土木工程材料-混凝土1.pptx

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。v普通混凝土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拌和物的性质 普通混凝土结构及性质普通混凝土结构及性质 混凝土的质量评定混凝土的质量评定 普通混凝土配合比设计普通混凝土配合比设计 v其他混凝土其他混凝土 混凝土在土木工程中的重要性v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；v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；v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v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)。v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。v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v耐久性能好；v组分材料来源丰富，经济性好；v容易成型为任意形状和尺寸的构件；v可大量利用工业废料；v可与钢材复合使用；v性脆易裂，抗拉强度低；v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v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；v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；v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 v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；v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；v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；v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6075%715%2540%1421%2128%3942%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v廉价的填充材料，廉价的填充材料，节省水泥用量节省水泥用量v混凝土的混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展v传力作用传力作用v降低水化热降低水化热v提供耐磨性提供耐磨性水泥浆v润滑作用润滑作用与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动性性v胶结作用胶结作用包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的凝结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v混凝土中的拌和水有两个作用混凝土中的拌和水有两个作用:供水泥的供水泥的水化反应水化反应赋予混凝土的赋予混凝土的和易性和易性v剩余水留在混凝土的孔（空）隙中剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中产生孔隙使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性对防止塑性收缩裂缝与和易性有利有利对渗透性、强度和耐久性对渗透性、强度和耐久性不利不利各组成材料的作用外加剂v化学外加剂：改善混凝土的性能化学外加剂：改善混凝土的性能缓凝剂缓凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢；使水泥浆凝结硬化速度减慢；促凝剂促凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢；使水泥浆凝结硬化速度减慢；减水剂减水剂减少拌和需水量；减少拌和需水量；引气剂引气剂在混凝土中引起封闭气孔；在混凝土中引起封闭气孔；v矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰粉煤灰硅灰硅灰矿渣矿渣（一）水 泥 v水泥品种的选择依据工程性质及所处的环境；工程性质及所处的环境；施工条件；施工条件；混凝土的强度等级。混凝土的强度等级。v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。v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v骨料是岩石类材料v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v每年用量约为20亿吨v骨料的生产混凝土中的骨料v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；v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 v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；v骨料颗粒表面干净，以保证与水泥浆有良好的粘结力；v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；v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v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v按照骨料的密度普通骨料：堆积密度在15201680kg/m3的骨料 密度在25002700kg/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35004000kg/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v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。v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v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。v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。v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v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。v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。v最大粒径 指的是粗骨料公称粒径的上限允许最大值。v筛分法：砂子标准筛：9.50 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15mm 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=1i）任意一组累计筛余（A1A6）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v砂的颗粒级配区砂的颗粒级配区筛孔直筛孔直径径（mm)mm)累计筛余量（累计筛余量（%）区区区区区区9.509.500 00 00 04.754.7510-010-010-010-010-010-02.362.3635-535-525-025-010-010-01.181.1865-3565-3550-1050-1025-025-00.600.6085-7185-7170-4170-4140-1640-160.300.3095-8095-8092-7092-7085-5585-550.150.15100-90100-90100-90100-90100-90100-909.50204060801000.150.300.601.182.364.75筛孔直径（mm)过细砂区过粗砂区区区区砂的级配曲线砂的级配曲线砂的级配曲线砂的级配曲线v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/(100A1)细度模数越大，骨料越粗，根据细度模数将砂分为：细砂（2.21.6）；中砂（3.02.3）；粗砂（3.73.1）。问题？v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。v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v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。v石子的颗粒级配也用筛分法测定。v石子的颗粒级配（部分）石子的颗粒级配（部分）级级配配情情况况公称公称粒级粒级（mmmm）累计筛余（按重量计累计筛余（按重量计%）筛孔尺寸（筛孔尺寸（mmmm）2.362.364.754.759.59.516.016.019.019.031.531.537.537.553.053.063.063.0连连续续粒粒级级5-105-1095-10095-10080-10080-1000-150-150 0-5-165-1695-10095-10090-10090-10030-6030-600-100-100 0-5-205-2095-10095-10090-10090-10040-7040-70-0-100-100 0-5-255-2595-10095-10090-10090-100-30-7030-70-0-50-50 0-5-31.55-31.595-10095-10090-10090-10070-9070-90-15-4515-45-0-50-50 0-5-405-40-95-10095-10075-9075-90-30-6530-65-0-50-50 0间间断断粒粒级级10-2010-20-95-10095-10085-10085-100-0-150-150 0-16-31.516-31.5-95-10095-100-85-10085-100-0-100-100 0-20-4020-40-95-10095-100-80-10080-100-0-100-100 0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（GB 50204-2002）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v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。v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？v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。v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。v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。v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v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。v骨料的坚固性取决于孔隙率、裂缝和杂质。v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v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。v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。v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v强度强度 一般以碎石或卵石的立方体强度或压碎指标来表示。一般以碎石或卵石的立方体强度或压碎指标来表示。立方体强度立方体强度 用用50 50 50mm3的立方体的立方体(或或 50 50 mm的圆柱体的圆柱体)岩石试件，吸水饱和后测定的试件抗压强岩石试件，吸水饱和后测定的试件抗压强度。度。压碎指标压碎指标 将气干状态下将气干状态下1020mm的石子，按一定方的石子，按一定方法装入特制的圆柱筒内，在法装入特制的圆柱筒内，在160300s内加荷至内加荷至200kN，卸，卸荷后称取试样质量（荷后称取试样质量（G），然后用孔径为），然后用孔径为2.5mm的筛进行的筛进行筛分，称取试样的筛余量（筛分，称取试样的筛余量（G1）。压碎指标压碎指标=(G-G1)/G 100%v坚固性坚固性 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。性。PP骨料颗粒压碎强度试验示意图 1.5倍倍（1.2 1.7）混凝土强度混凝土强度7.混凝土用砂的技术要求 v混凝土用砂的级配曲线一般应在区，以中砂为宜。v有害杂质含量 符合国家标准(GB/T14684-2001)的要求。v坚固性 质量损失率 8%10%。v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。v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 v最大粒径最大粒径Dmax要求：要求：中等强度的混凝土的最大粒径应中等强度的混凝土的最大粒径应 40mm；高等级混凝土应高等级混凝土应 25mm。对于钢筋混凝土，对于钢筋混凝土，Dmax 结构断面尺寸的结构断面尺寸的1/4、板厚的、板厚的1/2，或钢筋间最小净距的，或钢筋间最小净距的3/4。v岩石强度与混凝土设计强度等级之比不应小于岩石强度与混凝土设计强度等级之比不应小于150%；v颗粒级配颗粒级配 符合符合JGJ53-92规定。规定。v有害杂质含量有害杂质含量 应符合表应符合表5-2的规定的规定 骨料最大粒径骨料最大粒径(Dmax)混凝土类型混凝土类型 Dmax(mm)大坝混凝土大坝混凝土 150普通混凝土普通混凝土 40高强混凝土高强混凝土 25（碎石）（碎石）15（卵石）（卵石）活性粉末混凝土活性粉末混凝土 0.6（三）混凝土用水 v一般河水、可饮用水，均可用来配制混凝土；vpH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；v海水不允许用来配制钢筋混凝土；v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v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。v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；v现在有7080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？v代替水泥，所以也称水泥代用材料v改善混凝土微结构，尤其是界面过渡区结构v改善混凝土性能，尤其是耐久性v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v粉煤灰 煤粉在锅炉中燃烧后的灰份；v磨细矿渣 高炉炼铁排出的废渣，经粉磨后使用；v硅灰 生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末；v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 2.1 2.9 2.2 3.15粒径(m)1150 3200 0.010.5 0.1100比表面积(m2/kg)350 400 15000 350v1、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。形态效应粉煤灰颗粒为细小的玻璃微珠，可减少混凝土的内摩擦力，从而减少用水量，起到减水作用。微骨料效应粉煤灰的细小颗粒均匀分布在混凝土中，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的结构，增大了混凝土的密实度。b、粉煤灰的种类及技术要求 粉煤灰按氧化钙含量分为高钙灰和低钙灰两种。用于混凝土中的粉煤灰技术要求粉煤灰等级细度（0.045mm方孔筛筛余）烧失率需水量比三氧化硫含量125953208105345151153C、粉煤灰的掺量规定及方法 混凝土中掺入粉煤灰的方法：等量取代法 以等质量的粉煤灰取代混凝土中的水泥。主要适用于掺加级粉煤灰、超强混凝土、大体积混凝土；超量取代法 粉煤灰掺入量超过取代的水泥质量，替代部分细骨料，增加胶凝材料用量，补偿由于粉煤灰取代水泥而造成的强度降低。外加法 保持混凝土中水泥用量不变，外掺一定数量的粉煤灰，目的是改善混凝土拌合物的和易性。2、硅灰（硅粉）电弧炉炼铁副产品。氧化硅含量80，主要是非晶态的无定性氧化硅，平均粒径0.10.2m，比表面积为2000025000m2/kg，密度2.2，具有极高的活性。用硅灰取代水泥可提高混凝土的早期强度。硅灰取代量为水泥质量的515%，超过20时拌合物的流动性明显降低，一般应同时加入减水剂，降低水灰比，可配制出100MPa的高强混凝土。硅粉的特性与应用v颗粒非常微细，在高效减水剂强烈的分散作用下，可填充水泥颗粒的间隙，从而进一步降低水灰比，提高强度和抗渗透性能；v由于表观密度小，运输时体积大、费用高，通常只用于等级很高的混凝土（100MPa）；v掺硅粉混凝土必须尽早开始湿养护，以避免开裂。