第五章 混凝土.docx

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第五章混凝土

第五章混凝土

5.1概述

       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。

它是一种主要的建筑材料，广泛应用于工业与民胜建筑、给水与排水工程、水利工程以及地下工程、国防建设等。

混凝土也是世界上用量最大的人造材料。

5.1.1混凝土分类

       混凝土可以分为很多类型。

1）按照混凝土的结构分类

（1）普通结构混凝土：

由（重质或轻质）粗集料、（重质或轻质）细集料、胶结材和水拌合而成。

若以碎石或卵石、砂、水泥和水则制成普通混凝土。

（2）细粒混凝土：

由细集料和胶结材制成。

主要用于薄壁构件。

       （3）大孔混凝土：

由粗集料和胶结材制成。

主要用于保温外墙体。

       （4）多孔混凝土：

这种混凝土无粗集料、细集料，全由磨细的胶结材和其它粉料加水拌成的料浆，有机械方法或化学方法使之形成许多微小的气泡后，再经硬化制成。

2）按照混凝土的表观密度分类

（1）重混凝土：

表观密度大于2800kg/m3是用特别密实和特别重的骨料制成的。

如重晶石混凝土、钢屑混凝土等，它们具有不透射线和射线的性能。

（2）普通混凝土：

表观密度为2000~2800kg/m3是，用天然的砂、石作内料配制成的，这类混凝土在土建工程中常用，如房屋用桥梁等承重结构，道路建筑中的路面等。

       （3）轻混凝土：

表观密度小于1950kg/m3。

       此外，还有为满足不同工程的特殊要求而配制成的各种特种混凝土，如高强混凝土、流态混凝土、防护混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土，纤维混凝土、聚合物混凝土和喷射混凝土等。

5.1.2混凝土的特点

       混凝土具有以下优点：

1.具有良好的塑性，成型性好；

2.与钢筋有牢固的粘结力，协调性好；

3.耐久性好；

4.可根据需要配制各种不同性质、不同强度等级的混凝土，适用性好；

5.混凝土组成材料中砂、石等廉价的地方材料占80%以上，经济性好。

       混凝土也存在着抗拉强度低，受拉时变形能力小，容易开裂，自重大等缺点。

为弥补这些缺点可配制预应力钢筋混凝土、自应力混凝土、聚合物混凝土、纤维混凝土等。

5.2普通混凝土的组成材料

普通混凝土（以下简称为混凝土）是由水泥、砂、石和水所组成。

为改善混凝土的某些性能还常加入适量的外加剂和掺合料。

5.2.1混凝土中各组成材料的作用

       在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料或集料；水泥与水形成水泥浆，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，赋予混凝土半和物一定流动性，便于施工操作。

水泥浆硬化后，则将砂、石骨料胶结成一个坚实的整体。

砂、石一般不参与水泥与水的化学反应，主要作用是节约水泥、承担荷载，限制硬化水泥的收缩。

外加剂、掺合料起节约水泥和改善混凝土性能的作用。

       混凝土中，骨料一般约占总体积的70%~80%，水泥浆（硬化后为水泥石）约占20%~30%，此外还含有少量的空气。

5.2.2混凝土组成材料的技术要求

1）水泥

       采用何种水泥，应根据混凝土工程特点和所处的环境条件。

       原则上是配制高强度等级的混凝土，选用高强度等级水泥；配制低强度等级的混凝土，选用低强度等级水泥。

       用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度，所以应掺入一定数量的混合材料。

须用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土时，使水泥用量过多，不经济，而且要影响混凝土其蛇技术性质。

2）细骨料

       粒径在0.15mm~5.0mm之间的骨料称为细骨料，一般有河砂、海砂、山砂、机制砂。

（1）有害杂质

       细骨料中常含有一些有害杂质，如粘土、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机杂质，其含量应符合规定。

对砂中的无定形二氧化硅含量有怀疑时，应根据结构或构件的使用条件，进行专门试验测定其碱骨料反应的活性即碱活性后，再确定其适用性。

（2）颗粒形状及表面特征。

       山砂的颗粒多具有棱角，表面粗糙，与水泥粘结较好，用它拌制的混凝土强度较高，但拌合物的流坳性较差；河砂、海砂，其颗粒多呈圆珠笔形，表面光滑，与水泥的粘结较差，用来拌制混凝土，混凝土的强度则较低，但拌合物的流动较好。

（3）砂的颗粒级配及粗细程度

       砂的颗粒级配即表示砂大小颗粒的搭配情况。

为达到节约水泥和提高强度的目的，就应尽量减小砂粒之间的空隙。

       砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后的总体的粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。

在相同质量条件下，细砂的总表面积较大，而粗砂的总表面积较小。

砂子的总表面积愈大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆就愈多。

因此，一般说用粗砂拌制混凝土比用细砂所需的水泥浆为省。

       砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。

用级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数表示砂的粗细。

筛分析的方法，是用一套孔径（净尺寸）为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30及0.15mm的标准筛，将500g的干砂试样由粗到细依次过筛，然后称得余留在各个筛上的砂的质量，并计算出各筛上的分计筛余百分率a1、a2、a3、a4、a5和a6（各筛上的筛余量占砂样总量的百分率）及累计筛余百分率A1、A2、A3、A4、A5、A6（各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率相加在一起）。

累计筛余下分计筛余的关系见表4-1。

表4-1   累计筛余与分计筛余的关系

筛孔尺寸（mm）

分计筛余（%）

累计筛余（%）

4.75

a1

A1=a1

2.36

a2

A2=a1+a2

1.18

a3

A3=a1+a2+a3

0.60

a4

A4=a1+a2+a3+a4

0.30

a5

A5=a1+a2+a3+a4+a5

0.15

a6

A6=a1+a2+a3+a4+a5+a6

细度模数μf的公式：

细度模数（μf）=

       细度模数（μf）愈大，表示砂愈粗。

普通混凝土用砂的粗细程度按细度模数分为粗、中、细三级，其细度模数范围：

μf在3.70~3.10为粗砂，μf在3.00~2.30为中砂，μf在2.20~1.60为细砂，μf在1.50~0.70为特细砂。

       根据0.60mm筛孔的累计筛余量分成三个级配区（表4-2），混凝土用砂的颗粒级配，应处于表4-2中任何一个级配区以内。

砂过粗（细度模数大于3.7）配成的混凝土，其拌合物的和易性不易控制，且内摩擦大，不易振捣成型；砂过细（细度模数小于0.7）配成的混凝土，既要增加较多的水泥用量，而且强度显著降低。

所以这两种砂未包括在级配区内。

表4-2   砂颗粒级配区

筛孔尺寸（mm）

级配区

Ⅰ区

Ⅱ区

Ⅲ区

累计筛余（按质量计）（%）

9.50

4.75

2.36

1.18

0.60

0.30

0.15

0

10~0

35~5

65~35

85~71

95~80

100~90

0

10~0

25~0

50~10

70~41

92~70

100~90

0

10~0

15~0

25~0

40~16

85~55

100~90

注：

①砂的实际颗粒级配与表中所列数字相比，除4.75mm和0.60mm筛号外，可以略有超出，但超出总量应小于5%。

②Ⅰ区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100~85，Ⅱ区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100~80，Ⅲ区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100~75。

       如果砂的自然级配不合适，不符合级配区的要求，这时就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，在不得已时，也可将砂加以过筛，筛除过粗或过细的颗粒。

       配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂；当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性要求；当采用Ⅲ区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度。

对于泵送混凝土，宜选用中砂。

3）粗骨科

普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石，粒径大于5mm。

（1）有害杂质

       粗骨料中也常含有一些有害杂质，如粘土、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机杂质，它们的含量一般应符合规定。

对重要工程的混凝土所使用的石子，应进行碱活性检验。

（2）颗粒形状及表面特征

       粗骨料的颗粒形状及表面特征同样会影响其与水泥的粘结及混凝土拌合物的流动性。

碎石具有棱角，表面粗糙，与水泥粘结较好，而卵石多为圆形，表面光滑，与水泥的粘结较差，在水泥用量和水用量相同的情况夏，碎石拌制的混凝土流动性较差，但强度较高，而卵石拌制的混凝土则流动性较好，但强度较低。

如要求流动性相同，用卵石时用水量可少些，结果强度不一定低。

       粗骨料中针、片状颗粒过多，会使混凝土强度降低。

（3）最大粒径及颗粒级配

       粗骨料中公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。

根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002的规定，混凝土粗骨料的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1/3板厚的骨料，但最大粒径不得超过40mm。

       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。

特别是拌制高强度混凝土，石子级配更为重要。

       石子的级配也通过筛分试验来确定，石子的标准筛有孔径为2.5、5、10、16、20、25、31.5、40、50、63、80及100mm等12个筛子。

普通混凝土用碎石或卵石的颗粒级配应符合表4—5的规定。

试样筛分所需筛号，应按表4-3中规定的级配要求选用。

分计筛余百分率和累计筛余百分率计算均与砂的相同。

表4-3   碎石或卵石的颗粒级配范围

级配情况

公称

粒级

（mm）

累计筛余按质量计（%）

筛孔尺寸（圆孔筛）（mm）

2.36

4.75

9.50

16.0

19.0

26.5

31.5

37.5

53.0

63.0

75.0

90.0

连续料级

5～10

95～100

80～100

0～15

0

—

—

—

—

—

—

—

—

5～16

95～100

85～100

30～60

0～10

0

—

—

—

—

—

—

—

5～20

95～100

90～100

40～80

—

0～10

0

—

—

—

—

—

—

5～25

95～100

90～100

—

30～70

—

0～5

0

—

—

—

—

—

5～31.5

95～100

90～100

70～90

—

10～45

—

0～5

0

—

—

—

—

单粒级

5～40

—

95～100

85～90

—

30～65

—

—

0～5

0

—

—

—

10～20

—

95～100

85～100

—

0～15

0

—

—

—

—

—

—

16～31.5

—

95～100

—

85～100

—

—

0～10

0

—

—

—

—

20～40

—

—

95～100

—

80～100

—

—

0～10

0

—

—

—

31.5～63

—

—

—

95～100

—

—

75～100

45～75

—

0～10

0

—

40～80

—

—

—

—

95～100

—

—

70～100

—

30～60

0～10

0

（4）强度

       碎石或卵石的强度可用岩石立方体强度和压碎指标两种方法表示。

       用岩石立方体强度表示粗骨料强度，其抗压强度（MPa）与设计要求的混凝土强度等级之比，不应小于1.5。

当混凝土强度等级为C60以上时应进行岩石抗压强度检验。

       压碎指标表示石子抵抗压碎的能力，可以间接地推测其相应的强度。

压碎指标越小，粗骨料的强度越高。

（5）坚固性

       有抗冻要求的混凝土所用粗骨料，要求测定其坚固性。

即用硫酸钠溶液法检验，试样经五次循环后，其质量损失应不超过规范规定。

4）水

       对混凝土拌合及养护用水的质量要求是：

不得影响混凝土的和易性及凝结；不得有损于混凝土强度发展；不得降低混凝土的耐久性、加快钢筋腐蚀及导致预应力钢筋脆断；不得污染混凝土表面。

5）外加剂

       混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物质。

掺量不大于水泥质量的5%。

常用外加剂有减水剂、早强剂、缓凝剂、速凝剂、引气剂、泵送剂、膨胀剂、防冻剂、防水剂等

（1）减水剂

       减水剂是使混凝土拌合物达到同样坍落度时，用水量明显减少的外加剂，又可称为塑化剂。

       减水剂有以下作用：

       ①在保持和易性不变的情况下，掺减水剂可使混凝土的单位用水量减少5%~30%，有效地降低了水灰比，从而可能较大幅度地提高混凝土的早期或后期强度，也提高了混凝土的密度性和耐久性。

       ②在保持用水量不变的情况下，掺减水剂可使混凝土坍落度增大10cm~20cm，使困难的浇筑变得方便容易，从而满足混凝土工程大模板施工、升板施工、泵送等新工艺的要求。

       ③在保持混凝土强度不变以及和易性不变的情况下，掺减水剂在减少用水量的同时按水灰比不变的原则，减少水泥用量，从而节约水泥。

一般可以节约水泥5%~20%。

       ④可制备各种高强、超高强混凝土（早强、缓凝高强）。

       常用减水剂品种如下：

       ①木质素磺酸盐系减水剂：

木质素磺酸钙（简称木钙，又称M型减水剂）使用较多。

木钙减水剂的掺量，一般为水泥质量的0.2%～0.3%，其减水率为10%～15%。

木钙减水剂对混凝土有缓凝作用，掺量过多或在低温下缓凝作用更为显著，而且还可能使混凝土强度降低。

木钙减水剂是引气型减水剂，掺用后可改善混凝土的抗渗性、抗冻性、降低泌水性。

       ②多环芳香族磺酸盐系减水剂（萘系减水剂）：

萘系减水剂的适宜掺量为水泥质量的0.5%～0.1%，减水率为10%～25%。

掺用萘系减水剂后，混凝土的其它力学性能以及抗渗性、耐久性等均有所改善。

且对钢筋无锈蚀作用。

萘系减水剂的减水、增强效果显著，属高效减水剂。

萘系减水剂对不同品种水泥的适应性较强。

适用于配制早强、高强、流态、防水、蒸养等混凝土。

       ③水溶性树脂系减水剂：

这类减水剂主要是三聚氰胺树脂（SM）。

SM减水剂掺量为水泥质量的0.5%~2.0%，其减水率为15%~27%。

这种减水剂除具有显著的减水、增强效果外，还能提高混凝土的其他力学性能和混凝土的抗渗、抗冻性，对混凝土的蒸养适应性也优于其他外加剂。

水溶性树脂系减水剂为高效减水剂，适用于早强、高强、蒸养及流态混凝土等。

       ④糖蜜类减水剂：

糖蜜类减水剂主要成分为蔗糖化钙、葡萄糖化钙及果糖化钙，一般掺量为0.2%~0.3%，减水率6%~10%。

糖蜜类减水剂对混凝土的缓凝作用较显著，掺量过多时，会影响混凝土的凝结性能。

       ⑤复合减水剂：

减水剂可与其它外加剂进行复合，组成复合减水剂，如早强减水剂、缓凝减水剂、引气减水剂等，以满足不同施工要求及降低成本。

（2）早强剂

       早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂。

常用早强剂：

       ①氯盐类早强剂：

主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化胺、氯化铁、氯化铝等，氯盐类早强剂均有良好的早强作用，其中氯化钙早强效果好而成本低，应用最广。

氯化钙的适宜掺量为水泥质量0.5%~1.0%。

为防止氯盐对钢筋的锈蚀，一般氯盐与阻锈剂（如亚硝酸钠）复合使用。

       ②硫酸盐类早强剂：

主要有硫酸钠（即元明粉）、硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝、硫酸铝钾等。

其中硫酸钠应用较多。

一般掺量为水泥质量的0.5%~2.0%。

硫酸钠对矿渣水泥混凝土的早强效果优于普通水泥混凝土。

硫酸钠的早强效果虽好，但若掺入量过多则会导致混凝土后期性能变差，且混凝土表面易析出“白霜”，影响外观与表面装饰，故对其掺量必须控制。

       ③有机胺类早强剂：

主要有三乙醇胺。

三乙醇胺是无色或淡黄色油状液体，呈碱性，能溶于水。

掺量为水泥质量的0.02%～0.05%。

三乙醇胺对水泥有一定缓凝作用，对普通水泥混凝土的早强效果优于矿渣水泥混凝土。

三乙醇胺对混凝土稍有缓凝作用，故必须严格控制掺量，掺量过多时会造成混凝土严重缓凝和混凝土强度下降。

（3）速凝剂

       速凝剂是能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。

速凝剂的主要种类有无机盐类和有机物类。

我国常用的速凝剂是无机盐类。

       速凝剂主要用于矿山井巷、铁路隧道、引水涵洞、地下工程及喷锚支护时的喷射混凝土或喷射砂浆工程中。

在实际工程中为了提高施工质量、节约材料、改善劳动条件，往往把速凝剂与减水剂复合使用。

（4）缓凝剂

       缓凝剂是能延长混凝土凝结时间的外加剂。

缓凝剂的主要种类有：

羟基羧酸及其盐类，如酒石酸、柠檬酸、葡萄糖酸及其盐类以及水杨酸；含糖碳水化合物类，如糖蜜、葡萄糖、蔗糖等；无机盐类，如硼酸盐、磷酸盐、锌盐等；木质素磺酸盐类，如木钙、木钠等。

       缓凝剂主要用于高温季节混凝土、大体积混凝土、泵送和滑模混凝土施工以及远距离运输的商品混凝土。

缓凝剂不宜用于日最低气温5℃以下施工的混凝土，也不宜用于有早强要求的混凝土和蒸养混凝土。

（5）引气剂

       引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。

引气剂的主要种类有：

松香树脂类，如松香热聚物、松香皂等。

引气剂的适宜掺量为水泥质量的0.005%~0.02%。

掺量虽然极微，但对混凝土性能影响却很大，可改善混凝土拌合物的和易性、提高混凝土的抗渗性、抗冻性。

由于单掺引气剂有可能会使混凝土强度降低，故近年来较多使用引气减水剂。

       在使用外加剂时，应注意以下几点：

       ①外加剂品种的选择：

外加剂品种很多，应根据工程需要，现场的材料条件，参照有关资料，通过试验确定。

       ②外加剂掺量的确定：

混凝土的外加剂均有适宜掺量，掺量过小，往往达不到预期的效果；掺量过大，则会造成浪费，有时会影响混凝土质量，甚至造成质量事故。

因此，应通过试验确定最佳掺量。

       ③外加剂的掺加方法 外加剂掺入混凝土拌合物中的方法不同，其效果也不同。

例如减水剂采用后掺法比先掺法和同掺法效果好，其掺量只需先掺法和同掺法的一半。

所谓先掺法是将减水剂先与水泥混合然后再与骨料和水一起搅拌；同掺法是将减水剂先溶于水形成溶液后再加入拌合物中一起搅拌；后掺法是指在混凝土拌合物送到浇筑地点后，才加入减水剂并再次搅拌均匀进行浇筑。

6）掺合料

       在混凝土拌合物制备时，为了节约水泥、改善混凝土性能（提高和易性、降低了水化热、提高抗渗性；抑制碱骨料反应等）、调节混凝土强度等级，而加入的天然的或者人造的矿物材料，统称为混凝土掺合料。

其掺量超过水泥质量的5%，在混凝土配合比设计时，需要考虑体积或质量变化。

掺合料品种见表4-4。

表4-4 活性矿物掺合料的分类

类         别

主   要   品   种

天   然   类

   火山灰、凝灰岩、硅藻土、蛋白石质粘土、钙性粘土、粘土页岩

人   工   类

   煅烧页岩或粘土

工 业 废 料

   粉煤灰、硅灰、沸石粉、水淬高炉矿渣粉、煅烧煤矸石

5.3普通混凝土的主要技术性质

5.3.1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（拌合、运输、浇灌、捣实）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，包括有流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。

   混凝土拌合物的流动性可用坍落度和维勃稠度表示。

坍落度愈大表示流动性愈大。

   根据坍落度的不同，可将混凝土拌合物分为4级，见表4–5。

表4-5   混凝土按坍落度的分级

级别

名称

坍落度（mm）

T1

低塑性混凝土

10~40

T2

塑性混凝土

50~90

T3

流动性混凝土

100~150

T4

大流动性混凝土

≥160

       选择混凝土拌合物的坍落度，要根据构件截面大小，钢筋疏密和捣实方法来确定。

当构件截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些。

反之，如构件截面尺寸较大，或钢筋较疏，或采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。

2）影响和易性的主要因素

（1）水泥浆的数量

       混凝土拌合物中的水泥浆，赋予混凝土拌合物以一定的流动性。

在水灰比不变的情况下，单位体积拌合物内，如果水泥浆愈多，则拌合物的流动性愈大。

但若水泥浆过多，将会出现流浆现象，使拌合物的粘聚性变差，同时对混凝土的强度与耐久性也会产生一定影响，且水泥用量也大。

水泥浆过少，至使其不能填满骨料空隙或不能很好包裹骨料表面时，就会产生崩坍现象，粘聚性变差。

因此，混凝土拌合物中水泥浆的含量应以满足流动性要求为度，不宜过量。

（2）水泥浆的稠度

       水泥浆的稠度是由水灰比所决定的。

在水泥用量不变的情况下，水灰比愈小，水泥浆就愈稠，混凝土拌合物的流动性便愈小。

水灰比一般应根据混凝土强度和耐久性要求合理地选用。

无论是水泥浆的多少，还是水泥浆的稀稠，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。

一般是根据选定的坍落度，参考表4—6选用1m3混凝土的用水量。

在试拌混凝土时，不能用单纯改变用水量的办法来调整混凝土拌合物的流动性。

因单纯加大用水量会降低混凝土的强度和耐久性。

因此，应该在保持水灰比不变的条件下用调整水泥浆量的办法来调整混凝土拌合物的流动性。

表4-6  混凝土用水量选用表（kg/m3）

所需坍落/mm

卵石最大粒径/mm

碎石最大粒径/mm

10

20

31.5

40

16

20

31.5

40

10~30

190

170

160

150

200

185

175

165

35~50

200

180

170

160

210

195

185

175

55~70

210

190

180

170

220

205

195

185

75~90

215

195

185

175

230

215

205

195

注：

       ①本表不宜用于水灰比小于0.4或大于0.8的混凝土；

       ②本表用水量系采