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第四章 普通水泥混凝土,主讲人：申爱琴长安大学 公路学院,水泥混凝土在公路工程中应用非常广泛（桥梁、隧道、道路、防护工程、交通工程）截止2011年底：,水泥混凝土在我国公路建设中起到了至关重要的作用.,主要内容,水泥混凝土的组成及特点,水泥混凝土的技术性质,普通水泥混凝土组成设计,道路混凝土组成设计,混凝土外加剂及掺合料,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.1.1 水泥混凝土的发展历程4.1.2 水泥混凝土的定义、组成与分类4.1.3 水泥混凝土的特点4.1.4 水泥混凝土的变革与发展,第一节 水泥混凝土的组成及特点,1824年，John,Aspdin,发明波特兰水泥1850年，Lambot(France)，钢筋混凝土1880年，钢筋混凝土设计方法发表1918年，水灰比理论问世1928年，预应力混凝土问世,4.1.1 水泥混凝土的发展历程,4.1.2 水泥混凝土的定义、组成与分类,（1）组成：水泥+砂+石+水+外加剂等 搅拌,成型,养护,水泥混凝土,（2）定义,以水泥和水组成的水泥浆体为粘结介质，将分散某间不同粒径的粗细集料胶结起来，在一定的条件下硬化成为具有一定力学性能的一种人工石材。,4.1.2 水泥混凝土的定义、组成与分类,（2）定义,以水泥和水组成的水泥浆体为粘结介质，将分散某间不同粒径的粗细集料胶结起来，在一定的条件下硬化成为具有一定力学性能的一种人工石材。,4.1.2 水泥混凝土的定义、组成与分类,分散相:粗、细集料,起骨架作用 分散介质:水泥浆,后期：黏结填充作用,早期：润滑作用,分散体系,外加剂：起性能改善作用（减水、缓凝、早强等）,（3）分 类,低强混凝土:28d抗压强度50MPa,道路混凝土、大坝混凝土、结构混凝土,普通混凝土:23502500kg/m3（道路）轻混凝土:1900 kg/m3（大跨径钢筋混凝土结构物)重混凝土:25003200 kg/m3（屏蔽辐射）,按流动性,按表观密度,按强度,塑性混凝土:低流动性混凝土:干硬性混凝土:,按用途,4.1.2 水泥混凝土的定义、组成与分类,道路混凝土大坝混凝土结构混凝土:隔热混凝土,4.1.3 水泥混凝土的特点,特点：工艺简单,适用性强,可浇注成不同形状的整体结构或预制构件用途最为广泛的人造材料成本低廉节省能源有利于生态保护表观简单，但结构复杂,非静态,非均质concretus生长（拉丁文）使用前需现场拌制（施工工艺影响大）,优点：料源广泛,经济性好强度高,耐久性好,工艺简单,适用性强易于钢材配合使用 有利于环境,缺点：自重大刚度大，变形小易出现收缩,开裂破损修复难度大,4.1.3 水泥混凝土的特点,环境协调化-使用工业废渣高性能化高强，高韧性多功能化防水，补偿收缩，屏蔽射线等智能化-智能化交通,（1）变革,4.1.4 水泥混凝土的变革与发展,改善性能增加功能使其智能节约水泥保护环境,（2）发展,砼第六组分,改善型功能型智能型,4.1.4 水泥混凝土的变革与发展,4.1.4 水泥混凝土的变革与发展,工程实例,郑西高速铁路高性能混凝土桩基、墩台和梁体,工程实例,京沪高速铁路高性能混凝土箱梁强度等级C50,高性能化途径：掺加优质磨细复合矿粉掺加高效减水剂、引气剂、泵送剂,4.1.4 水泥混凝土的变革与发展,4.2.1 新拌水泥混凝土的施工和易性4.2.2 硬化后水泥混凝土的力学性质4.2.3 水泥混凝土的耐久性,第二节 水泥混凝土的组成及特点,水泥混凝土的三个阶段,4.2 水泥混凝土的技术性质,新拌水泥混凝土的施工和易性,（1）定义：混凝土拌合物便于施工操作，能够达到结构均匀、成型密实的性能，又称工作性。,实质是,易于进行，减少离析保证施工质量,运输浇筑捣实表面处理,离析,密实,和易性,好,好,易密实成型,易结构均匀,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,易于振捣密实、排出所有被挟带空气的性质,具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象,组成材料之间有一定的粘聚力，不致产生分层和离析,新拌水泥混凝土的施工和易性,（1）定义,目前，国际上尚无一种能全面表征上述工作性的测定方法,主要有,主观评定 坍落度 压入度试验 流动度试验 重塑性试验 贯入度试验 搅拌机试验 其他方法,我国规范现推荐：坍落度和维勃稠度试验,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,坍落度试验（1918年，美国 Chapman提出）,坍落度筒,测定：自重作用下的变形值坍落度（单位mm）坍落度越大，流动性越好。目测：粘聚性、保水性、棍度、含砂情况等,适用：集料最大粒径不大于31.5mm 坍落度值=10mm的低塑性混 凝土、塑性混凝土。,分3次装填，每层插捣25次，刮平 垂直提取坍落度桶，置于一侧,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,优点：评价指标直观 塌落度大,流动性大测试方法简单 可用于室内实验及现场质量控制使用历史悠久 已得到工程界广泛认可适用于富含水泥浆的水泥混凝土,缺点：坍落度仅能表征流动性可能发生沿一斜面下滑甚至崩溃仅对富含水泥浆的混凝土较敏感，干硬混凝土坍落度=0,坍落度不是满意的工作性指标,坍落度试验（1918年，美国 Chapman提出）,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,维勃稠度仪,坍落度桶置于圆筒中，并安放在振动台上 拔出坍落度筒并在混凝土顶上置一透明圆盘开动振动台，直至水泥浆布满圆盘记录时间(s)，VB越大，流动性越差，,适用：集料最大粒径不大于31.5mm 坍落度值10mm的干硬性混凝土（维勃值530s）,VB稠度试验（1940年，瑞典 V.Bahrner提出）,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,密实因素试验（英国人提出）,Cf1/；圆柱筒中完全密实的混凝土密度 Cf，流动性愈好 一般，Cf 0.80.92，,对混凝土做一定功后，测定密实程度，先将混凝土装满料斗1，打开底门，落入2，再打开2的底门，混凝土落入3，刮平后，确定3中的混凝土密度1。,捣实系数仪,1,2,3,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,沉球试验(贯入式试验的一种）,非常简便、快速，能在手推车、敞篷卡车中进行。用d152mm，G13.6kg的半球体，置于混凝土的表面上，在自重作用下沉入混凝土中，以沉入深度来评价混凝土的稠度。,凯利球,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,重塑性的试验,以改变混凝土试样的形状所作的功来评价工作性能，把坍落度筒放在一个D=305mm,h=203mm的圆柱筒内，固定在跳桌上，跳桌落差为6.3mm，按标准方法将坍落度筒装满混凝土后，并脱去，一个1.9kg的圆盘置于混凝土顶部，跳桌以1次/s的频率跳动直到圆盘到达离圆柱筒底81mm时为止，跳桌的次数即为重塑性。,测混凝土在颠簸或持续振动下流动的性能，并提供离析趋势或稠度指标。将堆成一定形状的混凝土置于跳桌上，经跳动一定的次数后，测定混凝土的扩展程度，用以鉴定混凝土的流动度及离析程度。,流动度试验,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,所有的试验都是经验性的，并不能用任何基本方法来测定混凝土的流动性。没有一个试验适用于所有混凝土，工作性不同的混凝土可能得到相同的数值。以上试验可作为一种质量控制手段。,新拌水泥混凝土的施工和易性,（2）测试方法,水泥及集料,内因,和易性影响因素,单位用水量,水灰比,砂率,外加剂,环境因素,时间因素,外因,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,品种细度矿物组成混合材掺量标准稠度用水量,水泥,不同，需水量不同,因为不同品种的水泥达到标准稠度需水量不同 例：普通混凝土比矿渣和火山灰混凝土工作性好。矿渣混凝土流动性虽大，但粘聚性差，易离析，火山灰流动性小，但粘聚性好。,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,不同品种水泥的标准稠度需水量不同，给定用水量时配制成的混凝土流动性也就不同。水泥细度，流动性，这种影响对水泥用量较高的拌合物尤为明显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。,水泥品种和细度,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,dmax：dmax，比表面积，需要更多的水 泥浆来润滑，坍落度，工作性好。形状：粗糙、多棱角性，坍落度 针片状含量、圆形颗粒，混凝土流动性较大，粘聚性和保水性较好。级配：级配良好，空隙小，工作性好吸水性：吸水性大，工作性差,集料的性质,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,单位用水量 水泥浆的数量单位用水量，流动性,单位用水量,W/C一定，单位用水量过小，粘聚性较差，易发生离析和崩坍，且不易成型密实,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,W/C一定，单位用水量过多，流动性增加，会出现泌水、分层或流浆现象，产生离析W/C一定，单位用水量过多，容易产生收缩裂缝，严重降低强度和耐久性。W/C一定，单位用水量过多，水泥用量过大，降低混凝土经济性。,单位用水量过多存在问题,单位用水量,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,在一定范围内，随砂率的增加润滑作用越明显，流动性增大；,砂率,砂率过小，会降低粘聚性和保水性，产生离析和流浆,另外，砂率增大，集料的总表面积增大，需要水分增多，用水量一定时，流动性反而降低,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,合理砂率：在水泥浆数量一定的条件下，流动性最大，且粘聚性和保水性良好时的砂率；Or,在流动性、强度一定，粘聚性良好时，水泥用量最小的砂率。,砂率,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,W/C，水泥浆稠度，流动性 W/C过小，在一定的施工条件下就不能保证混凝土的密实成型W/C，水泥浆稠度，流动性 可能会引起粘聚性和保水性不良。,水灰比(W/C)=,mw,mc,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,外加剂,对,加外加剂,掺加,引气剂减水剂,可增加混凝土和易性，减少离析和泌水,级配不良颗粒形状不好的集料水泥用量不足引起的贫混凝土粗涩的混凝土拌合物,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,少量的外加剂可以在不改变用水量和水泥用量的情况下，有效地改善工作性，同时提高强度和耐久性。改善混凝土拌合物和易性的主要外加剂是减水剂和引气剂。,外加剂,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,环境因素,温度,湿度,风速,温度，水化速度，水分蒸发 坍落度,水分蒸发,夏季施工时，应采取措施减少混凝土拌合物流动性的损失。,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,搅拌时间不足，和易性就差，质量也不均匀 坍落度损失：搅拌后，坍落度随时间逐渐减小,时间因素,坍落度损失的原因：一部分水分被集料吸收一部分水分蒸发一部分水分随水泥水化反应变成水化产物结合水,新拌水泥混凝土的施工和易性,（3）影响因素,对于滑模摊铺机施工的碎石混凝土最佳工作坍落度为2550mm，允许波动范围1065 mm；卵石混凝土最佳工作坍落度为2040 mm，允许波动范围555 mm。,新拌水泥混凝土的施工和易性,（4）和易性分级与选择,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1020mm；,新拌水泥混凝土的施工和易性,（4）和易性分级与选择,采用合理砂率改善砂石的级配掺外加剂或掺合料提高振捣效能在水灰比不变的条件下，适当增加水泥浆的用量，可增大拌合物的流动性；在砂率不变的条件下，适当增加砂石的用量，可减小拌合物的流动性根据环境条件，注意坍落度的现场控制,新拌水泥混凝土的施工和易性,（5）改善措施,力学性质 水泥混凝土质量评价的重要指标,抗冻 也与 混凝土 耐磨 密切相关 抗蚀,硬化后水泥混凝土的力学性质,力学性质,变形,强度,劈裂抗拉强度,轴心抗压强度,立方体抗压强度,抗弯拉强度,干缩变形,徐变变形,弹性变形,温度变形,硬化后水泥混凝土的力学性质,1、强度（1）强度分布特征特征参数：平均值、标准差、变异系数,反映施工质量水平越大表示离散性越大，质量越不稳定,硬化后水泥混凝土的力学性质,（1）强度分布特征强度保证率：大于设计强度等级（fcu,k）的概率P(图中阴影部分的面积),t与保证率有关P=95%，t=-1.645P=90%，t=-1.28,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,（2）立方体抗压强度,试件尺寸：立方体，边长150mm标准养护条件温度：202相对湿度：95养护时间：28d龄期,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,混凝土抗压强度，MPaF抗压试验中的极限破坏荷载，N A试件的承载面积,mm2,强度总体分布的平均值，MPa；强度总体分布的标准差，MPa；与保证率95%对应的保证率系数值；,表示28d龄期，用标准方法测定的抗压强度总体分布中的一个值强度低于该值的概率 5%,立方体抗压强度标准值,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,12个等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。水泥混凝土的强度等级：用“C”+“”表示 C20,“20”代表fcu,k=20.0MPa；,“C”代表混凝土,强度等级,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,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。,计算轴心受压构件，均以轴心抗压强度为指标（多用于高/宽2的构件）。采用150mm150mm300mm的棱柱体,（3）轴心抗压强度,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,在道路和机场工程中，将抗弯拉强度作为重要指标。采用150mm150mm550mm的梁形试件，标养28d，3分点加载,Ff,L,（4）抗弯拉强度,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,单点加载：修正系数为0.85,直接抗拉试验试件在夹具附近易产生局部破坏，且易受到弯折作用，结果波动较大；轴心抗拉设备困难，不易实现采用劈裂抗拉试验法间接求出混凝土的抗拉强度。边长150mm的立方体试件 标养28d 通过垫条加载,受拉 受压,（5）劈裂强度,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,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。,混凝土的fts较低，fts/fcu随fcu的增高而有所减小。,根据弹性力学理论,（5）劈裂强度,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,与轴心抗压强度的关系与抗弯拉强度 的关系 混凝土劈裂抗拉强度，MPa；混凝土抗弯拉强度，MPa；A、m 试验统计参数。,（5）劈裂强度,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,劈裂强度可评价：混凝土抗裂性、与钢筋的粘结强度、预测干缩、温缩引起的裂缝,混凝土受力破坏模式图,I 集料与水泥的粘结界面破坏,II集料本身的破坏,III水泥石的破坏,（6）强度影响因素,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,在载荷、环境因素共同作用下，混凝土出现破坏：,混凝土的强度取决于,界面粘结强度,水泥石强度,集料强度,水泥强度,内因,强度影响因素,水灰比,集料特性,水泥浆用量,养护条件,龄 期,外因,施工质量,养护温度,养护湿度,组成材料,（6）强度影响因素,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,水泥强度和水灰比,影响强度的主要因素组成材料,水泥品种一定，,水灰比定则,可见，,，,反之，,，,反之，,强度影响因素,公式中还考虑了与集料有关的系数,当W/C下降，工作性降低至某种方式不能捣实时，fcu开始下降,水泥水化的理论水灰比为0.23，但此时 难以成型，导致强度降低 在一定范围内，与 成线性关系,在一定范围内，与 成双曲关系,，,影响强度的主要因素组成材料,强度影响因素,用量不足，砂浆粘聚性差，易出现离析，硬化后混凝土强度低，耐久性差，耐磨性差。用量过多，成本提高，硬化后收缩大，易引起干缩裂缝。,水泥浆用量,影响强度的主要因素组成材料,强度影响因素,集料特性,集料强度：集料强度不足，引起集料本身破坏,粗集料颗粒形状、表面特征、洁净程度：影响界面粘结强度，引起界面破坏,针片状含量：含量高，增加混凝土空隙，强度降低,最大粒径：影响抗弯拉和抗压强度，对前者影响更大,级配：级配良好，混凝土密实，工作性好，不易离析,砂的级配与粗细程度：较多粗砂、适量中砂、少量细砂的组成，空 隙和比表面较小，级配理想，因此砂浆少，强度大，工作性好,影响强度的主要因素组成材料,强度影响因素,适宜的养护环境才能保证水泥水化的正常进行。因此，水化速度与程度、水化产物结构特征都取决于养护的温度和湿度条件。,影响强度的主要因素养护条件,强度影响因素,T，初期水化速度，混凝土早期强度。相对较低的温度下，水泥的水化反应速度，水化物分布均匀，后期强度。T过低，或降至冰点以下，水化停止，强度降低,养护温度,最佳水化温度：硅酸盐水泥13oC 快硬硅酸盐水泥13oC,影响强度的主要因素养护条件,强度影响因素,夏天浇注的混凝土强度不一定比春秋浇注的高。,湿度不足，水化反应不能顺利进行或停止，将严重降低混凝土的强度水泥石结构松散，形成干缩裂缝，影响耐久性。,养护湿度,空气中养生，所有龄期的混凝土强度降低夏季温度高，水分蒸发快，更应注意养护,1-空气养护2-九个月后水中养护3-三个月后水中养护4-标准湿度条件下养护,影响强度的主要因素养护条件,强度影响因素,标养下，t，水化愈充分，水化产物愈多，强度，37d内发展较快，28d达到设计强度后，逐渐缓慢。龄期与强度的相关性良好,龄期,影响强度的主要因素养护条件,强度影响因素,在混凝土施工过程中，可根据混凝土的这种特性，由早期强度推算后期强度,龄期,n天龄期的混凝土抗压强度，MPa a天龄期的混凝土抗压强度，MPa,影响强度的主要因素养护条件,强度影响因素,力学强度还受试验条件的影响：试件形状与尺寸、试件湿度、试件温度、支承条件和加载方式等。,立方体,棱柱体,圆柱体,影响强度的主要因素试验条件和施工方法,强度影响因素,三辊轴摊铺,排式振捣棒振捣,美国产滑模摊铺机械,德国产滑模摊铺机械,混凝土结构物的施工质量同样会对混凝土的强度产生影响，包括：配料的准确性、搅拌的均匀性、振捣效果等。,影响强度的主要因素试验条件和施工方法,强度影响因素,采用高强度水泥和特种水泥 采用低水灰比和浆集比 掺加外加剂采用湿热处理方法采用机械搅拌和振捣,硬化后水泥混凝土的力学性质,（7）提高强度的措施,1、强度,硬化后水泥混凝土的力学性质,2、变形,弹性变形:荷载施加于材料时立即出现、荷载卸除后立即消失的变形。但泥混凝土应力应变关系是非线性的，当卸荷后其变形并不能恢复到原点。,荷载/应力,变形/应变,弹性模量,硬化后水泥混凝土的力学性质,（1）弹性变形和弹性模量,2、变形,混凝土的弹性模量为变量：初始切线模量切线模量 割线模量（工程常用）,应力,应变,抗压模量,抗折模量,硬化后水泥混凝土的力学性质,（1）弹性变形和弹性模量,2、变形,Fa 终荷载，fcp对应的荷载；F0 初荷载，0.5MPa对应的荷载；第5次加载，试件两侧弹性变形均值l 测点标距,1、测定轴心抗压强度fcp2、预压（F0 Fa F0，至少两次）3、测试，记录变形值,硬化后水泥混凝土的力学性质,（1）弹性变形和弹性模量,2、变形,1/2F0.5,1、测定 抗弯拉强度fcf2、5 次加载卸载循环（1kNF0 F0.5 1kN）3、记录最后一次的千分表读数,F0.5 终荷载，0.5fcf对应的荷载；F0 初荷载，3kN；不同荷载下的千分表读数（跨中挠度）l 支座间距J 试件断面转动惯量,硬化后水泥混凝土的力学性质,（1）弹性变形和弹性模量,2、变形,弹性模量影响因素,混凝土强度，弹性模量,集料弹性模量，集料与水泥的比例，弹性模量,早期养护温度较低，混凝土弹性模量,潮湿状态养护的混凝土弹性模量,龄期，弹性模量,硬化后水泥混凝土的力学性质,（1）弹性变形和弹性模量,2、变形,徐变变形：持续荷载下，混凝土的变形随时间而增长对沥青混合料，称蠕变徐变变形在早期增长很快，然后逐渐减慢，一般要23年才可能基本趋于稳定。,硬化后水泥混凝土的力学性质,（2）徐变变形,2、变形,预应力混凝土梁,徐变原因,胶体在外力下的力学特性,水泥浆体内吸附水的迁移,粘滞流变,凝胶粒子间的滑移,硬化后水泥混凝土的力学性质,（2）徐变变形,2、变形,温度变形：混凝土因热胀冷缩性质产生的变形。混凝土温缩系数：,水化反应导致混凝土内部温度升高（5070oC），产生体积膨胀，外部温度较低，体积收缩 产生拉应力，出现开裂温度变形对大体积混凝土和在温差较大季节施工的混凝土结构极为不利,硬化后水泥混凝土的力学性质,（3）温度变形,2、变形,为减小不利影响，可采取的措施：降低水泥的水化热，如采用低热水泥、人工降温等加强表层保温保湿养护减小内应力，如切缝、设置温度伸缩缝,硬化后水泥混凝土的力学性质,（3）温度变形,2、变形,干燥收缩变形：干燥环境中时，内部水分蒸发而引起的混凝土体积收缩，简称干缩。混凝土干缩系数：即为 0.50.9mm/m,混凝土环境湿度,内部游离水蒸发,毛细管壁收缩,混凝土收缩,遇水后,干缩的混凝土膨胀但很小,硬化后水泥混凝土的力学性质,（4）干缩变形,2、变形,干缩变形进行很慢而且是由表向里逐渐进行，导致混凝土表面受到拉力作用，易在混凝土表面将产生裂缝 干缩变形受 的影响改善措施有,水泥品种及用量,单位用水量,集料用量,限制水泥用量,保证一定集料用量,减小水灰比,充分捣实、加强早期养护,硬化后水泥混凝土的力学性质,（4）干缩变形,2、变形,1、定义：使用过程中，混凝土抵抗周围环境介质作用并保持其强度和使用质量的能力,环境条件 气候、温度、湿度、腐蚀、磨蚀,内部缺陷及组成材料特性,混凝土破坏的原因,碱-集料反应、渗透性 热应力,水泥混凝土的耐久性,2、抗冻性,抗冻性：混凝土抵抗冻融循环破坏作用的能力评价指标：抗冻标号试验条件：标养28d 标准试件(10cm10cm40cm)吸水饱和（-1520oC）和（1520oC）下反复冻融循环,水冻结 体胀9%,过冷水 水分迁移引起压力,混凝土冻融破坏机理,各种水的冰点不同 凝胶水不结冰,水泥混凝土的耐久性,抗冻融实验,混凝土冻融循环箱照片,水泥混凝土的耐久性,相对动弹模下降60%,质量损失5%,或,试验结果：对应的最大循环次数抗冻等级：D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250和D300。,“100”代表能承受100次反复冻融循环；,“D”代表抗冻性,D100,2、抗冻性,水泥混凝土的耐久性,抗渗性：混凝土对液体或气体渗透的抵抗能力 也是评价砼耐久性的综合指标,混凝土内部,侵蚀介质,渗透,3、抗渗性,水泥混凝土的耐久性,3、抗渗性,水泥混凝土的耐久性,抗渗试验仪,评价指标：抗渗标号标养28d，按规定方法能承受的水压力抗渗等级：S2、S4、S6、S8、S10和S12。,“10”代表抵抗11.0MPa水压力而不渗水；,“S”代表抗渗性,S10,采用氯离子渗透，可缩短试验时间，简化试验过程,3、抗渗性,水泥混凝土的耐久性,抗渗性与抗冻性互相关联，并与混凝土的 密切相关改善措施：采用减水剂，降低W/C，提高密实度加强养护，杜绝施工缺陷防止离析、泌水、混凝土内部形成连同孔隙使用引气剂，缓冲膨胀力采用外部保护，隔离侵蚀介质,密实度,总孔隙率,孔结构,3、抗渗性,水泥混凝土的耐久性,耐磨性：混凝土抵抗表层磨擦损伤的能力评价指标：磨损量,车辆轮胎表面层的磨耗和磨光,磨损的表现,高速水流的冲刷（墩台、坝面）,4、耐磨性,水泥混凝土的耐久性,试验方法：15cm立方体试件，标养27d，60oC烘干 花轮磨头，200N负荷，磨削50转,4、耐磨性,水泥混凝土的耐久性,磨损量计算：G0 单位面积的磨损量，kg/m2；m1、m2 初始和磨损后的质量，kg；0.0125试件磨损面积，m2。,影响因素,强度等级,水泥品种,集料硬度,细集料的影响较大石英含量越高，耐磨性越好,4、耐磨性,水泥混凝土的耐久性,碱-集料反应：混凝土中所含水泥中的碱与某些碱活性集料在有水存在的条件下发生化学反应，简称ARR.,+可溶性碱,具有碱活性的集料,水+,碱-集料反应,混凝土开裂、膨胀，甚至破坏,5、碱-集料反应,水泥混凝土的耐久性,反应类型,碱硅反应(活性SiO2),碱碳酸盐反应(活性碳酸盐),为避免碱集料反应的发生，应进行碱活性检验,碱硅反应,碱碳酸盐反应,化学法,砂浆长度法,岩石柱法,岩相法,肉眼或显微镜观察是否存在活性成分,5、碱-集料反应,水泥混凝土的耐久性,砂浆长度法,测膨胀量，规定,3个月，膨胀量0.05%,6个月，膨胀量0.10%,防止措施：水泥含碱0.6%采用抑制碱-集料反应的掺合料,为控制耐久性，混凝土配合设计指标为最大水灰比最小水泥用量,5、碱-集料反应,水泥混凝土的耐久性,4.3.1 原材料的技术要求4.3.2 普通混凝土组成设计4.3.3 普通水泥混凝土设计例题,第三节 普通水泥混凝土组成设计,主要任务：选料单项原材料质量优选 配料各项原材料最佳比例确定,第三节 普通水泥混凝土组成设计,根据设计目标、施工条件选料,配料，确定各材料的最佳用量,配置混凝土,满足,和易性,设计强度,耐久性,1、水泥品种和强度等级水泥是混凝土的胶结材料，对性能的影响很大。费用高，选材需慎重选用原则：满足强度要求、收缩小、和易性好和经济性好,水泥品种,根据,工程性质,所处环境,施工条件,选用5大水泥,原材料的技术要求,1、水泥品种和强度等级,水泥标号,水泥标号,混凝土强度,相适应,水泥标号，混凝土强度 若过高，则水泥用量过低，影响若过低，则水泥用量太多，不经济，收缩大,和易性,耐久性,原材料的技术要求,一般混凝土高强混凝土路面混凝土 根据交通等级所要求的设计抗折强度确定 优选早强型水泥，缩短养护时间,粗集料有卵石(砾石)和碎石,是主要组成材料要保证具有稳定的物理性能、化学性能，不能与水泥发生有害反应。,2、粗集料,原材料的技术要求,必须具有足够的强度用 表示不同强度等级混凝土对粗集料技术等级的选择见表：,强度与坚固性,岩石抗压强度,压碎值,2、粗集料,原材料的技术要求,为保证耐久性，应对碎石或卵石进行坚固性（硫酸钠）试验。,强度与坚固性,2、粗集料,原材料的技术要求,国标（GB/T 146852001）：含泥量、有机物含量、硫化物及硫酸盐含量等不得大于相应等级的技术要求，并应对混凝土所用的碎石或砾石进行碱活性检验。,有害杂质,包括,粘土,淤泥,硫化物,对混凝土有腐蚀作用,硫酸盐,有机质,粘附于集料表面，影响水泥与集料的粘结，降低抗渗、抗冻性,2、粗集料,原材料的技术要求,最大粒径dmax dmax，单位用水量，和易性,最大粒径及颗粒形状与级配,dmax，比表面积 湿润石料所需水量，水泥浆变稀 当 一定，加大dmax，可 截面允许时，应尽量增大dmax，以节约水泥 但是，抗拉强度会降低,改善和易性,提高耐久性,2、粗集料,原材料的技术要求,最大粒径及颗粒形状与级配,规定：dmax dmax dmax，且dmax40mm,2、粗集料,原材料的技术要求,最大粒径及颗粒形状与级配,颗粒形状 表面粗糙，棱角性强，强度，但流动性差 一定，光滑卵石，强度，但和易性好 粗集料尽量采用立方体,针片状颗粒抗折强度低，影响和易性规定：针+片 含量5%（I级粗集料）针+片 含量15%（II级粗集料）针+片 含量25%（III级粗集料）,2、粗集料,原材料的技术要求,最大粒径及颗粒形状与级配,级配 为获得 的混凝土，级配必须良好,可用级配,连续级配（常用）,单粒级+连续级配,单粒级,密实、工作性好、不易离析,密实、工作性好、不易离析,经技术分析表明不离析或不影响混凝土质量时，方可采用,规范（GB/T 14685-2001）采用了6个连续级配 5个单粒级级配,2、粗集料,原材料的技术要求,可采用 的，或,河砂,海砂,山砂,机制砂,压碎值与坚固性,应具有一定的强度和坚固性，混凝土强度等级与细集料技术等级的关系见表：,3、细集料,原材料的技术要求,级配与细度模数,优质砂,高密,比表面小,易拌合、节约水泥,耐磨、高强,规范（GB/T 14684-2001）：细度模数 的砂，按0.6mm累计筛余分为3个区,3、细集料,原材料的技术要求,细集料的级配应符合下表规定：,级配与细度模数,3、细集料,原材料的技术要求,级配与细度模数,3、细集料,原材料的技术要求,III区细砂,II区中砂,I区粗 砂,选用原则 在任一个区均可，最好在II区，在I、III区时，需调整落入I区，用砂量应大于II区，否则会落入III区，用砂量应小于II区，否则有耐磨要求时，小于0.075mm的颗粒应3%,级配与细度模数,内摩阻力大,保水性差,不易捣实,比表面大,工作性差,3、细集料,原材料的技术要求,有害杂质,降低水泥石的粘附性,妨碍水泥的水化,与水化物发生不良反应,含泥量 和 泥块含量（尘屑、淤泥等）d5mm，手捏后d2.5mm,泥,无粘性且,形成包裹层,增大需水量,松散状,体积不稳定,湿胀，干缩变形大,规定：15%(泥)12%(泥块),C3060，2%C30，5%,3、细集料,原材料的技术要求,有害杂质,云母：薄片状，表面光滑，易风化、沿节理开 裂，粘结性差 GB规定，2%,轻物质：多孔，疏松 2.0g/cm3 GB规定，1%,有机质含量：动植物腐殖质、腐残土 延缓水泥硬化，降低混凝土强度 检验：比色法 标准溶液=鞣酸粉+3%Na(OH)试样溶液=试样+3%Na(OH),颜色对比,摊成薄层、露天、日照，以消除有机质影响,3、细集料,原材料的技术要求,有害杂质,硫化物和硫酸盐：硫铁矿FeS2，石膏CaSO42H2O GB规定，折算成SO31%,检验：BaCl2溶液做定性试验，有白色沉淀 再做定量试验。,3、细集料,原材料的技术要求,包括：饮用水、天然水、地下水、海水及经适当处理后的工业废水。凡能饮用的水，均可拌制，无需检验工业废水、海水、沼泽水，pH4,均不能用。海水可用于拌制素混凝土，但不宜用于含糖类和脂肪的水，不得使用。,有饰面要求的混凝土,有耐久性要求的混凝土,大体积混凝土、特种混凝土,4、拌和用水,原材料的技术要求,混凝土拌合用水应符合下表的规定,4、拌和用水,原材料的技术要求,外加剂：能改变混凝土某些性能的物质，一般在混凝土拌合前或拌合过程中加入，且掺量不超过水泥质量的5%。掺合料：能改善施工和易性、降低混凝土水化热、调解凝结时间等。,粉煤灰,粒化高炉矿渣,沸石粉,掺合料,硅粉,复合型掺合料,早强剂,引气剂,减水剂,外加剂,缓凝剂,5、外加剂和掺合料,原材料的技术要求,混凝土配合比的表示方法单位用量法 以每m3混凝土中各材料的用量（KG）表示 水泥330kg，水185kg，砂598kg，石子1281kg相对用量法 以水泥质量为1表示其他材料的相对关系 C：S：G；W/C=1：1.81：3.88；0.5 水泥：砂：石子；水灰比,4.3.2 普通混凝土组成设计,施工配合比,设计配合比,基准配合比,初步配合比,施工现场调整含水量,复核强度及其它要求,调整施工和易性,确定组成材料比例,组成设计流程,4.3.2 普通混凝土组成设计,（1）和易性 构件截面尺寸坍落度大小根据 钢筋疏密 查表确定 施工方式来,1、配合比设计指标,和易性,I,II,III,耐久性,强度,4.3.2 普通混凝土组成设计,1、配合比设计指标,4.3.2 普通混凝土组成设计,（1）和易性,（2）混凝土配制强度,（路面,，桥梁 C30以上）,根据,并满足强度保证率要求，即,按近期强度资料或查表求得,结构设计 强度等级,例如C50,用途,1、配合比设计指标,4.3.2 普通混凝土组成设计,（3）耐久性取决于水灰比 和水泥用量，查表确定,1、配合比设计指标,4.3.2 普通混凝土组成设计,配制强度,水灰比,用水量,砂率,水泥用量,粗细集料,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,（1）计算混凝土配制强度 不稳定性材料，涉及多种工序，强度有波动配置强度应高于设计强度,（2）计算水灰比并校核,水灰比定则,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,按耐久性校核,取用,取用,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,（2）计算水灰比并校核,（3）确定用水量干硬性和塑性混凝土流动性和大流动性混凝土,依据经验或查表选用(表4-13),根据,工作性dmax,细砂，增大；粗砂，减少用水量（510kg/m3）,未掺外加剂时，以坍落度90mm的用水量为基础，每增大20mm，用水量增加5kg/m3掺加外加剂时，依公式确定,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,（4）选用砂率,坍落度在1060mm，根据集料品种及dmax、查表,坍落度60mm，每增大20mm，增大1%坍落度10mm，按经验确定,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,（5）计算单位水泥用量,按耐久性校核,取用,取用,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,体积法：,（6）计算粗、细集料单位用量 已知,密度法,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,方法比较:质量法 简单，无须各种组成材料密度数据 若积累了当地常用材料所组成的混凝 土湿表观密度，结果亦准确 体积法 结果较为准确,通过上述6步，提出初步配合比,（6）计算粗、细集料单位用量,2、初步配合比设计,4.3.2 普通混凝土组成设计,初步配合比借助于 计算得到，还需检验试拌：采用工程用原材料、相同的搅拌方法 以初步配合比为依据、除集料水分工作性校核：,3、试验室配合比试配、调整与确定（1）基准配合比,经验公式经验表格经验参数,坍落度维勃值,不满足要求时，需调整,或粘聚性和保水性能不好,4.3.2 普通混凝土组成设计,调整方法：保持W/C不变，同时增（减）水泥或用水量，即增（减）砂浆调整砂率，若粘聚性和保水性能不好，增大砂率，反之减小若坍落度大，保持砂率不变，适当增加骨料,通过上述步骤，提出基准配合比,3、试验室配合比试配、调整与确定（1）基准配合比,4.3.2 普通混凝土组成设计,强度检验 经工作性调整的混凝土，W/C未必合适 强度不一定满足要求，需检验强度,3、试验室配合比试配、调整与确定（2）设计配合比,4.3.2 普通混凝土组成设计,确定用水量取基准配合比用水量,强度检验时测定坍落度/VB值与要求值相差超过允许偏差时，需调整用水量也可将砂率酌情增加或减少1%,坍落度小，则增加；坍落度大，则减小,？酌情确定,3、试验室配合比试配、调整与确定（2）设计配合比,4.3.2 普通混凝土组成设计,单位水泥用量砂、石用量 体积法、密度法再根据实测拌合物的湿表观密度修正配比,湿表观密度,校正系数,3、试验室配合比试配、调整与确定（2）设计配合比,4.3.2 普通混凝土组成设计,当 设计配合比 当，则,3、试验室配合比试配、调整与确定（2）设计配合比,4.3.2 普通混凝土组成设计,现场露天放置，砂石含水量处于变化之中，而 实验室配比计算与调整以干燥状态为基础 需进行含水量校核实测工地砂、石子的含水率，提出施工配比,4、施工配合比,4.3.2 普通混凝土组成设计,组成材料普通硅酸盐水泥42.5级，实测28d抗压强度为46MPa，密度=3100kg/m3；中砂，表现密度=2650 kg/m3，施工现场砂含水率为2%；碎石：最大粒径=31.5mm，表观密度=2700 kg/m3，施工现场碎石含水率为1%。水：自来水。设计要求某钢筋混凝土桥T梁用混凝土，混凝土设计强度C40，强度标准差为5.0MPa，要求混凝土拌合物坍落度为3550 mm。试确定该混凝土的设计配合比和施工配合比。设计过程,4.3.3 普通混凝土设计例题,4.4.1 道路混凝土简介4.4.2 道路混凝土的技术性能4.4.3 道路混凝土组成设计4.4.4 道路混凝土组成设计新成果,第四节 道路水泥混凝土组成设计,道路混凝土主要指路面混凝土，是指满足混凝土路面摊铺工作性（和易性）、弯拉强度、耐久性与经济性要求的水泥混凝土材料。道路水泥混凝土可分为：普通道路混凝土（也称素混凝土）钢筋