第四章混凝土材料

1第四章混凝土主要内容：本章主要介绍普通混凝土的组成材料、性能和影响性能的因素，以及配合比的基本设计方法。另外，还简单介绍了其它种类的混凝土。授课时数：6课时4.1混凝土概述（1）定义：狭义：水泥、水、砂、石子混合后经过凝结硬化而形成的坚硬的人造材料。广义：胶凝材料将散粒材料粘结在一起，形成坚硬的人造石材。（课本上）混凝土——是由胶结材料将天然的(或人工的)骨料粒子或碎片聚集在一起，形成坚硬的整体，并具有强度和其它性能的复合材料。（2）分类：★按胶结材料：水泥砼、沥青砼、硅酸盐砼、聚合物胶结砼、聚合物浸渍砼、聚合物水泥砼、水玻璃砼、石膏砼、硫磺砼等。★按表观密度：重砼：干表观密度大于2600kg/m3普通砼：干表观密度为2000～2500kg/m3轻砼：干表观密度小于1950kg/m3★按施工工艺：泵送砼、喷射砼、真空脱水砼、造壳砼(裹砂砼)、碾压砼、压力灌桨砼(预填骨料砼)、热拌砼、太阳能养护砼等多种。★按用途可分为；防水砼、防射线砼、耐酸砼、装饰砼、耐火砼、不发火砼、补偿收缩砼、水下浇筑砼等多种。★按掺合料可分为：粉煤灰砼、硅灰砼、磨细高炉矿渣砼、纤维砼等多种。★按抗压强度分为：低强混凝土(抗压强度小于30MPa)、中强混凝土(抗压强度30一60MPa)高强混凝土(抗压强度大于等于60MPa)；★按每立方米水泥用量又可分为：贫混凝土(水泥用量不超过170kg)富混凝土(水泥用量不小于230kg)等。2（3）组成材料：水泥、水、细骨料和粗骨料4.2普通混凝土的组成材料4.2.1水泥（1）水泥品种的选择（2）水泥强度等级的选择水泥强度的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。根据经验，一般选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1.5～2.0倍为宜。4.2.2骨料（1）骨料的规格和种类粗骨料：粒径5mm：一般为天然砂（河砂、海砂、山砂）细骨料：粒径5mm：（碎石和卵石）（2）骨料的技术质量要求①泥和泥块含量含泥量——骨料中粒径小于0.08mm。泥块含量——细骨料中粒径大于1.25mm，经水洗、手捏后变成小于0.630mm的颗粒的含量。在粗骨料中则指粒径大于5mm，经水冼．手捏后变成小于2.5mm的颗粒的含量。②有害物质含量符合表4.2的要求（课本P30）③坚固性用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其重量损失应符合表4.3的规定。④碱活性骨料中若含有活性氧化硅，会与水泥中的碱发生碱——骨料反应，产生膨胀并导致混凝土开裂。采用化学法和长度法对骨料进行碱性检验。⑤级配和粗细程度3A：定义级配——骨料中不同粒径颗粒的分布情况。骨料的粗细程度——不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。B：砂、石的级配和粗细程度技术性质要求★砂：砂的级配和粗细程度用筛分析法测定。分计筛余、累计筛余级配区：按0.630mm筛孔的累计筛余百分率分为三个级配区。配制混凝土时优先选用Ⅱ区；当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用Ⅲ区砂时，宜降低砂率，以保证混凝土强度。砂的粗细程度用细度模数（Mx）表示：Mx＝0.7～1.5特细砂Mx＝1.6～2.2细砂Mx＝2.3～3.0中砂Mx＝3.7～3.7粗砂★石子的颗粒级配和最大粒径石子的级配：分为：连续粒级和单粒级石子的级配通过筛分试验确定。粗骨料中公称粒径的上限称为该骨料的最大粒径。混凝土中粗骨料的粒径应小于40mm⑥骨料的形状和表面特性石子的针状和片状针状颗粒——长度大于该颗粒所属粒径平均粒径（该粒径上、下限粒径的平均值）的2.4倍者。片状颗粒——其厚度小于平均粒径0.4倍者。4⑦强度骨料的强度是指粗骨料的强度碎石的强度——用抗压强度和压碎指标值表示。卵石的强度——压碎指标值表示。压碎值的计算：4.2.3混凝土用水基本要求：不影响混凝土的凝结和硬化；无损于混凝土强度发展及耐久性；不加快钢筋锈蚀；不引起预应力钢筋脆断；不污染混凝土表面。4.2.4外加剂掺量一般不大于水泥重量的5％（1）类型：①改善混凝土拌合物流变性能的外加剂：减水剂、引气剂、泵送剂。②调节混凝土凝结时间合硬化性能的外加剂③改善混凝土耐久性的外加剂④提供特殊性能的外加剂（2）减水剂混凝土中掺入减水剂后，若不减少拌和用水量，能明显提高拌合物的流动性；当减水而不减少水泥时能提高混凝土强度；若减水时，同时适当减少水泥，则能节约水泥用量。（3）引气剂（4）早强剂（5）缓凝剂4.2.5掺合料砼掺合料是指在配置砼拌合物过程中，直接加入的具有一定活性的矿物细粉材料。主要成分：SiO2和Al2O354.2.5.1粉煤灰（飞灰）粉煤灰掺合料可以改善砼拌合物的和易性、可泵性、抹面性等，降低水化热、提高抗渗性、抗化学侵蚀性，抑制碱骨料反应。掺入粉煤灰后，砼早期强度有所降低，但后期强度较高。4.2.5.2矿渣微粉——水淬粒化高炉矿渣经磨细加工后形成的微粉材料。4.2.5.3硅灰——是电弧炉冶炼硅金属或硅铁合金时的副产品，是极细的球形颗粒，主要成分为无定形SiO24.3新拌混凝土的和易性新拌混凝土是指将水泥、砂、石和水拌和的尚未凝固时的拌合物。4.3.1和易性的概念——流动性、粘聚性、保水性4.3.2和易性的测定方法（1）坍落度试验适用于骨料最大粒径不大于40mm，坍落度不小于10mm的混凝土拌合物。（2）维勃稠度试验适用于骨料最大粒径不大于40mm，维勃稠度在5～30s的混凝土拌合物。4.3.3影响和易性的主要因素（1）水泥浆的数量和水灰比水灰比＝水的质量/水泥质量影响新拌混凝土和易性的决定性因素是单位体积用水量的多少。（2）砂率的影响砂率Sp＝砂的质量/骨料质量×100％砂率不宜过小，也不宜过大6（3）组成材料性质的影响①水泥：水泥品种和水泥细度②骨料：骨料级配、颗粒形状、表面特征及粒径。③外加剂（4）温度和时间的影响随着温度的升高和时间的延长，混凝土拌合物的流动性降低，为保持一定流动性应当提高拌合物的用水量。4.4硬化混凝土的强度4.4.1混凝土的抗压强度与强度等级混凝土立方体抗压强度：标准方法制作150×150×150mm，标准养护（温度20土30C，相对湿度90％以上或置于水中），养护至28d龄期，以标准方法测试，计算得到的抗压强度。强度等级：C7.5、C10、C15、C20、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60Damx试件边长mm折减系数301000.95401501.0602001.05混凝土轴心抗压强度：由棱柱体试件（150×150×300mm）测定。4.4.2影响混凝土抗压强度的主要因素（1）水泥强度等级和水灰比的影响在水泥强度等级相同的条件下，水灰比越小，混凝土强度也越高。大量试验结果表明，在原材料一定的情况下，混凝土28d龄期抗压强度(ƒcu)和水泥实际强度(ƒce)及水灰比（W/C）之间的关系如下：)(BWCfAfcecu碎石：A＝0.46，B＝0.7；卵石：A＝0.48，B＝0.337当水泥实际强度无法得到时，可采用如下计算：ƒce＝ƒc×γcγc水泥富余系数（2）骨料的影响（3）龄期与强度的关系在标准养护条件下，混凝土强度的发展大致与龄期的对数成正比关系（龄期不小于3d）28lglg28nffn（4）养护湿度及温度的影响例题4-1：已知C25混凝土在标准养护条件下一组试件3d的抗压强度为：11.4Mpa，12.3Mpa，11.8Mpa，试计算其28d龄期的强度为多少。解：3d平均抗压强度＝11.4＋12.3＋11.8＝11.8MPaƒ28＝ƒ3×lg28/lg3=11.3×3.033＝34.3MPa4.5硬化混凝土的耐久性4.5.1混凝土的抗渗性——抵抗水、油等压力液体渗透作用的能力。混凝土的抗渗性以抗渗标号表示。4.5.2混凝土的抗冻性——混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。混凝土的抗冻性以抗冻标号表示。4.5.3混凝土的抗侵蚀性环境介质对混凝土的化学侵蚀主要是对水泥石的侵蚀。4.5.4混凝土的碳化环境中的CO2和混凝土内水泥石中的Ca(OH)2反应，生成碳酸钙和水。影响混凝土碳化的因素：（1）水泥品种（2）水灰比（3）环境条件84.5.5混凝土的碱－骨料反应碱－骨料反应是指混凝土中含有活性二氧化硅的骨料与所用水泥中的碱（Na2O和K2O）在有水的条件下发生反应，形成碱－硅酸凝胶，此凝胶吸水肿胀并导致混凝土涨裂的现象。4.6硬化混凝土的变形性4.6.1化学减缩由于水泥的水化反应所产生的固有收缩称为化学减缩。4.6.2温度变形混凝土与通常固体材料一样呈现热胀冷缩。4.6.3混凝土的干缩湿涨处于空气中的混凝土当水分散失时，会引起体积收缩，称为干燥收缩。但受潮后体积又会膨胀，即为湿涨。4.6.4荷载作用下的变形（1）短期荷载作用下的变形混凝土在短期荷载作用下的变形可以分为四个阶段。（2）长期荷载作用下的变形——徐变混凝土承受持续荷载时，随时间的延长而增加的变形称为徐变。徐变恢复与残余徐变影响徐变大小的主要因素：水泥用量多少和水灰比大小，即水泥用量越多，水灰比越9大，徐变越大。4.7混凝土质量控制与强度评定4.7.1混凝土的质量控制（1）生产前的初步控制（2）生产过程中的控制（3）生产后的合格性控制4.7.2混凝土强度质量的评定（1）混凝土强度的波动规律可用两个特征统计量描述：强度平均值：强度标准差：变异系数：（2）混凝土强度保证率保证率：根据统计周期内混凝土强度的σ值和保证率P（％），可将混凝土生产单位的生产管理水平划分为：优良、一般及差三个等级。（3）混凝土配制强度令混凝土的配制强度等于平均强度，即，则有：我国目前规定，设计要求的混凝土强度保证率为95%时，由表4.12可查的t=1.645σ，则：设计强度等级低于C20时，σ＝4.0；设计强度等级为C20～C35时，σ＝5.0；10设计强度等级高于C35时，σ＝6.0；例题4－2试判断例题4－1的混凝土是否合格解：ƒcu,t=ƒcu,k＋tσ=25+1.645×5＝33.2MPa，而实际抗压强度＝34.3MPa＞33.2MPa，合格4.8普通混凝土的配合比设计（以抗压强度为标准的设计方法）4.8.1混凝土配合比设计基本要点混凝土的配合比是指混凝土中各组成材料的重量比例。4.8.1.1混凝土配合比设计的基本要求（1）满足结构设计要求的混凝土强度等级：（2）满足施上时要求的混凝土拌合物的和易性；（3）满足环境和使用条件要求的混凝上耐久性；（4）符合经济性原则；4.8.1.2混凝土配合比设计的内涵（1）确定四种组成材料的用量（水泥、水、砂、石）（2）确定三大参数（水灰比、单位用水量、砂率）4.8.1.3混凝土配合比设计的算料基准（1）计算没1m3混凝土拌合物中各种材料的用量。（2）以水泥质量为1，写成比例的形式。（2）计算时骨料以干燥状态重量为基准。4.8.2普通混凝土配合比设计的方法和步骤4.8.2.1配合比设计前的准备工作设计要求的强度等级混凝土强度标准差混凝土使用环境条件原材料的性质4.8.2.2实验室配合比的设计过程11第一步：计算配合比的确定（初步配合比）（1）确定配制强度（ƒcu，t）（2）确定水灰比（W/C）再根据混凝土使用环境条件，由表4.14查出相应的最大水灰比限值。最后在分别由强度和耐久性要求所得的两个水灰比中，选取其中小者。（3）确定1m3混凝土的用水量（W0）根据施工要求的坍落度和已知的粗骨料种类及最大粒径，可查表4.15得。（4）确定1m3混凝土的水泥用量（C0）再根据使用环境条件的耐久性要求，查表4.14得规定的1m3混凝土最小的水泥用量。最后取两值中大者确定为1m3混凝土的水泥用量。（5）确定砂率（SP）根据粗骨料的种类、最大粒径及已确定的水灰比，查表4.16得出砂率。（6）确定1m3混凝土的砂、石用量（S0、G0）重量法：ρ0——混凝土拌合物的假定表观密度，可根据骨料的表观密度、粒径及混凝土强度等级，在2400～2450kg/m3范围中选定。体积法：第二步：基准配合比的确定试拌，校核该混凝土拌合物的和易性是否符合要求。（主要是看坍落度T）T小，保持（W/C）不变，增加水和水泥用量。1