第四普通水泥混凝土

1第四章普通水泥混凝土道路工程中所用的无机混合料主要包括：其中水泥混凝土材料包括普通水泥混凝土和各种新型水泥混凝土，广泛应用于水泥混凝土路面、桥梁等道路工程结构物。无机结合料稳定类材料包括石灰稳定类、水泥稳定类、工业废渣稳定类，主要应用于修筑路面结构的基层和底基层。4.1水泥混凝土组成及特点水泥混凝土是由水泥、水、粗集料（石子）、细集料（砂）按预先设计的比例进行掺配，并在必要时加入适量外加剂、掺合料或其他改性材料，经搅拌、成型、养护后而得到的具有一定强度和耐久性的人造石材，常简称混凝土。如图4.1所示，水泥混凝土的组成。图4.1水泥混凝土的组成无机混合料水泥混凝土无机结合料稳定类材料普通水泥混凝土新型水泥混凝土聚合物混凝土纤维混凝土透水混凝土露石混凝土彩色混凝土石灰稳定类水泥稳定类工业废渣稳定类2水泥混凝土材料的快速发展及广泛应用得益于其自身的诸多特点，归纳如下：4.2水泥混凝土的技术性质水泥混凝土的主要技术性质包括：施工阶段的和易性（工作性）、混凝土硬化阶段的力学性质、使用阶段的耐久性。4.2.1新拌水泥混凝土的施工和易性⑴新拌水泥混凝土施工和易性的概念新拌水泥混凝土是指在施工过程中使用的尚未凝结硬化的水泥混凝土。新拌混凝土的施工和易性，又称工作性，是指混凝土拌合物在现有施工条件下（气候条件、施工机具等），易于施工操作（搅拌、运输、浇注、振捣和表面处理）并获得质量均匀、成型密实的混凝土结构物的性能。混凝土拌合物的施工和易性是一项综合技术性质，包括流动性、振实性、粘聚性、保水性等方面的含义。①流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振动密实作用下能产生适当地流动并均匀密实地填满模板的性能。②振实性是指混凝土拌合物易于振捣密实、排出所有被挟带空气的性质。③粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中其组成材料之间有一定的粘聚力，不致产生分层和离析的现象,混凝土的均匀密实及离析现象对比见图4.2。④保水性是指混凝土拌合物在施工过程中具有一定的保水能力，不致产生严优点①配制材料分布广，价格低，易于就地取材②工艺简单，适用性强③抗压强度高，耐久性好④易与钢材配合使用缺点点①自重大、韧性低，抗拉强度低，抗冲击性能差②破坏后，修复、加固、补强困难混凝土的特点3重的泌水现象。通常将水分逐渐析出至混凝土拌合物表面的现象称为泌水，水分析出后会在混凝土内部形成泌水通道，使混凝土的密实性、耐久性下降。图4.2新拌混凝土的密实和离析对比⑵施工和易性的测定方法目前国际上还没有一种能够全面测试新拌混凝土施工和易性的方法。通常的试验方法大都凭借经验提出，且在一定的条件下测试混凝土拌合物和易性的某一方面。①坍落度试验坍落度试验由美国查普曼（Chapman）首先提出，我国行业标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTEE30—2005）规定：将搅拌好的混凝土拌合物分三层装入标准的坍落度圆锥筒内，每层装入高度稍大于筒高的1/3，并用弹头棒在每层上均匀捣插25次。多余试样用镘刀刮平，然后垂直提取圆锥筒并放于锥体混凝土试样一旁，测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高差，即为新拌混凝土拌合物的坍落度，见图4.3。试验结果以mm为单位并修约至最接近的5mm。坍落度越大表示混凝土拌合物的流动性越大。图4.3混凝土拌合物坍落度测定示意图在测试坍落度后，可判断被测混凝土的粘聚性、保水性、棍度等。4用捣棒在已坍落的混凝土锥体试样的一侧轻轻敲击，如锥体在轻打后逐渐下沉则表示粘聚性良好，如锥体突然倒塌、部分崩裂或发生石子离析现象则表示粘聚性较差。保水性指水分从拌合物中的析出情况，如果提起坍落筒后有少量水分从底部析出则表示保水性良好，若析出水分较多并引起锥体试样中的集料外露，则表示该混凝土拌合物的保水性较差。棍度按插捣混凝土拌合物时的难易程度评定。分为“上”、“中”、“下”三级。含砂情况按拌合物外观含砂多少而评定，分“多”、“中”、“少”三级。坍落度试验适用于集料公称最大粒径不大于31.5mm，坍落度值不小于10mm的混凝土拌合物，且该试验只对富水泥浆的新拌混凝土才敏感。相同性质不同组成的新拌混凝土，他们的工作性可能有很大差别，但却可得到相同的坍落度值。因此，坍落度值不是满意的工作性评价指标。②维勃稠度试验维勃稠度试验（VB稠度试验）由瑞典V.皮纳（Bahrner）首先提出。适用于坍落度小于１０mm新拌混凝土工作性的测定图4.4。《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTEE30—2005）规定：维勃稠度试验方法是将坍落度筒放在直径为240mm的圆筒中，圆筒安装在专用的振动台上。按坍落度试验的方法将新拌混凝土顶上置一透明圆盘。开动振动台并记录时间，从开始振动至透明圆盘底面被水泥浆布满瞬间止，所经历的时间即为新拌混凝土的维勃稠度值，试验结果以秒计并精确至１秒。维勃稠度值越大，混凝土拌合物的流动性越小。图4.4混凝土拌合物VB稠度测定示意图该试验方法常因无法用肉眼准确判断试验计时的结束点，而降低该试验方法5的精确性。根据我国现行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTEE30—2005）规定，路面混凝土稠度分级如表4.1所示。表4.1路面混凝土稠度分级表（JTEE30—2005）级别维勃时间（s）坍落度（mm）级别维勃时间（s）坍落度（mm）特干硬≥31－低塑10～550～90很干稠30～21－塑性≤4100～150干稠20～1110～40流态－＞160⑶影响施工和易性的主要因素分析影响新拌水泥混凝土施工和易性的主要因素分为内因和外因，归纳如下：①水灰比水灰比指水与水泥的质量比。水灰比小则水泥浆稠度大，混凝土拌合物的流动性小，水灰比过小时则不能保证混凝土的密实成型。若水灰比过大，水泥浆稠度较小，混凝土拌合物的流动性增加，但可能会引起混凝土拌合物粘聚性和保水性不良，甚至产生严重的泌水和离析现象，导致混凝土强度和耐久性的降低。②单位用水量在组成材料确定的情况下，混凝土拌合物的流动性随单位用水量的增加而增大如图4.5。当水灰比一定时，若单位用水量过小，则水泥浆数量过少，混凝土拌合物的粘聚性较差，易发生离析和崩坍，且不易成型密实；但若单位用水量过多，在混和易性影响因素内因外因水灰比单位用水量砂率水泥品种和细度环境因素时间因素外加剂6凝土拌合物流动性增加的同时，会由于水泥浆过多而出现泌水、分层或流浆现象，致使拌合物产生离析。单位用水量过多还会导致混凝土产生收缩裂缝，使混凝土强度和耐久性严重降低。图4.5混凝土拌合物坍落度与单位用水量的关系③砂率砂率是指混凝土中的细集料的质量占全部集料总质量的百分比，它反映了粗细集料的相对比例。在一定砂率范围内，随砂率的增加润滑作用越明显，流动性得以提高；砂率超过一定范围后，流动性反而随砂率的增加而降低如图4.6。如果砂率过小，砂浆数量不足会导致混凝土拌合物粘聚性和保水性降低，产生离析和流浆现象。因此，混凝土的砂率存在一个最佳值，可使混凝土拌合物获得所要求的流动性以及良好的粘聚性和保水性。④水泥的品种和细度对于给定的水泥混凝土拌合物，水泥细度增加会使流动性降低，这种影响对水泥用量较高的拌合物较为明显，但较细的水泥可以改善混凝土拌合物的粘聚性，减轻离析和泌水等现象。⑤集料的性质混凝土拌合物的和易性主要与集料的最大粒径、级配、颗粒形状、表面粗糙图4.6混凝土拌合物坍落度与砂率的关系7程度和吸水性有关。一定质量的集料，其最大粒径减小会使比表面积增大，比表面增大就需要更多的水泥浆来润滑。针片状颗粒含量较少、圆形颗粒较多、级配较好的集料，其组成的混凝土拌合物流动性较大，粘聚性和保水性较好。表面粗糙多棱角的集料会增加混凝土拌合物的内摩擦力，使流动性降低。吸水性大的集料，会加快混凝土拌合物的和易性损失速率。⑥外加剂在混凝土拌合物中加入少量的外加剂可以在不改变用水量和水泥用量的情况下，有效地改善混凝土拌合物的工作性，同时提高混凝土的强度和耐久性。⑦环境因素影响新拌水泥混凝土和易性的环境因素包括：温度、湿度和风速。环境温度升高会使水泥水化速度加快、水分蒸发增加，导致拌合物坍落度减小。同样，风速和湿度通过影响水分的蒸发速度也会影响混凝土拌合物的流动性。⑧时间因素混凝土拌合物在搅拌后，其坍落度随时间的延长逐渐减小，称为坍落度损失。如图4.7所示。⑷混凝土拌合物和易性选择新拌混凝土的和易性依据结构物断面尺寸、钢筋配置疏密、施工设备及工艺等来选择。①公路桥涵用混凝土拌合物的和易性表4.2公路桥涵用混凝土拌合物的坍落度项次结构种类坍落度（mm）1桥涵基础、墩台、挡土墙及大型制块等便于灌注捣实的结构0～202上列桥涵墩台等工程中不便施工处10～303普通配筋的钢筋混凝土结构，如钢筋混凝土板、梁、柱等30～504钢筋较密、断面较小的钢筋混凝土结构（梁、柱、墙等）50～70图4.7混凝土拌合物坍落度与时间的关系85钢筋配置特密、断面高而狭小、极不便灌注捣实的特殊结构部位70～90注：1.使用高频振捣器时，其混凝土坍落度可适当减小；2.本表系不采用机械捣器的坍落度，采用人工捣器时可适当放大；3.曲面或斜面结构的混凝土，其坍落度应根据实际需要另行选定；4.需要配置大坍落度混凝土时，应掺和外加剂；5.轻集料混凝土的坍落度，应比表中数值小10～20mm；②道路混凝土拌合物的和易性对于滑模摊铺机施工的碎石混凝土最佳工作坍落度为25～50mm，允许波动范围10～65mm；卵石混凝土最佳工作坍落度为20～40mm，允许波动范围5～55mm。4.2.2硬化后混凝土的力学性质硬化后混凝土的力学性质，主要包括强度和变形两个方面。1．强度按我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081—2002）规定，混凝土的强度包括：立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗弯拉强度、劈裂抗拉强度。⑴立方体抗压强度（uf）cuFfA（1-1）式中：cuf——混凝土抗压强度，MPa；F——抗压试验中的极限破坏荷载，N；A——试件的承载面积,mm2。混凝土立方体抗压强度通常被用于建筑工程的有关规范和质量控制。①立方体抗压强度标准值,cukf,1.645cukff（1-2）式中：f——强度总体分布的平均值，MPa；——强度总体分布的标准差，MPa；1.645——与保证率95%对应的保证率系数值；立方体抗压强度标准值按数理统计方法确定，它是用标准试验方法测定的抗9压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分比不超过5%。②强度等级混凝土的强度等级是根据立方体抗压强度标准值确定的。强度等级的表示方法用“C”和“立方体抗压强度标准值”两项内容来表示。我国现行规范规定普通水泥混凝土立方体抗压强度标准值划分为12个等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。⑵轴心抗压强度（cpf）cpFfA（1-3）式中：cpf——混凝土轴心抗压强度，MPa；F——抗压试验中的极限破坏荷载，N；A——试件的承载面积,mm2。与立方体抗压强度不同，轴心抗压强度采用棱柱体作为标准试件进行轴心抗压强度测定。大量试验表明：立方体抗压强度为10～55MPa的范围内，轴心抗压强度与立方体抗压强度之比约为0.7～0.8。⑶抗弯拉强度（抗折强度）（ff）2fFLfbh（1-4）式中：ff——混凝土抗弯拉强度，MPa；F——抗弯拉试验中的极限破坏荷载，N；L——支座间距,mm。b——试件宽度,mm。h——试件高度,mm。10图4.8混凝土抗折强度受力模式示意图图4.9混凝土劈裂强度受力模式示意图抗弯拉强度试验采用标准方法制备成的梁形试件，在标准条件下养护28d后，按三分点加荷方式进行试验，见图4.8。⑷劈裂抗拉强度（tsf）20.637tsFFfAA（1-5）式中：tsf——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；F——劈裂抗拉试验中的极限破坏荷载，N；A——试件劈裂面面积,mm2。由于直接抗拉试验时，试件在夹具附近易产生局部破坏且易受到弯折作用，导致试验结果波动较大。因此，常采用劈裂抗拉试验法间接求出混凝土的抗拉强度。劈裂抗拉强度约为轴心抗压强度的0.9倍，并与抗弯拉强度之间存在着式（1-6）所反映