第五章 混凝土

第五章混凝土 正在施工的秦山核电站 三峡工程钢筋混凝土重力坝 都市混凝土高楼 一 混凝土的定义 1 混凝土 由胶凝材料 胶结料 粗 细骨料 集料 水及其他材料 按适当比例配制 拌合经并硬化而成的人造石材 水 水泥 水泥浆 起胶结和硬化的作用砂 石子 骨料 起着支撑和骨架的作用 水泥石 25 左右 砂和石子 70 以上 孔隙和自由水 1 5 普通混凝土的用骨料 2 混凝土的分类 1 按表观密度的大小 普通混凝土 轻混凝土 重混凝土等2 按胶凝材料分 水泥混凝土 硅酸盐混凝土 沥青混凝土 聚合物水泥混凝土 聚合物浸渍混凝土 石膏混凝土及水玻璃混凝土等 3 按用途分 结构混凝土 装饰混凝土 防水混凝土 道路混凝土 耐酸混凝土 大体积混凝土 防辐射混凝土等 4 按施工方法 预拌混凝土 泵送混凝土 喷射混凝土等 沥青混凝土施工 大体积混凝土施工 泵送混凝土施工 喷射混凝土施工 二 混凝土的优缺点 优点1 良好的可浇筑性 易于加工成型2 性能的多样性 3 良好的耐久性与经济性 4 符合就地取材和经济原则 5 水泥混凝土与钢筋可牢固粘结 6 具有一定的美学特性 缺点1 自重大 2 脆性大 易开裂 抗拉强度小3 变形能力差 比强度小 第一节普通混凝土组成材料 一 水泥1 品种的选择 根据工程特点 所处环境条件及施工条件 进行合理选择 快硬水泥 铝酸盐水泥等2 强度等级的选择 水泥强度等级是砼等级的1 5 2 0倍较好3 配制高强混凝土时 可选择水泥强度等级为混凝土强度等级的1倍左右 二 拌合水及养护用水 1 混凝土拌合和养护用水按水源不同分为饮用水 地表水 地下水和经适当处理的工业用水 2 拌制和养护混凝土宜采用饮用水 当采用其它来源水时 应符合 混凝土拌合用水标准 JGJ63 1989 的规定 3 优先选择国家生活饮用水 如对某种水质有怀疑时 应做砂浆强度对比试验进行鉴定 三 集料 粗骨料 细骨料 细骨料1 天然砂 河砂 山砂 海砂 2 人工砂河砂 表面洁净 光滑 比表面积小 拌制的混凝土的和易性好 耗用的水泥浆少 比较经济 但混凝土的强度略低山砂 基本与河砂是相反的海砂 对混凝土会产生腐蚀 砂的粗细程度和颗粒级配 颗粒级配视频 1 粗细程度 不同粒径的砂在一起的组合情况 一般不宜过粗 但也不宜过细2 颗粒级配 中填粗 细填中 筛分析试验 评定砂的粗细程度 0 16mm 0 315mm 0 63mm 1 25mm 2 50mm 5mm 3 砂的粗细 细度模数 粗砂细度模数 3 7 3 1中砂细度模数 3 0 2 3细砂细度模数 2 2 1 6 分计筛余和累计筛余的关系 粗骨料 1 卵石 表面洁净 光滑 比表面积小 拌制的混凝土的和易性好 耗用的水泥浆少 比较经济 但混凝土的强度略低2 碎石 基本同卵石相反最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1 4 不得超过钢筋最小净距的3 4 对于实心板 不得超过板厚的1 2且不得超过50mm 对于泵送混凝土 最大粒径与输送管道内径之比 碎石不宜大于1 3 卵石不宜大于1 2 5 骨料粒径太大使转换梁浇筑不密实 工程实例分析 和易性的概念 指混凝土拌和物易于各施工工序施工操作 搅拌 运输 浇注 捣实 并能获得质量均匀 成型密实的混凝土的性能 第二节混凝土拌合物的和易性 一 和易性 工作性 的概念 混凝土拌合物便于施工操作 能够达到结构均匀 成型密实的性能 和易性主要包括流动性 粘聚性和保水性 和易性 粘聚性 保水性 流动性 易达结构均匀 易成型密实 好 好 在本身自重或施工机械振捣作用下 能产生流动并且均匀密实地填满模板的性能 各组成材料之间具有一定的内聚力 在运输和浇注过程中不致产生离析和分层现象的性质 具有一定的保持内部水分的能力 在施工过程中不致发生泌水现象的性质 保证混凝土硬化后的质量 二 和易性的测定 以检测流动性为主 目测粘聚性和保水性 坍落度法和维勃稠度法 1 坍落度法 坍落度测定视频 测定混凝土拌合物在自重作用下产生的变形值 坍落度 单位mm 适用范围 集料最大粒径不大于40mm 坍落度值不小于10mm的低塑性混凝土 塑性混凝土 坍落度测定示意图 2 维勃稠度法 维勃稠度法试验视频 测定使拌合物密实所需要的时间 s 适用范围粗骨料最大粒径不大于40mm 坍落度小于10mm 维勃稠度在5s 30s之间的干硬性混凝土 维勃稠度法示意图 三 混凝土施工时坍落度的选择 混凝土拌合物坍落度的选择 应根据施工条件 构件截面尺寸 配筋情况 施工方法等来确定 见下表 四 影响和易性的因素 1 组成材料及其用量之间的关系 水泥浆数量和单位用水量 骨料的品种 级配和粗细程度 砂率 外加剂 见下图 2 施工环境的温度 搅拌制度等 水泥 水 砂 石子 外加剂 水泥浆 骨料 混凝土拌合物 粗骨料表面状态不同对混凝土和易性的影响 P51 卵石 碎石 五 改善和易性的措施 采用合理砂率 改善砂石的级配 掺外加剂或掺合料 根据环境条件 注意坍落度的现场控制 在水灰比不变的条件下 适当增加水泥浆的用量 可增大拌合物的流动性 在砂率不变的条件下 适当增加砂石的用量 可减小拌合物的流动性 掺外加剂的混凝土 第三节混凝土的强度 混凝土强度的分类 混凝土强度 抗拉强度 抗剪强度 抗压强度 握裹强度 轴心抗压强度 立方体抗压强度 钢筋与混凝土的粘结强度 一 立方体抗压强度 以边长为150mm的标准立方体试件 在温度为20 3 相对湿度为90 以上的潮湿条件下或者在Ca OH 2饱和溶液中养护 经28d龄期 采用标准试验方法测得的抗压极限强度 用fcu表示 当采用非标准试件时 须乘以换算系数 见下表 标准试验方法是指 普通混凝土力学性能试验方法 GB T50081 2002 详见实验部分 拉应力 压应力 P P 砼立方体抗压强度实验 标准试块 抗压试验 混凝土强度等级按混凝土立方体抗压强度标准值划分的级别 以 C 和混凝土立方体抗压强度标准值 fcu k 表示 主要有C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80等十五个强度等级 立方体抗压强度标准值 fcu k 是立方体抗压强度总体分布中的一个值 强度低于该值的百分率不超过5 强度等级表示的含义 强度的范围 某混凝土 其fcu 30 0 34 9MPa 某混凝土 其fcu 30 0MPa的保证率为95 C30 C 代表 混凝土 30 代表fcu k 30 0MPa 二 混凝土轴心抗压强度 采用150mm 150mm 300mm的棱柱体试件 在立方体抗压强度为0 55MPa范围内fcp 0 7 0 8 fcu 在结构设计计算时 一般取fcp 0 67fcu 非标准尺寸的棱柱体试件的截面尺寸为100mm 100mm和200mm 200mm 测得的抗压强度值应分别乘以换算系数0 95和1 05 CementConcrete 轴心抗压强度试验示意图 三 影响混凝土强度的因素 1 水泥的强度和水灰比 当混凝土水灰比值在0 40 0 80之间时越大 则混凝土的强度越低 水泥强度越高 则混凝土强度越高 碎石形状不规则 表面粗糙 多棱角 与水泥石的粘结强度较高 卵石呈圆形或卵圆形 表面光滑 与水泥石的粘结强度较低 在水泥石强度及其它条件相同时 碎石混凝土的强度高于卵石混凝土的强度 2 集料的质量 粗骨料表面状态不同对混凝土强度的影响 P54 3 养护条件和龄期 在保证足够湿度情况下 温度越高 水泥凝结硬化速度越快 早期强度越高 低温时水泥混凝土硬化比较缓慢 当温度低至0 以下时 硬化不但停止 且具有冰冻破坏的危险 混凝土浇筑完毕后 必须加强养护 保持适当的温度和湿度 以保证混凝土不断地凝结硬化 在正常的养护条件下 混凝土的抗压强度随龄期的增加而不断发展 在7 14d内强度发展较快 以后逐渐减慢 28d后强度发展更慢 4 施工方法的影响 5 外加剂的影响 四 提高混凝土强度的措施 1 采用高强度等级水泥 2 采用单位用水量较小 水灰比较小的干硬性混凝土 3 采用级配良好的集料及合理砂率 4 改进施工工艺 加强机械搅拌和振捣 5 采用湿热处理养护混凝土构件 蒸汽养护 将混凝土放在温度低于100 常压蒸汽中进行养护 一般16 20h 蒸压养护 将混凝土构件放在125 及8atm的压蒸锅内进行养护 6 在混凝土拌合时掺入减水剂或早强剂 第四节混凝土的耐久性 耐久性的主要内容 一 混凝土的抗冻性 F10 F15 F25 二 混凝土的抗渗性 P4 P6 P8 三 抗侵蚀 四 混凝土的抗碳化性 五 碱骨料反应 一 抗冻性 混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下 能抵抗冻融循环作用而不发生破坏 强度也不显著降低的性质 用抗冻等级表示 抗冻等级是以28d龄期的混凝土标准试件 在饱和水状态下 强度损失不超过25 且质量损失不超过5 时 所能承受的最大冻融循环次数来表示 有F10 F15 F25 F50 F100 F200 F250和F300等九个等级 混凝土的密实度 孔隙的构造特征是影响抗冻性的重要因素 二 抗渗性 混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗有压力水渗透的能力 混凝土的抗渗性用抗渗等级表示 是以28d龄期的标准试件 按规定方法进行试验时所能承受的最大静水压力来确定 分类 P4 P6 P8 P10 P12五个等级 分别表示混凝土能抵抗0 4 0 6 0 8 1 0和1 2MPa的静水压力而不发生渗透 提高抗渗性方法P56 混凝土抗渗仪 三 抗侵蚀性混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥石的抗侵蚀性 合理选择水泥品种 提高混凝土制品的密实度均可以提高抗侵蚀性 四 抗碳化性混凝土的碳化主要指水泥石的碳化 混凝土碳化 使其碱度降低 从而使混凝土对钢筋的保护作用降低 钢筋易锈蚀 引起混凝土表面产生收缩而开裂 CO2浓度越高 碳化速度越快 五 碱集料反应碱集料反应是指水泥 外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应 应严格控制水泥中碱的含量和集料中碱活性物质的含量 在有水的情况下或潮湿的状态下 碱集料反应较快 六 提高混凝土耐久性的措施 1 选用适当品种的水泥 2 选用质量好的砂 石 严格控制骨料中的泥及有害杂质的含量 采用级配好的骨料 3 严格控制水灰比并保证足够的水泥用量 4 适当掺用减水剂和引气剂 5 在混凝土施工中 应搅拌均匀 振捣密实 加强养护等 第五节混凝土外加剂 外加剂定义 混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的 用以改善混凝土性能的物质 一般情况掺量不超过水泥质量的5 按主要功能的分类 1 改善混凝土拌合物流动性能的外加剂 包括各种减水剂 引气剂和泵送剂等 2 调节混凝土凝结时间 硬化性能的外加剂 包括缓凝剂 早强剂和速凝剂等 3 改善混凝土耐久性的外加剂 包括引气剂 防水剂和阻锈剂等 4 改善混凝土其它特殊性能的外加剂 包括引气剂 膨胀剂 防冻剂 着色剂 防水剂和泵送剂等 引气剂 一 减水剂 混凝土减水剂是指在保持混凝土拌合物和易性一定的条件下 具有减水和增强作用的外加剂 1 减水剂的作用效果 1 提高混凝土拌合物的流动性 2 减少混凝土拌合物的用水量 提高混凝土的强度 3 节约水泥 4 改善混凝土的耐久性能 5 掺入减水剂可以减少混凝土拌合物的泌水 离析现象 减缓水泥水化放热速度 2 常用的减水剂 1 木质素系减水剂 M型 对混凝土有缓凝作用 一般缓凝 2 萘系减水剂目前我国生产的主要有NNO NF FDN UNF MF 建 型等 适用于日最低气温 以上的所有混凝土工程 尤其适用于配制高强 早强 流态等混凝土 3 树脂类减水剂水溶性树脂 其各项功能与效果均比萘系减水剂好 属价格昂贵减水剂 4 糖蜜类减水剂是以制糖工业的糖渣 废蜜为原料 采用石灰中和而成 为棕色粉状物或糊状物 属缓凝减水剂 在搅拌混凝土的过程中 能引入大量均匀分布 稳定而封闭的微小气泡的外加剂称为引气剂 引气剂能改善混凝土的和易性 提高混凝土的抗冻性 抗渗性等耐久性 适用于港口 土工 地下防水混凝土等工程 不能用于蒸养混凝土及预应力砼 二 引气剂 加速混凝土早期强度发展的外加剂称为早强剂 这类外加剂能加速水泥的水化过程 提高混凝土的早期强度并对后期强度无显著影响 目前常用的早强剂有氯盐 硫酸盐 三乙醇胺三大类及以它们为基础的复合早强剂 三 早强剂 延长混凝土凝结时间的外加剂称为缓凝剂 目前土木工程中较常用的缓凝剂 糖类 无机盐类 羟基羧酸及其盐类和木质素磺酸盐类等 主要用于夏季施工的混凝土 大体积混凝土 滑模施工 泵送混凝土 长时间运输混凝土 四 缓凝剂 能使混凝土在负温下硬化 并在规定时间内达到足够防冻强度的外加剂称为防冻剂 五 防冻剂 在负温度条件下施工的混凝土工程须掺入防冻剂 一般 防冻剂除能降低冰点外 还有促凝 早强 减水等作用 所以多为复合防冻剂 第六节普通混凝土配合比设计 小浪底工程 一 配合比及其表示方法 混凝土的配合比是指混凝土各组成材料用量之比 主要有 质量比 和 体积比 两种表示方法 工程中常用 质量比 表示 质量配合比的表示方法 1 以1m3混凝土中各组成材料的实际用量表示 例如水泥mc 295kg 砂ms 648kg 石子mg 1330kg 水mw 165kg 2 以各组成材料用量之比表示 以水泥质量为1 例如上例也可表示为 mc ms mg 1 2 20 4 51 mw mc 0 56 二 混凝土配合比设计的基本要求 1 满足砼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 节约水泥 降低成本 三 混凝土配合比设计中的三个重要参数 水与水泥之间的比例关系 水灰比表示 砂与石子之间的比关系 砂率表示 水泥浆与骨料之间的比例关系 单位体积用水量来表示 水灰比 mw mc 单位用水量 mw 和砂率 s 是混凝土配合比设计的三个基本参数 水泥 水 砂 石子 水泥浆 骨料 混凝土 单位用水量mw 砂率 w 水灰比mw mc 与强度 耐久性有关 与流动性有关 与粘聚性 保水性有关 四 配合比设计的步骤与方法 施工配合比 1 初步计算配合比 计算步骤 第一步 确定配制混凝土强度第二步 确定水灰比第三步 确定用水量第四步 确定水泥用量第五步 确定砂率第六步 确定集料用量第七步 得到初步配合比 第一步 混凝土配制强度的确定 依据公式 式中 fcu 0 混凝土配制强度 MPa fcu k 混凝土立方体抗压强度标准值 即混凝土强度等级值 MPa 混凝土强度标准差 MPa 混凝土强度标准差宜根据同类混凝土统计资料确定 并应符合以下规定 计算时 强度试件组数不应少于25组 当混凝土强度等级为C20和C25级 其强度标准差计算值 2 5MPa时 取 3 0MPa 当混凝土强度等级等于或大于C30级 其强度标准差计算值 3 0MPa时 取 3 0MPa 当无统计资料计算混凝土强度标准差时 其值按现行国家标准 混凝土结构工程施工及验收规范 GB50204 的规定取用 混凝土强度标准差 第二步 初步确定水灰比 W C fc 水泥实际强度 如无法取得实际强度可按fc Kc fcb 1 13fcb 水泥标号 计算A B 经验系数 如 啐石A 0 46 B 0 52卵石A 0 48 B 0 61耐久性校核 上式水灰比还不得大于表5 11中规定的最大水灰比值 否则结果两者取最小值 第三步 确定用水量 mWo 根据施工要求的坍落度值和已知的粗骨料种类及最大粒径 通过查表选取单位用水量 注 本表用水量系采用中砂时的平均取值 采用细砂时 每立方米混凝土用水量可增加5 10 采用粗砂则可减少5 10 掺用各种外加剂或掺合料时 用水量应相应调整 第四步 计算水泥用量 mc 1 计算 2 复核耐久性将计算出的水泥用量与规定的最小水泥用量比较 如计算水泥用量不低于规定的最小水泥用量 则耐久性合格 否则耐久性不合格 此时应取规定的最小水泥用量 第五步 确定砂率 s 1 坍落度为10 60mm的混凝土砂率 可根据粗骨料品种 粒径及水灰比按下表选取 2 坍落度大于60mm的混凝土砂率 可经试验确定 也可在下表基础上 坍落度每增大20mm 砂率增大1 确定 3 坍落度小于10mm的混凝土 其砂率应经试验确定 第六步 计算砂 石子用量ms0 mg0 1 体积法又称绝对体积法 1m3混凝土中的组成材料 水泥 砂 石子 水经过拌合均匀 成型密实后 混凝土的体积为1m3 即 Vc Vs Vg Vw Va 1 混凝土砂率 解方程组 可得ms0 mg0 式中 c s g w 分别为水泥的密度 砂的表观密度 石子的表观密度 水的密度 kg m3 水泥的密度可取2900 3100kg m3 混凝土的含气量百分数 在不使用引气型外加剂时 可取 1 2 质量法质量法又称为假定体积密度法 假定混凝土拌合物的质量为mcp kg 解方程组可得ms0 mg0 式中 mc0 ms0 mg0 mw0 分别为1m3混凝土中水泥 砂 石子 水的用量 kg mcp 1m3混凝土拌合物的假定质量 kg 可取2350 2450kg m3 s 混凝土砂率 第七步 计算基准配合比 1 以1m3混凝土中各组成材料的实际用量表示 2 以组成材料用量之比表示 mc0 ms0 mg0 1 x y mw mc 2 混凝土配合比的试配 调整 1 试配按基准配合比称取一定质量的组成材料 拌制15L或25L混凝土 分别测定其和易性 强度 2 调整按初步配合比称取一定体积混凝土所需的各种原材料 按规定的方法拌和 进行坍落度或工作度试验 重新确定基准配合比 如实测坍落度小于或大于设计要求 可保持水灰比不变 增加或减少适量水泥浆 如出现粘聚性和保水性不良 可适当提高砂率 每次调整后再试拌 直到符合要求为止 记录好各种材料调整后用量 并测定混凝土拌合物的实际体积密度 c t 强度校正重得实验室配合比 一般采用三个不同的配合比 其中一个为基准配合比 另外两个配合比的水灰比值 应较基准配合比分别增加及减少0 05 其用水量相同 各种配比制作两组强度试件 标准养护28d天进行强度测定 五 配合比计算例题 例题某工程现浇室内钢筋混凝土梁 混凝土设计强度等级为C30 施工采用机械拌合和振捣 选择的混凝土拌合物坍落度为30 50mm 施工单位无混凝土强度统计资料 所用原材料如下 水泥 普通水泥 强度等级42 5MPa 实测28d抗压强度48 0MPa 密度 c 3 1g cm3 砂 中砂 级配2区合格 表观密度 s 2 65g cm3 石子 卵石 5 40mm 表观密度 g 2 60g cm3 水 自来水 密度 w 1 00g cm3 施工中不使用任何外加剂 试用体积法和质量法计算该混凝土的基准配合比 五 配合比计算例题 解 1 计算混凝土的施工配制强度fcu 0 根据题意可得 fcu k 30 0MPa 查表3 24取 5 0MPa 则fcu 0 fcu k 1 645 30 0 1 645 5 0 38 2MPa2 确定混凝土水灰比mw mc 1 按强度要求计算根据题意可得 fce 48 0MPa a 0 48 b 0 33 则 2 复核耐久性 经复核 耐久性合格 五 配合比计算例题 3 确定用水量mw0根据题意 骨料为中砂 卵石 最大粒径为40mm 查表取mw0 160kg 4 计算水泥用量mc0 1 计算 2 复核耐久性经复核 耐久性合格 5 确定砂率 s根据题意 采用中砂 卵石 最大粒径40mm 水灰比0 50 查表 s 28 33 取 s 30 6 计算砂 石子用量ms0 mg0 五 配合比计算例题 1 体积法将数据代入体积法的计算公式 取 1 可得 解方程组 可得ms0 570kg mg0 1330kg 2 质量法假定混凝土拌合物的质量为mcp 2400kg 将数据代入质量法计算公式 得 ms0 mg0 2400 320 160解方程组 可得ms0 576kg mg0 1344kg 6 计算基准配合比 1 体积法mc0 ms0 mg0 320 570 1330 1 1 78 4 16 mw mc 0 50 2 质量法mc0 ms0 mg0 320 576 1344 1 1 80 4 20 mw mc 0 50 第七节其他混凝土 一 泵送混凝土1 定义 是指坍落度为80mm以上适于用泵输送的混凝土 2 特点 有良好的可泵性 是指新拌混凝土具有在管道中顺利输送 输送阻力小 不离析 不泌水 不阻塞的性质 3 配合比设计要求 水泥应采用硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥 粗骨料宜采用连续级配 细骨料宜采用中砂 颗粒含量应不少于15 混凝土中应掺入泵送剂或减水剂 必要时还应掺入粉煤灰等掺合料 4 用途 混凝土泵送施工技术在我国发展很快 在高层建筑 桥梁 地铁等工程中广泛地应用 要有连续的施工工艺 对混凝土泵输送管的选择布置 泵送混凝土供应 混凝土泵送与浇筑等要求较严 三 抗渗混凝土1 抗渗原理 抗渗混凝土一般是通过控制混凝土组成材料的质量 掺加适量外加剂和掺合料 合理设计混凝土配合比 使混凝土内部密实 毛细管通路堵塞 界面原生裂缝减少 达到较高的抗渗性能 2 用途 适用于现浇混凝土工程有抗渗等级要求的地下室 水泵房 水塔 水池等工程 四 轻集料混凝土1 定义 用轻粗骨料 轻细骨料 或普通砂 水泥和水配制成的混凝土 干毛体积密度不大于1950kg m3 2 骨料来源 工业废渣轻骨料 如 粉煤灰陶粒 煤渣等 天然轻骨料 如 浮石 火山渣 人造轻骨料 如 页岩陶粒 粘土陶粒 膨胀珍珠岩等 3 分类 按粗骨料种类可划分 工业废料轻骨料混凝土 如粉煤灰陶粒混凝土 天然轻骨料混凝土 如浮石混凝土 和人造轻骨料混凝土 如膨胀珍珠岩混凝土 按细骨料种类可划分 全轻混凝土和砂轻混凝土 全轻混凝土的粗细骨料全部采用轻骨料 砂轻混凝土的细骨料全部或部分采用普通砂 4 特点 轻骨料混凝土的骨料孔隙率高 表观密度小 吸水率大 抗拉强度略低 弹性模量较低 极限应变较大 收缩和徐变较大 热膨胀系数较小 保温性能良好等特点 5 用途 轻骨料混凝土的用途有保温 结构保温和结构三个方面 多层和高层建筑 软土地基 大