第四章、混凝土.ppt
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1、第四章 混凝土第一节 概述第二节 普通混凝土的组成材料第三节 混凝土的性能第四节 混凝土质量控制与强度评定第五节 普通混凝土配合比设计第六节 水泥混凝土技术进展第一节 概述 广义地,混凝土是由胶结材料包裹颗粒状集料所形成的拌合料及其硬化而成的人造石材。狭义地,混凝土是将水泥、砂、石子、水、必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料,按适当比例配合,经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材(简称砼)。混凝土是在1824年发明波特兰水泥后不久出现的。钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土堪称混凝土发展中的两次革命。1916年建立了混凝土强度的水灰比理论,使混凝土配合比设计成为可能。目前,混凝土是世界上用量最大、
2、应用最广泛的人造建筑材料。一、混凝土的分类按表观密度分为:重质混凝土(2500kg/m3),普通混凝土(19002500 kg/m3),轻质混凝土(5001900 kg/m3),特轻混凝土(500 kg/m3)。按用途分为:结构混凝土,保温隔热混凝土,防水混凝土,耐热混凝土,耐酸混凝土,耐油混凝土,防辐射混凝土,海工混凝土,道路混凝土,修补混凝土等几十种。按施工工艺分为:浇注混凝土,碾压混凝土,真空混凝土,喷射混凝土,泵送混凝土,水下浇注混凝土等。按原材料的构成分为:水泥混凝土,硅酸盐混凝土,石膏混凝土,石灰混凝土,粘土混凝土,水玻璃混凝土,沥青混凝土,硫磺混凝土,聚合物混凝土,加气混凝土,纤
3、维混凝土等几十种。按强度分为:普通混凝土(100 MPa)。按拌合物稠度分为:干硬性混凝土(坍落度=0cm,VB30秒),塑性混凝土(坍落度=18cm),大流动性混凝土(坍落度=1015cm),流态混凝土(坍落度16cm)等。按拌合物中水泥用量多少分为:富混凝土、贫混凝土。按配筋情况分为:素混凝土,钢筋混凝土,纤维混凝土,钢管混凝土等。二、混凝土的特性(1)砂、石集料占混凝土材料用量的80%以上,其资源丰富、易于就地取材、成本低。(2)改变组分及配比可制得具有不同物理力学性能的混凝土,满足不同工程的要求,适用面广。(3)混合料具有可塑性,可按工程结构要求浇筑成不同形状和尺寸的整体结构或预制构件
4、。(4)与钢材有基本相同的热膨胀系数,与钢筋等有牢固的粘结力,可配筋或设预埋件。(5)经久耐用,维修费用低。水硬性材料,耐水性好。(6)生产能耗低于粘土砖、塑料、金属材料等。(7)自重大,脆性,易开裂,抗拉强度低。三、建筑工程对混凝土的基本要求(1)新拌混凝土应具有与工程要求和施工条件相适应的和易性,便于施工。(2)混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度。(3)硬化混凝土应具有与使用环境相适应的耐久性。(4)经济合理,减少能耗。四、混凝土技术的发展方向 高强,快硬早强,轻质,特殊性能(发光,导电,渗滤,不发火花,灌浆等。),利用废料,施工工艺革新,混凝土质量检测技术革新。第二节 普通混凝土的组成
5、材料 混凝土是一种堆聚结构的复合材料。砂、石骨料起骨架作用,水泥石起胶结、填充作用,自由水失去后留下孔隙。混凝土的质量取决于组成材料的性质和用量、施工工艺(搅拌、密实、养护)。一、水泥 根据所处环境(温度、湿度、侵蚀性介质)、工程特点(高强、快硬、抗渗、耐磨、大体积)、水泥特性合理选用水泥品种。水泥标号应与混凝土的设计强度相适应,一般以水泥标号为混凝土强度等级的1.52.0倍为宜。用高标号水泥配制低强度混凝土,水泥用量在满足强度要求时不能满足和易性、耐久性要求,若增加水泥用量即造成浪费。用低标号水泥配制高强度混凝土,要求水灰比很小,造成拌合物太干稠,施工困难。常规检测项目:安定性、标准稠度用水
6、量、细度、水泥胶砂强度。参照标准:水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法、水泥胶砂强度检验方法。二、细骨料 粒径0.165mm的骨料为细骨料。细骨料性能应符合普通混凝土用砂质量标准及检验方法(JGJ52-92)的要求。检验水泥标号用的标准砂应符合水泥强度试验用标准砂的要求。1混凝土用砂的种类:(1)按来源分为:天然砂(多用河砂,若用海砂、山砂应做检验。)、人工砂(采石场的碎屑)。(2)工程上按细度模数将砂分为:粗砂(f=3.73.1)、中砂(f=3.02.3)、细砂(f=2.21.6)、特细砂(f=1.50.7)。一般选用中粗砂。2混凝土用砂的质量要求:包括:物理性质(表观密度、堆积密度
7、、含水状态、颗粒形状及表面特征)、有害杂质含量、坚固性、颗粒级配及粗细程度等。其中砂的颗粒级配和粗细程度具有重要技术经济意义,用筛分析试验测定。3筛分析:(1)颗粒级配 砂的颗粒级配表示砂中大小颗粒搭配的情况,即砂中各种不同粒径的颗粒所占的比例。用级配区表示(区、区、区)。级配反映了砂的空隙率,级配好指大小颗粒互相填充形成空隙率小的搭配,这样,在配制混凝土时,可用较少的水泥浆来填充空隙,有利于降低水泥用量和混凝土成本,配制较密实的混凝土,且混凝土拌合物和易性良好。区砂的砂粒较粗,混凝土拌合物保水性较差。适宜配制富混凝土和低流动性混凝土。区砂的粗细适中,为一般常用砂。区砂的砂粒较细,混凝土拌合物
8、保水性好,但干缩较大。(2)粗细程度 砂的粗细程度,是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度,用细度模数表示(细度模数越大,砂越粗)。砂的粗细程度反映砂的比表面积大小。在配制混凝土时,在用砂量相同的条件下,采用较多细砂,比表面积较大,因此包裹砂粒表面所需水泥浆就多,不经济;采用较多粗砂,比表面积虽小,但由于缺少中小颗粒的搭配,使空隙率增加,混凝土拌合物易离析、泌水。因此,砂不宜过细,也不宜过粗。混凝土用砂应同时考虑其粗细程度和颗粒级配。较理想的砂为:含有较多粗颗粒,并以适当的中颗粒及少量细颗粒填充其空隙,则可达到空隙率及总表面积均较小。(3)筛分析 用一套孔径为5.00、2.50、1.25、
9、0.630、0.315、0.160mm的标准筛(依次编号1、2、3、4、5、6),从大到小依次由上向下叠起,将500g通过10 mm筛的干砂试样装入最上层筛内,由粗到细依次过筛,称得余留在各筛上的砂重量,由此计算出各筛上的累计筛余百分率(依次为1、2、3、4、5、6),按公式:f=(2+3+4+5+6-5*1)/(100-1)计算出细度模数f(精确至0.01)。为直观,可将筛分析数据以筛孔尺寸为横坐标、累计筛余百分率为纵坐标画出折线图,称为筛分曲线。(4)常规检测 常规检测项目:筛分析,堆积密度,表观密度,含泥量及泥块含量。参照标准:普通混凝土用砂质量标准及检验方法。三、粗骨料 普通混凝土用的
10、粗骨料指粒径大于5 mm的骨料。粗骨料性能应符合普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法(JGJ53-92)的要求。1混凝土用粗骨料的种类(1)按外观分为:碎石、卵石(又称砾石)。(2)按级配分为:连续粒级、单粒级。2混凝土用粗骨料的质量要求:包括:物理性质(表观密度、堆积密度、异形颗粒含量)、有害杂质含量(包括碱活性)、强度、坚固性、颗粒级配及最大粒径等。其中粗骨料的颗粒级配用筛分析试验测定。3筛分析:(1)颗粒级配 级配良好的石子其空隙率和总表面积均小,有利于混凝土节省水泥、保证质量。石子的级配方法有连续级配、间断级配。连续级配是指石子的粒径由大到小各粒级相连,这样配制的混凝土和易性好,不
11、易发生分层、离析,是建筑工程中最常用的级配方法。间断级配是指人为地剔除一级或几级中间粒径的颗粒级配方法,这样可获得更小的空隙率,密实性更好,节约水泥,但易使混凝土拌合物分层离析,增加施工困难,且石子资源不能充分利用,因此工程中应用较少。按采石场供应方式,石子分为连续粒级、单粒级。单粒级宜与连续粒级组合使用以改善级配,工程中一般不采用单粒级配制混凝土,因其空隙率较大,水泥用量多。砂、石配合比例适当,可使砂石混合骨料的空隙率很小(节省水泥)、总表面积较小(减少需水量)、和易性好。砂在骨料中所占比例称为砂率。(2)最大粒径 公称粒级的上限为该粒级的最大粒径。石子粒径增大,其表面积相应减小,所需水泥浆
12、量就少,因此石子的最大粒径应尽量选得大些。但石子粒径过大,对施工运输和搅拌均不方便。粒径过大,会使骨料与水泥砂浆的粘结面积减小,造成混凝土的不连续性。根据混凝土结构工程施工及验收规范(GB50204-92)的规定:混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于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,骨料最大粒径不宜超过板厚的1/2,且不得超过50。对于泵送混凝土(见GBJ204-83),骨料最大粒径与输送管内径之比,碎石不宜大于1:3,卵石不宜大于1:2.5。对于高强混凝土,粗骨料的最大粒径不宜超过20mm或16mm。对于容量小于0.8 m3的搅拌机,骨料最大粒径不得
13、超过80 mm,以免打烂叶片。在水工建筑的大型结构物中,骨料粒级较大。毛石混凝土的最大粒径可达300400 mm。(3)筛分析 石子的标准筛有孔径为2.5、5.0、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100 mm共12个一套。通过筛分析试验,取得各粒级上的累计筛余百分数,从而判断粗骨料的粒径范围、是否为连续级配。常规检测项目:筛分析,堆积密度,表观密度,含泥量及泥块含量。参照标准:普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法。4常规检测:四、水 混凝土用水主要包括拌合用水和养护用水。一般地,可饮用的水都能用于混凝土。具体地,应符合混凝土拌合用水标准(JGJ63-89)、钢筋混凝土
14、工程施工及验收规范中的要求。五、掺合料 在混凝土中使用矿物掺合料,最初的目的是为了充分利用天然资源、处理废料、节约水泥,而目前已认识到,它们具有提高混凝土强度、降低渗透性、改善抗冻性和耐腐蚀性等作用。混凝土矿物掺合料包括工业废渣(粉煤灰、磨细矿渣、硅粉)、天然岩矿(火山灰、沸石粉)。其中以粉煤灰用量最大、使用范围最广。粉煤灰在混凝土中有提高密实度及强度、改善和易性、节约水泥、减少收缩、降低水化热、改善抗化学侵蚀能力等作用。混凝土掺合料的掺量一般超过水泥重量的5%,在配合比设计时要考虑其体积或质量变化。粉煤灰按矿物组成分为低钙粉煤灰(氧化钙含量小于10%)、高钙粉煤灰(氧化钙含量15%35%),
15、我国多为低钙灰。根据用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GB1596-91)的规定,用于混凝土的粉煤灰分为三个等级:级灰、级灰、级灰。按照粉煤灰混凝土应用技术规范(GBJ146-90)的规定,级灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6m的预应力钢筋混凝土,级灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土,级灰主要用于无筋混凝土。对设计强度等级C30以上的无筋粉煤灰混凝土,宜采用级灰、级灰。粉煤灰混凝土的应用范围与普通混凝土相同,尤其适用于配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗结构混凝土、抗硫酸盐和软水侵蚀混凝土、蒸养混凝土、地下和水下工程混凝土、压浆混凝土、碾压混凝土等。详情参阅粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程(JGJ28-86
16、)、粉煤灰混凝土应用技术规范(GBJ146-90)。六、外加剂 由于外加剂作用显著、使用方便灵活,因此已成为混凝土的基本组分。由于外加剂掺量很少,因此其体积在混凝土配合比设计时忽略不计。在混凝土拌合物中掺入的、掺量不超过水泥重量5%、并能按要求改善混凝土性能的物质,称为混凝土外加剂。混凝土外加剂的应用始于二十世纪40年代,其迅速发展是从60年代开始。1935年美国的EWScripture首先研制出以木质素磺酸盐为主要成分的塑化剂(即木钙减水剂);1962年日本花王石碱公司的服部健一博士等首先研制出以-萘磺酸甲醛缩合物钠盐为主要成分的减水剂(简称萘系减水剂);1964年德国研制出磺化三聚氰胺甲醛
17、树脂减水剂(简称密胺树脂系减水剂)。由于萘系、密胺树脂系等高效减水剂对混凝土改性方面的重要贡献,使减水剂成为继钢筋混凝土、预应力混凝土之后,混凝土发展史上又一次重大的技术突破。以高效减水剂的研制和应用为标志,混凝土技术进入由塑性干硬性流动性的第三代。外加剂的分类按功能分为:(1)改善新拌混凝土流变性能的外加剂。包括:减水剂,泵送剂,引气剂等。(2)调节混凝土凝结硬化性能的外加剂。包括:早强剂,缓凝剂,速凝剂等。(3)调节混凝土含气量的外加剂。包括:引气剂,加气剂,泡沫剂,消泡剂等。(4)改善混凝土耐久性的外加剂。包括:引气剂,抗冻剂,阻锈剂等。(5)为混凝土提供特殊性能的外加剂。包括:膨胀剂,
18、防水剂,着色剂等。按化学成分分为:(1)无机物类:主要是一些电解质盐类,如CaCl2、Na2SO4等早强剂;此外还有某些金属单质如铝粉等加气剂,以及少量氢氧化物等。(2)有机物类:种类很多,大部分属于表面活性剂,有阴离子型、阳离子型、非离子型以及两性表面活性剂,其中以阴离子表面活性剂应用最多。有些外加剂没有表面活性作用。(3)复合型:将单一功能的外加剂复合使用(有机与有机、有机与无机),可同时具有多种功能。常用外加剂1、减水剂(1)木钙减水剂(又称M型减水剂):棕黄色粉末,普通型减水剂,属阴离子表面活性剂、缓凝型、引气型。我国以吉林开山屯化纤浆厂的亚硫酸纸浆废液为原料制成。木钙的掺量为水泥重量
19、的0.2%0.3%,减水率10%15%。木钙具有减水、增强、引气、缓凝(13小时)等综合效果,适用于一般混凝土工程,尤其是夏季施工、大模板和滑模施工、大体积混凝土、泵送混凝土等,但不利于冬季施工、蒸汽养护。木钙是我国最常用的一种减水剂,与早强剂、引气剂等复合使用效果较好。注:采用硬石膏或氟石膏作调凝剂生产的水泥,使用木钙会发生速凝现象。(2)萘系减水剂:棕色粉末或粘稠液体,高效减水剂,非引气型(少数品种有少量引气),主要品种有:NF、FDN、UNF、MF等。萘系减水剂的掺量为水泥重量的0.5%1.0%,减水率10%25%,其减水、增强、改善耐久性的效果比木钙好。萘系减水剂适用于早强、高强(C5
20、0以上)混凝土及流态(S150mm)混凝土、泵送混凝土、蒸养混凝土、冬季施工(最低气温0以上)。(3)密胺树脂减水剂:早强、非引气型高效减水剂,其减水、增强效果比萘系减水剂更好。我国产品有SM减水剂,其掺量为水泥重量的0.5%2.0%,减水率20%27%,对各龄期强度均显著提高,蒸养适应性好,价格昂贵,适用于早强、高强(C80以上)混凝土、流态混凝土、蒸养混凝土、铝酸盐水泥耐火混凝土。(4)复合减水剂:减水剂可分别与早强剂、引气剂、消泡剂、缓凝剂等复合,形成多功能外加剂。目前使用最多的是早强复合减水剂,由高效减水剂与硫酸钠早强剂复合而成。2、引气剂 混凝土引气剂主要有松香树脂、烷基苯磺酸盐、脂
21、肪醇磺酸盐等,其中以松香树脂类应用最广,其主要品种有松香热聚物、松香皂,其中又以松香热聚物效果最好。引气剂属憎水性表面活性剂,能改善拌合物的和易性,提高混凝土抗冻性,减少泌水,提高抗渗性,降低强度。引气剂一般用于水灰比较大、强度要求不太高的混凝土,我国水工混凝土施工规范(SDJ207-82)中规定:有抗冻要求的混凝土必须掺用引气剂。引气剂不适用于蒸养混凝土及预应力混凝土。近年来,引气剂已逐渐被引气型减水剂所代替。3、早强剂 常用的早强剂有:氯化钙、硫酸钠、三乙醇胺及其复合物。氯化钙是使用历史最久、应用最普遍的一种早强剂,掺量为水泥重量的1%2%,早强效果明显,价格便宜,但氯离子易促使混凝土中钢
22、筋锈蚀,可与阻锈剂复合使用。无水硫酸钠(俗称元明粉)、十水硫酸钠(俗称芒硝)是促凝型早强剂,掺量为水泥重量的0.5%2%,一般不单独使用,常与氯化钠、亚硝酸钠、木钙、三乙醇胺等组成硫酸钠复合早强剂。使用硫酸钠会使混凝土碱度提高,需注意碱-骨料反应。三乙醇胺属非离子型表面活性剂,无色或淡黄色透明油状液体,掺量为水泥重量的0.02%0.05%,单独使用时早强效果不明显,常与氯化钠、亚硝酸钠、二水石膏复合使用,三乙醇胺复合早强剂尤其适用于禁用氯盐的钢筋混凝土。4、膨胀剂 常用膨胀剂有三类:硫铝酸钙类(明矾石膨胀剂、CSA膨胀剂)、氧化钙类(石灰膨胀剂)、铁粉类。膨胀剂主要用于收缩补偿混凝土、自应力混
23、凝土。掺膨胀剂的混凝土应注意充分供水养护,一般两周内可达到全部膨胀值的60%80%。第三节 混凝土的性能一、新拌混凝土的性能 和易性是判断混凝土拌合物质量的首要性能。拌合物的其他性能包括含气量、水灰比、水泥含量、凝结时间等。拌合物性能试验应按照普通混凝土拌合物性能试验方法(GBJ80-85)的规定进行。1、和易性的含义 和易性(又称工作性)是指混凝土拌合物易于施工操作(拌合、运输、浇注、振捣)并达到质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合性能,包括:流动性、粘聚性、保水性。2、和易性的测定 目前,还没有一种试验方法能全面反映和易性所包含的所有内容。拌合物性质受流动性影响最大,因此,一般以测定
24、流动性为主,并辅以对粘聚性和保水性的经验观察(目测),最后综合判断混凝土拌合物和易性是否满足要求。按照混凝土质量控制标准(GB50164-92)规定,采用坍落度试验和维勃稠度试验方法来评定拌合物的和易性。测定拌合物流动性的其他方法有:跳桌法、凯利球法(Kelly ballmethod)、捣实因素法等。(1)坍落度试验 这是使用历史最久、最普遍的测定混合料流动性的方法。该方法适用于骨料粒径不大于40mm、坍落度值不小于10mm的混凝土拌合物(坍落度值小于10mm的干硬性混凝土拌合物应采用维勃稠度试验)。该方法的特点:简便易行,测试结果受操作技术影响较大。根据坍落度,可将混凝土拌合物分为四级:大流
25、动性混凝土(S160mm)、流动性混凝土(S=100150mm)、塑性混凝土(S=5090mm)、低塑性混凝土(S=1040mm)。工程中,可根据混凝土结构工程施工及验收规范(GB50204-92)的有关规定选用坍落度。(2)维勃稠度试验 该方法由瑞士人V勃纳(Bahrner)提出,故称为维勃(或VB)稠度法。该方法适用于骨料粒径不大于40mm、维勃稠度在530秒的混凝土拌合物稠度测定。根据维勃稠度,可将混凝土拌合物分为四级:半干硬性混凝土(VB=510秒)、干硬性混凝土(VB=1120秒)、特干硬性混凝土(VB=2130秒)、超干硬性混凝土(VB31秒)。3、和易性的影响因素 影响因素:单位
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