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第五节混凝土 concrete 混凝土是由胶凝材料 粗细骨料 又称集料 加水拌和后 经一定时间硬化而成的人造石材 世界上用量最大的人工建筑材料 一 混凝土的分类1 按胶凝材料分类 水泥混凝土 石膏混凝土 沥青混凝土 水玻璃混凝土 碱矿渣混凝土 聚合物混凝土 2 混凝土按照体积密度大小分为三类 1 重混凝土 0 2500Kg M3 2 普通混凝土 0 1950 2500Kg M3 3 轻混凝土 0 1950Kg M3 轻骨料混凝土 多孔混凝土 泡沫混凝土 加气混凝土 大孔混凝土 3 混凝土按强度等级可分为 普通混凝土 强度等级为C7 5 C60 高强混凝土 强度等级为C60 C100 超高强混凝土 强度等级大于C100 4 混凝土也可按功能或材料分类如防水混凝土 耐热混凝土 耐酸混凝土 纤维混凝土和聚合物混凝土 5 按施工分类现浇混凝土 预制混凝土 泵送混凝土 喷射混凝土 二 混凝土的特点 原材料来源广泛性能可调整范围大硬化前有良好的塑性与钢筋有牢固的黏结力有较高的强度和耐久性耐火性好缺点 自重大 养护周期长 抗拉强度低 导热系数较大 硬化较慢 生产周期长等 三 普通混凝土的原材料基本组分 水泥 集料 砂 石 和水现代混凝土 水泥 集料 砂 石 水 外加剂 掺合料 矿物外加剂 一 水泥cement1 水泥作用水泥与水形成水泥浆 水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙 在硬化前 水泥浆起润滑作用 赋于拌合物一定的和易性 便于施工 硬化后 将骨料胶结成一个整体 2 水泥选择 1 水泥品种选择根据砼所要求的性能指标及所处的环境条件 砼工程特点而选择水泥 2 水泥强度等级的选择一般强度混凝土 水泥强度等级一般为混凝土强度等级的1 5 2倍 对高强度混凝土 水泥强度等级一般为混凝土强度等级的1 0 1 5倍 对超高强混凝土 选用高强度等级的水泥 二 细骨料 fineaggregate 砂sand砂 石 起到骨架的作用 故而又称集料 细骨料粒径一般在0 15 4 75mm之间砂按技术要求分为 类 类 类 类宜用于强度等级大于C60的混凝土 类宜用于强度等级在C30 C60及有抗冻 抗渗或其他要求的混凝土 类宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆 2 颗粒形状及表面特征天然砂 naturalsand 河砂 海砂人工砂 artificialsand 山砂 机制砂从流动性上看 人工砂的颗粒形状及表面特征不及天然砂好从粘结力上看 天然砂的颗粒形状及表面特征不及人工砂好 3 砂的粗细程度和颗粒级配骨料颗粒级配筛分法累计筛余与分计筛余的关系砂级配区的规定 砂的级配区筛分曲线砂的细度模数及级配评定 筛分法 用一套孔径 方孔 为4 75 2 36 1 18 0 60 0 30及0 15mm的标准筛筛分 砂的累计筛余与分计筛余的关系 砂级配区的规定 砂的细度模数 碱骨料反应 碱骨料反应是指当水泥中含碱量 K2O Na2O 较高 又使用了活性骨料 主要指活性SiO2 水泥中的碱类便可能与骨料中的活性二氧化硅发生反应 在骨料表面生成复杂的碱一硅酸凝胶 这种凝胶体吸水时 体积会膨胀 从而改变了骨料与水泥浆原来的界面 所生成的凝胶是无限膨胀性的 会把水泥石胀裂 引起碱骨料反应的必要条件是 水泥超过安全含碱量 以Na2O计 为水泥质量的0 6 使用了活性骨料 水 粗骨料的岩石立方体强度 50mm 50mm 50mm的立方体 或直径与高均为50mm的圆柱体 试件 在水饱和状态下 测其极限抗压强度 岩石的极限抗压强度应不小于混凝土强度的1 5倍 同时 火成岩试件的强度不宜低于80MPa 变质岩不宜低于60MPa 水成岩不宜低于30MPa 粗骨料的压碎指标 将一定质量气干状态下10 20mm的石子装入一标准圆筒内 在压力机上经160 300s内均匀地加荷到200kN 卸荷后称出试样质量G0 然后用孔径为2 5mm的筛筛除被压碎的碎粒 称取试样的筛余量G1 则压碎指标值按下式计算 1 最大粒径 最大粒径的选择要考虑 钢筋间隙 结构尺寸 搅拌 流动性 强度等因素 粒径大的好处 流动性好 水泥用量 对强度不利 粒径大 则水泥用量可较少 粒径小的好处 强度 施工时的配筋等 但凡事应辩证的看 粒径越大 虽对强度不利 但它又对需水量有减少的有利的一面 从而也对强度有利 粗骨料的最大粒径 砂率 砂率是指混凝土中砂的质量占砂 石总质量的百分率 影响砂率的因素 影响砂率的因素 石子级配与最大粒径 砂的细度模数Mx Sp W C Sp 外加剂 可适当降低Sp 混凝土砂率选用表 本表适用于坍落度10 60mm的混凝土 坍落度若大于60mm或小于10mm 应相应增加或减少砂率 5 砂的物理性质 1 密度 表观密度 堆积密度 2 空隙率和填充率 3 含水状态 全干 气干 饱和面干 润湿四种状态 三 粗骨料 coarseaggregate 石子 crushedstone 粒径大于4 75mm 1 有害杂质含量 含泥量 针片状颗粒含量 碱骨料反应 2 按颗粒形状及表面特征分类 碎石 卵石 3 强度和坚固性1 强度 抗压强度 压碎指标 2 坚固性 4 最大粒径与颗粒级配1 最大粒径2 颗粒级配 筛分析试验 5 石子的物理性质 1 密度 表观密度 堆积密度 2 空隙率和填充率 3 孔隙率和密实度 4 含水状态 全干 气干 饱和面干 润湿四种状态 四 拌和与养护用水 提供流动性 水泥浆 及水泥水化 优先采用符合国家标准的饮用水 水中杂质含量限制值 pH值 氯化物 硫酸盐 五 混凝土外掺料 1 掺合料分类 1 活性掺合料 活性混合材 2 非活性掺合料2 加入目的 1 节约水泥 经济性 环保 2 改善砼性能 施工性能 强度 耐久性 混凝土的外加材料外加剂 是在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性质的物质 掺量很小 一般不大于水泥重量的5 膨胀剂例外 掺量 10 矿物外加剂 掺合料 外掺料 是指在混凝土拌合物中掺入量超过水泥质量的5 在配合比设计时 需要考虑体积或质量变化的外加材料 如粉煤灰 矿渣 硅灰 沸石粉等 掺减水剂可以产生以下几个方面的效果a 在原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 b 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 节约水泥 c 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 使混凝土的强度及耐久性得到提高 2 减水剂常用品种 1 普通减水剂 减水率5 10 木质素系减水剂 多元醇系 2 高效减水剂 减水率10 25 萘系减水剂 水溶性树脂减水剂 3 高性能减水剂 减水率 25 氨基磺酸盐 多羧酸系接枝类共聚物 4 复合减水剂 2 早强剂多用于加速砼硬化 缩短施工周期 加快施工速度提高模板周转率以及抢修工程 早强剂与其他外加剂的复配 1 复合早强剂 早强效果更好 2 早强减水剂 发挥早强 减水的共同特点 3 引气剂使砼在搅拌过程中引入在量的均匀分布的封闭的微小气泡 20 1000um 主要目的 1 改善砼和易性 滚珠作用 2 提高防渗 抗冻性 一定引气量范围内 3 强度一般降低 但可以由减水作用得到一定的补偿 松香类 松香热聚物 松香皂0 005 0 02 引气量3 5 木质素类 不是以引气为主要目的 故掺量稍大 且引气量也不大 烷基苯磺酸盐类 十二烷基苯磺钠等 0 005 0 02 皂素类 0 001 0 01 常用引气剂品种 4 缓凝剂 延长混凝土及砂浆的凝结时间常用缓凝剂类别及掺量范围无机类 1 硼酸盐 磷酸盐 锌盐等 0 1 0 2 有机类 2 羟其羧酸及盐类 酒石酸 柠檬酸 葡糖酸等 0 03 0 1 3 含糖碳水化合物类 糖蜜 葡糖 蔗糖等 0 1 0 3 4 木质素磺酸类 M Ca M Na等 0 2 0 8 5 多元醇类 如纤维素 多元醇等 0 01 0 3 主要机理 缓凝剂吸附于水泥颗粒表面 阻碍与水的水化而获得缓凝性 总之 无论何种外机剂 均应以其中离子对砼性能 特别是强度和耐久性不产生影响 再者要注意外加剂使用要点 掺量 掺加方法 与水泥的适应性 相互间适应性 有害离子 品种选择 一 混凝土拌合物的和易性和易性的概念 流动性 粘聚性和保水性 四 混凝土的技术性质 1 影响和易性的主要因素1 材料品种与用量的影响 水泥品种和细度 用粉煤灰水泥拌制的混凝土流动性最好 保水性和粘聚性也较好 水泥浆数量 水泥浆数量不能太多也不能太少 水灰比 单位用水量 砂率 sandpercentage 砂率与坍落度的关系曲线 最优砂率 砂率与水泥浆用量的关系曲线混凝土砂率选用表 与砂率的计算公式 外加剂 减水剂 泵送剂 和掺合料 粉煤灰 2 环境的温度与湿度的影响环境的温度高 空气湿度小 拌合物水分蒸发快 坍落度损失大 坍落度小 3 工艺对和易性 workability 影响拌合好 塌落度 slump 大 2 混凝土和易性的评定坍塌度试验法1 4 17维勃稠度试验法表1 4 16混凝土拌合物流动性的分级 四 硬化混凝土的技术性质 随着水化的进行 混凝土开始凝结 硬化 最后形成具有强度的固体 在此过程中 混凝土的结构不断发生变化 其强度也在不断的增加 1 强度产生的原因 胶凝材料水化产物 形成水泥石 水泥石包裹在集料周围 一 混凝土强度 3 混凝土的抗压强度与强度等级1 混凝土标准立方体抗压强度2 混凝土立方体抗压强度标准值3 强度等级 5 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与灰水比的关系2 骨料的种类 质量及数量3 湿度与温度的影响混凝土强度与保持潮湿日期关系养护工艺养护温度对混凝土强度的影响 6 提高混凝土强度的主要措施1 选料 水泥 骨料 外加剂 掺合料2 采用机械搅拌和振捣捣实方法对混凝土强度的影响3 养护工艺方面 1 混凝土耐久性的概念耐久性的概念 砼抵抗所处环境的作用破坏的能力 如温度 湿度 化学侵蚀介质等 环境对砼的作用 物理作用如冻融 渗透以及磨蚀 空蚀等 化学作用 如各种酸 碱 侵蚀 碳化 碱集料反应以及砼中的钢筋锈蚀等 二 混凝土的耐久性 2 耐久性类型 1 混凝土的抗渗性2 混凝土的抗冻性3 混凝土抗侵蚀性4 混凝土的碳化5 混凝土的碱一骨料反应6 磨损与气蚀 三 提高混凝土耐久性的主要措施1 合理选择水泥品种2 增加砼密实度 W C 成型方法 集料级配 包括砂率 等3 质量性能稳定的集料 针对碱 集料反应尤其注意 4 掺加矿物掺合料 引合剂 防渗剂等5 砼表面处理 特别是裂缝防护 6 规定最小水泥用量 五 普通混凝土的配合比设计 一 混凝土配合比的表示方法以每1m3混凝土中各项材料的质量比表示 例如1m3混凝土 水泥300kg 水180kg 砂720kg 石子1200kg 每1m3混凝土总质量为2400kg 以各项材料间的质量比来表示 以水泥质量为1 例如 将上例换算成质量比为 水泥 砂 石 shui 1 2 4 4 0 0 6 水灰比为0 60 二 混凝土配合比设计的基本要求 满足施工所要求的混凝土拌合物的和易性 满足混凝土结构设计的强度等级 满足耐久性要求 节约水泥 降低成本 三 混凝土配合比设计中的三个基本参数水与水泥之间的比例关系 用水灰比表示 砂与石子之间的比例关系 用砂率表示 水泥浆与骨料之间的比例关系 常用单位用水量来反映 1m3混凝土的用水量 四 混凝土配合比设计的步骤 1 初步配合比的计算 2 基准配合比的确定 3 实验室配合比的确定 4 施工配合比 混凝土标准立方体抗压强度 standardcubecompressivestrength 以边长为150mm的立方体试件为标准试件 标准养护28d 测定其抗压强度来确定 边长为100mm的立方体试件 应乘以强度换算系数0 95边长为200mm的立方体试件 应乘以强度换算系数1 05 混凝土强度等级 strengthgrading 混凝土强度等级是根据混凝土立方体抗压强度标准值 MPa 来确定 用符号C表示 划分为C7 5 C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C70 C80等 轴心 棱柱体 抗压强度 150mm l50mm 300mm的棱柱体作为轴心抗压强度的标准试件 采用100mm 100mm 300mm棱柱体试件 最后计算强度值时 乘以相应的尺寸换算系数 0 95 棱柱体试件抗压强度与立方体试件抗压强度之比为0 7 0 8 一般取0 76 原因 混凝土受力破坏的过程 实际是混凝土裂缝的发生及发展的过程 也是混凝土内部结构从连续到不连续的演变过程 骨料对强度的影响 骨料强度高 混凝土强度高骨料与水泥石的粘结强度高 混凝土强度高 在相同水泥强度等级及相同水灰比的条件下 碎石混凝土的强度较卵石混凝土高 骨料粒径越大 对强度反而不利 养护工艺 a 标准养护 温度为 相对湿度为90 以上 b 水中养护 试件全浸在水中 水温为20 试件与周围介质可以实现水分自由交换 c 绝湿养护 温度20 试件与周围介质无水分自由交换 d 自然养护 周围介质为空气 温度自由变化 表面保湿 蒸汽养护 蒸压 温度大于100 压力大于1个大气压的水蒸气蒸养 温度等于100 压力等于1个大气压的水蒸气 轴心抗拉强度 用 字形试件或棱柱体试件直接测定 试件夹头附近的局部破坏很难避免 而且外力作用线与试件轴心方向不易一致 试验难度较大 试验结果不准确 劈裂抗拉强度 水灰比理论 公式中 A B为系数 其值大小与集料种类有关 AC卸荷应力应变曲线呈直线有残余变形 初始弹性模量Ec tan 0割线弹性模量切线弹性模量 混凝土弹性模量 elasticitymodulus 影响Ec的因素 集料与水泥石的Ec 主要是骨料Ec 集料Ec 则砼Ec W C 龄期 强度 则Ec 砼试件的含水率 则Ec 集灰比 混凝土的抗渗性 抗渗性指的是砼抵抗水 油等液体在压力作用下渗透的性能 它直接影响砼的抗冻性及抗化学侵蚀性及钢筋锈蚀等 抗渗性主要与砼内部的孔隙大小及孔隙 开放的孔隙及毛细管通路 特征以及砼密 蜂窝 孔洞等 实行有关 混凝土的抗渗性用抗渗标号表示 抗渗标号是以28d龄期的标准试件 按规定方法进行试验 以所能承受的最大水压力确定 分为P2 P4 P6 P8 P10 P12等 它们分别表示试件出现渗水时的最大压力为0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2MPa 影响砼抗渗性的因素 W C 骨料的最大粒径 养护条件 水泥品种及细度过 外加剂 掺合料 龄期 混凝土的抗冻性 砼抗冻性是指砼在水饱和状态下 经多次冻融循环作用 能保持强度和外观完整性的能力 在寒冷地区 砼在接触水又受冻的环境下 由于砼孔隙中的水结冰 膨胀 同时因为冰与水的蒸气压不同造成的渗透压力 这两种作用若超过砼 砼是脆性材 的抗拉强度 砼就会产生裂缝 裂缝一经产生 待水融化后更多水渗入砼内部 造成的裂缝就更多 混凝土的抗冻性 常用抗冻标号来表示 抗冻标号是以28d龄期的混凝土试件 在水饱和状态下所能承受的冻融循环次数而确定的 混凝土的抗冻标号分为 F10 F15 F25 F50 F100 F150 F200 F250 F300等九个等级 分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为 10 15 25 50 100 150 200 250 300 例如 混凝土试件经50次冻融循环后 强度降低不超过25 质量损失率不超过5 时 它的抗冻标号就达到F50 决定砼抗冻性的因素 砼的密实度 孔隙结构特征 砼龄期 砼强度 引气剂 混凝土抗侵蚀性 混凝土可能因化学介质的作用而遭受腐蚀 一般来说 化学腐蚀破坏的形式不外乎 水泥石中某些组分被介质溶解 介质与水泥石发生化学反应后的生成物是溶于水的 化学反应后生成物体积与反应前比显著增大 即体积膨胀 化学腐蚀介质主要指流动的淡水 某些盐类 酸类 碱类的溶液 海水等 混凝土受这些介质作用后是如何遭受破坏的 已在 水泥 一章中叙述 影响因素 砼密实度a 水灰比b 成型方法 孔隙特征 砼强度 混凝土的碳化 carbonation 又叫混凝土的中性化 混凝土的碳化作用是空气中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙在有水存在的条件下发生化学作用 生成碳酸钙和水 碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程 碳化对混凝土最主要的影响是使混凝土的碱度降低 减弱了对钢筋的保护作用 可能导致钢筋锈蚀 碳化还会引起混凝土收缩 碳化收缩 容易使混凝土的表面产生微细裂缝 混凝土的碱一骨料反应 骨料中的活性氧化硅 SiO2 与水泥中的碱 并非Ca OH 2等 性氧化物之间发生反应 碱性氧化物水斛 生成NaOH KOH 与SiO2反应生成碱 硅酸凝胶 吸水可以无限膨胀 由于此反应发生在集料 水泥石界面 被水泥石包裹 碱 硅酸凝胶膨胀使水泥石胀裂 除此之外 还有碱 碳酸凝胶反应等 这一反应发生的条件 集料中的活性SiO2 水泥中的含碱量 这一反应很慢 一般等待几条后才有可能出现 只有当K Na2O 0 658K2O 0 6 时 水是其充分条件 影响碱集料反应的因素 集料活性 水泥中的碱含量 水份 集料粒径 粒径越小 则反应膨胀越大 砼密实度 所采取的措施 抑制碱集料反应的措施 断绝三条件中的任何一条件 包括外加剂中的碱含量 掺用活性混合材 掺合料 机理 a 混合材与碱起反应 同时混合材粒径小 比表面积大 因此反应快 b 降低了作用于集料表面的碱含量 使碱组分的发挥分散于整个砼体系中 c 形成了石灰 碱 氧化硅络合物 此物不膨胀 增加砼密实度 减小水份的渗透 加入引气剂 曲线窄而高 说明强度比较集中 波动小 混凝土的均匀性好 施工水平较高 曲线矮而宽 表示强度数据的离散程度大 说明施工控制水平差 混凝土强度平均值 标准差 变异系数 不同t值的保证率P 生产长期稳定时强度的检验评定 当混凝土强度等级 C20时mfcu fcu k 0 7 0fcu min fcu k 0 7 0fcu min 0 85fcu k 当混凝土强度等级 C20时mfcu fcu k 0 7 0fcu min fcu k 0 7 0fcu min 0 90fcu k式中 mfcu 同一验收批试块的平均强度 MPa fcu k 混凝土设计强度等级 MPa 0 同一验收批试块强度的标准差 MPa fcu min 同一验收批强度的最小值 MPa 用合格判定系数进行强度的评定 mfcu 1 0 0 9fcu kfcu min 2fcu k式中 0 同一验收批试块强度的标准差 MPa 当 0计算值小于0 06fcu k时 取 0 0 06fcu k 1 2 合格判定系数 表5 28 零星混凝土的非统计法评定 mfcu 1 15fcu kfcu min 0 95fcu k 混凝土配合比设计实例 某工程现浇钢筋混凝土梁 混凝土设计强度等级为C25 施工要求坍落度为50 70mm 不受风雪等作用 施工单位的强度标准差为4 0MPa 所用材料 42 5普通硅酸盐水泥 实测28d强度48MPa c 3 15g cm3 中砂 符合 区级配 0s 2 6g cm3 碎石 粒级5 40mm 0g 2 65g cm3 自来水 现场砂含水率3 石含水率1 求施工配合比 初步配合比的计算 1 确定配制强度2 初步确定水灰比值 W C 3 选择每1m3混凝土的用水量 W0 4 计算混凝土的单位水泥用量 C0 5 选取合理砂率Sp6 计算1m3混凝土中砂 石骨料的用量7 书写初步配合比 确定配制强度 计算混凝土试配强度 fcu 0 fcu 0 fcu k t 25 1 645 4 31 58MPa 确定水灰比 W C 选择每1m3混凝土的用水量 W0 查表5 15 取W0 190kg 按新规范应为185kg 计算混凝土的单位水泥用量 C0 选取合理砂率Sp 参照本章5 3查表5 16 取Sp 33 计算1m3混凝土中砂 石骨料的用量 绝对体积法 假定表观密度法 绝对体积法 绝对体积法是基于这样考虑 即捣实后 混凝土拌合物的体积等于各组成材料体积及少量空气体积之总和 式中 混凝土含气量系数 在不使用含气型外加剂时 可为1 即含气量为1 假定表观密度法 一般强度等级为C7 5 C15的混凝土 其表观密度为2360kg m3左右 强度等级C20 C30的为2400kg m3左右 强度等级C40 为2450kg m3 W0 C0 S0 G0 oh190 284 S0 G0 2400式中 oh 为捣实后混凝土的表现密度 S0 636kg G0 1290kg 书写初步配合比 绝对体积法结果 C0 S0 G0 284 614 1254W0 C0 190 284C0 S0 G0 1 2 16 4 42W0 C0 0 67假定表观密度法结果 C0 S0 G0 284 636 1290 1 2 24 4 54W0 C0 0 67 基准配合比的确定 根据骨料最大粒径 配制30L混凝土拌合物 在此以绝对体积法的配比为例 测定其坍落度值为85mm 大于设计要求的50 70mm 故需进行坍落度调整 其方法如下 保持水灰比不变 增加砂用量1 和碎石用量1 后 测得坍落度为70mm 粘聚性 保水性均良好 满足设计要求 同时 测得混凝土表观密度为2410kg m3 由此得到基准配合比为 C1 S1 G1 W1 290 633 1293 194 1 2 18 4 46 0 67 轻骨料混凝土 用轻粗骨料 轻砂 或普通砂 水泥和水配制的 干表观密度不大于1950kg m3的混凝土 称轻骨料混凝土 轻骨料混凝土的强度等级用CL表示 如CL5 0 CL50 轻质 保温隔热 1 轻集料来源 工业废弃物 粉煤灰陶粒 自燃煤矸石 煤渣等 天然轻集料 浮石 火山渣 及其他轻砂 人造轻集料 以地方材料加工而成 如页岩陶粒 粘土陶粒 以集料不同而可将轻集料砼分为以上三类 2 轻集料砼施工中应注意的问题 轻集料由于孔隙率大 吸水性强 在施工时一般先将集料润湿 再拌制砼 轻集料润湿 易上浮 注意砼的均匀性 外加剂应在轻集料吸水后再加入 注意流动性损失 注意早期养护 因为轻集料砼表面失水更快 表面起网状裂纹 1 加气砼 钙质材料 水泥 石灰 硅质材料 石英砂 FA Slag等 和加气剂 AL粉为多 作为原材料 经磨细 配料 搅拌 浇注 切割和压蒸养护而成 2 泡沫砼 水泥也可掺入掺和料 水泥浆与泡沫剂搅拌 硬化而成 特细砂混凝土 凡砂的细度模数在1 6以下或平均粒径在0 25mm以下的称为特细砂 使用这种砂配制的混凝土称为特细砂混凝土 有关技术规程 特细砂混凝土配制及应用规程 BJG19 65 特细砂混凝土应