水泥混凝土.ppt

水泥混凝土与砂浆 主要内容 水泥混凝土的技术性质 1 普通水泥混凝土的组成设计 2 混凝土外加剂与掺合料 3 砂浆 4 小结与习题 5 本章应重点掌握普通水泥混凝土的技术性能 新拌和混凝土的工作性 硬化后混凝土的强度 变形特性及耐久性 技术性能影响因素 评价方法和评价指标 掌握普通水泥混凝土组成材料的技术要求及混凝土的配合比设计方法 1 水泥混凝土特点 1 用途最为广泛的人造材料成本低廉节省能源有利于生态保护 2 表观简单 但结构复杂 3 使用前需现场拌制 施工工艺影响 概述 1 水泥混凝土定义 水泥 砂 石 水 外加剂 混合材料 砼 混凝土 混凝土是由胶结料和集料混合 通过一定的工艺成型后硬化而成的复合材料 水泥混凝土 通常简称混凝土 是以水泥和水组成的粘结介质 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 水泥 水 水泥浆 砂子 碎石 骨料 新拌混凝土 100 体积 60 75 7 15 25 40 14 21 21 28 39 42 凝结硬化 硬化混凝土 混凝土外加剂 为了改善或提高混凝土的性能 各组成材料的作用 集料廉价的填充材料 节省水泥用量混凝土的骨架 减小收缩 抑制裂缝的扩展传力作用降低水化热提供耐磨性 水泥浆润滑作用 与水形成水泥浆 赋予新拌混凝土以流动性 胶结作用 包裹在所有集料表面 通过水泥浆的凝结硬化 将砂 石集料胶结成整体 形成固体 水混凝土中的拌和水有两个作用 供水泥的水化反应赋予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔 空 隙中使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性有利 对抗渗透性 强度和耐久性不利 外加剂化学外加剂 改善混凝土的性能缓凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢 促凝剂 使水泥浆凝结硬化速度加快 减水剂 减少拌和需水量 引气剂 在混凝土中引起封闭气孔 矿物掺合料 减少水泥用量 改善混凝土性能粉煤灰硅灰矿渣 2 水泥混凝土分类 1 按表观密度分普通混凝土 约为2000 2800kg m3 道路 轻混凝土 1950kg m3 大跨径钢筋混凝土结构物 重混凝土 2800kg m3 屏蔽辐射 低强混凝土 28d抗压强度小于30MPa 中强混凝土 28d抗压强度介于30 60MPa 高强混凝土 28d抗压强度大于60MPa 2 按立方体的抗压强度分 3 按混凝土流动性分塑性混凝土 低流动性混土 干性混凝土 4 按用途分高聚物改性混凝土 纤维增强混凝土 补偿收缩混凝土 流态混凝土 5 按生产和施工方法分普通浇筑混凝土 预拌混凝土 泵送混凝土 喷射混凝土 压力灌浆混凝土等 优点 高的强度及稳定性可塑性良好耐久性良好料源广泛经济性好工艺简单利于环保 自重大 刚度大 变形小 收缩及裂缝现象破损修复难度大 缺点 4 水泥混凝土优缺点 5 水泥混凝土的发展历史 1 高性能混凝土 HPC 要求有高强度等级 fcu 60Mpa 和良好的工作性 体积稳定性和耐久性 2 绿色高性能混凝土 GHPC 从节约能源 资源 减少工业废料排放和保护自然环境角度考虑 要求混凝土及其原材料的开发 生产 建筑施工作业等既能满足建设需要 又不危及后代人的延续生存环境 3 其它新技术混凝土灭菌 环境调节 变色 智能混凝土等 6 混凝土的发展趋向 第一节水泥混凝土的技术性质 普通水泥混凝土的技术性质 新拌混凝土的工作性 和易性 技术性质 硬化混凝土的力学性质 硬化混凝土的变形特性 硬化混凝土的耐久性 1 混凝土拌合物施工和易性的概念又称工作性 是指混凝土拌合物便于施工并能获得均匀 密实混凝土的一种综合性能 流动性 反映混凝土拌合物在自重或施工机械振捣作用下流动的性能 取决于拌合物的稠度 捣实性 指混凝土拌合物易于振捣密实 排除所有被挟带空气的性质 稳定性粘聚性 反映混凝土拌合物的抗离析 分层的性能 保水性 指混凝土拌合物保持水分不易析出的能力 一 混凝土拌合物的施工和易性 分层离析与泌水现象及其危害 分层离析现象 粗集料从混凝土的水泥砂浆中分离出来的倾向 与拌合物的粘聚性有关 危害 分层离析将导致硬化后的混凝土产生蜂窝和麻面 影响均匀性 进而影响力学性能 耐久性等 泌水现象 混凝土中粗集料下沉 水分上升直到表面 这种现象叫泌水 与拌合物的保水性有关 危害 泌水导致混凝土中粗集料和水平钢筋下方形成水囊和水膜 降低集料或钢筋与水泥石的粘结力 表面还会形成酥松层等 骨料 水 可见表面泌水 内泌水 钢筋 沉降裂缝 水囊 混凝土表面 新拌混凝土的性能 硬化混凝土的性能 混凝土拌合物的和易性 流动性捣实性粘聚性保水性 混凝土微结构 密实性均匀性 运输 浇灌和振捣 硬化混凝土性能 强度f弹性模量E徐变耐久性 多组分 多物相组成的混凝土 其组成均匀 结构密实与其拌合物的和易性密切有关 组成均匀 结构密实的混凝土才能满足土木工程所要求的性能和质量 2 施工和易性的测定方法 和易性是一项综合性的技术指标 确切评定较困难 具有不确定性 测定 以测定其流动性为主 辅以对其粘聚性和保水性的观察 然后根据测定和观察结果 综合评价其和易性 测定流动性最常用的方法 坍落度试验 坍落扩展法试验维勃 VB 稠度试验 1 坍落度试验 塑性混凝土拌合物 200mm 100mm 300mm 本方法适用于集料公称最大粒径不大于31 5mm 坍落度不小于10mm的混凝土拌合物 坍落度试验 坍落度 直尺 装第1层并插捣25次 装第2层并插捣25次 装第3层并插捣25次 抹平表面 提起圆锥筒 测量坍落高度 坍落度试验步骤 坍落度测量结果的评定 级别坍落度值 mm 混凝土的和易性T110 40低塑性混凝土T250 90塑性混凝土T3100 150流动性混凝土T4 160大流动性混凝土 测出坍落度后 用捣棒轻轻敲击混凝土锥体的侧面 看它是否保持整体向下坍落或发生局部的突然崩落 由此判断其粘聚性是否合格 观察混凝土锥体下方是否有水分析出 由此判断其保水性是否合格 由此两方面观察和坍落度测量即可判断混凝土拌合物和易性是否合格 坍落度试验 混凝土拌和物和易性的评定 拌合物的和易性与施工工艺 施工工艺坍落度 mm 碾压混凝土0滑模摊铺混凝土30 50泵送混凝土100 200自密实混凝土 240 坍落度的选择 原则 根据施工方法 结构条件和制品要求 并参考经验资料进行选择 在满足施工和结构条件的情况下 尽量选用较小的坍落度 以节约水泥 提高混凝土质量 坍落扩展度法试验 测定方法 装样方法同坍落度法 当坍落筒垂直提起后 混凝土发生坍落 坍落高度大于220mm 坍落扩展度 坍落扩展度 本方法适用于集料公称最大粒径不大于31 5mm 坍落度大于220mm的混凝土拌合物 最大直径 最小直径 2 2 维勃稠度试验 维勃稠度仪 坍落度小于10mm的干硬性混凝土拌合物 本方法适用于集料公称最大粒径不大于31 5mm 维勃稠度值在5 30s之间的拌合物稠度测定 透明圆盘 从开启振动台至透明圆盘底面被水泥浆布满的瞬间所需的时间为维勃稠度值VB VB稠度越大 混凝土拌合物的流动性越小 根据混凝土拌合物维勃稠度t值大小 可将混凝土进行如下分级 级别名称VB稠度值 s V0超干硬性砼t 31sV1特干硬性砼t 30 21sV2干硬性砼t 20 11sV3半干硬性砼t 10 5s 3 影响和易性的主要因素 1 内因 组成材料的影响1 单位用水量2 水灰比3 砂率4 水泥品种和细度5 集料6 外加剂 2 外因1 环境因素2 时间 1 内因1 单位用水量 mw0 单位用水量实际上决定了混凝土拌合物中水泥浆的数量 在组成材料确定的情况下 混凝土拌合物的流动性随单位用水量的增加而增大 当W C一定时 若mw0过小 水泥浆数量不足 拌合物不易流动 坍落度减小 粘聚性较差 易发生离析和崩坍 且不易成型密实 若mw0过多 水泥浆用量愈多 流动性愈好 拌合物的坍落度增大 但粘聚性和保水性变差 会出现泌水 分层 流浆 离析现象 还会产生收缩裂缝 影响混凝土强度和耐久性 固定用水量定则 当粗 细骨料的种类和比例一定时 如单位用水量不变 即使水泥用量有适当变化 50 100kg m3 混凝土拌合物的坍落度可以基本保持不变 即要使混凝土拌合物获得一定值的坍落度 其所需的单位用水量是一个恒定值 意义 它是混凝土配合比设计时 确定单位用水量的理论依据 变动水灰比 就可以配制出强度不同而坍落度相近的混凝土 2 水灰比 W C 水灰比W C 用水量 W 水泥用量 C 水灰比的大小反映水泥浆的稀稠程度 稠度 水灰比小 水泥浆稠 拌合物流动性小 不易密实 水灰比大 水泥浆稀 流动性增大 拌合物流浆 离析 严重影响混凝土强度及耐久性 3 砂率 砂率为混凝土拌合物中所用砂的质量占集料总量的质量百分数 合理砂率 使拌合物的坍落度最大时的砂率 试验表明 水灰比与单位用水量一定时 拌和物坍落度先随砂率增加而增大 达到最大值后 又随砂率增加而减小 坍落度最大时的砂率为合理砂率 最优砂率 思考 对于干硬性混凝土拌合物呢 为什么存在一个合理含砂率 基本概念的应用 内摩阻力 砂率的大小影响了拌合物中集料的总表面积和空隙率 当水泥浆用量一定时 砂率较小时 碎石较多 砂与水泥浆组成的砂浆不足以填满碎石颗粒的空隙 润滑作用较小 流动性 粘聚性 保水性均较差 随着砂率增加 砂浆逐渐增多 粗集料间润滑层逐渐增厚 坍落度会越来越大 当砂率过大时 集料总表面积和空隙率太大 水泥浆量变为不足 致使拌合物的坍落度变小 并随着砂率增大而减小 合理砂率的选用原则 粗集料的最大粒径Dmax较大 级配较好时 可选用较小砂率 砂的细度模数较小时 砂的总表面积较大 可选用较小砂率 水灰比较小 水泥浆较稠时 可选用较小砂率 流动性要求较大时 需采用较大砂率 掺用引气剂或减水剂时 可适当减小砂率 4 水泥品种和细度 水泥品种不同 需水量不同 需水量大的水泥 达到同样流动性需要较多的用水量 在水灰比相同时硅酸盐水泥流动性好 密度较大 普通硅酸盐水泥流动性好 密度较大 火山灰水泥流动性较差 保水性较好 矿渣水泥流动性较差 保水性较差 粉煤灰水泥和易性最好 坍落度较大 保水性和粘聚性均较好 水泥颗粒愈细 比表面愈大 拌合物的流动性降低 但较细的水泥可以改善拌合物的粘聚性和保水性 减轻离析和泌水的现象 5 集料 混凝土拌合物的流动性将随集料的最大粒径减小而降低 最大粒径Dmax的影响 水泥浆用量一定时 粒径越大 表面积越小 集料表面的水泥浆越厚 思考 还有无其他前提条件 从级配组成角度考虑 则集料就容易滑动 坍落度就大 粒径越小 表面积越大 集料表面的水泥浆越薄 则集料相互连锁不易滑动 坍落度就小 集料颗粒级配的影响 级配良好的集料 较大粒径的颗粒堆积的空隙被较小颗粒填充 较小颗粒堆积的空隙被更小颗粒填充 不但使得骨料颗粒堆积的空隙率较小 填充在空隙中的水泥浆减少 水泥浆主要包裹在集料的表面 而且可以避免集料颗粒间的嵌锁 利于集料的滑动 拌合物流动性较好 当水泥浆量相同时 级配良好的集料可以增大拌和物的流动性 当流动性相同时 级配良好的集料可以减小水灰比或减少用水量 集料颗粒表面特征与形状的影响 表面光滑且呈等径形状的颗粒比粗糙表面且有棱角的颗粒更利于集料的滑动 而且 前者的表面积小于后者 在水泥浆用量相同时 前者拌制的砼拌合物坍落度大于后者 当坍落度或维勃稠度相同时 前者拌制的砼拌合物所需用水量小于后者 针片状的颗粒比等径形状的颗粒更不利于集料的滑动 因此 前者不利于混凝土拌合物的流动性 碎石 卵石 思考 上述影响拌合物工作性的因素对混凝土强度将产生什么影响 6 外加剂外加剂对拌合物施工和易性的影响程度取决于其品种和数量 改善混凝土拌合物和易性的主要外加剂是减水剂和引气剂 2 外因 1 环境因素主要有温度 湿度和风速 对于给定的混凝土拌合物 其流动性的变化取决于水泥的水化程度和水分蒸发率 温度 水化速度 水分蒸发 坍落度 2 时间时间 坍落度逐渐减小 称为坍落度损失 原因 拌合物自由水随时间蒸发 集料的吸水和水泥早期水化造成的结果 思考 温度 时间对水泥水化速度 水化产物的影响 二 硬化混凝土的强度 混凝土强度分布特征2 混凝土的强度3 影响混凝土强度的主要因素分析4 混凝土强度的质量评定 混凝土强度分布特征 对某种混凝土随机取样测定其强度 绘制成的强度概率分布曲线接近正态分布曲线 1 强度特征参数 强度标准差 强度的变异系数 强度平均值 代表混凝土强度总体的平均值 反映强度的离散程度 值愈小 说明混凝土质量愈稳定 混凝土生产的质量水平愈高 2 强度保证率P 是指混凝土强度总体值中大于设计强度等级 的概率P 混凝土强度保证率系数 保证率系数值与保证率值 混凝土强度概率 1 立方体抗压强度 2 混凝土的强度 标准试件 边长为150mm的正立方体试件 标准养护条件 温度20 2 相对湿度 90 龄期28d 以三个试件测值的平均值作为该组试件的强度值 注 当采用非标准尺寸试件测得的立方体强度 应乘以换算系数 立方体抗压强度标准值用标准试验方法测得的一组若干个立方体抗压强度值的总体分布中的某一个值 低于该值的百分率不超过5 该抗压强度值称为立方体抗压强度标准值 以 fcu k 表示 强度等级根据混凝土立方体强度标准值 MPa 划分的等级 以符号C 混凝土立方体强度标准值 表示 普通水泥混凝土按划分为12个强度等级 C7 5 C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 2 轴心抗压强度 标准试件 150mm 150mm 300mm的标准棱柱体 按规定方法成型 标准条件下养护28天 测得的抗压强度为轴心抗压强度 以fcp表示 与立方体抗压强度的关系 fcp 0 7 0 8 fcu换算系数与混凝土强度有关 强度越高 系数越小 工程结构设计的依据 比立方体更好地反映混凝土结构的实际受力状况 3 弯拉强度 抗折强度 标准试件 采用150mm 150mm 550mm的梁形试件 测定方法 采用三分点的加荷方式 弯拉强度是混凝土结构设计和质量控制的重要指标 4 劈裂抗拉强度 抗拉强度是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要指标 试验方法 劈裂法 测出强度为劈裂抗拉强度 标准试件 150mm 150mm 150mm的立方体试件 与弯拉强度 3 影响混凝土强度的主要因素分析 普通水泥混凝土强度主要取决于水泥石及其与集料的界面粘结强度 混凝土受力破坏时 破裂面可能出现在三个位置上 a 硬化水泥石与骨料间破坏 与水泥强度 水灰比 集料性质有关 b 硬化水泥石的破坏 水泥石强度有关 c 集料本身的破坏 与集料强度有关 主要影响因素有材料组成 制备方法 养护条件 龄期等 1 混凝土组成材料的影响 1 水泥的强度和水灰比P116 相同水灰比 水泥强度越高 混凝土强度越高 相同水泥 混凝土强度随水灰比增加而降低 水灰比定则 1 混凝土组成材料的影响 水灰比定则 fcu 28 fcf 28 混凝土28天的抗压强度 抗折强度 MPa C 1m3混凝土中水泥用量 kg W 1m3混凝土中水的用量 kg fce 水泥的实际强度 MPa C 水泥强度强度等级标准值的富裕系数 一般取1 13 a 回归系数 2 集料的特性 粗集料的颗粒形状 针片状颗粒含量较高 影响施工和易性 增加混凝土空隙率 因而强度降低 粗集料的表面特征 表面粗糙 棱角多 在水泥用量和用水量相同时 强度高 如碎石 卵石 粗集料的表面洁净程度 表面含杂质 强度降低 粗集料的最大粒径 粒径过大 粘结面减小 界面强度降低 同时因不易振捣密实 强度降低 集料的级配 连续级配配制的混凝土较密实 强度高 砂 砂的级配和粗细程度应同时考虑 级配良好的砂 空隙率及总表面积均小 水泥浆用量较少 利于提高混凝土的密实性和强度 混凝土强度与养护温度的关系 2 养护条件 1 温度 养护温度高 水泥水化速度快 混凝土强度的发展也快 反之 在低温下混凝土强度发展迟缓 当温度降到冰点以下时 水泥将停止水化 强度停止发展 而且易使硬化的混凝土结构遭到破坏 2 养护湿度 混凝土强度与养护湿度的关系 1 空气养护 2 9个月后水中养护 3 3个月后水中养护 4 标准湿度条件下养护 水是水泥水化的必要条件 如果湿度不够 水泥水化反应不能正常进行 甚至停止水化 会严重降低混凝土强度 因此在混凝土浇筑完毕后 应在12h内进行覆盖 在夏季施工的混凝土 要特别注意浇水保湿 3 龄期 龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间 混凝土的强度随龄期的增长而提高 早期显著 后期缓慢 普通水泥混凝土在标准养护条件下 其强度发展大致与龄期的常用对数成正比关系 其经验公式如下 n 养护龄期 d n 3 其它 外加剂 养护方式 施工方法等 提高混凝土强度的措施 1 选用高强度水泥和早强型水泥2 采用低水灰比的干硬性混凝土3 掺加混凝土外加剂和掺合料4 采用湿热处理 蒸汽养护和蒸压养护5 采用机械搅拌和振捣 4 混凝土强度的质量评定 P155 混凝土质量评定一般以抗压强度作为评定指标 1 评定方法1 已知标准差的统计方法 当强度等级 C20时 尚应满足 式 当强度等级 C20时 尚应满足 式 2 未知标准差的统计方法 n 10 合格判定系数 同一验收的混凝土立方体抗压强度的标准差 3 非统计方法 2 混凝土质量水平的评定 混凝土的生产质量水平 可根据统计周期内混凝土强度标准差和试件强度不低于要求强度等级的百分率P 统计周期内试件强度不低于要求强度等级的组数 统计周期内试件相同强度等级的混凝土试件组数 n 25 三 硬化混凝土的变形特性 1 荷载的变形 1 混凝土在短期作用下的变形 弹性 塑性变形 2 混凝土在长期作用下的变形 徐变变形2 非荷载作用变形 1 化学收缩 2 温度变形 3 干湿变形 荷载的变形 1 混凝土在短期作用下的变形混凝土是一种弹塑性体 受力时既产生弹性变形 又产生塑性变形 其应力应变关系呈曲线 如下图 弹性应变 卸荷后能恢复的应变 由混凝土的弹性应变引起的 塑性应变 剩余的不能恢复的应变 由混凝土的塑性应变引起的 图混凝土在压力作用下的应力 应变曲线 弹性模量 在应力 应变曲线上任一点的应力与其应变的比值 根据不同取值方法 可得 初始切线弹性模量 切线弹性模量 割线弹性模量 在混凝土工艺和结构设计中 通常采用规定条件下的割线弹性模量 影响混凝土弹性模量的主要因素有混凝土的强度 集料的含量及其弹性模量以及养护条件等 2 混凝土在长期荷载作用下的变形 徐变变形 混凝土在持续荷载作用下 除产生瞬间的弹性变形和塑性变形外 还会产生随时间增长的变形 称为徐变 混凝土的徐变变形与恢复变形曲线 徐变特点 持续荷载 瞬时变形 徐变变形 徐变变形稳定下来 卸荷后 一部分变形瞬时恢复 徐变恢复 残余变形 徐变对结构物的影响有利影响 可消除钢筋混凝土内的应力集中 使应力重新分配 从而使混凝土构件中局部应力得到缓和 对大体积混凝土则能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力 不利影响 使钢筋的预应力受到损失 预应力减小 构件刚度减小 挠度增大 承载力降低 影响徐变因素混凝土的徐变是由于在长期荷载作用下 水泥石中的凝胶体产生粘性流动 向毛细孔内迁移所致 影响混凝土徐变的因素有水灰比 水泥用量 集料种类 应力等 混凝土内毛细孔数量越多 徐变越大 加荷龄期越长 徐变越小 水泥用量和水灰比越小 徐变越小 所用集料量多且弹性模量大 级配良好及最大粒径较大时 徐变越小 所受应力越大 徐变越大 2 非荷载变形 1 化学收缩 自生体积变形 在混凝土硬化过程中 由于水泥水化物的固体体积 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 特点 不能恢复 收缩值较小 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而影响承载状态和耐久性 2 温度变形 温度变形是指混凝土随着温度的变化而产生热胀冷缩变形 混凝土的温度变形系数为 1 1 4 10 5 即温度每升高1 每1m胀缩0 01 0 014mm 温度变形对大体积混凝土 纵长的混凝土结构 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 可采取的措施为 采用低热水泥 减少水泥用量 掺加缓凝剂 采用人工降温 设温度伸缩缝 以及在结构内配置温度钢筋等 以减少因温度变形而引起的混凝土质量问题 4 干湿变形 干湿变形是指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 产生原因 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 水泥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 当混凝土在水中硬化时 体积产生轻微膨胀 这是由于凝胶体中胶体粒子的吸附水膜增厚 胶体粒子间的距离增大所致 危害性 混凝土的湿胀变形量很小 一般无破坏作用 但干缩变形对混凝土危害较大 干缩能使混凝土表面产生较大的拉应力而导致开裂 降低混凝土的抗渗 抗冻 抗侵蚀等耐久性能 影响因素 1 水泥的用量 细度及品种 2 水灰比的影响 3 集料的影响 4 施工质量的影响 四 硬化混凝土的耐久性 抗渗性2 抗冻性3 抗化学侵蚀性4 耐磨性5 碳化6 碱 集料反应 抗渗性 混凝土对液体或气体渗透的抵抗能力称混凝土的抗渗性 混凝土的抗渗性以抗渗标号来表示 采用标准养护28d的标准试件 按规定方法进行试验 按混凝土所能承受的最大水压力 分为六个等级 S2 S4 S6 S8 S10和S12 混凝土产生渗透是由于其内部存在贯穿孔隙 毛细管和孔洞 蜂窝等 提高混凝土抗渗性的措施有降低水灰比 采用减水剂 选用致密 干净 级配良好集料 2 抗冻性 混凝土的抗冻性指混凝土抵抗冻融循环作用的能力 混凝土的抗冻性以抗冻标号来表示 抗冻标号以28d标准试件按规范规定的试验进行反复冻融循环 以同时满足抗压强度损失率不超过25 质量损失率不超过5 时的最大循环次数 九个等级 D10 D15 D25 D50 D100 D150 D200 D250和D300 提高混凝土抗冻性的关键是提高密实度 措施是减小水灰比 掺加引气剂等 3 抗化学侵蚀性 混凝土中的集料一般具有良好的抗侵蚀性 环境介质对混凝土的侵蚀 主要是对水泥石的侵蚀 混凝土的抗渗性 抗冻性和抗化学侵蚀性之间是相互关联 且均与混凝土的密实程度 即孔隙总量及孔隙结构特征有关 混凝土的抗侵蚀性主要取决于其所用水泥的品种及混凝土的密实度 故提高混凝土抗侵蚀性的主要措施是合理选用水泥品种 降低水灰比 提高混凝土的密实度及尽量减少混凝土中的开口孔隙 4 耐磨性 耐磨性是指混凝土抵抗表层损伤的能力 评价方法 以标准试件 150mm的立方体 在混凝土磨耗机上磨损 G 试件单位面积的磨损量 kg m2 磨损量越大 混凝土耐磨性越差 影响混凝土耐磨性的主要因素是混凝土的表面光滑程度 水泥品种 石子硬度 混凝土的强度等级等 5 混凝土的碳化 混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中Ca OH 2与空气中的CO2时发生化学反应 生成CaCO3和H2O 不利影响 减弱了对钢筋的保护作用 增加混凝土的收缩 降低混凝土的抗拉 抗折强度及抗渗能力 有利影响 提高混凝土的密实度 对提高抗压强度有利 影响因素 二氧化碳的浓度 环境湿度 水泥品种 水灰比等 二氧化碳的浓度高 碳化速度快 环境中湿度在50 75 时 碳化速度最快 湿度小于25 或大于100 时 碳化作用将停止进行 采取措施 a 合理选用水泥品种 b 使用减水剂 提高混凝土的密实度 c 采用水灰比小 单位水泥用量较大的混凝土配合比 d 在混凝土表面涂刷保护层 防止二氧化碳侵入等 e 加强施工质量控制 加强养护 保证振捣质量 6 碱 集料反应 碱 集料反应是指水泥中的碱 Na2O K2O 与集料中的活性二氧化硅发生反应 在集料表面生成复杂的碱 硅酸凝胶 吸水 体积膨胀 从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏 这种现象称为碱 集料反应 碱 集料反应必须具备的三个条件 a 水泥中碱含量高 Na2O K2O 大于0 6 b 集料中含有活性二氧化硅成分 c 有水的存在 碱 集料反应分碱 硅反应和碱 碳酸钙反应两种类型 碱 集料反应速度极慢 但造成的危害极大 而且无法弥补 其危害需几年或几十年才表现出来 碱活性检验方法 岩相法 用于判断集料中是否存在与碱发生反应的活性成分 若集料中含有活性氧化硅 应采用化学法和砂浆长度法进行检验 若含有活性碳酸盐的集料 应用岩石柱法进行检验 提高混凝土耐久性的措施 1 合理选择水泥品种 2 适当控制混凝土的水灰比和水泥用量 3 选用品种良好 级配合格的集料 4 掺外加剂 5 保证混凝土的施工质量 第二节普通水泥混凝土的组成设计 一 普通水泥混凝土组成材料的技术要求 二 普通水泥混凝土的配合比设计 三 普通水泥混凝土的配合比设计例题 1 水泥品种和强度等级水泥品种 依据工程性质 工程环境 施工条件等合理选择 水泥强度等级 与配制的混凝土强度等级相适应 当混凝土强度 C30 fce 1 5 2 0 fcu C30 fce 0 9 1 5 fcu 一 普通水泥混凝土组成材料的技术要求 2 粗集料 卵石和碎石 技术性能的主要要求 稳定的物理性能和化学性能 不与水泥发生有害反应 1 强度与坚固性为保证混凝土的强度 要求粗集料具备一定的强度 工程中用压碎指标值控制岩石的抗压强度 碎石和卵石要求的压碎指标值 由混凝土强度确定 岩石抗压强度与混凝土等级之比不应小于1 5 为保证混凝土的耐久性 粗集料应有足够的坚固性 以抵抗冻融和自然因素的风化作用 2 有害杂质有害杂质为粘土 淤泥 硫化物及硫酸盐 有机质等 应符合国标中具体要求 同时还应进行碱活性检验 危害 影响水泥与集料的粘结 降低混凝土的抗渗性和抗冻性 加剧腐蚀作用等 3 最大粒径及颗粒形状与级配最大粒径选择 在结构截面允许的情况下 尽量增大最大粒径可节约水泥 但粗集料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1 4 且不得超过钢筋间最小净距的3 4 混凝土实心板骨料的最大粒径不宜超过板厚的1 3 且不得超过40mm 表面特征及形状a 表面特征b 形状 以正立方体为佳 不能含有过多的针 片状颗粒 级配 粗集料级配应符合表5 6的规定 采用连续级配粗集料 当连续级配不能配合成满意的混合料时 可掺加单粒级集料配合 3 细集料 砂 天然砂 人工砂 1 压碎值和坚固性 压碎指标法进行试验检测 硫酸钠溶液进行检测 2 有害杂质含量含泥量 石粉含量和泥块含量 云母 轻质物 有机物 硫化物和硫酸盐等有害物质含量限值见教材表1 8 危害 妨碍水泥水化 降低与水泥石粘附性 与水泥水化物产生不良化学反应 3 级配与细度模数 细度模数 砂的粗细程度 分析 粒径差太大 拌和困难 粒径差太小 细小颗粒多 受力易断裂 细集料粒径过小表面积大 浪费水泥 等粒径的砂 密实度不够 还必须考虑颗粒的级配 说明 区砂属于粗砂 采用较 区大的砂率 不易捣实 区砂属于中砂 由中砂和一部分偏粗砂的细砂组成 区砂属于细砂 采用较 区小的砂率 易捣实 砂的级配砂的级配良好 密实 耐久性好 强度高 细集料级配范围 GB T14684 2001 4 拌和用水包括饮用水 清洁的天然水 地下水 海水及适当处理后的工业废水 5 外加剂与掺合料外加剂是在混凝土拌和前加入或拌和时加入 掺量不超过水泥质量的5 并能按某些要求改善混凝土性能的物质 掺合料在混凝土中的作用是改善混凝土拌合物的施工和易性 降低混凝土水化热 调节凝结时间 二 普通水泥混凝土的配合比设计 混凝土配合比 是指单位体积的混凝土中各组成材料的质量比例 确定这种数量比例关系的工作 称为混凝土配合比设计 选料 配料 一 混凝土配合比设计的基本资料 二 配合比表示方法 三 配合比设计基本要求 四 配合比设计的三个参数 五 配合比设计的步骤 一 混凝土配合比设计的基本资料 1 混凝土设计强度等级 2 工程特征 工程所处的环境 结构断面 钢筋最小净距等 3 耐久性要求 如抗冻性 抗侵蚀 耐磨 碱 集料反应等 4 水泥强度等级和品种 5 砂 石的种类 石子最大粒径 密度等 6 施工方法 二 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 例如 水泥330kg 水150kg 砂726kg 石1364kg2 相对用量表示法以水泥的质量为1 并按 水泥 砂 石 水灰比 的顺序排列表示 例如 C S G 1 2 14 3 81 W C 0 45 三 配合比设计基本要求 1 施工工作性的要求普通混凝土拌合物的坍落度应根据构件截面尺寸大小 钢筋疏密和施工方式来确定 2 结构物强度要求混凝土的设计强度等级根据结构设计确定 3 环境耐久性要求最大水灰比 最小水泥用量 4 经济性的要求 1 水灰比 在满足强度和耐久性前提下取较大值 以获得较大的流动性 2 砂率 在满足粘聚性的前提下取较小值 3 单位用水量 在达到流动性前提下 取较小值 四 配合比设计的三个参数 五 配合比设计的步骤 初步配合比 基准配合比 设计配合比 施工配合比 根据经验公式和试验参数计算 试拌 检验施工和易性 检验强度 根据现场砂石材料的含水量修正 1 初步配合比设计步骤 1 计算混凝土的配制强度 强度标准差取值表 2 计算水灰比W C 并校核 水泥28d抗压强度实测值 当无水泥28d抗压强度实测值时 水泥强度等级值 MPa 水泥强度等级值富余系数 按实际统计资料确定 回归系数选用表 计算值不得超过最大水灰比值 选定单位用水量根据集料的品种 粒径及施工的要求的混凝土拌合物稠度值 坍落度或维勃稠度 选择每立方米混凝土拌合物的用水量 一般可根据施工单位对所用材料的经验确定 如经验不足可参照表选取 1 干硬性 塑性混凝土a 当水灰比在0 40 0 80范围时 根据粗集料的品种 粒径及施工要求的混凝土拌合物稠度 按表6 26确定 P145 b 水灰比 0 40的混凝土以及用特殊成型工艺的混凝土用水量通过试验确定 混凝土单位用水量选用表 注 本表用水量系采用中砂时的平均取值 采用细砂时 每立方米混凝土用水量可增加5 10 采用粗砂则可减少5 10 掺用各种外加剂或掺合料时 用水量应相应调整 2 流动性和大流动性的混凝土的用水量a 未掺外加剂时 以表6 27中坍落度90mm的用水量为基础 按坍落度每增大20mm用水量增加5kg m3的原则计算 b 掺外加剂时的混凝土的用水量 掺加外加剂混凝土的单位用水量 kg m3 未掺加外加剂混凝土的单位用水量 kg m3 外加剂的减水率 经试验确定 4 砂率的确定 1 坍落度为10 60mm的混凝土无使用经验时 可根据粗集料品种 最大粒径及水灰比按表6 28选取 混凝土的砂率选用表 2 坍落度 60mm的混凝土可经试验确定 也可以在表6 28的基础上 按坍落度每增大20mm 砂率增大1 的幅度予以调整 3 坍落度 10mm的混凝土及使用外加剂或掺合料的混凝土其砂率应经试验确定 5 计算单位水泥用量 并校核1 按水灰比和单位用水量计算单位水泥用量 2 根据耐久性要求校核单位水泥用量计算值不得小于表6 21中规定的最小水泥用量 对于具体工程 例如水泥混凝土路面 应执行其相关规范要求 1 体积法 绝对体积法 假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料绝对体积和空隙体积之和 注意 质量单位为kg 密度单位为kg m3 在不使用引气型外加剂时 取值为1 6 计算粗 细集料用量 2 密度法 假定表观密度法 假定混凝土拌合物的表观密度为一固定值 混凝土拌合物各组成材料的单位用量之和即为其表观密度 混凝土的拌合物的假定湿表观密度 范围2400 2450kg m3 初步配合比为 C W S G 2 试拌调整提出基准配合比 1 试配1 材料的要求 粗 细集料均以干燥状态为基准 2 搅拌方法和拌合物数量 混凝土试配的最小搅拌量 2 校核工作性 调整配合比通过试验测定混凝土的坍落度 观察拌合物粘聚性和保水性进行调整 基准配合比为 C W S G 1 制作试件 检验强度强度试验至少应采用三个不同水灰比的配合比 其中一个是基准配合比 另两组的水灰比则分别增加及减少0 05 单位用水量应与基准配合比相同 但砂率可增加或减少1 为检验混凝土强度 每种配比至少制作三个试件 在标准养护28d条件下进行抗压强度测试 同时检验混凝土拌合物的和易性及测定拌合物的表观密度 根据试验得出的混凝土强度与其相对应的灰水比 用作图法或计算法求出混凝土强度与其相应的灰水比 3 检验强度 确定设计配合比 2 设计配合比确定选定了与混凝土配制强度相对的灰水比C W后 单位用水量 根据制作强度试件时测得的坍落度或VB稠度 进行适当调整 单位水泥用量细集料用量和粗集料用量按基准配合比中的 以及和通过体积法或密度法计算确定 3 根据实测拌合物湿表观密度修正配合比步骤 a 计算出混凝土拌合物的表观密度b 修正条件 混凝土表观密度计算值与实测值之差的绝对值超过计算值2 时 上述得到各材料的用量均乘以校正系数即得设计配合比 否则无需校正 修正系数 设计配合比为 C W S G 4 施工配合比 施工现场根据现场砂 石实际含水率变化 将设计配合比换算成施工配合比 设施工现场实测砂 石含水率分别为 施工配合比1m3混凝土各种材料用量 施工配合比为 C W S G 三 普通水泥混凝土的配合比设计例题 例题5 1普通混凝土配合比设计示例 1 组成材料水泥P O 32 5级 36 8MPa 砂中砂 2 石碎石 5 40mm 1 水自来水 2 设计要求桥梁工程桥台用钢筋混凝土 受冰雪影响 C30 P 95 3 0MPa 机械拌合 振捣 坍落度35 50mm 求 混凝土设计配合比及施工配合比 第三节混凝土外加剂与掺合料 一 混凝土外加剂 定义 在拌制混凝土过程中掺入的不超过水泥重量的5 特殊情况除外 且能使混凝土按需要改变性质的物质 称为混凝土外加剂 单纯依靠调节水 水泥和集料用量 难以解决下列技术问题 用水量与良好和易性间的矛盾 施工操作对凝结时间 放热速度 强度增长的要求 耐久性对低连通孔隙率的要求 外加剂是解决上述问题 改善混凝土性能 以满足工程特殊要求的重要技术途径 现在有70 80 以上的混凝土使用了外加剂 为什么要使用外加剂 1 外加剂类型 1 按照化学成分分有机化合物 表面活性剂无机化合物 无机电解质盐类无机有机复合物 2 按照功能分改善和易性 减水剂 泵送剂 引气剂等 调节凝结时间 速凝剂 缓凝剂 早强剂等 调节混凝土体中含气量 引气剂 加气剂 泡沫剂等 提高耐久性 引气剂 阻锈剂 防水剂等 其它 防冻剂 泡沫剂 消泡剂等 2 常用混凝土外加剂 1 减水剂 定义 指在混凝土坍落度基本相同的条件下 能减少拌和用水量的外加剂 多为亲水性表面活性剂 组成特点 碳氢分子链上带有亲水性离子基团的表面活性物质 种类 减水效果 普通减水剂 塑化剂 高效减水剂 超塑化剂 复合功能 早强减水剂 缓凝减水剂 引气减水剂 加减水剂前的絮凝结构 减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附 分散作用润湿作用 作用机理 由于水泥颗粒之间和水泥颗粒与水之间的的相互吸力 导致水泥颗粒在水中分散困难 水泥颗粒容易相互粘聚形成絮凝结构 有10 30 的拌和水被包含在其中 从而降低了水泥浆的流动性 当减水剂加入水泥浆中 减水剂分子吸附在水泥颗粒表面 作定向排列 组成了单分子或多分子吸附层 使水泥浆结构发生了的变化 水泥颗粒表面带相同电荷 相互间的静电斥力使水泥颗粒易于分散 减水剂分子链上的极性基团使水泥颗粒表面溶剂化层增厚 产生空间位阻 增加了水泥颗粒间的滑动能力 减少了粘滞性 增加润滑性 水泥颗粒易于湿润 自动粘聚能力减弱 塑化能力增强 作用效果 根据使用条件的不同 混凝土掺用减水剂后可以产生以下三方面的效果 在配合比不变的条件下 可增大混凝土拌合物的流动性 且不致降低混凝土的强度 在保持流动性及水灰比不变的条件下 可以减少用水量及水泥用量 以节约水泥 在保持流动性及水泥用量不变的条件下 可以减少用水量 从而降低水灰比 使混凝土的强度与耐久性得到提高 减水剂的品种及其应用 普通减水剂高效减水剂 普通减水剂 特点 一般含有杂质 减水率较小 约10 有一些副作用 主要品种木质素磺酸盐 木钙 副作用 引进气泡多而大 羟基羧酸及其盐 如柠檬酸 葡萄糖酸钠等 副作用 缓凝作用明显 有引气剂时会增大拌合物含气量 多元醇 如糖钙等 副作用 缓凝但不影响含气量 特点 具有较高的分子量 纯度较高 减水效率高 在掺量较小的条件下 可取得高效 副作用小 种类 改性木质素磺酸盐 较高分子量的纯木质素盐 磺化密胺缩合树脂 一般是钠盐 磺化萘 甲醛缩合树脂 一般也是萘磺酸钠盐 含有羧基和 或醚基的聚合物 如聚丙烯酸钠 聚羧酸酯 聚醚等 高效减水剂 高效减水剂 聚羧酸脂系高效减水剂的作用机理 空间位阻 改性木质素磺酸盐 磺化密胺树脂和萘磺酸盐三种以静电排斥作用为主 含有羧基和或醚基的聚合物以空间位阻最重要 因为在其分子链结构中 主链上含有高度密集的支链 形成 梳状 大分子链 减水剂的技术经济效果 在保持用水量不变的情况下 使拌合物的坍落度增大100 200mm 在保持坍落度不变的情况下 使用水量减少10 15 抗压强度增加15 40 在保持坍落度和强度不变的情况下 可节约水泥10 15 混凝土的渗水性可降低40 80 可减慢水泥水化初期的放热速度 减少开裂现象 减水剂使用中的几个注意的问题 减水剂 水泥相容性问题混凝土拌合物坍落度损失问题 相容性 过去称 适应性 是指减水剂与水泥之间是否有不利于减水剂效率发挥的相互作用 相容性好表现为减水率大 坍落度损失小 拌合物和易性良好 一般来说 C3A含量高的水泥与高效减水剂的相容性较差 此外 用含碱量大 放热量大的水泥时 通常相容性较差 相容性好坏可以用净浆流动度测定方法评价 减水剂 水泥的适应性 当水泥的C3A含量大于6 时 掺木质磺酸盐后反而会使混凝土的水灰比增大 70年代以后 萘系和密胺两个系列的高效减水剂开始在国内外逐步推广应用 但其中最大的障碍就是掺有这类外加剂后 混凝土坍落度损失迅速 无法满足长途运送与长距离泵送工艺的要求 延缓坍落度损失的措施 后掺法与多次添加法 载体流化剂法 与缓凝剂复合使用 超剂量添加法 开发新系列高效减水剂 延缓坍落度损失的措施 2 引气剂 什么是引气剂 能在混凝土拌合物中产生许多均匀分布的微小气泡 孔径为0 01 2mm 以改善其工作性 并在硬化后能保留微小气泡以改善其抗冻融耐久性的物质 组成特点 带有憎水基和亲水基的表面活性剂 物理化学特性 可溶于水 降低水的表面张力 能吸附在气泡表面 使之稳定 松香酸 引气机理 搅拌水可产生气泡 但很快消失 为什么 水的表面张力使气泡不稳定 水中加入引气剂后水的表面张力降低 在搅拌过程中将空气引入而产生许多气泡 通过吸附于气泡表面形成单分子膜 减小液 气界面能 表面张力 使气泡表面的液膜坚固不易破裂而稳定存在 引气剂的作用效果 改善拌合物的和易性 减少用水量5 9 改善保水性 减少泌水性 混凝土的抗渗性提高50 抗冻标号提高3倍 降低混凝土的强度 引入1 的空气 可使强度下降5 6 增大变形性 降低弹性模量 提高抗裂性 和抗冲击性 常用引气剂 松香热聚物 松香皂 烷基苯磺酸钠 脂肪酸硫酸钠 烷基酚环氧乙烷缩合物等 其用量一般为水泥质量的 0 5 1 2 10000 引气剂 水泥相容性 当粉煤灰存在时 引气剂掺量要成倍增大 特别是粉煤灰掺量很大 粉煤灰含碳高以及混凝土干稠时尤其突出 因此 很有必要开发新品种引气剂 3 调节混凝土凝结时间的外加剂 工程应用中 有时需要调节混凝土的凝结时间 例如 隧道内衬 水下工程施工要求混凝土喷出后能迅速凝结 道路修补工程要求混凝土早期强度高 以便早日开放交通 冬天施工 要求混凝土强度增长快 以免冻坏 大体积工程要求混凝土缓慢凝结 以免水化放热太快引起温度应力和变形开裂 调节凝结时间的外加剂种类 早强剂早强剂能加速新拌混凝土凝固 提高混凝土早期强度 而对后期强度无显著影响的外加剂称为早强剂 防冻剂在负温下使用的早强剂称为防冻剂或防冻早强剂 它能降低冰点 促使水泥水化放热反应 达到抵抗冰体膨胀的临界强度速凝剂能使水泥混凝土急速凝结硬化 1 5min内初凝 2 10min内终凝 的外加剂 缓凝剂能延缓水泥混凝土凝结硬化时间 并对后期强度无显著影响的外加剂 主要成分有 氯化物 氯化钙 氯化钠 硫酸盐 石膏 硫酸钠 三乙醇胺以及复合早强剂 主要成分有 水溶性铝酸盐 纯碱 碳酸钠 碱金属硅酸盐等 主要成分有 氯化物 亚硝酸盐 硝酸盐 碳酸盐等 主要成分 糖蜜 酒石酸 柠檬酸 硼酸盐 锌酸盐等 早强剂的作用机理 通过同离子效应 降低水泥水化物在水中的溶解度 促使水化物快速结晶沉淀 形成结晶性很好 化学结合水量较大 且有一定膨胀性的不溶性复合盐水化物晶体 如氯铝酸钙 硫铝酸钙水化物 降低了孔隙率 加快了水泥浆结构的形成 提高了水泥浆体的碱性 使水泥矿物的水化速度加快 如三乙醇胺 速凝剂的作用机理 使水泥生产时掺入的起调凝作用的石膏分解 从而使C3A迅速水化 速凝剂中的组分与硫酸钙反应生成能促进水泥水化的化合物 水溶性的铝酸盐能迅速促进水泥浆的凝结硬化 缓凝剂的作用机理 缓凝剂分子吸附在水泥颗粒表面 屏蔽活性点 阻碍水泥的水化 能产生多元酸根离子吸附在金属离子上 阻碍水泥水化物的结晶沉淀 从而延缓了水泥浆体结构的形成 使混凝土的凝结时间延缓几小时 二 掺合料 混凝土中为什么要使用掺合料 代替水泥 所以也称水泥代用材料 改善混凝土微结构 尤其是界面过渡区结构 改善混凝土性能 尤其是耐久性国保护生态环境 节约资源和能源 为了节约水泥 改善混凝土的性能 在混凝土拌制时掺入的掺量大于水泥质量5 的矿物质粉末 称为混凝土掺合料 主要掺合料种类 粉煤灰煤粉在锅炉中燃烧后的灰份 磨细矿渣高炉炼铁排出的废渣 经粉磨后使用 硅灰生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末 磨细石灰石粉将石灰石骨料开采时的碎屑磨成粉末 粉煤灰 从煤粉炉排出的烟气中收集的颗粒粉末 按排放方式不同 湿排灰干排灰 静电收尘灰 机械收尘灰再加工 磨细灰 风选灰 粉煤灰的生产FlyAsh a 质量要求 化学成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 矿物组成 铝硅玻璃体 结构 玻璃微珠 实心 空心 多孔玻璃体玻璃碎屑结晶体碳粒 GB T1596 2005 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术标准 b 粉煤灰效应 粉煤灰由于其本身的化学成分 结构和颗粒形状等特征 在混凝土中可产生三种效应 总称为 粉煤灰效应 活性效应 颗粒形态效应 微骨料效应 c 粉煤灰对混凝土性能的改善作用 1 改善混凝土的和易性 2 能提高混凝土的强度 特别是后期强度 3 降低单位体积混凝土内的水化热 4 能减少混凝土的收缩 主要是减少干燥收缩 5 显著改善混凝土的耐久性 特别是改善混凝土的抗渗性 抗腐蚀性 抑止混凝土的碱一集料反应 d 掺用方法 等量取代水泥法粉煤灰代砂法 超量取代水泥法双掺技术 粒化高炉矿渣粉 粒化高炉矿渣粉 简称矿渣粉 是指符合GB T203标准规定的粒化高炉矿渣经干燥 粉磨 或添加少量石膏一起粉磨 达到相当细度且符合相应活性指数的粉体 按28d活性指数分为三个级别 磨细高炉矿渣的生产 用途 粒化高炉矿渣粉可以等量取代水泥 并降低水化热 提高抗渗性和耐蚀性 抑制碱骨料反应和提高长期强度等 可用于钢筋混凝土和预应力钢