土木工程材料学习课件第4章-1 混凝土原材料

第四章混凝土、砂浆Concreteandmortar,本章重点介绍普通混凝土的组成及各个组成材料的质量要求和砂石级配的概念、作用及评定方法；普通混凝土的主要技术性质-和易性、强度、变形性质及耐久性；普通混凝土质量控制的方法和意义；普通混凝土配合比设计的原理、方法和步骤；常用混凝土外加剂的品种、性能及应用。,混凝土Concrete,以水泥为胶结材，在现代土木建筑工程中最为广泛应用的一类建筑材料,混凝土的定义,广义上-凡由胶凝材料、骨料按适当比例配合，拌合制成的混合物，经一定时间硬化而成的人造石材统称之为混凝土。目前工程上使用最多的是以水泥为胶结材料，以砂、石为骨料，加水及掺入适量外加剂和掺和料拌制的普通水泥混凝土（简称普通混凝土）,输水管线,外径,7.5m,内径,6.6m,混凝土输水管,巴西ItaipuDam,混凝土大坝,三峡工程全貌,正在建设中的三峡大坝,正在建设的三峡大坝,葛洲坝水力工程,南沙人造岛礁,地铁,香港青马大桥,日本明石海峡大桥,正在建造的海上石油钻井平台,混凝土桥,钢梁,混凝土,栓钉,钢板,钢混凝土组合结构桥梁板,预制混凝土结,加拿大联盟桥(12.9km、100年设计寿命）,混凝土桥,水泥混凝土的由来,东欧（B.C.5000y)、古埃及、古希腊的石灰混凝土；中国（B.C.3000y）低温煅烧礓石混凝土；古罗马（B.C.2000y）石灰和凝灰岩、火山灰混凝土英国（1824）硅酸盐水泥混凝土,混凝土的组份,水泥(Cement)：颗粒尺寸1-50m密度3.1g/cm3骨料(Aggregate):粗骨料（粒径大于5mm）细骨料（粒径小于5mm）密度2.7g/cm3水(water)：密度1g/cm3化学外加剂(admixture)和矿物掺合料,水泥混凝土的主要组份,水泥+水=水泥浆Paste水泥+水+细骨料=砂浆Mortar水泥+水+细骨料+粗骨料=混凝土FineCoarse,术语,混凝土的分类,按表观密度分类重混凝土其表观密度大于2600kg/m3，用重骨料和钡水泥、锶水泥等重水泥配制而成。具有防射线的性能，又称防辐射混凝土，主要用作核能工程的屏蔽结构材料。普通混凝土表观密度2100kg/m32500kg/m3，用普通的天然砂石为骨料配制而成，为建筑工程中常用的混凝土。轻混凝土表观密度小于1900kg/m3，是采用陶粒等轻质多孔的骨料，或者不采用骨料而掺入加气剂或泡沫剂，形成多孔结构的混凝土。主要用作轻质结构材料和绝热材料。,按用途分类,结构混凝土防水混凝土道路混凝土防辐射混凝土耐热混凝土耐酸混凝土大体积混凝土膨胀混凝土等。,按生产和施工方法分类,泵送混凝土喷射混凝土滑模混凝土碾压混凝土自密实混凝土离心混凝土压力灌浆混凝土、预拌混凝土（商品混凝土）,按其抗压强度（fcu）,混凝土还可分为：低强度混凝土（fcu60MPa)超高强度混凝土（fcu100MPa),混凝土的特点,地方材料占80%以上，原材料易得且成本低。凝结前具有良好的可塑性，可以按工程结构的要求浇筑成各种形状和任意尺寸的结构或预制构件。硬化后有高的力学强度（抗压强度可达120MPa)和良好的耐久性。与钢筋有牢固的粘结力，复合成钢筋混凝土能大大扩展了混凝土的应用范围。可根据不同要求，通过调整配比配制出不同性质的混凝土。可充分利于工业废料作骨料或掺和料，有利于环境保护。,混凝土的缺点,如自重大，比强度小；抗拉强度低，一般只有其抗压强度的1/10-1/20；硬化速度慢，生产周期长，强度波动因素多等。改性：采用轻质骨料可显著降低混凝土的自重，提高比强度；掺入纤维或聚合物，可提高抗拉强度，大大降低混凝土的脆性；掺入减水剂、早强剂等外加剂，可显著缩短硬化周期，改善力学性能。,P,钢筋,钢筋混凝土,P,预应力钢丝束,锚固端,锚固端,预应力混凝土,4.2普通混凝土的组成材料,水泥+水+天然砂+石子+掺和料和外加剂水泥+水水泥桨（Paste）水泥浆砂水泥砂浆（Mortar）水泥砂浆石子混凝土（Concrete）外加剂Admixture掺和料,水泥浆的作用,在混凝土硬化前，水泥桨起润滑作用，赋予混凝土拌合物一定的流动性，便于施工。水泥桨硬化后，起胶结作用，把砂石骨料胶结在一起，成为坚硬的人造石材砼，并产生力学强度。,混凝土结构图,一、水泥的品质要求,水泥品种的选择依据工程性质、工程环境、施工条件等合理选择。水泥强度等级的选择与配制的混凝土强度等级相适应。当混凝土强度：C30：fce=(1.52.0)fcuC30：fce=(0.91.5)fcu,骨料,对骨料要求主要有：有害杂质含量少具有良好的颗粒形状，适宜的颗粒级配和细度；表面粗糙，与水泥粘结牢固性能稳定、坚固耐久等。,二、细骨料FineAggregate,定义：粒径在0.165mm(圆孔筛)之间的岩石颗粒称为细骨料。分类：天然砂天然砂是由天然岩石经长期风化等自然条件作用而形成的。人工砂人工砂是将天然岩石轧碎而成，其颗粒棱角多，较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多，且成本较高，一般只在当地缺乏天然砂源时才采用人工砂。,分类,天然砂：河砂湖砂海砂山砂河砂、湖砂和海砂由于长期受水流的冲刷作用，颗粒表面比较圆滑，比较洁净，且产源较广，但海砂中常含有贝壳碎片及可容盐等有害杂质。山砂颗粒多具棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有机质等有害杂质较多。天然砂按其技术要求分为优等品、一等品、合格品三个等级。,品质要求,对细骨料的质量要求：1、有害杂质含量2、砂的粗细程度细度模数砂的级配级配曲线3、坚固性,1、有害杂质含量,砂中有害杂质有：泥块、草根、树叶、树枝、塑料、煤渣等杂物，以及云母、硫化物、硫酸盐、氯盐和有机质等,砂中有害杂质含量限值,有害杂质的危害,云母表面光滑的层、片状物质，与水泥粘结性差，影响混凝土的强度和耐久性；硫化物及硫酸盐对水泥有侵蚀作用；有机质影响水泥的水化硬化；粘土、淤泥粘附在砂粒表面妨碍水泥与砂的粘结，增大用水量，降低混凝土的强度和耐久性，并增大混凝土的干缩；海砂含的氯化钠等氯化物对钢筋有锈蚀作用，因此对使用海砂配制混凝土时，其氯盐含量（折算成NaCl）不应大于0.1%,对预应力钢筋混凝土结构，不宜采用海砂。,砂中有机杂质的处理,当砂中有害杂质含量多，但有无合适砂源时，可过筛和用清水或石灰水（有机质含量多时）冲洗后使用，以符合就地取材原则。,2、砂的粗细程度和颗粒级配,砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒，混合在一起后的总体的粗细程度。砂子通常分为粗砂、中砂、细砂和特细砂等几种。在相同用砂量条件下，细砂的总表面积较大，粗砂的总表面积较小。在混凝土中砂子表面需用水泥桨包裹，赋予流动性和粘结强度，砂子的总表面积愈大，则需要包裹砂粒表面的水泥桨就愈多。一般用粗砂配制混凝土比用细砂所用水泥为省。,砂的颗粒级配,定义：是指不同大小颗粒和数量比例的砂子的组合或搭配情况。在混凝土中砂粒之间的空隙是由水泥桨所填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，就应尽量减小砂粒之间的空隙。,砂的颗粒级配图,从图可看出：同样粒径的砂，空隙率最大;两种粒径的砂搭配起来，空隙率就减小；三种粒径的砂搭配，空隙就更小。因此，要减小砂粒间的空隙，就必须有大小不同的颗粒搭配。,骨料的颗粒级配图,理想的颗粒级配,在拌制混凝土时，砂的粗细和颗粒级配应同时考虑。当砂中含有较多的粗颗粒，并以适量的中粗颗粒及少量的细颗粒填充其空隙，则可达到空隙率及总表面积均较小，这种砂是比较理想的，不仅水泥用量少，而且还提高混凝土的密实性与强度。,颗粒级配和粗细程度的定量表示,砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。用级配区表示砂的级配，用细度模数表示砂的粗细。,筛分析的方法,是用一套孔径为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15mm的6个标准筛(方孔筛)，将500g干砂试样由粗到细依次过筛，然后称量余留在各筛上的砂重，并计算出个筛上的分计筛余百分率a1、a2、a3、a4、a5、a6、（各筛上的筛余量占砂样总重的百分率）及累计筛余百分率A1、A2、A3、A4、A5、A6（各筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和）。累计筛余百分率与分计筛余百分率的关系见下表。,累计筛余与分计筛余百分率关系,砂的粗细细度模数（f）,砂的粗细程度用表示细度模数（Mx），其计算公式为细度模数（f）愈大，表示砂愈粗，普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.70.7，其中f在3.73.1为粗砂，f在3.02.3为中砂，f在2.21.6为细砂，f在1.50.7为特细砂,砂的颗粒级配级配曲线,砂的颗粒级配用级配区表示；以级配区或筛分曲线判定砂级配的合格性；对细度模数为3.71.6的普通混凝土用砂，根据0.60mm孔径筛（控制粒级）的累计筛余百分率，划分成为区、区、区三个级配区，见下表。普通混凝土用砂的颗粒级配，应处于下表中的任何一个级配区中，才符合级配要求。除4.75mm及0.60mm筛外，允许有部分超出分区界限，但其总量不应大于5。,砂的级配区范围（JGJ5292）,筛分曲线,以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，根据上表的数值可以画出砂、三个级配区的筛分曲线，如下图。通过观察所计算的砂的筛分曲线是否完全落在三个级配区的任一区内，即可判定该砂级配的合格性。同时也可根据筛分曲线偏区情况大致判断砂的粗细程度，当筛分曲线偏向右下方时，表示砂较粗，筛分曲线偏向左上方时，表示砂较细。,筛分曲线图,砂的选择,配制混凝土时宜优先选用区砂。当采用区砂时，应适当提高砂率，并保证足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用区砂时，宜适当降低砂率，以满足混凝土强度。,砂级配的调整,在实际工程中，若砂的级配不合适，可采用人工掺配的方法来改善，即将粗、细砂按适当的比例进行掺合使用；或将砂过筛，筛除过粗或过细颗粒。,3砂的坚固性,定义：是指砂在气候、环境或其它物理因素作用下抵抗破裂的能力。按标准规定，用硫酸钠溶液检验，砂样经5次循环后其质量损失应符合下表的规定：砂的坚固性指标（JGJ52-92）,三、粗骨料,定义：粒径5mm(圆孔筛)的岩石颗粒分类：卵石（砾石）碎石卵石是由天然岩石经自然条件长期作用而形成的粒径大于5mm的颗粒，按其产源可分为河卵石、海卵石、山卵石等几种，其中河卵石应用较多。碎石由天然岩石经破碎、筛分而成，也可将大卵石轧碎、筛分而得。标准：普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验办法（JGJ5392）,三峡大坝石料厂,三峡大坝石料加工厂,花岗岩岩芯,品质要求,洁净坚硬表面粗糙级配合理粒径合适,1、有害杂质含量的限值,粗骨料中的有害杂质：粘土物质、石粉（1.5倍（1.21.7）混凝土强度,骨料颗粒压碎强度试验示意图,普通混凝土用碎石和卵石的压碎指标,3、骨料颗粒形状及表面特征,理想的颗粒形状三维长度相等或相近的球形或立方体形颗粒；而三维长度相差较大的针、片状颗粒粒形较差。粗骨料中针、片状颗粒不仅本身受力时容易折断，影响混凝土的强度，而且会增大骨料的空隙率。针、片状颗粒含量要求,几何形状规则的物体的球度系数,针状颗粒指颗粒长度大于颗粒平均粒径2.4倍者；片状颗粒指颗粒平均厚度小于骨料平均粒径0.4倍者；平均粒径指该粒级上、下限粒径的算术平均值,骨料表面特征,骨料表面特征主要是指骨料表面的粗糙程度及孔隙特征等。影响骨料与水泥石之间的粘结性能，进而影响混凝土的强度。碎石表面粗糙而且具有吸收水泥桨的孔隙特征，所以它与水泥石的粘结能力强；卵石表面光滑且少棱角，与水泥石的粘结能力较差，但混凝土拌合物的和易性较好。在相同条件下，碎石混凝土比卵石混凝土强度高10左右。,混凝土类型Dmax（mm),大坝混凝土150普通混凝土40高强混凝土25（碎石）15（卵石）活性粉末混凝土0.6,4、骨料最大粒径(Dmax),定义公称粒级的上限（如2040mm）,最大粒径限值,混凝土结构工程施工及验收规范（GBJ5020492）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，同时不得大于钢筋最小净距的3/4；对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1/2板厚的骨料，但最大粒径不得超过50mm；对泵送混凝土，碎石最大粒径与输送管内径之比，宜小于或等于1：3，卵石宜小于或等于1：2.5。,5、颗粒级配,粗骨料与细骨料一样，也要求有良好的颗粒级配，以减少空隙率，增强密实性，从而可以节约水泥，保证混凝土的和易性及混凝土的强度。粗骨料的级配也是通过筛分试验来确定，其标准筛的孔径为：2.5、5、10、16、20、25、31.5、40、50、63、80及100mm等十二个筛。分计筛余百分率及累计筛余百分率的计算与砂相同。,碎石或卵石的颗粒级配范围图,连续级配和间断级配,连续级配是按颗粒尺寸大小由小到大连续分级（5mmDmax）,每一级骨料都占有一定比例。连续级配颗粒级差小（D/d2）,配制的混凝土拌和物和易性好，不易发生离析；间断级配是人为剔除某些中间粒级颗粒，大颗粒的空隙直接由比它小得多的颗粒去填充，颗粒级差大（D/d6）,空隙率的降低比连续级配快得多，可最大限度地发挥骨料的骨架，减小水泥用量。但混凝土拌和物易产生离析现象；单粒级宜用于组合成具有所要求级配的连续粒级，也可与连续粒级配合使用，以改善骨料级配或配成较大粒度的连续粒级。工程中不宜采用单一的单粒级配制混凝土。,6、骨料的坚固性,检验方法：硫酸钠溶液侵渍法骨料越密实，强度高，吸水率小时，其