土木建筑专业 建筑材料学 习题课02 附解析

建筑材料建筑材料 习题课习题课 二 二 混凝土混凝土 例 4 1 普通混凝土的主要组成材料有哪些 各组成材料在硬化前后的作用如何 解 普通混凝土的主要组成材料有水泥 细骨料 砂 粗骨料 石 和水 另外还常加入适量的掺合料和外加剂 在混凝土中 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 在混凝土硬化前 水泥浆起润滑作用 赋 予拌合物一定的流动性 粘聚性 便于施工 在硬化后则起到了将砂 石胶结为一个整体的作用 使混凝土具有一定的强 度 耐久性等性能 砂 石在混凝土中起骨架作用 可以降低水泥用量 减小干缩 提高混凝土的强度和耐久性 例 4 2 配制混凝土应考虑哪些基本要求 解 配制混凝土应考虑以下四项基本要求 即 1 满足结构设计的强度等级要求 2 满足混凝土施工所要求的和易性 3 满足工程所处环境对混凝土耐久性的要求 4 符合经济原则 即节约水泥以降低混凝土成本 评注 强度要求达到 95 强度保证率 经济原则是在满足强度要求 和易性要求 耐久性要求的前提下 尽量降低高 价材料 水泥 的用量 达到降低成本的目的 例 4 3 何谓骨料级配 骨料级配良好的标准是什么 解 骨料级配是指骨料中不同粒径颗粒的组配情况 骨料级配良好的标准是骨料的空隙率和总表面积均较小 使用良好级配的骨料 不仅所需水泥浆量较少 经济性好 而且还可提高混凝土的和易性 密实度和强度 评注 石子的空隙是由砂浆所填充的 砂子的空隙是由水泥浆所填充的 砂子的空隙率愈小 则填充的水泥浆量越少 达到同样和易性的混凝土混合料所需水泥量较少 因此可以节约水泥 砂粒的表面是由水泥浆所包裹的 在空隙率相同的条件下 砂粒的比表面积愈小 则所需包裹的水泥浆也就愈少 达 到同样和易性的混凝土混合料 其水泥用量较少 由此可见 骨料级配良好的标准应当是空隙率小 同时比表面积也较小 例 4 4 为什么要限制砂 石中活性氧化硅的含量 它对混凝土的性质有什么不利作用 解 混凝土用砂 石必须限制其中活性氧化硅的含量 因为砂 石中的活性氧化硅会与水泥或混凝土中的碱产生碱骨料反 应 该反应的结果是在骨料表面生成一种复杂的碱一硅酸凝胶 在潮湿条件下由于凝胶吸水而产生很大的体积膨胀将硬化 混凝土的水泥石与骨料界面胀裂 使混凝土的强度 耐久性等下降 碱骨料反应往往需几年 甚至十几年以上才表现出来 故需限制砂 石中的活性氧化硅的含量 例 4 5 为什么在拌制混凝土时 砂的用量应按质量计 而不能以体积计量 解 砂子的体积和堆积密度与其含水状态紧密相关 随着含水率的增大 砂颗粒表面包裹着一层水膜 引起砂体积增大 当砂的含水率为 时 其体积最大而堆积密度最小 砂的体积可增加 20 30 若含水率继续增大 砂表面水 膜增厚 由于水的自重超过砂粒表面对水的吸附力而产生流动 并迁入砂粒间的空隙中 于是砂粒表面的水膜被挤破消失 砂体积减小 当含水率达 左右时 湿砂体积与干砂相近 含水率继续增大 则砂粒互相挤紧 这时湿砂的体积可小 于干砂 由此可知 在拌制混凝土时 砂的用量应按质量计 而不能以体积计量 以免引起混凝土拌合物砂量不足 出现离析 和蜂窝现象 评注 气干状态的砂随着其含水率的增大 砂颗粒表面形成一层吸附水膜 推挤砂粒分开而引起砂体积增大 这种现 象称为砂的湿胀 其中细砂的湿胀要比粗砂大得多 例 4 某干砂 500g 的筛分结果如下表所列 试计算该砂的细度模数并评定其级配 例 4 某干砂 500g 的筛分结果如下表所列 试计算该砂的细度模数并评定其级配 筛孔尺寸 筛孔尺寸 mm 5 0 2 5 1 25 0 63 0 315 0 16 筛余量筛余量 5 100 150 145 80 20 解 计算各筛的分计筛余百分数和累计筛余百分数如下表 解 计算各筛的分计筛余百分数和累计筛余百分数如下表 筛孔筛孔 尺寸尺寸 分计筛余量 分计筛余量 g 分计筛余 分计筛余 累计筛余 累计筛余 5 0 5 a1 5 500 1 A1 a1 1 2 5 100 a2 100 500 20 A2 A1 a2 21 1 25 150 a3 150 500 30 A3 A2 a3 51 0 63 145 a4 145 500 29 A4 A3 a4 80 0 315 80 a5 80 500 16 A5 A4 a5 96 0 16 20 a6 20 500 4 A6 A5 a6 100 计算细度模数 1 165432 100 5 A AAAAAA Mx 43 3 1100 510096805121 根据细度模数 该砂属粗砂 在级配区内画出该砂的筛分曲线 见图 4 1 该曲线落 在 区 粗砂区 内 说明该砂为粗砂 级配合格 评注 x 在 3 7 3 1 为粗砂 x 在 3 0 2 3 为中砂 x 在 2 2 1 6 为细砂 x 在 1 5 0 7 为特细砂 例 4 7 什么是石子的最大粒径 工程上石子的最大粒径是如何确定的 解 粗骨料公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径 工程上对混凝土中每立方米水泥用量小于 170 kg 的贫混凝土 采用较大粒径的粗骨料对混凝土强度有利 特别在大体积 混凝土中 采用大粒径粗骨料 对于减少水泥用量 降低水泥水化热有着重要的意义 不过对于结构常用的混凝土 尤其 是高强混凝土 从强度观点来看 当使用的粗骨料最大粒径超过 40mm 后 并无多大好处 因为这时由于减少用水量获得 的强度提高 被大粒径骨料造成的较少粘结面积和不均匀性的不利影响所抵消 因此 只有在可能的情况下 粗骨料最大 粒径应尽量选用大一些 但最大粒径的确定 还要受到混凝土结构截面尺寸及配筋间距的限制 按 混凝土结构工程施工及验收规范 规定 混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的 1 4 且不得大于钢筋间最小净距的 3 4 对于混凝土实心板 骨料的最大粒径不宜超过板厚的 1 2 且不得超过 50mm 评注 粗骨料最大粒径增大时 骨料总表面积减小 因此包裹其表面所需的水泥浆量减少 可节约水泥 并且在一定 和易性及水泥用量条件下 能减少用水量而提高混凝土强度 因此 在可能的情况下 粗骨料最大粒径应尽量选用大一些 最大粒径的选用 除了受结构上诸因素的限制外 还受搅拌机以及输送管道等条件的限制 例 4 8 砂 石中的粘土 淤泥 细屑等粉状杂质及泥块对混凝土的性质有哪些影响 解 砂 石中的粘土 淤泥 细屑等粉状杂质含量增多 为保证拌合料的流动性 将使混凝土的拌合用水量 增大 即 增大 粘土等粉状物还降低水泥石与砂 石间的界面粘结强度 从而导致混凝土的强度和耐久性降低 变形增大 若保持强度不降低 必须增加水泥用量 但这将使混凝土的变形增大 泥块对混凝土性能的影响与上述粉状物的影响基本相同 但对强度和耐久性的影响程度更大 评注 粘土 淤泥 细屑等粉状杂质本身强度极低 且总表面积很大 因此包裹其表面所需的水泥浆量增加 造成混 凝土的流动性降低且大大降低了水泥石与砂 石间的界面粘结强度 例 4 9 简述石子的连续级配及间断级配的特点 解 石子的连续级配是将石子按其尺寸大小分级 其分级尺寸是连续的 连续级配的混凝土一般和易性良好 不易发生离 析现象 是常用的级配方法 石子的间断级配是有意剔除中间尺寸的颗粒 使大颗粒与小颗粒间有较大的 空档 按理论计算 当分级增大时 骨 料空隙率降低的速率较连续级配大 可较好地发挥骨料的骨架作用而减少水泥用量 但容易产生离析现象 和易性较差 评注 颗粒级配对于混凝土的强度 质量 和易性 节约水泥等都具有重要意义 石子的连续级配及间断级配一般 由各种单粒级组合为所要求的级配 单粒级也可与连续级配混合使用 以改善级配或配成较大粒度的连续级配 例 4 10 普通混凝土中使用卵石或碎石 对混凝土性能的影响有何差异 解 碎石表面粗糙且多棱角 而卵石多为椭球形 表面光滑 碎石的内摩擦力大 在水泥用量和用水量相同的情况下 碎石拌制的混凝土由于自身的内摩擦力大 拌合物的流动性降低 但碎石与水泥 石的粘结较好 因而混凝土的强度较高 在流动性和强度相同的情况下 采用碎石配制的混凝土水泥用量较大 而采用卵 石拌制的混凝土的流动性较好 但强度较低 当水灰比大于 0 65 时 二者配制的混凝土的强度基本上没有什么差异 然而 当水灰比较小时强度相差较大 评注 碎石与水泥石的粘结性好 这对配制高强混凝土特别有利 越小 碎石同卵石的界面粘结程度的差异越 大 对混凝土强度的影响也越大 此外一般情况下 碎石的强度高于卵石的强度 这对提高混凝土的强度也是有利的 例 4 11 为什么不宜用高强度等级水泥配制低强度等级的混凝土 为什么不宜用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝 土 解 采用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时 只需少量的水泥或较大的水灰比就可满足强度要求 但却满足不了施 工要求的良好的和易性 使施工困难 并且硬化后的耐久性较差 因而不宜用高强度等级水泥配制低强度等级的混凝土 用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土时 一是很难达到要求的强度 二是需采用很小的水灰比或者说水泥用量 很大 因而硬化后混凝土的干缩变形和徐变变形大 对混凝土结构不利 易于干裂 同时由于水泥用量大 水化放热量也 大 对大体积或较大体积的工程也极为不利 此外经济上也不合理 所以不宜用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土 评注 若用低强度水泥来配制高强度混凝土 为满足强度要求必然使水泥用量过多 这不仅不经济 而且使混凝土收 缩和水化热增大还将因必须采用很小的水灰比而造成混凝土太干 施工困难 不易捣实 使混凝土质量不能保证 如果用 高强度水泥来配制低强度混凝土 单从强度考虑只须用少量水泥就可满足要求 但为了又要满足混凝土拌合物和易性及混 凝土耐久性要求 就必须再增加一些水泥用量 这样往往产生超强现象 也不经济 当在实际工程中因受供应条件限制而 发生这种情况时 可在高强度水泥中掺入一定量的掺合料 如粉煤灰 即能使问题得到较好解决 例 4 12 为什么不宜用海水拌制混凝土 解 用海水拌制混凝土时 由于海水中含有较多硫酸盐 SO42 约 2400 g 混凝土的凝结速度加快 早期强度提 高 但 天及后期强度下降 28 强度约降低 10 同时抗渗性和抗冻性也下降 当硫酸盐的含量较高时 还可能对 水泥石造成腐蚀 同时 海水中含有大量氯盐 C 约 15000 g L 对混凝土中钢筋有加速锈蚀作用 因此对于钢 筋混凝土和预应力混凝土结构 不得采用海水拌制混凝土 评注 对有饰面要求的混凝土 也不得采用海水拌制 因为海水中含有大量的氯盐 镁盐和硫酸盐 混凝土表面会产 生盐析而影响装饰效果 例 4 13 什么是混凝土的和易性 它包括有几方面涵义 解 和易性是指混凝土拌合物能保持其组成成分均匀 不发生分层离析 泌水等现象 适于运输 浇筑 捣实成型等施工 作业 并能获得质量均匀 密实的混凝土的性能 和易性包括流动性 粘聚性和保水性三方面的涵义 流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振捣力的作用下 能产生流动并均匀密实地充满模型的性能 粘聚性是指混凝土拌合物内部组分间具有一定的粘聚力 在运输和浇筑过程中不致发生离析分层现象 而使混凝土能 保持整体均匀的性能 保水性是指混凝土拌合物具有一定的保持内部水分的能力 在施工过程中不致产生严重的泌水现象的性能 评注 混凝土拌合物的流动性 粘聚性及保水性 三者是互相关联又互相矛盾的 当流动性很大时 则往往粘聚性和 保水性差 反之亦然 因此 所谓拌合物和易性良好 就是要使这三方面的性质在某种具体条件下 达到均为良好 亦即 使矛盾得到统一 例 4 14 混凝土的流动性如何表示 工程上如何选择流动性的大小 解 混凝土拌合物的流动性以坍落度或维勃调度作为指标 坍落度适用于流动性较大的混凝土拌合物 维勃稠度适用于干 硬的混凝土拌合物 工程中选择混凝土拌合物的坍落度 主要依据构件截面尺寸大小 配筋疏密和施工捣实方法等来确定 当截面尺寸较 小或钢筋较密 或采用人工插捣时 坍落度可选择大些 反之 如构件截面尺寸较大 钢筋较疏 或采用振动器振捣时 坍落度可选择小些 评注 正确选择混凝土拌合物的坍落度 对于保证混凝土的施工质量及节约水泥 有重要意义 在选择坍落度时 原 则上应在不妨碍施工操作并能保证振捣密实的条件下 尽可能采用较小的坍落度 以节约水泥并获得质量较高的混凝土 例 4 15 影响混凝土拌合料和易性的因素有哪些 解 影响混凝土拌合料和易性的因素主要有以下几个方面 水泥浆的数量 水泥浆越多则流动性越大 但水泥浆过多时 拌合料易产生分层 离析 即粘聚性明显变差 水泥 浆太少则流动性和粘聚性均较差 水泥浆的稠度 稠度大则流动性差 但粘聚性和保水性则一般较好 稠度小则流动性大 但粘聚性和保水性较差 3 砂率 砂率大则骨料的比表面积大 使流动性降低或需增加用水量 但粘聚性和保水性好 砂率小则流动性提高 但 粘聚性和保水性降低 砂率过小时则流动性也降低 合理砂率 最佳砂率 有最大的流动性 其他影响因素 水泥品种 骨料种类 粒形和级配以及外加剂等 都对混凝土拌合物的和易性有一定影响 评注 在工程实践中要改善混凝土和易性 一般可采取如下四条措施 尽可能降低砂率 采用合理砂率 有利于提高混凝土质量和节约水泥 改善砂 石级配 采用良好级配 尽可能采用粒径较大的砂 石为好 保持水灰比不变的情况下 增加水泥浆用量或加入外加剂 一般指的是减水剂 例 4 16 何谓砂率 何谓合理砂率 影响合理砂率的主要因素是什么 解 砂率是混凝土中砂的质量与砂和石总质量之比 合理砂率是指用水量 水泥用量一定的情况下 能使拌合料具有最大流动性 且能保证拌合料具有良好的粘聚性和保水性 的的砂率 或是在坍落度一定时 使拌合料具有最小水泥用量的砂率 影响合理砂率的主要因素有砂 石的粗细 砂 石的品种与级配 水灰比以及外加剂等 石子越大 砂子越细 级配 越好 水灰比越小 则合理砂率越小 采用卵石和减水剂 引气剂时 合理砂率较小 评注 砂率表示混凝土中砂子与石子二者的组合关系 砂率的变动 会使骨料的总表面积和空隙率发生很大的变化 因此对混凝土拌合物的和易性有显著的影响 当砂率过大时 骨料的总表面积和空隙率均增大 当混凝土中水泥浆量一定的情况下 拌合物就显得干稠 流动性就 变小 如要保持流动性不变 则需增加水泥浆 就要多耗用水泥 反之 若砂率过小 则拌合物中显得石子过多而砂子过 少 形成砂浆量不足以包裹石子表面 并不能填满石子间空隙 使混凝土产生粗骨料离析 水泥浆流失 甚至出现溃散等 现象 例 4 17 现场浇灌混凝土时 严禁施工人员随意向混凝土拌合物中加水 试从理论上分析加水对混凝土质量的危害 解 现场浇灌混凝土时 施工人员向混凝土拌合物中加水 虽然增加了用水量 提高了流动性 但是将使混凝土拌合料的 粘聚性和保水性降低 特别是因水灰比 的增大 增加了混凝土内部的毛细孔隙的含量 因而会降低混凝土的强度和 耐久性 并增大混凝土的变形 造成质量事故 故现场浇灌混凝土时 必须严禁施工人员随意向混凝土拌合物中加水 评注 不能采用仅增加用水量的方式来提高混凝土的流动性 施工现场万一必须提高混凝土的流动性时 必须在保证 水灰比不变的情况下 既增加用水量 又增加水泥用量 例 4 18 影响混凝土强度的主要因素有哪些 怎样影响 解 影响混凝土抗压强度的主要因素有 1 水泥强度等级和水灰比 水泥强度等级越高 混凝土强度越高 在能保证密实成型的前提下 水灰比越小强度越高 2 骨料品种 粒径 级配 杂质等 采用粒径较大 级配较好且干净的碎石和砂时 可降低水灰比 提高界面粘结强度 因而混凝土的强度高 3 养护温度 湿度 温度 湿度对混凝土强度的影响是通过影响水泥的水化凝结硬化来实现的 温度适宜 湿度较高时 强度发展快 反之 不利于混凝土强度的增长 4 龄期 养护时间越长 水化越彻底 孔隙率越小 混凝土强度越高 5 施工方法 主要指搅拌 振捣成型工艺 机械搅拌和振捣密实作用强烈时混凝土强度较高 评注 水灰比 W C 是影响混凝土抗压强度的最主要的因素 这种影响从实质上是水灰比影响了混凝土的孔隙率 即混凝土内水泥石的孔隙率 水灰比越大 则混凝土中水泥石的毛细孔隙率越大 因而强度越低 同时当水灰比较大时 水易在粗骨料的下表面聚集 形成具有一定厚度的水层 即界面裂纹 或界面孔隙 降低了界面粘结强度 从而使混凝 土的强度下降 例 4 19 提高混凝土强度的主要措施有哪些 解 提高混凝土强度主要有以下措施 1 采用高强度等级水泥 2 尽量降低水灰比 3 采用级配良好且干净的砂和碎石 高强混凝土宜采用最大粒径较小的石子 4 掺加高效减水剂和掺合料 若要提高早期强度也可以掺加早强剂 5 加强养护 保证有适宜的温度和较高的湿度 也可采用湿热处理 蒸汽养护 来提高早期强度 对掺活性混合材料多 的水泥还可提高后期强度 6 加强搅拌和振捣成型 评注 以 硅灰等量取代混凝土中的水泥 并同时掺入高效减水剂 可配制出 100MPa 的高强度混凝土 硅灰又称凝聚硅灰或硅粉 硅灰成分中 SiO2 含量高达 以上 主要是非晶态的无定形 SiO2 火山灰活性极高 硅灰 中的 SiO2 在早期即可与 Ca OH 2 发生反应 生成水化硅酸钙 大大提高混凝土强度 例 4 20 现场质量检测取样一组边长为 的混凝土立方体试件 将它们在标准养护条件下养护至 天 测得混 凝土试件的破坏荷载分别为 306 286 270 试确定该组混凝土的标准立方体抗压强度 立方体抗压强度标准值 并确定其强度等级 假定抗压强度的标准差为 3 0 a 解 100mm 混凝土立方体试件的平均强度为 MPaf5 28 3100100 270286306 10 换算为标准立方体抗压强度 MPaf1 2795 05 28 15 混凝土立方体抗压强度标准值为 150 1 645 27 11 6453 022 2 k ff MPa 故该组混凝土的强度等级为 C20 评注 边长为 100mm 混凝土立方体试件的强度换算系数为 0 95 混凝土立方体抗压强度标准值为具有 95 强度保证率的 混凝土抗压强度值 95 强度保证率的概率度 t 为 1 645 例 4 21 配制混凝土时 制作 10cm 10cm 10cm 立方体试件 块 在标准条件下养护 7d 后 测得破坏荷载分别为 140 kN 135kN 140kN 试估算该混凝土 28d 的标准立方体抗压强度 解 7 龄期时 10 混凝土立方体的平均强度为 MPaf8 13 3100100 140135140 换算为标准立方体抗压强度 MPaf1 1395 08 13 7 龄期时 MPaff4 221 1371 1 7lg 28lg 728 该混凝土 的标准立方体抗压强度为 22 4 Pa 评注 实践证明 由中等强度等级的普通水泥配制的混凝土 在标准养护条件下 其强度发展大致与其龄期的常用对数成 正比关系 其经验估算公式如下 例 4 22 混凝土产生干缩湿胀的原因是什么 影响混凝土干缩变形的因素有哪些 解 混凝土在干燥空气中存放时 混凝土内部吸附水分蒸发而引起凝胶体失水产生紧缩 以及毛细管内游离水分蒸发 毛 细管内负压增大 也使混凝土产生收缩 称为干缩 混凝土在水中硬化时 体积不变 甚至有轻微膨胀 称为湿胀 这是 由于凝胶体中胶体粒子的吸附水膜增厚 胶体粒子间距离增大所致 影响混凝土干缩的因素有 水泥品种和细度 水灰比 水泥用量和用水量等 火山灰质硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥 干缩大 水泥越细 收缩也越大 水泥用量多 水灰比大 收缩也大 混凝土中砂石用量多 收缩小 砂石越干净 捣固 越好 收缩也越小 评注 毛细孔隙和凝胶的存在造成混凝土在干燥时产生收缩 而毛细孔隙和凝胶的多少都直接与水灰比和水泥用量有 关 故影响干缩的主要因素为水灰比和水泥用量 例 4 23 试述混凝土的受压变形破坏特征及其破坏机理 解 混凝土在外力作用下的变形和破坏过程 也就是内部裂缝的发生和发展过程 混凝土的受压变形破坏特征如下 阶段 荷载到达 比例极限 约为极限荷载的 以前 界面裂缝无明显变化 荷载与变形比较接近直线关系 II 阶段 荷载超过 比例极限 以后 界面裂缝的数量 长度和宽度都不断增大 界面借摩阻力