土木工程_材料学课件_第4章_混凝土与砂浆.ppt

第4章混凝土与砂浆 本章学习指导 本章是本课程的重点 共6个知识点 本章的学习目标是 掌握普通混凝土组成材料的品种 技术要求及选用 熟练掌握各种组成材料各项性质的要求 测定方法及对混凝土性能的影响 熟练掌握混凝土拌和物的性质及其测定和调整方法 熟练掌握硬化混凝土的力学性质 变形性质和耐久性及其影响因素 熟练掌握普通混凝土的配合比设计方法 了解混凝土技术的新进展及其发展趋势 掌握砌筑砂浆的性质 组成 检测方法及其配比设计方法 熟悉抹面砂浆的主要品种性能要求及其配制方法 本章的难点是混凝土的耐久性和普通混凝土的配合比设计 建议本章学习紧密结合工程实际 通过工程实例的分析学习 进一步理解相关知识 并提高自己分析解决问题的能力 建议课内10学时 课外6学时 历史回顾 普通水泥的抗拉强度较低 只有抗压强度的十分之一 1867年法国园艺师蒙尼亚突发奇想 在花盆外箍上几道铁丝作保护 然后在铁丝外抹上一层水泥砂浆 其花盆结实耐用 19世纪末 俄国建筑师别列柳布斯基对蒙尼亚的发明作了研究并作出改进 一是在水泥浆料中加入相当数量石块 二是用钢筋代替铁丝 这样 钢筋混凝土正式诞生了 钢筋混凝土诞生漫谈 4 1普通混凝土组成材料 普通混凝土一般是由水泥 集料 砂 石 和水所组成 为改善混凝土的某些性能 经常还加入适量的外加剂和掺合料 本节分5部分进行讨论 基础知识 4 1 1水泥 1 水泥品种的选择 配制混凝土时 应根据混凝土工程的性质 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 2 水泥强度等级的选择 2 水泥强度等级的选择 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 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 根据经验一般选择以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 4 1 1水泥 观察与讨论 道路水泥混凝土质量与水泥选用 请观察此使用一年多的水泥混凝土道路表面 如下图 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 水泥混凝土道路表面 道路水泥混凝土质量与水泥选用 该路面磨损较严重 已出现较多裂纹 可见表面水泥砂浆层干缩较大 耐磨性较差 从资料可见 所选用的水泥熟料矿物组成中C3A含量较高 当水泥中C3A含量较高 其耐磨性较差 干缩较大 可见选用水泥不当 4 1 1水泥 工程实例分析 使用受潮水泥 广西百色某车间单层砖房屋盖采用预制空心板12m跨现浇钢筋混凝土大梁 1983年10月开工 使用进场已3个多月并存放在潮湿地方的水泥 拆完大梁底模板和支撑后 1984年1月4日下午房屋全部倒塌 使用受潮水泥 事故的主因是使用受潮水泥 且采用人工搅拌 无严格配合比 致使大梁混凝土在倒塌后 用回弹仪测量 其平均抗压强度仅5MPa左右 有些地方竟测不出回弹值 此外还存在着振捣不实 配筋不足等问题 基础知识 4 1 2集料 集料 也称骨料 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 集料的技术性质 2 细集料 3 粗集料 1 集料的技术性质 集料的各项性能指标将直接影响混凝土的施工性能和使用性能 集料的主要技术性质包括 颗粒级配及粗细程度 颗粒形态和表面特征 强度 坚固性 含泥量 有害物质及碱集料反应等 2 细集料 粒径4 75mm以下的集料称为细集料 俗称砂 砂按产源分为天然砂 人工砂两类 天然砂是由于自然风化 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 国家标准GB T14684 2001 建筑用砂 规定了建筑用砂的技术要求 3 粗集料 粒径大于4 75mm的集料称为粗骨料 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 卵石是由于自然风化 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 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 卵石 碎石 观察与讨论 4 1 2集料 石子形状对混凝土性能的影响 请观察下图中A B C三种石子的形状有何差别 分析其对拌制混凝土性能会有哪些影响 A 碎石1B 碎石2 C 卵石 石子形状对混凝土性能的影响 A为碎石1 针片状颗粒含量较多 此针片状的碎石过多 比表面积大 不仅会影响混凝土和易性 还会影响强度 B为碎石2 表面较粗糙 多棱角 比表面积较碎石1小 拌制混凝土时的性能优于碎石1 C为卵石 表面光滑 少棱角 比表面积较小 故拌制混凝土时所需水泥量较小 混凝土拌合物的和易性较好 但卵石与水泥石粘结力会较差 在相同条件下 混凝土强度较低 工程实例分析 4 1 2集料 某中学一栋砖混结构教学楼 在结构完工后进行屋面施工时 屋面局部倒塌 经审查设计方面 未发现任何问题 对施工方面审查发现 所设计为C20的混凝土 施工时未留试块 事后鉴定其强度仅C7 5左右 在断口处可清楚看出砂石未洗净 集料中混有鸽蛋大小的粘土块粒和树叶等杂质 此外 梁主筋偏于一侧 梁的受拉区1 3宽度内几乎无钢筋 集料杂质多危害混凝土强度 集料的杂质对混凝土强度有重大的影响 必须严格控制杂质含量 树叶等杂质固然会影响混凝土的强度 而泥粘附在集料的表面 防碍水泥石与集料的粘结 不仅会降低混凝土强度 还会增加拌和用水量 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严重 集料杂质多危害混凝土强度 基础知识 4 1 3混凝土拌和及养护用水 混凝土拌和用水及养护用水应符合JGJ63 2006 混凝土用水标准 的规定 混凝土用水包括饮用水 地表水 地下水 再生水 混凝土企业设备洗刷水和海水等 其中 再生水是指污水经适当再生工艺处理后具有使用功能的水 1 混凝土拌和用水 2 混凝土养护用水 1 混凝土拌合用水 混凝土拌合用水水质应符合下表的规定 对于设计使用年限为100年的结构混凝土 氯离子含量不得超过500mg L 对使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土 氯离子含量不得超过350mg L 注 碱含量按Na2O 0 658K2O计算值来表示 采用非碱活性骨料时 可不检验碱含量 混凝土拌合用水水质要求 2 混凝土养护用水 1 混凝土养护用水可不检验不溶物和可溶物 其他检验项目应符合混凝土拌合用水的水质技术要求和放射性技术要求的规定 2 混凝土养护用水可不检验水泥凝结时间和水泥胶砂强度 工程实例分析 4 1 3混凝土拌和及养护用水 含糖份水使混凝土两天仍未凝结 某糖厂建宿舍 以自来水拌制混凝土 浇筑后用曾装食糖的麻袋覆盖于混凝土表面 再淋水养护 后发现该水泥混凝土两天仍未凝结 而水泥经检验无质量问题 含糖份水使混凝土两天仍未凝结 由于养护水淋于曾装食糖的麻袋 养护水已成糖水 而含糖的水对水泥的凝结有抑制作用 故使混凝土凝结异常 基础知识 4 1 4外加剂 外加剂在混凝土拌合物中掺入量一般大于水泥质量5 能改善混凝土拌合物或硬化后混凝土性质的材料 称为外加剂 外加剂 1 减水剂减水剂是应用最广的混凝土外加剂 它属于表面活性剂 是由亲水基团和憎水基团二个部分组成 加入水后 其亲水基团会电离出离子 使表面活性剂分子带有电荷 亲水基团指向溶剂 憎水基团指向水泥颗粒 并作定向排列 形成定向吸附膜而降低水的表面张力 这种表面活性作用是减水剂起减水增强作用的主要原因 2 缓凝剂缓凝剂是指延长混凝土凝结时间的外加剂 3 早强剂早强剂可加速混凝土硬化 提高早期强度 4 引气剂引气剂与减水剂相似 都是表面活性剂 使水溶液在搅拌过程中极易产生许多微小的封闭气泡 5 膨胀剂混凝土膨胀剂是指与水泥 水拌和后经水化反应生成钙矾石 钙矾石和氢氧化钙或氢氧化钙 使混凝土产生膨胀的外加剂 6 防冻剂能使混凝土在负温下硬化 并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂为混凝土防冻剂 7 钢筋阻锈剂加入混凝土中能阻止或减缓钢筋腐蚀的外加剂 观察与讨论 4 1 4外加剂 有两种水泥 一种以二水石膏为缓凝剂 另一种以硬石膏为缓凝剂 现以加入木质素磺酸钙减水剂的溶液配制水泥浆 请观察5min后两者凝结情况 讨论产生差别的原因 木质素减水剂与水泥所用石膏 使用无水石膏作缓凝剂的水泥 加入木质素作为减水剂或稠密减水剂时会产生速凝现象 因无水石膏在木钙或糖钙溶液中硫酸钙溶解量下降 无法抑制C3A的水化 使C3A迅速水化 从而导致水泥浆速凝 故以硬石膏为缓凝剂的水泥不宜使用含木质素磺酸盐的减水剂 木质素减水剂与水泥所用石膏 工程实例分析 4 1 4外加剂 斜拉索内水泥浆不凝结现象分析 广州某斜拉桥使用 年后其中一根拉索突然坠落 经检查拉索内钢丝严重腐蚀 这是由于拉索内上部水泥浆体长时间不凝结而产生电化学腐蚀所致 该水泥浆的FDN减水剂使用量为水泥质量的0 8 请分析上段浆体长时间不凝结的原因 斜拉索内水泥浆不凝结现象分析 基础知识 4 1 5掺合料 1 粉煤灰 2 硅粉 3 沸石粉 4 粒化高炉矿渣粉 1 粉煤灰 从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰 在混凝土中掺入一定量粉煤灰后 除了粉煤灰本身的火山灰活性作用 生成硅酸钙凝胶 作为胶凝材料一部分起增强作用外 在混凝土的用水量不变的情况下 不仅可以起到显著改善混凝土拌合物和易性的效应 增加流动性和粘聚性 还可降低水化热 若保持混凝土拌合物原有的和易性不变 则可减少用水量 起到减水的效果 从而提高混凝土的密实度和强度 增强耐久性 粉煤灰SEM照片 2 硅粉 硅粉也称硅灰 在冶炼铁合金或工业硅时 由烟道排出的硅蒸气经收尘装置收集而得的粉尘称为硅粉 它是由非常细的玻璃质颗粒组成 其中SiO2含量高 其比表面积约为2000m2 kg 掺入少量硅粉 可使混凝土致密 耐磨 增强其耐久性 3 沸石粉 沸石粉是天然的沸石岩经磨细而成的一种火山灰质铝硅酸矿物掺合料 含有一定量活性二氧化硅和三氧化铝 能与水泥生成的氢氧化钙反应 生成胶凝物质 沸石粉用作混凝土掺合料可改善混凝土和易性 提高混凝土强度 抗渗性和抗冻性 抑制碱骨料反应 主要用于配制高强混凝土 流态混凝土及泵送混凝土 沸石粉具有很大的内表面积和开放性孔结构 还可用于配制湿混凝土等功能混凝土 4 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 矿渣粉磨时允许加入助磨剂 加入量不得大于矿渣粉质量的1 观察与讨论 掺合料种类对流动性的影响 4 1 5掺合料 用等量取代法分别掺入细度相同的20 粉煤灰和矿渣掺合料制备硅酸盐水泥砂浆拌合物 经跳桌法流动性试验后得到下图所示的结果 请观察两者的差异 并对其现象进行讨论 掺粉煤灰水泥砂浆 掺矿渣水泥砂浆 两者的不同在于粉煤灰和矿渣的形状及表面特征的不同 从粉煤灰的电镜照片中可以发现 粉煤灰颗粒多为表面光滑的圆球状颗粒 相对于不规则形状外形的矿渣颗粒而言 需要较少的水分润湿其表面 因而实际水与硅酸盐水泥质量比 水灰比 相对较大 同时光滑的圆球状颗粒也有利于减少集料之间的流动摩擦力 两者共同作用结果使得掺粉煤灰掺合料的砂浆拌合物具有更大的流动性 掺合料种类对流动性的影响 粉煤灰电镜照片 工程实例分析 掺合料搅拌不均致使混凝土强度低 4 1 5掺合料 某工程使用等量的42 5级普通硅酸盐水泥粉煤灰配制C25混凝土 工地现场搅拌 为赶进度搅拌时间较短 拆模后检测 发现所浇筑的混凝土强度波动大 部分低于所要求的混凝土强度指标 该混凝土强度等级较低 而选用的水泥强度等级较高 故使用了较多的粉煤灰作掺合剂 由于搅拌时间较短 粉煤灰与水泥搅拌不够均匀 导致混凝土强度波动大 以致部分混凝土强度未达要求 掺合料搅拌不均致使混凝土强度低 4 2 2混凝土拌合物性能的影响因素 4 2 1混凝土拌合物性能的涵义与测定 4 2混凝土拌合物的性能 基础知识 4 2 1混凝土拌合物性能的涵义与测定 1 和易性的涵义与测定 2 混凝土凝结时间测定从混凝土拌合物中筛出砂浆用贯入阻力法来测定坍落度值不为零的混凝土拌合物凝结时间 贯入阻力达到3 5MPa和28 0MPa的时间分别为混凝土拌合物的初凝和终凝时间 和易性 混凝土拌合物的和易性又称工作性 它是一项综合的技术性质 包括流动性 粘聚性和保水性等三方面的含义 1 和易性的涵义与测定 流动性 指混凝土拌合物在自重力或机械振动力作用下易于产生流动 易于输送和易于充满混凝土模板的性质 粘聚性 混凝土拌合物在施工过程中保持整体均匀一致的能力 保水性 混凝土拌合物在施工过程中保持水分的能力 观察与讨论 4 2 1混凝土拌合物性能的涵义与测定 混凝土中的蜂窝 请观察下图中混凝土楼面 其中有空洞 俗称蜂窝 该混凝土是采用人工振捣 其混凝土坍落度为30mm 请分析混凝土不密实的原因 空洞位置 局部放大 该混凝土未采用振动器振捣 仅人工振捣 而混凝土的坍落度偏低 流动性较差 故易产生蜂窝 应增大混凝土的坍落度 具体按GB50204 2001 混凝土结构工程施工质量验收规范 规定进行 实际施工时 混凝土拌和物的坍落度要根据构件截面尺寸大小 钢筋疏密和捣实方法来确定 当构件截面尺筋较密 或采用人工捣实时 坍落度可选择大一些 反之 若构件截面尺寸较大 或钢筋较疏 或采用机械振捣 则坍落度可选择小一些 混凝土中的蜂窝 工程实例分析 4 2 1混凝土拌合物性能涵义与测定 集料含水量波动对混凝土和易性的影响 某混凝土搅拌站用的集料含水量波动较大 其混凝土强度不仅离散程度较大 而且有时会出现卸料及泵送困难 有时又易出现离析现象 集料含水量波动对混凝土和易性的影响 由于集料 特别是砂的含水量波动较大 使实际配比中的加水量随之波动 以致加水量不足时混凝土坍落度不足 水量过多时则坍落度过大 混凝土强度的离散程度也就较大 当坍落度过大时 易出现离析 若振捣时间过长坍落度过大 还会造成 过振 基础知识 4 2 2混凝土拌合物性能的影响因素 1 混凝土和易性的影响因素 2 混凝土凝结时间影响因素 1 混凝土和易性的影响因素 和易性的影响因素有 水泥浆量 水灰比 砂率 集料的品种 规格和质量 外加剂 温度和时间及其他影响因素 本小节着重讨论水泥浆量 水灰比和砂率对混凝土和易性的影响 水泥浆量 水泥浆量是指混凝土中水泥及水的总量 水灰比 拌制水泥浆 砂浆和混凝土混合料时 水与水泥的质量比称为水灰比 W C 砂率 砂率是指砂用量与砂 石总用量的质量百分比 它表示混凝土中砂 石的组合或配合程度 2 混凝土凝结时间影响因素 水泥的水化是混凝土产生凝结的主要原因 但是 混凝土的凝结时间与所用水泥的凝结时间并不一致 因为水灰比的大小会明显影响水泥的凝结时间 水灰比越大 凝结时间越长 一般混凝土的水灰比与测定水泥凝结时间的水灰比是不同的 凝结时间便有所不同 而且混凝土的凝结时间还受温度 外加剂等其他各种因素的影响 观察与讨论 4 2 2混凝土拌合物性能的影响因素 请分析在一般情况下水泥浆量与流动性的关系 并讨论是否水泥浆量越多 混凝土拌合物的和易性越好 胶凝材料浆量与混凝土流动性 在一定范围内 胶凝材料浆量增多 混凝土拌合物流动性越大 这是因包裹集料的水泥浆层由薄变厚 有利于流动性 但如果浆量过多 不仅流动性无明显增大 而且粘聚性降低 保水性变差 因包裹集料的浆层厚度达一定值后 再增加厚度已无助于改善流动性 反而影响了粘聚性和保水性 胶凝材料浆量与混凝土流动性 工程实例分析 碎石形状对混凝土和易性的影响 4 2 2混凝土拌合物性能的影响因素 某混凝土搅拌站原混凝土配方均可生产出性能良好的泵送混凝土 后因供应的问题进了一批针片状多的碎石 当班技术人员未引起重视 仍按原配方配制混凝土 后发觉混凝土坍落度明显下降 难以泵送 临时现场加水泵送 混凝土坍落度下降的原因 因碎石针片状颗粒增多 比表面积增大 在其他材料及配方不变的条件下 其坍落度必然下降 当坍落度下降难以泵送时 简单地现场加水虽可解决泵送问题 但对混凝土的强度及耐久性都有不利影响 且还会引起泌水等问题 碎石形状对混凝土和易性的影响 基础知识 4 3硬化后混凝土的性能 4 3 3混凝土的耐久性 4 3 1混凝土的强度 4 3 2混凝土的变形 基础知识 4 3 1混凝土的强度 1 立方体抗压强度 2 混凝土强度等级 3 混凝土的轴心抗压强度和轴心抗拉强度 4 混凝土的弯拉强度 5 影响混凝土强度的因素 1 立方体抗压强度 国家标准GB T50081 2002 普通混凝土力学性能试验方法标准 规定 将混凝土拌合物制作边长为150mm的立方体试件 在标准条件 温度20 2 相对湿度95 以上 下 养护到28d龄期 测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度 简称立方体抗压强度 以fcu表示 2 混凝土强度等级 按照国家标准GB50010 2002 混凝土结构设计规范 混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定 立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件 在28d龄期用标准试验方法测得的具有95 保证率的抗压强度 以fcu k表示 普通混凝土划分为十四个强度等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75和C80 混凝土强度等级是混凝土结构设计 施工质量控制和工程验收的重要依据 不同的建筑工程及建筑部位需采用不同强度等级的混凝土 一般有一定的选用范围 3 混凝土的轴心抗压强度和轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗压强度的测定采用150mm 150mm 300mm棱柱体作为标准试件 轴心抗压强度设计值以fc表示 轴心抗压强度标准值以fck表示 混凝土轴心抗拉强度ft可按劈裂抗拉强度fts换算得到 换算系数可由试验确定 混凝土劈裂抗拉强度采用立方体劈裂抗拉试验来测定 称为劈裂抗拉强度fts 4 混凝土的弯拉强度 混凝土的弯曲抗拉强度试验采用150mm 150mm 550mm的梁形试件 按三分点加载方式加载 由于混凝土是一种非线性材料 因此 混凝土的弯曲抗拉强度大于轴心抗拉强度 5 影响混凝土强度的因素 影响混凝土强度的因素很多 包括三方面 2 生产工艺因素 3 实验因素 1 原材料因素 1 原材料因素A 水泥强度水泥强度的大小直接影响混凝土强度 在配合比相同的条件下 所用的水泥强度等级越高 制成的混凝土强度也越高 试验证明 混凝土强度与水泥强度成正比关系 B 水灰比当用同一种水泥时 混凝土的强度主要决定于水灰比 满足和易性要求时 水灰比越小 水泥石的强度越高 C 集料与集料尤其是粗集料的表面状况有关 碎石表面粗糙 粘结力比较大 卵石表面光滑 粘结力比较小 在其它相同的条件下 碎石混凝土的强度较高 D 外加剂和掺合料加入外加剂可按要求改变混凝土的强度及强度发展规律 如掺入减水剂可减少拌合用水量 提高混凝土的强度 超细的掺合料可配制高强度的混凝土 2 生产工艺因素这里所指的生产工艺因素包括混凝土生产过程中涉及到的施工 搅拌 捣实 养护条件 养护时间等因素 A 施工条件在施工中须将混凝土拌合物搅拌均匀 浇注后必须捣固密实 才能使混凝土达到预期强度 采用机械搅拌比人工搅拌的拌合物更均匀 采用机械捣实比人工捣实的混凝土更密实 B 养护条件混凝土的养护条件主要指所处的环境温度和湿度 它们是通过影响水泥水化过程而影响混凝土强度 养护环境温度高 水泥水化速度加快 混凝土早期强度较高 C 龄期龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间 在正常养护条件下 混凝土强度将随着龄期增长而增长 3 实验因素A 试件形状尺寸试件尺寸会影响到混凝土强度实验的测试结果 试件尺寸越大 测得的强度值越低 当采用非标准尺寸试件时 应将其抗压强度折算为标准试件抗压强度 B 表面状态当混凝土受压面非常光滑时 如有油脂 由于压板与试件表面的磨擦力减小 使环箍效应减小 试件将出现垂直裂纹而破坏 测得的混凝土强度值较低 C 含水程度混凝土试件含水率越高 其强度越低 D 加荷速度在进行混凝土试件抗压试验时 若加荷速度过快 材料裂纹扩展的速度慢于荷载增加速度 会造成测得的强度值偏高 故在进行混凝土立方体抗压强度试验时 应按规定的加荷速度进行 观察与讨论 4 3 1混凝土的强度 混凝土试件受压破坏后形状分析 下图是混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状 请分析试件破坏后所得形状的原因 混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状 破坏后试件的形状是环箍效应所致 混凝土试件受压破坏后形状分析 工程实例分析 混凝土强度低屋面倒塌 4 3 1混凝土的强度 某县东园乡美利小学1988年建砖混结构校舍 11月中旬气温已达零下十几度 因人工搅拌振捣 故把混凝土拌得很稀 木模板缝隙又较大 漏浆严重 至12月9日 施工者准备内粉刷 拆去支柱 在屋面上用手推车推卸白灰炉渣以铺设保温层 大梁突然断裂 屋面塌落 并砸死屋内两名取暖的女小学生 大梁断裂 混凝土强度低屋面倒塌 由于混凝土水灰比大 混凝土离析严重 从大梁断裂截面可见 上部只剩下砂和少量水泥 下部全为卵石 且相当多水泥浆已流走 现场用回弹仪检测 混凝土强度仅达到设计强度等级的一半 这是屋面倒塌的技术原因 该工程为私人挂靠施工 包工者从未进行过房屋建筑 无施工经验 在冬期施工而无采取任何相应的措施 不具备施工员的素质 且工程未办理任何基建手续 校方负责人自认甲方代表 不具备现场管理资格 由包工者随心所欲施工 这是施工与管理方面的原因 基础知识 4 3 2混凝土的变形 1 化学变形 2 干湿变形 3 温度变形 4 荷载作用下的变形 混凝土在硬化和使用过程中 由于受物理 化学等因素的作用 会产生各种变形 这些变形是导致混凝土产生裂纹的主要原因之一 从而进一步影响混凝土的强度和耐久性 1 化学变形 混凝土在硬化过程中 由于水泥水化产物的体积小于反应物 水泥与水 的体积 导致混凝土在硬化时产生收缩 称为化学收缩 混凝土的化学收缩是不可恢复的 收缩量随混凝土的硬化龄期的延长而增加 一般在40d内逐渐趋向稳定 2 干湿变形 混凝土在环境中会产生干缩湿胀变形 水泥石内吸附水和毛细孔水蒸发时 会引起凝胶体紧缩和毛细孔负压 从而使混凝土产生收缩 当混凝土吸湿时 由于毛细孔负压减小或消失而产生膨胀 影响混凝土干湿变形的因素有多种 3 温度变形 对大体积混凝土工程 在凝结硬化初期 由于水泥水化放出的水化热不易散发而聚集在内部 造成混凝土内外温差很大 有时可达40 50 以上 从而导致混凝土表面开裂 混凝土在正常使用条件下也会随温度的变化而产生热胀冷缩变形 混凝土的热膨胀系数与混凝土的组成材料及用量有关 但影响不大 混凝土的热膨胀系数一般为 0 6 1 3 10 5 4 荷载作用下的变形 1 混凝土在短期荷载作用下的变形混凝土是一种非均质弹塑性体 在外力作用下 既产生弹性变形 又产生塑性变形 即混凝土的应力与应变的关系不是直线而是曲线 混凝土的塑性变形是内部微裂纹产生 增多 扩展与汇合等的结果 2 混凝土在长期荷载作用下的变形 徐变混凝土在长期不变荷载作用下 沿作用力方向随时间而产生的塑性变形称为混凝土的徐变 观察与讨论 4 3 2混凝土的变形 水化热与混凝土开裂 某工程在微风化软质岩石地基上浇筑2m厚大体积基础板 采用C20混凝土 配合比为水泥 水 砂 石 1 0 51 2 47 5 05 水泥用量280kg m3 另掺少量加气剂 14d拆模后1d即发现裂缝 此后裂缝扩展 其温度 时间曲线见下图 从温度 时间曲线来看 在较快的升温阶段 混凝土的弹性模量很小 因而压应力不大 但降温时混凝土的弹性模量较高 在板内除了升温时的压应力外 还建立了较高的拉应力 而导致混凝土开裂 水化热与混凝土开裂 工程实例分析 混凝土塑性沉降缝 4 3 2混凝土的变形 某楼在梁对应的楼板处形成表面裂缝 楼板的表面裂缝 混凝土塑性沉降裂缝 由于厚混凝土层的沉降量较薄混凝土层的大 这两者之间就易形成塑性沉降裂缝 基础知识 4 3 3混凝土的耐久性 1 混凝土耐久性的概念混凝土的耐久性是混凝土在使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能力 混凝土的耐久性直接影响结构物的安全性和使用性能 耐久性包括抗渗性 抗冻性 化学侵蚀和碱集料反应等 下图是被腐蚀的混凝土 2 提高混凝土耐久性的措施 氯离子腐蚀 酸雨腐蚀 2 提高混凝土耐久性的措施 提高混凝土耐久性的措施 主要包括以下几个方面 1 选用适当品种的水泥及掺合料 2 适当控制混凝土的水灰比及水泥用量 3 长期处于潮湿和严寒环境中的混凝土 应掺用引气剂 4 选用较好的砂 石集料 5 掺用减水剂等外加剂 6 改善混凝土的施工操作方法 7 进行表面处理 观察与讨论 4 3 3混凝土的耐久性 某海港码头梁裂缝锈蚀 南方某海港码头建成后发现部分纵梁底部混凝土脱落 钢筋全部外露 见下图 纵梁底部严重锈裂 而 型板面基本完好 请讨论该码头钢筋混凝土腐蚀破坏的原因 纵梁底部严重锈裂 型板面基本完好 该码头纵梁钢筋锈蚀 是因其处于浪溅区 海水氯盐入侵混凝土 使钢筋周围氯离子含量超过钢筋致锈的临界值 引起钢筋锈蚀 而锈蚀使混凝土膨胀开裂 以致脱落 又进一步加剧了钢筋的锈蚀 a 从混凝土其他方面来看 码头梁混凝土的水灰比为0 50和0 55 较大的水灰比使混凝土孔径和孔隙率增大 利于氯离子渗透 扩散至钢筋表面 b 混凝土单位体积胶凝材料用量偏低 该工程混凝土未掺外加剂 水泥用量分别为350kg m3 c 混凝土保护层厚度不足 该混凝土保护层设计厚度较低 且由于施工偏差 部分构件实际保护层还低于设计值 某海港码头梁裂缝锈蚀 工程实例分析 水池壁崩塌 4 3 3混凝土的耐久性 某市自来水公司一号水池建于山上 1980年1月交付使用 1989年6月20日池壁突然崩塌 造成39人死亡 6人受伤的特大事故 该水池使用的是冷却水 输入池内水温达41 该水池为预应力装配式钢筋混凝土圆形结构 池壁由132块预制钢筋混凝土板拼装 接口处部分有泥土 板块间接缝处用C30细石混凝土二次浇筑 有蜂窝麻面板壁外灌浇266根高强钢丝 再喷射3cm砖保温墙 池内壁设计未作防渗层 只要求在接缝处向两侧各延伸5cm范围内刷两道素水泥浆 水池壁崩塌 A 池内水温高 增强了对池壁的腐蚀能力 导致池壁结构过早破损 B 预制板接缝面未打毛 清洗不彻底 故部分留有泥土 且接缝混凝土振捣不实 部分有蜂窝麻面 其抗渗能力大大降低 使水分浸入池壁 并对钢丝产生电化学反应 事实上所有钢丝已严重锈蚀 有效截面减少 抗拉强度下降 以致断裂 使池壁倒塌 C 设计方面亦存在考虑不周 且对钢丝严重锈蚀未能及时发现等问题 4 4混凝土的质量控制及配合比设计 4 4 2普通混凝土配合比设计 4 4 1混凝土的基本要求与质量控制 基础知识 4 4 1混凝土的基本要求与质量控制 1 混凝土的基本要求 2 混凝土的质量控制 3 混凝土生产质量水平评定 1 混凝土的基本要求 建筑工程中所使用的混凝土须满足以下四项基本要求 1 混凝土拌合物须具有与施工条件相适应的和易性 2 满足混凝土结构设计的强度等级 3 具有适应所处环境条件的耐久性 4 在保证上述三项基本要求前提下的经济性 2 混凝土的质量控制 混凝土质量控制的目标是使所生产的混凝土能按规定的保证率满足设计要求 质量控制过程包括以下三个过程 1 混凝土生产前的初步控制 主要包括人员配备 设备调试 组成材料的检验及配合比的确定与调整等项内容 2 混凝土生产过程中的控制 包括控制称量 搅拌 运输 浇筑 振捣及养护等项内容 3 混凝土生产后的合格性控制 包括批量划分 确定批取样数 确定检测方法和验收界限等项内容 3 混凝土生产质量水平评定 用数理统计方法可求出几个特征统计量 强度平均值 强度标准差 以及变异系数 Cv 强度标准差越大 说明强度的离散程度越大 混凝土质量越不均匀 也可用变异系数来评定 值越小 混凝土质量越均匀 我国 混凝土强度检验评定标准 根据强度标准差的大小 将混凝土生产单位的质量管理水平划分为 优良 一般 及 差 三等 观察与讨论 4 4 1混凝土的基本要求与质量控制 混凝土强度的波动规律 请观察下图中A B两种混凝土的离散程度不同的强度分布曲线 讨论其生产管理水平及强度保证率 离散程度不同的两条强度分布曲线 对同一种混凝土进行系统的随机抽样 测试结果表明其强度的波动规律符合正态分布 该分布如上图所示 可用两个特征统计量 强度平均值 和强度标准差 作出描述 混凝土强度的波动规律 工程实例分析 藤县金鸡镇综合楼倒塌 4 4 1混凝土的基本要求与质量控制 藤县金鸡镇综合楼为7层框架综合楼 1993年8月开工至1994年5月下旬完成主体结构 6月28日上午 现场施工人员发现底层柱出现裂缝 上午10时提出加固方案 用杉圆木支顶该柱交叉的主次梁 下午柱钢筋已外露 向柱边弯曲 此后再以槽钢为基础支顶到2层梁底 柱四周用角钢封焊加固 至晚上9时 混凝土柱被压破坏 除设计方面存在严重问题外 由现场可见 所用钢筋的钢种混乱 在同一梁柱断面中有竹节钢 螺纹钢 圆钢三种混合使用 取样的钢筋试件大部分不合格 混凝土用质地较差的红色碎石作集料 砂细且含泥多 砂多 碎石与水泥砂浆无粘结痕迹 混凝土与钢筋无粘结力 由破坏现象可见 其施工质量差 钢筋混乱使用 且大部分不合格 而混凝土的级配不当 混凝土强度太低 用钻芯法现场取混凝土芯样 抗压强度平均只有10 2MPa 最低仅为6 1MPa 可见 其强度不仅远低于C20混凝土强度的要求 而且波动大 质量差 藤县金鸡镇综合楼倒塌 4 4 2普通混凝土配合比设计 例4 1 某工程采用现浇混凝土梁柱结构 最小截面尺寸为300mm 钢筋最小净距为60mm 混凝土设计强度等级为fcu k 30MPa 采用机械搅拌 插入式振动棒浇捣 施工时要求混凝土坍落度为30 50mm 施工单位的强度标准差为2 5MPa 所用材料 42 5级普通硅酸盐水泥 实测28d强度为49 4MPa 密度 c 3150kg m3 中砂 符合 区级配 s 2600kg m3 卵石 粒级5 40 0g 2650kg m3 现场砂含水率3 碎石含水率2 求普通混凝土配合比 普通混凝土配合比设计计算思路 混凝土的配合比应按下列步骤进行计算 1 计算配制强度fcu 并求出相应的水灰比 2 选取每立方米混凝土的用水量 并计算出每立方米混凝土的水泥用量 3 选取砂率 计算粗集料和细集料的用量 并提出供试配用的计算配合比 基础知识 4 5其他种类混凝土及其新进展 4 5 1高性能混凝土 4 5 2高强混凝土 4 5 3其他混凝土 4 5 1高性能混凝土 高性能混凝土是在1990年 美国NIST和ACI召开的一次国际会议上首先提出来的 并立即得到各国学者和工程技术人员的积极响应 但对高性能混凝土国内外尚无统一的认识和定义 根据一般的理解 对高性能混凝土有以下几点共识 1 混凝土的使用寿命要长 2 混凝土应具有较高的体积稳定性 3 高性能混凝土应具有良好的施工性能 4 具有一定的强度和密实度 但不一定是高强 亦可以是中 低强度高性能 混凝土达到高性能最重要的技术手段是使用新型外加剂和超细矿物质掺合料 超细粉 降低水灰比 增大坍落度和控制坍落度损失 给予混凝土高的密实度和优异的施工性能填充胶凝材料的空隙 保证胶凝材料的水化体积安定性 改善混凝土的界面结构 提高混凝土的强度和耐久性 4 5 2高强混凝土 强度等级为C60及其以上的混凝土称为高强混凝土 1 配制高强度混凝土的原材料要求 应选用质量稳定 强度等级不低于42 5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 强度等级为C60级的混凝土 其粗集料的最大粒径不应大于31 5mm 强度等级高于C60级的混凝土 其粗集料的最大粒径不应大于25mm 并严格控制其针片状颗粒含量 含泥量和泥块含量 细集料的细度模数宜大于2 6 并严格控制其含泥量和泥块含量 配制高强混凝土时应掺用高效减水剂或缓凝高效减水剂 配制高强混凝土时应该掺用活性较好的矿物掺合料 且宜复合使用矿物掺合料 2 高强混凝土配合比设计高强混凝土配合比设计的计算方法和步骤与普通混凝土基本相同 对C60级混凝土仍可用混凝土强度经验公式确定水灰比 但对C60以上等级的混凝土是按经验选取基准配合比中的水灰比 4 5 3其他混凝土 1 纤维混凝土 纤维混凝土以混凝土为基体 外掺各种纤维材料而成 2 聚合物混凝土 聚合物混凝土是由有机聚合物 无机胶凝材料和集料结合而成的一种新型混凝土 3 泵送混凝土 泵送混凝土是指混凝土拌合物的坍落度不低于100mm并用泵送施工的混凝土 还有其他种类的混凝土 如轻集料混凝土和防水混凝土等 观察与讨论 4 5其他种类混凝土及其新进展 陶粒取代碎石配制轻集料混凝土 请观察等量的水倒入等体积陶粒与普通碎石中有何区别 若以陶粒取代碎石配制轻集料混凝土需注意什么问题 放碎石杯放陶粒杯 等量的水倒入等体积陶粒与普通碎石 凡是用轻集料 轻细集料 或普通砂 水泥和水配制成的混凝土 其干表观密度不大于1950kg m3者 称为轻集料混凝土 倒入水后 加碎石的杯底可见水 而加陶粒的杯底无水 可见陶粒的吸水率明显大于普通碎石 为此配制轻集料混凝土应先测定轻集料的吸水率 在普通混凝土用水量的基础上加上轻集料吸水率作为总吸水量 陶粒取代碎石配制轻集料混凝土 工程实例分析 树脂混凝土应用分析 4 5其它种类混凝土及其新进展 某有色冶金厂的铜电解槽 使用温度为65 70 槽内使用的主要介质为硫酸 铜离子 氯离子和其他金属阳离子 原使用传统的铅板作防腐衬里 易损坏 使用寿命较短 后采用整体呋喃树脂混凝土作电解槽 耐腐蚀 不导电 不仅保证了电解铜的生产质量 还大大提高了金银的回收率 且使用寿命延长两年以上 树脂混凝土应用分析 树脂混凝土除强度高 抗冻融性能好外 还具有一系列优良的性能 由于其致密 抗渗性好 耐化学腐蚀性能亦远优于普通混凝土 呋喃树脂混凝土耐酸 耐腐蚀 绝缘电阻亦相当高 对试块作测试可达7 107 为此用作铜电解槽可有优异的性能 还需说明的是 树脂混凝土的耐化学腐蚀性能又因树脂品种不同而异 若采用不饱和聚酯树脂的混凝土 除耐一般酸腐蚀外 还可耐低浓度强化性酸的腐蚀 4 6砂浆 4 6 3抹面砂浆 4 6 1砂浆的分类组成材料及技术性质 4 6 2砂浆的配合比设计 4 6 1砂浆的分类组成材料及技术性质 1 砂浆的分类组成材料 2 砂浆的技术性质 基础知识 1 砂浆的分类组成材料 建筑砂浆按用途不同 可分为砌筑砂浆 抹面砂浆 按所用胶结材不同 可分为水泥砂浆 石灰砂浆 水泥石灰混合砂浆等 建筑砂浆的组成材料主要有 胶结材料 砂 掺加料 水和外加剂等 2 砂浆的技术性质 1 砂浆的和易性 砂浆的和易性包括流动性和保水性 2 砂浆强度等级 砂浆强度等级是以边长为7 07cm的立方体试块 按标准条件 在 20 3 温度和相对湿度为60 80 的条件下或相对湿度为90 以上的条件下 养护至28d的抗压强度值确定 3 收缩性能 收缩性能是指砂浆因物理化学作用而产生的体积缩小现象 4 粘结力 砂浆的粘结力主要是指砂浆与基体的粘结强度的大小 观察与讨论 不同基层的砂浆强度 4 6 1砂浆的分类组成材料及技术性质 把相同配比的砂浆分别抹在加气混凝土砌块及陶瓷玻化砖表面 从图A和图B中可见 经半分钟后 于加气混凝土砌块表面的砂浆已变得相当干硬 而于陶瓷玻化砖表面的砂浆则仍相当润湿 请讨论砂浆的水灰比对其强度的影响 图A陶瓷玻化砖表面的砂浆图B加气混凝土砌块表面的砂浆 不同基层的砂浆强度 不吸水基层砂浆强度 砂浆置于致密材料表面上 因基材基本不吸水 砂浆水灰比亦基本不变 故其强度主要取决于胶凝材料的强度及水灰比 吸水基层砂浆强度 当基层吸水后 砂浆中保留水分的多少就取决于其本身的保水性 因而具有良好保水性的砂浆 不论拌和时间用多少水 经底层吸水后 保留在砂浆中的水大致相同 而与初始水灰比关系不大 工程实例分析 砂浆质量问题 4 6 1砂浆的分类组成材料及技术性质 某工地现配制M10砂浆砌筑砖墙 把水泥直接倒在砂堆上 再人工搅拌 该砌体灰缝饱满度及粘结性均差 1 砂浆的均匀性可能有问题 把水泥直接倒入砂堆上 采用人工搅拌的方式往往导致混合不够均匀 使强度波动大 宜加入搅拌机中搅拌 2 仅以水泥与砂配制砂浆 使用少量水泥虽可满足强度要求 但往往流动性及保水性较差 而使砌体饱满度及粘结性较差 影响砌体强度 可掺入少量石灰膏 石灰粉或微沫剂等以改善砂浆和易性 砂浆质量问题 4 6 2砂浆的配合比设计 基础知识 1 砌筑砂浆的技术条件 2 砌筑砂浆配合比设计步骤 1 砌筑砂浆的技术条件 将砖 石及砌块粘结成为砌体的砂浆称为砌筑砂浆 它起着粘结砖 石及砌块构成砌体 传递荷载 并使应力的分布较为均匀 协调变形的作用 按国家行业标准JGJ98 2000 砌筑砂浆配合比设计规程 规定 砌筑砂浆需符合以下技术条件 砌筑砂浆的强度等级宜采用M20 M15 M10 M7 5 M5 M2 5 水泥砂浆拌合物的密度不宜小于1900kg m3 水泥混合砂浆拌合物的密度不宜小于1800kg m3 砌筑砂浆稠度 分层度 试配抗压强度必须同时符合要求 砌筑砂浆的稠度应按有关规定选用 砌筑砂浆的分层度不得大于30mm 水泥砂浆中水泥用量不应小于200kg m3 水泥混合砂浆中水泥和掺加料总量宜为300 350kg m3 具有冻融循环次数要求的砌筑砂浆 经冻融试验后 质量损失率不得大于5 抗压强度损失率不得大于25 2 砌筑砂浆配合比设计步骤 计算砂浆试配强度fm 0 MPa 计算出每立方米砂浆中的水泥用量Qc kg 按水泥用量Qc计算每立方米砂浆掺加料用量QD kg 确定每立方米砂浆砂用量Qs kg 按砂浆稠度选用每立方米砂浆用水量QW kg 进行砂浆试配 配合比确定 4 6 3抹面砂浆 基础知识 1 抹面砂浆的定义及其特点 2 抹面砂浆的分类 性能及应用 1 抹面砂浆的定义及其特点 抹面砂浆是指涂抹在基底材料的表面 兼有保护基层和增加美观作用的砂浆 与砌筑砂浆相比 抹面砂浆具有以下特点 抹面层不承受荷载 抹面层与基