土木工程材料第4章溷凝土.ppt
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1、,第四章,混凝土(砼),Concrete and Mortar,4.1 混凝土概述,混 凝 土 Concrete,要点: 1.普通混凝土的组成及各个组成材料的质量要求和 砂石级配的概念、作用及评定方法; 2.普通混凝土的主要技术性质-和易性、强度、变形性质及耐久性; 3.普通混凝土质量控制的方法和意义; 4.普通混凝土配合比设计的原理方法和步骤;,由胶凝材料、水(或不加水)和骨料按适当的比例配合,拌合制成混合物,经一定时间后硬化而成的人造石材,叫做混凝土。 混凝土一词源自于拉丁文术语“Concretus”“共同生长”,混凝土的概念,concrete,混凝土,它有哪些用途?,CONCRETE i
2、n Los Angeles,CONCRETE in Los Angeles,BahaI Temple In Chicago,BEAUTY and DURABILITY,威远炮台和正在施工中的虎门大桥,正在建设中的三峡大坝,挪威的海上石油钻井平台,输水管线,外径,7.5m,内径,6.6m,COLOUR PAVER,混凝土的特点?,耐水性能好,用途广泛; 组成材料来源丰富,可就地取材,经济; 易成型形状与尺寸变化范围很大的构件; 生产耗能比钢低,可大量利用工业废料; 可与钢材复合为钢筋混凝土、预应力混凝土使用; 抗压强度高; 耐久性良好。,优点,混凝土的特点?,缺点,抗拉强度低,易开裂; 自重大,
3、比强度小; (肥梁、胖柱、厚基础、对大跨、高层不利) 导热系数大,保温隔热差; 硬化慢,施工周期长。,水泥混凝土的由来,东欧(B.C.5000y)、古埃及、古希腊的石灰混凝土; 中国(B.C.3000y)低温煅烧礓石混凝土; 古罗马(B.C.2000y)石灰和凝灰岩、火山灰混凝土 英国(1824)硅酸盐水泥混凝土,最古老的水泥混凝土在中国,甘肃省秦安县大地湾(黄河支流渭水之畔,西安以西约600公里)发掘出两个大型住宅遗址,其地坪用混凝土建造,距今5千年。该混凝土用水硬性水泥制成。以礓石(富含碳酸钙的粘土)为原料在低于900煅烧而成,没有发现硅酸钙水化物存在。该混凝土中所用的骨料,与现代的人工轻
4、骨料成分基本相同。,混凝土的分类,1.按所用胶凝材料分,水泥混凝土 沥青混凝土 硅酸盐混凝土 聚合物胶结混凝土 聚合物浸渍混凝土,聚合物水泥混凝土 水玻璃混凝土 石膏混凝土 硫磺混凝土,2.按表观密度大小分,重 砼,普通砼,。 2600 kg/m,。= 20002500 kg/m,轻 砼, 。 1950 kg/m,轻骨料砼 。 = 8001950 kg/m,多 孔 砼 。= 3001000 kg/m,大 孔 砼,普通骨料,。 = 15001900 kg/m,轻骨料,。 = 5001500 kg/m,3.按施工工艺分,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
5、压力灌浆混凝土(预埋骨料混凝土) 热拌混凝土 太阳能养护混凝土,4.按用途分,防水混凝土 防射线混凝土 耐酸混凝土 装饰混凝土,耐火混凝土 不发火混凝土 补偿收缩混凝土 水下浇筑混凝土,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,5.按掺合料分,6.按抗压强度分,低强混凝土(抗压强度30MPa) 中强混凝土(抗压强度3060MPa) 高强混凝土(抗压强度60MPa),7.按每立方米水泥含量分,贫混凝土(水泥用量不小于170kg) 富混凝土(水泥用量不小于230kg),殿神万马罗,The Pantheon Rome,直径44m,耗用凝灰岩轻骨料混凝土12000t,1919年Selm
6、a号轻混凝土船在美国Alabama下水,挪威第一座轻混凝土桥,曳引轻混凝土浮桥墩 (混凝土=1900kg/m3; f=70MPa;E=2023GPa),泵送混凝土浇注,泵送混凝土,Pumping Concrete,喷射混凝土,喷射混凝土,Shotcrete,滑模摊铺混凝土,滑模摊铺混凝土,广- 湛高速公路,美国加州引水渠,碾压混凝土,RCCP,混凝土发展方向,轻质、高强、快硬、高耐久、 多功能、节能、走可持续发展道路。,混凝土质量基本要求,1. 符合设计要求的强度 2. 与施工条件相适应的施工和易性 3. 与工程环境相适应的耐久性 4.变性值较小,满足抗裂性要求 5.经济上合理,即水泥用量较少
7、。,问题:,如何实现混凝土的质量要求?,1.合理选材、控制原材料质量; 2.合理设计混凝土配合比; 3.施工工艺(搅拌、运输、成型、养护) 合理,严格质量管理与控制。,4.2 普通混凝土的组成材料,普通混凝土的四种基本组成材料: 一、水泥 二、砂子 三、石子 四、水,砂子,水泥浆,石子,普通混凝土组成材料: 水泥、粗细骨料、水,有时常包括适量的掺合料和外加剂。 各组成材料的作用: 粗细骨料起骨架作用;水泥和水组成水泥浆包裹骨料表面并填充在骨料空隙中;在混凝土拌和物中,水泥浆起润滑作用,赋予混凝土拌和物流动性,便于施工;混凝土硬化后起胶结作用,将骨料胶结成整体。,混凝土生产基本工艺过程: 按配合
8、比称量各组成材料,混合搅拌均匀,运输,浇注,振捣,养护,4.2.1 水泥,4.2.1.1 水泥品种的选择,4.2.1.2 水泥强度等级的选择,根据工程性质、部位、施工条件、环境状况、水泥特性作出合理选择。,应与混凝土设计强度等级相适应,以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值1.52.0倍为宜。,混凝土工程特点或所处环境条件,优先选用,可以使用,不宜使用,普通硅酸盐水泥,1. 在普通气候环境中的混凝土,矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,2. 在干燥环境中的混凝土,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,
9、3. 在高温度环境中或永远处在水下的混凝土,复合硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥、,火山灰质硅酸盐水泥、,粉煤灰硅酸盐水泥、,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥,4. 厚大体积的混凝土,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,普 通 混 凝 土,混凝土工程特点或所处环境条件,优先选用,可以使用,不宜使用,快硬硅酸盐水泥硅酸盐水泥,1. 要求快硬的混凝土,普通硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,2. 高强(大于C40级的混凝土),硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥(标号425号),3. 严寒地区的露天混凝土,寒冷地区的处在水位升
10、降范围内的混凝土,普通硅酸盐水泥(标号325号),普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合夺酸盐水泥,4. 严寒地区处在水位升降范围内的混凝土,有特殊要求的混凝土,矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,5. 有抗渗性要求的混凝土,普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,6. 有耐磨性要求的混凝土,硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥(标号325),矿渣硅酸盐水泥(标号325),火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,骨料分,细骨料,粗骨料,4.2.2 骨料,骨料总体积占混凝土
11、体积的60%80%。,骨料质量的优劣直接影响混凝土各项性质好坏。,(一)定义: 粒径在0.154.75mm之间的岩石颗粒。细骨料主要采用天然砂和人工砂。,细骨料,砂子技术性能,4.2.2.1 泥和泥块含量,4.2.2.2 有害物质含量,4.2.2.3 坚固性,泥颗粒极细,粘附在骨料表面影响水泥石与骨料之间的胶结;泥块在混凝土中形成薄弱部分影响混凝土质量。 对骨料中泥和泥块含量必须严加限制(表6.1)。,有害物质包括草根、树叶、树枝、塑料、炉渣、煤块、硫化物、硫酸盐、有机物、云母、轻物质、氯盐含量等,其含量必须符合表6.1规定。,骨料按规定用硫酸钠溶液检验,经5次循环后重量损失符合表6.1规定。
12、,4.2.2.4 碱活性,为避免碱-骨料反应,重要工程或对骨料有怀疑时,采用化学法或长度法对骨料进行碱活性检验。,砂中有害物质含量(GB/T 146842001),坚固性指标(GB/T 146842001),压碎指标(GB/T 146842001),级配 骨料中不同粒径的分布情况即骨料大小 颗粒的搭配情况。,级配良好的骨料应使其空隙率和总表面积均最小。,骨料颗粒级配,4.2.2.5 级配和粗细程度,粗细程度骨料不同粒径的颗粒混在一 起的平均粗细程度。 相同重量的骨料,粒径小,总表面积大;粒径大,总表面积小,因而大粒径的骨料所需水泥浆量少。 选择合适的骨料粗细程度能节约水泥。,(1)砂的颗粒级配
13、和粗细程度 通常用筛分析方法测定砂的级配和粗细程度。 筛分析方法:六种孔径的标准筛一套,500克干砂, 由粗到细依次过筛,然后称得留在各 筛上砂的重量,并计算出各筛上的分 计筛余率和累计筛余率。 分计筛余百分率:各筛上的筛余量占砂样总重量的百分率。 累计筛余百分率:各筛与比该筛粗的所有筛之分计筛余百分 率之和。,筛分析试验评定砂的粗细程度 和颗粒级配,150m,300m,600m,1.18mm,2.36mm,4.75mm,9.50mm,筛孔尺寸(mm),分计筛余(%),累计筛余(%),4.75,2.36,1.18,0.60,0.30,0.15,a1,a2,a3,a4,a5,a6,A6= a1+
14、a2+a3+a4+a5+a6,A5= a1+a2+a3+a4+a5,A4= a1+a2+a3+a4,A3= a1+a2+a3,A2= a1+a2,A1= a1,累计筛余与分计筛余的关系,细度模数f Ai/100,因粒径5mm的不属于细骨料,所以:,为粗砂,为中砂(配制混凝土时优先选用),为细砂,砂的粗细程度用细度模数表示。,筛分曲线,砂的筛分曲线,注意: 砂的细度模数不能反映其级配的优劣,细度模数相同的砂级配可以很不相同。配制混凝土时必须同时考虑砂的级配和细度模数。,砂的坚固性,定义:指砂在自然风化和其他外界物理、化学因素作用下,抵抗破坏的能力,也即指砂的耐久性。 天然砂采用硫酸钠溶液法进行试
15、验,计算总质量损失百分率;人工砂采用压碎指标值来判断砂的坚固性,技术要求 有害杂质含量 针片状颗粒含量 强度 颗粒级配与最大粒径 坚固性,粗骨料,石子强度指标,(1)岩石抗压强度:,(2)压碎指标值:,将母岩制成50mm50mm50mm的立方体试件或50mm50mm的圆柱体试件,在水中浸泡48h以后,取出擦干表面水分,测得其在饱和水状态下的抗压强度值。,P,P,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,返回, 压碎指标测定:,200KN,石子d = 1020mm,加压后用孔径为2.5mm的筛子筛析,碎石用抗压强度和压碎指标值表示, 卵石用压碎指标值表示。,颗粒级
16、配与最大粒径,粗骨料颗粒级配 粗骨料的颗粒级配按供应情况分连续粒级和单粒级。,评定方法 同砂子颗粒级配的评定方法。,(2)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两种。具体见表6.4。 石子的级配通过筛分析试验确定,计算与砂相同。,最大粒径:,骨料筛析后,骨料中公称粒级的上限称为该骨料的最大粒径 Dmax,最大粒径的选择主要根据构件截面尺寸和施工条件,b,板,梁,c,a,最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4;不得超过钢筋最小净距的3/4;对于实心板,不得超过板厚的1/2且不得超过50mm;对于泵送混凝土,最大粒径与输送管道内径之比,碎石不宜大于1:3,卵石不宜大于1:2.5
17、。,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,返回,4.2.2.6 骨料的形状和表面特征,骨料颗粒形状近似球状或立方体形且表面光滑时,对混凝土流动性有利,但表面光滑时与水泥石粘结较差.对配制流动性要求高的混凝土宜选用卵石,对强度要求高的混凝土宜选用碎石。 石子必须限制其针、片状颗粒含量。 针状颗粒:长度大于该颗粒所属粒级平均粒径(该 粒级上、下限粒径的平均值)的2.4倍者。 片状颗粒:厚度小于平均粒径0.4倍者。,含水状态:完全干燥 气 干 饱和面干 含水湿润,含水量:
18、不含水 有效含水量 有效含水量 有效含水量,完全干燥 气 干 饱和面干 含水湿润,骨料的含水状态,返回,4.2.3 混凝土用水,能饮用的水和清洁的天然水。酸碱度、不溶物、可溶物、氯化物、硫酸盐、硫化物等都有一定的含量限值。 海水不得拌制钢筋混凝土、预应力混凝土和有饰面要求的混凝土。,4.2.4.1 概述 1、定义 混凝土外加剂,是一种在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土或硬化混凝土性能的材料 。除特殊情况外,掺量一般不超过水泥用量的5。 外加剂的掺量虽小,但其技术经济效果却显著,因此,外加剂已成为混凝土的重要组成部分,被称为第五组分,获得愈来愈广泛的应用。,4.2.4 外加剂
19、,2、意义 外加剂的使用是混凝土技术的重大突破。随着混凝土工程技术的发展,对混凝土性能提出了许多新的要求。如: 泵送混凝土要求高的流动性; 冬季施工要求高的早期强度; 高层建筑、海洋结构要求高强、高耐久性。,4.2.4.2 外加剂的分类 混凝土外加剂种类繁多,根据混凝土外加 剂的定义、分类、命名与术语(GB 8075-2005) 的规定,混 凝土外加剂按其主要功能分为四 类: 1)改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。 2)调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。,3)改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂和阻锈剂、减缩剂等。 4
20、)改善混凝土其他性能的外加剂。包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂和泵送剂等。 目前,在工程中常用的外加剂主要有 减水剂 引气剂 早强剂 缓凝剂 防冻剂等。,一、减水剂 定义:减水剂是指在保持混凝土稠度不变的条件下,具有减水增强作用的外加剂。 1减水剂的作用原理 常用减水剂均属表面活性物质,其分子是由亲水基团和憎水基团两个部分组成,见图6-1。,图6.1 表面活性剂分子结构模型,图6.2 水泥浆的絮凝结构和减水剂作用示意图,当水泥加水拌合后,由于水泥颗粒间分子凝聚力的作用,使水泥浆形成絮凝结构,由于减水剂的表面活性作用,致使憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面,亲水基团指向水溶液,使水泥颗粒表
21、面带有相同的电荷,在电斥力作用下,水泥颗粒互相分开,当水泥颗粒表面吸附足够的减水剂后,在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜层,它阻止了水泥颗粒间的直接接触,并在颗粒间起润滑作用,也改善了混凝土拌合物的和易性。此外,由于水泥颗粒被有效分散,颗粒表面被水分充分润湿,增大了水泥颗粒的水化面积,使水化比较充分,从而提高了混凝土的强度。,可见,减水剂作用原理可由吸咐分散作用、润滑作用、湿润作用三部分组成,2减水剂的技术经济效果 根据使用目的不同,在混凝土中加入减水 后,一般可取得以下效果: (1)增加流动性 在用水量及水泥用量不变时,混凝土坍落度可增大100200mm,明显提高混凝土流动性,且不影响混
22、凝土的强度。泵送混凝土或其他大流动性混凝土均需掺入高效减水剂。 (2)提高混凝土强度 在保持流动性及水泥用量不变的条件下,可减少拌合水量1015,从而降低了水灰比,使混凝土强度提高1520。特别是早期强度提高更为显著。掺入高效减水剂是制备早强、高强、高性能混凝土的技术措施之一。,(3) 节约水泥 在保持流动性及水灰比不变的条件下,可以在减少拌合水量的同时,相应减少水泥用量,即在保持混凝土强度不变时,可节约水泥用量1015,且有利于降低工程成本。 (4) 改善混凝土的耐久性 由于减水剂的掺入,显著地改善了混凝土的孔结构,使混凝土的密实度提高,透水性降低,从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及防锈蚀等
23、能力。 此外,掺用减水剂后,还可以改善混凝土拌合物的泌水、离析现象,延缓混凝土拌合物的凝结时间,减慢水泥水化放热速度。防止因内外温差而引起的裂缝。,减水剂效果 用水量、强度一定时: 流动性、水泥用量一定时: 流动性、强度一定时:,流动性,Ww/c强度,W(w/c不变)水泥用量,常用减水剂 木质素磺酸盐系 减水 1015% 或 提高强度 1020% 或 提高坍落度 80100mm 萘系减水剂 减水率1525% 树脂系减水剂 减水率2030%,3.常用的减水剂 按减水剂的作用效果及功能情况,可分为普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂及引气减水剂等。 按凝结时间可分为标准型
24、、早强型、缓凝型三种; 按是否引气可分为引气型和非引气型两种: 按其主要化学成分为:木质素磺酸盐系;多环芳香族磺酸盐系;水溶性树脂磺酸盐系;糖蜜类、腐植酸盐和复合型减水剂等。,(1)木质素磺酸盐系减水剂 分类:根据其所带阳离子的不同,有木质素磺酸钙(木钙)、木质素磺酸钠(木钠)、木质素磺酸镁(木镁等)。其中木钙减水剂(又称M型减水剂)使用较多。木钙减水剂的掺量,一般为水泥质量的0.20.3。 作用:当保持水泥用量和混凝土坍落度不变时,其减水率为1015,混凝土28d抗压强度提高1020;若保持混凝土的抗压强度和坍落度不变,则可节省水泥用量10左右;若保持混凝土的配合比不变,则可提高混凝土坍落度
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