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第四章 普通混凝土 目录 4 1概述4 2混凝土组成材料4 3混凝土和易性4 4混凝土强度4 5混凝土耐久性4 6混凝土配合比设计4 7新型混凝土 4 1概述 何为混凝土混凝土起源应用领域混凝土分类混凝土特性 Back 混凝土是由胶凝材料 骨料及其它外加材料按适当比例配制 再经硬化而成的人工石材其中应用最广的是以水泥为胶凝材料 以砂石为骨料 加水拌和而成的拌合物 经一定时间硬化而成的水泥混凝土 普通混凝土 何为混凝土 Back 混凝土的起源可以追塑到埃及金字塔 最新研究认为 金字塔石料不是天然材料 而是用粘土 石灰等材料制备而成的人工材料 古罗马时代宫殿的落成 八十年代 我国甘肃省秦安县大地湾新时期时期遗址出土了5000年前的混凝土100m3 其的抗压强度为10MPa 这一发现堪称世界建筑史的一大奇迹 混凝土起源 Back 目前混凝土的用量约为120亿吨 是世界上用量最大的人工建筑材料 随着混凝土性能的不断提高 其用量及应用范围还会增加 混凝土广泛应用于建筑 桥梁 道路等土木工程领域 广泛应用 Fig 4 1 3WidelyUsagesofConcrete Back 混凝土可应用于大坝等水利工程工业与民用建筑给水排水工程公路 铁路等交通工程水利与水电工程地下工程国防工程 Fig 4 1 4ConcreteDam 应用领域 Back 胶凝材料 混凝土 水泥混凝土 石膏混凝土 沥青混凝土 混凝土按胶凝材料分为水泥混凝土 石膏混凝土和沥青混凝土等 水泥混凝土主要用于建筑结构工程 沥青混凝土主要用作路面材料 混凝土分类 Back 按表观密度 0分为 轻混凝土 0 1900 广泛用于高层建筑 大跨度桥梁及高强预制构件等 包括轻骨料混凝土多孔混凝土大孔混凝土普通混凝土 0 2000 2500 各种承重结构 重混凝土 0 2600 原子能工程的屏蔽材料 混凝土分类 按强度分为 普通混凝土 抗压强度60MPa 超高强混凝土 抗压强度 80MPa Back 混凝土分类 按成型或施工工艺现浇混凝土预拌混凝土灌浆混凝土喷射混凝土 FormingorconstructionTechnology Concrete Back 混凝土分类 混凝土在土建工程中能够得到广泛的应用 是由于它具有优越的技术性能及良好的经济效益 它具有以下特点 原材料来源丰富性能可调可塑性好可用钢筋增强耐久性好自重大脆性 混凝土特性 Back Back 混凝土特性 4 2混凝土组成材料 4 2 1水泥4 2 2骨料4 2 3水4 2 4添加剂 Back SketchMapofConcrete 混凝土由以下材料组成水泥浆水泥水骨料砂石添加剂 混凝土组成材料 品种选择根据工程环境的要求选择合适的水泥品种 工程中最常用的是六大水泥 强度等级选择根据混凝土的强度等级 选择合适的水泥等级 对普通混凝土 水泥等级 1 5 2倍的混凝土强度等级 对高强混凝土 水泥等级 0 9 1 5倍的混凝土强度等级 水泥 Back 4 2 2骨料分类细骨料 砂粗骨料 石 Back 4 2混凝土组成材料 分类 骨料按来源可分为原生骨料和再生骨料 目前大量工程中应用的是原生骨料 如砂和石 地壳表面绝大多数的岩石可作用原生骨料 骨料的性质对混凝土性质有很大的影响 Back 细骨料 砂 定义与标准分类技术要求有害杂质颗粒形状与表面特征级配粗细程度 Back 定义 粒径小于5mm的岩石颗粒标准混凝土用砂质量标准JGJ52 92建筑工程用砂质量标准GB T14684 2001分类按来源可分为天然砂和人工砂天然砂按来源又可分为河砂海砂山砂 细骨料 砂 按技术要求分为3类 用于 C60的混凝土 用于C30 C60的混凝土 用于 C30的混凝土及建筑砂浆 细骨料 砂 砂的技术要求 定义 骨料中妨碍水泥水化或引起水泥石腐蚀 降低水泥石与骨料粘附性的各种物质 种类 云母 粘土 淤泥和有机物等 危害性 妨碍水泥与骨料的粘结 影响混凝土强度 增大用水量 收缩增大 引起水泥石腐蚀 处理方法 当砂中有害杂质含量多 但必须使用时 可用清水加以冲洗 如冲洗后符合要求 则可使用 有害杂质含量应符合GB T14684 2001 JGJ52 92 Tab 4 2 1 的要求 有害杂质 Tab 4 2 1有害杂质含量要求 GB T14684 2001 表4 2 2砂的颗粒形状与表面特征及其对混凝土性能的影响 颗粒形状与表面特征 砂的颗粒形状与表面特征及其对混凝土性能的影响见表4 2 2 颗粒级配指砂的大小颗粒搭配的情况 颗粒级配 颗粒级配 试验 筛分析法取500g干砂 测其在各筛上的筛余量 级配曲线 以累计筛余百分率为纵坐标 以筛孔尺寸为横坐标作图即为级配曲线 级配区 按600 m筛孔的累计筛余百分率划分为3个级配区 颗粒级配及级配区如表4 2 3和表4 2 4所示 表4 2 3砂的颗粒级配 颗粒级配 注 分计筛余百分率 各筛的筛余量 砂的总量 g 累计筛余百分率 各筛的分计筛余率加上比该筛大的所有筛的分计筛余百分率之和 Tab 4 2 4级配区 级配曲线 请点击右键选择 播放 观看Flash动画 砂的级配曲线 0 40 20 60 80 100 0 16 0 315 0 63 1 25 2 50 5 00 10 00 级配曲线分析 区 粗砂为主 易泌水 不易密实成型 可配制富混凝土 区 中砂为主 最适合配制普通混凝土 区 细砂为主 配制的混凝土拌合物粘性大 保水性好 但易干缩 定义 不同粒径的砂混合在一起后总体的粗细程度 表示方法 粗细程度用细度模数表示 细度模数 粗细程度的划分 粗细程度 粗细颗粒含量适当空隙率小总表面积小水泥浆的用量少混凝土的和易性好密实度高强度及耐久性高 合理级配 Back 粗骨料 石 CoarseAggregate Back 定义与标准分类技术要求有害杂质颗粒形状与表面特征级配粗细程度最大粒径石子强度 定义 粒径大于5mm的岩石颗粒标准混凝土用砂质量标准JGJ53 92建筑工程用砂质量标准GB T14685 2001分类按来源分碎石和卵石 工程中常用碎石配制混凝土按技术要求分为3类 用于 C60的混凝土 用于C30 C60的混凝土 用于 C30的混凝土及建筑砂浆 粗骨料 石 粗骨料 石 有害杂质 Fig4 2 1NeedleandSliceShapeParticles 种类及含量限制含泥量 泥块含量 针片状颗粒含量及有害物含量等均应符合GB T14685 2001 或JGJ52 92 的要求 碱 骨料反应水泥中碱性物质 氧化钠或氧化钾 过多 且粗骨料中含有活性成分 活性氧化硅或活性氧化铝 二者反应生成碱 硅酸凝胶 引起体积膨胀 使混凝土开裂 最终破坏的现象 颗粒形状及表面特征与砂相同 颗粒形状与表面特征 颗粒级配 级配碎石及卵石的级配要求见表4 2 5 级配实验方法及有关参数的计算与细骨料相同 只是筛孔尺寸和级配要求不同标准筛 2 36 2 5 4 75 5 9 5 10 16 15 19 20 26 5 25 31 5 37 5 40 53 50 63 75 80 及90 100 等共12个 Fig 4 2 2ScreenInstrument 颗粒级配 石子级配分为连续级配 从小到大每个粒级的石子均占一定的比例 和易性好 适合配制普通混凝土单粒级 剔除某些粒级的颗粒 使空隙率下降 易产生离析 可配制高强混凝土或干硬性混凝土 须强力振捣 表4 2 5石子级配要求 GB T14685 2001 续表4 2 5石子级配要求 GB T14685 2001 石子公称粒级的上限Dmax如5 20是常用的一种粒级 20mm是该粒级的上限 即最大粒径 最大粒径 最大粒径 Dmax的限制条件 经济性 Dmax增大 表面积减小 水泥用量减少 结构限制 Dmax 1 4结构截面最小尺寸 Dmax 3 4钢筋最小净距 Dmax 1 2实心板厚度 且Dmax 50mm 施工方面 Dmax过大 在搅拌 运输以及振捣时易产生离析或易损坏叶片 堵塞泵管或振捣不实 最大粒径 Dmax的限制条件 二种强度岩石立体强度压碎指标岩石的立方体强度 将岩石制成边长5cm的立方体 水饱和状态测抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比普通混凝土 1 5fcu高强混凝土 2 0fcu 5cm 5cm 5cm Fig4 2 3Sketchmaptomeasurecubicstrength 石子强度 石子强度也可根据岩石种类 参照表4 2 6选择 Tab4 2 6AggregateStrengthofdifferenttypes 石子强度 方法 将直径为10 20mm的碎石分三层装入标准圆筒内 按一定方法加压至200kN 再过2 5mm的筛 压碎指标 m0 压碎前干燥石料的质量 m1 压碎后干燥石料的质量 压碎指标的要求见表4 2 7和表4 2 8 Press Sife 压碎指标 Fig 4 2 4SketchmaptomeasureCrushingIndex 石子强度 石子压碎指标试验录像 压碎指标 表4 2 7碎石的压碎指标值 Tab 4 2 8卵石的压碎指标 GB T14685 2001 石子强度 采用哪种石子强度 岩石立体强度压碎指标岩石立体强度可用于高强混凝土 当二种方法有争议时 以岩石立体强度为准 Back 拌制混凝土用水必须选用洁净水 凡Ph 4的酸性水 硫酸盐含量 1 的工业废水不能使用 拌制钢筋混凝土及预应力混凝土不应使用硫酸盐 氯盐和氧化物的水 水中物质含量限制 见表4 2 9 4 2 3水 Back 表4 2 9水中物质含量限制 ContainingWaterContent esp SaturatedWaterContent Fig 4 2 5骨料的含水状态 Back 4 2 4 1外加剂 概述减水剂早强剂引气剂缓凝剂速凝剂膨胀剂防冻剂 Back 4 2 4混凝土添加剂 4 2 4 2矿物掺合料 定义分类应用 概述 Introduction 外加剂指在混凝土 砂浆拌合物中掺入的不超过水泥用量5 且能使混凝土 砂浆按要求改变性能的化学物质 定义 分类 改善流变性能 减水剂 引气剂和泵送剂等 调节凝结时间 硬化性能 缓凝剂 早强剂和速凝剂等 改造耐久性 引气剂 防水剂和阻锈剂等 改善其它性能 加气剂 膨胀剂 防冻剂和着色剂等 应用 采用外加剂是提高混凝土强度 改善性能 节约水泥和能源的最有效的方法之一 近几十年来混凝土外加剂的发展很快 国外许多国家外加剂的使用率达到60 80 有的甚至高达100 当前外加剂已成为混凝土的第五大组份 Back 减水剂 定义分类减水剂作用机理技术经济效果常用减水剂 定义在保持混凝土和易性不变的情况下 可显著减少拌合用水量的外加剂 或 在用水量不变的情况下 可显著增加拌合物流动性的外加剂 分类 按效能 普通减水剂 减水率为 10 和高效减水剂 10 又称为超塑化剂或流化剂 按对凝结时间的影响 标准型 缓凝型和促凝型按对含气量的影响 引气型和非引气型 减水剂 减水剂作用机理 表面活性剂可溶于水 定向排列于界面上 显著降低表面张力的物质 分子结构特点双亲基团 亲水基团 极性 如 OH COOH CO等 憎水基团 非极性 如长链烷基 减水剂作用机理 减水剂由亲水基团和憎水基团组成在混凝土拌合物表面定向吸附 其憎水基团指向水泥颗粒的内部 而亲水基团指向水中 通过以下三方面的作用 使絮凝结构解体 水泥质点表面电性相斥 溶剂化膜使滑动能力增加 分散度提高 流动性和强度增加 减水剂作用机理 技术经济效果 减水剂的技术经济效果列于表4 2 10 表4 2 10减水剂的技术经济效果 常用减水剂 木质素系萘系树脂系 木质素系减水剂 由木桨废液 经磺化 干燥制成 最常用木质素磺酸钙 木钙用量 0 2 0 3 效果 减水率为10 或使坍落度提高10cm左右 强度增加10 20 性能特点引气作用 使混凝土的含气量由2 缓凝作用 掺0 25 的M剂 凝结时间延迟1 3h增加为3 6 故使强度下降 但耐久性提高 应用 适用于大模板 滑模施工 大体积混凝土 泵送混凝土及夏季施工等 萘系减水剂 由煤焦油中分馏出萘及其同系物 经磺化缩合而成 主要成分为芳香属磺酸盐甲醛浓缩物 目前国产萘系减水剂常用的品种 NF NNO FDN UNF MF AF和建1等 Briefintroduction 简介 性能 掺量0 2 1 0 由于具有高分散性 属于高效减水剂减水率 15 增强率 20 节省水泥10 20 有微缓凝作用大部分为非引气型 不影响强度 萘系减水剂适宜配制高强混凝土高性能混凝土流态混凝土泵送混凝土冬季施工混凝土等 Application 应用 萘系减水剂 掺量0 5 2 减水率为20 30 分散 减水和增强的效果比萘系好早强型7天强度可达到28天的强度28天强度增加30 60 优点 缺点 价格贵 树脂系减水剂 树脂系减水剂属于高效减水剂我国的产品主要是蜜胺树脂 SM 减水效果最佳 Back 早强剂 定义应用常用早强剂氯盐类硫酸盐类三乙醇胺类 Back 定义 早强剂 能显著提高混凝土早期强度 而不明显影响后期强度的外加剂可广泛应用于冬季施工紧急抢修工程工期要求紧的工程举例早强剂可以使C20混凝土在16小时内达到拆模强度 1 5MPa 36小时达到在上面安装楼板的强度 3 0MPa 从而加快施工进度 应用 氯盐类早强剂 CaCl2是应用最广的品种效果好价格低使用方便 掺加0 5 1 氯盐类早强剂2 3d强度能够提高50 100 7d强度提高20 40 性能 提高早强 典型类型 CaCl2 与C3A和CH反应 生成新的水化产物 水化氯铝酸钙 在早期析出形成骨架 促进了水泥石结构的形成CH浓度降低这两种因素加速了C3S的水化因而 早期强度得到了提高 早强机理 早强机理 早强机理 Chloridehardeningaccelerator 硫酸钠是应用最广泛的品种 当硫酸盐掺量为1 1 5 时 混凝土强度达到设计强度70 的时间缩短50 硫酸盐类早强剂 典型类型 性能 提高早期强度 硫酸盐类早强剂 机理 TEA是有机胺类减水剂最主要的类型 它是浅色油状液体 掺量为0 02 0 05 有机胺类早强剂 典型类型 早期强度提高50 28d强度基本不变 有一定的缓凝作用 性能 提高早期强度 Back 引气剂 定义机理性能提高耐久性提高和易性降低混凝土强度应用常用引气剂 定义 指在混凝土拌和物中引入小气泡的物质 大量分散独立微小均匀 引气剂 Definition 引气剂 它是憎水性表面活性物质减小表面张力能定向吸附于气泡表面使混合搅拌过程中进入的空气形成不易破裂 微小 独立且均匀分布的气泡 机理 性能 引气剂 降低混凝土强度 提高和易性 提高耐久性 引气剂能够提高耐久性和可塑性 但是降低混凝土强度 性能怎样得到提高 引气剂改善孔结构 提高耐久性气泡起滚球轴承的作用 提高流动性及粘聚性提高含气量 降低强度 图4 2 2提高耐久性示意图 引气剂 这类外加剂常用于有冻融循环的环境中 在混凝土结构中不可避免地降低其强度 应用 常用引气剂 松香皂和松香热聚物等掺量为0 005 0 012 引入D 0 05 1 25mm的气泡使混凝土含气量达到2 6 缓凝剂和速凝剂 定义 能延缓混凝土凝结时间 而不显著影响混凝土后期硬化的外加剂常用类型 M剂 糖蜜 柠檬酸等应用大体积混凝土工程水工工程滑模施工高温季节施工搅拌与浇筑成型时间间隔较长的工程 缓凝剂 定义能使混凝土速凝 并能改善混凝土的粘结性和稳定性的外加剂 无机盐类速凝剂按其主要成分大致可分为三类 以铝酸钠为主要成分以铝酸钙为主要成分以硅酸盐为主要成分 速凝剂 缓凝剂和速凝剂 常用品种红星 型2 5 4 711型2 5 3 5 应用喷射混凝土 堵漏工程等性能初凝时间为5min终凝时间为10min在1小时内形成强度1天强度提高2 3倍28天强度约为不掺时的80 90 速凝剂 膨胀剂 定义能使混凝土产生补偿收缩或微膨胀的外加剂常用品种U型膨胀剂等性能掺量10 15 抗渗性提高 Back 防冻剂 Back 定义 使混凝土在负温下正常硬化的外加剂 起降低冰点 防冻 增进早强的作用常用品种NaNO2和Ca NO2 2掺1 8 降低冰点 早强 阻锈CaCl2和NaCl掺0 5 1 工程上使用的都是复合防冻剂 由防冻 早强 减水组分甚至引气组分复合 以提高防冻效果 4 3新拌混凝土的和易性 4 3 1混凝土的技术性质要求4 3 2和易性4 3 3测试方法4 3 4选择与分类4 3 5主要影响因素4 3 6提高和易性的措施 Back 混凝土的技术性质要求 混凝土的技术性质要求混凝土主要包括 和易性 强度 耐久性 经济性和体积稳定性等 Back 新拌混凝土的和易性 概念重要性流动性粘聚性保水性 Back 新拌混凝土硬化前的混凝土 又称混凝土拌合物和易性混凝土拌合物易于施工操作 并且获得均匀密实的混凝土的性质 概念 新拌混凝土的和易性 Fig 4 3 1ConcreteinConstruction 新拌混凝土的和易性决定了混凝土是否能正常施工 以满足硬化后的性能要求不同的混凝土工程对和易性有不同的要求 重要性 新拌混凝土的和易性 和易性 和易性的综合含义流动性 粘聚性 保水性 和易性流动性拌合物在自重或外力作用下产生流动 均匀 密实地填充模板的性能粘聚性施工过程中各种组成材料之间有一定的粘聚力 不致产生离析或分层现象 离析 由于密度和粒径不同 在外力作用下组成材料的分离析出的现象分层 层状离析离析和分层使混凝土不均匀 影响硬化后的性能 请点击右键选择 播放 观看Flash动画 和易性 保水性混凝土在施工过程中有一定的保持水分的能力 不致产生严重的泌水现象泌水水分从浆中分离出来 上浮至表面的现象 危害泌水通道或水囊 影响耐久性沉降 由于泌水使表面下降的现象 沉降龟裂浮浆妨碍与继续浇注的混凝土的粘结 必须去除浮浆 请点击右键选择 播放 观看Flash动画 Harm 泌水通道 净浆 沉降 耐久性降低 混凝土裂纹 降低粘结性 Back 指标定量测定坍落度值定性判断粘聚性和保水性适用范围Dmax 40mm坍落度 10mm 和易性测试 Back 坍落度试验 和易性可采用坍落度试验和维勃稠度试验二种方法进行测试 试验方法将拌合物按规定方法装入坍落度筒内 刮平 垂直提起坍落度筒 测量拌合物下落的距离 坍落度 筒高 塌落后拌合物的最高点 mmorcm 坍落度试验 Fig 4 3 2SlumpCone 和易性分析和判断流动性坍落度大 流动性大粘聚性 用捣棒在的拌合物的侧面轻轻敲打 出现图示的三种情况真实坍落 粘聚性好沿斜面下滑或骨料外露 粘聚性差崩裂保水性 观察稀浆析出较多的稀浆析出 保水性差无稀浆析出 保水性好 和易性测试 请点击右键选择 播放 观看Flash动画 适用范围 Dmax 40mm维勃稠度5 30s之间干硬性或低塑性混凝土试验方法将拌合物装入坍落度筒内 移开漏斗 把透明圆盘转至拌合物顶面 与之接触 开动振动台 计时 透明圆盘表面刚被水泥浆布满时 停止计时 记录的时间 维勃稠度值 和易性测试 维勃稠度试验 Fig4 3 3VebeConsistometerInstrument 维勃稠度试验 Back 分析和判断维勃稠度值小 拌合物稀 流动性大维勃稠度值大 拌合物稠 流动性小 在不影响施工操作和保证密实成型的前提下 应尽量选择较小的流动性 总原则 选择 根据构件截面的大小 捣实方法和钢筋疏密等条件确定 Back 选择与分类 Example 举例 选择与分类 当构件截面尺寸较小 人工捣实 钢筋较密时 坍落度选大些 反之 选小些 Tab4 3 1拌合物分类及应用 Back 组成材料的影响水灰比水泥浆数量Sp骨料环境因素的影响时间温度 和易性的影响因素 Back Back 水灰比 水泥浆稠度 当水泥用量一定时水灰比小 混凝土干 坍落度小 不易密实成型 水灰比过小 崩溃 粘聚性差 硬化后混凝土的强度及耐久性降低水灰比大 混凝土稀 坍落度大 易离析 分层 泌水 硬化后强度及耐久性降低水灰比合适 拌合物能均匀且密实成型 必须根据混凝土的强度和耐久性的要求来选择W C 组成材料的影响 W C的影响 LowW C Drycomposite Smallslump W C的影响 ExcessivelylowW C Compositewillbreakdown Lowviscidity Difficulttobecondensed Poorstrengthanddurability W C的影响 W C的影响 W C的影响 InfluenceofW C Back W C的影响 水泥浆数量 用水量或浆 集比 W C一定水泥浆多 流动性大 过多 流浆 粘聚性差 影响硬化后的性质水泥浆数量少 流动性小 不密实 过少崩溃 粘聚性差 影响硬化后的性质水泥浆数量适量 满足流动性的要求且有较好的粘聚性和保水性 根据施工要求的坍落度选择 水泥浆数量的影响 Back 组成材料的影响 水泥浆数量的影响 砂率Sp指混凝土中砂的质量占砂石总量的比例Sp S S G 当W和C一定时 Sp决定了骨料的空隙率和总表面积砂率过小 砂浆数量不足 对骨料的润滑作用差 流动性差且易离析砂率过大 总表面积大 水泥浆多用于包裹砂子及填空 润滑作用小 流动性小 砂率Sp的影响 Back 组成材料的影响 LowSp Lackofmortar Poorlubricationofthesurfaceofaggregates Poormobilityandtendtosegregate 合理砂率 最优砂率 在W和C一定时 使混凝土拌合物获得最大的流动性 且保持良好的粘聚性和保水性的砂率保持混凝土拌合物的坍落度一定的条件下 使水泥用量最低的砂率 合理砂率 Sp的选择 根据试验和经验选择 选择原则 在保证拌合物不离析 又能捣实的条件下 Sp应尽可能小些石子的大 且级配好 表面光滑 则Sp可小些砂较细 Sp小些W C小 水泥浆稠 Sp小些大流动性 Sp应大些 避免离析 掺外加剂时 Sp可小些有抗渗要求时 Sp应大些 Lowslump Highslump IncreasethecementpastewithfixedW C IncreasetheuseofaggregateswithfixedSp 如何调节和易性 Back 颗粒形状与表面特征级配最大粒径 骨料的影响 Back 和易性的影响因素 颗粒形状与表面特征 碎石或山砂的表面粗糙 多棱角 流动性差卵石或河砂的表面光滑 圆润 流动性好 级配 级配好 W一定时 空隙小 流动性好级配差 W一定时 空隙大 流动性差 Influenceofaggregates 最大粒径Dmax Dmax大 水泥浆一定时 表面积小 流动性好 Time 时间的影响 时间延长 水化作用 水分蒸发 骨料吸水 流动性 时间与坍落度的关系如图4 3 5的所示施工中 测坍落度在混凝土拌合物拌好15分钟内进行 Back 环境因素的影响 Time Fig 4 3 5RelationshipbetweenSlumpandTime Back 时间的影响 温度升高 流动性 温度与坍落度的关系如图4 3 6的所示 举例 海信立交桥施工 施工中为了保证一定的工作性 必须注意环境温度的影响 夏季混凝土拌合物用水量 冬季用水量 Fig 4 3 6RelationshipbetweenSlumpandTemperature Back 温度的影响 环境因素的影响 提高和易性的措施 当坍落度偏小时 保持W C不变 增加水泥浆的数量当坍落度偏大时 保持Sp不变 增加砂石的数量选择合理Sp改善骨料级配选择较大粒径的骨料采用添加剂 Back 4 4混凝土强度 混凝土质量荷载下的变形和破坏过程强度的定义普通混凝土的强度等级其它类型的强度强度影响因素提高强度的方法途径 Back 混凝土的质量通过下述值进行评定 强度耐久性体积稳定性 Back 混凝土质量 硬化的混凝土必须有足够的外力以承受结构荷载所造成的应力 由于拌合物的多样性 混凝土必须达到足够高的强度 强度 Back 混凝土质量 耐久性 混凝土必须能够承受各种劣化作用如 冻融循环干湿交替腐蚀和化学侵蚀 由于外部荷载和混凝土自身的化学反应作用 合格的混凝土应该有最小的收缩或膨胀 体积稳定性 Back 混凝土质量 受力变形和破坏过程 受压破坏过程初始裂纹单轴静力受压破坏 Back 受力变形和破坏过程 混凝土受压破坏形式 表4 4 1受力破坏形式 原因及可能性分析 在压力作用下混凝土破坏有三种破坏形式 破坏类型 原因和可能性分析如表4 4 1和图4 4 1所示 受力作用破坏类型 图4 4 1受力作用下的破坏类型 Back 由于混凝土界面初始裂纹的存在 界面破坏经常发生 初始裂纹是指混凝土受力前 粗骨料与砂浆界面等部位已有裂纹 初始裂纹示意图如图4 4 2 所示 初始裂纹 图4 4 2初始裂纹示意图 初始裂纹类型 干缩冷缩体积减缩沉缩塑性收缩泌水通道 Back 单轴静力受压破坏过程 机理混凝土在外力作用下 内部产生变形 变形增大 裂纹扩展 连通 使结构破坏 方法变形 破坏与内部裂纹变化通过力学试验 显微镜观察研究 抗压强度试验如录像所示抗压强度试验仪器如图4 4 3 所示 不同应力阶段混凝土内部裂缝示意图 Back 混凝土破坏过程与内部裂纹变化关系 表4 4 2混凝土破坏过程与内部裂纹变化关系 表4 4 2说明了混凝土破坏过程与内部裂纹变化关系 关于强度有三个重要的概念 混凝土立方体抗压强度混凝土强度保证率混凝土立方体抗压强度标准值 强度定义 Back 混凝土抗压强度 混凝土抗压强度试验录像 图4 4 3混凝土抗压强度试验仪器 概念边长为150mm的立方体试件 标准方法成型 标准条件养护 28d龄期的抗压强度 标准条件温度 20 3 湿度 90 标准条件养护试验仪器设备如图4 4 4 所示 混凝土立方体抗压强度 fcu 图4 4 4强度试验仪器 混凝土强度保证率P 混凝土强度保证率P 是指混凝土强度总体中大于设计强度等级的概率 图4 4 5混凝土强度保证率P 示意图 混凝土立方体抗压强度标准值是指具有95 以上强度保证率的立方体抗压强度 fcu P 95 fcu k 混凝土立方体抗压强度标准值 fcu k fcu k是结构设计强度取值的依据 fcu k被用于质量控制 fcu k被用于工程验收 例如 非统计法验收混凝土 平均值 1 15fcu k 最小值fcu min 0 95fcu k 说明 混凝土立方体抗压强度标准值 fcu k Back 普通混凝土强度等级 根据fcu k 划分普通混凝土强度等级的普通混凝土的十二个等级如下图所示 C25 concrete fcu k Back 轴心抗压强度fcp以150 150 300mm的棱柱体为标准试件 其它条件与立方体抗压强度相同 与抗压强度关系 fcp 0 7 0 8fcu 其它强度 Back 抗拉强度通过劈裂抗拉强度进行测试 劈裂抗拉强度试验仪器如录像中所示 抗拉强度 抗拉强度 原理在试件的两个相对的表面素线上作用着均匀分布的压应力 这样就能够在外力作用的竖向平面内产生均布拉伸应力 该力可据弹性理论计算得出 公式P 破坏荷载 NA 试件的劈裂面面积 mm 图4 4 6劈裂抗拉试验示意图 抗折强度 抗折强度通过三分点加荷试验测试 图4 4 7是混凝土抗折试验示意图试件 150 150 600 550 mm梁型试件 图4 4 7混凝土抗折强度试验示意图 公式 Back 混凝土抗折强度试验 水泥强度等级 水灰比 混凝土强度公式 骨料的影响 养护条件 试验条件 Back 强度影响因素 水泥强度等级 水泥强度等级对混凝土强度是很重要的一个因素 配合比相同时 水泥强度等级提高 水泥石本身的强度及与骨料的粘结强度高 混凝土的强度高 Back 上述规律的前提条件是混凝土密实成型 强度降低 过大的孔隙率 水泥用量过低 水泥强度等级过高 Back 水泥强度等级 水灰比 水泥品种及强度等级均相同的情况下 混凝土的强度取决于W C I W C在一定范围内 混凝土密实成型 W C降低 抗压强度增大 II 当W C过小 不能密实成型 W C降低 孔隙率升高 强度降低 I II w c过小 W C在一定范围内 W C 强度 W C 强度 人工振捣 f28 W C 机械振捣 图4 4 7f28与W C关系 水灰比 f28与W C关系如图4 4 7所示 正常水泥水化仅需水泥用量23 的水量 W C 0 23 为了使混凝土拌合物有较好的流动性 加入的拌合水量一般为水泥量的40 70 W C 0 4 0 7 多余的水分在混凝土中留下了许多孔隙 使混凝土的实际受力面积下降 形成应力集中 混凝土强度降低 水灰比 说明 水灰比 彻底排气 减少拌和用水量 密实度 强度 目前合理的方法是减少拌合用水并同时彻底排气 使混凝土密实度提高 提高混凝土的强度 目前 工程中采用下述的施工技术高速搅拌声波搅拌高频振幅多频振幅 水灰比 提高施工技术 Back 混凝土强度公式 公式 W C 0 3 0 8 适用范围 塑性和低塑性混凝土 fcu 混凝土28d抗压强度 Mpa fce 水泥的实际强度 fceb 水泥28d的抗压强度Kc 水泥的富裕系数 1 13AB 经验系数 与骨料的种类有关 AB碎石0 460 07卵石0 480 33 骨料的影响 骨料的影响 粗骨料的强度 粒径及级配等是影响混凝土强度的重要因素 Back 粗骨料的强度 裂纹扩展至骨料时绕界面而过 骨料强度高 混凝土强度高 Factorsofaggregate 当骨料强度高时 裂纹扩展至骨料时绕界面而过 混凝土强度高 Dmax对普通混凝土的影响小对于高强混凝土 Dmax提高 则强度降低 尺寸效应 粒径Dmax Dmax 强度 尺寸效应 粒径 无影响 W C 0 65 fcu碎石 1 38fcu卵石 W C 0 4 W C 0 65 表面特征对强度没有影响 W C 0 4fcu碎石 1 38fcu卵石 Back 表面特征 养护条件 混凝土起拿过度受到水泥水化程度和速度的影响 而这又受到湿度和温度的影响 温度越高 水泥的水花速度越快 混凝土强度越高 湿度越大 水泥水化程度越高 温度 水泥水化速度 混凝土强度 温度 水泥水化速度 混凝土强度 Back 养护条件 强度 温度和混凝土保持潮湿的日期的关系如动画 图4 4 8和图4 4 9 养护条件 温度对强度的影响 fcu 20 30 40 10 0 龄期 没有冻结 增长1天后冻结 增长7天后冻结 f28 养护 混凝土成型后一段时间内维持一定的温度和相对湿度 保证混凝土强度等性能的正常发展 这个过程叫做养护 有三种类型的养护 自然养护 蒸汽养护和蒸压养护 A 自然养护 自然温度和温度条件下养护 P P P O P S养护7d P P及P F养护14d 高铝水泥养护3d B 蒸汽养护 蒸汽养护压力 1个标准大气压温度 100 蒸汽养护可使掺混合材料水泥的28d提高10 40 P P 及P O降低10 15 C 压力 8个标准大气压温度 174 5 场所 高压釜中 蒸压养护 图4 4 10抗压强度和龄期的关系 龄期 适用范围 对数公式 f28 fn lg28 lgn fn 混凝土n天的强度f28 混凝土28天强度 标准条件养护 32 5 42 5级的P O n 3 Back 试验条件 Back 试验条件 环箍效应 混凝土试件受轴向压力作用压力机压板横向变形小于混凝土横向变形故混凝土试件在与压板的接触面上受到向内的约束力此力在范围内有效使混凝土强度提高 试件被破坏后上 下部各呈一个较完整的棱锥体 试件尺寸 3Dmax 尺寸效应 表4 4 3试件尺寸对混凝土强度的影响 混凝土强度的尺寸效应如表4 4 3所示 Back 采用高强度等级的水泥和快硬早强水泥 降低水灰比 提高混凝土密实度 采用干硬性混凝土 多用于预制构件或条件好的工地 强力振捣 其强度 1 4 1 8普通混凝土强度 湿热处理 可提高效率 节约场地提高强度采用机械搅拌和振捣 强力搅拌 高频振捣等工艺 掺外加剂及掺合料 代表混凝土的发展方向 Back 提高混凝土强度的途径 4 5混凝土耐久性 定义重要性抗渗性抗冻性碳化 中性化碱骨料反应提高耐久性的措施 Back 混凝土抵抗环境介质作用 并长期保持良好的使用性能和外观完整性 从而维持混凝土结构安全 正常使用的能力 简单地说 耐久性指混凝土在长期使用中能保持质量稳定的性质 包括 抗渗性抗冻性防腐抗碳化耐磨损耐碱骨料反应等 定义 Back 材料破坏所引起的结构修理和更换在整个施工预算中占有很大的比重 总投资的较大比例用于现有结构的修理和维护 防止材料过早和突然破坏所导致的人身和经济两者损失 耐久性的重要性 图4 5 1工程中混凝土的劣化 材料破坏所引起的结构修理和更换在整个施工预算中占有很大的比重 工业发达国家建筑工业总投资40 以上用于现有结构的修理和维护 60 以下用于新的设施 图4 5 2建设投资比例 耐久性的重要性 Back 混凝土抵抗压力水渗透的能力 抗渗性是混凝土耐久性的一个重要标志 直接影响混凝土的抗冻和防腐性等 抗渗性 定义 图4 5 3抗渗示意图 Back 图4 5 4抗渗试验仪器设备 以28天令期标准试件 按规定方法检验混凝土所能承受的最水压力 MPa 例如 P2 P4 P8分别表示混凝土能抵抗0 2 0 4 0 8MPa的水压力而不渗水 抗渗等级 提高密实度 改善孔隙构造等如减小W C 掺加引气剂 膨胀剂 提高抗渗性的措施 图4 5 5海工混凝土柱的开裂 Back 混凝土吸水饱和后 能抵抗冻融循环作用 不破坏的性质 混凝土的密实度 孔隙数量及构造 孔隙的充水程度均是决定抗冻性的重要因素 对寒冷地区 与水接触 且受冻的环境中使用的混凝土 采用F50以上的抗冻混凝土 定义 Back 抗冻性 抗冻等级以28天试件在吸水饱和后 承受反复冻融循环 抗压强度下降不大于25 重量损失不超过5 时所能承受的最大冻融循环的次数表示 抗冻等级 例如 F25 F50 F100 F300 选择抗冻等级应根据当地气候 环境及构筑物类别选择 如环境为海水 每天两次涨落 冬季 北方 混凝土频繁受冻融循环 如天津新港 每冬可能发生冻融循环82次 选F250 图4 5 6抗冻试验仪器设备 Back 碳化 中性化 图4 5 7混凝土碳化示意图 碳化是指混凝土中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应 碳化引起混凝土的中性化 使混凝土保护钢筋的性能降低减弱对钢筋的保护增大混凝土的收缩 产生细微裂纹使抗压强度增加 回弹法应考虑 CaCO3堵孔 碳化放出水分 有利水泥水化 Back 图4 5 8碳化试验仪器设备 影响碳化的主要因素水泥品种 有掺合料的碳化快 水灰比碳化时间湿度CO2浓度外加剂 碳化 中性化 碱骨料反应 图4 5 9碱骨料反应示意图 水泥中碱性物质 氧化钠或氧化钾 过多 且粗骨料中含有活性成分 活性氧化硅或活性氧化铝 二者反应生成碱 硅酸凝胶 引起体积膨胀 使混凝土开裂 最终破坏的现象 水泥含碱量高 0 6 骨料含活性氧化硅水份 碱骨料反应的条件 Alkali aggregateReaction 图4 5 10碱骨料反应条件示意图 Back 合理选择水泥品种控制最大水灰比和最少水泥用量选择合适的骨料选择合适的掺合料和外加剂保证施工质量 提高混凝土耐久性的措施 Back 什么是配合比任务基本要求原理方法和步骤初步计算配合比确定基准配合比实验室配合比施工配合比 4 6混凝土配合比设计 Back 什么是配合比 配合比表示混凝土中各组成材料用量之间的比例关系表示方法用1m 混凝土中各种材料的重量表示CSGW Kg m 3007201200180用各种材料的重量比例表示 水泥用量为1 C S G 1 2 4 4 0W C 0 6如果掺外加剂 其用量以水泥重量的百分数表示 Back 混凝土配合比设计的任务 根据以下因素合理选择原材料技术性质结构要求施工条件确定出满足工程所要求的技术经济指标确定材料的用量 Back 配合比设计基本要求 强度 符合结构设计的要求和易性 符合施工条件的要求耐久性 符合工程环境的要求经济合理 Back 混凝土配合比设计的原理 Back 混凝土配合比设计的基本原理是建立在混凝土性能变化规律的基础 普通混凝土配合比由四个基本变量 C W S G 方法和步骤 Back 一 初步计算配合比 确定混凝土的试配强度依照普通混凝土配合比设计规范 JGJ55 2000 混凝土的试配强度由下式计算 fcu 0 混凝土的试配强度 MPa fcu k 设计要求的混凝土立方体抗压强度标准值 混凝土强度离散程度 1 Back 如何得到 值 有统计资料时 可参考下式计算 无统计资料时 可参考下表选择 表4 6 1 值的选择 确定水灰比根据强度计算 2 确定水灰比依据耐久性核对为了保证混凝土的耐久性 W C不得大于满足耐久性要求的最大W C 表4 6 2 否则取规范中规定的最大值 2 表4 6 2最大水灰比和最小水泥用量 表4 6 3干硬性和塑性混凝土的用水量 确定单位用水量 3 根据坍落度 粗骨料的种类和最大粒径 参考表4 6 3确定用水量 当材料确定时 在一定的水灰比范围内 达到一定的流动性要求 拌和用水量基本是一定的 相同的用水量形成相同流动性的情况下 不同的水灰比将产生不同的混凝土强度 根据该原理 可以选择满足一定坍落度要求的混凝土拌合用水量 固定用水量原理 确定单位水泥用量 水泥的用量由下式来计算 此外 为了满足耐久性的要求 计算出的单位水泥用量不应低于表4 6 2中所规定的最小水泥用量 4 5 选择合理的砂率 Sp 计算法 查表法在表4 6 4中 选择Sp值 试验法 通过坍落度的试验选择Sp 表4 6 4选择Sp 两种方法计算砂和石的用量 绝对体积法假定表观密度法 计算砂 S0 及石 G0 的用量 6 计算砂 S0 及石 G0 的用量 6 C0 S0 G0 W0 混凝土组分的单位用量 0s 0g 砂和石的表观密度 近似密度 混凝土的含气量 不使用外加剂时为1 绝对体积法 假设混凝土的组成材料的体积总和为1 计算砂 S0 及石 G0 的用量 假定表观密度法 假定混凝土的表观密度为常数 普通混凝土为2000 2400 6 当C0 S0 G0 W0按照上述的步骤确定后 我们称之为初步配合比 仍然需要进一步的工作确定混凝土最终的配比 首先 按照初步配合比配制混凝土 评估其可行性 按照下表调整配合比 Back 二 基准配合比 概念 初步计算配合比经和易性试拌调整所得到的配合比称为基准配合比 调整和易性的步骤和方法坍落度试验按初步配合比称料 拌匀并测坍落度 同时观察粘聚性和保水性 和易性调整 见表4 6 5坍落度满足要求后 测出试拌调整后的实际表观密度 供确定试验室配合比使用 确定基准配合比C拌 Co CS拌 So SG拌 Go GW拌 Wo W Back 如何调整和易性 表4 6 5调整混凝土和易性 三 试验室配合比 基准配合比经强度检验调整所得到的配合比称为试验室配合比 采用三组不同的配合比同时进行强度检验 Group1 W C基准WSpGroup2 W C基准 0 05WSpGroup3 W C基准 0 05WSp Back 两种选择方法 选择强度满足要求 且水泥用量最少的配合比 作图或计算 由三组配合比作出f C W图 求出与Rh对应的C W 即为所求的配合比 三 试验室配合比 三 试验室配合比 显然 在实验室中配制1m3混凝土并不实用 所以 配合比仍然需要根据下式进行表观密度校正 ohr 混凝土拌合物的测试密度 ohc 混凝土拌合物的计算密度 If ohr ohc 2 ohc 不需要校正 上述方法确定的配合比即为试验室配合比 If ohr ohc 2 ohc 各材料用量均乘以 换算为1m3混凝土各材料用量 四 施工配合比 考虑到砂和石中的含水量 实验室配合比应根据下式换算成施工配合比 C CS S 1 a G G 1 b W W S a G b C S G W 施工配合比中的各组分含量C S G W 实验室配合比中的各组分含量a b 砂和石的含水量 Back 4 7新型混凝土 4 7 1混凝土第六组分4 7 2高强混凝土 HSC 4 7 3高性能混凝土 HPC 4 7 4泵送混凝土4 7 5水下不分散混凝土 NDC 4 7 6耐海水混凝土4 7 7绿色混凝土 Back 4 7 1混凝土第六组分 概述改性型第六组分功能型第六组分智能型第六组分 Back 混凝土第六组分是指除水泥 水 砂 石及化学外加剂之外的 用于改善混凝土性能或增加其功能或赋予其智能的成分 按其特性可分为三大类 改性型功能型智能型 概述 Back 改性型第六组分 改性型第六组分主要作用是显著改善混凝土物理力学性能主要有矿物外加剂聚合物各类纤维 矿物外加剂 矿物外加剂是在混凝土搅拌过程中加入的 具有一定细度和活性的用于改善混凝土拌合物和硬化混凝土性能 特别是混凝土耐久性 的某些矿物产品 矿物外加剂主要品种有硅灰磨细粉煤灰矿渣微粉沸石粉等 改性型第六组分 聚合物 聚合物水泥混凝土和砂浆的性能主要是受聚合物的种类 掺量的影响 纤维 在传统混凝土中掺入碳纤维 钢纤维 有机纤维等纤维 可提高混凝土的抗拉 韧性 抗裂 抗疲劳等性能 改性型第六组分 图4 7 1纤维增强水泥基复合材料受弯时典型的荷载 挠度曲线 Back 功能型第六组分 功能型第六组分可赋予混凝土特殊功能 如防辐射防静电补偿收缩水耐磨保温隔热等这类第六组分主要用于配制功能混凝土 导电混凝土 导电混凝土的导电组分的掺量存在一个临界值 当导电组分的掺量超过该临界值时 复合材料的电导率急剧增加 如图4 7 2所示 功能型第六组分 图4 7 2水泥基导电复合材料的导电率与碳纤维掺量的关系 Back 智能型第六组分 智能型混凝土包括交通导航混凝土损伤自诊断混凝土调湿混凝土温度自监控混凝土温度自监控混凝土在最高温度为70 最大温差为l5 的范围内 温差电动势与温差之间具有良好稳定的线性关系 如图4 7 3所示 随养护龄期延长 温差电动势率趋于稳定 如图4 7 4所示 Back 图4 7 3水泥基复合材料温差电动势与温差的关系 图4 7 4养护龄期对热电效应的影响 仿生自愈合混凝土 图4 7 5仿生自愈合水泥基复合材料自愈合机理示意图 Back 4 7 2高强混凝土 HSC 简介原材料选择水泥优质骨料高效减水剂决定混凝土强度的主要因素 Back 简介 在我国 HSC应被认为是强度等级不低于C60的混凝土 它是采用以下方法制取的混凝土优质骨料等级不低于42 5级的水泥较低的水灰比在强烈振动密实作用下 高效减水剂的使用 为配制高强度大流动性混凝土创造了条件 HSC的分类见表4 7 1 Back 表4 7 1高强混凝土的类型 胶凝材料 水泥品质品种与等级水泥的矿物组成和细度水泥用量 高强混凝土原材料选择 Back 水泥的品种和等级 配制高强混凝土 没有必要采用快硬水泥 一般 常用这样品种的水泥 因为这些水泥可以获得较高的最终强度 如 等级较高的硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥 过去 配制高强混凝土是比较困难的 所选水泥的等级往往是混凝土对应强度等级的0 9 1 5倍 也就是说 水泥的等级一般应高于相应混凝土的强度等级 有时可以