1、黄 朝 晖材料学院（测试楼118办公室） 电话：82322186，13520265868 E-mail:,第 3 章 混 凝 土 （第二篇）,第三章 混 凝 土（concrete）由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制，经一定时间硬化而成的人造石材。按表观密度的大小分类，可分为： 1.重混凝土 干表观密度大于2600 kg/ m3，由特别密实和特别重的骨料制成，如重晶石混凝土、钢屑混凝土等。不透X射线和射线的性能。 2.普通混凝土 干表观密度为19002500kg/ m3，由天然的砂石作骨料。在建工程中最常用。 3.轻混凝土 干表观密度小于1900kg/ m3，它可以分为三类：,（1）
2、轻骨料混凝土（lightweight aggregate concrete）,其表观密度8001900kg/ m3，由轻骨料如浮石、火山渣、陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣、煤渣等制成。 （2）多孔混凝土（porous concrete）(泡沫混凝土、加气混凝土)，其表观密度3001200kg/ m3。泡沫混凝土由水泥浆或水泥浆与泡沫制成。如加气混凝土。 （3）大孔混凝土，其组成中常不加细骨料。,混凝土在国家基本建设中占有重要地位。对混凝土质量的要求：具有符合设计要求的强度；具有与施工条件相适应的施工和易性；具有与工程环境相适应的耐久性。第一节 普通混凝土的组成材料是由水泥、砂、石和水组成。在混凝土
3、中砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性以便于施工。硬化后，将骨料胶结成一个坚实的整体。,混凝土的技术性质是由原材料的性质及其含量决定。也与施工工艺（搅拌、成型、养护）有关。,混凝土的结构,一、水泥：根据混凝土工程的特点和所处的环境条件选用水泥。水泥标号选择与混凝土的设计强度等级相适应。水泥标号（以MPa为单位）为混凝土强度等级的1.52.0倍为宜。如用高标号水泥配制低强度等级混凝土时，水泥用量偏少，影响和易性及密实度，应掺入一定数量的混合材料。如用低标号水泥配制高强度等级混凝土时，会使水泥用量过多，不经济，影响混凝土的其
4、他技术性质。,二、细骨料（fine aggregate）粒径在0.165mm之间的骨料为细骨料。一般采用天然砂，有河砂、海砂及山砂。砂中常含有有害杂质如云母、粘土、淤砂等，粘附在砂的表面有碍水泥与砂的粘结，降低强度，还增加用水量，加大收缩，降低抗冻性和抗渗性。海砂由于含盐量较大，对钢筋有锈蚀作用，海砂含盐量（氯化钠的总含量）不宜超过0.1%，必要时就进行淋洗。,（二）颗粒形状及表面积特征山砂的颗粒多具有棱角，表面粗糙，与水泥粘结较好；河砂、海砂，其颗粒多呈圆形，表面光滑，与水泥的粘结较差。在水泥用量、水用量相同的情况下，前者拌制的混凝土流动性较差，但强度较高；而后者则反之。,（三）砂的颗粒级配
5、及粗细程度砂的颗粒级配表示砂大小颗粒的搭配情况。在混凝土中砂粒之间的空隙水泥浆填充，为节约水泥和提高强度，应尽量减小砂粒之间的空隙。 砂的空隙率与级配、颗粒形状及排列方式有关。,如果自然级配不合适，要采用人工级配的方法来改善。最简单的措施是将粗、细砂按适当比例进行试配，掺合使用。为调整级配，也可将砂过筛，筛除过粗或过细的颗粒。配制混凝土用砂一般选用级配符合要求的粗砂和中砂较理想。,三、粗骨料（coarse aggregate）粗骨料有碎石和卵石。应是经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的天然岩石或卵石。大粒径所需的水泥浆或砂浆的数量相应少，粗骨料的最大粒径应条件许可下尽量大。骨料的最大粒径不得超
6、过结构截面最小尺寸的 1/4，不得大于钢筋最小净距的3/4。混凝土实心板，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。,（四）强度将岩石制成5cm5cm5cm的立方体（或直径与高均匀为5cm的圆柱体）试件，在水饱和状态下，其抗压强度应小于45 M Pa，其极限抗压强度与所浇注混凝土强度之比不应小于1.5。用压碎指标值表示粗骨料强度时，是将一定质量干状态下1020mm的石子装入一定规格圆筒内，在压力机上施加荷载到200KN，卸荷后称取试样的质量（G），用孔径为2.5mm的筛筛除被压的细粒，称取试样的筛余量（G1）。,压碎指标值= (G-G1)/G100% 表示石子抵抗压碎的能
7、力，以间接地推测其相反的强度。应符合GB/T1468593建筑用卵石、碎石标准的规定。 （五）坚固性： 有抗冻要求的混凝土所用的粗骨料，要求测定其坚固性，见国标。 四、骨料的饱和面干吸水率当拌制混凝土时，骨料含水量的不同，将影响混凝土的用水量和骨料用量。当骨料的颗粒表面干燥，而颗粒内部的孔隙含水饱和时，称为饱和面干状态。,五、混凝土拌和及养护用水能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护混凝土。污水、PH值小于4的酸性水、含硫酸盐（按SO3计）超过水量1%的水、有害杂质如油脂、糖类等均不得使用。对水质有疑问可将该水与洁净水分别制成混凝土试块，然后进行强度对比试验。海水中含有硫酸盐、镁盐和
8、氧化物，对水泥石有侵蚀作用，对钢筋也会造成锈蚀，因此，一般不得用海水拌制混凝土。,第二节 普通混凝土的主要技术性质 具有良好的和易性便于施工，以保证能获得良好浇灌质量； 凝结硬化以后，强度是安全地承受设计荷载的保证。 应具有必要的耐久性。,一、混凝土拌合物的和易性（workability）和易性是指混凝土拌合物易于施工操作（拌和、运输、浇灌、捣实），并能获得质量均匀、成型密实的混凝土的性能。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。,（二）和易性的指标目前，尚没有能够全面反映混凝土拌和物和易性的测定方法。在试验室，通常测定拌合物的流动性，并辅以直观经验评定粘聚性和保
9、水性。 方法：量出混凝土拌合物向下坍的尺寸（mm），就叫做坍落度（slump）。坍落度愈大表示流动性愈大。,混凝土拌合物坍落度的测定,坍落度的不同将混凝土拌合物分为：流态的（坍落度大于80mm），流动性的（坍落度为3080mm），低流动性的（坍落度为1030mm）硬性的（坍落度值小于10mm），适用于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。,（三）影响和易性的主要因素 1.水泥浆的数量水泥浆愈多，则拌合物流动性愈大。若水泥浆过多，使拌合物的粘聚性变差，对混凝土耐久性也会产生一定影响。水泥浆过少，不能填满骨料空隙或不能很好地包裹料表面时，就产生崩坍现象，粘聚性变差。混凝
10、土拌合物水泥浆的含量应以满足流动性要求为度。,2.水泥浆的稠度水泥浆的稠度是由水灰比所决定。 水灰比愈小，水泥浆愈稠，混凝土拌合物的流动性便愈小。 水灰比过大，会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良，而产生流浆、离析现象，严重影响混凝土的强度。所以水灰比应根据强度和耐久性要求合理地选用。,混凝土用水量选用表（Kg/m3）,3.砂率砂率是指混凝土中砂量占砂和石总质量的百分率。砂率的变动会使骨料的空隙率和骨料的表面积显著改变，对混凝土拌合物的和易性产生显著影响。砂率有一个合理值。砂率的选取见表。,4.时间和温度坍落度随时间的推移逐渐减小，原因有水泥的水化反应、骨料吸收水分、水分的蒸发等，这些因素的
11、作用随着温度的升高而加剧。在施工中为了保证一定的和易性，必须注意环境温度的变化，采取相应的措施。 二、混凝土的强度混凝土划分为下列强度等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等十二等级。,（五）影响混凝土强度的因素 1. 水灰比和水泥标号在配合比相同的条件下，所用的水泥标号越高，制成的混凝土强度也越高。当用同一种水泥（品种及标号相同）时，混凝土的强度主要取决于水灰比。,在水泥标号相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力也愈大，混凝土的强度就愈高。加水太少（水灰比太小），拌合物过于干硬，在一定的捣实成形条件下，无法保证
12、浇灌质量，混凝土中将出现较多的峰窝、孔洞，强度也将下降。,混凝土强度和灰水比（在1.22.5之间）近似地成直线关系，其一般表达式为：R28ARc (C/W-B) （参见234页）Rc-水泥的实际强度利用强度公式，可根据水泥标号和水灰比来估计所制成混凝土的强度。根据水泥标号和要求的混凝土强度等级来计算应采用的水灰比。,2.龄期: 混凝土强度的发展大致与龄期的对数成正比关系（龄期不小于3d）：Rn=R28(lgn/lg28) 式中：Rn第n天龄期混凝土的抗压强度，M Pa；R2828天龄期混凝土的抗压强度，M Pa；Lgn、lg28n(n3)和28的常用对数。,四、混凝土的耐久性 （一）耐久性的概
13、念具有适当的强度能安全地承受设计荷载外，还应根据其周围的自然环境以及在使用上的特殊要求，具有各种特殊性能。 1.抗渗性(permeability resistance)是指混凝土在水、油等液体压力作用下抗渗透的性能。它直接影响混凝土抗冻性和抗侵蚀性。抗渗性主要与其密实度及内孔隙的大小和构造有关。混凝土的抗渗性用抗渗标号表示。,2.抗冻性（frost resistance）指混凝土在饱和水状态下，能受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。在寒冷地区，特别是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。混凝土的密实度、孔隙混凝土（如引气混凝土），其抗冻性都较高。,3.混凝
14、土的碳化(carbontation) 是二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水。碳化引起水泥石化学组成及组织结构的变化，从而对混凝土的化学性能和物理力学性能有明显的影响，主要是对碱度、强度和收缩的影响。,第三节 混凝土的质量控制质量控制是一项非常重要的工作。质量如何要通过其性能检验的结果来表达。影响因素有：水泥、骨料及外加剂等质量和计量的波动；用水量和骨料含水量的变化所引起的水灰比的波动；搅拌、运输、浇灌、振捣、养护条件的波动以及气温变化等。试验条件方面的影响因素有：取样方法、试件成及养护条件的差异、试验的误差和试验人员的操作熟练程度等。（有兴趣的同学可以深入学习）,第四节 普通混凝
15、土的配合比设计 一、混凝土的配合比设计的基本要求确定水泥、水、砂与石子这四项基本组成材料用量之间的三个比例关系。即：水与水泥之间的比例关系，常用水灰比表示；砂子与石子之间的比例关系，常用砂率表示；水泥浆与骨料之间的比例关系，常用单位用水量（1m3混凝土的用水量）来反映。在配合比设计中，混凝土的四个基本变量即水泥、水、细集料和粗集料，可分别用C、W、S、G表示每1m3混凝土的用水量（kg/ m3），配合比设计就是确定这四个基本变量。,设计混凝土配合的任务是要根据原材料的技术性能及施工条件，合理选择原材料，并确定能满足工程要求的技术经济指标的各组成材料用量。 要求： 满足混凝土结构设计的强度等级；
16、 满足施工要求的混凝土拌合物的和易性； 满足对混凝土的其他技术性要求（如抗冻标号、抗渗标号和侵蚀性等）； 做到节约水泥和降低混凝土成本。,三、混凝土配合比设计实例某工程的预制钢筋混凝土梁（不受风雪影响），混凝土设计强度等级C20，要求强度各证率95%。施工要求坍落度为3050mm（混凝土上由机械搅拌及振捣），该施工单位无历史统计资料。采用的材料 ：普通水泥，425号（实测28d抗压强度为48.0 M Pa），密度Pc=3.1 kg/ m3；中砂，表观密度Pos=2.65g/ m3，堆积密度Pos=1.50 g/ m3，表观密度Pog=2.70 g/ m3，堆积密度Pog=1.55g/ m3，最
17、大粒径为20mm；自来水。请设计该混凝土的配合比（按干燥材料计算）。（在此略，见教材242页，重点掌握，必须会进行该项设计）。,第五节 混凝土外加剂（concrete admixtures）在混凝土拌合物中掺入不超过水泥质量的5%，且能使混凝土按要求改变性质，称为混凝土外加剂。 一、混凝土外加剂分类 通常按外加剂主要作用分类根据国际标准，按外加剂的主要功能可归纳为六类：,（1）改善新混凝土、砂浆或水泥净浆和易性的外加剂，包括减水剂（water reducers）、引气（air entrainers）等。 （2）调节混凝土、砂浆或水泥净浆凝结、硬化速度的外加剂，包括早强剂（accelerator
18、s）、缓凝剂（retarder）、速凝剂等。 （3）调节混凝土、砂浆或水泥净浆空气含量的外加剂，包括引气剂、加气剂、泡沫剂、消泡剂等。,（4）改善混凝土、砂浆或水泥净浆物理力学性能的外加剂，包括引气剂、膨胀剂、抗冻剂、防水剂等。 （5）增强混凝土中钢筋抗腐蚀性的外加剂，包括阻锈剂等。 （6）能为混凝土、砂浆或水泥净浆提供特殊性能的外加剂，包括引气剂、着色剂、脱模剂等。,二、表面活性简述一种物质溶解于液体，并从溶液中向界面富集，作定向排列吸附在界面上，形成单分子吸附膜层，从而显著地降低溶液的表面能，这种现象称为表面活性，具有这种表面活性的物质，叫做表面活性剂。由于表面活性，从而具有湿润、乳化、分
19、散、起泡、润滑等作用。,表面活性剂分子模型,三、常用混凝土外加剂 （一）减水剂（water reducer）：减水剂的作用机理：水泥加水拌和后，水泥颗粒间分子引力的作用，而产生许多絮状物形成絮凝结构，在这种结构中水泥颗粒周围包裹着很多拌合水（图2-3-12），从而降低了混凝土拌合物的和易性。,水泥浆的絮凝结构,加入适量的减水剂，由于其表面活性作用，致使憎水基端定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基端指向水溶液，使水泥颗粒表面带相同的电荷，加大了水泥颗粒间的静电斥力。导致水泥颗粒互相分散，如图所示。絮凝结构解体，包裹的游离水被释放出来，从而有效地增加了混凝土拌合物的流动性。,减水剂作用简图,2.减水剂的
20、技术经济效果 （1）用水量不变时，混凝土坍落度可增大1020cm； （2）保持混凝土的和易性不变，可减水10%20%，混凝土的强度可提高1520，早期强度提高更显著； （3）保持混凝土强度不变时，节约水泥用量10%15%； （4）混凝土透水性可降低40%80%，提高抗渗、抗冻、耐化学腐蚀及防锈蚀等能力； （5）可配制特种混凝土，这将比采用特种水泥更为经济、简便和灵活。,3.目前常用的减水剂主要品种是木质素磺酸钙等（要用时网查）。混凝土外加剂走复合的道路是大有发展前途（有商机）。,（二）早强剂早强剂又称为促硬剂，是提高混凝土早期强度的外加剂。早强剂多在冬季施工或紧急抢修时采用。,介绍几种常用品种
21、。 1.氯化钙（CaCl2）是使用最早的混凝土早强剂。掺量常为1%2%，混凝土23d强度可提高40%100%，7d强度提高25%。注意，CaCl2掺量不能过多，将引起水泥快凝。缺点：含有CI-离子使钢筋锈蚀。为了消除这一缺点，常将CaCl2与阻锈剂NaNO2复合使用，亚硝酸钠在钢筋表面形成氧化保护膜，抑制了钢筋的锈蚀作用。,2.硫酸钠（Na2SO4）又称元明粉。 机理：与水泥水化产物质Ca（OH）2作用，生成高分散性的硫酸钙，与C3A的反应比外掺石膏的作用快得多，使水化硫铝酸钙迅速生成，大大加快了水泥的硬化。同时，使得溶液中Ca（OH）2浓度降低，促使C3S水化加速，使混凝土早期强度提高。,3
22、.三乙醇胺为无色或淡黄色透明油状液体，易溶于水、呈碱性，属非离子表面活性剂。掺量极微，一般掺0.02%0.05%，通常不单掺使用，与其他外加剂复合，有显著的早强效果，并对混凝土后期强度有一定增强作用。常用的复合配方为：三乙醇胺（0.05%）加亚硝酸钠（1%）和二水石膏（2%），适用于严禁掺用量氯盐的钢筋混凝土，能使混凝土3d强度提高50%。微量的三乙醇胺并不改变水泥的水化成物，却能加速的水化，它在水泥水化过程中起着“催化”的作用。,（三）引气剂：能在混凝土混合物中产生一定量的微小独立气泡，均匀分布在其中的外加剂，称为引气剂。目前常用产品有松香热聚物、松香皂等。加气剂是指砂浆中加入少量金属粉末（
23、如铝粉等）在浇注时发生反应放出大量氢等气体，使料浆体积显著膨胀的外加剂。 掺引气剂其微小的独立气泡在混凝土中起着滚球轴承的作用，能使混凝土流动性大大提高。若保持流动不变，则可减水10%左右。同时，微小气泡隔断了混凝土中毛细管渗水通路，使混凝土的抗冻标号提高12倍。然而，气泡的存在混凝土有效受压面积减少，从而使混凝土强度有所降低。引气剂掺量以3%6%为宜。,（四）缓凝剂：能延续混凝土的凝结时间，而不显著影响后期强度的外加剂，称为缓凝剂。常用品种为木质素磺酸钙和糖蜜，糖蜜缓效果最好。另外还有使用柠檬酸作缓凝剂的。一般掺量为0.03%0.1，随其参加量不同，凝结时间可延续数小时至十几小时。,（五）速
24、凝剂能使混凝土迅速凝结并改善混凝土与基底粘性及稳定性的外加剂称为速凝剂，多用于喷射混凝土。主要产品有红星一型、711型、782型等。产生速凝早强的机理：速凝剂与水泥在加水拌和时立即发生反应，使水泥中的石膏变成Na2SO4，失去其缓疑作用，从而让C3A迅速凝固。,第六节 其他品种混凝土（light weight aggregate concrete） 一、轻骨料混凝土凡是用轻质粗骨料、轻质细骨料（或普通砂）、水泥和水配制成的混凝土，其干表现密度不大于1900 kg/ m3者，称为轻骨料混凝土。如，粉煤灰陶粒混凝土、粘土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、浮石混凝土。轻骨料的粒径在5mm以上，堆积密度小于
25、1000kg/ m3者，称为轻细骨料（又称轻砂）。,轻骨料按原材料来源分为三类： 1.工业废料轻骨料：如粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、膨胀矿渣珠、自燃矸石、煤渣等。 2.天然轻骨料：如浮石、火山渣等。 3.人工轻骨料：如页岩陶粒、粘土陶粒、陶粒、陶砂、膨胀珍珠岩等。耐久性、体积安定性和有害成分含量应符合国家标准的技术条件，还要对堆积密度、强度、颗粒级配和吸水率这四个技术性质有一定的要求。,二、加气混凝土（air concrete）用含钙材料 (水泥、石灰)、含硅材料（石英砂、尾砂粉、粉煤灰、粒化高炉矿渣、页岩等）和加气剂作为原材料、经过磨细、配料、搅拌、浇注、发气、静停、切割和压蒸养护（0.8 MP
26、a 下养护68h）等工序生产而成。采用铝粉作为加气剂，其反应过程如下：2Al+3Ca（OH）2+6H2O=3CaOAl2O3+6H2O+3H2放气氢气，形成气泡，使料浆形成多孔结构。,三、耐酸混凝土（acid-resistance concrete）是用水玻璃作胶凝材料，氟硅酸钠作速凝剂，耐酸粉料和耐酸粗细骨料按一定比例配合而成。水玻璃耐酸混凝土一般用于贮油器、输油管、储酸槽、耐酸地坪及耐酸器材等。,四、纤维混凝土（fiber concrete）掺入纤维的目的是提高混凝土的抗拉强度与降低脆性。有钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维和合成纤维等。各类纤维中以钢纤维对抑制混凝土裂缝的形成、提高混凝土
27、抗拉和抗弯强度、增加韧性效果最好。为了节约钢材，目前国内外都在研制采用玻璃纤维、矿棉、岩棉配制纤维混凝土。,五、耐热混凝土（heat resistance concrete）水泥石中的氢氧化钙在长期高温作用下会分解。某些骨料如石灰岩在高温下也要分解，石英砂、砂岩等石英质骨料也将在高温下体积膨胀。以上原因都会使混凝土强度显著下降，故普通混凝土不能在高温环境下使用。耐热混凝土是能在长期高温作用下保持所需要的物理力学性能的特种混凝土。 （实际是不定形耐火材料）,六、防水混凝土（watertight concrete）经常受压力水作用的工程和构筑物，必须在表面作防水层，例如使用水泥砂浆防水、沥青防水层
28、或金属防水层等。防水混凝土是通过各种方法提高抗渗性能，以达到防水要求的一种混凝土。合理选择混凝土配合比和骨料级配，以及掺加适量外加剂（如加气剂或密实剂），达到混凝土内部密实或是堵塞混凝土内部毛细管通路，使混凝土具有较高的抗渗性能。,七、聚合物混凝土（concrete-polymer material）聚合物混凝土是由有机聚合物、无机胶凝材料和骨料结合而成一种新型混凝土。聚合物混凝土体现了有机聚合物和无机胶凝材料的优点，从而克服了水泥混凝土的一些缺点。,八、高性能混凝土工程界产生许多前所未有的复杂结构，如高层和超高层建筑，大跨度预应力桥梁，特高强度的混凝土基础工程，原子反应堆的混凝土容器，液化天然气罐，以及海洋工程、航天工程等。为了满足混凝土性能施工的要求，采用了各种先进的施工技术、各种高效减水剂及复合外加剂，具有先进自动控制配料装备的商品混凝土搅拌站，以及垂直泵送可达300m以上的泵送混凝土技术。强度一般可在6080 MPa以上，是技术发展的方向。,
