混凝土的性质.doc

混凝土一、内容提要：本讲主要是讲解混凝土组成材料，混凝土配合比的设计，新拌混凝土的性能，混凝土的强度等级，混凝土的耐久性与变形性，混凝土的外加剂及混凝土的掺和料。二、本讲的重点是：混凝土配合比的设计，新拌混凝土的性能，混凝土的强度等级本讲的难点是：混凝土配合比的设计中的试配和调配，新拌混凝土的工作性的测定，硬化混凝土的变形性等问题。 三、内容讲解：1、 概述：定义：从广义上讲，混凝土是指由胶凝材料、骨料和水按适当的比例配合、拌制成的混合物，经一定时间后硬化而成的人造石材。目前使用最多的是以水泥为胶凝材料的混凝土，称为水泥混凝土。 混凝土的分类：（ 按其表观密度的大小） 普通混凝土：表观密度为21002500kgm3，一般多在2400kgm。左右。 轻混凝土：表观密度小于1950kgm3。 可用作结构混凝土、保温用混凝土以及结构兼保温混凝土。重混凝土：表观密度2600kgm3以上。 主要用作核能工程的屏蔽结构材料。如按照胶凝材料种类分，混凝土又可分为：水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物水泥混凝土、树脂混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、硅酸盐混凝土等。按照生产和施工方法进行分类，混凝土又可以分为商品混凝土(又称预拌混凝生)、泵送混凝土、喷射混凝土、压力灌浆混凝土(又称预填骨料混凝土)、挤压混凝土、离心混凝土、真空吸水混凝土、碾压混凝土、热拌混凝土等。现在也有按照混凝土强度的大小来分，一般抗压强度低于30MPa的混凝土称为低强混凝土，抗压强度高于60MPa(包括60MPa)的混凝土称为高强混凝土，如果抗压强度大于或等于100MPa的混凝土，则称为超高强混凝土。按配筋材料来分，混凝土又可以分为素混凝土(又称无筋混凝土)、钢筋混凝土、钢丝网混凝土、纤维混凝土、预应力混凝土等。2、普通混凝土组成材料普通混凝土主要是由水泥、水和天然的砂、石骨料所组成的复合材料，通常还掺入一定量的掺合料和外加剂。混凝土组成材料中，砂、石是骨料，对混凝土起骨架作用，水泥和水形成水泥浆体，包裹在粗、细骨料的表面并填充骨料之间的空隙。在混凝土凝结、硬化以前，水泥浆体起着润滑作用，赋予混凝土拌合物流动性，便于施工；在混凝土硬化以后，水泥浆体起着胶粘剂作用，将砂、石骨料粘结成为一个整体，使混凝土产生强度，成为坚硬的人造材料。2.1水泥 水泥是混凝土中最重要的组分，是混凝土中的胶凝材料，普通混凝土正是通过水泥将砂、石骨料等固化成为具有一定强度的整体。 配制混凝土首先应该根据混凝土工程的性质与特点、工程所处环境及施工条件，结合水泥的特性，合理地选用水泥品种。其次，水泥强度等级的选择应该与混凝土的设计强度等级相适应，原则上低强度等级混凝土选用低强度等级的水泥，高强度混凝土应选用强度等级高的水泥，对于普通混凝土来说，一般是以水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5倍为宜，高强度等级的混凝土可取一倍左右。 如果采用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土，为了满足强度要求，必然导致水泥用量过多，这不仅不经济，而且会引起混凝土收缩和水化热增大，对于大体积混凝土，使得混凝土温升增大，影响到混凝土强度的发展及耐久性能。同时由于混凝土强度高，水泥用量大，则水灰比一般比较小，使得混凝土和易性变差，施工困难，混凝土质量难以保证。反之，如果采用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土，也是既不经济又不合理。从强度考虑，用高强度等级水泥可以配制出低强度等级混凝土，而且水泥用量比较少。但是如果水泥用量太少，混凝土中浆体量很少，这势必会影响到新拌混凝土和易性和硬化混凝土耐久性。 2.2骨料 混凝土用骨料按其粒径大小分为细骨料和粗骨料两种，粒径小于5mm的骨料称为细骨料，粒径大于5mm的骨料称为粗骨料。普通混凝土用骨料通常细骨料是指普通砂，粗骨料则是指碎石、卵石或碎卵石。（1）细骨料 细骨料是指在自然条件作用下形成，粒径小于5mm的岩石骨料。按照来源，细骨料可以分为河砂、海砂和山砂。一般混凝土中大都采用河砂。按照细度模数，砂又可以分为粗砂、中砂和细砂以及特细砂。普通混凝土用细骨料的质量要求，主要应该控制以下几个指标：（i）颗粒级配：砂颗粒级配的优劣、粒度的粗细既影响混凝土技术性能，也影响混凝土中水泥用量。颗粒级配是评定砂质量的一个重要指标。在配制混凝土时，当砂用量一定时，如果采用粗砂，其总表面积小，因此需要包裹砂颗粒表面的水泥浆量少；采用细砂时，则其总表面积增大，在混凝土中需要包裹砂粒表面的水泥浆量多，因此当混凝土拌和物的和易性一定时，用粗砂拌制混凝土所需水泥用量比用细砂节省。但是在拌制混凝土时，并不是砂子越粗越好，砂子太粗，会导致混凝土泌水、离析等现象，从而影响混凝土和易性。砂的粗细程度，以细度模数表示，细度模数通常采用筛分析法进行测定。砂筛分析法是用一套孔径为5.0mm、2.5mm、1.25mm、0.630mm、0.315mm及0.160mm的标准筛，称取烘干的砂样500克，由粗到细依次过筛，然后计算各筛上分计筛余百分率(各筛上的筛余量占砂样总重量的百分率，以ai表示)以及各筛上的累计筛余百分率(即各筛与比该筛粗的所有筛的分计筛余百分率之和，以Ai表示，普通混凝土的砂的细度模数范围一般在3.71.6,其中采用中砂较好。 我国普通混凝土用砂质量及检验方法(JGJ5292)标准中规定，按照0.630mm孔径筛的累计筛余百分率，将砂划分为三个级配区，见下表。普通混凝土用砂，其颗粒级配应该处于表中某一级配区。在工程中，混凝土所用砂的实际颗粒级配除了5.0mm和0.30mm的累计筛余百分率以外，其余号筛的累计筛余百分率可以稍有超出分界线，但超出部分的总百分率不应大于5。 (ii) 含泥量和泥块含量：严重影响砂的质量，从而影响混凝土的性能。砂的含泥量是指砂中含有粒径小于0.08mm的粘土、淤泥与岩屑的质量总和占砂总质量的百分率；泥块含量则是指经过水浸后，粒径大于0.63mm的块状粘土的质量总和占砂总质量的百分率。对于普通混凝土用砂，砂中的含泥量及泥块含量必须符合普通混凝土用砂质量及检验方法(JGJ5292)规定。(iii) 碱活性：对于普通混凝土用砂，要求砂中不含活性二氧化硅等物质，以免产生碱集料反应，从而导致混凝土的破坏。 (iv) 有害杂质含量：对于普通混凝土用砂，国家标准对其中有害物质含量有明确的限制。（2）粗骨料普通混凝土常用粗骨料有卵石和碎石两种。在自然条件作用下形成，粒径大于5mm的岩石颗粒，称为卵石。由天然岩石和卵石经破碎、筛分得到的粒径大于5mm的颗粒，|称为碎石或碎卵石。普通混凝土用粗骨料的质量要求，主要应该控制以下几个指标：（i） 最大粒径和颗粒级配 粗骨料公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。粗骨料最大粒径增大时，骨料总表面积减小，因此包裹其表面所需水泥浆量减少，可以节约水泥，并且在一定和易性及水泥用量条件下，能降低用水量而提高混凝土强度。一般，在可能情况下，混凝土应尽量选用大粒径的粗骨料。但是最大粒径的选择，还要受到混凝土结构截面尺寸及配筋间距的限制。按照混凝土结构工程施工及验收规范(GB5020492)规定，混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的14，且不得大于钢筋间最小净距的34等。粗骨料颗粒级配的原理与细骨料相同，要求大小粒径的石子组配适当，使粗骨料的空隙|率和总表面积均比较小，这样拌制的混凝土水泥用量少、密实度较好，有利于改善混凝土和易性，并提高强度。 粗骨料的颗粒级配也是通过筛分析试验测定的，普通混凝土用碎石或卵石的颗粒级配范围应符合国家标准普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法(JGJ5392)规定，粗骨料的级配有连续级配和间断级配两种，通常建筑工程中多采用连续级配。 (ii)强度和坚固性混凝土所用粗骨料必须具有足够的强度，以保证所配制的混凝土强度。碎石的强度可用其母岩岩石的立方体抗压强度或碎石的压碎指标来表示，而卵石的强度就用压碎指标来表示。（iii）骨料碱活性碱骨料反应是影响混凝土耐久性的重要原因，它对建筑物的破坏可造成巨大的经济损失。（iv）含泥量和泥块含量（v）有害物质含量 下面我们简单说一下混凝土中水的质量要求（3）水： 按照水源，水可以分为饮用水、地表水、地下水、海水、生活污水和工业废水等多种，拌制混凝土及混凝土的养护宜采用饮用水。地表水和地下水常含有较多的有机质和矿物盐类，如果用于混凝土，则必须先进行检验。海水因含有大量氯盐，不得用于混凝土中。生活污水、工业废水均因水质情况比较复杂，不能作为混凝土用水。3、普通混凝土的配合比设计普通混凝土配合比是指混凝土中组成材料相互之间的配合比例，可以用体积比，也可以用重量比，通常是按水泥：细骨料：粗骨料=1：X：Y的重量比形式表示。即混凝土含有1份水泥，X份细骨料，Y份粗骨料。根据混凝土种类不同，其配合比设计也不相同。一般，混凝土的配合比设计必须达到以下基本要求，即：O满足结构设计的强度等级要求；O满足混凝土施工所需求的和易性；O满足工程所处环境等对混凝土耐久性的要求；O满足经济原则，即节约水泥，降低混凝土成本。普通混凝土配合比设计可以按照普通混凝土配合比设计技术规程(JGJ552000)执行。第一步：确定混凝土配合比设计中的基本参数（1）混凝土配制强度的确定混凝土配制强度按下式计算：fcu,0fcu,k+1.645fcu,0混凝土配制强度（Mpa）；fcu,k混凝土立方体抗压强度标准值（Mpa）；混凝土强度标准差（Mpa）混凝土强度标准差宜根据同类混凝土统计资料计算确定，并应符合下列规定：（i）计算时，强度试件组数不应少于25组：(ii)当混凝土强度等级为C20和C25，其强度标准差计算值小于25MPa时，计算配制强度用的标准差应取不小于2.5MPa；当混凝土强度等级等于或大于C30，其强度标准差计算值小于3.0MPa时，计算配制强度用的标准差应取不小于3.0MPa。(iii)当无统计资料计算混凝土强度标准差时，其值应按现行国家标准混凝土结构工程施工及验收规范(GB50204)的规定取用。（2）混凝土用水量的确定混凝土用水量的确定，应符合下列规定：(i)干硬性和塑性混凝土用水量的确定： 水灰比在0.400.80范围时，根据粗骨料的品种、粒径及施工要求的混凝土拌合物稠度，其用水量可按下表选取。水灰比小于0.40的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土用水量应通过试验确定。（ii）流动性和大流动性混凝土的用水量宜按下列步骤确定：以塑性混凝土用水量表中坍落度为90mm的混凝土用水量为基础，按照坍落度每增大20mm，混凝土用水量增加5kg，计算出未掺加外加剂时混凝土用水量。掺外加剂时的混凝土用水量可按下式计算：mwa=mw0(1-) mwa掺外加剂混凝土的用水量（kg/m3）;mw0未掺外加剂混凝土的用水量（kg/m3）；外加剂的减水率（%） （3）凝土砂率的确定（i）坍落度为1060mm的混凝土砂率，可根据粗骨料品种，最大粒径及水灰比按下表选用。（ii） 坍落度大于60mm的混凝土砂率，可经试验确定，也可在上表的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度进行调整。（iii）坍落度小于10mm的混凝土，其砂率应经试验确定。第二步：混凝土配合比的计算（1）计算混凝土配制强度fcu,0; fcu,0= fcu,k+1.645（2）确定水灰比，当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水灰比宜按下式计算（3） 选取每立方米混凝土用水量，并计算出每立方米混凝土的水泥用量，如果计算所得水泥用量小于规范所规定的最小水泥用量时，应取规定的最小水泥用量。（4）选取砂率（5）计算粗、细骨料用量（i） 当采用重量法时，应按下列公式计算： mc0每立方米混凝土水泥用量（kg）mg0每立方米混凝土粗骨料用量（kg）ms0每立方米混凝土细骨料用量（kg）mw0每立方米混凝土水用量（kg）s砂率（%）mcp每立方米混凝土拌和物假定重量（kg），其值可取23502450kg（ii）当采用体积法时，应按下列公式计算：c水泥密度（kg/m3）可取29003100 kg/m3； g 粗骨料表观密度（kg/m3）； s 细骨料表观密度（kg/m3）； w 水的密度（kg/m3）可取1000kg/m3； 混凝土含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，可取1（6）写出混凝土配合比：按上述方法得到的配合比称为计算配合比。 第三步：混凝土配合比的试配、调整与确定（1）试配与调整：进行混凝土配合比试配时应用工程实际使用的原材料，混凝土的搅拌方法，宜与生产时使用的方法相同。根据计算的混凝土配合比进行试配时，首先应进行试拌，检查拌合物性能，当拌合物的坍落度或维勃稠度不能满足要求，或粘聚性和保水性不好时，应在保证水灰比不变的条件下相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止。然后提出供混凝土强度试验用的基准配合比。混凝土强度试验时至少应采用三个不同的配合比。当选用三个不同配合比时，其中一个应是基准配合比，另外两个配合比的水灰比，宜较基准配合比分别增加和减少0.05，用水量应与基准配合比相同，砂率可分别增加和减少1%。进行混凝土强度试验时，每种配合比至少应制作一组（三块）试件，标准养护到28时试压。（2）混凝土配合比的确定：（i）配合比的确定：根据试验得出的混凝土强度与其相对应的灰水比(Cw)关系，用作图法或计算法求出与混凝土配制强度(fcu,0)相对应的灰水比，并应按下列原则确定每立方米混凝土的材料用量：用水量(mw)应在基准配合比用水量的基础上，根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度进行调整确定；水泥用量(mc )应以用水量乘以选定出来的灰水比计算确定；粗、细骨料用量(以mg 和ms 表示)应在基准配合比的粗骨料和细骨料用量的基础上 按选定的灰水比进行调整后确定。(ii)配合比的校正经试配确定配合比后，尚应按下列步骤进行校正：应根据配合比调整后的材料用量按下式计算混凝土的表观密度计算值 c,cc,c =m c+mg+ms+mw对值不超过计算值的2%时，按上述方法确定的配合比即为确定的设计配合比。当二者之差超过2%时，应将配合比中每项材料用量均乘以校正系数，即为确定的设计配合比。4、新拌混凝土的性能4.1工作性的定义：新拌混凝土的工作性包括流动性、充填性、粘聚性、保水性、可泵性等，是混凝土拌合物运输、浇捣、抹面等主要操作工序能够顺利地进行的保证，故又称和易性。流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振捣力的作用下，能产生流动并均匀密实地充满模型的性能。流动性的大小，反映拌合物的稠度，它直接影响施工的难易和混凝土的质量。 粘聚性则是指混凝土拌合物内部组分之间具有一定的粘聚力，在运输和浇注过程中不会发生分层离析现象，能使混凝土保持整体均匀性。 保水性是指混凝土拌合物具有一定的保持内部水分的能力，在施工中不致产生严重的泌水现象。保水性好的新拌混凝土，在混凝土振实后，一部分水容易从内部析出至表面，在渗流之处留下许多毛细管孔道，成为混凝土内部的透水通道。 4.2 影响工作性的因素 （1）用水量用水量的大小是影响新拌混凝土工作性的决定性因素。 （2）水泥混凝土拌合物在自重或外界振动力的作用下要产生流动，必须克服其内部的阻力。拌合物内部阻力主要来自两个方面，一是骨料间的摩阻力，二是水泥浆的粘聚力。 (3) 骨料骨料对新拌混凝土工作性的影响较大。在混凝土骨料用量一定的情况下，采用卵石和河砂拌制的混凝土拌合物，其流动性比用碎石和山砂拌制的好。这是因为前者骨料表面光滑，摩阻力小，而后者骨料摩阻力相对较大；骨料级配的好坏也影响着混凝土拌合物的工作性。砂率对混凝土拌合物的工作性也有显著影响。 （3） 拌和物存放时间和环境温度的影响混凝土拌合物随着时间的延长会变得越来越干稠，这是由于拌合物中的水分一部分被蒸发，另一部分则是水泥水化所消耗，因此拌合物逐渐失去可塑性而凝结硬化。混凝土工作性还受温度的影响。随着环境温度的升高，混凝土的工作性降低很快，因为这时的水分蒸发及水泥的化学反应将进行得更快。 4.3工作性的表征 混凝土拌合物工作性的内容比较复杂，通常是采用一定的实验方法测定混凝土拌合物的流动性，再辅以直观经验，综合评定其粘聚性和保水性。按混凝土质量控制标准(GB5016492)规定，混凝土拌合物的流动性以坍落度或维勃稠度作为指标。坍落度适用于流动性较大的混凝土拌合物，维勃稠度适用于干硬性混凝土。 5、硬化混凝土的强度混凝土强度包括立方体抗压强度、轴心抗压强度：抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等，其中以立方体抗压强度值为最大。 5.1混凝土立方体抗压强度与强度等级 根据国家标准规定，我国采用标准立方体抗压强度作为混凝土强度特征值。制作边长为150mm的立方体标准试件，在标准养护条件（温度2030C,相对湿度大于90%）下，养护至28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度。混凝土强度等级采用符号“C”与立方体抗压强度标准值(以Nmm2计)表示。混凝土立方体抗压强度标准值是指用标准方法制作并养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度。普通混凝土按立方体强度标准值“划分为C7.5、C10、C15、C20、 C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共12个强度等级。5.2混凝土轴心抗压强度：混凝土轴心抗压强度又称棱柱体抗压强度。是以150mm150mm300mm的棱柱体作为标准试件。标准棱柱体试件的制作、养护条件与标准立方体试件相同，混凝土的轴心抗压强度值远小于其立方体抗压强度值。5.3混凝土抗拉强度：混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/101/20，而且随着混凝土强度等级的提高而降低。采用劈裂法测定劈裂抗拉强度，采用边长为150mm的立方体作为标准试件，通过计算求得混凝土的劈裂抗拉强度5.4混凝土抗折强度：混凝土小梁在弯曲压力下，单位面积上所能承受的最大荷载称为混凝土抗折强度。一般情况下，混凝土抗折强度约为其立方体抗压强度的1/51/10，为劈裂抗拉强度的1.53.0倍。抗折强度试验采用150mm150mm600mm(或550mm)的小梁作为标准试件。5.5影响混凝土的因素： 分为四类：混凝土的组成材料，制备方法，养护过程及试验条件。6、硬化混凝土的变形性能： 混凝土的变形主要有三种，一是弹性变形，二是收缩，三是徐变。（1）弹性变形：混凝土是一种多相复合材料，是弹塑性体，而不是真实的弹性材料。混凝土在静力受压时，其应力()与应变（）之间的关系是非线性关系，如下图所示，这是由于混凝土的变形不可逆所致。（2）收缩：混凝土收缩主要有以下五种：化学收缩，温度收缩，干燥收缩，自收缩和碳化收缩。另外，在混凝土硬化前，由于塑性阶段混凝土表面失水而产生的收缩，称为塑性收缩。（3）徐变：混凝土在长期荷载作用下会发生徐变现象。混凝土徐变是指混凝土在恒定荷载长期作用下，随时间而增加的变形。7、混凝土的耐久性：混凝土耐久性是指混凝土在长期外界因素作用下，抵抗外部和内部不利影响的能力。耐久性包括：混凝土的抗渗性，混凝土的抗冻性，混凝土的抗侵蚀性，以及混凝土的碳化和碱集料反应。8、外加剂和混凝土掺合料8.1混凝土外加剂定义：混凝土外加剂是指在混凝土拌制过程中掺入的，用以改善混凝土性能的物质，其掺量不大于水泥质量的5%（特殊情况除外）