土木工程材料-混凝土1

本章主要內(nèi)容

介紹了各種水泥混凝土的組成、結(jié)構(gòu)與性能，以及混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用。普通混凝土普通混凝土組成材料及其基本要求普通混凝土拌和物的性質(zhì)普通混凝土結(jié)構(gòu)及性質(zhì)混凝土的質(zhì)量評(píng)定普通混凝土配合比設(shè)計(jì)其他混凝土混凝土在土木工程中的重要性混凝土是用量最大的結(jié)構(gòu)材料，每年世界混凝土消耗量為11億噸，是鋼材消耗量的10倍以上；混凝土是應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料，可用于橋梁、隧道、道路、水利、房屋建筑等工程；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動(dòng)性和沖模性，容易澆注成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；價(jià)格低廉，原材料儲(chǔ)量豐富，分布很廣。5.1混凝土概述1）定義：混凝土是由膠結(jié)料和骨料混合、通過(guò)一定的工藝成型后、硬化而成的復(fù)合材料。膠結(jié)料是無(wú)機(jī)膠凝材料，或有機(jī)膠凝材料或二者的復(fù)合。水泥混凝土，通常簡(jiǎn)稱混凝土，是由水泥漿膠結(jié)顆粒骨料或骨料構(gòu)架而成的人造石材—砼。2）混凝土的種類根據(jù)表觀密度

0：普通混凝土

(≈2400kg/m3)；輕混凝土

(＜1950kg/m3)；重混凝土

(＞2600kg/m3)。根據(jù)用途(功能)：普通混凝土；道路混凝土；防水混凝土；耐熱混凝土；耐酸混凝土；防輻射混凝土；膨脹混凝土；裝飾混凝土等。根據(jù)生產(chǎn)與施工方法：商品混凝土泵送混凝土噴射混凝土碾壓混凝土擠壓混凝土壓力灌漿混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土離心混凝土等。

混凝土3）混凝土的特點(diǎn)耐久性能好；組分材料來(lái)源豐富，經(jīng)濟(jì)性好；容易成型為任意形狀和尺寸的構(gòu)件；可大量利用工業(yè)廢料；可與鋼材復(fù)合使用；性脆易裂，抗拉強(qiáng)度低；混凝土生產(chǎn)能耗較低，維護(hù)費(fèi)用少?；炷潦菑?fù)雜的、隨機(jī)性的材料其微結(jié)構(gòu)由非勻質(zhì)的三相組成，而每一相又包含非勻質(zhì)的多相；其微結(jié)構(gòu)不是靜止的，而是隨時(shí)間不斷變化；新生成的水化物可以填充微裂縫，有自愈性；與其它材料不同，它是使用前才在工程現(xiàn)場(chǎng)或就近生產(chǎn)的。4）土木工程對(duì)混凝土的基本要求

滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，以保證構(gòu)筑物能安全地承受各種設(shè)計(jì)荷載；滿足混凝土施工所要求的和易性，以便硬化后能得到均勻密實(shí)的混凝土；具有與工程環(huán)境相適應(yīng)的耐久性，以保證構(gòu)筑物在所處環(huán)境中服役壽命；滿足經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的要求，能源與資源消耗低、環(huán)境負(fù)荷少等。5）混凝土材料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

a)原材料資源的保護(hù)及再生利用；減少耗能大、污染環(huán)境的硅酸鹽水泥消耗量，多利用工業(yè)廢料——綠色化；b)推進(jìn)混凝土科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，改善混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性。5.2普通混凝土（一）普通混凝土的組成水泥水水泥漿石子砂子骨料新拌混凝土100%體積60~75%7~15%25~40%14~21%21~28%39~42%凝結(jié)硬化硬化混凝土混凝土外加劑

為了改善或提高混凝土的性能一、混凝土的組成與結(jié)構(gòu)各組成材料的作用骨料廉價(jià)的填充材料，節(jié)省水泥用量混凝土的骨架，減小收縮，抑制裂縫的擴(kuò)展傳力作用降低水化熱提供耐磨性水泥漿潤(rùn)滑作用——與水形成水泥漿，賦予新拌混凝土以流動(dòng)性膠結(jié)作用——包裹在所有骨料表面，通過(guò)水泥漿的凝結(jié)硬化，將砂、石骨料膠結(jié)成整體，形成固體各組成材料的作用水混凝土中的拌和水有兩個(gè)作用:供水泥的水化反應(yīng)賦予混凝土的和易性剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中產(chǎn)生孔隙對(duì)防止塑性收縮裂縫與和易性有利對(duì)滲透性、強(qiáng)度和耐久性不利各組成材料的作用外加劑化學(xué)外加劑：改善混凝土的性能緩凝劑——使水泥漿凝結(jié)硬化速度減慢；促凝劑——使水泥漿凝結(jié)硬化速度減慢；減水劑——減少拌和需水量；引氣劑——在混凝土中引起封閉氣孔；礦物摻合料：減少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰硅灰礦渣（一）水泥

水泥品種的選擇依據(jù)工程性質(zhì)及所處的環(huán)境；施工條件；混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。若用高強(qiáng)度等級(jí)水泥配制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，雖然滿足強(qiáng)度要求的水泥用量少，但難以滿足混凝土的和易性和耐久性的要求，不可取。若用低強(qiáng)度等級(jí)水泥配制高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，滿足強(qiáng)度要求的水灰比會(huì)很小，其和易性難以滿足施工要求，也不可取。

5.2普通混凝土的組成材料

（二）骨料1.

骨料的定義與用途骨料是巖石類材料骨料在土木工程中的應(yīng)用：水泥混凝土瀝青混凝土道路基礎(chǔ)鐵路道渣砂漿每年用量約為20億噸骨料的生產(chǎn)混凝土中的骨料經(jīng)濟(jì)上：在不影響混凝土性能的條件下，在混凝土中盡可能多地加入骨料，以降低混凝土的成本；骨料可提供混凝土很好的穩(wěn)定性和比水泥石更好的耐久性。混凝土中骨料的基本要求

具有良好的顆粒級(jí)配，使堆積空隙率小，顆?？偙缺砻娣e較小，以減少水泥漿用量；骨料顆粒表面干凈，以保證與水泥漿有良好的粘結(jié)力；含有害雜質(zhì)少，不得含有影響水泥凝結(jié)硬化和后期混凝土耐久性的成分；具有足夠的強(qiáng)度和堅(jiān)固性，以保證起到骨架和傳力作用。2、骨料的種類按照骨料粒徑粗骨料：粒徑大于5mm的巖石顆粒，如卵石、碎石細(xì)骨料：粒徑小于5mm的巖石顆粒，如河砂、山砂、海砂按照骨料的密度普通骨料：堆積密度在1520~1680kg/m3的骨料

密度在2500～2700kg/m3輕骨料：堆積密度＜1120kg/m3的骨料

密度在～1000kg/m3重骨料：堆積密度＞2080kg/m3的骨料

密度在3500～4000kg/m3

如陶粒、煅燒頁(yè)巖、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、泡沫塑料顆粒等。如鐵礦石、重晶石等。碎石卵石骨料的種類普通骨料輕骨料重骨料骨料的分類3骨料的有害雜質(zhì)有害雜質(zhì)的種類：粘土、泥塊、云母；硫酸鹽、硫化物、有機(jī)質(zhì)；活性SiO2；針片狀顆粒等。有害雜質(zhì)的危害：影響水泥的水化、腐蝕水泥石；影響混凝土的和易性影響混凝土的強(qiáng)度與耐磨性；增大混凝土的收縮；引起堿－骨料反應(yīng)等。含泥量很大的骨料4

骨料的級(jí)配和粗細(xì)程度骨料粒徑及其分布粗骨料：最大粒徑與顆粒級(jí)配；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)與顆粒級(jí)配。骨料粒徑與顆粒級(jí)配影響骨料堆積孔隙顆粒級(jí)配合理可減少堆積孔隙；單一粒徑越大，堆積孔隙越多。粒徑及其分布影響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縫

骨料粒徑越大，堆積的空隙越多，所需水泥漿用量越大關(guān)于骨料粒徑及其分布的幾個(gè)基本概念顆粒級(jí)配指的是大小粒徑的骨料顆粒的互相搭配的比例情況——不同粒徑顆粒的分布。粗細(xì)程度指的是不同粒徑細(xì)骨料混合在一起的總體粗細(xì)程度——平均粒徑大小。最大粒徑指的是粗骨料公稱粒徑的上限—允許最大值。篩分法：砂子標(biāo)準(zhǔn)篩：9.504.752.361.180.600.300.15mm共七個(gè)孔徑的篩。方法：將500g烘干的砂子試洋由粗到細(xì)一次過(guò)篩，然后稱出余留在各個(gè)篩上的砂子質(zhì)量。計(jì)算：各個(gè)篩上的余量為分計(jì)篩余ai，各個(gè)篩及以上篩上的分計(jì)篩余的和為累計(jì)篩余Ai。

則：累計(jì)篩余Ai=

ai

（i=1……i）

任意一組累計(jì)篩余（A1～A6）則表征了一個(gè)級(jí)配。用Ai作縱坐標(biāo)，篩孔尺寸作橫坐標(biāo)，繪制級(jí)配曲線。

1）砂子的顆粒級(jí)配與粗細(xì)程度砂的顆粒級(jí)配區(qū)篩孔直徑（mm)累計(jì)篩余量（%）Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)9.500004.7510-010-010-02.3635-525-010-01.1865-3550-1025-00.6085-7170-4140-160.3095-8092-7085-550.15100-90100-90100-909.50204060801000.150.300.601.182.364.75篩孔直徑（mm)過(guò)細(xì)砂區(qū)過(guò)粗砂區(qū)Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)Ⅲ區(qū)砂的級(jí)配曲線細(xì)度模數(shù)Mx細(xì)度模數(shù)表征砂的粗細(xì)程度，可以理解為質(zhì)均粒徑，由篩分法測(cè)定。細(xì)度模數(shù)計(jì)算式：

Mx=[(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1]/(100—A1)細(xì)度模數(shù)越大，骨料越粗，根據(jù)細(xì)度模數(shù)將砂分為：細(xì)砂（2.2~1.6）；中砂（3.0~2.3）；粗砂（3.7~3.1）。問(wèn)題？砂的顆粒級(jí)配區(qū)與細(xì)度模數(shù)的意義相同嗎？為什么？答：不相同。顆粒級(jí)配區(qū)不能區(qū)別砂子的粗細(xì)程度的差別。細(xì)度模數(shù)相同，級(jí)配相同嗎？級(jí)配相同，細(xì)度模數(shù)相同嗎？答：細(xì)度模數(shù)相同，級(jí)配不一定相同；但級(jí)配相同，細(xì)度模數(shù)一定相同。2）石子的顆粒級(jí)配石子的級(jí)配有連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配兩種：連續(xù)級(jí)配要求顆粒尺寸由大到小連續(xù)分級(jí)，每一級(jí)骨料都占有適當(dāng)比例，這種級(jí)配較好；間斷級(jí)配是人為地剔除骨料中的某些粒級(jí)，造成粒級(jí)的間斷，大粒徑骨料間的空隙由比其小幾倍的小粒徑顆粒填充，從而降低堆積空隙率。石子的顆粒級(jí)配也用篩分法測(cè)定。

石子的顆粒級(jí)配（部分）級(jí)配情況公稱粒級(jí)（mm）累計(jì)篩余（按重量計(jì)%）篩孔尺寸（mm）2.364.759.516.019.031.537.553.063.0連續(xù)粒級(jí)5-1095-10080-1000-150-----5-1695-10090-10030-600-100----5-2095-10090-10040-70-0-100---5-2595-10090-100-30-70-0-50--5-31.595-10090-10070-90-15-45-0-50-5-40-95-10075-90-30-65--0-50間斷粒級(jí)10-20-95-10085-100-0-150---16-31.5-95-100-85-100--0-100-20-40--95-100-80-100--0-100石子的最大粒徑石子中公稱粒級(jí)的上限稱為該石子的最大粒徑。石子的最大粒徑的選擇《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204-2002）規(guī)定：石子最大粒徑不得超過(guò)結(jié)構(gòu)截面最小尺寸的1/4，同時(shí)不得大于鋼筋間最小凈距的3/4。對(duì)于混凝土實(shí)心板，石子的最大粒徑不得大于板厚的1/2，且最大不超過(guò)50mm.高標(biāo)號(hào)混凝土石子的最大粒徑宜選用16mm或20mm。泵送混凝土用碎石，不應(yīng)大于輸送管內(nèi)徑的1/3,卵石不應(yīng)大于輸送管內(nèi)徑的2/5。5骨料的形狀與表面特征骨料的形狀

骨料顆粒的外觀幾何形狀，對(duì)于粗骨料有：等徑顆粒球形體顆粒：沒(méi)有菱角和邊；多面體顆粒：有菱角和邊。針狀顆?！L(zhǎng)度大于顆粒所屬的平均粒徑的2.4倍；片狀顆?！穸刃∮谄骄降?.4倍。骨料的表面特征表面粗糙程度；是否有菱角；干凈程度等。等徑顆粒骨料針片狀骨料顆粒針片狀球狀表面特征與形狀對(duì)混凝土性能的有何影響？表面粗糙和針片狀顆粒需要更多的水泥漿，影響混凝土的成本。影響新拌混凝土的和易性，表面光滑且等徑顆粒易于流動(dòng)，而粗糙且針片狀顆粒不易流動(dòng)。影響混凝土中界面區(qū)的結(jié)合力，粗糙表面骨料與水泥漿的界面結(jié)合力較大。影響混凝土的強(qiáng)度骨料表面越粗糙，與水泥漿接觸面越大，混凝土強(qiáng)度越高；針片狀骨料使混凝土強(qiáng)度低于圓形骨料；大粒徑骨料使混凝土強(qiáng)度低于小粒徑骨料6骨料的堅(jiān)固性與強(qiáng)度骨料的堅(jiān)固性骨料不因干/濕循環(huán)或凍/融循環(huán)等氣候變化而產(chǎn)生體積變化導(dǎo)致混凝土的劣化。骨料的堅(jiān)固性取決于孔隙率、裂縫和雜質(zhì)。粗骨料的強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定影響，要求骨料強(qiáng)度是混凝土配制強(qiáng)度的1.5倍。1）砂子的堅(jiān)固性定義：砂在氣候、環(huán)境變化或其它物理因素作用下抵抗碎裂的能力。測(cè)試方法：用硫酸鈉溶液浸泡檢驗(yàn)，試樣經(jīng)5次循環(huán)后其質(zhì)量損失率作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。測(cè)試原理：硫酸鈉(NaSO4

10H2O)在砂的孔隙中結(jié)晶時(shí)將產(chǎn)生體積膨脹，使砂內(nèi)部產(chǎn)生作用于孔壁的應(yīng)力，如堅(jiān)固性不好將會(huì)使砂碎裂。2）石子的強(qiáng)度與堅(jiān)固性強(qiáng)度一般以碎石或卵石的立方體強(qiáng)度或壓碎指標(biāo)來(lái)表示。

立方體強(qiáng)度用50

50

50mm3的立方體(或

50

50

mm的圓柱體)巖石試件，吸水飽和后測(cè)定的試件抗壓強(qiáng)度。壓碎指標(biāo)將氣干狀態(tài)下10~20mm的石子，按一定方法裝入特制的圓柱筒內(nèi)，在160~300s內(nèi)加荷至200kN，卸荷后稱取試樣質(zhì)量（G），然后用孔徑為2.5mm的篩進(jìn)行篩分，稱取試樣的篩余量（G1）。

壓碎指標(biāo)=[(G-G1)/G]

100%

堅(jiān)固性

可直接用凍融循環(huán)或硫酸鹽溶液進(jìn)行快速檢驗(yàn)石子的堅(jiān)固性。

PP骨料顆粒壓碎強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖

>1.5倍（1.2~1.7）混凝土強(qiáng)度7.

混凝土用砂的技術(shù)要求

混凝土用砂的級(jí)配曲線一般應(yīng)在Ⅱ區(qū)，以中砂為宜。有害雜質(zhì)含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14684-2001)的要求。堅(jiān)固性質(zhì)量損失率

8%~10%。表觀密度應(yīng)大于2500kg/m3，堆積密度應(yīng)大于1350kg/m3,空隙率應(yīng)小于47％。經(jīng)堿-骨料反應(yīng)檢驗(yàn)后，應(yīng)無(wú)裂縫、酥裂、膠體外溢等現(xiàn)象。8.混凝土用石子的技術(shù)要求

最大粒徑Dmax要求：

中等強(qiáng)度的混凝土的最大粒徑應(yīng)

40mm；高等級(jí)混凝土應(yīng)

25mm。對(duì)于鋼筋混凝土，Dmax

結(jié)構(gòu)斷面尺寸的1/4、板厚的1/2，或鋼筋間最小凈距的3/4。巖石強(qiáng)度與混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)之比不應(yīng)小于150%；顆粒級(jí)配符合JGJ53-92規(guī)定。有害雜質(zhì)含量應(yīng)符合表5-2的規(guī)定

骨料最大粒徑

(Dmax)混凝土類型Dmax(mm)大壩混凝土150普通混凝土40高強(qiáng)混凝土25（碎石）

15（卵石）活性粉末混凝土0.6（三）混凝土用水

一般河水、可飲用水，均可用來(lái)配制混凝土；pH值小于4的以及硫酸鹽含量（SO3）超過(guò)1%的水不能用于配制混凝土；海水不允許用來(lái)配制鋼筋混凝土；含有對(duì)水泥水化有害的有機(jī)雜質(zhì)的水不能用來(lái)拌制混凝土。（四）混凝土外加劑單純依靠調(diào)節(jié)水、水泥和骨料用量，難以解決下列技術(shù)問(wèn)題用水量與良好和易性間的矛盾；施工操作對(duì)凝結(jié)時(shí)間、放熱速度、強(qiáng)度增長(zhǎng)的要求；耐久性對(duì)低連通孔隙率的要求。外加劑是解決上述問(wèn)題，改善混凝土性能，以滿足工程特殊要求的重要技術(shù)途徑；現(xiàn)在有70～80％以上的混凝土使用了外加劑.外加劑的作用改善混凝土拌合物的和易性；加快或延緩凝結(jié)時(shí)間；控制強(qiáng)度增長(zhǎng)；提高抗凍融、熱開裂、堿－骨料膨脹、硫酸鹽侵蝕和鋼筋銹蝕等作用下的耐久性；節(jié)約水泥用量，降低成本；減少放熱速度，控制溫升。(五)礦物外加劑(摻合料)問(wèn)題？

混凝土中為什么要使用礦物外加劑或摻合料？代替水泥，所以也稱水泥代用材料改善混凝土微結(jié)構(gòu)，尤其是界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)改善混凝土性能，尤其是耐久性保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)約資源和能源主要礦物外加劑(摻合料)的種類粉煤灰煤粉在鍋爐中燃燒后的灰份；磨細(xì)礦渣高爐煉鐵排出的廢渣，經(jīng)粉磨后使用；硅灰生產(chǎn)硅鐵合金排出的煙氣冷凝形成微細(xì)的粉末；磨細(xì)石灰石粉將石灰石骨料開采時(shí)的碎屑磨成粉末主要礦物外加劑(摻合料)的物理性質(zhì)

性質(zhì)

粉煤灰磨細(xì)礦渣硅粉水泥

密度2.12.92.23.15粒徑(

m)

1~1503~2000.01~0.50.1~100比表面積(m2/kg)

350400150003501、粉煤灰

a、粉煤灰的摻入效應(yīng)：

活性效應(yīng)——粉煤灰中的活性氧化硅、氧化鋁能與水泥產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，起到增強(qiáng)作用。

形態(tài)效應(yīng)——粉煤灰顆粒為細(xì)小的