任務1-1-3普通水泥混凝土性能及配合比設計

1、任務1-1-3普通水泥混凝土性能 及配合比設計授課內容 水泥混凝土概述水泥混凝土概述v水泥混凝土是以水泥和水組成的水泥漿體為粘結介質，將分散其間的不同粒徑的粗、細集料膠結起來，在一定的條件下，硬化成為具有一定力學性能的一種人工石材。v按表觀密度，水泥混凝土可分為：v（1）普通混凝土（干表觀密度約為2400kg/m3），是道路路面和橋梁結構中最常用的混凝土；v（2）輕混凝土 （干表觀密度可以輕達1900 kg/m3。）現(xiàn)代大跨度鋼筋混凝土橋梁為減輕結構自重，往往采用各種輕集料配制成輕集料結構混凝土，達到輕質高強，以增大橋梁的跨度。 v（3）重混凝土（干表密度可達3200 kg/m3 ）為了屏蔽各

2、種射線的輻射采用各種高密度集料配制的混凝土。v按強度分級，水泥混凝土按抗壓強度可分為3大類：v(1）低強度混凝土 抗壓強度小于30MPa;v(2) 中強度混凝土 抗壓強度3060MPa；v(3) 高強度混凝土 抗壓強度大于60MPa。v此外，可根據工程的特殊要求，配制各種特種混凝土，如：加氣混凝土、泵送混凝土、防水混凝土、道路混凝土、水工混凝土、纖維加筋混凝土、補償收縮混凝土等。v普通水泥混凝土具有許多優(yōu)點，在凝結前具有良好的塑性，因此可以澆制成各種形狀和大小的構件或結構物；它與鋼筋有牢固的粘結力，能制作鋼筋混凝土結構和構件；經硬化后有抗壓強度高與耐久性良好的特性；其組成材料中砂、石等地方材料

3、占80%以上，符合就地取材和經濟的原則。但事物總是一分為二的，普通混凝土也存在著抗拉強度低，受拉時變形能力小，容易開裂，自重大等缺點。v一、普通水泥混凝土的組成材料普通水泥混凝土v（一）水泥v1水泥品種的選擇v配制水泥混凝土一般可采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。必要時也可采用快硬硅酸鹽水泥或其他水泥。v2水泥強度等級的選擇v 選用水泥強度等級應與要求配制混凝土等級相適應。v（二）細集料v1砂的顆粒級配和細度模數v2 有害雜質含量 v3 含泥量、石粉含量和泥塊含量v4 堅固性v5 表觀密度、堆積密度、空隙率 v6 堿集料反應v（三）粗集料v1強

4、度v2堅固性v3最大粒徑及顆粒級配v1）最大粒徑的選擇 2）顆粒級配 v4表面特征及形狀v5有害物質含量v6堿集料反應v（四）混凝土拌和用水v（五）外加劑v（六）摻合料v二、普通水泥混凝土的主要技術性質v（一）新拌混凝土的工作性（和易性） v水泥混凝土在尚未凝結硬化以前，稱為新拌混凝土或稱混凝土拌和物。新拌混凝土具有良好的工藝性質，稱之為工作性（或稱和易性）。v1工作性的含義v工作性（和易性）這一術語的含義，至今尚無公認的定義。通常認為它包含：“流動性”、“可塑性”、“穩(wěn)定性”和“易密性”這四個方面的含義。優(yōu)質的新拌混凝土應具有：滿足輸送和澆搗要求的流動性；不為外力作用產生脆斷的可塑性；不產生

5、分層、泌水的穩(wěn)定性和易于澆搗密致的密實性。v2工作性的測定方法v（1）坍落度與坍落擴展度法試驗 v（2）維勃稠度試驗 v3影響和易性的主要因素v1）組成材料質量及其用量（內因）v（1）水泥漿的數量和集漿比；（2）水泥漿的稠度；（3）砂率；（4）組成材料性質v2）環(huán)境條件與攪拌時間（外因）v對混凝土拌和物和易性有影響的環(huán)境因素主要有濕度、溫度、風速。 v4混凝土拌和物和易性的選擇v1）公路橋涵用混凝土拌和物的和易性，應根據公路橋涵技術規(guī)范有關規(guī)定選擇。 v2）道路混凝土拌和物的工作性選擇v（二）硬化混凝土的強度 v1混凝土的抗壓強度標準值和強度等級v1）立方體抗壓強度（ fcu ）v2）立方體抗

6、壓強度標準值（fcu，k）v3）強度等級（C）v2混凝土的軸心抗壓強度（fcp）v3混凝土的劈裂抗拉強度（fts）v4混凝土的抗折強度（ftf）v按照標準的制作方法制成邊長為150mm的正立方體試件，在標準養(yǎng)護室中（溫度202，相對濕度為95%以上），或在溫度為202的不流動的Ca(OH)2飽和溶液中養(yǎng)護；（標準養(yǎng)護室內的試件應放在支架中；彼此間隔1020mm，試件表應保持潮濕，并不得被水直接沖淋的條件下）養(yǎng)護28天齡期，按標準方法測定其抗壓強度值，稱為“混凝土立方體抗壓強度”，可按下式計算：v式中：fcu立方體抗壓強度（Mpa） F試件破壞荷載（N）；A試件承壓面積（mm2）。 c uFfA

7、v立方體抗壓強度標準值（ fcu，k ），按我國現(xiàn)行國家標準混凝土強度檢驗評定標準（GBJ10787）的定義是：按照標準方法制作和養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件，在28天齡期，用標準試驗方法測定的抗壓強度總體分布中的一個值，強度低于該值的百分率不超過5%（即具有95%保證率的抗壓強度）以N/mm2（即Mpa）計，以fcu，k表示。v混凝土強度等級是根據立方體抗壓強度標準值來確定的。強度等級的表示方法，用符號“C”和“立方體抗壓強度標準值”兩項內容來表示，如C20即表示混凝土立方體抗壓強度標準值為20Mpa。v我國現(xiàn)行規(guī)范（GB500102002）規(guī)定，普通混凝土按立方體抗壓強度標準值劃分C

8、15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等14個等級。v我國現(xiàn)行國家標準（GB/T500812002）規(guī)定，采用150mm150mm300mm的棱柱體作為標準試件，測定其軸心抗壓強度。混凝土的軸心抗壓強度可按下式計算：v式中： fcp混凝土的軸心抗壓強度（Mpa）； F試件破壞荷載（N）；v A 試件承壓面積（mm2）。v通過許多棱柱體和立方體試件的強度試驗表明：在立方體抗壓強度為1050 Mpa的范圍內，軸心抗壓強度與立方體抗壓強度之比約為0.70.8。c pFfAv我國現(xiàn)行國家標準（GB/T500812002）規(guī)定，采用1

9、50mm150mm150mm的立方體作為標準試件，在立方體試件（或圓柱體）中心平面內用圓弧為墊條施加兩個方向相反、均勻分布的壓應力，當壓力增大至一定程度時試件就沿此平面劈裂破壞，這樣測得的強度稱為劈裂抗拉強度?；炷恋呐芽估瓘姸龋?fts ）可按下式計算：v式中： fts混凝土的劈裂抗拉強度（Mpa）； F試件破壞荷載（N）；B 試件承壓面積（mm2）0 .6 3 7tsFfAv道路路面或機場跑道用水泥混凝土，以抗折強度（也稱抗彎拉強度）為主要強度指標，抗壓強度作為參考指標。根據我國公路水泥混凝土路面設計規(guī)范（JTG D402002）規(guī)定道路路面用水泥混凝土的抗折強度是以標準方法制備成150

10、mm150mm550mm的梁形試件，在標準條件下，經養(yǎng)護28天后，按三分點加荷方式測定其抗折強度（ ftf ），可按下式計算：v式中： ftf混凝土的抗彎拉（抗折）強度（Mpa）；F試件破壞荷載（N）；L支座間距（mm）；b試件寬度（mm）；h試件高度（mm）。2t fFLfbhv5影響水泥混凝土強度的因素v1）材料組成v（1）水泥強度與水灰比 v（2）集料特性與水泥漿用量v2）養(yǎng)護溫度與濕度 3）齡期v6提高混凝土強度的技術措施v1）采用高強度水泥和特種水泥v2）采用低水灰比和漿集比v3）摻加外加劑v4）采用濕熱處理方法v（1）蒸汽養(yǎng)護 （2）蒸壓養(yǎng)護 v5）采用機械攪拌和振搗v（三）混凝土

11、的變形v1彈性變形和彈性模量 v彈性變形是指對材料施加荷載出現(xiàn)、荷載卸除后消失的變形。 v2徐變v混凝土在持續(xù)荷載的作用下。隨時間增長的變形稱為徐變，也稱為蠕變?；炷恋男熳冏冃卧谠缙谠鲩L很快，然后逐漸減慢，一般要23年才可能基本趨于穩(wěn)定。當混凝土卸載后，一部分變形瞬間恢復，還有一部分要若干天內才能逐漸穩(wěn)定，稱為徐變恢復，剩下不可恢復部分稱為殘余變形。v3溫度變形v混凝土具有熱脹冷縮的性質，它的溫度膨脹系數約為1.010-10，即溫度升高1每米膨脹0.01mm。v4化學收縮v混凝土拌和物由于水化產物的體積比反應前物質的總體積要小，因而產生收縮，稱為化學收縮。 v5干濕變形v這種變形主要表現(xiàn)為濕

12、脹干縮，混凝土在干燥空氣中硬化時，隨著水分的逐漸蒸發(fā)，體積也將逐漸發(fā)生收縮；如在水中或潮濕條件下養(yǎng)護時，則混凝土的干縮將隨之減少或略產生膨脹。 v（四）混凝土的耐久性v道路與橋梁用混凝土除了要滿足工作性和強度外，還要求具有優(yōu)良耐久性。耐久性首要要求是抗凍性；其次對道路混凝土，因受車輛輪胎作用，還要求其有耐磨性；橋梁墩臺混凝土受海水或污水的侵蝕，還要求具有抗化學侵蝕的耐蝕性；此外，堿集料反應必須引起關注。v1抗凍性：混凝土的抗凍性是指混凝土在飽和水狀態(tài)下遭受冰凍時，抵抗凍融循環(huán)作用而不破壞的能力。 v2混凝土的耐磨性：耐磨性是道路路面和橋梁工程用混凝土的最重要的性能之一。 v3堿集料反應：水泥混

13、凝土中水泥與某些堿活性集料發(fā)生化學反應，可引起混凝土產生膨脹、開裂，甚至破壞，這種化學反應稱為堿集料反應（簡稱ARR）。 v4混凝土的碳化v混凝土的碳化作用是指大氣中的二氧化碳在存在水的條件與水泥水化產物氫氧化鈣發(fā)生反應，生成碳酸鈣和水。因氫氧化鈣是堿性，而碳酸鈣是中性，所以碳化又叫中性化。碳化主要是對混凝土的堿度、強度和收縮產生影響。v5混凝土的抗侵蝕性v當混凝土所處的環(huán)境水有侵蝕性時，必須對侵蝕問題予以重視。環(huán)境侵蝕主要指對水泥石的侵蝕，如淡水侵蝕、硫酸鹽侵蝕、酸堿侵蝕等?；炷恋目骨治g性主要在于選用合適的水泥品種和提高混凝土密實度。密實性好及具有封閉孔隙的混凝土，環(huán)境水不易侵入混凝土內部

14、，故其抗侵蝕性好。 v（一）混凝土配合比設計的基本資料v1混凝土設計強度等級；v2工程特征（工程所處環(huán)境、結構斷面、鋼筋最小凈距等）；v3耐久性要求（如抗凍性、抗侵蝕、耐磨、堿集料等）；v4水泥強度等級和品種；v5砂、石的種類，石子最大粒徑、密度等；v6施工方法等。普通水泥混凝土配合比設計（以抗壓強度為指標的計算方法）v（二）表示方法v混凝土配合比表示方法，有下列兩種：v1單位用量表示法 以每1m3混凝土中各種材料的用量表示。v2相對用量表示法 以水泥的質量為1，并按“水泥：細集料：粗集料；水灰比”的順序排列表示。v（三）基本要求v1施工工作性的要求v2結構物強度要求v3環(huán)境耐久性要求v4經濟

15、性的要求v（四）混凝土配合比設計三參數v1、水灰比 2、砂率 3、單位用水量 v（五）混凝土配合比的基本原理v1絕對體積法 2假定表觀密度法 3查表法v（六）混凝土配合比設計的步驟v1初步配合比的計算v2試拌調整提出基準配合比v3檢驗強度，確定試驗室配合比v4施工配合比v案例案例（以抗壓強度為指標的設計方法） v案例試設計鋼筋混凝土橋T型梁混凝土配合比v原始資料v1已知混凝土設計強度等級為C30，無強度歷史統(tǒng)計資料，要求混凝土拌和物坍落度為30mm50mm。橋梁所在地區(qū)無凍害影響。v2組成材料：可供應強度等級42.5級普通硅酸鹽水泥；密度為3.1103kg/m3；富余系數為1.13；砂為中砂,

16、表觀密度為2.65103kg/m3；碎石最大粒徑為31.5mm，表觀密度為2.70103kg/m3。v設計要求v1按題給資料計算出初步配合比。v2按初步配合比在試驗室進行試拌調整得出試驗室配合比。 v設計步驟v（一）計算初步配合比v1確定混凝土配制強度fcu,ov按題意已知：設計要求混凝土強度為30MPa，無歷史資料，查表3-17標準差為5.0MPa。v混凝土配制強度：v2計算水灰比W/Cv1）按強度要求計算水灰比v（1）計算水泥實際強度 由題意已知采用強度等級42.5MPa普通硅酸鹽水泥，富余系數為1.13。則水泥實際強度：,1.645301.645538.2cu ocu kffMPa,1.

17、13 42.548cecce kffMPa（2）計算水灰比 已知混凝土配制強度為38.2MPa，水泥實際強度為48MPa。本單位無混凝土強度回歸系數統(tǒng)一資料，查表3-17中回歸系數。計算水灰比：2）按耐久性校核水灰比v根據混凝土所處環(huán)境為無凍害影響地區(qū)，查表3-19，允許最大水灰比為0.60,按強度計算的水灰比滿足耐久性要求,采有0.56。v3選用單位用水量mw0由題意已知，要求混凝土拌和物坍落度為30mm50mm，碎石最大粒徑為31.5mm。查表3-20選用混凝土用水量為185kg/m3。,0.46 480.5638.20.46 0.07 48acecu oabcefWCffv4計算單位水泥

18、用量mc0v1）按強度計算單位水泥用量v已知混凝土單位水用量為185 kg/m3，水灰比為0.56，混凝土單位水泥用量為：v2）按耐久性校核單位水泥用量v根據混凝土所處環(huán)境為無凍害影響，查表3-19，最小水泥用量不得小于275kg/m3。按強度計算單位水泥用量符合耐久性要求。采用單位水泥用量330kg/m3。2185330/0.56wocommkgmWCv5選定砂率按已知集料采用碎石，最大粒徑31.5mm，水灰比為0.56，查表3-21，選取砂率為0.33。v6計算砂石用量v1）采用質量法v已知：單位水泥用量為330kg/m3，單位用水量為185kg/m3，混凝土拌和物濕表觀密度為2400kg

19、/m3，砂率為0.33，得：v 解得： v按質量法計算得初步配合比：即 1:1.88:3.83, W/C=0.562400 330 1850.33sogocpcowosossogommmmmmm33622/,1263/sogomkg m mkg m2)采用體積法：已知:水泥密度為3.1103kg/m3；砂的表觀密度為2.65103kg/m3；碎石表觀密度為2.70103kg/m3。100010gosocowosgcwsossogommmmmmm3301851000102.652.703.1010.33gosososogommmmm非引氣混凝土=1v解得:砂用量為619kg/m3；碎石用量為12

20、57kg/m3。v按體積法計算得初步配合比：即：12.483.98，W/C=0.56。v（二）調整工作性、提出基準配合比v1計算試樣材料用量v按計算初步配合比取樣15L，則各種材料的用量為v水泥：3300.015=4.95(kg) 砂: 6190.015=9.23(kg)v石子: 12570.015=18.86(kg) 水: 1850.015=2.78(kg)2.調整工作性 按計算材料用量拌制混凝土拌和物,測定其坍落度為20mm,不滿足題給的施工和易性要求.為此,保持水灰比不變,增加5%水泥漿.再經拌和坍落度為40mm,粘聚性和保水性亦良好,滿足施工和易性要求.此時混凝土拌和物各組成材料實際用

21、量為:水泥:4.95(1+5%)=5.20(kg) 砂: 9.28(kg)石子: 18.86(kg) 水: 2.78(1+5%)=2.92(kg)v3.提出基準配合比v可得出基準配合比: 5.20:9.28:18.86=1:1.78:3.63 W/C=0.56v(三)檢驗確定、測定試驗室配合比v1檢驗強度v以計算水灰比0.56為基礎，選用水灰比分別為0.51、0.56和0.61，基準用水量185kg/m3不變，相應調整砂、碎石用量。拌制三組混凝土拌合物并成型試件，水灰比為0.51和0.61的兩個配合比也經過坍落度試驗調整，均滿足要求。與三個水灰比相應的28d抗壓強度實測結果分別為43.7MPa、37.5MPa、33.8MPa。根據試驗結果，繪制混凝土