土木工程材料-混凝土1

本章主要内容

介绍了各种水泥混凝土的组成、结构与性能,以及混凝土的配合比设计方法和应用。普通混凝土普通混凝土组成材料及其基本要求

普通混凝土拌和物的性质

普通混凝土结构及性质

混凝土的质量评定

普通混凝土配合比设计

其他混凝土

混凝土在土木工程中的重要性混凝土是用量最大的结构材料，每年世界混凝土

消耗量为11亿吨，是钢材消耗量的10倍以上;混凝土是应用最广的结构材料，可用于桥梁、隧道、道路、水利、房屋建筑等工程;原因混凝土具有耐久性，耐水、耐火;新拌混凝土具有很好的流动性和冲模性，容易浇注成各种形状和尺寸的结构构件;价格低廉，原材料储量丰富，分布很广。

5.1混凝土概述1)定义：

混凝土是由胶结料和骨料混合、通过一定的工艺成型后、硬化而成的复合材料。

胶结料是无机胶凝材料，或有机胶凝材料或二者的复合。

水泥混凝土，通常简称混凝土，是由水泥浆胶结颗粒骨料或骨料构架而成的人造石材—砼。

2)混凝土的种类根据表观密度0：普通混凝土(≈2400kg/m3);轻混凝土

(＜1950kg/m3);重混凝土

(＞2600kg/m3)。

根据用途(功能)：普通混凝土;道路混凝土;防水混凝土;耐热混凝土;耐酸混凝土;防辐射混凝土;膨胀混凝土;装饰混凝土等。

根据生产与施工方法:商品混凝土泵送混凝土喷射混凝土碾压混凝土挤压混凝土压力灌浆混凝土预应力混凝土离心混凝土等。

混凝土3)混凝土的特点耐久性能好;组分材料来源丰富，经济性好;容易成型为任意形状和尺寸的构件;可大量利用工业废料;可与钢材复合使用;性脆易裂，抗拉强度低;混凝土生产能耗较低，维护费用少。

混凝土是复杂的、随机性的材料其微结构由非匀质的三相组成，而每一相又包含非匀质的多相;其微结构不是静止的，而是随时间不断变化;新生成的水化物可以填充微裂缝，有自愈性;与其它材料不同，它是使用前才在工程现场或就近生产的。

4)土木工程对混凝土的基本要求

满足混凝土结构设计的强度要求，以保证构筑物能安全地承受各种设计荷载;满足混凝土施工所要求的和易性，以便硬化后能得到均匀密实的混凝土;具有与工程环境相适应的耐久性，以保证构筑物在所处环境中服役寿命;满足经济与生态的要求，能源与资源消耗低、环境负荷少等。

5)混凝土材料工业的可持续发展

a)原材料资源的保护及再生利用;减少耗能大、污染环境的硅酸盐水泥消耗量，多利用工业废料——绿色化;b)推进混凝土科学技术的发展，改善混凝土结构物的耐久性。

5.2普通混凝土（一)普通混凝土的组成水泥水水泥浆石子砂子骨料新拌混凝土100%体积60~75%7~15%25~40%14~21%21~28%39~42%凝结硬化硬化混凝土混凝土外加剂

为了改善或提高混凝土的性能一、混凝土的组成与结构各组成材料的作用骨

料廉价的填充材料,节省水泥用量混凝土的骨架,减小收缩,抑制裂缝的扩展传力作用降低水化热提供耐磨性水泥浆润滑作用——与水形成水泥浆,赋予新拌混凝土以流动性胶结作用——包裹在所有骨料表面,通过水泥浆的凝结硬化,将砂、石骨料胶结成整体,形成固体各组成材料的作用水混凝土中的拌和水有两个作用:供水泥的水化反应赋予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔（空)隙中使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性有利对渗透性、强度和耐久性不利各组成材料的作用外加剂化学外加剂：改善混凝土的性能缓凝剂——使水泥浆凝结硬化速度减慢;促凝剂——使水泥浆凝结硬化速度减慢;减水剂——减少拌和需水量;引气剂——在混凝土中引起封闭气孔;矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰硅灰矿渣（一)水

泥

水泥品种的选择依据工程性质及所处的环境;施工条件;混凝土的强度等级。

若用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土，虽然满足强度要求的水泥用量少，但难以满足混凝土的和易性和耐久性的要求，不可取。

若用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土，满足强度要求的水灰比会很小，其和易性难以满足施工要求，也不可取。

5.2普通混凝土的组成材料

（二)骨

料1.

骨料的定义与用途骨料是岩石类材料骨料在土木工程中的应用:

水泥混凝土

沥青混凝土

道路基础

铁路道渣

砂浆每年用量约为20亿吨骨料的生产混凝土中的骨料经济上：在不影响混凝土性能的条件下，在混凝土中尽可能多地加入骨料，以降低混凝土的成本;骨料可提供混凝土很好的稳定性和比水泥石更好的耐久性。

混凝土中骨料的基本要求

具有良好的颗粒级配，使堆积空隙率小，颗粒总比表面积较小，以减少水泥浆用量;骨料颗粒表面干净，以保证与水泥浆有良好的粘结力;含有害杂质少，不得含有影响水泥凝结硬化和后期混凝土耐久性的成分;具有足够的强度和坚固性，以保证起到骨架和传力作用。

2.骨料的种类按照骨料粒径粗骨料:粒径大于5mm的岩石颗粒，如卵石、碎石细骨料:粒径小于5mm的岩石颗粒，如河砂、山砂、海砂按照骨料的密度普通骨料:堆积密度在1520~1680kg/m3的骨料

密度在2500～2700kg/m3轻骨料:堆积密度＜1120kg/m3的骨料

密度在～1000kg/m3重骨料:堆积密度＞2080kg/m3的骨料

密度在3500～4000kg/m3

如陶粒、煅烧页岩、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、泡沫塑料颗粒等。如铁矿石、重晶石等。碎石卵石骨料的种类普通骨料轻骨料重骨料骨料的分类3骨料的有害杂质有害杂质的种类：粘土、泥块、云母;硫酸盐、硫化物、有机质;活性SiO2;针片状颗粒等。有害杂质的危害：影响水泥的水化、腐蚀水泥石;影响混凝土的和易性影响混凝土的强度与耐磨性;增大混凝土的收缩;引起碱－骨料反应等。

含泥量很大的骨料4

骨料的级配和粗细程度骨料粒径及其分布粗骨料：最大粒径与颗粒级配;细骨料：细度模数与颗粒级配。骨料粒径与颗粒级配影响骨料堆积孔隙颗粒级配合理可减少堆积孔隙;单一粒径越大，堆积孔隙越多。粒径及其分布影响的混凝土性能混凝土的用水量;混凝土的水泥用量;新拌混凝土的和易性混凝土的微裂缝

骨料粒径越大,堆积的空隙越多,所需水泥浆用量越大关于骨料粒径及其分布的几个基本概念颗粒级配指的是大小粒径的骨料颗粒的互相搭配的比例情况——不同粒径颗粒的分布。粗细程度指的是不同粒径细骨料混合在一起的总体粗细程度——平均粒径大小。最大粒径指的是粗骨料公称粒径的上限—允许最大值。筛分法

：砂子标准筛：9.504.752.361.180.600.300.15mm共七个孔径的筛。方法：将500g烘干的砂子试洋由粗到细一次过筛，然后称出余留在各个筛上的砂子质量。计算：各个筛上的余量为分计筛余ai，各个筛及以上筛上的分计筛余的和为累计筛余Ai。

则：累计筛余Ai=

ai（i=1……i)

任意一组累计筛余（A1～A6)则表征了一个级配。

用Ai作纵坐标，筛孔尺寸作横坐标，绘制级配曲线。

1)砂子的颗粒级配与粗细程度砂的颗粒级配区筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)筛孔直径(mm)9.50204060801000.150.300.601.182.364.75筛孔直径（mm)过细砂区过粗砂区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区砂的级配曲线细度模数Mx细度模数表征砂的粗细程度，可以理解为质均粒径，由筛分法测定。

细度模数计算式：

Mx=[(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1]/(100—A1)细度模数越大，骨料越粗，根据细度模数将砂分为：细砂（2.2~1.6)；中砂（3.0~2.3)；粗砂（3.7~3.1)。

问题?砂的颗粒级配区与细度模数的意义相同吗？为什么？

答：不相同。颗粒级配区不能区别砂子的粗细程度的差别。细度模数相同，级配相同吗？级配相同，细度模数相同吗？

答：细度模数相同，级配不一定相同;但级配相同，细度模数一定相同。

2)石子的颗粒级配石子的级配有连续级配和间断级配两种：连续级配

要求颗粒尺寸由大到小连续分级，每一级骨料都占有适当比例，这种级配较好;间断级配

是人为地剔除骨料中的某些粒级，造成粒级的间断，大粒径骨料间的空隙由比其小几倍的小粒径颗粒填充，从而降低堆积空隙率。石子的颗粒级配也用筛分法测定。

石子的颗粒级配（部分)级配情况公称粒级（mm）累计筛余（按重量计%）筛孔尺寸（mm）2.364.759.516.019.031.537.553.063.0连续粒级5-1095-10080-1000-150-----5-1695-10090-10030-600-100----5-2095-10090-10040-70-0-100---5-2595-10090-100-30-70-0-50--5-31.595-10090-10070-90-15-45-0-50-5-40-95-10075-90-30-65--0-50间断粒级10-20-95-10085-100-0-150---16-31.5-95-100-85-100--0-100-20-40--95-100-80-100--0-100石子的最大粒径石子中公称粒级的上限称为该石子的最大粒径。石子的最大粒径的选择《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-2002)规定：

石子最大粒径不得超过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，石子的最大粒径不得大于板厚的1/2，且最大不超过50mm.高标号混凝土石子的最大粒径宜选用16mm或20mm。泵送混凝土用碎石，不应大于输送管内径的1/3,卵石不应大于输送管内径的2/5。

5骨料的形状与表面特征骨料的形状

骨料颗粒的外观几何形状，对于粗骨料有：等径颗粒球形体颗粒：没有菱角和边;多面体颗粒：有菱角和边。针状颗粒—长度大于颗粒所属的平均粒径的2.4倍;片状颗粒—厚度小于平均粒径的0.4倍。骨料的表面特征表面粗糙程度;是否有菱角;干净程度等。

等径颗粒骨料针片状骨料颗粒针片状球状表面特征与形状对混凝土性能的有何影响?表面粗糙和针片状颗粒需要更多的水泥浆，影响混凝土的成本。影响新拌混凝土的和易性，表面光滑且等径颗粒易于流动，而粗糙且针片状颗粒不易流动。影响混凝土中界面区的结合力，粗糙表面骨料与水泥浆的界面结合力较大。影响混凝土的强度骨料表面越粗糙，与水泥浆接触面越大，混凝土强度越高;针片状骨料使混凝土强度低于圆形骨料;大粒径骨料使混凝土强度低于小粒径骨料6骨料的坚固性与强度骨料的坚固性

骨料不因干/湿循环或冻/融循环等气候变化而产生体积变化导致混凝土的劣化。骨料的坚固性取决于孔隙率、裂缝和杂质。粗骨料的强度对混凝土强度有一定影响,要求骨料强度是混凝土配制强度的1.5倍。

1)砂子的坚固性定义:

砂在气候、环境变化或其它物理因素作用下抵抗碎裂的能力。

测试方法:

用硫酸钠溶液浸泡检验，试样经5次循环后其质量损失率作为其评价指标。测试原理:

硫酸钠(NaSO4

10H2O)在砂的孔隙中结晶时将产生体积膨胀，使砂内部产生作用于孔壁的应力，如坚固性不好将会使砂碎裂。

2)石子的强度与坚固性强度

一般以碎石或卵石的立方体强度或压碎指标来表示。

立方体强度

用50

50

50mm3的立方体(或50

50mm的圆柱体)岩石试件，吸水饱和后测定的试件抗压强度。压碎指标

将气干状态下10~20mm的石子，按一定方法装入特制的圆柱筒内，在160~300s内加荷至200kN，卸荷后称取试样质量（G)，然后用孔径为2.5mm的筛进行筛分，称取试样的筛余量（G1)。

压碎指标=[(G-G1)/G]

100%坚固性

可直接用冻融循环或硫酸盐溶液进行快速检验石子的坚固性。

PP骨料颗粒压碎强度试验示意图>1.5倍（1.2~1.7)混凝土强度7.

混凝土用砂的技术要求

混凝土用砂的级配曲线一般应在Ⅱ区，以中砂为宜。

有害杂质含量

符合国家标准(GB/T14684-2001)的要求。坚固性

质量损失率

8%~10%。表观密度应大于2500kg/m3，堆积密度应大于1350kg/m3,空隙率应小于47％。经碱-骨料反应检验后，应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象。

8.混凝土用石子的技术要求

最大粒径Dmax要求：

中等强度的混凝土的最大粒径应40mm；

高等级混凝土应25mm。

对于钢筋混凝土，Dmax

结构断面尺寸的1/4.板厚的1/2，或钢筋间最小净距的3/4。岩石强度与混凝土设计强度等级之比不应小于150%；

颗粒级配

符合JGJ53-92规定。有害杂质含量

应符合表5-2的规定

骨料最大粒径

(Dmax)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（三)混凝土用水

一般河水、可饮用水，均可用来配制混凝土；pH值小于4的以及硫酸盐含量（SO3)超过1%的水不能用于配制混凝土；海水不允许用来配制钢筋混凝土；含有对水泥水化有害的有机杂质的水不能用来拌制混凝土。

（四)混凝土外加剂单纯依靠调节水、水泥和骨料用量，难以解决下列技术问题用水量与良好和易性间的矛盾;施工操作对凝结时间、放热速度、强度增长的要求;耐久性对低连通孔隙率的要求。外加剂是解决上述问题，改善混凝土性能，以满足工程特殊要求的重要技术途径;现在有70～80％以上的混凝土使用了外加剂.外加剂的作用

改善混凝土拌合物的和易性;

加快或延缓凝结时间;

控制强度增长;

提高抗冻融、热开裂、碱－骨料膨胀、硫酸盐侵蚀和钢筋锈蚀等作用下的耐久性;

节约水泥用量，降低成本;

减少放热速度，控制温升。

(五)矿物外加剂(掺合料)问题?

混凝土中为什么要使用矿物外加剂或掺合料?代替水泥，所以也称水泥代用材料改善混凝土微结构，尤其是界面过渡区结构改善混凝土性能，尤其是耐久性保护生态环境，节约资源和能源主要矿物外加剂(掺合料)的种类粉煤灰

煤粉在锅炉中燃烧后的灰份;磨细矿渣

高炉炼铁排出的废渣，经粉磨后使用;硅灰

生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末;磨细石灰石粉

将石灰石骨料开采时的碎屑磨成粉末主要矿物外加剂(掺合料)的物理性质

性质

粉煤灰磨细矿渣硅粉水泥

密度2.12.92.23.15粒径(

m)

1~1503~2000.01~0.50.1~100比表面积(m2/kg)

350400150003501.粉煤灰

a、粉煤灰的掺入效应：

活性效应——粉煤灰中的活性氧化硅、氧化铝能与水泥产生水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，起到增强作用。