铁路试验混凝土培训教材

混凝土试验18混凝土8.1混凝土基本概念8.1.1混凝土的定义和分类8.1.1.1定义混凝土泛指由无机胶结材料(硅酸盐水泥、石灰、石膏、菱苦土或水玻璃等)或有机胶结材料（沥青、树脂等）、水、骨料（粗骨料和细骨料）、外加剂、外掺料，按一定比例拌合并在一定条件下凝结、硬化而成的复合体材料的总称。一般所称的混凝土是指硅酸盐水泥混凝土，它的胶结材料是水泥，由硅酸盐水泥、水、砂石、外加剂、外掺料等按一定比例配制，经搅拌、成型、凝结、硬化而成的复合固体建筑材料，称为普通硅酸盐水泥混凝土，本书中简称为混凝土。8.1.1.2混凝土分类混凝土的分类标准较多，分类也显得庞杂，一般有以下分类：1）按密度分类：特重混凝土，密度大于2700kg/m3；重混凝土，密度在1900~2500kg/m3之间；轻混凝土，密度小于1900kg/m3。12）按性能和用途分类结构混凝土、耐热混凝土、防水混凝土、绝热混凝土、耐油混凝土、耐酸混凝土、耐碱混凝土、防护混凝土及补偿收缩混凝土等等。3）按胶结材料分类硅酸盐水泥混凝土、铝酸盐水泥混凝土、沥青混凝土、硫磺混凝土、树脂混凝土、聚合物水泥混凝土及石膏混凝土等等。4）按流动性（或稠度）分类干硬性混凝土：其坍落度一般小于10mm须用维勃稠度（s）表示其稠度的混凝土。塑性混凝土：其坍落度一般在10~90mm之间。流动性混凝土：其坍落度一般在100~150mm之间。大流性混凝土：其坍落度一般大于160mm。1轻混凝土又分为轻骨料混凝土，其密度在800~1900kg/m3，多孔混凝土，密度在300~1200kg/m3之间。铁路工程试验培训教材2按流动性分类是一相对性的概念。混凝土流动性一般可用两类方法来测定，一种是测定混凝土在确定外力做用下的变形，如坍落度试验，就是测定混凝土在重力作用下的变形。另一种就是测定混凝土达到一定密实度下所需做的功，如维勃稠度；由于维勃稠度仪的振动频率、振幅是固定的，因此用做功的时间来表示做功的大小。前者用于测定塑性混凝土，后者用于测定干硬性混凝土，这种混凝土坍落度没有变化，即用坍落度无法表达混凝土的流动性。5）按强度分类普通混凝土：抗压强度在10~50MPa之间；高强混凝土：抗压强度大于60MPa；超高强混凝土：抗压强度大于等于100MPa；6）按施工方法分类泵送混凝土、喷射混凝土、离心混凝土、真空混凝土、水下混凝土等。8.1.1.3混凝土的主要性质1）混凝土工作性混凝土工作性指的是新拌混凝土（也称为混凝土拌和物）的工艺性能，有时也以和易性的概念出现，实际上是指新拌混凝土在工艺上可操作，易于运输、浇筑、密实成型的，最终硬化形成结构物的工艺特性。工作性实际上就是流动性和粘聚性的综合。混凝土必须不离析、不泌水，且具有恰当的流动性，这样的混凝土才可称为具有良好的工作性。由于对混凝土的工作性有各种表述，比如“保水性”等等，往往使人迷惑，在本书中，为了统一，均用工作性来表述新拌混凝土的工艺性能。工作性是混凝土很重要的一个方面，由于传统思想的僵化，人们对于混凝土的性能过分强调了强度，在一段时间内，甚至还以能否配制高强混凝土为判定混凝土技术的唯一性标准。这中间有复杂的原因。笔者认为其中一个原因是混凝土工作性是个综合、相对和复杂的概念，人们对它的认识也是一个循序渐进的过程。工作性的综合性、相对性和复杂性主要是：综合性：工作性良好意味着新拌混凝土易于运输、浇筑密实成型等综合性工艺要求。比如泵送混凝土，则要求混凝土具有相当的流动性，而且还要有一定的保水性、粘聚性，混凝土不离析、不泌水，其压力泌水值要保证在一定范围内，才能在泵送施工中，在管道内顺利输送。相对性：工作性的好坏是相对的概念，随着施工工艺条件的改变而改变，有的甚至还相互矛盾。比如，泵送混凝土要求混凝土拌和物不泌水，必须以整体在管道内流动。而真空密实成型混凝土则要求混凝土具有适当的泌水性，从而保证真空条件下混凝土能脱水密实。复杂性：工作性涉及无法直接测量的各种复杂性能，它没有普遍认可的明确意义，也没有一套完整的指标来表达，其问题的关键在于它既涉及到材料本身的性质，也与具体的施工环境相关，因此表现出相当的复杂性。混凝土试验3一般地，在实际施工中，普通混凝土的工作性主要由坍落度和和易性来表示。2)混凝土力学性能混凝土力学性能主要指强度和弹性模量。在概念上，混凝土强度与其它材料的强度没有根本区别，仍然表述的是材料在受单一外荷载条件下抵抗破坏的能力。强度反应的是材料的基本性质，与材料的特性有关。混凝土的强度一般有立方抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、抗劈裂强度、抗拉强度以及抗剪强度等。弹性模量反应材料在外力作用下的变形能力，在弹性假设下，指的是应力与应变的比值。3）混凝土的变形性能混凝土材料与其它材料一样，在应力作用下会发生变形，如弹性变形、塑性变形，由于混凝土材料从本质上讲，是一种粘—弹—塑性体，因此它还有流变力学上的变形性。4）混凝土的耐久性性能混凝土的耐久性性能是一种广义的概念，从本质上讲，它与混凝土结构所处的环境有关。耐久性性能还是一个相对概念。按一定要求配制的混凝土，在一种特定的环境中是耐久的，但在另一种环境中，可能是极易劣化的。比如：密实混凝土在腐蚀介质中具有更好的耐久性，但在干湿交替的环境中，由于混凝土内部孔隙水的迁移更困难，造成混凝土内水分分布不均匀而形成内部应力，使混凝土逐渐劣化。8.1.2混凝土原材料及作用混凝土主要由水泥、矿物外掺料、砂、石、水及外加剂组成。水泥和矿物外掺料作为胶结材料，起着将砂石胶结形成强度的作用。其中硅酸盐水泥是主要胶结材料。硅酸盐水泥内部存在可水化的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）及铁铝酸四钙（C4FA）矿物，这些矿物遇水后发生水化反应，生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙，凝胶将砂石料胶结在一起，形成一定的结构，混凝土材料就有了一定的强度。矿物外掺料主要指粉煤灰、粒化高炉矿渣、沸石粉等，这些材料均是硅酸盐材料，但由于它们与水泥的矿物成份不同，因此不具备自身水化的能力，它们掺入水泥混凝土中，在水泥水化产物—氢氧化钙的作用下，发生反应，也生成水化硅酸钙凝胶。由于这种反应是在水泥水化产物作用下进行了的，因此称为二次反应。二次反应的产物往往会填充在混凝土内部孔隙中，从而使混凝土更密实，强度更高。因此，使用了外掺料的混凝土，其后期强度比不使用的更高。混凝土中的砂石材料主要起两种作用，一种是起填充作用，另一种是起骨架作用。在混凝土中使用砂石材料可以少用水泥；但是更重要的是，砂石料还起到约束混凝土收缩的作用。由于水泥水化产物的体积相对于水泥水化前的反应物体积减少约1%，因此本质上，混凝土的体积会逐渐收缩，而砂石料就起到了约束收缩的作用。混凝土外加剂能改善新拌混凝土（混凝土拌合物）和硬化混凝土的性能。外加剂的产品众多，多数外加剂还有很独特的配方，但主要还是以下三类：1）引气剂：可以改善混凝土的抗冻性能。铁路工程试验培训教材42）调凝剂：可以控制混凝土的凝结时间和早期硬化能力。3）增塑剂：主要是指高效减水剂，可以增加混凝土的流动性，提高其工作性。8.1.3特种混凝土和高性能混凝土8.1.3.1特种混凝土混凝土结构众多，功能各异，造成了混凝土施工工艺各有特点，从而造成了混凝土的形态也是千差万别。与普通混凝土不同，在某些特定场合，要使用特种混凝土，施工地形、工程结构复杂，常规的混凝土输送方法不便，可能要使用泵送混凝土。而在桥梁钻孔桩施工中、地下连续墙施工中，就要使用到水下混凝土。在有防水要求的结构中，还要求混凝土具有抗渗防水要求。这些混凝土的配合比设计与施工均有别于常规混凝土。(1)泵送混凝土用混凝土泵将混凝土输送到模板的施工工艺称为泵送施工工艺。用于泵送施工工艺的混凝土称为泵送混凝土。在混凝土泵提供的压力推送下，泵送混凝土在管道中流动。泵送混凝土的要求与普通非泵送施工用混凝土有很大的区别。泵送混凝土不仅要考虑混凝土的强度，还要考虑混凝土的可泵性要求，即要求混凝土不离析、不泌水，同时还要有一定的流动性。（2）水下混凝土在干地拌制而在水环境中浇筑和硬化的混凝土称为水下浇筑混凝土，简称为水下混凝土。水下混凝土施工应在防止混凝土落下时经过水中使骨料分离、水泥浆散失的原则下选择施工方法。水下混凝土应在与环境水隔离的条件下浇筑，不允许直接向水中投入混凝土拌合物。即混凝土拌合物进入浇筑点以前，应避免与环境水接触，进入浇筑点后，也要尽量减少与水接触，尽可能使与水接触的混凝土始终为同一部分。浇筑过程宜不间断进行，直至达到一次浇筑所需的高度或出水面为止，以减少环境水的不利影响,保证凝固后能清除强度不符合要求的混凝土部分。对已浇筑的混凝土不宜搅动，让其逐渐密实凝结硬化，产生强度。水下混凝土与泵送混凝土施工原理没有根本区别。两者均是在压力推送下输送的。只是泵送混凝土是在泵压力下输送，输送力大，可输送的距离长、高度高，而水下灌注混凝土是在混凝土与孔中泥浆等压力差的作用下输送的，输送压力小，只能向下输送，因此水下混凝土的坍落度要求更高。（3）抗渗（或防水）混凝土抗渗混凝土是以调整混凝土配合比、掺入外加剂，如膨胀剂或减水剂，或使用特种水泥（如膨胀水泥等）方法提高混凝土自身密实性、憎水性并使其满足抗渗等级等于或混凝土试验5大于P6的混凝土。这种混凝土主要是抵抗压力水的渗入。抗渗混凝土一般要通过限制最大水灰比和最小水泥用量来调整配合比。在施工中要注意混凝土的密实性，还要确保养护条件，不能在混凝土中留下裂纹，这样才能达到抗渗水的目的。（4）高强混凝土按JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》规定，强度等级达C60及以上的混凝土称为高强混凝土。高强混凝土的重要特点是强度高、变形小，能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸发展和承受恶劣环境条件的需要。用高效减水剂配制的高强混凝土一般具有坍落度大和早强的性能，因而便于浇注和加快模板周转速度。高强混凝土施工中对原材料有严格的要求，对每一个环节都要仔细规划和检查，要求具有相当高的质量管理水平。同时高强混凝土的质量特别容易受到生产、运输、浇筑和养护过程中环境因素的影响，尤其是过高的气温、远距离运输以及水化热等问题更应引起注意。事实上，强度等级C50的混凝土在施工中，也应仔细选择原材料、加强施工质量管理，也存在生产、运输、浇筑和养护过程中环境因素的影响问题，尤其是过高的气温、远距离运输以及水化热等问题。这是值得广大试验人员注意的。（5）防冻混凝土抗冻混凝土是指抗冻等级等于或大于F50的混凝土。抗冻混凝土是特指混凝土硬化以后抵抗冻融破坏的能力。这与冬季施工混凝土不同。冬季施工混凝土要求混凝土在浇筑后、硬化以前不能受冻破坏。冬季施工不强调冻融破坏性，而是强调混凝土在受冻以前应达到临界强度，以免混凝土结构在初期受到冻坏。因此冬季施工混凝土对于保温、加温更为重视。8.1.3.2高性能混凝土为了全面地理解高性能混凝土，我们有必要先了解对高性能混凝土含义的各种解释。1)权威机构对高性能混凝土的定义高性能混凝土国际研讨会（1990）的定义具有所要求的性能和匀质性的混凝土。采用传统的组分、普通的搅拌、浇注与养护操作，是不可能日常生产这种混凝土的。这些性能，例如易于浇注和压实而不离析、高长期力学性能、高早强、高韧性、体积稳定、严酷环境中使用寿命长。美国混凝土学会技术委员会（1998）的定义高性能混凝土——满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。采用普通的组分材料和通常的搅拌、浇注与养护操作，未必能日常生产这种混凝土。美国混凝土学会（1998年）的定义铁路工程试验培训教材6高性能混凝土的许多特性是相互关联的，改变其中一个常牵连到一或多个其他特性发生变化。因此，如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足，则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚。2)我国资深院士吴中伟的定义高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。3)我们的认识我们认为