 较好的是接近球体或立方体的浑圆状和多棱角状颗粒 而呈细长和扁平的针状和片状颗粒对水泥混凝土的和易性 强度和稳定性等性能有不良影响 因此 在集料中应限制针 片状颗粒的含量 在水泥混凝土中 针状颗粒是集料中颗粒长度大于所属粒级平均粒径的2 4倍的颗粒 片状颗粒是指集料颗粒厚度小于所属粒级平均粒径的0 4倍的颗粒 集料的表面特征又称表面结构 是指集料表面的粗糙程度及孔隙特征等 集料按表面特征分为光滑的 平整的和粗糙的颗粒表面 集料的表面特征主要影响混凝土的和易性和与胶结料的粘结力 表面粗糙的集料制作的混凝土的和易性较差 但与胶结料的粘结力较强 反之 表面光滑的集料制作的混凝土的和易性较好 一般与胶结料的粘结力较差 strength 强度 粗集料在水泥混凝土中起骨架作用 应具有一定的强度 粗集料的强度可用抗压强度和压碎指标值两种方法表示 抗压强度是指集料制成的边长为50mm的立方体 或直径与高度均为50mm的圆柱体 试件 在饱和水状态下测定的抗压强度值 压碎指标值是指集料抵抗压碎的能力 它是反映集料强度的相对指标 在集料的抗压强度不便测定时 常用来评价集料的力学性能 粗集料的压碎指标值是一定粒径的集料试样 在规定的条件下加荷施压后 用孔径2 36mm的筛筛除被压碎的细粒 称出留在筛上的试样质量 精确至1g 按下式计算 式中 Qe 压碎值指标 G1 试样的质量 g G2 压碎试验后筛余的试样质量 g 细集料的压碎值指标的测定方法与粗集料有所不同 hardness 坚固性 坚固性是指骨料在自然风化和其它外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力 集料在长期受到各种自然因素的综合作用下 其物理力学性能会逐渐下降 这些自然因素包括温度变化 干湿变化和冻融循环等 其中 冻融循环的破坏作用占主导地位 因此 常以抗冻性作为坚固性的衡量指标 一般采用直接冻融法和硫酸盐浸泡法测定集料的坚固性 由于硫酸盐浸泡法简易 快捷 通常采用硫酸钠溶液法检验集料的坚固性 mudcontent 含泥量 含泥量是指天然砂或卵石 碎石中粒径小于75 m的颗粒含量 砂中的原粒径大于1 18mm 经水浸洗 手捏后小于0 60mm的颗粒含量称为砂的泥块含量 卵石 碎石中原粒径大于4 75mm 经水浸洗 手捏后小于2 36mm的颗粒含量称为卵石 碎石的泥块含量 泥粘附在骨料的表面 防碍水泥石与骨料的粘结 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更为严重 因为它在搅拌时不易散开 deleteriousthing 有害物质 骨料除不应混有草根 树叶 树枝 塑料 煤块 炉渣等杂物外 对卵石和碎石中的有机物 硫化物及硫酸盐作出限制 另还对砂中的云母 轻物质 氯化物作出限制 硫化物 硫酸盐 有机物及云母等对水泥石有腐蚀作用 会降低混凝土的耐久性 云母及轻物质 表观密度小于2000kg m3 它们本身强度低 与水泥石黏结不牢 因而会降低混凝土强度及耐久性 氯离子对钢筋有腐蚀作用 当采用海砂配制钢筋混凝土时 海砂中氯离子含量不应大于0 06 以干砂的质量计 对预应力混凝土 则不宜用海砂 alkali aggregatereaction 碱集料反应 碱集料反应是指水泥 外加剂等混凝土构成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破坏的膨胀反应 碱集料反应包括碱 硅酸反应和碱 碳酸盐反应 骨料中若含有无定形二氧化硅等活性骨料 当混凝土中有水分存在时 它能与水泥中的碱 K2O及Na2O 起作用 产生碱 骨料反应 使混凝土发生破坏 对于重要工程混凝土使用的骨料 或者怀疑骨料中含有无定形二氧化硅可能引起碱 骨料反应时 应进行专门试验 以确定骨料是否可用 thestateofcontainingwater骨料 包括粗骨料 吸水率 并不属于对砂技术要求的内容 但使用砂时 应该了解其涵义 砂的几种含水状态下图所示 干燥状态 含水率等于或接近零 气干状态 含水率与大气湿度相平衡 饱和面干状态 集料表面干燥而内部孔隙含水达到饱和 湿润状态 集料不仅内部孔隙充满水 而且表面还附有一层表面水 在拌制混凝土时 由于集料含水状态不同 将影响混凝土的用水量和集料用量 骨料在饱和面干状态时的含水率 称为饱和面干吸水率 在设计混凝土配合比时 一般以干燥骨料为基准 而一些大型水利工程常以饱和面干的骨料为准 下图为集料的几种含水状态 3 Technicalrequirementforsand国家标准GB T14684 2001 建筑用砂 规定了建筑用砂的技术要求 particlegrading 颗粒级配 砂的颗粒级配应符合下表4 1的要求 根据表4 1 可绘制各级配区的筛分曲线图 例4 2某砂样筛分试验 各筛的筛余量见下表 试评定该砂的粗细程度及颗粒级配情况 分计筛余和累计筛余率的计算结果见上表 细度模数Mx的计算如下 20 36 60 80 98 2 5 8 100 8 2 8 查砂的级配曲线图 该砂的各筛余率均落在2区砂的范围内 结果评定 该砂的细度模数Mx 2 8 属于中砂 砂的颗粒级配符合表4 1的规定 级配合格 砂子标准筛分曲线图中的1区 2区 3区说明什么问题 三个区以外的区域又说明什么 砂子标准筛分曲线图中的l区砂属于粗砂范畴 2区砂由中砂和一部分偏粗的细砂组成 3区在砂系细砂和一部分偏细的中砂组成 3个区以外的砂说明其级配不合格 不适用于配制混凝土 配制混凝土最好选用不粗不细的2区砂 这样可使混凝土在适中的砂率下具有较好的工作性 粘聚性适中 保水性好 易于插捣成型 而硬化后的混凝土更致密均匀 B 人工砂的石粉含量和泥块含量应符合表4 3的规定 mudcontent 含泥量 A 天然砂的含泥量和泥块含量应符合表4 2的规定 deleteriousthing 有害物质 砂不应混有草根 树叶 树枝 塑料 煤块 炉渣等杂物 砂中如含有云母 轻物质 有机物 硫化物及硫酸盐 氯盐等 其含量应符合表4 4的规定 hardness 坚固性 A 天然砂采用硫酸钠溶液法进行试验 砂样经5次循环后其质量损失应符合表4 5的规定 B 人工砂采用压碎指标法进行试验 压碎指标应小于表4 6的规定 apparentdensity piledensity lacuna 表观密度 堆积密度 空隙率 砂表观密度 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 alkali aggregatereaction 碱集料反应 经碱集料反应试验后 由砂制备的试件无裂缝 酥裂 胶体外溢等现象 在规定的试验龄期膨胀率应小于0 10 3 Technicalrequirementforgravelandcrushedstone建筑用卵石 碎石应满足国家标准GB T14685 2001 建筑用卵石 碎石 的技术要求 particlegrading 颗粒级配 mudcontent 含泥量 acicularandsheetparticlecontent 针片状颗粒含量 deleteriousthing 有害物质 hardness 坚固性 strength 强度 apparentdensity piledensity lacuna 表观密度 堆积密度 空隙率 alkali aggregatereaction 碱集料反应 3 water 拌合及养护用 Waterusedinconcre