土木工程材料 Building and Construction Material土木与交通工程学院材料工程系北京建筑工程学院5 混凝土5.15.1混凝土的概述5.25.2混凝土的组成材料5.35.3新拌混凝土的性能5.45.4混凝土的力学性能5 混凝土5.55.5混凝土的变形5.65.6混凝土的耐久性5.85.8混凝土配合比设计5.1 混凝土的概述适当比例配合、拌制、成型、硬化混 凝 土水 泥水粗 骨 料细 骨 料外 加 剂掺 和 料人造石材（砼） 公元2世纪古罗马在大型建筑中不同的结构采用了不同的骨料，基础中用凝灰岩，穹顶中用浮石，说明古罗马人已使用了轻混凝土。 古埃及人用石膏作为胶结材料建造金字塔，中国修建长城曾在石灰中添加糯米汁（最早形式的化学外加剂）。 如罗马大圆剧场和著名的万神庙（被称为帝国建筑结构的真正杰作）； 建于公元12-14年的那不勒斯海港，现场观察，至今虽然被海浪磨光了表面，长满青苔，但混凝土却完好无损，数百米长的墙几乎无一裂缝。这说明这种混凝土具有极好的耐久性。至今仍存在的古罗马大型建筑水泥混凝土的发展过程 石灰-火山灰混凝土 硅酸盐水泥混凝土 掺和料水泥混凝土 高强度、早强混凝土 高性能混凝土（High Performance Concrete)建设速度要求地下、水下、大体积（断面80cm）工程要求强度要求耐久性、可持续发展要求优点：耐久，缺点：凝结缓慢凝结快、强度高，但水化热大耐蚀性好、水化热低，但凝结较慢、早强低凝结较快、强度高，但耐蚀性差以耐久性为首要的目标，满足强度要求、施工性能要求 高性能混凝土(HPC) 目前有关建筑法规中，一级建筑的安全使用期只定为50年；高性能混凝土由于其耐久性大幅度提高，安全使用期应更长： 在不利的使用条件下和严峻环境中，冻融、海水、严寒、酷热等地区，经妥善设计和优质施工的HPC结构的安全使用期应不低于100年； 在正常环境中使用的结构，其安全使用期应达200年； 特殊重要工程在采取必要措施后，其安全使用期应达300年。高性能混凝土的特点 低水胶比，低水泥用量； 选用优质原材料； 掺加足够数量的矿物细掺料； 高效外加剂。高性能混凝土已在国内的许多重要建筑得到应用，如上海南浦大桥、杨浦大桥、北京西客站、首都国际机场、国家大剧院、中央电视台等。5.1.2 混凝土的分类石灰气硬性石膏 无机 水玻璃 硅酸盐水泥水硬性 铝酸盐水泥 胶凝材料沥青 有机 树脂橡胶 按胶凝材料分类 类别干表观密度 kg/m3特点重混凝土2600重晶石、钢屑为重骨料普通混凝土1950-2500普通砂、石为骨料轻 混 凝 土轻集料混凝土800-1950浮石、陶粒等轻骨料多孔混凝土300-1000泡沫砼、加气砼普通大孔1500-1900无砂或少砂 轻骨料大孔500-1500轻骨料，无砂或少砂 混凝土按表观密度分类防水混凝土耐热混凝土耐碱混凝土耐酸混凝土保温混凝土结构混凝土混凝土按使用功能分类离心成型 混凝土泵送 混凝土普通浇注 混凝土喷射 混凝土混凝土按施工工艺分类钢筋混凝土纤维混凝土素混凝土预应力 混凝土混凝土按配筋情况分类超高强混凝土高强混凝土低强混凝土中强混凝土C30C30-C60C60-C100C100混凝土按强度分类 混凝土的组织结构 粗骨料细骨料水泥水化产物气孔 粗骨料细骨料水泥水化产物水泥水化产物Ca(OH)2AftC-S-H混凝土的结构u 从粗观尺度上看，混凝土是由水泥石和骨料两相组成的复合材料；从细观尺度上看，水泥石又是各种水化物和未水化颗粒、水、气等的多相复合体。各相之间的界面是混凝土内部结构重要的组成部分。u 在宏观现象上，普通混凝土的劣化或破坏往往出现在界面处。在混凝土承受荷载作用以前，界面处就充满微裂缝；受到荷载作用以后，随着应力的增长，这些微裂缝的开展，最终将导致水泥石的断裂。 混凝土的界面问题u 水泥石和骨料的弹性模量不同，当温度、湿度发生变化时，水泥石和骨料变形不一致，致使在界面处形成细微的裂缝；u 在混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向亲水的骨料表面迁移，在骨料表面形成一层水膜，从而在硬化的混凝土中留下细小的缝隙；u 浆体泌水也会在骨料下表面形成水囊。 界面劣化机理骨 料Ca(OH)2 Aft C-S-H过渡层 0-100m 混凝土界面过渡层模型 W/C高（从骨料水泥石，W/C）； 孔隙率大；Ca(OH)2和钙矾石多，C-S-H的CaO/SiO2比大； Ca(OH)2和钙矾石结晶颗粒大； Ca(OH)2取向生长。界面过渡层特点混凝土组成材料的作用在混凝土组成材料中，水泥和水组成水泥浆，它包裹在所有骨料的表面并填充在骨料空隙中。在混凝土硬化前，水泥浆起润滑作用，赋于混凝土拌合物流动性，便于施工；在混凝土硬化后起胶结作用，把砂、石骨料胶结成为整体，使混凝土产生强度，成为坚硬的人造石材砂、石是骨料，对混凝土起骨架作用，其中小颗粒的骨料填充大颗粒的空隙。粗、细骨料的总体积要占混凝土体积的7080，因此骨料质量的优劣，对混凝土各项性质的影响很大。5.2 混凝土的组成材料混凝土原材料的选择u原则：在保证原材料质量的前提下，尽可能减少水泥，保证混凝土的强度和提高耐久性。u方法：减小骨料间空隙，则填充骨料空隙的胶凝材料量减少；减小骨料的总表面积，则包裹骨料表面的胶凝材料浆量减少。u 水泥品种应根据混凝土工程特点、所处的环境条件和施工 条件等进行选择。一般可选用硅酸盐水泥或掺混合材的硅酸盐 水泥，必要时也可采用膨胀水泥、自应力水泥或快硬硅酸盐水 泥等其他水泥。u 所用水泥的性能必须符合现行国家有关标准规定。例如： 在大体积混凝土工程中，为了避免水泥水化热过大，通常选用 矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥；但 也可使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，这时应掺入掺合料和 必要的外加剂。u 以上两种技术路线，可以殊途同归，达到使混凝土中胶凝 材料体系适应使用环境之目的。5.2.1 混凝土组成材料之一：水泥u 原则上配制高强度等级的混凝土应选用强度等级高的水泥；配制低强度等级的混凝土，选用强度等级低的水泥。如采用强度等级高的水泥配制低强度等级混凝土时，会使水泥用量偏少，影响和易性和耐久性，必须掺入一定数量的矿物掺合料。u 目前，采用强度等级低的水泥配制高强度等级混凝土已经很普遍。混凝土强度等级为C30以下时，可采用强度等级为32.5的水泥；混凝土强度等级大于C30时，可采用强度等级为42.5以上的水泥。u 某施工队使用以煤渣掺量为30的火山灰水泥铺筑路面如图 。使用两年后，表面耐磨性差，已出现露石，且表面有微裂缝 。u按JTJ 01294公路混凝土路面设计规范，对于水泥混凝 土路面，“水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和道路硅 酸盐水泥。中等及轻交通的路面，也可以采用矿渣硅酸盐水泥 。”所以说火山灰水泥铺筑路面是选用水泥不当。u 该路面已出现较多裂纹，可见表面水泥砂浆层干缩较大。 从资料可见，水泥混凝土选用普通硅酸盐水泥，其熟料矿物组 成分别为 C3S 53，C2S 25，C3A 15，C4AF 7。所选 用的水泥熟料矿物组成中C3A含量较高，当水泥中C3A含量较高 ，其干缩较大，选用水泥不当。5.2.2 混凝土组成材料之二：骨料水泥骨 料砂石水10vol.%70vol.%15vol.%水泥的品种、强度等级含泥量及有害杂质含量； 颗粒形状及表面特征； 颗粒级配和粗细程度/最大粒径； 强度和坚固性。 包括饮用水、地表水、地下水、海 水以及经过处理后的工业废水等， JGJ63-2006混凝土拌合用水标准 5.00 2.50 1.25 0.630 0.315 0.160100 80.0 63.0 50.0 40.0 31.5 25.0 20.0 16.0 10.0 5.0碎 石卵 石山 砂河 砂海 砂粗骨料细骨料mmmm普通混凝土用碎石或 卵石质量标准及检验方 法JGJ53-92普通混凝土用砂质 量标准及检验方法 JGJ52-92骨料的作用：骨架作用，传递应力抑制收缩，防止开裂骨料（aggregate）u 骨料中的泥及其中的硫化物、硫酸盐、有机物，云母、轻物质等，会粘附在骨料表面，影响水泥石与骨料之间的胶结能力；或形成薄弱部分，或增大收缩，对混凝土的质量产生很大的影响。u 因此标准对砂和石中的泥、有害杂质含量进行限制。（1）骨料中的泥、有害杂质GB/T14684-2001建筑用砂规定了砂中有害物质含量的限 制：砂中有害物质含量砂中含泥量和泥块含量u粗骨料有害物质：卵石和碎石中不应混有草根、树叶 、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物。其有害物质应符合u 碱骨料反应：水泥中的碱性氧化物（Na2O、K2O）与骨料 中的活性成分反应，生成碱硅酸凝胶体，它会吸水肿胀产 生膨胀。使用含碱量小于0.6的水泥，或掺加能抑制碱 骨料反应的掺合料。u 一般来说有两类碱骨料反应：碱-碳反应：碱性物质与含 有碳酸盐类物质的骨料（如白云石等）发生化学反应；另一 类是碱-硅反应：碱性物质与含硅酸盐类物质的骨料（如蛋 白石和硅酸石灰石等）发生化学反应。u碱骨料反应的结果是在水泥骨料表面发生膨胀性断裂，从 而导致混凝土结构开裂。比起由于钢筋锈蚀而导致的病害和 开裂，碱骨料反应的过程很慢。海砂含盐要警惕！棱角状 浑圆状 针状 片状C30，含量15%； C30，含量25%（2）骨料形状及表面特征砂按产源分为天然砂、人工砂两类。u天然砂可分为：河砂、湖砂：其颗粒圆滑，比较洁净，产源广； 山砂：与河砂相比有棱角，表面粗糙，但含泥量和含有机杂质较多；淡化海砂： 虽然有河砂的优点，但常混有贝壳碎片和含较多盐分。u 人工砂是经除土处理的机制砂、混合砂的统称。（3）建筑用砂-细骨料砂的粗细程度和颗粒级配u颗粒级配：不同粒径砂相互搭配的情况u粗细程度：不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。u良好的级配能使骨料堆积所形成的空隙率和总表面积均较小，从而使所需水泥浆量较少，且提高混凝土的密实度和强度。u测定方法：筛分析法级配区和细度模数筛孔尺寸，mm分计筛余，%累计筛余，%5.00 2.50 1.25 0.630 0.315 0.160a1 a2 a3 a4 a5 a6A1=a1 A2=a1+a2 A3=a1+a2+a3 A4=a1+a2+a3+a4 A5=a1+a2+a3+a4+a5 A6=a1+a2+a3+a4+a5+a6(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1 100-A1Mx=3.7-3.1 粗砂 3.0-2.3 中砂 2.2-1.6 细砂细度模数/%1区 2区 3区/mm 图4.2 砂的级配曲线/mm/%u 超过3区往左上偏时， 表示砂过细，拌制混凝土 时需要的水泥浆量多，易 使混凝土强度降低，收缩 增大；u超过1区往右下偏时，表 示砂过粗，配制的混凝土 ，其拌合物的和易性不易 控制，而且内摩擦大，不 易振倒成型。u一般认为，处于2区级配的砂，其粗细适中，级配较好， 是配制混凝土的最理想的级配区。 |例1某干砂500g的筛分结果如下表所列,试计算该砂的细度 模数并评定其级配。计算细度模数：根据细度模数，该砂属粗砂。在级配区内画出该砂的筛分曲线。该曲线落在区（粗砂区）内，说明该砂为粗砂，级配合格。注x在3.73.1为粗砂，x在3.02.3为中砂，x在2.21.6为细砂，x在1.50.7为特细砂。砂子的坚固性：u指砂在自然风化和其它外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力。通常天然砂以硫酸钠溶液干湿循环5次后的质量损失来表示；人工砂采用压碎指标法进行试验。 类别 项目I类类类云母（按质量计）()/%1.02.02.0轻物质（按质量计）()/%1.01.01.0有机物（比色