结构设计原理课件 模块12 圬工结构及其材料

模块12圬工结构及其材料学习目标知道圬工结构的分类。理解砌体结构的块材和砌筑材料的强度等级、混凝土结构材料的强度等级规定。任务目录12.1圬工结构的概念12.2圬工结构的材料12.1圬工结构的概念12.1.1砌体结构按块材的分类12.1.2混凝土结构12.1圬工结构的概念12.1.1砌体结构按块材的分类

砌体结构中的石材及混凝土预制块等称为块材（也称砌块），而砌体是用砌筑料(例如砂浆等）将具有一定规格的块材按要求的砌筑规则砌筑而成，并满足构件既定尺寸和形状要求的受力整体（结构或构件）。圬工结构砌体结构混凝土结构

石材、混凝土预制块用砂浆等砌筑制成的砌体来建成的结构

用整体浇筑片石混凝土等建成的结构片石砌体砌筑时，片石应平稳放置，交错排列且相互咬紧，避免过大空隙，并用小石块填塞空隙。片石应分层砌筑，以2～3层为一个工作层，各工作层的水平缝应大致找平，竖缝应相互错开。砌筑缝宽一般不应大于40mm，用小石子混凝土砌筑时，可为30～70mm。块石砌体

砌筑时石料应安放端正，严格控制平面位置和高度，保证砌缝横平竖直。为保证强度要求和外观整齐，砌筑缝宽不大于20mm（粗料石）、15mm(半细料石）和10mm(细料石），上下层竖缝错开距离不小于100mm。混凝土预制块砌体

砌筑时预制块应安放端正，严格控制平面位置和高度，保证砌缝横平竖直。为保证强度要求和外观整齐，砌筑缝宽不大于10mm、上下层竖缝错开距离不小于100mm。12.1.1砌体结构按块材的分类12.1.2混凝土结构

混凝土结构是现浇的混凝土受力整体。在圬工桥涵中，常采用片石混凝土结构，即混凝土浇筑施工中按照规定的要求掺入一定量的片石成为片石混凝土。与钢筋混凝土结构相比，片石混凝土结构构件中一般不设置受力的钢筋（除局部受力部位），构件外观与钢筋混凝土构件相同。12.1圬工结构的概念12.1.2混凝土结构工程应用在桥涵工程上，圬工结构常用作以受压为主的构件：圬工拱桥上部结构的拱圈、拱上立柱或立墙以及侧墙；重力式墩台及扩大基础；同时，圬工结构也常用于桥涵及道路的附属设施，例如桥台锥形护坡、道路边坡防护和排水沟等。与其他结构相比，圬工结构的优点是材料来源和施工简便、工程造价较低、块材耐久性较好。缺点是结构自重较大，难以用于大跨径桥梁上部结构；现场施工的机械化程度不高且工程质量的离散性较大。与其他结构相比，圬工结构的优点是材料来源和施工简便、工程造价较低、块材耐久性较好。缺点是结构自重较大，难以用于大跨径桥梁上部结构；现场施工的机械化程度不高且工程质量的离散性较大。12.2圬工结构的材料12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料12.2.2混凝土结构的材料12.2.3桥涵圬工结构材料的最低强度等级

12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

1）块材材料

桥涵砌体结构采用的块材主要是石材和混凝土预制块。

（1）石材桥涵结构所用石材应选择质地坚硬、均匀、无裂纹且不易风化的石料，常用天然石料的种类主要有花岗岩、石灰岩等。根据开采方法、形状、尺寸及表面粗糙度的不同，一般分为片石、块石和料石（表12-2）。12.2圬工结构的材料12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

桥涵砌体常用石材种类表12-2名称要求

片石由爆破或楔劈法开采的不规则石块。使用时，一般形状不受限制，但厚度不得小于150mm。不得采用卵形和薄片。

块石按岩石层理放炮或楔劈而成的石材。块石形状大致方正，上下面大致平整，厚度为200～300mm，宽度为厚度的1.0～1.5倍，长度为厚度的1.5～3.0倍。若有锋棱锐角应敲除。料石由岩层或大块石材开劈并经修凿而成。料石外形方正，呈六面体。粗料石表面凹陷深度不大于20mm，半细料石表面凹陷深度不大于15mm，细料石表面凹陷深度不大于10mm。料石厚度一般为200～300mm，宽度为厚度的1.0～1.5倍，长度为厚度的2.5～4.0倍。石材的性能指标

①石材的强度等级

桥涵结构中所用的石材强度等级有MU30、MU40、MU50、MU60、MU80、MU100和MU120，其中符号MU表示石材强度等级，后面的数字是指边长70mm的含水饱和立方体试件的抗压强度，以MPa为计量单位。

在工程上可采用石材试件的抗压试验检测其抗压强度值。当石材试件采用其他边长尺寸的立方体时应对其试验结果乘以相应的换算系数（表12-3）后方可作为石材的抗压强度值。立方体试件边长（mm）2001501007050换算系数1.431.281.141.000.8612.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

石材试件强度的换算系数表12-3

②石材的抗冻指标

石材及混凝土材料受水浸湿后，冬季冻结，春季融化，会引起石材剥离风化。对累年最冷月平均气温等于或低于-10℃的地区，除干旱地区的不受冰冻部位外，所选用的石材应符合表12-4的抗冻性指标要求，以保证在多次冻融循环之后石材不至于出现表面剥落和强度降低。结构物部位大、中桥小桥及涵洞镶面或表面石材5025

石材抗冻性指标表12-4抗冻性指标指石材在含水饱和状态下经过-15℃的冻结与20℃融化的循环次数。在石材抗冻性试验后，石材试件表面应无明显损伤（裂缝、脱层）现象，且其抗压强度不低于试验前的0.75倍。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料③耐风化和抗侵蚀性能

用于浸水或气候潮湿地区（年平均相对湿度平均值大于80%的地区）的受力结构的石材应满足耐风化和抗侵蚀性能，性能指标为石材软化系数。

软化系数是指石材在含水饱和状态下与干燥状态下试块抗压强度的比值。因此，分别对含水饱和状态下和干燥状态下石材试件的进行单轴向抗压强度试验后就得到实测的石材软化系数值，石材软化系数不应低于0.8。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

（2）混凝土预制块

混凝土预制块指以普通混凝土为原材料，根据结构构造与施工要求，依据设计形状与尺寸浇筑而制成的预制实心块。

应用混凝土预制块，可节省石料的开采加工工作，加快施工进度；对于形状复杂的块材，当难以用石料加工时，更可显示出其优越性，另外，由于混凝土预制块形状、尺寸统一，故砌体表面整齐美观。

在圬工桥涵结构中，混凝土预制块采用的混凝土强度等级为C20、C25、C30、C35和C40，符号C表示混凝土预制块强度等级，后面的数字是按边长150mm立方体试件的抗压强度标准值确定，以MPa为计量单位。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

2）砌筑材料

桥涵圬工砌体最常用的砌筑材料是砂浆和小石子混凝土。

（1）砂浆材料

砂浆是胶结料（水泥、石灰等）、细集料（砂）及水，按照一定比例混合、搅拌而成的砌筑材料。

砂浆在砌体结构中的作用是将块材粘结成整体，并在铺砌时抹平块材不平的表面而使块材在砌体受压时能比较均匀地受力。此外，砂浆填满了块材间隙，减少了砌体的透气性，从而提高了砌体的密实性、保温性与抗冻性。 在桥涵工程中主要采用水泥砂浆。

砌体所用水泥砂浆的基本性能指标为砂浆抗压强度、流动性能和保水性能。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料①砂浆的强度等级

桥涵砌体结构中所用的砂浆强度等级有M5、M7.5、M10、M15和M20，其中符号M表示砂浆强度等级，后面的数字是以边长70.7mm的标准立方体试块，标准养护28天，按统一的标准试验方法测得的抗压强度，以MPa为计量单位。

砂浆立方体试块抗压强度测试采用单轴向抗压破坏试验方法进行。②砂浆的流动性

为确保砌筑时砂浆能均匀地铺开，能使砌缝均匀和密实，保证砌体质量，从而提高砌体强度和砌筑效率，砂浆必须具有适当的流动性。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

砌筑时新拌砂浆在自身与外力作用下流动的性能称为砂浆的流动性。

工程上用"稠度"来表示新拌砂浆的流动性。在现场可以使用砂浆稠度仪（图12-2）进行新拌砂浆稠度试验，测定其数值的大小。

对公路桥涵的石砌体，砂浆稠度宜为50～70mm，气温较高时可适当增大。图12-2砂浆稠度仪示意图12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

③砂浆的保水性

砂浆的保水性是指砂浆保全水分的能力。保水性不佳的砂浆,在运输、存放砌筑施工过程中容易出现水分浮在上面,砂和水泥沉在下面的泌水离析现象。

砂浆的保水性用分层度表示，分层度测试需要使用砂浆稠度仪和砂浆分层度测定仪。

分层度愈大，表明砂浆保水性愈差。砌筑用砂浆的分层度不得大于30mm。

保水性良好的砂浆，其分层度应为10～20mm,分层度大于20mm的砂浆容易离析，不便于施工；但分层度小于10mm者，硬化后易产生干缩开缝。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料行业推荐性标准《公路桥规》JTG/T3650—2020对于砌体砂浆设计和施工提出的要求是：

①砌筑用砂浆的类别和强度等级应符合设计规定。②砂宜采用中砂或粗砂。当缺乏天然中砂或粗砂时，可采用满足质量要求的机制砂代替；在保证砂浆强度的基础上，也可以采用细砂，但应适当增加水泥用量。砂的最大粒径，当用于砌筑片石时，宜不超过5mm;当用于砌筑块石、粗料石时，宜不超过2.5mm。③砂浆的配制宜采用质量比，并应随拌随用，保持适宜的稠度，宜在3～4h内使用完毕；气温超过30℃时，宜在2～3h内使用完毕。在运输过程或在储存器中发生离析、泌水的砂浆，砌筑前应重新拌和；已凝结的砂浆，不得使用。④各类砂浆均宜采用机械拌和，拌和时间宜为3～5min。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

（2）小石子混凝土材料小石子混凝土是由胶结料（水泥）、粗集料（细卵石或碎石，最大粒径不大于20mm）、细粒料（砂）加水拌和而成。在砌筑片石、块石砌体时，若用小石子混凝土代替砂浆，则建成的砌体称为小石子混凝土砌体，在一定条件下是水泥砂浆的代用砌筑材料。 桥涵砌体结构中所用的小石子混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35和C40，符号C表示小石子混凝土强度等级，数字是边长150mm立方体试件的抗压强度标准值(MPa)。

小石子混凝土的配合比设计、材料规格、强度试验及质量检验标准与普通混凝土要求相同。小石子混凝土的拌合物应具有良好的和易性：对片石砌体，其坍落度宜为50～70mm；对块石砌体，其坍落度宜为70～100mm。12.2.1砌体结构的块材与砌筑材料

12.2.2混凝土结构的材料

对于圬工桥涵较大体积的基础、墩台身等受压构件，一般采用整体浇筑片石混凝土。 采用片石混凝土时，可在混凝土中掺入不多于该结构体积20%的片石，其中片石强度等级不低于规定的石材最低强度等级且不低于混凝土强度等级，此时，片石混凝土强度等级可按同强度等级的混凝土采用。 片石混凝土应采用质地坚硬、密实、耐久、无裂纹和无风化的石料，片石的厚度宜为150～300mm。12.2圬工结构的材料行业推荐性标准《公路桥规》（JTG/T3650—2020）规定在混凝土中埋置片石应满足以下要求：①片石应清洗干净并完全饱水，应在浇筑时的混凝土中埋入一半。②当气温低于0℃时，不得埋放片石。③片石应随混凝土浇筑分层摆放，净距应不小于150mm，片石边缘距结构物侧面和顶面的净距也应不小于150mm，片石不得触及到构造钢筋和预埋件。④片石混凝土应采用分层浇筑的方式，每层混凝土的厚度应不超过300mm，大致水平，分层振捣，边振捣