土木工程材料经典ppt课件

土木工程材料 教学目的 使学生掌握土木工程材料的制备 性质 用途 质量检测和控制方法 掌握土木工程材料的选用及改善性能的途径 绪论 第一章 1 1概述 土木工程材料与土木工程的关系 土木工程材料是一切土木工程的物质基础 一 土木工程材料的各项物理力学性能是结构设计的基本依据 二 土木工程材料是选择施工方案和进行施工设计的基础 三 土木工程材料费用约占土木工程总投资的60 70 是控制土木工程成本的关键 四 土木工程材料的质量直接影响土木工程的质量 1 1 1土木工程材料的分类 土木工程材料品种繁多 我们可按不同原则进行分类 1 按材料在工程中的功能分类 结构材料 它们在建筑中承受各种荷载 起骨架作用 其质量好坏直接危及结构安全 属于这类材料的有钢材 水泥混凝土等 围护与隔绝材料 它们在建筑中起围护与隔绝作用 以便形成建筑空间 这些材料应具有绝热 隔声 防水等功能 又称功能材料 装饰材料 特种功能材料 用于建筑物内外的装饰 其色彩和质感均应满足建筑内外环境设计的要求 其中包括耐高温 抗强腐蚀 防辐射 太阳能转换等具有特种功能要求的材料 2 按材料的化学成分分类 1 1 2土木工程材料的标准化 标准内容 规格 分类 技术要求 检验方法 验收规则 标志 运输和贮存等标准类型 ISO国际标准国家标准 GBGB T 行业标准 JGJCYBJT 地方标准 DB 企业标准 QB 1 2材料的基本状态参数 1 2 1材料的密度 表观密度和堆积密度 1 2 1 1密度 定义 材料在绝对密实状态下 单位体积的质量 可按下式计算 密度 g cm3 m 材料的质量 g V 材料在绝对密实状态下的体积 cm3 density 测量方法 有较多孔隙的材料 采用磨细后用李氏瓶测定其体积的方法 某些致密材料 如卵石等 可用直接排液法 用这种方法测量的体积 由于无法排除内部封闭的孔隙 所以称这样测得的密度为近似密度 a 1 2 1 2表观密度 定义 材料在自然状态下 单位体积的质量 计算 0 表现密度 g cm3或kg m3 m 材料的质量 g 或kg V0 材料在自然状态下的体积 cm3或m3 unitweight 1 2 1 3堆积密度 定义 粉状或粒状材料 在堆积状态下 单位体积的质量 计算 0 堆积密度 kg m3 m 材料的质量 kg V 0 松散材料的堆积体积 m3 heapeddensity V0 V VK VB 开口孔 封闭孔 闭口孔隙 自然状态下的块状材料 开口孔隙 实体 实体 空隙 开口孔隙 封闭孔隙 装在容器里的粒状 粉状或块状材料 V0 V VK VB V0 1 2 2材料的孔隙和空隙 1 2 2 1材料的孔隙 1 孔隙率 材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率 材料的孔隙从两个方面对材料的性能产生影响 一是孔隙的多少 孔隙数量 二是孔隙特征 孔隙数量用孔隙率表征 2 密实度 材料内部固体物质的实际体积占材料总体积的百分率 孔隙特征主要有三方面 1 按孔隙尺寸大小分微孔 细孔和大孔 2 按空隙间是否贯通分互相隔开的孤立孔和互相贯通的连通孔 3 按孔隙是否与外界连通分为与外界连通的开口孔和不与外界连通的封闭孔 闭口孔 把开口孔体积记为Vk 闭口孔体积记为VB 则孔隙体积V Vk VB定义开口孔孔隙率为定义闭口孔孔隙率为则孔隙率为 散粒材料颗粒间的空隙多少用空隙率表示 1 空隙率 散粒材料颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率 1 2 2 2材料的空隙 2 填充率 颗粒的自然状态体积占堆积体积的百分率 1 3材料的力学性质 1 3 1强度与比强度 一 材料的强度 定义材料在外力作用下不破坏时能承受的最大应力 根据外力作用方式的不同 材料有抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度等 L L F 2 F 2 F F L 3 F F L 3 L 3 a 压力 b 拉力 c 弯曲 d 剪切 材料所受外力 各种强度的计算公式如下 抗压 抗拉 抗剪的强度 f 强度 Mpa P 破坏时最大荷载 N A 受力截面面积 mm2 抗弯强度 ff 抗弯强度 Mpa P 弯曲破坏时最大荷载 N L 两支点的间距 mm b 试件横截面积宽度 mm h 试件横截面积高度 mm 许多土木工程材料常以其强度大小划分为若干等级 俗称 标号 材料强度受以下三个因素的影响 材料内部结构和构造 材料所处的环境条件 温度 湿度 含水量等 强度值的测试条件 试件尺寸 加荷速度等 二 材料的比强度 定义单位体积重量的材料强度 等于材料的强度与其表观密度之比 衡量材料是否轻质 高强的指标 1 3 2材料的弹性与塑性 弹性与塑性 材料在承受外力时 如撤除外力的作用后 材料的几何形状能恢复原状 材料的这种性能称为弹性 如果只能部分恢复变形 而残留一部分不能消失的变形 该残留部份称为塑性变形 材料在弹性范围内 其应力和应变之间关系符合如下公式 应力 应变 为材料受外力变形尺寸增量与原尺寸之比 弹性模量 弹性模量是材料刚度的度量 物理意义为单位应变所需要的应力 反映了材料抵抗变形的能力 是结构设计中的主要参数之一 弹塑性材料 材料受力时 弹性变形和塑性变形同时发生 外力去除后 弹性变形恢复 塑性变形保留 1 3 3脆性和韧性 1 脆性材料在外力作用下 无明显塑性变形而突然破坏的性质 具有这种破坏特征的材料 称为脆性材料 从应力应变图中看材料的脆性 2 韧性材料在冲击或震动荷载作用下 能吸收较大的能量 产生一定的变形而不破坏的性质称为韧性或冲击韧性 一般以测定其冲击破坏时单位断面上吸收的能量作为指标 1 3 4硬度和耐磨性 硬度 材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力常用刻划法和压入法测定 刻划法称莫氏硬度 压入法称布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 耐磨性 材料抵抗磨损的能力 用耐磨率表示 1 3 5材料的徐变和应力松弛 当材料在恒定外力的作用下 其变形随时间而缓慢增加的过程 称为徐变 当材料在持续外力作用下 总的变形值保持不变 由于徐变而使材料内应力随时间而逐渐降低的过程 称为应力松弛 徐变和应力松弛是相互关联的两种现象 1 4材料与水有关的性质 90 亲水材料 90 憎水材料 1 4 1材料的亲水性与憎水性 润湿边角 在材料 水和空气的三相交叉点处沿水滴表面作切线 切线与材料和水接触面的夹角 1 4 2材料的含水状态 四种基本含水状态 干燥状态 材料孔隙中不含或含水极微 气干状态 材料孔隙中所含水与大气湿度平衡 饱和面干状态 材料表面干燥 孔隙含水饱和 湿润状态 材料孔隙含水饱和 表面为水湿润附有一层水膜 材料也可处于两种基本含水状态之间的过渡状态 饱和水 表面水 材料的含水状态 a 干燥状态 b 气干状态 c 饱和面干状态 d 湿润状态 a b c d 1 4 3材料的吸湿性和吸水性 吸湿性 亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质 用含水率表示 Wh 含水率 ms 材料含水状态下的质量 g mg 材料干燥状态下的质量 g 材料的含水率随环境温度和湿度变化而变化 平衡含水率 材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率 材料在干燥空气中放出所含水分的性质称还湿性 2 吸水性 材料在水中吸水的性质 用吸水率表示 有重量吸水率和体积吸水率两个定义 重量吸水率 材料吸水饱和时 吸收的水分重量占材料干燥时重量的百分率 体积吸水率 材料吸水饱和时 吸收的水分体积占材料干燥时体积的百分率 材料的体积吸水率等于其重量吸水率乘上材料干燥状态时的表观密度 1 4 4耐水性 定义材料长期在水作用下不破坏 强度也不明显下降的性质用软化系数表示 软化系数 材料吸水饱和状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度之比软化系数 0 8的材料称为耐水材料 1 4 5抗渗性 定义材料抵抗压力水渗透的性质常用渗透系数或抗渗标号表示 渗透系数 k 渗透系数 cm h Q 透水量 cm d 试件厚度 cm A 透水面积 cm t 时间 h H 静水压力水头 cm 抗渗标号 记为Pn 材料按规定制作的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力 MPa 材料的渗透系数越小或抗渗标号越高表明材料的抗渗性越好 1 4 6抗冻性 定义材料在含水状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏 强度也不显著降低的性质 常用抗冻标号 记为Fn 表示 以规定的吸水饱和试件在标准试验条件下 经一定次数的冻融循环后 强度降低不超过规定数值 也无明显损坏和剥落 则此冻融循环次数即为抗冻标号 材料的抗冻性与材料吸水程度 材料强度及孔隙特征有关 含水率大 强度低 开口孔多抗冻性差 1 5材料的热性质 1 5 1 热容性 定义 材料在温度变化时吸收或放出热量的能力 不同材料的热容性可用比热进行比较 比热 单位质量的材料升高单位温度所需热量 定义 1 5 2导热性 材料两侧有温差时热量由高温侧向低温侧传递的能力 常用导热系数表示 材料的导热性能与孔隙特征有关 增加孤立的 不连通孔隙可降低材料导热能力 1 5 3热变形性 定义 材料在温度变化时的尺寸变化 常用线膨胀系数表示 有保温隔热要求的工程尽量选用热容量大 导热系数小的材料 1 6材料的耐久性 土木工程材料在使用过程中经受各种破坏因素 物理的 化学的 环境的 生物的 等等 的作用 而能保持其使用性能的性质称为土木工程材料的耐久性 环境影响因素往往是复杂多变的 它们单独或交互作用于材料形成破坏 由于各种破坏因素的复杂性和多样性 使得耐久性是一个综合性概念 材料的耐久性是一项重要技术指标 在构筑物的设计及材料选用中 必须慎重考虑材料耐久性问题 以利节约材料 减少维修费用 延长使用寿命 高耐久性材料可抵抗各种破坏作用 延长构筑物使用寿命 使之坚固稳定 经久耐用 并可降低维修费用 最终使整体综合费用降低 利用率增高 收益增大 从而获得显著的综合经济效益 从工程技术发展角度看 由按耐久性进行工程设计取代按强度进行工程设计更具科学性和实用性 然而 要按耐久性进行工程设计 尚需对各种材料的耐久性进行更为广泛深入的研究 提高材料耐久性是土木工程材料生产及应用的重要课题之一 第二章 气硬性胶凝材料 胶凝材料 与水拌和后能将散粒或块状材料粘结成整体的材料 气硬性胶凝材料 只能在空气中硬化 保持或发展强度 水硬性胶凝材料 不仅能在空气中硬化 而且能更好地在水中硬化 保持和发展强度 胶凝材料的分类 胶凝材料 有机胶凝材料 无机胶凝材料 天然有机胶凝材料如 沥青 天然树脂等 合成有机胶凝材料如 各种合成树脂 气硬性胶凝材料如 石灰 石膏 水玻璃等 水硬性胶凝材料如 各种水泥 2 1石灰 lime 2 1 1石灰生产简介 生产简介 以碳酸钙为主要成分的原料900 1000c 高温煅烧得到块状生石灰 氧化钙 块状生石灰加工得产品 生石灰粉 磨细生石灰 消石灰分 加水消化干燥而成 石灰膏 加过量水消化成达一定稠度的膏体 生石灰经消化后成熟石灰 其主要成分为氢氧化钙 烧成CaCO3 CaO CO2 熟化CaO H2O Ca OH 2 64 9 103J 2 1 2石灰的技术要求 各种石灰产品按现行建材行业标准分三个等级 并各有其技术标准 2 1 3石灰的特性 可塑性和保水性好生石灰水化时水化热大 体积增大硬化缓慢硬化Ca OH 2硬化时体积收缩大硬化后强度低耐水性差 脱水结晶 碳化 Ca HO 2 CO2 nH2O CaCO3 n 1 H2O 制作石灰乳涂料配制砂浆拌制石灰土和石灰三合土生产硅酸盐制品 2 1 4石灰的应用 2 2石膏 gypsum 2 2 1建筑石膏生产简介 石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料 二水石膏加热时的变化 SO4 2H2O 至140 的饱和水蒸气条件下或某些盐溶液中 可溶性硬石膏 220 可溶性硬石膏 320 360 CaSO4不溶性硬石膏500 700 110 170 分类 建筑石膏高强石膏无水石膏水泥高温煅烧石膏建筑石膏生产简介 原料 天然二水石膏矿石 天然无水石膏 化工石膏等 经加热煅烧 脱水 磨细得石膏产品 加热温度和方式不同得不同类型石膏产品 建筑石膏为非封闭 加热到107 170c 得到 建筑石膏即 型半水石膏 2 2 2石膏的技术要求 分为三个等级并有其技术指标 易吸潮 贮运时须防潮 储存时间一般不超过三个月 产品标记顺序为 产品名称 抗折强度值 标准号 2 2 3建筑石膏的特性 凝结硬化快硬化时体积微膨胀硬化后孔隙率较大 表观密度和强度较低隔热 吸声性良好防火性能良好具有一定的调温调湿性耐水性和抗冻性差加工性能好 硬化过程 溶解水化 过饱和 胶化 结晶 2 2 4建筑石膏的应用 制备粉刷石膏建筑石膏制品 2 3水玻璃 sodiumsilicate 2 3 1水玻璃的特性 泡花碱能溶于水的硅酸盐由不同比例碱金属氧化物和二氧化硅组成化学通式 R2O nSiO2n 水玻璃模数 是二氧化硅与碱金属氧化物间的分子比 一般在1 5 3 5之间 工程中常用2 6 2 8 n越小 水玻璃中晶体组分多 粘结力差 n越大 水玻璃中胶体成分增多 粘结力增大 n 1溶于常温水中 n 2 3溶于热水中 n 3溶于4个大气压的蒸气中 在空气中硬化进程缓慢 要加促硬剂具有良好的粘结性能固体含量多时冰点降低 变脆 冻后加热融化性能不变耐酸性能好耐高温堵塞材料毛细孔 防水防渗 2 3 2水玻璃的应用 涂刷建筑材料表面提高其抗风化能力配制耐酸浆 耐酸砂浆 耐酸混凝土配制耐热砂浆 耐热混凝土用于土壤加固配制快凝防水剂 菱苦土简介 第三章 水泥 cement 水硬性无机矿物胶凝材料常用水泥 硅酸盐水泥 代号P 不掺混合材料 P 掺 5 混合材料 普通硅酸盐水泥 代号P O矿渣硅酸盐水泥 代号P S火山灰硅酸盐水泥 代号P P粉煤灰硅酸盐水泥 代号P F复合硅酸盐水泥 代号P C特种水泥 满足工程特殊要求的水泥 3 1常用水泥 3 1 1常用水泥的生产 3 1 1 1水泥熟料的烧成 生产工艺流程 磨细 生料 混合材料 熟料 水泥 按比例混合 磨细 1450 煅烧 石膏 原料 石灰质原料 提供氧化钙 粘土质原料 提供氧化硅 氧化铝 氧化铁 校正原料 不满足化学组成时 加相应铁质 硅质原料 生产过程 两磨一烧一磨 将几种原料按适当比例混合磨细 成生料 一烧 将生料入窑 经1450c 高温煅烧 成熟料 二磨 将水泥熟料 石膏 混合材料一起磨细成水泥制品 硅酸盐水泥主要矿物成份与特性 低 名称 代号 含量范围 凝结硬化速度 水化放热量 强度 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙 C3S C2S C3A C4AF 37 60 15 37 10 18 快 慢 7 15 快 多 少 最多 中 高 早期低 后期高 低 最快 3 1 1 2磨制水泥成品 原材料 水泥熟料 石膏和混合材料石膏为二水石膏或无水石膏 混合材料 生产水泥时为改善水泥性能 调节水泥标号而加到水泥中的人工和天然矿物材料 分活性混合材料与非活性混合材料两种 活性混合材料 与石灰 石膏一起 加水拌合后能形成水硬性胶凝材料的混合材料 活性成分为活性氧化硅 活性氧化铝 非活性混合材料 不具活性成分或活性甚低的矿物质 加入水泥中起提高产量 降低水泥标号 减少水化热作用 将水泥熟料 适量石膏分别和不同种类 数量的混合材料混合在一起磨细即可形成六大常用水泥 活性混合材料在常温常压下 能与石灰作用 生成具有胶凝性的水化产物 xCa OH SiO mH2O xCaO SiO2 nH2O xCa OH Al2O3 mH2O xCaO Al2O3 nH2O 常用的活性混合材料有 粒化高炉矿渣 火山灰质混合材料 粉煤灰 水化凝结硬化快 强度高 尤其早期强度高 熟料中各矿物单独与水反应 3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 水化铝酸三钙 2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2 水化硅酸钙 2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2 3 1 2常用水泥的特性 3 1 2 1硅酸盐水泥 当Ca OH 2达到饱和时 在有石膏存在时 4CaO Al2O3 13H2O 3 CaSO4 2H2O 14H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O Ca OH 2 钙矾石 针状晶体 4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 水泥的凝结硬化过程 d a b c a 分散在水中未水化的水泥颗料 b 在水泥颗粒表面形成水化物膜层 c 膜层长大并互相连接 凝结 d 水化物进一步发展 填充毛细孔 硬化 1 水泥颗粒 2 水分 3 凝胶 4 晶体 5 水泥颗粒的未水化内核 6 毛细孔 1 2 3 4 3 5 6 1 0 0 2 0 0 4 0 6 0 8 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 0 0 2 0 0 4 0 6 0 8 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 水化程度 毛细孔 毛细孔水 凝胶孔水 凝胶孔 凝胶实体 未水化水泥 体积率 毛细孔 毛细孔水 凝胶孔水 凝胶孔 凝胶实体 未水化水泥 体积率 水化程度 2 水化热大水泥的水化反应为放热反应 水化过程放出的热量称为水泥的水化热 硅酸盐水泥水化热大 放热周期长 不宜在大体积工程中应用 硅酸盐水泥不同龄期的放热量 1 3天50 7天75 6个月83 91 3 耐腐蚀性差水泥腐蚀 一 溶出性腐蚀 在软水中 Ca OH 2溶出 二 盐类腐蚀 硫酸盐 RSO4 R SO4 Ca OH 2 Ca 2 OH Ca SO4 CaSO4 CAH 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 针状晶体体积膨胀1 5 2倍 镁盐 海水中 腐蚀 MgSO4 Ca OH 2 H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2 MgCl Ca OH 2 CaCl2 Mg OH 2 进一步引起硫酸盐腐蚀 无胶结性 溶解于水 三 强酸强碱 2HCl Ca OH 2 CaCl2 2H2O H2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O 6NaOH C3A 3Na2O Al2O3 Ca OH 2 溶解 进一步引起硫酸盐腐蚀 溶解 防止水泥腐蚀方法 降低水泥石中Ca OH 2含量 采用掺混合材水泥 增加水泥石密实度 防止有害物质渗入 混凝土外表用耐腐蚀材料做一保护层 如涂料等 4 抗冻性好 干缩小 5 耐热性差 3 1 2 2普通水泥 与硅酸盐水泥相近 早期凝结硬化速度略慢 早期强度稍低 3 1 2 3矿渣水泥 凝结硬化慢 早期强度低 后期强度发展快 水化热低 保水性差 抗渗 抗冻 抗干湿交替作用性能较差 抗碳化能力差 抗侵蚀能力强 耐热性能好 适于采用蒸汽养护 3 1 2 4火山灰水泥 与矿渣水泥有许多共性 加强养护 抗渗性强 3 1 2 5粉煤灰水泥 与火山灰水泥相似 抗裂性好 和易性好 3 1 2 6复合水泥 与所掺混合材料的种类 数量及相对比例有关 五种水泥的特性 掺混合材水泥的特点 与 型硅酸盐水泥相比 强度发展较慢 水化热较低 耐腐蚀较强 养护时对温度较敏感 3 1 3影响常用水泥性能的因素 水泥组成成分的影响 贮存条件的影响 水泥细度的影响 养护条件 温度 湿度 的影响 龄期的影响 拌和用水量的影响 3 1 4常用水泥的选用 根据工程性质 结构部位 施工要求和使用条件环境等 参见表3 3选用 3 1 5常用水泥的技术要求 3 1 5 1细度 比表面积 300m kg 筛余 800 m筛孔筛余 10 3 1 5 2凝结时间 初凝 45min 终凝 6h30min 标准稠度 水泥拌制成特定的塑性状态 标准稠度用水量 水泥拌制成特定的塑性状态时所需的水量 标准稠度测定仪 试锥和锥模 1 铁座 2 金属圆棒 3 松紧螺丝 4 指针 5 标尺 体积安定性 水泥在凝结硬化过程中 体积变化的均匀性 体积安定性不良的水泥 会导至结构物内的体积不均匀变化而产生裂缝 强度下降等严重后果 测定方法 试饼蒸煮法 雷氏夹法 两者均为沸煮法 3 1 5 3体积安定性 雷氏夹 雷氏夹膨胀值测量仪 1 指针 2 环模 1 底座 2 模子座 3 测弹性标尺 4 立柱 5 测膨胀值标尺 6 悬臂 7 悬丝 8 弹簧顶扭 7 1 2 3 4 5 6 8 1 2 石膏过量 生产中严格控制 安定性不良的原因 f CaO过量 用沸煮法检验 f MgO过量 生产中严格控制 3 1 5 4强度及强度等级 160 40 40 水泥强度是选用水泥时的主要技术指标 也是划分水泥强度等级的依据 采用软练胶砂法测定水泥强度 试件尺寸 抗折强度抗压强度 水泥胶砂强度检验方法 1 试模为可装卸的三联模 每条40 40 160mm 2 各龄期试件必须在下列时间内进行强度试验 龄期时间3d3d 2h7d7d 3h28d28d 3h3 每龄期取出三条试件先做抗折强度试验 采用中分点加荷 结果取三块试件平均整数 当三个强度值中有超过平均值 10 的 应剔除后再平均 平均值作为抗折强度试验结果 4 抗折试验后二个断块立即进行抗压试验 受压面40 62 5mm 六个抗压强度结果剔除最大 最小两个数值 剩下四个平均值作为抗压强度试验结果 如不足六块 取平均值 硅酸盐水泥各龄期的强度 8 5 强度等级 抗压强度 MPa 抗折强度 Mpa 3d 28d 3d 28d 6 5 7 0 8 0 8 0 42 5R 22 0 42 5 4 0 52 5 23 0 52 5 4 0 7 0 52 5R 27 0 52 5 5 0 62 5 28 0 62 5 5 0 62 5R 32 0 62 5 5 5 72 5R 37 0 72 5 6 0 根据强度试验结果确定水泥强度等级 42 5 17 0 42 5 3 5 6 5 3 1 5 5碱含量 碱含量是指水泥中氧化钠和氧化钾的含量 如果水泥中碱含量过高 用于混凝土时 遇到有活性的骨料 易产生碱 骨料反应 碱 骨料反应 混凝土所用骨料中若含有活性氧化硅会与水泥中的碱发生反应 在骨料表面生成碱 硅酸凝胶 吸水后无限膨胀导致混凝土开裂破坏 国家标准规定 水泥中碱含量不得大于0 60 国家标准规定 对于水泥的五项主要技术质量要求 凡氧化镁三氧化硫 四项中任一项不符合安定性 f CaO 标准规定时 水泥均初凝时间为废品其它要求任一项不符合标准规定时水泥为不合格品 3 2其它品种水泥 3 2 1高铝水泥 矾土水泥 属铝酸盐水泥系列 以铝矾土和石灰石为原料经高温煅烧而成 主要成分为铝酸钙 主要特性 1 快凝早强 2 水化热大 放热集中 3 抗硫酸盐性能很强 抗碱性极差 4 耐热性好 5 长期强度略有降低趋势 主要应用于紧急军事工程 抢修工程 配制耐热混凝土 寒冷地区冬季施工的混凝土工程 不宜用于大体积混凝土工程 不能蒸汽养护 不得与硅酸盐水泥或石灰相混 不能用于长期承重结构及高温高湿环境中的工程 3 2 2膨胀水泥 在硬化国过程中不仅不收缩反而有一定数量的膨胀 可克服普通水泥硬化时收缩产生微裂缝的缺点 有硅酸盐膨胀水泥 铝酸盐膨胀水泥 硫铝酸盐膨胀水泥 铁铝酸钙膨胀水泥四个主要品种 膨胀源于水泥石中钙矾石的膨胀 适用于配制收缩补偿混凝土 构件的接缝及管道接头 混凝土结构加固和修补 防渗堵漏 机器底座及地脚螺丝固定 自应力大于2 0MPa时称自应力水泥 用于自应力钢筋混凝土压力管及其配件 3 2 3白色和彩色硅酸盐水泥 3 2 3 1白色硅酸盐水泥 主要矿物组成仍为硅酸盐 只是其中着色物质含量极少 性能与硅酸盐水泥基本相同 多用于装饰工程 3 2 3 2彩色硅酸盐水泥 在硅酸盐水泥中加入着色物质 用于装饰工程 配制各类彩色水泥浆 砂浆和混凝土 第四章 混凝土 砼 concrete 4 1混凝土概述 由胶凝材料 水 或不加水 和骨料按适当的比例配合 拌合制成混合物 经一定时间后硬化而成的人造石材 叫做混凝土 混凝土一词源自于拉丁文术语 Concretus 共同生长 混凝土的概念 concrete 混凝土的分类 1 按所用胶凝材料分 水泥混凝土沥青混凝土硅酸盐混凝土聚合物胶结混凝土聚合物浸渍混凝土 聚合物水泥混凝土水玻璃混凝土石膏混凝土硫磺混凝土 2 按表观密度大小分 重砼 普通砼 2600kg m 2000 2500kg m 轻砼 1950kg m 轻骨料砼 800 1950kg m 多孔砼 300 1000kg m 大孔砼 普通骨料 1500 1900kg m 轻骨料 500 1500kg m 3 按施工工艺分 泵送混凝土喷射混凝土真空脱水混凝土造壳混凝土 裹砂混凝土 碾压混凝土压力灌浆混凝土 预埋骨料混凝土 热拌混凝土太阳能养护混凝土 4 按用途分 防水混凝土防射线混凝土耐酸混凝土装饰混凝土 耐火混凝土不发火混凝土补偿收缩混凝土水下浇筑混凝土 粉煤灰混凝土硅灰混凝土磨细高炉矿渣混凝土纤维混凝土 5 按掺合料分 6 按抗压强度分 低强混凝土 抗压强度 30MPa 中强混凝土 抗压强度30 60MPa 高强混凝土 抗压强度 60MPa 7 按每立方米水泥含量分 贫混凝土 水泥用量不小于170kg 富混凝土 水泥用量不小于230kg 普通混凝土组成材料 水泥 粗细骨料 水 有时常包括适量的掺合料和外加剂 各组成材料的作用 粗细骨料起骨架作用 水泥和水组成水泥浆包裹骨料表面并填充在骨料空隙中 在混凝土拌和物中 水泥浆起润滑作用 赋予混凝土拌和物流动性 便于施工 混凝土硬化后起胶结作用 将骨料胶结成整体 混凝土生产基本工艺过程 按配合比称量各组成材料 混合搅拌均匀 运输 浇注 振捣 养护 4 2普通混凝土的组成材料 4 2 1水泥 4 2 1 1水泥品种的选择 4 2 1 2水泥强度等级的选择 根据工程性质 部位 施工条件 环境状况 水泥特性作出合理选择 应与混凝土设计强度等级相适应 以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值1 5 2 0倍为宜 混凝土工程特点或所处环境条件 优先选用 可以使用 不宜使用 普通硅酸盐水泥 1 在普通气候环境中的混凝土 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 2 在干燥环境中的混凝土 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 3 在高温度环境中或永远处在水下的混凝土 复合硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 硅酸盐水泥 快硬硅酸盐水泥 4 厚大体积的混凝土 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 普通混凝土 混凝土工程特点或所处环境条件 优先选用 可以使用 不宜使用 快硬硅酸盐水泥硅酸盐水泥 1 要求快硬的混凝土 普通硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 2 高强 大于C40级的混凝土 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 标号 425号 3 严寒地区的露天混凝土 寒冷地区的处在水位升降范围内的混凝土 普通硅酸盐水泥 标号 325号 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合夺酸盐水泥 4 严寒地区处在水位升降范围内的混凝土 有特殊要求的混凝土 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 5 有抗渗性要求的混凝土 普通硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 6 有耐磨性要求的混凝土 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 标号 325 矿渣硅酸盐水泥 标号 325 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 骨料分 细骨料 砂粒径0 16 5mm之间 粗骨料 石粒径 5mm 4 2 2骨料 河砂海砂山砂 碎石卵石 骨料总体积占混凝土体积的60 80 骨料质量的优劣直接影响混凝土各项性质好坏 4 2 2 1泥和泥块含量 4 2 2 2有害物质含量 4 2 2 3坚固性 泥颗粒极细 粘附在骨料表面影响水泥石与骨料之间的胶结 泥块在混凝土中形成薄弱部分影响混凝土质量 对骨料中泥和泥块含量必须严加限制 表4 1 有害物质包括草根 树叶 树枝 塑料 炉渣 煤块 硫化物 硫酸盐 有机物 云母 轻物质 氯盐含量等 其含量必须符合表4 2规定 骨料按规定用硫酸钠溶液检验 经5次循环后重量损失符合表4 3规定 4 2 2 4碱活性 为避免碱 骨料反应 重要工程或对骨料有怀疑时 采用化学法或长度法对骨料进行碱活性检验 级配 骨料中不同粒径的分布情况即骨料大小颗粒的搭配情况 级配良好的骨料应使其空隙率和总表面积均最小 骨料颗粒级配 4 2 2 5级配和粗细程度 粗细程度 骨料不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度 相同重量的骨料 粒径小 总表面积大 粒径大 总表面积小 因而大粒径的骨料所需水泥浆量少 选择合适的骨料粗细程度能节约水泥 1 砂的颗粒级配和粗细程度通常用筛分析方法测定砂的级配和粗细程度 筛分析方法 六种孔径的标准筛一套 500克干砂 由粗到细依次过筛 然后称得留在各筛上砂的重量 并计算出各筛上的分计筛余率和累计筛余率 分计筛余百分率 各筛上的筛余量占砂样总重量的百分率 累计筛余百分率 各筛与比该筛粗的所有筛之分计筛余百分率之和 筛孔尺寸 mm 分计筛余 累计筛余 5 2 50 1 25 0 63 0 315 0 16 a1 a2 a3 a4 a5 a6 A6 a1 a2 a3 a4 a5 a6 A5 a1 a2 a3 a4 a5 A4 a1 a2 a3 a4 A3 a1 a2 a3 A2 a1 a2 A1 a1 累计筛余与分计筛余的关系 细度模数 f Ai 100 因粒径 5mm的不属于细骨料 所以 为粗砂 为中砂 配制混凝土时优先选用 为细砂 砂的粗细程度用细度模数表示 砂子的级配区 筛孔尺寸 mm 级配区 1区 2区 3区 累计筛余 按质量计 10 000 5 00 2 50 1 25 0 63 0 315 0 16 0 10 0 35 5 65 35 85 71 95 80 100 90 0 10 0 25 0 50 10 70 41 92 70 100 90 0 10 0 15 0 25 0 40 16 85 55 100 90 砂按0 630mm筛孔的累计筛余百分率分成三个级配区 3区 累计筛余 0 20 40 60 80 100 0 16 0 315 0 63 1 25 2 50 5 00 10 00 过细砂区 过粗砂区 筛孔尺寸 mm 1区 2区 注意 砂的细度模数不能反映其级配的优劣 细度模数相同的砂级配可以很不相同 配制混凝土时必须同时考虑砂的级配和细度模数 2 石子的颗粒级配和最大粒径 石子的级配分为连续粒级和单粒级两种 石子的级配通过筛分析试验确定 计算与砂相同 最大粒径 骨料筛析后 骨料中公称粒级的上限称为该骨料的最大粒径dmax 最大粒径的选择主要根据构件截面尺寸和施工条件 b 板 梁 c a dmax a c b dmax 50mm 为施工方便 级配范围 筛孔尺寸 圆孔筛 mm 级配情况 连续粒级 公称粒级 mm 累计筛余按质量计 0 15 95 100 2 50 5 00 10 0 16 0 20 0 25 0 31 5 40 0 50 0 63 0 80 0 100 5 10 80 100 0 30 60 95 100 5 16 90 100 0 10 0 40 70 95 100 5 20 90 100 0 10 0 0 95 100 5 15 90 100 30 70 0 5 0 5 0 70 90 95 100 5 31 5 90 100 15 45 0 5 75 90 5 40 95 100 30 65 0 碎石或卵石的颗粒级配范围 筛孔尺寸 圆孔筛 mm 级配情况 单粒级 公称粒级 mm 累计筛余按质量计 85 100 2 50 5 00 10 0 16 0 20 0 25 0 31 5 40 0 50 0 63 0 80 0 100 10 20 95 100 0 15 0 16 31 5 95 100 85 100 0 10 95 100 20 40 95 100 80 100 0 0 31 5 63 95 100 0 5 75 100 0 10 0 40 80 95 100 30 60 0 10 0 碎石或卵石的颗粒级配范围 4 2 2 6骨料的形状和表面特征 骨料颗粒形状近似球状或立方体形且表面光滑时 对混凝土流动性有利 但表面光滑时与水泥石粘结较差 对配制流动性要求高的混凝土宜选用卵石 对强度要求高的混凝土宜选用碎石 石子必须限制其针 片状颗粒含量 针状颗粒 长度大于该颗粒所属粒级平均粒径 该粒级上 下限粒径的平均值 的2 4倍者 片状颗粒 厚度小于平均粒径0 4倍者 4 2 2 7强度 抗压强度测定 用5 5 5cm试件在水饱和状态下进行抗压试验 测定其极限抗压强度值 一般在混凝土强度等级大于C60时测定 压碎指标测定 200KN 石子d 10 20mm 加压后用孔径为2 5mm的筛子筛析 粗骨料强度 碎石用抗压强度和压碎指标值表示 卵石用压碎指标值表示 4 2 3混凝土用水 能饮用的水和清洁的天然水 酸碱度 不溶物 可溶物 氯化物 硫酸盐 硫化物等都有一定的含量限值 海水不得拌制钢筋混凝土 预应力混凝土和有饰面要求的混凝土 4 2 4外加剂 外加剂 在拌制混凝土过程中掺入 用以改善混凝土性能的物质 掺量一般不超过水泥重量的5 分类 改善混凝土拌合物流变性能的外加剂 调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂 改善混凝土耐久性的外加剂 提供特殊性能的外加剂 4 2 4 1减水剂 4 2 4 2引气剂 减水剂 在混凝土拌和物坍落度基本相同条件下能减少拌和用水量的外加剂 原理 表面活性物质 在电性斥力作用下使水泥颗粒分开 将絮凝结构内的游离水释放出来 作用 不减少拌和用水量能明显提高拌和物流动性 减水而不减少水泥量时 能提高混凝土强度 减水同时适当减少水泥量则能节约水泥 引气剂 在搅拌混凝土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 一种表面活性剂 作用 改善混凝土拌和物和易性 提高混凝土抗渗性和抗冻性 使混凝土强度降低 减水剂作用简图 水泥颗粒 溶剂化水膜 游离水 电性斥力 减水剂 水泥颗粒 水泥颗粒 游离水 水泥浆的絮凝结构 4 2 4 3早强剂 4 2 4 4缓凝剂 早强剂 能加速混凝土早期强度发展的外加剂 作用 促进水泥水化和硬化 提高早期强度 缩短养护周期 加快施工进度 特别适用于冬季施工和紧急抢修工程 缓凝剂 能延缓混凝土凝结时间而不显著影响混凝土后期强度的外加剂 作用 延缓水泥水化和硬化 适用于高温季节施工混凝土 商品混凝土 分层浇筑混凝土 大体积混凝土 4 2 5掺和料 混凝土掺和料是在配制混凝土拌和物过程中 直接加入的具有一定活性的矿物细粉料 主要成分为SiO2和AI2O3 绝大多数来自工业固体废渣 在碱性或兼有硫酸盐成分存在的液相条件下发生水化反应 生成具有固化特性的胶凝物质 混凝土掺和料被称为混凝土 第二胶凝材料 或辅助胶凝材料 掺和料用于混凝土中可取代水泥 节约成本 改善混凝土拌和物和硬化混凝土各项性能 可改善环境 减少二次污染 推动可持续发展的绿色混凝土 4 2 5 1粉煤灰 又称飞灰 煤燃烧排放出的一种粘土类火山灰质材料 绝大多数来自火电厂 按获取工艺分 多电场收尘灰 选分机选灰 机械磨细灰 按其中氧化钙含量分 低钙灰 高钙灰 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 GB1596 91规定了低钙粉煤灰的技术指标和分级 粉煤灰掺和料可改善混凝土拌和物和易性 可泵性和抹面性 能降低混凝土水化热 能提高混凝土抗渗性 抗化学侵蚀性 抑制碱骨料反应 广泛应用于土木 水利建筑工程以及预制混凝土制品和构件 粉煤灰混凝土早期强度有所下降 长期强度可赶上或超过不掺粉煤灰的混凝土 4 2 5 2矿渣微粉 矿渣微粉是水淬粒化高炉矿渣磨细加工后形成的微粉材料 上海市地方标准规定了矿渣微粉的技术指标和分级 矿渣微粉可取代水泥 显著改善和提高混凝土的综合性能如改善和易性 降低水化热 提高抗腐蚀能力 提高后期强度 用于配制高强 高性能混凝土 也适用于中强混凝土 大体积混凝土 地下和水下混凝土 4 2 5 3硅灰 硅灰是电弧冶炼硅金属或硅铁合金时的副产品 极细的球形颗粒 主要成分为无定形二氧化硅 可取代水泥节约成本 能改善混凝土拌和物的粘聚性和保水性 降低水化热 提高混凝土抗渗 抗冻和抗侵蚀能力 能大幅度提高早期和后期强度 常用硅灰配制100MPa以上的特高强混凝土 4 3新拌混凝土的和易性 4 3 1和易性的概念 和易性定义 混凝土硬化前在拌合 运输 浇筑 振捣过程中 不发生分层 离析 泌水等现象 获得质量均匀 成型密实混凝土的性质 和易性是一项综合技术性质 包括流动性 粘聚性和保水性三方面含义 新拌混凝土 将水泥 砂 石加水拌和的尚未凝固时的拌和物 流动性 混凝土拌合物在自重或机械振捣作用下能产生流动并均匀密实地填满模板的性能 粘聚性 混凝土拌合物在施工过程中 其组成材料之间有一定粘聚力 不发生分层和离析的现象 保水性 混凝土拌合物在施工过程中具有一定的保水能力 不致产生严重的泌水现象 4 3 2和易性的测定方法 和易性的测定方法 测定混凝土拌合物的流动性 结合直观观察评定其和易性 混凝土流动性用坍落度和维勃稠度来表示 4 3 2 1坍落度试验 在进行坍落度试验的同时检查混凝土拌和物的粘聚性 坍落度试验仅适用于骨料最大粒径不大于40mm 坍落度不小于10mm的混凝土拌和物 测定方法 混凝土拌合物坍落度的测定 坍落度法 级别 名称 坍落度 mm 低塑性混凝土 塑性混凝土 流动性混凝土 大流动性混凝土 T1 10 40 50 90 100 150 160 T2 T3 T 混凝土按坍落度的分级 塑性混凝土施工时要根据构件截面尺寸大小钢筋疏密和捣实方法来确定 混凝土灌筑时的坍落度 70 90 项次 结构种类 坍落度 mm 基础或地面等的垫层无配筋的大体积结构 挡土墙 基础等 或配筋稀疏的结构 板 梁和大型及中型截面的柱子等 配筋密列的结构 薄壁 斗仓 筒仓 细柱等 配筋特密的结构 1 2 3 4 10 30 30 50 50 70 4 3 2 2维勃稠度试验 坍落度小于10mm的干硬混凝土拌和物的流动性用维勃稠度表示 单位为s维勃稠度试验适用于骨料最大粒径不超过40mm 维勃稠度在5 30s之间的混凝土拌和物 根据维勃稠度混凝土分四级 超干硬性 31s 特干硬性 30 21s 干硬性 20 11s 半干硬性 10 5s 维勃稠度法 维勃稠度仪 4 3 3 影响和易性的主要因素 水灰比 混凝土中用水量与水泥用量的比例 无论是水泥浆数量影响还是水灰比影响 实际上都是用水量影响 影响新拌混凝土和易性的决定因素是单位体积混凝土用水量多少 固定用水量定则 骨料一定 单位用水量一定 单位水泥用量增减不超过50 100kg 坍落度基本保持不变 固定单位用水量 变化水灰比 既满足和易性要求 又满足强度要求 4 3 3 1水泥浆的数量和水灰比的影响 干硬性和塑性混凝土的用水量 kg m 碎石最大粒径 mm 拌合物稠度 卵石最大粒径 mm 坍落度 mm 项目 指标 10 20 40 16 20 40 维勃稠度 s 15 20 10 15 5 10 10 30 30 50 50 70 70 90 175 160 145 180 170 155 180 165 150 185 175 160 185 170 155 190 180 165 190 170 150 200 185 165 200 180 160 210 195 175 210 190 170 220 205 185 215 195 175 230 215 195 180 含砂率 mm 坍落度 合理 4 3 3 2砂率的影响 砂率 细骨料含量占骨料总量的百分率 应在用水量和水泥用量不变的情况下选取可使拌和物获得所要求的流动性及良好粘聚性和保水性的合理砂率 3 外加剂加入减水剂和引气剂可明显提高拌和物流动性 引气剂可有效改善粘聚性和保水性 1 水泥主要是水泥品种和水泥细度的影响 2 骨料级配好 表面光滑的骨料和易性好 粒径大的骨料流动性好 4 3 3 3组成材料性质的影响 4 3 3 4温度和时间的影响 拌和物流动性随温度升高而降低 拌和物流动性随时间延长而降低 4 4硬化混凝土的强度 我国以立方体抗压强度为混凝土强度的特征值 标准的普通混凝土抗压强度试验条件 立方体试件 非标准尺寸应进行修正 200 200 200mm 1 05 100 100 100mm 0 95 尺寸 150 150 150mm 4 4 1混凝土的抗压强度与强度等级 养护 标准养护 20 3 相对湿度90 以上或置于水中 试验龄期 28d 在标准养护条件下养护28天 以标准方法测试 计算得到的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度 混凝土立方体强度取值 1 每组三个试块 2 以三个试块的算术平均值作为该组试件的抗压强度代表值 3 三个测值中最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15 时 取中间值为代表值 4 两个测值与中间值之差均超过中间值的15 该组试件试验结果无效 立方体抗压强度标准值 按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件 在28天龄期 用标准试验方法测得的具有95 保证率的立方体抗压强度 强度 fcu Q P t fcu k fcu 概率密度 fcu 混凝土的强度等级 我国将普通混凝土按立方体抗压强度标准值划分为12个等级 C7 5 C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C 为混凝土强度符号 C 后面的数值即为混凝土立方体抗压强度标准值 棱柱体抗压强度fcp 轴心抗压强度 工程实际中 受压构件常为棱柱体 或圆柱体 而不是立方体 采用棱柱体试件能比立方体试件更好地反映混凝土的实际受压情况 由棱柱体试件测得的抗压强度称为棱柱体抗压强度 又称轴心抗压强度 试件 150 150 300mm非标准尺寸棱柱体试件高与宽之比应在2 3间 轴心抗压强度与立方体抗压强度之间的关系 fcp 0 7 0 8 fcc 砼劈拉强度fts 压应力 拉应力 劈裂试验时垂直于受力面的应力分布 fts 劈裂抗拉强度MPa P 破坏荷载 N A 试件劈裂面面积 mm2 4 4 2影响混凝土抗压强度的主要因素 4 4 2 1水泥强度等级和水灰比的影响 水泥强度等级和水灰比是影响混凝土抗压强度的主要因素 也是决定因素 在水泥强度等级相同的条件下 水灰比越小 水泥石的强度越高 从而使混凝土的强度也越高 在原材料一定的情况下 混凝土28天龄期抗压强度与水泥实际强度及水灰比之间存在下列关系 经验公式 C 每立方米混凝土中的水泥用量 kg W 每立方米混凝土中有水量 kg fcu 砼28天抗压强度 MPa fce 水泥的实际强度 Mpa 灰水比 水泥与水质量比 fce fce k rc 水泥标号的强度富裕系数一般可取1 13 水泥标号的强度标准值 A B经验系数 与混凝土粗骨料有关 碎石A 0 48B 0 52 卵石A 0 50B 0 61 4 4 2 2骨料的影响 骨料强度比水泥石高 不直接影响混凝土强度 但骨料本身强度降低 配制混凝土强度也降低 骨料表面粗糙与水泥石粘结力大 混凝土强度高 但随着水灰比增大 强度降低 4 4 2 3龄期与强度的关系 强度随龄期增长而增长 强度发展与龄期的对数