任务普通水泥混凝土性能及配合比设计

1、1-1-3 普通水泥混凝土性能 及配合比设计 授课内容 水泥混凝土概述水泥混凝土概述 v水泥混凝土是以水泥和水组成的水泥浆体为粘结介质，将分散其 间的不同粒径的粗、细集料胶结起来，在一定的条件下，硬化成 为具有一定力学性能的一种人工石材。 v按表观密度，水泥混凝土可分为： v（1）普通混凝土（干表观密度约为2400kg/m3），是道路路面和 桥梁结构中最常用的混凝土； v（2）轻混凝土 （干表观密度可以轻达1900 kg/m3。）现代大跨 度钢筋混凝土桥梁为减轻结构自重，往往采用各种轻集料配制成 轻集料结构混凝土，达到轻质高强，以增大桥梁的跨度。 v（3）重混凝土（干表密度可达3200 kg/

2、m3 ）为了屏蔽各种射线 的辐射采用各种高密度集料配制的混凝土。 v按强度分级，水泥混凝土按抗压强度可分为3大类： v(1）低强度混凝土 抗压强度小于30MPa; v(2) 中强度混凝土 抗压强度3060MPa； v(3) 高强度混凝土 抗压强度大于60MPa。 v此外，可根据工程的特殊要求，配制各种特种混凝土，如：加气混凝土、 泵送混凝土、防水混凝土、道路混凝土、水工混凝土、纤维加筋混凝土、 补偿收缩混凝土等。 v普通水泥混凝土具有许多优点，在凝结前具有良好的塑性，因此可以浇制 成各种形状和大小的构件或结构物；它与钢筋有牢固的粘结力，能制作钢 筋混凝土结构和构件；经硬化后有抗压强度高与耐久性

3、良好的特性；其组 成材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则。但 事物总是一分为二的，普通混凝土也存在着抗拉强度低，受拉时变形能力 小，容易开裂，自重大等缺点。 v一、普通水泥混凝土的组成材料 普通水泥混凝土 v（一）水泥 v1水泥品种的选择 v配制水泥混凝土一般可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、 火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。必要时也可采用快硬硅酸盐水泥或 其他水泥。 v2水泥强度等级的选择 v 选用水泥强度等级应与要求配制混凝土等级相适应。 v（二）细集料 v1砂的颗粒级配和细度模数 v2 有害杂质含量 v3 含泥量、石粉含量和泥块含量 v4 坚固

4、性 v5 表观密度、堆积密度、空隙率 v6 碱集料反应 v（三）粗集料 v1强度 v2坚固性 v3最大粒径及颗粒级配 v1）最大粒径的选择 2）颗粒级配 v4表面特征及形状 v5有害物质含量 v6碱集料反应 v（四）混凝土拌和用水 v（五）外加剂 v（六）掺合料 v二、普通水泥混凝土的主要技术性质 v（一）新拌混凝土的工作性（和易性） v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。新拌 混凝土具有良好的工艺性质，称之为工作性（或称和易性）。 v1工作性的含义 v工作性（和易性）这一术语的含义，至今尚无公认的定义。通常认为它包含： “流动性”、“可塑性”、“稳定性”和“易密性”

5、这四个方面的含义。优 质的新拌混凝土应具有：满足输送和浇捣要求的流动性；不为外力作用产生 脆断的可塑性；不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣密致的密实性。 v2工作性的测定方法 v（1）坍落度与坍落扩展度法试验 v（2）维勃稠度试验 v3影响和易性的主要因素 v1）组成材料质量及其用量（内因） v（1）水泥浆的数量和集浆比；（2）水泥浆的稠度；（3）砂率；（4）组成 材料性质 v2）环境条件与搅拌时间（外因） v对混凝土拌和物和易性有影响的环境因素主要有湿度、温度、风速。 v4混凝土拌和物和易性的选择 v1）公路桥涵用混凝土拌和物的和易性，应根据公路桥涵技术规范有关规定选 择。 v2）道路混凝土

6、拌和物的工作性选择 v（二）硬化混凝土的强度 v1混凝土的抗压强度标准值和强度等级 v1）立方体抗压强度（ fcu ） v2）立方体抗压强度标准值（fcu，k） v3）强度等级（C） v2混凝土的轴心抗压强度（fcp） v3混凝土的劈裂抗拉强度（fts） v4混凝土的抗折强度（ftf） v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202，相对湿度为95%以上），或在温度为202的不流动的 Ca(OH)2饱和溶液中养护；（标准养护室内的试件应放在支架中；彼此间隔 1020mm，试件表应保持潮湿，并不得被水直接冲淋的条件下）养护28天龄 期，按标准方法测定其抗压强

7、度值，称为“混凝土立方体抗压强度”，可按 下式计算： v式中：fcu立方体抗压强度（Mpa） F试件破坏荷载（N）；A试件承压 面积（mm2）。 c u F f A v立方体抗压强度标准值（ fcu，k ），按我国现行国家标准混凝土强度 检验评定标准（GBJ10787）的定义是：按照标准方法制作和养护的 边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测定的抗压强 度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5%（即具有95%保 证率的抗压强度）以N/mm2（即Mpa）计，以fcu，k表示。 v混凝土强度等级是根据立方体抗压强度标准值来确定的。强度等级的表示 方法，用符号“C”和

8、“立方体抗压强度标准值”两项内容来表示，如C20即 表示混凝土立方体抗压强度标准值为20Mpa。 v我国现行规范（GB500102002）规定，普通混凝土按立方体抗压强度标准 值划分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、 C75、C80等14个等级。 v我国现行国家标准（GB/T500812002）规定，采用150mm150mm300mm的 棱柱体作为标准试件，测定其轴心抗压强度。混凝土的轴心抗压强度可按下 式计算： v式中： fcp混凝土的轴心抗压强度（Mpa）； F试件破坏荷载（N）； v A 试件承压面积（mm2）。 v通过许多棱

9、柱体和立方体试件的强度试验表明：在立方体抗压强度为1050 Mpa的范围内，轴心抗压强度与立方体抗压强度之比约为0.70.8。 c p F f A v我国现行国家标准（GB/T500812002）规定，采用150mm150mm150mm的 立方体作为标准试件，在立方体试件（或圆柱体）中心平面内用圆弧为垫条 施加两个方向相反、均匀分布的压应力，当压力增大至一定程度时试件就沿 此平面劈裂破坏，这样测得的强度称为劈裂抗拉强度。混凝土的劈裂抗拉强 度（ fts ）可按下式计算： v式中： fts混凝土的劈裂抗拉强度（Mpa）； F试件破坏荷载（N）；B 试件承压面积（mm2） 0 .6 3 7 ts

10、F f A v道路路面或机场跑道用水泥混凝土，以抗折强度（也称抗弯拉强度）为主要 强度指标，抗压强度作为参考指标。根据我国公路水泥混凝土路面设计规 范（JTG D402002）规定道路路面用水泥混凝土的抗折强度是以标准方法 制备成150mm150mm550mm的梁形试件，在标准条件下，经养护28天后，按 三分点加荷方式测定其抗折强度（ ftf ），可按下式计算： v式中： ftf混凝土的抗弯拉（抗折）强度（Mpa）；F试件破坏荷载（N）； L支座间距（mm）；b试件宽度（mm）；h试件高度（mm）。 2 t f FL f bh v5影响水泥混凝土强度的因素 v1）材料组成 v（1）水泥强度与水

11、灰比 v（2）集料特性与水泥浆用量 v2）养护温度与湿度 3）龄期 v6提高混凝土强度的技术措施 v1）采用高强度水泥和特种水泥 v2）采用低水灰比和浆集比 v3）掺加外加剂 v4）采用湿热处理方法 v（1）蒸汽养护 （2）蒸压养护 v5）采用机械搅拌和振捣 v（三）混凝土的变形 v1弹性变形和弹性模量 v弹性变形是指对材料施加荷载出现、荷载卸除后消失的变形。 v2徐变 v混凝土在持续荷载的作用下。随时间增长的变形称为徐变，也称为蠕变。混 凝土的徐变变形在早期增长很快，然后逐渐减慢，一般要23年才可能基本趋 于稳定。当混凝土卸载后，一部分变形瞬间恢复，还有一部分要若干天内才 能逐渐稳定，称为徐

12、变恢复，剩下不可恢复部分称为残余变形。 v3温度变形 v混凝土具有热胀冷缩的性质，它的温度膨胀系数约为1.010-10，即温度升 高1每米膨胀0.01mm。 v4化学收缩 v混凝土拌和物由于水化产物的体积比反应前物质的总体积要小，因而产生收 缩，称为化学收缩。 v5干湿变形 v这种变形主要表现为湿胀干缩，混凝土在干燥空气中硬化时，随着水分的逐 渐蒸发，体积也将逐渐发生收缩；如在水中或潮湿条件下养护时，则混凝土 的干缩将随之减少或略产生膨胀。 v（四）混凝土的耐久性 v道路与桥梁用混凝土除了要满足工作性和强度外，还要求具有优良耐久性。 耐久性首要要求是抗冻性；其次对道路混凝土，因受车辆轮胎作用，

13、还要求 其有耐磨性；桥梁墩台混凝土受海水或污水的侵蚀，还要求具有抗化学侵蚀 的耐蚀性；此外，碱集料反应必须引起关注。 v1抗冻性：混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下遭受冰冻时，抵抗冻 融循环作用而不破坏的能力。 v2混凝土的耐磨性：耐磨性是道路路面和桥梁工程用混凝土的最重要的性能 之一。 v3碱集料反应：水泥混凝土中水泥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集料反应（简 称ARR）。 v4混凝土的碳化 v混凝土的碳化作用是指大气中的二氧化碳在存在水的条件与水泥水化产物氢 氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水。因氢氧化钙是碱性，而碳酸钙是中性， 所

14、以碳化又叫中性化。碳化主要是对混凝土的碱度、强度和收缩产生影响。 v5混凝土的抗侵蚀性 v当混凝土所处的环境水有侵蚀性时，必须对侵蚀问题予以重视。环境侵蚀主 要指对水泥石的侵蚀，如淡水侵蚀、硫酸盐侵蚀、酸碱侵蚀等。混凝土的抗 侵蚀性主要在于选用合适的水泥品种和提高混凝土密实度。密实性好及具有 封闭孔隙的混凝土，环境水不易侵入混凝土内部，故其抗侵蚀性好。 v（一）混凝土配合比设计的基本资料 v1混凝土设计强度等级； v2工程特征（工程所处环境、结构断面、钢筋最小净距等）； v3耐久性要求（如抗冻性、抗侵蚀、耐磨、碱集料等）； v4水泥强度等级和品种； v5砂、石的种类，石子最大粒径、密度等； v

15、6施工方法等。 普通水泥混凝土配合比设计 （以抗压强度为指标的计算方法） v（二）表示方法 v混凝土配合比表示方法，有下列两种： v1单位用量表示法 以每1m3混凝土中各种材料的用量表示。 v2相对用量表示法 以水泥的质量为1，并按“水泥：细集料：粗集料；水 灰比”的顺序排列表示。 v（三）基本要求 v1施工工作性的要求 v2结构物强度要求 v3环境耐久性要求 v4经济性的要求 v（四）混凝土配合比设计三参数 v1、水灰比 2、砂率 3、单位用水量 v（五）混凝土配合比的基本原理 v1绝对体积法 2假定表观密度法 3查表法 v（六）混凝土配合比设计的步骤 v1初步配合比的计算 v2试拌调整提出

16、基准配合比 v3检验强度，确定试验室配合比 v4施工配合比 v案例案例（以抗压强度为指标的设计方法） v案例试设计钢筋混凝土桥T型梁混凝土配合比 v原始资料 v1已知混凝土设计强度等级为C30，无强度历史统计资料，要求混凝土拌 和物坍落度为30mm50mm。桥梁所在地区无冻害影响。 v2组成材料：可供应强度等级42.5级普通硅酸盐水泥；密度为 3.1103kg/m3；富余系数为1.13；砂为中砂,表观密度为2.65103kg/m3； 碎石最大粒径为31.5mm，表观密度为2.70103kg/m3。 v设计要求 v1按题给资料计算出初步配合比。 v2按初步配合比在试验室进行试拌调整得出试验室配合

17、比。 v设计步骤 v（一）计算初步配合比 v1确定混凝土配制强度fcu,o v按题意已知：设计要求混凝土强度为30MPa，无历史资料，查表3-17标准差为 5.0MPa。 v混凝土配制强度： v2计算水灰比W/C v1）按强度要求计算水灰比 v（1）计算水泥实际强度 由题意已知采用强度等级42.5MPa普通硅酸盐水泥， 富余系数为1.13。则水泥实际强度： , 1.645301.645538.2 cu ocu k ffMPa , 1.13 42.548 cecce k ffMPa （2）计算水灰比 已知混凝土配制强度为38.2MPa，水泥实际强度为48MPa。本 单位无混凝土强度回归系数统一资

18、料，查表3-17中回归系数。计算水灰比： 2）按耐久性校核水灰比 v根据混凝土所处环境为无冻害影响地区，查表3-19，允许最大水灰比为0.60, 按强度计算的水灰比满足耐久性要求,采有0.56。 v3选用单位用水量mw0由题意已知，要求混凝土拌和物坍落度为30mm50mm， 碎石最大粒径为31.5mm。查表3-20选用混凝土用水量为185kg/m3。 , 0.46 48 0.56 38.20.46 0.07 48 ace cu oabce fW Cff v4计算单位水泥用量mc0 v1）按强度计算单位水泥用量 v已知混凝土单位水用量为185 kg/m3，水灰比为0.56，混凝土单位水泥用 量为

19、： v2）按耐久性校核单位水泥用量 v根据混凝土所处环境为无冻害影响，查表3-19，最小水泥用量不得小于 275kg/m3。按强度计算单位水泥用量符合耐久性要求。采用单位水泥用 量330kg/m3。 2 185 330/ 0.56 wo co m mkgm W C v5选定砂率按已知集料采用碎石，最大粒径31.5mm，水灰比为0.56，查 表3-21，选取砂率为0.33。 v6计算砂石用量 v1）采用质量法 v已知：单位水泥用量为330kg/m3，单位用水量为185kg/m3，混凝土拌和物 湿表观密度为2400kg/m3，砂率为0.33，得： v 解得： v按质量法计算得初步配合比：即 1:1

20、.88:3.83, W/C=0.56 2400 330 185 0.33 sogocpcowo so s sogo mmmm m mm 33 622/,1263/ sogo mkg m mkg m 2)采用体积法：已知:水泥密度为3.1103kg/m3；砂的表观密度为 2.65103kg/m3；碎石表观密度为2.70103kg/m3。 100010 go socowo sgcw so s sogo m mmm m mm 330185 100010 2.652.703.101 0.33 go so so sogo m m m mm 非引气混凝土=1 v解得:砂用量为619kg/m3；碎石用量为1

21、257kg/m3。 v按体积法计算得初步配合比：即：12.483.98，W/C=0.56。 v（二）调整工作性、提出基准配合比 v1计算试样材料用量 v按计算初步配合比取样15L，则各种材料的用量为 v水泥：3300.015=4.95(kg) 砂: 6190.015=9.23(kg) v石子: 12570.015=18.86(kg) 水: 1850.015=2.78(kg) 2.调整工作性 按计算材料用量拌制混凝土拌和物,测定其坍落度为20mm,不满足题给的施工 和易性要求.为此,保持水灰比不变,增加5%水泥浆.再经拌和坍落度为40mm,粘 聚性和保水性亦良好,满足施工和易性要求.此时混凝土拌

22、和物各组成材料实 际用量为: 水泥:4.95(1+5%)=5.20(kg) 砂: 9.28(kg) 石子: 18.86(kg) 水: 2.78(1+5%)=2.92(kg) v3.提出基准配合比 v可得出基准配合比: 5.20:9.28:18.86=1:1.78:3.63 W/C=0.56 v(三)检验确定、测定试验室配合比 v1检验强度 v以计算水灰比0.56为基础，选用水灰比分别为0.51、0.56和0.61，基准用水 量185kg/m3不变，相应调整砂、碎石用量。拌制三组混凝土拌合物并成型试 件，水灰比为0.51和0.61的两个配合比也经过坍落度试验调整，均满足要求。 与三个水灰比相应的28d抗压强度实测结果分别为43.7MPa、37.5MPa、 33.8MPa。根据试验结果，绘制混凝土2