第4章 水泥混凝土及砂浆

第4章水泥混凝土及砂浆教学目的：让学生了解水泥混凝土、砂浆的性质及工程技术应用。掌握混凝土的配合比施工设计、计算方法；为今后的工程设计打下前期基础。教学重点：学习普通混凝土的技术控制、配合比设计等技术方法。教学难点：理解和掌握普通混凝土配合比设计、工程技术应用特点等。教学学时：4教学过程：混凝土的概述1、定义：混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。2、分类：按表观密度可分为重混凝土、普通混凝土和轻混凝土；按胶凝材料种类可分为水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等；按性质和用途可分为普通混凝土与各种特种混凝土（如高强混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土等）。3、优点：可塑性好，抗压强度高，耐久性好，与钢筋有良好的粘结性能，耐火性好，可就地取材。4、缺点：自重大，抗拉强度低，易开裂。5、基本要求：强度、和易性和耐久性。4．1普通混凝土的组成材料普通混凝土由水泥、砂、石和水所组成（简称混凝土）。为改善混凝土的某些性能常加入适量的外加剂和掺合料。4．1．1混凝土中各组成材料的作用在混凝土中，砂、石起骨架的作用，称为骨料。混凝土中各组成材料的作用：骨料（砂+石）：骨架作用。水泥浆（水泥+水）：润滑作用（硬化前）、胶结作用（硬化后）。外加剂和掺合料：改善混凝土的强度、和易性和耐久性。混凝土结构见下图所示：4．1．2混凝土组成材料的技术要求1、水泥（1）水泥品种选择根据混凝土工程特点和所处的环境条件进行选择。（2）水泥强度等级选择应与混凝土设计强度等级相适应，根据经验一般以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1.5～2.0倍为宜。2、细骨料（砂）（1）有害杂质有粘土、淤泥、泥块、粉砂、云母等，妨碍水泥与砂的粘结，降低砼强度，增加砼用水量，加大砼收缩，降低抗冻性和抗渗性。有机杂质、硫化物、硫酸盐等对水泥有腐蚀作用；活性SiO2，水泥中的碱性氧化物与起碱骨料反应，生成膨胀性的碱-硅酸凝胶，使水泥石胀裂。氯盐对钢筋有锈蚀作用。（2）颗粒形状和表面特征细骨料的颗粒形状和表面特征会影响其与水泥的粘结及砼拌合物的流动性山砂其棱角多，表面粗糙，比表面积大，与水泥粘结较好，用它拌制的砼强度较高，但拌合物的流动性较差。河砂、海砂其颗粒多呈圆形，表面光滑，与水泥粘结较差，用它拌制的砼强度较低，但拌合物的流动性较好。（3）砂的颗粒级配及粗细程度颗粒级配：粒径大小不同的砂相互搭配的情况。粗细程度：不同粒径的砂粒混合在一起后的总体粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。颗粒级配与粗细程度两个因素：应同时考虑。砂的颗粒级配及粗细程度，常用筛分析的方法（筛析法）进行测定。砂的粗细程度用细度模数µf表示。µf越大，表示砂越粗。混凝土拌制宜优先采用中砂和粗砂。砂的颗粒级配用级配区表示。根据0.63mm筛孔的累计筛余量分成三个级配区，混凝土用砂的颗粒级配，应处于其中任意一个级配区以内，否则应采用人工级配。配制混凝土时宜优先选用2区砂。砂的级配区曲线如下图所示：3、粗骨料（石）（1）有害杂质有粘土、淤泥、泥块、粉砂、云母等，妨碍水泥与石的粘结，降低砼强度，增加砼用水量，加大砼收缩，降低抗冻性和抗渗性。（2）颗粒形状和表面特征粗骨料的颗粒形状和表面特征会影响其与水泥的粘结及砼拌合物的流动性。碎石：有棱角，表面粗糙，与水泥粘结较好，用它拌制的砼强度较高，但拌合物的流动性较差；卵石（砾石）：多为圆形，表面光滑，与水泥粘结较差，用它拌制的砼强度较低，但拌合物的流动性较好；如要求流动性相同，用水量可少些，结果强度不一定低。针状、片状粗骨料：使混凝土强度降低。粗骨料的颗粒形状如下图所示：（3）最大粒径及颗粒级配在条件许可下，粗骨料最大粒径应尽量选用得大些。最佳的最大粒径取决于混凝土的水泥用量。最大粒径还受结构型式和配筋疏密限制，《国标规定》：最大粒径不得超过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，可允许采用最大粒径达1/2板厚的骨料，但最大粒径不得超过50mm。泵送混凝土：最大粒径与输送管的管径之比应符合规定要求。石子级配好坏对节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性有很大关系。石子级配分连续粒级和单粒级。当采用连续粒级时，混凝土和易性较好，不易产生离析，较常用；当采用单粒级时，石子组合密实，可节约水泥，但混凝土拌合物易产生离析现象，泵送混凝土不宜采用。（4）强度粗骨料：起骨架作用，必须具有足够的强度。粗骨料的强度可用岩石立方体强度和压碎指标两种方法表示。当混凝土强度等级为C60以上时，应进行岩石抗压强度检验。（5）坚固性有抗冻要求的砼所用粗骨料，要求测定其坚固性。用硫酸钠溶液检验质量损失率。4、骨料的含水状态及饱和面干吸水率骨料含水状态：全干、气干、饱和面干、湿润。计算混凝土中各项材料的配合比时，若以饱和面干状态为基准，则不会影响混凝土的用水量和骨料用料。因此，一些大型水利工程、道路工程常以此为基准。但一般工民建工程中混凝土配合比设计，常以干燥状态为基准。当砂被水湿润有表面水膜时，常会出现砂的堆积体积增大的现象，称为砂的湿胀。砂的湿胀在验收材料和配制混凝土按体积定量配料时具有重要意义。5、混凝土拌合及养护用水水的分类：饮用水、地表水、地下水、海水、经适当处理过或处置后的工业废水。水的质量要求：试验判断（凝结时间、强度）。6、混凝土外加剂：指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5%。在混凝土中应用外加剂，具有投资少、见效快，技术经济效果显著的特点。为适应混凝土工程的现代化施工工艺要求，混凝土外加剂已成为混凝土必不可少的“第五组分”。（1）混凝土外加剂的分类：A、改善混凝土拌合物流变性能的外加剂：减水剂、引气剂、泵送剂等；B、调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂：早强剂、缓凝剂、速凝剂等；C、改善混凝土耐久性的外加剂：引气剂、防冻剂、阻锈剂、防水剂等；D、改善混凝土其他性能的外加剂。常用混凝土外加剂有：（1）减水剂减水剂：在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。减水剂按功能可分为：普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂、缓凝减水剂和引气减水剂。减水剂作用机理：分散作用、润湿作用、润滑作用。减水剂使用效果：改善和易性、减水增强、提高耐久性，节约水泥。掺入方法：先掺法、回掺法、后掺法、滞水法。。（2）早强剂常用早强剂：氯盐类(CaCl2)、硫酸盐类(NaSO4)、有机胺类(三乙醇胺)及复合类。早强剂作用机理：加快水泥水化及硬化(CaCl2、NaSO4)或有利于早期骨架的形成(三乙醇胺)。早强剂使用要点：含有NaSO4的粉状早强剂应加入水泥中，不能先与潮湿的砂石混合；氯盐类早强剂一般应与阻锈剂复合使用，以防止对钢筋的锈蚀。（3）引气剂引气剂：在混凝土搅拌过程中，能引入大量分布均匀、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。常用引气剂：松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐等。对混凝土性能的影响：改善混凝土拌合物的和易性、提高混凝土的抗渗性和抗冻性、降低混凝土的强度、弹性模量和耐磨性。（4）缓凝剂缓凝剂：能延长混凝土凝结时间，而不显著降低混凝土后期强度的外加剂。（5）速凝剂速凝剂：能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。（6）防冻剂防冻剂：能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。（7）膨胀剂膨胀剂：使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。（8）泵送剂泵送剂：能改善混凝土拌合物泵送性能的外加剂。7、混凝土掺合料混凝土掺合料：为节约水泥、改善混凝土性能，在拌制混凝土时掺入的矿物粉状材料。常用的混凝土掺合料：粉煤灰、硅粉、沸石粉、超细矿渣粉等。其中以粉煤灰的应用最为普遍。合理使用掺合料不仅可以利用工业废弃物、节省水泥，还可以改善混凝土的性能。掺合料已成为有发展前途的混凝土的“第六组分”。（1）掺粉煤灰：粉煤灰：从煤粉炉排出的烟气中收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑。作用与效果：改善混凝土和易性；减水；提高混凝土密实度和抗渗性；降低水化热；抑制碱-骨料反应等。掺入方法：等量取代法、超量取代法、外加法、双掺技术。（2）掺硅粉：（3）掺沸石粉：4．2普通混凝土的主要技术性质4．2．1混凝土拌合物的和易性1、和易性的概念和易性是指混凝土拌合物易于施工操作并能获得质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义，这三方面之间互相联系，但常存在矛盾。流动性是指混凝土拌合物在自重力或机械振动力作用下易于产生流动、易于输送和易于充满混凝土模板的性质。粘聚性是混凝土拌合物在施工过程中保持整体均匀一致的能力。粘聚性好可保证混凝土拌合物在输送、浇灌、成型等过程中，不发生分层、离析，即保证硬化后混凝土内部结构均匀。保水性是混凝土拌合物在施工过程中保持水分的能力。保水性好可保证混凝土拌合物在输送、成型及凝结过程中，不发生大的或严重的泌水，既可避免由于泌水产生的大量的连通毛细孔隙，又可避免由于泌水，使水在粗骨料和钢筋下部聚积所造成的界面粘结缺陷。保水性对混凝土强度和耐久性有较大的影响。2、和易性的测定方法及指标（1）坍落度测定将混凝土拌合物按规定分三次装入坍落度筒中，每次用振捣棒按顺时针方向由筒中心向四周插捣25次，三次插捣完毕后将多余的混凝土刮平，垂直向上提起坍落度筒并移至一旁，混凝土拌合物由于自重将会产生坍落现象，然后用尺子量出混凝土坍落的尺寸就叫做坍落度。做坍落度试验测定拌合物的流动性，并辅以直观经验评定粘聚性和保水性。坍落度试验只适用骨料最大粒径不大于40mm，坍落度值不小于10mm的混凝土拌合物。根据坍落度的不同，可将混凝土拌合物分为4级（低塑性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、大流动性混凝土）。（2）维勃稠度测定对于干硬性混凝土拌合物（坍落度值小于10mm），通常用维勃稠度仪测定其维勃稠度（s）。（3）泵送混凝土的稳定性测定用相对泌水率S10=V10/V140(%)表示。3、流动性（坍落度）的选择根据构件截面大小、钢筋疏密和捣实方法确定，泵送混凝土还需考虑其可泵性。混凝土灌筑时坍落度表如下图所示：4、影响和易性的主要因素（1）水泥浆数量：以满足流动性为度，不宜过量。在水灰比不变的情况下，如果水泥浆越多，则拌合物的流动性越大。但若水泥浆过多，使拌合物的粘聚性变差。（2）水泥浆稠度（水灰比）：水与水泥的质量比称为水灰比。水灰比不宜过大或过小。水灰比过小时，混凝土拌合物流动性过小，会使施工困难，不能保证混凝土的密实性；水灰比过大时，又会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良。无论是水泥浆的多少，还是水泥浆的稠度，实际上对混凝土拌合物流动性起决定作用的是用水量的多少。混凝土用水量选用表如下表所示：（3）砂率：砂率是指砂用量与砂、石总用量的质量百分比。砂率不宜过大或过小，存在一合理砂率。砂率过大时，骨料的总表面积增大，包裹集料的水泥浆层变薄，拌合物流动性降低；砂率过小，则会使拌合物粘聚性和保水性变差，产生离析、流浆等现象。影响合理砂率的因素：石子最大粒径与级配、砂的细度模数、水灰比、流动性要求、外加剂等。施工时应尽量选用较小的砂率，以节约水泥。（4）水泥品种和骨料的性质（5）外加剂（6）时间和温度混凝土砂率表如下表所示：5、改善和易性的措施（1）尽可能降低砂率（采用合理砂率）；（2）改善砂、石（特别是石子）的级配；（3）尽量采用较粗的砂、石；（4）当混凝土拌合物坍落度太小时，维持水灰比不变，适当增加水泥和水的用量；当拌合物坍落度太大，但粘聚性良好时，可保持砂率不变，适当增加砂、石。6、新拌混凝土的凝结时间混凝土的凝结时间与配制该混凝土所用水泥的凝结时间并不一致。这是因为两者的水灰比不同，而且混凝土的凝结还受环境温度和外加剂的影响。混凝土的凝结时间通常用贯入阻力法测定。4．2．2混凝土的强度1、混凝土的脆性断裂（混凝土受压变形曲线见教课书图4-15所示：）Ⅰ界面裂缝无明显变化。Ⅱ界面裂缝增长。Ⅲ出现砂浆裂缝和连续裂缝。Ⅳ连续裂缝迅速发展。Ⅴ裂缝缓慢增长。Ⅵ裂缝迅速增长。由上可见，荷载与变形的关系，是内部微裂缝扩展规