《普通混凝土》PPT课件.ppt

第四章,普通混凝土,目 录,4.1 概述 4.2 混凝土组成材料 4.3 混凝土和易性 4.4 混凝土强度 4.5 混凝土耐久性 4.6 混凝土配合比设计 4.7 新型混凝土,4.1 概述,何为混凝土 混凝土起源 应用领域 混凝土分类 混凝土特性,Back,混凝土是由胶凝材料、骨料及其它外加材料按适当比例配制，再经硬化而成的人工石材 其中应用最广的是以水泥为胶凝材料，以砂石为骨料，加水拌和而成的拌合物，经一定时间硬化而成的水泥混凝土普通混凝土。,何为混凝土？,Back,混凝土的起源可以追塑到埃及金字塔（最新研究认为：金字塔石料不是天然材料，而是用粘土、石灰等材料制备而成的人工材料）、古罗马时代宫殿的落成。 八十年代，我国甘肃省秦安县大地湾新时期遗址出土了5000年前的混凝土100m3，其的抗压强度为10MPa，这一发现堪称世界建筑史的一大奇迹。,混凝土起源,Back,目前混凝土的用量约为120亿吨，是世界上用量最大的人工建筑材料，随着混凝土性能的不断提高，其用量及应用范围还会增加。 混凝土广泛应用于建筑、桥梁、道路等土木工程领域。,广泛应用,Fig.4.1.3 Widely Usages of Concrete,Back,混凝土可应用于 大坝等水利工程 工业与民用建筑 给水排水工程 公路、铁路等交通工程 水利与水电工程 地下工程 国防工程,Fig.4.1.4 Concrete Dam,应用领域,Back,胶凝材料,混凝土,水泥混凝土,石膏混凝土,沥青混凝土,混凝土按胶凝材料分为水泥混凝土、石膏混凝土和沥青混凝土等。水泥混凝土主要用于建筑结构工程，沥青混凝土主要用作路面材料。,混凝土分类,Back,按表观密度0分为: 轻混凝土（01900），广泛用于高层建筑、大跨度桥梁及高强预制构件等。包括 轻骨料混凝土 多孔混凝土 大孔混凝土 普通混凝土（0=2000-2500）：各种承重结构； 重混凝土（02600）：原子能工程的屏蔽材料。,混凝土分类,按强度分为： 普通混凝土（抗压强度60 MPa） 超高强混凝土（抗压强度80 MPa）,Back,混凝土分类,按成型或施工工艺 现浇混凝土 预拌混凝土 灌浆混凝土 喷射混凝土,Forming or construction Technology,Concrete,Back,混凝土分类,混凝土在土建工程中能够得到广泛的应用，是由于它具有优越的技术性能及良好的经济效益。 它具有以下特点： 原材料来源丰富 性能可调 可塑性好 可用钢筋增强 耐久性好 自重大 脆性,混凝土特性,Back,Back,混凝土特性,4.2 混凝土组成材料,4.2.1 水泥 4.2.2 骨料 4.2.3 水 4.2.4 添加剂,Back,Sketch Map of Concrete,混凝土由以下材料组成 水泥浆 水泥 水 骨料 砂 石 添加剂,混凝土组成材料,品种选择 根据工程环境的要求选择合适的水泥品种。 工程中最常用的是六大水泥。 强度等级选择 根据混凝土的强度等级，选择合适的水泥等级。 对普通混凝土, 水泥等级1.5-2倍的混凝土强度等级。 对高强混凝土,水泥等级0.9-1.5倍的混凝土强度等级。,水泥,Back,4.2.2 骨料 分类 细骨料砂 粗骨料石,Back,4.2 混凝土组成材料,分类,骨料按来源可分为原生骨料和再生骨料。 目前大量工程中应用的是原生骨料，如砂和石。 地壳表面绝大多数的岩石可作用原生骨料。 骨料的性质对混凝土性质有很大的影响。,Back,细骨料砂,定义与标准 分类 技术要求 有害杂质 颗粒形状与表面特征 级配 粗细程度,Back,定义：粒径小于5mm的岩石颗粒 标准 混凝土用砂质量标准 JGJ5292 建筑工程用砂质量标准 GB/T14684-2001 分类 按来源可分为天然砂和人工砂 天然砂按来源又可分为 河砂 海砂 山砂,细骨料砂,按技术要求分为3类: :用于C60的混凝土 :用于C30C60的混凝土 :用于C30的混凝土及建筑砂浆,细骨料砂,砂的技术要求,定义：骨料中妨碍水泥水化或引起水泥石腐蚀，降低水泥石与骨料粘附性的各种物质。 种类：云母、粘土、淤泥和有机物等。 危害性：妨碍水泥与骨料的粘结，影响混凝土强度；增大用水量，收缩增大；引起水泥石腐蚀。 处理方法：当砂中有害杂质含量多，但必须使用时，可用清水加以冲洗，如冲洗后符合要求，则可使用。 有害杂质含量应符合GB/T14684-2001(JGJ52-92) Tab. 4.2.1.的要求。,有害杂质,Tab.4.2.1 有害杂质含量要求 (GB/T14684-2001),表4.2.2砂的颗粒形状与表面特征及其对混凝土性能的影响,颗粒形状与表面特征,砂的颗粒形状与表面特征及其对混凝土性能的影响见表4.2.2.,颗粒级配指砂的大小颗粒搭配的情况。,颗粒级配,颗粒级配,试验：筛分析法 取500g干砂，测其在各筛上的筛余量。 级配曲线：以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标作图即为级配曲线。 级配区：按600m筛孔的累计筛余百分率划分为3个级配区。 颗粒级配及级配区如表4.2.3和表4.2.4所示,表4.2.3 砂的颗粒级配,颗粒级配,注：分计筛余百分率：各筛的筛余量/砂的总量（g）。 累计筛余百分率：各筛的分计筛余率加上比该筛大的所有筛的分计筛余百分率之和。,Tab.4.2.4 级配区,砂的级配曲线,0,40,20,60,80,100,0.16,0.315,0.63,1.25,2.50,5.00,10.00,级配曲线分析,区:粗砂为主,易泌水,不易密实成型，可配制富混凝土 区:中砂为主,最适合配制普通混凝土 区:细砂为主,配制的混凝土拌合物粘性大,保水性好,但易干缩,定义:不同粒径的砂混合在一起后总体的粗细程度. 表示方法:粗细程度用细度模数表示: 细度模数: 粗细程度的划分,粗细程度,粗细颗粒含量适当 空隙率小 总表面积小 水泥浆的用量少 混凝土的和易性好 密实度高 强度及耐久性高,合理级配,Back,粗骨料石,Coarse Aggregate,Back,定义与标准 分类 技术要求 有害杂质 颗粒形状与表面特征 级配 粗细程度 最大粒径 石子强度,定义：粒径大于5mm的岩石颗粒 标准 混凝土用砂质量标准 JGJ5392 建筑工程用砂质量标准 GB/T14685-2001 分类 按来源分碎石和卵石，工程中常用碎石配制混凝土 按技术要求分为3类: :用于C60的混凝土 :用于C30C60的混凝土 :用于C30的混凝土及建筑砂浆,粗骨料石,粗骨料石,有害杂质,Fig4.2.1Needle and Slice Shape Particles,种类及含量限制 含泥量、泥块含量、针片状颗粒含量及有害物含量等均应符合GB/T14685-2001(或JGJ52-92)的要求。 碱骨料反应 水泥中碱性物质(氧化钠或氧化钾)过多，且粗骨料中含有活性成分（活性氧化硅或活性氧化铝）,二者反应生成碱硅酸凝胶,引起体积膨胀,使混凝土开裂，最终破坏的现象。,颗粒形状及表面特征与砂相同,颗粒形状与表面特征,颗粒级配,级配 碎石及卵石的级配要求见表4.2.5，级配实验方法及有关参数的计算与细骨料相同,只是筛孔尺寸和级配要求不同 标准筛:2.36（2.5）、4.75（5）、9.5（10）、16 （15）、19（20）、26.5（25）、31.5、37.5（40）、53（50）、63、75（80）及90（100）等共12个。,Fig.4.2.2 Screen Instrument,颗粒级配,石子级配分为 连续级配:从小到大每个粒级的石子均占一定的比例，和易性好，适合配制普通混凝土 单粒级:剔除某些粒级的颗粒,使空隙率下降,易产生离析。可配制高强混凝土或干硬性混凝土,须强力振捣.,表4.2.5石子级配要求(GB/T14685-2001),续表4.2.5石子级配要求(GB/T14685-2001),石子公称粒级的上限Dmax 如520是常用的一种粒级, 20mm是该粒级的上限，即最大粒径,最大粒径,最大粒径,Dmax的限制条件 .经济性: Dmax增大,表面积减小,水泥用量减少 .结构限制: Dmax 1/4结构截面最小尺寸; Dmax 3/4钢筋最小净距; Dmax =1/2实心板厚度，且Dmax 50mm。 .施工方面：Dmax过大，在搅拌、运输以及振捣时易产生离析或易损坏叶片、堵塞泵管或振捣不实。,最大粒径,Dmax的限制条件,二种强度 岩石立体强度 压碎指标 岩石的立方体强度：将岩石制成边长5cm的立方体，水饱和状态测抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比 普通混凝土1.5 fcu 高强混凝土2.0 fcu,5cm5cm5cm,Fig4.2.3 Sketch map to measure cubic strength,石子强度,石子强度也可根据岩石种类，参照表4.2.6选择,Tab4.2.6 Aggregate Strength of different types,石子强度,方法：将直径为10-20mm的碎石分三层装入标 准圆筒内，按一定方法加压至200kN，再过2.5mm的筛。 压碎指标 m0压碎前干燥石料的质量； m1压碎后干燥石料的质量； 压碎指标的要求见表 4.2.7和表4.2.8,Press,Sife,压碎指标,Fig.4.2.4 Sketch map to measure Crushing Index,石子强度,石子压碎指标试验录像,压碎指标,表4.2.7 碎石的压碎指标值,Tab.4.2.8 卵石的压碎指标 (GB/T14685-2001),石子强度,采用哪种石子强度: 岩石立体强度 压碎指标 岩石立体强度可用于高强混凝土. 当二种方法有争议时，以岩石立体强度为准,Back,拌制混凝土用水必须选用洁净水，凡Ph4的酸性水、硫酸盐含量1%的工业废水不能使用。 拌制钢筋混凝土及预应力混凝土不应使用硫酸盐、氯盐和氧化物的水。 水中物质含量限制(见表4.2.9),4.2.3 水,Back,表4.2.9 水中物质含量限制,Containing Water Content (esp. Saturated Water Content),Fig.4.2.5 骨料的含水状态,Back,4.2.4.1 外加剂,概述 减水剂 早强剂 引气剂 缓凝剂 速凝剂 膨胀剂 防冻剂,Back,4.2.4 混凝土添加剂,4.2.4.2 矿物掺合料,定义 分类 应用,概述,Introduction,外加剂指在混凝土/砂浆拌合物中掺入的不超过水泥用量5%，且能使混凝土/砂浆按要求改变性能的化学物质。,定义,分类,改善流变性能减水剂、引气剂和泵送剂等。 调节凝结时间、硬化性能缓凝剂、早强剂和速凝剂等。 改造耐久性引气剂、防水剂和阻锈剂等。 改善其它性能加气剂、膨胀剂、防冻剂和着色剂等。,应 用,采用外加剂是提高混凝土强度、改善性能、节约水泥和能源的最有效的方法之一。 近几十年来混凝土外加剂的发展很快，国外许多国家外加剂的使用率达到60-80%，有的甚至高达100%， 当前外加剂已成为混凝土的第五大组份。,Back,减水剂,定义 分类 减水剂作用机理 技术经济效果 常用减水剂,定义 在保持混凝土和易性不变的情况下，可显著减少拌合用水量的外加剂。 或：在用水量不变的情况下，可显著增加拌合物流动性的外加剂。 分类： 按效能:普通减水剂(减水率为10%)和高效减水剂(10%),又称为超塑化剂或流化剂。 按对凝结时间的影响:标准型、缓凝型和促凝型 按对含气量的影响:引气型和非引气型,减水剂,减水剂作用机理,表面活性剂: 可溶于水,定向排列于界面上，显著降低表面张力的物质。 分子结构特点 双亲基团： 亲水基团（极性，如：OH、COOH、CO等） 憎水基团（非极性，如长链烷基）,减水剂由亲水基团和憎水基团组成 在混凝土拌合物表面定向吸附，其憎水基团指向水泥颗粒的内部，而亲水基团指向水中。 通过以下三方面的作用，使絮凝结构解体： 水泥质点表面电性相斥； 溶剂化膜使滑动能力增加； 分散度提高，流动性和强度增加,减水剂作用机理,技术经济效果,减水剂的技术经济效果列于表4.2.10,表4.2.10 减水剂的技术经济效果,常用减水剂,木质素系 萘系 树脂系,木质素系减水剂,由木桨废液，经磺化、干燥制成。 最常用木质素磺酸钙木钙 用量：0.2-0.3% 效果：减水率为10%，或使坍落度提高10cm左右；强度增加10-20% 性能特点 缓凝作用：掺0.25%的M剂，凝结时间延迟1-3h 引气作用：使混凝土的含气量由2%增加为3.6%，故使强度下降，但耐久性提高。 应用：适用于大模板、滑模施工；大体积混凝土、泵送混凝土及夏季施工等。,萘系减水剂,由煤焦油中分馏出萘及其同系物，经磺化缩合而成，主要成分为芳香属磺酸盐甲醛浓缩物。 目前国产萘系减水剂常用的品种：NF、NNO、FDN、UNF、MF、AF和建1等。,Brief introduction,简介,性能,掺量 0.2-1.0% 由于具有高分散性，属于高效减水剂 减水率 15% 增强率 20% 节省水泥 10-20% 有微缓凝作用 大部分为非引气型，不影响强度,掺量0.5%-2%，减水率为20%-30% 分散、减水和增强的效果比萘系好 早强型7天强度可达到28天的强度 28天强度增加30%-60%。,优点,缺点,价格贵,树脂系减水剂,树脂系减水剂属于高效减水剂 我国的产品主要是蜜胺树脂（SM），减水效果最佳,Back,早强剂,定义 应用 常用早强剂 氯盐类 硫酸盐类 三乙醇胺类,Back,定义,早强剂,能显著提高混凝土早期强度，而不明显影响后期强度的外加剂 可广泛应用于 冬季施工 紧急抢修工程 工期要求紧的工程 举例 早强剂可以使C20混凝土在16小时内达到拆模强度（1.5MPa） 36小时达到在上面安装楼板的强度（3.0MPa） 从而加快施工进度,应用,氯盐类早强剂,CaCl2是应用最广的品种 效果好 价格低 使用方便,掺加 0.5-1% 氯盐类早强剂 2-3d 强度能够提高 50-100% 7d 强度提高20-40%,性能-提高早强,典型类型,CaCl2，与C3A和CH反应，生成新的水化产物水化氯铝酸钙，在早期析出形成骨架，促进了水泥石结构的形成 CH浓度降低 这两种因素加速了 C3S 的水化 因而，早期强度得到了提高,早强机理,硫酸钠是应用最广泛的品种。,当硫酸盐掺量为11.5时， 混凝土强度达到设计强度70的时间缩短50。,硫酸盐类早强剂,典型类型,性能提高早期强度,TEA 是有机胺类减水剂最主要的类型， 它是浅色油状液体， 掺量为 0.020.05%,有机胺类早强剂,典型类型,早期强度提高50。 28d强度基本不变。 有一定的缓凝作用。,性能提高早期强度,Back,引气剂,定义 机理 性能 提高耐久性 提高和易性 降低混凝土强度 应用 常用引气剂,定义,指在混凝土拌和物中引入小气泡的物质。 大量 分散 独立 微小 均匀,引气剂,Definition,引气剂,它是憎水性表面活性物质 减小表面张力 能定向吸附于气泡表面 使混合搅拌过程中进入的空气形成不易破裂、微小、独立且均匀分布的气泡。,机理,性能,引气剂,降低混凝土强度,提高和易性,提高耐久性,引气剂能够提高耐久性和可塑性，但是降低混凝土强度。,性能怎样得到提高,引气剂 改善孔结构，提高耐久性 气泡起滚球轴承的作用，提高流动性及粘聚性 提高含气量，降低强度,图 4.2.2 提高耐久性示意图,引气剂,这类外加剂常用于有冻融循环的环境中。 在混凝土结构中不可避免地降低其强度。,应用,常用引气剂,松香皂和松香热聚物等 掺量为 0.005%-0.012% 引入 D=0.05-1.25mm 的气泡 使混凝土含气量达到 2%-6%,缓凝剂和速凝剂,定义：能延缓混凝土凝结时间，而不显著影响混凝土后期硬化的外加剂 常用类型：M剂、糖蜜、柠檬酸等 速凝剂 定义 能使混凝土速凝，并能改善混凝土的粘结性和稳定性的外加剂。 无机盐类速凝剂按其主要成分大致可分为三类： 以铝酸钠为主要成分 以铝酸钙为主要成分 以硅酸盐为主要成分,缓凝剂,膨胀剂,定义 能使混凝土产生补偿收缩或微膨胀的外加剂 常用品种 U型膨胀剂等 性能 掺量10%-15%，抗渗性提高,Back,防冻剂,Back,定义：使混凝土在负温下正常硬化的外加剂。起降低冰点、防冻、增进早强的作用 常用品种 NaNO2和Ca(NO2)2 掺1%-8%降低冰点、早强、阻锈 CaCl2和NaCl掺0.5%-1% 工程上使用的都是复合防冻剂，由防冻、 早强、减水组分甚至引气组分复合，以提高防冻效果。,4.3 新拌混凝土的和易性,4.3.1 和易性 4.3.2 测试方法 4.3.3 主要影响因素 4.3.4 提高和易性的措施,Back,新拌混凝土的和易性,概念 流动性 粘聚性 保水性,Back,新拌混凝土 硬化前的混凝土，又称混凝土拌合物 和易性 混凝土拌合物易于施工操作，并且获得均匀密实的混凝土的性质,概念,新拌混凝土的和易性,Fig.4.3.1 Concrete in Construction,和易性,和易性的综合含义 流动性+粘聚性+保水性=和易性 流动性 拌合物在自重或外力作用下产生流动,均匀、密实地填充模板的性能 粘聚性 施工过程中各种组成材料之间有一定的粘聚力,不致产生离析或分层现象. 离析:由于密度和粒径不同,在外力作用下组成材料的分离析出的现象 分层:层状离析 离析和分层使混凝土不均匀，影响硬化后的性能,和易性,保水性 混凝土在施工过程中有一定的保持水分的能力,不致产生严重的泌水现象 泌水 水分从浆中分离出来,上浮至表面的现象。 危害 泌水通道或水囊影响耐久性 沉降(由于泌水使表面下降的现象)沉降龟裂 浮浆妨碍与继续浇注的混凝土的粘结, 必须去除浮浆,指标 定量测定坍落度值 定性判断粘聚性和保水性 适用范围 Dmax40mm 坍落度10mm,和易性测试,Back,坍落度试验,和易性可采用坍落度试验和维勃稠度试验二种方法进行测试,试验方法 将拌合物按规定方法装入坍落度筒内,刮平,垂直提起坍落度筒,测量拌合物下落的距离。,坍落度=筒高塌落后拌合物的最高点(mm or cm),坍落度试验,Fig.4.3.2 Slump Cone,和易性分析和判断 流动性 坍落度大 流动性大 粘聚性用捣棒在拌合物的侧面轻轻敲打，出现图示三种情况。（图示） 真实坍落 粘聚性好 沿斜面下滑或骨料外露 粘聚性差 崩裂 保水性观察稀浆析出 较多的稀浆析出保水性差 无稀浆析出保水性好,和易性测试,适用范围:Dmax40mm 维勃稠度5-30s之间 干硬性或低塑性混凝土 试验方法 将拌合物装入坍落度筒内, 移开漏斗,把透明圆盘转至拌合物顶面,与之接触,开动振动台,计时, 透明圆盘表面刚被水泥浆布满时,停止计时, 记录的时间维勃稠度值,和易性测试,维勃稠度试验,Fig4.3.3 Vebe Consistometer Instrument,维勃稠度试验,分析和判断 维勃稠度值小 拌合物稀 流动性大 维勃稠度值大 拌合物稠 流动性小,Tab4.3.1 拌合物分类及应用,Back,组成材料的影响 水灰比 水泥浆数量 Sp 骨料 环境因素的影响 时间 温度,和易性的影响因素,Back,Back,水灰比(水泥浆稠度) 当水泥用量一定时 水灰比小混凝土干坍落度小不易密实成型； 水灰比过小粘聚性差硬化后混凝土的强度及耐久性降低 水灰比大混凝土稀坍落度大易离析、分层、泌水硬化后强度及耐久性降低 水灰比合适拌合物能均匀且密实成型必须根据混凝土的强度和耐久性的要求来选择W/C,组成材料的影响,W/C的影响,水泥浆数量 W/C一定 水泥浆多流动性大;过多流浆粘聚性差影响硬化后的性质 水泥浆数量少流动性小不密实；过少崩溃影响硬化后的性质 水泥浆数量适量满足流动性的要求且有较好的粘聚性和保水性根据施工要求的坍落度选择,水泥浆数量的影响,Back,组成材料的影响,砂率Sp指混凝土中砂的质量占砂石总量的比例 Sp=S/(S+G) 砂率过小砂浆数量不足对骨料的润滑作用差流动性差且易离析 砂率过大总表面积大水泥浆过多地用于包裹砂子 润滑作用小流动性小,砂率 Sp的影响,Back,组成材料的影响,合理砂率(最优砂率) 在W和C一定时,使混凝土拌合物获得最大的流动性，且保持良好的粘聚性和保水性的砂率 保持混凝土拌合物的坍落度一定的条件下，使用水泥用量最低的砂率。,合理砂率,颗粒形状与表面特征 级配 最大粒径,骨料的影响,Back,和易性的影响因素,颗粒形状与表面特征,碎石或山砂的表面粗糙、多棱角流动性差 卵石或河砂的表面光滑、圆润 流动性好,级配,级配好 W一定时，空隙小 流动性好 级配差 W一定时，空隙大 流动性差,最大粒径Dmax,Dmax大水泥浆一定时，表面积小流动性好,Time,时间的影响,时间越长水化作用+水分蒸发+骨料吸水流动性 时间与坍落度的关系如图4.3.5的所示 施工中,测坍落度在混凝土拌合物拌好15分钟内进行,Back,环境因素的影响,温度升高流动性 温度与坍落度的关系如图4.3.6的所示 施工中为了保证一定的工作性,必须注意环境温度的影响,夏季混凝土拌合物用水量冬季用水量.,Fig.4.3.6 Relationship between Slump and Temperature,Back,温度的影响,环境因素的影响,改善和易性的措施,当坍落度偏小时，保持W/C 不变，增加水泥浆的数量 当坍落度偏大时，保持Sp 不变，增加砂石的数量 选择合理Sp，改善和易性的同时，也节约了水泥 改善骨料级配（特别是石子） 选择较大粒径的骨料 采用外加剂,Back,4.4 混凝土强度,混凝土质量 荷载下的变形和破坏过程 强度的定义 普通混凝土的强度等级 其它类型的强度 强度影响因素 提高强度的方法途径,Back,混凝土的质量通过下述值进行评定： 强度 耐久性 体积稳定性,Back,混凝土质量,硬化的混凝土必须有足够的外力以承受结构荷载所造成的应力。 由于拌合物的多样性，混凝土必须达到足够高的强度。,强 度,Back,混凝土质量,耐久性,混凝土必须能够承受各种劣化作用如： 冻融循环 干湿交替 腐蚀和化学侵蚀,由于外部荷载和混凝土自身的化学反应作用，合格的混凝土应该有最小的收缩或膨胀。,体积稳定性,Back,混凝土质量,受力变形和破坏过程： 受压破坏过程 初始裂纹 单轴静力受压破坏,Back,受力变形和破坏过程,混凝土受压破坏形式,表 4.4.1受力破坏形式，原因及可能性分析,在压力作用下混凝土破坏有三种破坏形式：破坏类型，原因和可能性分析如表 4.4.1 和图 4.4.1 所示，,受力作用破坏类型,图 4.4.1 受力作用下的破坏类型,Back,由于混凝土界面初始裂纹的存在，界面破坏经常发生。初始裂纹是指混凝土受力前，粗骨料与砂浆界面等部位已有裂纹。 初始裂纹示意图如图4.4.2.所示,初 始 裂 纹,图 4.4.2 初始裂纹示意图,单轴静力受压破坏过程,机理 混凝土在外力作用下,内部产生变形，变形增大, 裂纹扩展,连通,使结构破坏。,不同应力阶段混凝土内部裂缝示意图,混凝土破坏过程与内部裂纹变化关系,表 4.4.2 混凝土破坏过程与内部裂纹变化关系,表4.4.2 说明了混凝土破坏过程与内部裂纹变化关系,关于强度有三个重要的概念： 混凝土立方体抗压强度 混凝土强度保证率 混凝土立方体抗压强度标准值,强度定义,Back,混凝土抗压强度,混凝土抗压强度试验录像,图 4.4.3 混凝土抗压强度试验仪器,概念 边长为150mm的立方体试件，标准方法成型，标准条件养护，28d龄期的抗压强度。 标准条件 温度=203，湿度90% 标准条件养护 试验仪器设备如图 4.4.4.所示,混凝土立方体抗压强度 fcu,图4.4.4 强度试验仪器,混凝土强度保证率 P%,混凝土强度保证率 P% 是指混凝土强度总体中大于设计强度等级的概率。,图 4.4.5 混凝土强度保证率 P% 示意图,混凝土立方体抗压强度标准值是指具有95%以上强度保证率的立方体抗压强度。,fcu,P=95%,+,fcu,k,混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k,fcu,k 是结构设计强度取值的依据， fcu,k 被用于质量控制， fcu,k被用于工程验收， 例如.非统计法验收混凝土: 平均值 1.15 fcu,k , 最小值fcu,min 0.95 fcu,k,说明：,混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k,Back,普通混凝土强度等级,根据 fcu,k.划分普通混凝土强度等级的 普通混凝土的十二个等级如下图所示：,C25,concrete,fcu,k,Back,轴心抗压强度fcp 以150150300mm的棱柱体为标准试件,其它条件与立方体抗压强度相同. 与抗压强度关系: fcp=0.70.8fcu,其它强度,Back,P破坏荷载, N A试件的劈裂面面积, mm,抗拉强度通过劈裂抗拉强度进行测试。 劈裂抗拉强度试验仪器如录像中所示。,抗拉强度,抗折强度,抗折强度通过三分点加荷试验测试。 图 4.4.7 是混凝土抗折试验示意图 试件： 150150600(550)mm 梁型试件,图 4.4.7 混凝土抗折强度试验示意图,公式,Back,混凝土抗折强度试验,水泥强度等级,水灰比,混凝土强度公式,骨料的影响,养护条件,试验条件,Back,强度影响因素,水泥强度等级,水泥强度等级对混凝土强度是很重要的一个因素。 配合比相同时，水泥强度等级提高，水泥石本身的强度及与骨料的粘结强度高，混凝土的强度高。,Back,上述规律的前提条件是混凝土密实成型。,强度降低,过大的孔隙率,水泥用量过低,水泥强度等级过高,Back,水泥强度等级,水灰比,水泥品种及强度等级均相同的情况下，混凝土的强度取决于W/C。 IW/C在一定范围内(混凝土密实成型)，W/C降低， 抗压强度增大。 II.当W/C过小 (不能密实成型)W/C降低，孔隙率升高，强度降低。,I,II,w/c 过小,W/C 在一定范围内,W/C,强度,W/C,强度,正常水泥水化仅需水泥用量23%的水量( W/C=0.23 )。 为了使混凝土拌合物有较好的流动性，加入的拌合水量一般为水泥量的4070%。(W/C=0.40.7) 多余的水分在混凝土中留下了许多孔隙，使混凝土的实际受力面积下降。 形成应力集中。 混凝土强度降低。,水灰比,说明：,目前，工程中采用下述的施工技术 高速搅拌 声波搅拌 高频振幅,水灰比,提高施工技术,Back,混凝土强度公式,公式,W/C0.30.8,适用范围：,塑性和低塑性混凝土,fcu混凝土28d抗压强度（Mpa) fce水泥的实际强度； fceb 水泥28d的抗压强度 Kc水泥的富裕系数=1.13 A B经验系数,与骨料的种类有关,A B 碎石 0.46 0.07 卵石 0.48 0.33,骨料的影响,骨料的影响,粗骨料的强度、粒径及级配等是影响混凝土强度的重要因素.,Back,粗骨料的强度,裂纹扩展至骨料 时绕界面而过,骨料强度高,混凝土强度高,Dmax对普通混凝土的影响小 对于高强混凝土, Dmax 提高，则强度降低。 (尺寸效应),粒 径 Dmax,无影响,W/C0.65,fcu 碎石=1.38fcu 卵石,W/C0.4,W/C0.65, 表面特征对强度没有影响。 W/C0.4 fcu 碎石=1.38fcu 卵石,Back,表面特征,养护条件,混凝土强度受到水泥水化程度和速度的影响，而这又受到湿度和温度的影响。 温度越高，水泥的水化速度越快，混凝土强度越高。 湿度越大，水泥水化程度越高。,温度,水泥水 化速度,混凝土强度,Back,湿度,水泥水化 速度,混凝土强度,养 护,混凝土成型后一段时间内维持一定的温度和相对湿度，保证混凝土强度等性能的正常发展。 这个过程叫做养护。 有三种类型的养护：自然养护，蒸汽养护和蒸压养护。,A,自然养护,自然温度和湿度条件下养护,P.、P.、P.O、P.S养护7d； P.P及P.F 养护14d；,B,蒸汽养护,蒸汽养护 压力=1 个标准大气压 温度 100 蒸汽养护可使掺混合材料水泥的28d提高1040%. P.、P.及P.O降低1015%.,C.,压力 8 个标准大气压；温度 174.5 场所:高压釜中,蒸压养护,图 4.4.10 抗压强度和龄期的关系,龄 期,适用范围,对数公式,f28=fn (lg28/lgn),fn 混凝土n天的强度 f28 混凝土28天强度,标准条件养护,32.5 42.5 级的 P.O (n3),Back,环箍效应,混凝土试件受轴向压力作用 压力机压板横向变形小于混凝土横向变形 故混凝土试件在与压板的接触面上受到向内的约束力 此力在 范围内有效 使混凝土强度提高。 试件被破坏后上、下部各呈一个较完整的棱锥体。,试验条件,试件尺寸 3Dmax,尺寸效应,表4.4.3 试件尺寸对混凝土强度的影响,混凝土强度的尺寸效应 如表4.4.3所示。,Back,采用高强度等级的水泥。 降低水灰比，提高混凝土密实度。 采用干硬性混凝土(多用于预制构件或条件好的工地)：强力振捣 。其强度=1.41.8普通混凝土强度 。 湿热处理：可提高效率, 提高强度 采用机械搅拌和振捣：强力搅拌,高频振捣等工艺. 掺外加剂及掺合料:代表混凝土的发展方向。,Back,提高混凝土强度的途径,4.5 混凝土耐久性,定义 重要性 抗渗性 抗冻性 碳化/中性化 碱骨料反应 提高耐久性的措施,Back,混凝土抵抗环境介质作用，并长期保持良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构安全、正常使用的能力。 简单地说，耐久性指混凝土在长期使用中能保持质量稳定的性质。 包括： 抗渗性 抗冻性 防腐 抗碳化 耐磨损 耐碱骨料反应等,定 义,Back,材料破坏所引起的结构修理和更换在整个施工预算中占有很大的比重，总投资的较大比例用于现有结构的修理和维护，防止材料过早和突然破坏所导致的人身和经济两者的损失。,耐久性的重要性,图4.5.1 工程中混凝土的劣化,图4.5.1 工程中混凝土的劣化,图4.5.1 工程中混凝土的劣化,工业发达国家建筑工业总投资 40%以上用于现有结构的修理和维护， 60%以下用于新的设施,图 4.5.2 建设投资比例,耐久性的重要性,Back,混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。 抗渗性是混凝土耐久性的一个重要标志。直接影响混凝土的抗冻和防腐性等。,抗 渗 性,定 义,图 4.5.3 抗渗示意图,Back,图 4.5.4 抗渗试验仪器设备,以28天龄期的标准试件，按规定方法检验混凝土所能承受的最大水压力（MPa）， 例如，P2、P4、P8分别表示混凝土能抵抗0.2、 0.4、0.8MPa的水压力而不渗水. 抗渗等级P6的混凝土为抗渗混凝土。,抗渗等级,混凝土吸水饱和后，能抵抗冻融循环作用而不破坏的性质。 混凝土的密实度、孔隙数量及构造、孔隙的充水程度均是决定抗冻性的重要因素。 对寒冷地区，与水接触，且受冻的环境中使用的混凝土，采用F50以上的抗冻混凝土。,定 义,Back,抗 冻 性,抗冻等级以28天试件在吸水饱和后，承受反复冻融循环，抗压强度下降不大于25%，重量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环的次数表示。,抗 冻 等 级,例如: F25、F50、F100F300,选择 抗冻等级应根据当地气候、环境及构筑物类别选择。 如环境为海水，每天两次涨落，冬季（北方）混凝土频繁受冻融循环。,图 4.5.6 抗冻试验仪器设备,Back,碳化 /中性化,图 4.5.7 混凝土碳化示意图,碳化是指混凝土中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应。 碳化引起混凝土的中性化，使混凝土保护钢筋的性能降低 减弱对钢筋的保护 增大混凝土的收缩，产生细微裂纹 使抗压强度增加（回弹法应考虑）,Back,图 4.5.8 碳化试验仪器设备,影响碳化的主要因素 水泥品种（有掺合料的碳化快） 水灰比 碳化时间 湿度 CO2浓度,碳化 /中性化,碱骨料反应,图 4.5.9 碱骨料反应示意图,水泥中碱性物质(氧化钠或氧化钾)过多，且粗骨料中含有活性成分（活性氧化硅或活性氧化铝）,二者反应生成碱硅酸凝胶,引起体积膨胀,使混凝土开裂，最终破坏的现象,水泥含碱量高(0.6%) 骨料含活性氧化硅 水份,碱骨料反应的条件,Alkali-aggregate Reaction,图 4.5.10 碱骨料反应条件示意图,Back,合理选择水泥品种 控制最大水灰比和最少水泥用量 普通混凝土配合比设计规程(JGJ 55-2000)对工业与民用建筑所用混凝土规定了最大水灰比及最小水泥用量。 选用颗粒级配较好的砂、石骨料 掺用合适的掺合料和引气剂、减水剂等 加强混凝土的施工质量,提高混凝土耐久性的措施,Back,2） 混凝土的配合比设计 3） 混凝土的耐久性,Back,1） 混凝土的强度,什么是配合比 基本要求 配合比设计的三个参数 方法和步骤 初步计算配合比 确定基准配合比 实验室配合比 施工配合比,4.6 混凝土配合比设计,Back,什么是配合比？,配合比是指混凝土中各组成材料用量之间的比例关系 表示方法 用1m混凝土中各种材料的重量表示 C S G W (Kg/m) 300 720 120 180 用各种材料的重量比例表示(水泥用量为1) C:S:G=1:2.4:4.0 W/C=0.6 如果掺外加剂，其用量以水泥质量的百分比表示。,Back,配合比设计基本要求,强度符合结构设计的要求 和易性符合施工条件的要求 耐久性符合工程环境的要求 经济合理,Back,混凝土配合比设计三个参数,Back,混凝土的配合比设计，实质上就是要确定水泥、水、砂与石子这四个基本组成材料用量之间的关系，即三个重要参数：水灰比、砂率、单位用水量；继而确定四种材料的用量。,方法和步骤,Back,(一)初步计算配合比,确定混凝土的试配强度 依照普通混凝土配合比设计规范 (JGJ55-2000) 混凝土的试配强度由下式计算: fcu，0 混凝土的试配强度, MPa; fcu，k 设计要求的混凝土立方体抗压强度标准值 混凝土强度标准差（离散程度）.,1.,Back,如何得到 值,有统计资料时,可参考下式计算,无统计资料时,可参考下表选择。,表 4.6.1 值的选择,确定水灰比 根据强度公式计算,2.,A B 碎石 0.46 0.07 卵石 0.48 0.33,fcu,0 混凝土试配强度 fce水泥28d抗压强度实测值； fceb 水泥28d的抗压强度标准值 rc水泥的富裕系数=1.13 A B经验系数,与骨料的种类有关,确定水灰比 依据耐久性核对 为了保证混凝土的耐久性，W/C不得大于满足耐久性要求的最大W/C (表4.6.2)；否则取规范中规定的最大值。,2.,表 4.6.2 最大水灰比,表 4.6.3 干硬性和塑性混凝土的用水量,确定单位用水量（两种方法）,3.,1）根据坍落度、粗骨料的种类和最大粒径，参考表4.6.3确定用水量。,确定单位用水量,3.,2）或按下式大致估算： W0 = 10/3 (T+K) T混凝土拌合物的坍落度，cm K系数，参考下表：,确定单位水泥用量,水泥的用量由下式来计算： 此外，为了满足耐久性的要求，计算出的单位水泥用量不应低于表4.6.2中所规定的最小水泥用量。,4.,表 4.6.2 最小水泥用量,5.,选择合理的砂率 Sp.,1）计算法,os , og 分别为砂和石子的堆积密度 P 石子空隙率 砂浆剩余系数，又称拨开系数，一般取1.1-1.4,表 4.6.4 选择 Sp(%),2）查表法 在表 4.6.4 中，选择Sp值。,两种方法计算砂和石的用量： 绝对体积法 假定表观密度法,计算砂(S0)及石(G0)的用量,6.,计算砂(S0)及石(G0)的用量,6.,C0、S0、G0、W0混凝土组分的单位用量； 0s, 0g砂和石的表观密度(近似密度) ； 混凝土的含气量、不使用外加剂时为1。,绝对体积法：假设混凝土的组成材料的体积总和为1。,计算砂(S0)及石(G0)的用量,假定表观密度法：假定混凝土的表观密度为常数（普通混凝土为 20002400）,6.,当C0, S0, G0, W0 按照上述的步骤确定后（我们称之为初步配合比），仍然需要进一步的工作确定混凝土最终的。,Back,(二) 基准配合比,概念：对初步配合比进行和易性试拌调整所得到的配合比称为基准配合比。 调整和易性的步骤和方法 坍落度试验 按初步配合比称料，拌匀并测坍落度，同时观察粘聚性和保水性。 坍落度满足要求后，测出试拌调整后的实际表观密度 。 和易性调整：见表4.6.5,Back,如何调整和易性,表4.6.5 调整混凝土和易性,(三)试验室配合比,基准配合比经强度检验调整所得到的配合比称为试验室配合比。 采用三组不同的配合比同时进行强度检验： Group 1: W/C基准 W Sp Group 2: W/C基准+0.05 W Sp Group 3: W/C基准-0.05 W Sp,Back,作图计算水灰比： 由三组配合比作出f-C/W图，求出与fcu,0对应的C/W，即为所求的灰水比。,(三)试验室配合比,(四) 施工配合比,考虑到砂和石中的含水量，实验室配合比应根据下式换算成施工配合比： C=C S=S（1+a%） G=G（1+b%） W=W-Sa%-Gb% C, S, G, W施工配合比中的各组分含量 C, S, G, W 实验室配合比中的各组分含量 a, b砂和石的含水量,Back,2） 混凝土的配合比设计 3） 混凝土的耐久性,Back,1） 混凝土的强度,4.7 新型混凝土,4.7.1混凝土第六组分 4.7.2 高强混凝土 (HSC) 4.7.3 高性能混凝土 (HPC) 4.7.4 泵送混凝土 4.7.5 水下不分散混凝土 (NDC) 4.7.6 耐海水混凝土 4.7.7 绿色混凝土,Back,4.7.1 混凝土第六组分,概述 改性型第六组分 功能型第六组分 智能型第六组分,Back,混凝土第六组分是指除水泥、水、砂、石及化学外加剂之外的，用于改善混凝土性能或增加其功能或赋予其智能的成分。 按其特性可分为三大类。 改性型 功能型 智能型,概述,Back,改性型第六组分,改性型第六组分主要作用是显著改善混凝土物理力学性能 主要有 矿物外加剂 聚合物 各类纤维,矿物外加剂,矿物外加剂是在混凝土搅拌过程中加入的、具有一定细度和活性的用于改善混凝土拌合物和硬化混凝土性能(特别是混凝土耐久性)的某些矿物产品。 矿物外加剂主要品种有 硅灰 磨细粉煤灰 矿渣微粉 沸石粉等,改性型第六组分,聚合物,聚合物水泥混凝土和砂浆的性能主要是受聚合物的种类、掺量的影响。,纤维,在传统混凝土中掺入碳纤维、钢纤维、有机纤维等纤维，可提高混凝土的抗拉、韧性、抗裂、抗疲劳等性能。.,改性型第六组分,图4.7.1 纤维增强水泥基复合材料受弯时典型的荷载挠度曲线,Back,功能型第六组分,功能型第六组分可赋予混凝土特殊功能，如 防辐射 防静电 补偿收缩水 耐磨 保温隔热等 这类第六组分主要用于配制功能混凝土。,导电混凝土,导电混凝土的导电组分的掺量存在一个临界值，当导电组分的掺量超过该临界值时，复合材料的电导率急剧增加，如图4.7.2所示。,功能型第六组分,图4.7.2水泥基导电复合材料的导电率与碳纤维掺量的关系,Back,智能型第六组分,智能型混凝土包括 交通导航混凝土 损伤自诊断混凝土 调湿混凝土 温度自监控混凝土 温度自监控混凝土 在最高温度为70、最大温差为l 5的范围内，温差电动势与温差之间具有良好稳定的线性关系，如图4.7.3所示。 随养护龄期延长，温差电动势率趋于稳定，如图4.7.4所示。,Back,图4.7.3 水泥基复合材料温差电动势与温差的关系,图 4.7.4 养护龄期对热电效应的影响,仿生自愈合混凝土,图 4.7.5 仿生自愈合水泥基复合材料自愈合机理示意图,Back,4.7.2 高强混凝土 (HSC),简介 原材料选择 水泥 优质骨料 高效减水剂 决定混凝土强度的 主要因素,Back,简介,在我国，HSC应被认为是强度等级不低于C60的混凝土。 它是采用以下方法制取的混凝土 优质骨料 等级不低于42.5级的水泥 较低的水灰比 在强烈振动密实作用下。 高效减水剂的使用，为配制高强度大流动性混凝土创造了条件。 HSC的分类见表4.7.1,Back,表4.7.1 高强混凝土的类型,胶凝材料,水泥品质 品种与等级 水泥的矿物组成和细度 水泥用量,高强混凝土原材料选择,Back,水泥的品种和等级,配制高强混凝土，没有必要采用快硬水泥 。 一般，常用这样品种的水泥，因为这些水泥可以获得较高的最终强度 。 如： 等级较高的硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥,过去，配制高强混凝土是比较困难的，所选水泥的等级往往是混凝土对应强度等级的0.9 1.5倍。 也就是说，水泥的等级一般应高于相应混凝土的强度等级，有时可以略低于混凝土的强度等级。 在我国，现阶段，随着材料性质及工艺方法的改进，尤其是外加剂的广泛应用，配制高强混凝土也就更加容易。,水泥的品种和等级,水泥的矿物组成和细度,水泥的细度能影响混凝土的强度 (Fig.4.7.6). 因此，要求水泥具有较高的C3S含量和一定的细度(表面积35004000cm2g) 特性。 因此，水泥在使用前，如果再经过两次振动磨细后，则可大大提高其强度。 磨得愈细，比表面积愈大，水化反应更充分，强度愈高。,硅酸三钙(C3S)含量和细度虽然是影响水泥强度的重要因素，但这二者并非是唯一的决定因素。 应通过试验确定合适的水泥。如果不说水泥均匀性比强度更为重要，至少均匀性也与潜在强度的获得具有同样的重要性。,水泥的矿物组成和细度,图 4.7.6 水泥细度对混凝土强度的影响,水泥用量,生产高强混凝土，胶凝物质的数量是至关重要的。它直接影响到水泥石与界面的粘结力。 从施工要求讲，也应具有一定的工作度。为了增加砂浆中胶凝材料的比例，水泥用量要高，一般在500700kg/m3范围内。 但是，水泥用量不宜超过这个范围，否则，易引起水化期间散热太慢或收缩量过大等问题。,只要技术上可行，就应减少水泥用量，最好是掺加一部分高质量的粉煤灰或其他粉状硅质材料，把水化放热和干缩负作用减少到最低限度。 经验表明，应通过对各种水泥进行试配，来确定制备高强混凝土所用水泥的种类和数量。在满足既定抗压强度的前提下，经济适用，是选择水泥的依据。为了使水泥用量最小，要求骨料有最佳级配并在拌制过程中保持均匀。,水