第三章--水泥混凝土

第三章水泥混凝土和砂浆 按表观密度 水泥混凝土可分为 1 普通混凝土一般干表观密度约为2400kg m3 通常波动在2350 2500kg m3范围 2 轻混凝土这种混凝土通常干表观密度可以轻达1900kg m3 3 重混凝土干表密度可达3200kg m3 按强度分级 水泥混凝土按抗压强度可分为3大类 1 低强度混凝土抗压强度标准值小于20MPa 2 中强度混凝土抗压强度标准值20 60MPa 3 高强度混凝土抗压强度标准值大于 等于60MPa 第一节普通水泥混凝土 一 普通水泥混凝土的主要技术性质 一 新拌水泥混凝土的工作性 和易性 水泥混凝土在尚未凝结硬化以前 称为新拌混凝土或称混凝土拌和物 1 工作性的含意工作性 或称和易性 通常认为它包含 流动性 可塑性 稳定性 和 易密性 这四方面的含意 2 工作性的测定方法 1 稠度试验 1 坍落度与塌落扩展度试验用标准坍落度圆锥筒测定 试验时 将混凝土拌和物分三层装入标准圆锥筒内 使捣实后每层高度为筒高的1 3左右 每层用弹头棒均匀地捣插25次 测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高差 如图3 1 即为新拌混凝土拌和物的坍落度 以mm为单位 精确至5mm 当混凝土拌和物的塌落度大于220mm时 混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径 在这两个直径之差小于50mm的条件下 用其算术平均值作为塌落扩展度值 否则 此次试验无效 本方法适用于骨料最大粒径不大于40mm 塌落度不小于10mm的混凝土拌和物稠度测定 2 维勃稠度试验 适用于骨料最大粒径不大于40mm 维勃稠度在5 30s之间的混凝土拌和物稠度测定 3 增实因数法 对于塌落度不大于50mm或干硬性混凝土和维勃稠度大于30s的特干硬性混凝土拌和物的稠度可采用增实因数法来测定 利用跳桌连续跳动15次 将量尺 见图3 4 的横尺置于筒口 使筒壁卡入横尺的凹槽中 滑动竖尺 将竖尺的底端插入盖板中心的小筒中 读取混凝土增实因数JC 2 泌水及压力泌水试验 1 泌水试验将混凝土试样装入容量5L的试样筒内 可采用振动台振实法或捣棒捣实 用振动台振实时将试样一次装入试筒内 开启振动台 振动到表面出浆为止并使混凝土拌和物表面低于试样筒筒口30 3mm 盖好容量筒盖子 保持室温20 2 从计时开始后60min内 每隔10min吸取1次试样表面渗出的水 60min后 每隔30min吸1次水 直至认为不再泌水为止 计算泌水量和泌水率 2 压力泌水试验压力泌水性能是泵送混凝土的重要性能之一 将混凝土拌和物分两层装入压力泌水仪的缸体容器内 每层插捣20次并振实 压力泌水仪按规定安装完毕后应立即给混凝土试样施加压力至3 2MPa 并打开泌水阀门同时开始计时 加压至10s时读取泌水量V10 加压至140s时读取泌水量V140 计算压力泌水率 3 影响新拌混凝土的工作性的因素主要有 内因 组成材料的质量及其用量 外因 环境条件 如温度 湿度和风速 以及时间等两个方面 归纳分析如下 1 组成材料质量及其用量的影响 1 水泥特性的影响水泥的品种 细度 矿物组成以及混合材料的掺量等都会影响需水量 2 集料特性的影响集料的特性包括集料的最大粒径 形状 表面纹理 卵石或碎石 级配和吸水性等 影响新拌混凝土的工作性 卵石 河砂拌制的混凝土拌和物较碎石 山砂的好 集料的最大粒径增大 可使集料的总表面积减小 拌和物的工作性也随之改善 此外 具有优良级配的混凝土拌和物具有较好的工作性 3 集浆比的影响集浆比就是单位混凝土拌和物中 集料绝对体积与水泥浆绝对体积之比 尽量采用较大的集浆比 即较少的水泥浆用量 以节约水泥用量 4 水灰比的影响水灰比决定水泥浆的稠度 在实际工程中 为增加拌和物的流动性而增加用水量时 必需保证水灰比不变 同时增加水泥用量 否则将显著降低混凝土的质量 5 砂率的影响砂率是混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率 混凝土拌和物坍落度与砂率的关系如图3 5 5 砂率的影响砂率是混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率 混凝土拌和物坍落度与砂率的关系如图 6 外加剂的影响在拌制混凝土拌和物时 加入少量外加剂 可在不增加水泥用量的情况下 改善拌和物的工作性 同时尚能提高混凝土的强度和耐久性 2 环境条件的影响 引起混凝土拌和物工作性降低的环境因素 主要有 温度 湿度和风速 3 时间的影响 混凝土拌和物在搅拌后 其坍落度随时间的增长而逐渐减小 称为塌落度损失 4 改善新拌混凝土工作性的措施 1 调节混凝土的材料组成在保证混凝土强度 耐久性和经济性的前提下 适当调整混凝土的组成配合比例以提高工作性 2 掺加各种外加剂如减水剂 流化剂等均能提高新拌混凝土的工作性 同时提高强度 耐久性以及节约水泥 3 提高振捣机械的效能 5 混凝土拌和物的工作性选择 混凝土拌和物的工作性 依据结构物的断面尺寸 钢筋配置的疏密以及捣实的机械类型和施工方法等来选择 二 硬化混凝土的力学性质 硬化后混凝土的力学性质 主要包括 强度和变形两方面 1 强度强度是混凝土硬化后的主要力学性能 混凝土强度有 立方体抗压强度 棱柱体抗压强度 劈裂抗拉强度 抗折强度 剪切强度和粘结强度等 1 抗压强度标准值和强度等级 1 立方体抗压强度 fcu 按照标准的制作方法制成边长为150mm的正立方体试件 在标准养护室中 温度20 2 相对湿度95 以上 下 或在温度为20 2 的不流动的Ca OH 2饱和溶液中 养护至28d龄期 按照标准的测定方法测定其抗压强度值 称为 混凝土立方体试件抗压强度 简称 立方抗压强度 以fcu表示 以MPa计 以三个试件为一组 取三个试件强度的算术平均值作为每组试件的强度代表值 以3个试件测值的算术平均为测定值 如三个测值中的最大值或最小值如有一个与中间值的差超过中间值的15 时 则把最大及最小值一并舍去 取中间值作为该组试件的抗压强度值 如有两个测值与中间值的差值均超过上述规定 则该组试验结果无效 当用非标准尺寸试件 应乘以换算系数 折算为标准试件的立方体抗压强度 混凝土强度等级 C60时 200mm 200mm 200mm试件换算系数为1 05 对于100mm l00mm l00mm试件为0 95 2 立方体抗压强度标准值 fcu k 混凝土 立方体抗压强度标准值 具有95 保证率的抗压强度 以N mm2即MPa计 立方体抗压强度标准值以fcu k表示 3 强度等级 混凝土 强度等级 是根据 立方体抗压强度标准值 来确定的 强度等级表示方法 是用符号 C 和 立方体抗压强度标准值 两项内容表示 例如 C30 即表示混凝土立方体抗压强度标准值fcu k 30MPa 普通混凝土按立方抗压强度标准值划分为 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80等14个强度等级 2 抗弯拉强度 fcf 道路路面或机场道面用水泥混凝土 以抗弯拉强度 或称抗折强度 控制 2 影响硬化后水泥混凝土强度的因素 1 材料组成对混凝土强度的影响 1 水泥的强度和水灰比 2 集料特性集料对混凝土的强度有明显的影响 特别是粗集料的形状与表面特性对强度有着直接的关系 3 浆集比混凝土中水泥浆的体积和集料体积之比值 对混凝土的强度也有一定的影响 特别是高强度的混凝土更为明显 在水灰比相同的条件下 在达到最优浆集比后 混凝土的强度随着浆集比的增加而降低 2 养护条件对混凝土强度的影响 力学强度取决于养护的湿度 温度和养护的时间 龄期 3 试验条件对混凝土强度的影响 试验条件主要有 试件形状与尺寸 试件湿度 试件温度 支承条件和加载方式等 3 提高混凝土强度的措施 1 选用高强度水泥和早强型水泥2 采用低水灰比和浆集比3 掺加混凝土外加剂和掺合料4 采用湿热处理 一蒸汽养护和蒸压养护5 采用机械搅拌和振捣 4 耐久性 1 抗冻性混凝土遭受到冻融的循环作用 可导致强度降低甚致破坏 抗冻性能试验方法 可分为慢冻法和快冻法两种 规定为采用 快冻法 该方法是以100mm l00mm 400mm棱柱体混凝土试件 经28d龄期 于 17 和5 条件下快速冻结和融化循环 每25次冻融循环 对试件进行一次横向基频的测试并称重 当冻融至300次 或相对动弹模量下降至60 以下 或质量损失达到5 即可停止试验 2 耐磨性 混凝土耐磨性评价 以150mm l50mm 150mm立方体试件 养生至27d龄期 在60 烘干恒重 然后在带有花轮磨头的混凝土磨耗试验机上 在200N负荷下磨削50转 计算磨损量 3 碱 集料反应 水泥的碱与某些碱活性集料发生化学反应 可引起混凝土产生膨胀 开裂 甚至破坏 这种化学反应称为碱一集料反应 含有这种碱活性矿物的集料 称为碱活性集料 简称碱集料 碱一集料反应有两种类型 1 碱 硅反应是指碱与集料中活性二氧化硅反应 2 碱 碳酸盐反应是指碱与集料中活性碳酸盐反应 二 普通水泥混凝土的组成材料 一 水泥1 水泥品种的选择配制混凝土用水泥 通常采用前章所述的五大品种水泥 在特殊情况下 可采用特种水泥 常用五大品种水泥可根据混凝土工程的特点 所处环境 施工气候和条件等因素 参照表3 4建议进行选用 2 水泥强度的选择 选用水泥的强度应与要求配制的混凝土强度等级相适应 二 细集料 作为混凝土用细集料的主要技术要求如下 1 级配和细度模数 1 级配混凝土用砂的级配 以细度模数 f 1 6 3 7的砂 按0 6mm筛孔的累计筛余划分为3个级配区 级配范围示如表3 6 区砂属于粗砂范畴 用 区砂配制混凝土时 应较 区砂采用较大的砂率 区砂是中砂和一部分偏粗的细砂组成 区砂系细砂和一部分偏细的中砂组成 当应用 区砂配制混凝土时 应较 区砂采用较小的砂率 2 有害杂质含量 1 含泥量和泥块含量砂石中含泥量是指粒径小于0 075mm的颗粒的含量 泥块是指原颗粒粒径大于4 75mm 经水洗手捏后变成小于2 36mm的颗粒 2 云母含量 3 轻物质含量砂中的轻物质是指相对密度小于2 0的颗粒 如煤和褐煤等 4 有机质含量有机物质 如动植物的腐殖质 腐殖土等 5 硫化物和硫酸盐含量 三 粗集料 1 强度碎石的强度可用岩石的抗压强度和压碎指标值表示 2 坚固性 为保证混凝土的耐久性 用作混凝土的粗集料应具有足够的坚固性 以抵抗冻融和自然因素的风化作用 混凝土用粗集料的坚固性用硫酸钠溶液法检验 试样经5次循环后 其质量损失 3 级配 采用连续级配或间断级配均可 如表3 9的连续粒级的矿质混合料 当连续粒级不能配合成满意的混合料时 可掺加单粒级集料配合 4 最大粒径的选择 粗集料中公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径 新拌混凝土随着最大粒径的增大 单位用水量相应减少 在固定的用水量和水灰比的条件下 加大最大粒径 可获得较好的和易性 或减少水灰比而提高混凝土强度和耐久性 尽量增大最大粒径以节约水泥混凝土用粗集料 其最大颗粒粒径不得大于结构截面最小尺寸的1 4 同时不得大于钢筋间最小净距的3 4 对于混凝土实心板 允许采用最大粒径为1 2板厚的颗粒级配 但最大粒径不得超过50mm 5 表面特征和形状 表面粗糙且多棱角的碎石与表面光滑和圆形的卵石相比较 碎石配制成的混凝土 具有较高的强度 但是在相同单位用水量 即相同水泥浆用量 条件下 卵石配制的新拌混凝土具有较好的和易性 粗集料的粒形接近正立方体者为佳 不宜含有较多针片状颗粒 针片状颗粒是指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 6 有害杂质的含量 粗集料中的有害杂质主要有 粘土 淤泥及细屑 硫酸盐及硫化物 有机质 蛋白石及其它含有活性氧化硅的岩石颗粒等 7 碱活性检验 对于重要混凝土工程用集料 应进行集料碱活性检验 首先应用岩相法确定活性集料的种类和数量 若岩石中含有活性二氧化硅时 应用化学法或砂浆长度法检验 确定其是否含有潜在危险 四 混凝土拌和用水 符合国家标准的生活饮用水 可以用来拌制混凝土 不需再进行检验 地表水或地下水 首次使用 必须进行适用性检验 合格才能使用 海水只允许用来拌制素混凝土 三 混凝土的配合比设计 混凝土配合比设计的步骤1 设计的基本资料 1 设计要求的混凝土强度等级 承担施工单位的管理水平 2 工程所处的环境和设计对混凝土耐久性的要求 3 原材料品种及其物理力学性能指标 4 混凝土所处的部位 结构构造情况 施工条件等 2 初步配合比计算 1 确定试配强度fcu 0fcu 0 fcu k tS式中 fcu 0 混凝土的配制强度 MPa fcu k 要求的混凝土强度等级 MPa S 混凝土强度标准差 MPa t 置信度界限 决定保证率P的积分下限 现行规范对一般工程中混凝土要求强度保证率P 95 对应的t 1 645 上式应写为 fcu 0 fcu k 1 645S 混凝土标准差 S 可根据近期同类混凝土强度资料求得 其试件组数不应少于25组 对C20 C25级混凝土 若强度标准差计算值低于2 5Mpa时 则计算配置强度时的标准差取为2 5Mpa 对不低于C30级混凝土 若强度标准差计算值低于3 0Mpa时 则计算配置强度时的标准差取为3 0Mpa 若无历史统计资料时 强度标准差可根据要求的强度等级按表3 11规定选用 2 计算水灰比 W C 1 按混凝土强度等级计算水灰比和水泥实际强度将已确定的各参数代人混凝土强度公式 2 按耐久性校核水灰比 根据上式计算所得的水灰比只能满足强度要求 还应根据混凝土所处的环境条件进行耐久性校核 参见表3 12 3 选定单位用水量 mw0 根据粗集料的品种 数量粒径及施工要求的混凝土拌和物稠度值 塌落度或维勃稠度 选择每立方米混凝土拌和物的用水量 一般可根据施工单位对所用材料的经验选定 如使用经验不足 可参照表3 13选取 4 计算单位水泥用量 mc0 1 按强度要求计算单位用灰量每立方米混凝土拌和物的用水量 mw0 选定后 即可根据强度或耐久性要求已求得的水灰比 W C 值计算水泥单位用量 或 2 按耐久性要求校核单位用灰量 根据耐久性要求 普通水泥混凝土的最小水泥用量 依结构物所处环境条件分别规定如表3 12 按强度要求由式 3 18 计算得的单位水泥用量 应不低于表3 12规定的最小水泥用量 5 选定砂率 s 根据粗骨料品种 最大粒径和混凝土拌和物的水灰比确定砂率 一般可根据施工单位所用材料的使用经验选定 如使用经验不足 可参照表3 14选取 5 选定砂率 s 根据粗骨料品种 最大粒径和混凝土拌和物的水灰比确定砂率 一般可根据施工单位所用材料的使用经验选定 如使用经验不足 可参照表3 14选取 1 质量法质量法又称假定表观密度法 该法是假定混凝土拌和物的表观密度为一固定值 混凝土拌和物各组成材料的单位用量之和即为其表观密度 在砂率值为已知的条件下 粗 细骨料的单位用量可由9 关系式求得 mc0 mw0 ms0 mG0 cp 2 体积法体积法又称绝对体积法 该方法是假定混凝土拌和物的体积等于各组成材料绝对体积和混凝土拌和物中所含空气体积之总和 在砂率值为已知的条件下 粗 细集料的单位用量可由式 3 20 的关系求得 2 试拌调整提出基准配合比 1 试拌 1 试拌材料要求粗 细集料的称量均以干燥状态为基准 如不是用干燥集料配制 称料时应在用水量中扣除集料中超过的含水量值 2 搅拌方法和拌和物数量混凝土搅拌方法 应尽量与生产时使用方法相同 试拌时 每盘混凝土的数量一般应不少于表3 16的建议值 2 校核工作性 调整配合比 按计算出的初步配合比进行试拌 以校核混凝土拌和物的工作性 如试拌得出的拌和物的坍落度 或维勃稠度 不能满足要求 或粘聚性和保水性能不好时 则应在保证水灰比不变的条件下 相应调整用水量或砂率 然后提出供混凝土强度校核用的 基准配合比 即mca mwa msa mGa 3 检验强度 确定试验室配合比 1 制作试件 检验强度为校核混凝土的强度 至少拟定三个不同的配合比 其中一个为按上述得出的基准配合比 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 或0 10 其用水量应该与基准配合比相同 但砂率值可增加及减少1 2 确定试验室配合比 1 根据强度检验结果修正配合比 确定用水量 mwb 取基准配合比中的用水量 mwa 并根据制作强度检验试件时测得坍落度 或维勃稠度 值加以适当调整 确定水泥用量 mcb 取用水量乘以由 强度 灰水比 关系定出的 为达到配制强度 fcu 0 所必须的灰水比值 确定粗 细集料用量 msb和mGb 取基准配合比中的砂 石用量 并按定出的水灰比作适当调整 2 根据实测拌和物湿表观密度修正配合比 根据强度检验结果修正后定出的混凝土配合比 计算出混凝土的 计算湿表观密度 cp 即 cp mcb msb mGb mwb 将混凝土的实测表观密度值 cp 除以计算湿表观密度值 cp 得出 校正系数 将混凝土配合比中各项材料用量乘以校正系数 即得最终确定的试验室配合比设计值 m cb mcb m sb msb m Gb mGb m wb mwb 4 施工配合比换算 设施工现场实测砂 石含水率分别为a b 则施工配合比的各种材料单位用量 mc m cb kg ms m sb 1 a kg mG m Gb 1 b kg mw m wb m sb a m Gb b kg 施工配合比 施工每盘称量值的换算 根据确定的混凝土施工配合比 每盘混凝土材料称量值 按式计算 m V mi式中 m 一i材料的称量 kg或m3 mi 施工配合比中i材料的用量 kg m3或m3 m3 V 每盘搅拌量 m3 三 路面水泥混凝土配合比设计方法 以抗弯拉强度为指标的设计方法 水泥混凝土路面用混凝土配合比设计方法 按我国现行行业标准 公路水泥混凝土路面施工技术规范 JTGF30 2003 的规定 采用抗弯拉强度为指标的方法 本节介绍该规范推荐的抗弯拉强度为指标的混凝土配合比设计法 四 普通水泥混凝土的质量控制 一 混凝土强度的评价方法1 统计方法 已知标准差方法 当混凝土生产条件在较长时间内能保持一致 且同一品种混凝土的强度变异性能保持稳定时 应由连续的三组试件代表一个验收批 其强度应同时符合要求 mfcu fcu k 0 7 0fcu min fcu k 0 7 0 当混凝土强度等级不高于C20时 其强度最小值尚应满足式的要求 fcu