水泥混凝土及砂浆 2

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第4章水泥混凝土和砂浆 4.1普通水泥混凝土分类：按照表观密度分类，可分为轻混凝土（干表观密度小于2000kg/m3）、普通混凝土（干表观密度约为2000~2800kg/m3）、重混凝土（干表观密度大于2800kg/m3）缺点：抗拉强度较低，在构件的受拉区易开裂；干缩后易产生裂缝；自重较大；等等。 4.1.1普通混凝土的技术性质水泥混凝土的技术性质包括：新拌混凝土的工作性；硬化后混凝土的力学性质和耐久性。4.1.1.1新拌混凝土的工作性（和易性）4.1.1.1新拌混凝土的工作性（和易性）水泥混凝土在尚未凝结硬化之前，称为新拌混凝土或称为混凝土拌合物。其良好的工艺性能称为工作性（和易性）。1.混凝土拌合物的和易性定义混凝土拌合物和易性包括流动性、可塑性、稳定性、易密性4个方面的含义。优质的混凝土应该具有：满足运输和浇捣要求的流动性；外力作用下不产生脆断的可塑性；不产生分层、泌水的稳定性；易于浇捣密实的易密性。 4.1.1.1新拌混凝土的工作性（和易性）2.混凝土拌合物和易性的测定方法通过坍落度数值表示流动性，观察可塑性和稳定性。（1）坍落度试验采用坍落度筒测量坍落度（mm）作为混凝土流动性指标，适用于集料最大粒径不大于40mm、坍落度值不小于10mm的新拌混凝土。（2）维勃稠度试验适用于坍落度小于10mm的干硬性混凝土拌合物，维勃稠度的单位为S。 4.1.1.1新拌混凝土的工作性（和易性）3.新拌混凝土工作性的选择混凝土灌注时的坍落度（桥涵）结构类别坍落度/mm小型预制块及便于浇筑振动的结构0~20桥涵基础、墩台等无筋或少筋的结构10~30普通配筋率的钢筋混凝土结构30~50配筋较密、断面较小的钢筋混凝土结构50~70配筋极密、断面高而窄的钢筋混凝土结构70~90道路混凝土拌合物的和易性选择：路面宜为10~25mm，小于10mm时，维勃稠度宜为10~30S。 4.影响新拌混凝土工作性的主要因素（1）水泥浆的数量和集浆比，以满足流动性为宜；（2）水泥浆的稠度，取决于水灰比，最终取决于单位用水量，在保证混凝土强度和耐久性的条件下，根据流动性来确定单位用水量；（3）砂率，是指中砂用量占砂石用量的百分比。在水泥浆用量一定时，能使新拌混凝土获得最大流动性，又不离析、不泌水时的砂率为合理砂率；（4）水泥的品种和集料的性质，同条件下卵石的混凝土拌合物流动性优于碎石的混凝土拌合物；（5）温度与搅拌时间，主要注意夏季施工时有坍落度损失，最小搅拌时间；（6）外加剂4.1.1.1新拌混凝土的工作性（和易性）砂率与坍落度的关系砂率与水泥用量的关系 4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质强度变形抗压强度劈裂抗拉强度抗弯拉强度（抗折强度）非荷载作用变形（化学收缩、干湿变形、温度变形）荷载作用变形（弹塑性变形、徐变） 1.强度（1）抗压强度标准值和强度等级1）立方体抗压强度fcu（MPa）按照标准的制作方法制成边长为150mm的正方体试块，在标准养护条件下养护至28d，按照标准的测定方法测定出抗压强度值，即为立方体抗压强度。（试验时，以3个试件为一组，若三个试件抗压强度差别不大，取三个试件强度的算术平均值作为每组试件的强度代表值）。4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 2）立方体抗压强度标准值fcu,k按照标准的方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度，以MPa计。3）强度等级混凝土强度等级是根据其立方体抗压强度标准值来确定的。强度等级用C加立方体抗压强度标准值表示。如“C30”级混凝土表示这一级别的混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k=30MPa。4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 (2)抗弯拉强度ft道路路面或机场跑道面用水泥混凝土，以弯拉强度（或称抗折强度）为主要强度指标，抗压强度为参考强度指标。道路水泥混凝土抗弯拉强度是以标准方法制备150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下养护28d后，按照三分点加荷方式，测定其抗弯拉强度。F4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 (3)轴心抗压强度fcp为使测得的混凝土抗压强度接近混凝土结构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件时，都是采用混凝土的轴心抗压强度作为依据。规范规定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为测定轴心抗压强度的标准试件，轴心抗压强度为4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 （4）劈裂抗拉强度fts混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/10~1/20，当直接受拉时，很小的变形就会开裂。工作时，一般不依靠抗拉强度。但是在结构设计中，抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 2.影响混凝土强度的因素（1）水泥强度和水灰比根据研究结果及工程实践经验，混凝土强度与水灰比、水泥实际强度三者之间的关系为：4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 （2）养护温度和湿度养护温度增高，混凝土的强度增长的比较快。湿度适当，混凝土强度能得到充分发展，若湿度不够，将降低混凝土的强度，并使混凝土表面产生大量干缩裂缝。（3）龄期强度随龄期的增长而提高，初期增长较快，后期增长较缓慢。适用条件：普通硅酸盐水泥拌制的混凝土，龄期大于三天。可用来估算不同龄期的混凝土强度。可根据强度公式及影响混凝土强度的条件，提出提高混凝土强度的措施4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 3.变形硬化后水泥混凝土的变形，包括非荷载作用下的化学变形、干湿变形、温度变形以及荷载作用下的弹-塑性变形和徐变(1)非荷载作用变形1)化学收缩—对结构没有什么影响；2)干湿变形—混凝土干湿变形常在表面产生细微裂缝，当干缩变形受到约束时，常引起构件的翘曲或开裂，影响混凝土的耐久性。防治措施：调节集料级配、增大粗集料的粒径，减少水泥浆的用量，选择适当水泥品种，加强早期养护等措施。4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 3)温度变形—温度变形对于大体积混凝土极为不利，容易产生裂缝，影响结构的安全。防治措施：采用低水化热水泥、减少水泥用量、采用人工降温措施；设置伸缩缝、配置温度钢筋。请分析大体积混凝土由于水化热而产生裂缝的原因，并提出减少温度裂缝的措施。4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 (2)荷载作用变形1)弹塑性变形与弹性模量在桥梁工程中，以应力为轴心抗压强度的40%（σ=0.4fcp）时的割线弹性模量作为混凝土的弹性模量。即4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 2)徐变混凝土在持续荷载作用下，随时间增加的变形成为徐变，也称蠕变。影响徐变的因素：混凝土水灰比大、龄期短、徐变大；水泥用量多徐变大；大气湿度小，徐变大；荷载应力大，徐变大徐变的影响：产生预应力损失（害处）；消除部分应力集中，能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力（益处）。但一般情况下，害处的影响大于益处的影响，所以尽量减少徐变。4.1.1.2硬化后混凝土的力学性质 4.1.1.3混凝土的耐久性4.1.1.3混凝土的耐久性1.抗冻性混凝土的耐久性一般以抗冻标号表示。混凝土的抗冻标号是以龄期28d的试件在吸水饱和后，承受反复冻融循环至300次，当混凝土试件相对动弹性模量下降至60%以下，或试件的质量损失率达5%时的循环次数来确定。抗冻标号分为D25、D50、D100、D150、D200、D300等。2.耐磨性耐磨性用单位面积磨耗量（Gc）来表示。 3.碱-集料反应水泥混凝土中水泥的碱与某些活性集料发生化学反应，引起混凝土产生膨胀、开裂，甚至破坏，这种化学反应称为碱-集料反应。造成的破坏会一直持续下去，难以补救。对重要工程的混凝土使用的碎石（卵石）应进行碱活性检验。应严格控制外加剂的类型、控制水泥的碱成分。4.1.1.3混凝土的耐久性影响耐久性的因素：水灰比、水泥用量 4.混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土的氢氧化钙和二氧化碳反应，使混凝土中性化。混凝土碱度降低将容易使钢筋锈蚀，产生体积膨胀，致使混凝土保护层开裂。加剧碳化的进行和钢筋的锈蚀，最终将导致混凝土沿钢筋开裂而破坏。碳化能使混凝土表面密实度增加，其抗压强度能得到提高。措施：适当的保护层厚度，合理选择水泥品种，提高混凝土的密实度，减少“蜂窝、麻面”或表面裂缝，涂刷保护层。4.1.1.3混凝土的耐久性 4.1.2普通混凝土组成材料的技术要求混凝土的基本组成材料有：水泥、细集料、粗集料、水水泥：品种的选择按照P70页表3-8的要求，强度等级以砼强度等级的1.0~1.5倍为宜。细集料：级配、细度模数、强度与坚固性、有害杂质含量符合要求。粗集料：强度、坚固性、最大粒径及颗粒级配(应采用连续级配矿质混合料)、表面特征及形状、有害杂质含量符合要求。在固定用水量和水灰比的条件下，加大粒径，可获得较好的和易性；或者在同样和易性的条件下，加大粒径，可减少水灰比从而提高砼的抗压强度（但会降低抗拉强度）。应注意，最大粒径应满足构造要求。4.1.2普通混凝土组成材料的技术要求 碎石配制的混凝土有较高的强度（同条件下与卵石相比），在相同的单位用水量条件下，卵石配制的混凝土拌合物有较好的和易性。一般要求桩基础混凝土采用卵石，其余结构采用碎石或破碎后的卵石。针状颗粒指粒径长度大于平均粒径的2.4倍颗粒，片状颗粒指颗粒厚度小于平均粒径的0.4倍的颗粒。针片状颗粒影响混凝土的抗折强度和混凝土拌合物的和易性。有害杂质主要注意碱-集料反应。混凝土拌合用水：一般采用生活用水即可。4.1.2普通混凝土组成材料的技术要求 4.1.3普通水泥混凝土的组成设计组成设计的目的是确定配合比，配合比有两种表示方式：（1）1m3混凝土中各组成材料的质量水泥：水：细集料：粗集料=330kg：180kg：720kg：1260kgC:W:S:G=330kg：180kg：720kg：1260kg（2）混凝土中各组成材料的质量比例水泥：细集料：粗集料=1：2.18：3.82，W/C=0.544.1.3普通水泥混凝土的组成设计 4.1.3.1混凝土配合比设计步骤初步配合比基准配合比试验室配合比施工配合比初步配合比：根据原始资料，按照理论计算得到；基准配合比：在初步配合比的基础上，经过试拌调整材料用量，满足混凝土拌合物的和易性要求；试验室配合比：以基准配合比为基础，满足和易性及强度要求以上三种配合比中的集料均是干燥状态的。施工配合比：根据现场集料的含水量调整组成材料的用量。4.1.3.1混凝土配合比设计步骤 4.1.3.2普通混凝土配合比设计方法1.初步配合比计算流程(1)求配制强度fcu,0fcu,0=fcu,k+1.645σ标准差σ值表混凝土强度等级/MPa低于C20C20~C35高于C35标准差σ/MPa4.05.06.0标准差σ的数值可反映施工单位的质量管理水平，σ越小质量管理水平越高。 1.初步配合比计算流程(2)求水灰比1)根据混凝土强度与水灰比的关系进行求解2)按耐久性要求校核“1)”中求得的水灰比和耐久性要求的最大水灰比比较，取小值。耐久性要求的最大水灰比见P78表3-17 1.初步配合比计算流程(3)确定单位用水量（mw0）首先根据结构物的类型、结构截面尺寸、钢筋的疏密程度以及施工条件按照P59表3-2选定混凝土坍落度数值。其次根据坍落度数值及集料的最大粒径按照P79表3-18选定混凝土的单位用水量。掺外加剂时，混凝土的单位用水量可按照下式计算：(4)计算单位水泥用量(mc0)“(2)”中水灰比确定后，根据“(3)”中确定的单位用水量可求出单位水泥用量。根据耐久性要求校核。计算出的的单位水泥用量与耐久性要求的最小水泥用量相比较，取大值。mwa—掺外加剂后的用水量mw0—未掺外加剂时的用水量β—外加剂的减水率 1.初步配合比计算流程(4)确定合理砂率（βs）砂率的选择按照水灰比及集料的最大粒径确定。(5)计算粗、细集料的单位用量（mg0,ms0）两种计算方法：注意以上各公式数据所用单位均为国标单位，即质量为kg，密度为kg/m3 2.基准配合比的计算初步计算配合比是根据经验公式和经验图表估算而得，因此不一定符合实际情况，必须通过试拌验证。当不符合设计要求时，需通过调整使和易性满足施工要求，使W/C满足强度和耐久性要求。根据初步计算配合比配成混凝土拌合物，先测定混凝土坍落度，同时观察粘聚性和保水性。如不符合要求，按下列原则进行调整：(1)当坍落度小于设计要求时，可在保持水灰比不变的情况下，增加用水量和相应的水泥用量(水泥浆)。(2)当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的情况下，增加砂、石用量。(3)当粘聚性和保水性不良时(通常是砂率不足)，可适当增加砂用量，即增加砂率。(4)当拌合物显得砂浆量过多时，可单独加入适量石子，即降低砂率。 2.基准配合比的计算当混凝土和易性满足要求后，测定拌合物实际表观密度(ρh)，并按下式计算每1m3混凝土的各种材料用量－即基准配合比：令：A=mc拌+mw拌+ms拌+mg拌式中：A－试拌调整后，各材料的实际总用量(kg)；ρh－混凝土的实测表观密度(kg/m3)；mc拌、mw拌、ms拌、mg拌－试拌调整后，水泥、水、砂子、石子实际拌合用量(kg)；mca、mwa、msa、mga－基准配合比中1m3混凝土水泥、水、砂子及石子的拌合用量(kg)。 必须特别说明和重视的是，当初步计算配合比的和易性，经测试完全满足要求而无需调整时，也必须测定实际混凝土拌合物的表观密度，并利用上式计算mca、mwa、msa、mga，否则将出现“负方”或“超方”现象。亦即按初步计算配合比拌制1m3混凝土，在实际拌制时，少于或多于1m3。基准配合比与初步计算配合比的表观密度也相同时，则无需重新计算，基准配合比与计算配合比相等。2.基准配合比的计算 3.试验室配合比的确定根据满足和易性要求的基准配合比和水灰比，配制一组混凝土试件；另外，保持水量不变，水灰比分别增加和减少0.05再配制二组混凝土试件，其用水量与基准配合比基本相同，砂率可分别增加或减小1％。进行强度试验。试验时，进行检验的项目为：1）测定28d龄期的抗压强度；2）测定混凝土拌合物的表观密度，以供最后修正材料用量；3）检验混凝土的坍落度、粘聚性和保水性。测定抗压强度，以三组试件的强度和相应灰水比作图，确定与配制强度相应的灰水比。不同灰水比的混凝土立方体抗压强度灰水比c/wfcu(MPa)2.081.891.7239.338.437.7配制强度为38.2，带入公式后求得水灰比为0.54 3.试验室配合比的确定用作图法或计算法求出与混凝土配制强度相对应的灰水比后，确定每立方米混凝土各种材料用量(试验室配合比)。(1)用水量(mw)：应取基准配合比中的用水量，并根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度进行调整；(2)水泥用量(mc)：应以用水量乘以选定出的灰水比计算确定；(3)砂和石子用量(ms和mg)：应取基准配合比中的砂、石子用量，并按选定的灰水比进行调整；(4)根据满足和易性及强度要求的配合比计算混凝土表观密度的计算值ρc,c=mw+mc+ms+mg 3.试验室配合比的确定(5)由于计算配合比时作了一些假定，故计算混凝土表观密度与实测表观密度不一定相等，需根据实测表观密度计算校正系数，并校正各种材料的用量。校正系数：当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2％时，材料用量不必校正；若两者之差超过2％时，将配合比中每项材料用量乘以校正系数,即为确定的混凝土试验室配合比。 4.施工配合比的确定试验室确定配合比时，骨料均以干燥状态为准，而工地现场的砂、石材料都含有一定的水分，为了准确地实现试验室配合比，应根据现场砂石的含水率对配合比进行换算。若现场砂的含水率为以a％，石子的含水率为b％，经换算后，每立方米混凝土各种材料的用量为：设计实例