建筑材料之混凝土.ppt

第三章混凝土 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 第一节概述混凝土按照表观密度大小分为三类 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 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 000 超高强混凝土 强度等级大于C100 按流动性分类 干硬性混凝土 流动性混凝土 自流平 自密实 混凝土 泵送混凝土 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 混凝土按施工工艺可分为 泵送混凝土 喷射混凝土 真空脱水混凝土 造壳混凝土 裹砂混凝土 碾压混凝土 压力灌浆混凝土 预填骨料混凝土 热拌混凝土 太阳能养护混凝土等多种 混凝土按掺合料可分为 粉煤灰混凝土 硅灰混凝土 磨细高炉矿渣混凝土 纤维混凝土等多种 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 第二节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 水泥作用与水形成水泥浆流动性 水泥浆 强度 水泥石 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 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 三 细骨料 fineaggregate 砂sand砂 石 起到骨架的作用 故而又称集料 粒径在0 15 4 75mm之间 1 有害杂质 粘土 粉砂 淤泥 影响与水泥石的粘结强度 增加需水量 从而增加了砼的收缩 降低砼强度与耐久性 有机杂质 硫酸盐 影响砼整体强度 对水泥腐蚀作用 海砂中对Cl 的控制 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 4 砂的坚固性 在气候 环境温 湿度及其他物理因素作用下抵抗破裂的能力 用Na2SO4溶液浸泡 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 四 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 颗粒形状及表面特征 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 五 其他品种的砼骨料 1 矿渣骨料 粗骨料 高炉重矿渣破碎 筛分而成 细骨料 水淬高炉矿渣或粉碎后的高炉重矿渣与普通骨料砼相比 矿渣骨料砼有以下特点 早强较高 后期相同或略有下降 注意矿渣的稳定性 主要是CaO 由于矿渣表面粗糙 易吸水 因而和易性不利 不得使用矾水泥与矿值共同使用 2 轻骨料 配制轻砼 工业废料轻骨料 膨胀矿渣珠 自然煤矸石 轻砂等 天然轻骨料 浮石 火山渣等 人造轻骨料 粘陶粒 页岩陶粒 粉煤灰陶粒等 用于 1 用于承重结构 2 用于非承重结构 起隔热 保温 隔声等作用 3 防护砼骨料 防射线幅射 比重较大 含水量调的重骨料或含硼较多的骨料 4 再生砼骨料 六 原材料间配合比 1 水灰比和用水量决定水灰比与用水量的因素 强度 流动性2 砂率 砂在砂 石总质量中的百分率 3 水泥用量 考察因素 强度 和易性 经济性4 单位用水量 和易性一 混凝土拌合物的和易性 1 和易性的概念 流动性 粘聚性和保水性 第三节普通混凝土拌和物 2 和易性的检测 流动性的检测 1 坍落度试验2 维勃稠度试验3 其它方法二 流动性 坍落度 指标的选择三 砼流动性 Slump 损失 四 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 混凝土用水量选用表 kg m3 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 五 混凝土拌和物流变性 凡在适当外力作用下 材料的流动和变形性能 即为材料的流变性 混凝土材料在拌和物阶段 由于有浆体的作用 因而具有流变性 但粗 细集料使得其流变性能的研究很复杂 一般认为 混凝土拌和物符合宾汉姆模型 宾汉姆模型 d dt 混凝土拌和物流变性能研究的对象就是测试屈服剪切应力和塑性粘度这两个流变参数 测试方法 回转粘度计混凝土和易性测试塌落度 也就是对流变参数的简单反映 第四节混凝土结构和强度 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 一 混凝土的结构与结构缺陷 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 二 混凝土强度 2 强度构成 1 集料强度 2 水泥石强度 3 界面强度 受力前 在水泥石和界面处存在缺陷和裂缝 由于水泥的收缩 引起砂浆与粗骨料间产生拉应力 产生裂缝 水泥的泌水使与集料间形成界面裂缝 水泥水化热引起的裂缝 多余水的蒸发留下的孔隙 外力碰撞 振动不均匀 不密实产生的裂缝 如拆模式时 施工时不可能达到完全密实 留有孔隙 加外力后 以上裂缝 孔隙不断发展 砼破坏 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4 轴心 棱柱体 抗压强度 4 混凝土受压破坏混凝土受压变形曲线不同受力阶段裂缝示意图 5 影响混凝土强度的因素1 水泥强度等级和水灰比 保罗米公式 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 4 龄期的影响混凝土强度增长曲线用32 5普通水泥拌制的混凝土用32 5矿渣水泥拌制的混凝土用42 5普通水泥拌制的混凝土用42 5矿渣水泥拌制的混凝土 混凝土强度发展过程中 养护温度和龄期 时间 对其影响很重要 因此有人提出成熟度的概念 又叫时度积 成熟度 f T t 凡成熟度相同的混凝土 其强度也大概相近 成熟度 5 加荷速度的影响加荷速度越快 强度越大 6 试件自身情况 1 含水率 尖劈效应 2 表面粗糙度 环箍效应 3 试件尺寸 4 试件形状 混凝土试件的破坏状态 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 7 混凝土的其它各种强度 抗拉强度抗折强度粘结强度 1 新旧混凝土粘结强度 2 混凝土与钢筋的粘结强度疲劳强度 混凝土抗拉强度1 轴心抗拉强度2 劈裂抗拉强度混凝土劈裂抗拉实验装置图 混凝土抗折强度 三 强度理论 1 水灰比理论2 孔隙率理论3 胶空比理论4 脆性断裂理论 1 无荷载作用时的变形 1 化学收缩 2 湿胀干缩变形混凝土的胀缩 3 温度变形 热变形 4 碳化收缩 第五节混凝土变形性能 2 荷载作用下的变形 1 短期荷载弹塑性变形和弹性模量混凝土在压力作用下的应力 应变曲线混凝土弹性模量 静弹性模量 影响弹性模量的因素动弹性模量 动弹性模量 2 混凝土的徐变混凝土的变形与荷载作用时间关系素混凝土的标准徐变曲线影响徐变的因素 一 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 第六节混凝土的耐久性 二 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 第七节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 混凝土第五组分矿物外加剂 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 混凝土第六组分 掺量计算 一 混凝土外加剂混凝土外加剂分类表面活性剂的分子模型表面活性剂的分子在水表面吸附定向排列示意图 1 减水剂1 减水剂的作用机理 吸附一分散作用水泥絮凝结构示意图减水剂的作用简图 润滑塑化作用 溶剂化水膜 根据使用条件不同 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 3 减水剂的使用技术饱和点问题掺量 0 3 1 不等掺法 同掺 后掺与水泥的相容性 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 1 无机物氯盐类 CaCl2 NaCl KCl AlCl3等 其中 多用CaCl2 掺量 0 5 1 0 为宜 能使砼3天强度提高50 100 7天提高20 40 2 硫酸盐类 Na2SO4 元明粉 CaSO4 其中 Na2SO4用的较多 适宜掺量0 5 2 0 3 有机胺类 主要有TEA 三乙醇胺 TP 三异丙醇胺等 TEA呈无色或淡黄色油状液体 碱性 能溶于水 掺量为0 02 0 05 氯盐类早强剂对易使钢筋锈蚀 硫酸盐早强剂掺量过多 表面易出现 白霜 TEA它单独作用时 更表现出缓凝性 早强效果不明显 而与无机盐 特别是Cl 盐复合使用 早强 增强效果才明显发挥 也有资料说 掺量稍大时早强效果反而明显 具体原因尚不清楚 1 Cl 盐不得用于以下结构 相对湿度大于80 的环境中的结构 或其它与水频繁接触的结构 有镀锌钢材或铝铁相接触的结构 以及有外露预埋件而又无防护措施的结构 有酸 碱 硫酸盐侵蚀介质接触的结构 使用中经常处于T 60 以上的结构 使用冷拉或冷拔低碳钢筋 钢丝的结构 电解车间或高压直流电源100m以内结构 靠近发电站 变电所的所的结构 薄壁 预应力砼结构 含有活性骨料的砼 2 SO42 盐早强剂不得用于以下结构 有镀锌钢材或铝铁相接触的结构 以及有外露预埋件而又无防护措施的结构 使用直流电源的企业和电气化运输设施的砼结构 含有活性集料的砼 针对NaSO4注意碱含量K Na2O 0 658k2O 相对湿度大于80 的环境中的结构 或其它与水频繁接触的结构 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 引气量影响因素 1 掺量 2 原材料影响 3 引气剂最好配制成液体再加入 由于掺量小的不易均匀分散 4 振动时间与之相对应又有稳泡剂和消泡剂之分 与减水剂复配 可减少强度降低值 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 缓凝剂使用技术要求 1 掺量 凝结时间 强度 2 与水泥的适应性 3 与减水剂的适应性 4 掺加方法 如木钙在加水拌合后1min加入 凝结时间 初 终 再延长2h 加水拌合2min后 凝结时间延长2 5 3h 5 温度 T 5 时不宜用缓凝剂 5 速凝剂 矿山井巷 隧道 涵洞 地下工程中的喷射砼或喷射砂浆 快速消耗水泥中的CaSO4 2H2O 速凝剂加入后 砼在5min内初凝 10min内终凝 1h可产生强度 但后期强度 弹性模量 粘结力等下降 干缩增加 分类 1 喷砼速凝剂 包括红星 型等 主要成分为铝酸钠 碳酸钠或碳酸钾与生石灰按比例混合而成 强度损失率较大 掺量 2 5 4 2 复合硫铝酸盐型 成分中包括石膏或矾水泥等 强度损失率较小 掺量3 5 如711型 3 硅酸钠型 水玻璃 这一类与其它两类相比 不但凝结所化快 且早强也高 以抵抗渗水冲刷等作用 速凝剂应用技术要点 1 注意掺量的多少 且掺量随气温增加而酌减 气温降低可增加 掺量超过上限 砼凝结时间不再缩短 2 水泥中CsA和CsS含量高 速凝效果好 P S效果较差 3 水灰比控制在0 4左右 4 注养加入速凝砼的养护 泵送剂 由高效减水剂 缓凝剂 引气剂和增稠剂等复合制成 抗冻剂 由防冻组分 降低水的冰点 减水组分 引气组分和早强组分复合而成 膨胀剂 使混凝土产生膨胀的外加剂 防水剂 其它外加剂 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 二 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 1 火山灰效应 2 比重效应 3 填充效应 4 微集料效应 5 形貌效应 6 分散效应 7 经济效应 8 环保效应 9 降低砼化热 作用机理 1 粉煤灰1 粉煤灰成品的质量要求与等级粉煤灰质量指标与等级 2 粉煤灰掺合料的工程应用泵送混凝土 大体积混凝土 低强度混凝土 2 粒化高炉矿渣粉矿渣粉技术要求工程应用 大体积混凝土 高强混凝土 3 硅灰1 硅灰的化学成分及主要性能 化学成分 二氧化硅含量为85 98 主要性能a 密度2 2g cm3 堆积密度为250 300kg m3b 细度 粒径0 1 0 5 m 其比表面积为25 30m2 g 是水泥比表面积 0 3m2 g 的50 100倍 c 火山灰活性 最高 2 应用技术 掺用方式及适宜掺量 试配 对混凝土性能的影响a 能防止混凝土拌合物的离析 提高其可泵性b 提高混凝土的抗压强度 c 提高混凝土的密实性 抗渗性 抗冻性及耐久性d 抑制碱 骨料反应 混凝土强度的波动规律 正态分布混凝土强度的正态分布曲线 第八节普通混凝土的质量控制 混凝土强度平均值 标准差 变异系数 1 混凝土强度平均值 2 标准差 又称均方差 3 变异系数Cv 混凝土强度保证率强度保证率不同t值的保证率P 混凝土的配制强度 强度检验评定 1 统计法生产长期稳定时强度的检验评定用合格判定系数进行强度的评定 2 非统计法 第九节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lm3混凝土中各项材料的质量比表示 例如lm3混凝土 水泥300kg 水180kg 砂720kg 石子1200kg 每lm3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 1 2 4 4 0 水灰比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 五 混凝土配合比设计 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 现场施工配合比 六 掺减水剂砼配合比设计 砼中掺减水剂的目的 改善砼和易性 增加强度 节省水泥 1 为改善和易性 在流动性增大的同时 为保证砼的粘聚性和保水性 应适当增加砂率 根据改变后的砂率重新计算粗 细集料用量 然后再经试配和调整 2 为增加强度 减水剂减水率为a 掺量为b 胶凝物料用量百分比 此时 Co W Wo 1 a 减水剂用量 C b 砂率适当减小 确定为 3 减小水泥用量W C Wo CoW Wo 1 a 第十节其它品种混凝土 一 普通砼二 高强混凝土 C60 C100三 超高强混凝土 C100 混凝土高强话途径1 加入减水剂可降低W C 增加砼密实度 从而增强 2 加入掺合料可进一步降低W C 增加密实质 从而增强 同时 又改善了水泥石 集料的粘结力 从而增加了界面强度 3 其他原材料 比如集料 强度 粒形 表面特征是否含有杂质等 以及水泥的细度 品种 强度等级 四 流态砼 指Slump为200 220mm 且粘聚性与保水性符合施工要求的砼 泵送砼 泵送混凝土泵送混凝土是以混凝土泵为动力 通过管道将搅拌好的混凝土混合料输送到建筑物的模板中去的混凝土 混凝土的可泵性流态砼技术途径 高效减水剂超细掺合料 五 高性能混凝土 HighPerformanceConcrete HPC 高性能混凝土定义高性能混凝土制备工艺高性能砼原材料的要求高性能混凝土自身存在的问题高性能混凝土的发展前景 六 轻混凝土 降低砼自重 兼有保温 隔热之功用轻骨料混凝土大孔混凝土多孔混凝土 七 防水砼1 普通砼的防水抗渗要求 满足一定的密实度 W C 灰砂比2 外加剂防水砼 减水剂防水砼 引气剂防水砼 膨胀剂防水砼 防水剂防水砼 如FeCl3 与Ca OH 2发生反应 生成Fe3 OH 3胶体 堵塞孔隙 增加密度 3 防水砼应注意事项 1 减少 杜绝泌水 因泌水易在砼内部形成渗水通路 不宜用PS 可适当增加FA 改善砂石级配 2 减少砼收缩 3 减少砼水化放热速度 八 特细砂混凝土 1 配制特细砂混凝土用砂要求 细度模数 含泥量 泥块含量 2 特细砂混凝土的主要技术性质 干缩率较大 应特别注意早期养护 3 特细砂混凝土配制特点1 低砂率2 低流动性 细粒多 易泌水 4 特细砂混凝土施工 干缩率较大 应特别注意早期养护 九 纤维混凝土纤维混凝土是一种以普通混凝土为基材 外掺各种短切纤维材料而制成的纤维增强混凝土 目的是为了有效地降低混凝土的脆性 提高混凝土的抗拉 抗裂 抗弯 抗冲击等性能 用于路面 桥梁 飞机跑道 管道 屋面板 墙板等 低弹性模量纤维 尼龙纤维 聚乙烯纤维 聚丙烯纤维 杜拉纤维 等高弹性模量纤维 钢纤维 碳纤维 玻璃纤维等 十 道路混凝土 1 水泥 通常采用普通水泥 不用粉煤灰水泥或粉煤灰掺合料 2 细骨料 3 粗骨料 4 外加剂 早强剂 5 塌落度一般不超过15cm 十一 碾压混凝土 1 碾压混凝土对原材料的技术要求1 水泥 水化热低及耐磨性好的水泥2 骨料 3 粉煤灰 作为掺合料用于碾压混凝土4 外加剂 缓凝引气型 2 配合比设计 击实试验 用维勃绸度仪测定其工作性 十二 智能混凝土 机敏混凝土 具有应力状态自诊断功能的压敏混凝土 具有温度分布自诊断和自调节功能的温敏混凝土 具有结构应力状态和裂缝 损伤自诊断功能 结构变形自监测 自适应功能和仿生自愈合功能的机敏混凝土等 我校工程院院士黄尚廉教授等 早于1992年开始就广泛研究了各种机敏材料及结构 十三 活性粉末砼 ReactivePowderConcrete RPC 200MPa级800MPa级 技术途径 为提高砼均质性及消除内应力 不用粗集料 细石英砂 水泥 磨细石英粉 SF SP 钢纤维 粉末粒径级配最佳化 热压成型 热养护 加入微纤维 钢 十四 装饰混凝土 表面光滑 色彩均匀一致一次成型后不用另作装饰 技术要点 原材料 水泥 砂 石同批量 模板的强度和刚度 保证表面平整 光洁 不漏浆 分层浇注 浇注即覆盖养护还允许表面出现裂纹 十五聚合物混凝土 1 聚合物水泥混凝土 2 聚合物胶结混凝土 3 聚合物浸渍混凝土 十六 防辐射混凝土十七 碱矿渣混凝土十八 钢管混凝土十九 无宏观缺陷水泥 Micro Defect freeCement MDF 二十 超细均布颗粒致密体系 DensifiedSystemsContainingHomogeneouslyArrangedUltrafineParticles DSP 二十一 硅酸盐混凝土1 原材料2 生产工艺3 应用二十二 砂浆 无粗集料混凝土 规范更新 混凝土结构工程施工及验收规范 GB50204 92 混凝土结构工程施工质量验收规范 GB50204 2002 思考题 1 普通混凝土的基本组成材料有哪些 各自在混凝土中起什么作用 2 配制混凝土选择石子最大粒径应从哪几方面考虑 3 简述减水剂的作用机理 4 混凝土和易性包括哪些内容 如何判断混凝土和易性 5 影响混凝土和易性的主要因素有哪些 6 混凝土强度和混凝土强度等级是一回事吗 为什么 7 影响混凝土强度的主要因素有哪些 8 为什么要控制混凝土的最大水灰比和最少水泥用量 9 甲 乙施工队用同样材料和同一配合比生产C20混凝土 甲队生产混凝土的平均强度为24MPa 标准差为2 4MPa 乙队生产混凝土的平均强度为26MPa 标准差为3 6MPa 试绘制各施工队的混凝土强度分布曲线示意图 并对比施工质量状况 哪个施工队的强度保证率大 10 轻骨料怎样分类 轻骨料混凝土怎样分类 11 配制轻骨料混凝土为什么要加大用水量 与普通混凝土相比轻骨料混凝土施工要注意什么 13 称取砂样500g 经筛分析试验称得各号筛的筛余量如表 14 已知甲 乙两种砂的累计筛余百分率如表 15 现浇钢筋混凝土梁式楼梯 混凝土C20 楼梯截面最小尺寸150mm 钢筋间最小净距29mm 提供普通水泥42 5和矿渣水泥52 5R 备有粒级为5 20mm卵石 16 甲 乙 丙工程的混凝土变异系数分别为10 15 20 平均强度为23MPa 设计强度等级C20 求各工程混凝土的标准差和强度保证率 17 混凝土C20的配合比为1 2 2 4 4 0 58 水泥 砂 石子 水 已知砂 石含水率分别为 3 1 计算1袋水泥 50kg 拌制混凝土的加水量 18 混凝土表观密度为2400kg m3 水泥用量300kg m3 水灰比0 60 砂率35 计算混凝混凝土土质量配合比 附录 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 粗骨料的坚固性 用硫酸盐浸泡法来检验 试样经5次循环后 其质量损失应不超过规定 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 条件允许时应尽可能把石子选得大一些 从结构的角度规定 混凝土用粗骨料最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1 4 同时不得超过钢筋间最小净距的3 4 对混凝土实心板 骨料的最大粒径不宜超过板厚的1 2 且不得超过50mm 从泵送的角度 粗集料最大粒径与输送管径之比为 泵送高度在50m以下时 对碎石不宜大于1 3 对卵石不宜大于1 2 5 泵送高度在50 100m时 宜为1 3 1 4 泵送高度在100m以上时 宜为1 4 1 5 目前所有工地常用5 20mm的碎石 混凝土拌合物的和易性的概念 和易性 又称工作度 是指混凝土拌合物易于施工操作 拌和 运输 浇灌 捣实 并能获得质量均匀 成型密实的性能 和易性是一项综合的技术性质 包括有流动性 粘聚性和保水性等三方面的含义 混凝土拌合物的流动性 流动性是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下 能产生流动 并均匀密实地填满模板的性能 混凝土拌合物的粘聚性 粘聚性是指混凝土拌合物具有一定的粘聚力 在施工 运输及浇筑过程中 不致出现分层离析 使混凝土保持整体均匀的性能 离析 混凝土拌合物的保水性 保水性是指混凝土拌合物具有一定的保水能力 在施工过程中不致产生严重的泌水现象 泌水 维勃稠度试验 混凝土用水量选用表 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 砂率的计算公式 式中 s0 砂子堆积密度 kg m3 g0 石子堆积密度 kg m3 P空 空隙率 砂子富余系数 1 1 1 4 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 混凝土立方体抗压强度标准值 混凝土立方体抗压强度标准值是指具有95 强度保证率的标准立方体抗压强度值 也就是指在混凝土立方体抗压强度测定值的总体分布中 低于该值的百分率不超过5 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 混凝土单轴受压时的变形 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 保罗米公式 fcu28 Afce C W B 式中fcu28 混凝土28d龄期立方体抗压强度 MPa fce 水泥实际强度 MPa 可通过试验测定 也可根据 普通混凝土配合比设计规程 JGJ55 2000 规定取富余系数Kc 1 13 按fce 1 13 计算 水泥强度等级 MPa C 每立方米混凝土中水泥用量 kg W 每立方米混凝土中用水量 kg A B 经验系数 与骨料品种 水泥品种和施工方法有关 当原材料与工艺措施相同时 A B可视为常数值 碎石 A 0 46 B 0 07 卵石 A 0 48 B 0 33 当材料的品种和质量不同时 应尽可能结合工程实际通过试验求得数据 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 养护温度和龄期对混凝土强度的影响 环箍效应 试件受压面与试验机承压板 钢板 之间存在着摩擦力 当试件受压时 承压板的横向应变小于混凝土试件的横向应变 因而承压板对试件的横向膨胀起约束作用 这种约束作用通常称为 环箍效应 尖劈效应 在持续加载下 混凝土中裂缝的扩展对水的存在反应敏感 尖劈效应 干燥的混凝土试件要经历更长时间才断裂破坏 荷载更大 而水饱和混凝土试件裂缝扩展更迅速 于是在较低的荷载下便断裂破坏了 这可能是饱水的混凝土在裂缝扩展时 有应力腐蚀作用存在 因有害液体或气体的侵入使材料结构受到削弱 而使材料在较低应力下断裂叫应力腐蚀 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值大小与集料种类有关 孔隙率理论 r 胶空比理论 所谓胶空比 就是水泥水化产物对水泥水化产物与毛细管体积之和的比值 X 胶空比C 水泥重量Vc 水泥比容 Vc 1 cW0 水的体积 水化程度2 06 水泥完全水化后 1体积水泥生成2 06体积的水化产物 若V 0 319 可以计算出 n 常数 其值约为2 5 3 0之间 A 水化产物固有强度 强度可以由以下经验公式得到 X越大 强度越高 硅酸盐水泥矿物组分变化 特别是C3A 虽然X不变化 但强度仍然下降 胶空比理论只是水灰比理论的不同表达 胶空比与水胶比理论的不足 脆性断裂理论 化学收缩 chemicalshrinkage 水泥水化后生成物的体积比反应前物质的总体积小 而使混凝土产生收缩 这种收缩称为化学收缩 湿胀干缩 与干湿变形相关的因素 水泥用量 水灰比 水泥细度 水泥品种 P S比P C大 集灰比 集料种类 随集料弹性模量E 而 外加剂 配筋率 构件尺寸 尺寸越小 收缩越大 龄期 热胀冷缩 L aL t式中 L 混凝土结构长度变化 m L 混凝土结构长度 m t 温差 a 混凝土温度变形系数 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 影响徐变的因素 W C 水泥用量 集料Ec 徐变 砼Ec 集料含量 集灰比 外加剂 如加入减水剂或缓凝剂 不改变W C 则徐变 若减小W C 则对徐变无增长影响 环境温度 徐变 湿度 则徐变 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 粉煤灰 粉煤灰是以燃煤发电的火力发电厂排出的一种工业废渣 磨成一定细度的煤粉在煤粉锅炉中燃烧后 炉膛内温度高达1100 1500 由吸尘器负压抽风收集的细飞灰 FlyAsh 称为粉煤灰 粉煤灰质量指标与等级 粒化高炉矿渣粉 高炉矿渣是炼铁过程中的废渣 在高炉炼铁时 铁矿石 燃料及溶剂矿物 石灰石或白云石 在冶炼条件下氧化铁还原成金属铁 溶剂矿物分解后产生的氧化钙与矿石中杂质SiO2 Al2O3等相熔并互相作用生成为一种熔融液的非金属物 其密度比铁水小 熔融液的 2 5 2 8 而铁水的 7 0 8 0 它易与铁水相分离 炉子的下方排出铁水 而炉子上方排出熔融液 经水淬后呈粒状的高炉矿渣 矿渣粉技术要求 硅灰 硅灰是铁合金厂回收的废灰 在采用电炉炼制硅铁时 由炉烟所滤收集的烟灰 其主要成分是二氧化硅 故称之硅灰 硅灰中的非晶态的SiO2含量大于90 硅灰颗粒为微细球形 平均粒径为0 1 m 比表面积为2万cm2 g 3万cm2 g 比普通水泥所要求的细度小近百倍 而密度又较小 约为2 2g cm3左右 1 按砼外加剂作用分类a 用以改善拌合物性质 包括砼 砂浆 净浆 减水剂 引气剂 b 调节凝结时间 硬化时间 早强剂 缓凝剂 促凝剂 c 调节含气量 引气剂 加气剂 泡沫剂 消泡剂等 d 硬化后力学性能 引气剂 膨胀剂 抗冻剂 防水剂 e 抗钢筋腐蚀性 阻锈剂 f 提供特殊性能 引气剂 着色剂 脱模剂 养护剂 2 按化学成分 无机化合物 多为影响砼凝结时间 有机 多为表面活性剂 复合外加剂 外加剂的发展方向之一 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 实验室配合比的确定 拌制不少于3种不同配合比的混凝土制作试件检验混凝土的强度 其中一种为基准配合比 另外两种配合比的水灰比值 应较基准配合比分别增加及减少0 05 其用水量应与基准配合比相同 但砂率值可作适当调整 编号W Cfcu 0 MPa 要求 0 6236 8 0 6732 431 6 0 7227 2实验室配合比为 现场施工配合比 C1 C 290 kg S1 S 1 a 6