任務(wù)1-1-3普通水泥混凝土性能及配合比設(shè)計(jì)

1、任務(wù)1-1-3普通水泥混凝土性能 及配合比設(shè)計(jì)授課內(nèi)容 水泥混凝土概述水泥混凝土概述v水泥混凝土是以水泥和水組成的水泥漿體為粘結(jié)介質(zhì)，將分散其間的不同粒徑的粗、細(xì)集料膠結(jié)起來(lái)，在一定的條件下，硬化成為具有一定力學(xué)性能的一種人工石材。v按表觀密度，水泥混凝土可分為：v（1）普通混凝土（干表觀密度約為2400kg/m3），是道路路面和橋梁結(jié)構(gòu)中最常用的混凝土；v（2）輕混凝土 （干表觀密度可以輕達(dá)1900 kg/m3。）現(xiàn)代大跨度鋼筋混凝土橋梁為減輕結(jié)構(gòu)自重，往往采用各種輕集料配制成輕集料結(jié)構(gòu)混凝土，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)，以增大橋梁的跨度。 v（3）重混凝土（干表密度可達(dá)3200 kg/m3 ）為了屏蔽各

2、種射線的輻射采用各種高密度集料配制的混凝土。v按強(qiáng)度分級(jí)，水泥混凝土按抗壓強(qiáng)度可分為3大類：v(1）低強(qiáng)度混凝土 抗壓強(qiáng)度小于30MPa;v(2) 中強(qiáng)度混凝土 抗壓強(qiáng)度3060MPa；v(3) 高強(qiáng)度混凝土 抗壓強(qiáng)度大于60MPa。v此外，可根據(jù)工程的特殊要求，配制各種特種混凝土，如：加氣混凝土、泵送混凝土、防水混凝土、道路混凝土、水工混凝土、纖維加筋混凝土、補(bǔ)償收縮混凝土等。v普通水泥混凝土具有許多優(yōu)點(diǎn)，在凝結(jié)前具有良好的塑性，因此可以澆制成各種形狀和大小的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)物；它與鋼筋有牢固的粘結(jié)力，能制作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件；經(jīng)硬化后有抗壓強(qiáng)度高與耐久性良好的特性；其組成材料中砂、石等地方材料

3、占80%以上，符合就地取材和經(jīng)濟(jì)的原則。但事物總是一分為二的，普通混凝土也存在著抗拉強(qiáng)度低，受拉時(shí)變形能力小，容易開(kāi)裂，自重大等缺點(diǎn)。v一、普通水泥混凝土的組成材料普通水泥混凝土v（一）水泥v1水泥品種的選擇v配制水泥混凝土一般可采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。必要時(shí)也可采用快硬硅酸鹽水泥或其他水泥。v2水泥強(qiáng)度等級(jí)的選擇v 選用水泥強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)與要求配制混凝土等級(jí)相適應(yīng)。v（二）細(xì)集料v1砂的顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)v2 有害雜質(zhì)含量 v3 含泥量、石粉含量和泥塊含量v4 堅(jiān)固性v5 表觀密度、堆積密度、空隙率 v6 堿集料反應(yīng)v（三）粗集料v1強(qiáng)

4、度v2堅(jiān)固性v3最大粒徑及顆粒級(jí)配v1）最大粒徑的選擇 2）顆粒級(jí)配 v4表面特征及形狀v5有害物質(zhì)含量v6堿集料反應(yīng)v（四）混凝土拌和用水v（五）外加劑v（六）摻合料v二、普通水泥混凝土的主要技術(shù)性質(zhì)v（一）新拌混凝土的工作性（和易性） v水泥混凝土在尚未凝結(jié)硬化以前，稱為新拌混凝土或稱混凝土拌和物。新拌混凝土具有良好的工藝性質(zhì)，稱之為工作性（或稱和易性）。v1工作性的含義v工作性（和易性）這一術(shù)語(yǔ)的含義，至今尚無(wú)公認(rèn)的定義。通常認(rèn)為它包含：“流動(dòng)性”、“可塑性”、“穩(wěn)定性”和“易密性”這四個(gè)方面的含義。優(yōu)質(zhì)的新拌混凝土應(yīng)具有：滿足輸送和澆搗要求的流動(dòng)性；不為外力作用產(chǎn)生脆斷的可塑性；不產(chǎn)生

5、分層、泌水的穩(wěn)定性和易于澆搗密致的密實(shí)性。v2工作性的測(cè)定方法v（1）坍落度與坍落擴(kuò)展度法試驗(yàn) v（2）維勃稠度試驗(yàn) v3影響和易性的主要因素v1）組成材料質(zhì)量及其用量（內(nèi)因）v（1）水泥漿的數(shù)量和集漿比；（2）水泥漿的稠度；（3）砂率；（4）組成材料性質(zhì)v2）環(huán)境條件與攪拌時(shí)間（外因）v對(duì)混凝土拌和物和易性有影響的環(huán)境因素主要有濕度、溫度、風(fēng)速。 v4混凝土拌和物和易性的選擇v1）公路橋涵用混凝土拌和物的和易性，應(yīng)根據(jù)公路橋涵技術(shù)規(guī)范有關(guān)規(guī)定選擇。 v2）道路混凝土拌和物的工作性選擇v（二）硬化混凝土的強(qiáng)度 v1混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和強(qiáng)度等級(jí)v1）立方體抗壓強(qiáng)度（ fcu ）v2）立方體抗

6、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu，k）v3）強(qiáng)度等級(jí)（C）v2混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度（fcp）v3混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度（fts）v4混凝土的抗折強(qiáng)度（ftf）v按照標(biāo)準(zhǔn)的制作方法制成邊長(zhǎng)為150mm的正立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中（溫度202，相對(duì)濕度為95%以上），或在溫度為202的不流動(dòng)的Ca(OH)2飽和溶液中養(yǎng)護(hù)；（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)的試件應(yīng)放在支架中；彼此間隔1020mm，試件表應(yīng)保持潮濕，并不得被水直接沖淋的條件下）養(yǎng)護(hù)28天齡期，按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定其抗壓強(qiáng)度值，稱為“混凝土立方體抗壓強(qiáng)度”，可按下式計(jì)算：v式中：fcu立方體抗壓強(qiáng)度（Mpa） F試件破壞荷載（N）；A試件承壓面積（mm2）。 c uFfA

7、v立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（ fcu，k ），按我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（GBJ10787）的定義是：按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作和養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，在28天齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定的抗壓強(qiáng)度總體分布中的一個(gè)值，強(qiáng)度低于該值的百分率不超過(guò)5%（即具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度）以N/mm2（即Mpa）計(jì)，以fcu，k表示。v混凝土強(qiáng)度等級(jí)是根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)確定的。強(qiáng)度等級(jí)的表示方法，用符號(hào)“C”和“立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值”兩項(xiàng)內(nèi)容來(lái)表示，如C20即表示混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20Mpa。v我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范（GB500102002）規(guī)定，普通混凝土按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值劃分C

8、15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等14個(gè)等級(jí)。v我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T500812002）規(guī)定，采用150mm150mm300mm的棱柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)定其軸心抗壓強(qiáng)度。混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度可按下式計(jì)算：v式中： fcp混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度（Mpa）； F試件破壞荷載（N）；v A 試件承壓面積（mm2）。v通過(guò)許多棱柱體和立方體試件的強(qiáng)度試驗(yàn)表明：在立方體抗壓強(qiáng)度為1050 Mpa的范圍內(nèi)，軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比約為0.70.8。c pFfAv我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T500812002）規(guī)定，采用1

9、50mm150mm150mm的立方體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，在立方體試件（或圓柱體）中心平面內(nèi)用圓弧為墊條施加兩個(gè)方向相反、均勻分布的壓應(yīng)力，當(dāng)壓力增大至一定程度時(shí)試件就沿此平面劈裂破壞，這樣測(cè)得的強(qiáng)度稱為劈裂抗拉強(qiáng)度?；炷恋呐芽估瓘?qiáng)度（ fts ）可按下式計(jì)算：v式中： fts混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度（Mpa）； F試件破壞荷載（N）；B 試件承壓面積（mm2）0 .6 3 7tsFfAv道路路面或機(jī)場(chǎng)跑道用水泥混凝土，以抗折強(qiáng)度（也稱抗彎拉強(qiáng)度）為主要強(qiáng)度指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度作為參考指標(biāo)。根據(jù)我國(guó)公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D402002）規(guī)定道路路面用水泥混凝土的抗折強(qiáng)度是以標(biāo)準(zhǔn)方法制備成150

10、mm150mm550mm的梁形試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，經(jīng)養(yǎng)護(hù)28天后，按三分點(diǎn)加荷方式測(cè)定其抗折強(qiáng)度（ ftf ），可按下式計(jì)算：v式中： ftf混凝土的抗彎拉（抗折）強(qiáng)度（Mpa）；F試件破壞荷載（N）；L支座間距（mm）；b試件寬度（mm）；h試件高度（mm）。2t fFLfbhv5影響水泥混凝土強(qiáng)度的因素v1）材料組成v（1）水泥強(qiáng)度與水灰比 v（2）集料特性與水泥漿用量v2）養(yǎng)護(hù)溫度與濕度 3）齡期v6提高混凝土強(qiáng)度的技術(shù)措施v1）采用高強(qiáng)度水泥和特種水泥v2）采用低水灰比和漿集比v3）摻加外加劑v4）采用濕熱處理方法v（1）蒸汽養(yǎng)護(hù) （2）蒸壓養(yǎng)護(hù) v5）采用機(jī)械攪拌和振搗v（三）混凝土

11、的變形v1彈性變形和彈性模量 v彈性變形是指對(duì)材料施加荷載出現(xiàn)、荷載卸除后消失的變形。 v2徐變v混凝土在持續(xù)荷載的作用下。隨時(shí)間增長(zhǎng)的變形稱為徐變，也稱為蠕變。混凝土的徐變變形在早期增長(zhǎng)很快，然后逐漸減慢，一般要23年才可能基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)混凝土卸載后，一部分變形瞬間恢復(fù)，還有一部分要若干天內(nèi)才能逐漸穩(wěn)定，稱為徐變恢復(fù)，剩下不可恢復(fù)部分稱為殘余變形。v3溫度變形v混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，它的溫度膨脹系數(shù)約為1.010-10，即溫度升高1每米膨脹0.01mm。v4化學(xué)收縮v混凝土拌和物由于水化產(chǎn)物的體積比反應(yīng)前物質(zhì)的總體積要小，因而產(chǎn)生收縮，稱為化學(xué)收縮。 v5干濕變形v這種變形主要表現(xiàn)為濕

12、脹干縮，混凝土在干燥空氣中硬化時(shí)，隨著水分的逐漸蒸發(fā)，體積也將逐漸發(fā)生收縮；如在水中或潮濕條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，則混凝土的干縮將隨之減少或略產(chǎn)生膨脹。 v（四）混凝土的耐久性v道路與橋梁用混凝土除了要滿足工作性和強(qiáng)度外，還要求具有優(yōu)良耐久性。耐久性首要要求是抗凍性；其次對(duì)道路混凝土，因受車(chē)輛輪胎作用，還要求其有耐磨性；橋梁墩臺(tái)混凝土受海水或污水的侵蝕，還要求具有抗化學(xué)侵蝕的耐蝕性；此外，堿集料反應(yīng)必須引起關(guān)注。v1抗凍性：混凝土的抗凍性是指混凝土在飽和水狀態(tài)下遭受冰凍時(shí)，抵抗凍融循環(huán)作用而不破壞的能力。 v2混凝土的耐磨性：耐磨性是道路路面和橋梁工程用混凝土的最重要的性能之一。 v3堿集料反應(yīng)：水泥混

13、凝土中水泥與某些堿活性集料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可引起混凝土產(chǎn)生膨脹、開(kāi)裂，甚至破壞，這種化學(xué)反應(yīng)稱為堿集料反應(yīng)（簡(jiǎn)稱ARR）。 v4混凝土的碳化v混凝土的碳化作用是指大氣中的二氧化碳在存在水的條件與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣和水。因氫氧化鈣是堿性，而碳酸鈣是中性，所以碳化又叫中性化。碳化主要是對(duì)混凝土的堿度、強(qiáng)度和收縮產(chǎn)生影響。v5混凝土的抗侵蝕性v當(dāng)混凝土所處的環(huán)境水有侵蝕性時(shí)，必須對(duì)侵蝕問(wèn)題予以重視。環(huán)境侵蝕主要指對(duì)水泥石的侵蝕，如淡水侵蝕、硫酸鹽侵蝕、酸堿侵蝕等?；炷恋目骨治g性主要在于選用合適的水泥品種和提高混凝土密實(shí)度。密實(shí)性好及具有封閉孔隙的混凝土，環(huán)境水不易侵入混凝土內(nèi)部

14、，故其抗侵蝕性好。 v（一）混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本資料v1混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)；v2工程特征（工程所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)斷面、鋼筋最小凈距等）；v3耐久性要求（如抗凍性、抗侵蝕、耐磨、堿集料等）；v4水泥強(qiáng)度等級(jí)和品種；v5砂、石的種類，石子最大粒徑、密度等；v6施工方法等。普通水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)（以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)的計(jì)算方法）v（二）表示方法v混凝土配合比表示方法，有下列兩種：v1單位用量表示法 以每1m3混凝土中各種材料的用量表示。v2相對(duì)用量表示法 以水泥的質(zhì)量為1，并按“水泥：細(xì)集料：粗集料；水灰比”的順序排列表示。v（三）基本要求v1施工工作性的要求v2結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度要求v3環(huán)境耐久性要求v4經(jīng)濟(jì)

15、性的要求v（四）混凝土配合比設(shè)計(jì)三參數(shù)v1、水灰比 2、砂率 3、單位用水量 v（五）混凝土配合比的基本原理v1絕對(duì)體積法 2假定表觀密度法 3查表法v（六）混凝土配合比設(shè)計(jì)的步驟v1初步配合比的計(jì)算v2試拌調(diào)整提出基準(zhǔn)配合比v3檢驗(yàn)強(qiáng)度，確定試驗(yàn)室配合比v4施工配合比v案例案例（以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法） v案例試設(shè)計(jì)鋼筋混凝土橋T型梁混凝土配合比v原始資料v1已知混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，無(wú)強(qiáng)度歷史統(tǒng)計(jì)資料，要求混凝土拌和物坍落度為30mm50mm。橋梁所在地區(qū)無(wú)凍害影響。v2組成材料：可供應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；密度為3.1103kg/m3；富余系數(shù)為1.13；砂為中砂,

16、表觀密度為2.65103kg/m3；碎石最大粒徑為31.5mm，表觀密度為2.70103kg/m3。v設(shè)計(jì)要求v1按題給資料計(jì)算出初步配合比。v2按初步配合比在試驗(yàn)室進(jìn)行試拌調(diào)整得出試驗(yàn)室配合比。 v設(shè)計(jì)步驟v（一）計(jì)算初步配合比v1確定混凝土配制強(qiáng)度f(wàn)cu,ov按題意已知：設(shè)計(jì)要求混凝土強(qiáng)度為30MPa，無(wú)歷史資料，查表3-17標(biāo)準(zhǔn)差為5.0MPa。v混凝土配制強(qiáng)度：v2計(jì)算水灰比W/Cv1）按強(qiáng)度要求計(jì)算水灰比v（1）計(jì)算水泥實(shí)際強(qiáng)度 由題意已知采用強(qiáng)度等級(jí)42.5MPa普通硅酸鹽水泥，富余系數(shù)為1.13。則水泥實(shí)際強(qiáng)度：,1.645301.645538.2cu ocu kffMPa,1.

17、13 42.548cecce kffMPa（2）計(jì)算水灰比 已知混凝土配制強(qiáng)度為38.2MPa，水泥實(shí)際強(qiáng)度為48MPa。本單位無(wú)混凝土強(qiáng)度回歸系數(shù)統(tǒng)一資料，查表3-17中回歸系數(shù)。計(jì)算水灰比：2）按耐久性校核水灰比v根據(jù)混凝土所處環(huán)境為無(wú)凍害影響地區(qū)，查表3-19，允許最大水灰比為0.60,按強(qiáng)度計(jì)算的水灰比滿足耐久性要求,采有0.56。v3選用單位用水量mw0由題意已知，要求混凝土拌和物坍落度為30mm50mm，碎石最大粒徑為31.5mm。查表3-20選用混凝土用水量為185kg/m3。,0.46 480.5638.20.46 0.07 48acecu oabcefWCffv4計(jì)算單位水泥

18、用量mc0v1）按強(qiáng)度計(jì)算單位水泥用量v已知混凝土單位水用量為185 kg/m3，水灰比為0.56，混凝土單位水泥用量為：v2）按耐久性校核單位水泥用量v根據(jù)混凝土所處環(huán)境為無(wú)凍害影響，查表3-19，最小水泥用量不得小于275kg/m3。按強(qiáng)度計(jì)算單位水泥用量符合耐久性要求。采用單位水泥用量330kg/m3。2185330/0.56wocommkgmWCv5選定砂率按已知集料采用碎石，最大粒徑31.5mm，水灰比為0.56，查表3-21，選取砂率為0.33。v6計(jì)算砂石用量v1）采用質(zhì)量法v已知：?jiǎn)挝凰嘤昧繛?30kg/m3，單位用水量為185kg/m3，混凝土拌和物濕表觀密度為2400kg

19、/m3，砂率為0.33，得：v 解得： v按質(zhì)量法計(jì)算得初步配合比：即 1:1.88:3.83, W/C=0.562400 330 1850.33sogocpcowosossogommmmmmm33622/,1263/sogomkg m mkg m2)采用體積法：已知:水泥密度為3.1103kg/m3；砂的表觀密度為2.65103kg/m3；碎石表觀密度為2.70103kg/m3。100010gosocowosgcwsossogommmmmmm3301851000102.652.703.1010.33gosososogommmmm非引氣混凝土=1v解得:砂用量為619kg/m3；碎石用量為12

20、57kg/m3。v按體積法計(jì)算得初步配合比：即：12.483.98，W/C=0.56。v（二）調(diào)整工作性、提出基準(zhǔn)配合比v1計(jì)算試樣材料用量v按計(jì)算初步配合比取樣15L，則各種材料的用量為v水泥：3300.015=4.95(kg) 砂: 6190.015=9.23(kg)v石子: 12570.015=18.86(kg) 水: 1850.015=2.78(kg)2.調(diào)整工作性 按計(jì)算材料用量拌制混凝土拌和物,測(cè)定其坍落度為20mm,不滿足題給的施工和易性要求.為此,保持水灰比不變,增加5%水泥漿.再經(jīng)拌和坍落度為40mm,粘聚性和保水性亦良好,滿足施工和易性要求.此時(shí)混凝土拌和物各組成材料實(shí)際用

21、量為:水泥:4.95(1+5%)=5.20(kg) 砂: 9.28(kg)石子: 18.86(kg) 水: 2.78(1+5%)=2.92(kg)v3.提出基準(zhǔn)配合比v可得出基準(zhǔn)配合比: 5.20:9.28:18.86=1:1.78:3.63 W/C=0.56v(三)檢驗(yàn)確定、測(cè)定試驗(yàn)室配合比v1檢驗(yàn)強(qiáng)度v以計(jì)算水灰比0.56為基礎(chǔ)，選用水灰比分別為0.51、0.56和0.61，基準(zhǔn)用水量185kg/m3不變，相應(yīng)調(diào)整砂、碎石用量。拌制三組混凝土拌合物并成型試件，水灰比為0.51和0.61的兩個(gè)配合比也經(jīng)過(guò)坍落度試驗(yàn)調(diào)整，均滿足要求。與三個(gè)水灰比相應(yīng)的28d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果分別為43.7MPa、37.5MPa、33.8MPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制混凝土