材料――混凝土

第三章混凝土（concrete）混凝土是由胶凝材料、粗细骨料(又称集料)加水拌和后，经一定时间硬化而成的人造石材。世界上用量最大的人工建筑材料。第一节概述–混凝土按照表观密度大小分为三类：•(1)重混凝土(02500Kg/M3)•(2)普通混凝土(0=1950~2500Kg/M3)•(3)轻混凝土(01950Kg/M3)•①轻骨料混凝土•②多孔混凝土(泡沫混凝土、加气混凝土)•③大孔混凝土–混凝土按强度等级可分为：•①普通混凝土：强度等级为C7.5-C60；•②高强混凝土：强度等级为C60-000；•③超高强混凝土：强度等级大于C100。——按流动性分类：干硬性混凝土、流动性混凝土、自流平（自密实）混凝土、泵送混凝土——按胶凝材料分类：水泥混凝土、石膏混凝土、沥青混凝土、水玻璃混凝土、碱矿渣混凝土、聚合物混凝土。–混凝土按施工工艺可分为：•泵送混凝土、喷射混凝土、真空脱水混凝土、造壳混凝土(裹砂混凝土)、碾压混凝土、压力灌浆混凝土(预填骨料混凝土)、热拌混凝土、太阳能养护混凝土等多种。–混凝土按掺合料可分为：•粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝土、纤维混凝土等多种。–混凝土也可按功能或材料分类•如防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、纤维混凝土和聚合物混凝土。第二节普通混凝土的原材料•基本组分：水泥、集料(砂、石)和水•现代混凝土：水泥、集料(砂、石)、水、外加剂、掺合料(矿物外加剂)一、水泥cement•1.水泥作用•与水形成水泥浆流动性（水泥浆）、强度（水泥石），水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙，在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋于拌合物一定的和易性，便于施工，硬化后，将骨料胶结成一个整体。•2.水泥选择•（1）水泥品种选择•根据砼所要求的性能指标及所处的环境条件、砼工程特点而选择水泥。•（2）水泥强度等级的选择–一般强度混凝土，水泥强度等级一般为混凝土强度等级的1.5-2倍。–对高强度混凝土，水泥强度等级一般为混凝土强度等级的1.0-1.5倍。–对超高强混凝土，选用高强度等级的水泥。二、拌和与养护用水——提供流动性（水泥浆）及水泥水化。•优先采用符合国家标准的饮用水。•水中杂质含量限制值(pH值、氯化物、硫酸盐)三、细骨料（fineaggregate）——砂sand•砂、石——起到骨架的作用，故而又称集料。•粒径在0.15-4.75mm之间1.有害杂质①粘土、粉砂、淤泥——影响与水泥石的粘结强度，增加需水量，从而增加了砼的收缩，降低砼强度与耐久性。②有机杂质、硫酸盐——影响砼整体强度，对水泥腐蚀作用。③海砂中对Cl-的控制•2.颗粒形状及表面特征–天然砂(naturalsand)：河砂、海砂–人工砂(artificialsand)：山砂、机制砂–从流动性上看，人工砂的颗粒形状及表面特征不及天然砂好–从粘结力上看，天然砂的颗粒形状及表面特征不及人工砂好•3.砂的粗细程度和颗粒级配•骨料颗粒级配•筛分法•累计筛余与分计筛余的关系•砂级配区的规定、砂的级配区筛分曲线•砂的细度模数及级配评定4.砂的坚固性•在气候、环境温、湿度及其他物理因素作用下抵抗破裂的能力——用Na2SO4溶液浸泡。5.砂的物理性质（1）密度、表观密度、堆积密度（2）空隙率和填充率（3）含水状态：全干、气干、饱和面干、润湿四种状态四、粗骨料(coarseaggregate)——石子(crushedstone)•粒径大于4.75mm•(1)有害杂质含量(含泥量、针片状颗粒含量、碱骨料反应)•(2)颗粒形状及表面特征(碎石、卵石)•(3)强度和坚固性–1)强度(抗压强度、压碎指标)–2)坚固性•(4)最大粒径与颗粒级配–1)最大粒径–2)颗粒级配(筛分析试验)5.石子的物理性质（1）密度、表观密度、堆积密度（2）空隙率和填充率（3）孔隙率和密实度（4）含水状态：全干、气干、饱和面干、润湿四种状态五、其他品种的砼骨料1.矿渣骨料：①粗骨料——高炉重矿渣破碎、筛分而成；②细骨料——水淬高炉矿渣或粉碎后的高炉重矿渣与普通骨料砼相比，矿渣骨料砼有以下特点：①早强较高，后期相同或略有下降；②注意矿渣的稳定性，主要是CaO；③由于矿渣表面粗糙，易吸水，因而和易性不利；④不得使用矾水泥与矿值共同使用。2．轻骨料——配制轻砼①工业废料轻骨料：膨胀矿渣珠，自然煤矸石，轻砂等；②天然轻骨料：浮石、火山渣等；③人造轻骨料：粘陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒等。用于：（1）用于承重结构；（2）用于非承重结构，起隔热、保温、隔声等作用。3．防护砼骨料——防射线幅射——比重较大，含水量调的重骨料或含硼较多的骨料。4．再生砼骨料六、原材料间配合比1．水灰比和用水量决定水灰比与用水量的因素：①强度②流动性2．砂率：砂在砂、石总质量中的百分率。3．水泥用量：考察因素：①强度；②和易性；③经济性4.单位用水量——和易性一、混凝土拌合物的和易性•(1)和易性的概念(流动性、粘聚性和保水性)第三节普通混凝土拌和物•(2)和易性的检测(流动性的检测)–1)坍落度试验–2)维勃稠度试验–3)其它方法•二、流动性(坍落度)指标的选择•三、砼流动性（Slump）损失•四、影响和易性的主要因素–1)材料品种与用量的影响•①水泥品种和细度：用粉煤灰水泥拌制的混凝土流动性最好，保水性和粘聚性也较好。•②水泥浆数量：水泥浆数量不能太多也不能太少•③水灰比(单位用水量)混凝土用水量选用表（kg/m3）•④砂率(sandpercentage)砂率与坍落度的关系曲线(最优砂率)砂率与水泥浆用量的关系曲线混凝土砂率选用表／％与砂率的计算公式•⑤外加剂(减水剂、泵送剂)和掺合料(粉煤灰)–2)环境的温度与湿度的影响•环境的温度高，空气湿度小，拌合物水分蒸发快，坍落度损失大，坍落度小。–3)工艺对和易性(workability)影响•拌合好，塌落度(slump)大。五、混凝土拌和物流变性凡在适当外力作用下，材料的流动和变形性能，即为材料的流变性。混凝土材料在拌和物阶段，由于有浆体的作用，因而具有流变性，但粗、细集料使得其流变性能的研究很复杂。一般认为，混凝土拌和物符合宾汉姆模型。宾汉姆模型圣维南模型牛顿模型虎克模型0d/dtdtd0混凝土拌和物流变性能研究的对象就是测试屈服剪切应力和塑性粘度这两个流变参数。测试方法：回转粘度计混凝土和易性测试塌落度，也就是对流变参数的简单反映。第四节混凝土结构和强度随着水化的进行，混凝土开始凝结、硬化，最后形成具有强度的固体。在此过程中，混凝土的结构不断发生变化，其强度也在不断的增加。一、混凝土的结构与结构缺陷1．强度产生的原因：胶凝材料水化产物，形成水泥石，水泥石包裹在集料周围。二、混凝土强度2.强度构成（1）集料强度；（2）水泥石强度（3）界面强度集料界面水泥石受力前，在水泥石和界面处存在缺陷和裂缝：①由于水泥的收缩，引起砂浆与粗骨料间产生拉应力，产生裂缝；②水泥的泌水使与集料间形成界面裂缝；③水泥水化热引起的裂缝；④多余水的蒸发留下的孔隙；⑤外力碰撞、振动不均匀，不密实产生的裂缝（如拆模式时）；⑥施工时不可能达到完全密实，留有孔隙；加外力后，以上裂缝，孔隙不断发展，砼破坏。3.混凝土的抗压强度与强度等级–1)混凝土标准立方体抗压强度–2)混凝土立方体抗压强度标准值–3)强度等级–4)轴心(棱柱体)抗压强度•4.混凝土受压破坏•混凝土受压变形曲线•不同受力阶段裂缝示意图•5.影响混凝土强度的因素–1)水泥强度等级和水灰比(保罗米公式)•混凝土强度与灰水比的关系–2)骨料的种类、质量及数量–3)湿度与温度的影响•混凝土强度与保持潮湿日期关系•养护工艺•养护温度对混凝土强度的影响••–4)龄期的影响•混凝土强度增长曲线•用32.5普通水泥拌制的混凝土•用32.5矿渣水泥拌制的混凝土•用42.5普通水泥拌制的混凝土•用42.5矿渣水泥拌制的混凝土混凝土强度发展过程中，养护温度和龄期（时间）对其影响很重要，因此有人提出成熟度的概念，又叫时度积。成熟度=f(T×t)凡成熟度相同的混凝土，其强度也大概相近。–成熟度–5)加荷速度的影响–加荷速度越快，强度越大。6）试件自身情况（1）含水率（尖劈效应）（2）表面粗糙度（环箍效应）（3）试件尺寸（4）试件形状混凝土试件的破坏状态•6.提高混凝土强度的主要措施–1)选料：水泥、骨料、外加剂、掺合料–2)采用机械搅拌和振捣•捣实方法对混凝土强度的影响–3)养护工艺方面7.混凝土的其它各种强度抗拉强度抗折强度粘结强度（1）新旧混凝土粘结强度（2）混凝土与钢筋的粘结强度疲劳强度•混凝土抗拉强度–1)轴心抗拉强度–2)劈裂抗拉强度•混凝土劈裂抗拉实验装置图•混凝土抗折强度P三、强度理论1.水灰比理论2.孔隙率理论3.胶空比理论4.脆性断裂理论1.无荷载作用时的变形•(1)化学收缩•(2)湿胀干缩变形•混凝土的胀缩•(3)温度变形（热变形）•(4)碳化收缩第五节混凝土变形性能2.荷载作用下的变形（1）短期荷载弹塑性变形和弹性模量•混凝土在压力作用下的应力—应变曲线•混凝土弹性模量（静弹性模量）•影响弹性模量的因素•动弹性模量动弹性模量kafWLEd42431046.9（2）混凝土的徐变•混凝土的变形与荷载作用时间关系•素混凝土的标准徐变曲线•影响徐变的因素•一、混凝土耐久性的概念•耐久性的概念：砼抵抗所处环境的作用破坏的能力，如温度、湿度，化学侵蚀介质等。•环境对砼的作用：•①物理作用如冻融、渗透以及磨蚀，空蚀等；•②化学作用，如各种酸、碱、侵蚀，碳化、碱集料反应以及砼中的钢筋锈蚀等。第六节混凝土的耐久性二、耐久性类型–1)混凝土的抗渗性–2)混凝土的抗冻性–3)混凝土抗侵蚀性–4)混凝土的碳化–5)混凝土的碱一骨料反应–6）磨损与气蚀•三、提高混凝土耐久性的主要措施•1．合理选择水泥品种•2．增加砼密实度①W/C②成型方法③集料级配（包括砂率）等•3．质量性能稳定的集料——针对碱—集料反应尤其注意。•4．掺加矿物掺合料、引合剂、防渗剂等•5．砼表面处理（特别是裂缝防护）•6.规定最小水泥用量第七节混凝土的外加材料–外加剂：是在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性质的物质。掺量很小。一般不大于水泥重量的5%（膨胀剂例外，掺量10%）。——混凝土第五组分–矿物外加剂(掺合料、外掺料)：是指在混凝土拌合物中掺入量超过水泥质量的5％，在配合比设计时，需要考虑体积或质量变化的外加材料。如粉煤灰、矿渣、硅灰、沸石粉等。——混凝土第六组分掺量计算掺和料）质量胶凝材料（包括水泥、外加剂质量外加剂掺量膨胀剂质量胶凝材料质量外加剂质量膨胀剂掺量一、混凝土外加剂•混凝土外加剂分类•表面活性剂的分子模型•表面活性剂的分子在水表面吸附定向排列示意图1.减水剂–1)减水剂的作用机理•①吸附一分散作用•水泥絮凝结构示意图•减水剂的作用简图•②润滑塑化作用：溶剂化水膜根据使用条件不同，掺减水剂可以产生以下几个方面的效果：a．在原配合比不变的条件下，可增大混凝土拌合物的流动性，且不致降低混凝土的强度。b．在保持流动性及水灰比不变的条件下，可以减少用水量及水泥用量，节约水泥。c．在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可以减少用水量，从而降低水灰比，使混凝土的强度及耐久性得到提高。2)减水剂常用品种(1)普通减水剂（减水率5~10%）–①木质素系减水剂–②多元醇系(2)高效减水剂(减水率10%~25%）–①萘系减水剂–②水溶性树脂减水剂(3)高性能减水剂（减水率25%）氨基磺酸盐、多羧酸系接枝类共聚物(4)复合减水剂3)减水剂的使用技术–饱和点问题–掺量：0.3%~1%不等–掺法：同掺、后掺–与水泥的相容性2.早强剂多用于加速砼硬化，缩短施工周期，加快施工速度提高模板周转率以及抢修工程（1）无机物氯盐类：CaCl2，NaCl，KCl，AlCl3等，其中，多用CaCl2，掺量：0.5