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1、土木工程材料 （普通混凝土及砂浆）,陈德鹏,安徽工业大学本科生课程,了解：混凝土的特点及分类；混凝土各组 成材料在混凝土中作用； 其他砂浆的技术性质和应用,掌握：混凝土、砌筑砂浆的主要技术性质及 其意义和影响因素；普通混凝土、砌 筑砂浆配合比设计。,熟悉：混凝土对各组成材料的要求，各技 术指标的测试方法的特点及分类； 抹面砂浆技术性质与应用。,教学目标,混凝土（Concrete）,混凝土概述 普通混凝土的组成材料 普通混凝土的主要技术性质 混凝土的变形性能 混凝土的耐久性 混凝土配合比设计 其它种类混凝土 建筑砂浆,性质,一、混凝土的定义： 混凝土是由胶结料和骨料混合、通过一定的工艺成型后、硬
2、化而成的复合材料。 胶结料是无机胶凝材料，或有机胶凝材料或二者的复合。 水泥混凝土，通常简称混凝土，是由水泥浆胶结颗粒骨料或骨料构架而成的人造石材砼，,二、混凝土的分类,一、混凝土的定义及分类,按胶凝材料,耐久性能好； 组分材料来源丰富，经济性好； 容易成型为任意形状和尺寸的构件； 可大量利用工业废料； 可与钢材复合使用； 混凝土生产能耗较低，维护费用少。 性脆易裂，抗拉强度低； 自重大，比强度小； 耐久性不足； 体积收缩，加速劣化。,混凝土是复杂的、随机性的材料Concrete is a Complex and Random Materials,其微结构由非匀质的三相组成，而每一相又包含非匀
3、质的多相； 其微结构不是静止的，而是随时间不断变化；新生成的水化物可以填充微裂缝，有自愈性(Heal)； 与其它材料不同，它是使用前才在工程现场或就近生产的。,二、混凝土的特点,1867年，钢筋混凝土理论； 1916年，混凝土强度的水灰比理论； 1925年，水灰比学说和恒定用水量法则； 1928年，混凝土的收缩与徐变理论，预应力技术； 20世纪中叶，混凝土减水剂等外加剂技术； 20世纪90年代，高性能混凝土的概念与技术。,三、混凝土理论与技术的历史,恒定用水量法则:大量试验证明,当水灰比在一定范围(0.400.80)内而其他条件不变时,混凝土拌合物的流动性只与单位用水量(每立方米砼拌合物的拌合
4、水量)有关,满足混凝土结构设计的强度要求，以保证构筑物能安全地承受各种设计荷载； 满足混凝土施工所要求的和易性，以便硬化后能得到均匀密实的混凝土； 具有与工程环境相适应的耐久性，以保证构筑物在所处环境中服役寿命； 满足经济与生态的要求，能源与资源消耗低、环境负荷少等。,土木工程对混凝土的基本要求,原材料资源的保护及再生利用；减少耗能大、污染环境的硅酸盐水泥消耗量，多利用工业废料绿色化； 推进混凝土科学技术的发展，改善混凝土结构物的耐久性。,混凝土材料工业 的可持续发展,混凝土的宏观结构,粗骨料,细骨料,水泥石,过渡区,混凝土的组成与结构,裂缝扩展的路径和方向,骨 料,水泥石,骨料周围的过渡区,
5、骨 料 廉价的填充材料，节省水泥用量 混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展 传力作用 降低水化热 提供耐磨性,水泥浆 润滑作用与水形成水泥浆， 赋予新拌混凝土以流动性 胶结作用包裹在所有骨料表面， 通过水泥浆的凝结硬化，将骨料胶结成整体形成固体,各组成材料的作用,界面过渡区 ITZ,水 混凝土中的拌和水有两个作用: 供水泥的水化反应 赋予混凝土的和易性 剩余水留在混凝土的孔（空）隙中 使混凝土中产生孔隙 对防止塑性收缩裂缝与和易性有利 对渗透性、强度和耐久性不利,各组成材料的作用,化学外加剂：改善混凝土的性能 缓凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢； 促凝剂 使水泥浆凝结硬化速度减慢； 减水剂减少
6、拌和需水量； 引气剂在混凝土中引起封闭气孔；,矿物掺合料： 减少水泥用量， 改善混凝土性能 粉煤灰 硅灰 矿渣,水泥,水,水泥浆,砂子,石子,骨 料,新拌混凝土,100%体积,6075%,715%,2540%,1421%,2128%,3942%,凝结硬化,硬化混凝土,混凝土外加剂,为了改善或提高混凝土的性能,普通水泥混凝土的组成材料,水泥品种的选择依据 工程性质及所处的环境； 施工条件； 混凝土的强度等级。 若用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土，虽然满足强度要求的水泥用量少，但难以满足混凝土的和易性和耐久性的要求，不可取。 若用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土，满足强度要求的水灰比会很小，
7、其和易性难以满足施工要求，也不可取。 通常宜选用强度等级为混凝土强度等级标准1.52倍的水泥,水泥,一般河水、可饮用水，均可用来配制混凝土； pH值小于4的以及硫酸盐含量（SO3）超过1%的水不能用于配制混凝土； 海水不允许用来配制钢筋混凝土； 含有对水泥水化有害的有机杂质的水不能用来拌制混凝土。 需满足JGJ 63-2006 混凝土用水标准 ,水,细集料,粒径在0.154.75mm之间的岩石颗粒。细骨料主要采用天然砂和人工砂。,表观密度、堆积密度、空隙率应符合如下规定：表观密度大于2500kg/m3，松散堆积 密度大于1350kg/m3，空隙率小于47%。,砂子技术性能,砂中有害物质含量（G
8、B/T 146842001）,坚固性指标(GB/T 146842001),压碎指标(GB/T 146842001),混凝土用砂为何对粗细程度及颗粒级配有要求？,砂子粗细 比表面积 密实度 强度 和易性 ,砂的粗细程度及颗粒级配,评定砂的粗细程度 和颗粒级配,150m,300m,600m,1.18mm,2.36mm,4.75mm,9.50mm,砂子筛分析,m1,m2,m3,m4,m5,m6,M底,筛余量,筛分曲线,累 计 筛 余,怎 样 计 算 细 度 模 数 Mx ？,细度模数的计算,3.73.1为粗砂，3.02.3为中砂， 2.21.6为细砂。, 计算分计筛余百分率ai 计算累计筛余百分率A
9、i 计算细度模数Mx 评定级配, A4 ，（初）定级配； A1 ，在范围， 其它，5以内 最终定级配区,粒径在4.7590mm之间的集料谓之粗集料 粗集料的种类,粗集料,按照骨料的密度 普通骨料： 堆积密度15201680kg/m3 密度在25002700kg/m3 轻骨料： 堆积密度1120kg/m3 密度在1000kg/m3 重骨料： 堆积密度2080kg/m3 密度在35004000kg/m3,按照骨料颗粒形状 卵石、碎石,按照GB/T146852001 类、类、类,按照集料来源 天然集料 人工集料 再生集料,集料的特性及其影响,骨料的含水状态 骨料的密度 骨料的粒径与级配 骨料的孔隙率
10、 骨料的形状 骨料的表面特征 骨料的弹性模量 骨料的强度 骨料的坚固性 骨料的硬度,混凝土配合比设计所要求,影响新拌混凝土性能,影响硬化混凝土性能,碎石或卵石中技术指标（GB/T146852001）,颗粒级配,粗骨料颗粒级配 指的是大小粒径的骨料颗粒的互相搭配的比例情况 不同粒径颗粒的分布。 粗骨料的颗粒级配按供应情况分连续粒级、间断级配、单粒级。,评定方法 同砂子颗粒级配的评定方法。,筛孔系列 2.36、4.75、9.50、16.0、19.0、26.5、31.5、37.5、53、63、75、90,最大粒径,最大粒径 公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。,GB502042002规定 最大粒径不
11、得超过结构截面最小尺寸的1/4； 不得超过钢筋最小净距的3/4； 对于实心板，不得超过板厚的1/2且不得超过50mm； 对于泵送混凝土，最大粒径与输送管道内径之比，碎石不宜大于1:3，卵石不宜大于1:2.5。,石子强度指标,(1)岩石立方体强度: 将母岩制成50mm50mm50mm的立方体试件或50mm50mm的圆柱体试件，在水中浸泡48h以后，取出擦干表面水分，测得其在饱和水状态下的抗压强度值 不应小于混凝土强度的1.5倍,(2)压碎指标值:,坚固性,定义 骨料不因干/湿循环或冻/融循环等气候变化而产生体积变化导致混凝土的劣化。 骨料的坚固性取决于孔隙率、裂缝和杂质。 测试方法： 用硫酸钠溶
12、液浸泡检验，试样经5次循环后其质量损失率作为其评价指标。 测试原理： 硫酸钠(NaSO410H2O)在砂的孔隙中结晶时将产生体积膨胀，使砂内部产生作用于孔壁的应力，如坚固性不好将会使砂碎裂。,定义 在混凝土中加入除四种主要组分以外的其它外加材料。 为什么要使用外加剂？ 单纯依靠调节水、水泥和骨料用量，难以解决下列问题 用水量与良好和易性间的矛盾； 施工操作对凝结时间、放热速度、强度增长的要求； 耐久性对低连通孔隙率的要求。 外加剂是解决上述问题，改善混凝土性能，以满足工程特殊要求的重要技术途径； 现在有7080以上的混凝土使用了外加剂；,混凝土外加剂(Admixtures),外加剂的作用 改善
13、混凝土拌合物的和易性； 加快或延缓凝结时间； 控制强度增长； 提高抗冻融、热开裂、碱骨料膨胀、硫酸盐侵蚀和钢筋锈蚀等作用下的耐久性； 节约水泥用量，降低成本； 减少放热速度，控制温升。,按照组成 有机质表面活性物质 无机质电解质盐类化合物 按照功能 改善和易性：减水剂、泵送剂、引气剂等； 调节凝结时间：速凝剂、缓凝剂、早强剂等； 减少塑性收缩：减缩剂、膨胀剂等； 提高耐久性：引气剂、阻锈剂、防水剂等； 其它：防冻剂、泡沫剂、消泡剂等。,外加剂的种类,1、减水剂 Water Reducers,减水剂功能上能在和易性不变时，减少单位用水量；或在单位用水量不变时，能改善和易性；或二者都具备又不改变含
14、气量的外加剂。 种类： 减水效果 普通减水剂(也称塑化剂，Plasticiser)； 高效减水剂(也称超塑化剂，Superplasticiser)。 复合功能 早强减水剂； 缓凝减水剂； 引气减水剂。,1) 减水剂的组成与分子结构特点,减水剂都是表面活性剂，分子结构中含有亲水的离子基团和碳氢分子链，其中： 离子基团是酸根离子或氨基，如：SO3-、COO-、NH 3 +等； 碳氢分子链，带有羟基，如：烷烃基、芳香烃基等。 其结构如下图所示：,木质素磺酸盐的重复结构单元,减水剂的组成结构、物理化学特征,减水剂都是表面活性剂，分子结构中含有亲水的离子基团和碳氢分子链，其中： 离子基团是酸根离子或氨基
15、，如：SO3-、COO-、NH 3 +等； 碳氢分子链，带有羟基，如：烷烃基、芳香烃基等。 可溶于水，能显著降低水的表面张力； 能吸附在固体表面，并在固体表面定向排列，形成表面吸附分子层，降低水固界面张力。,减水剂的作用效果,通过湿润、润滑、分散、塑化等作用，能使水泥浆变稀、混凝土拌和流动性增大，从而，取得下列效果： 在保持用水量不变的条件下，增大坍落度，改善和易性，使混凝土易于浇注、成型密实； 在保持坍落度不变的条件下，减少用水量，降低水灰比(水胶比) ，提高混凝土强度和抗渗性； 在保持混凝土强度和和易性，在减少用水量的同时减少水泥用量。,当水灰比一定时，混凝土拌合物的坍落度随着减水剂掺量的
16、增加而增大,当坍落度恒定时，新拌混凝土的水灰比随着减水剂掺量的增加而减小,减水剂的作用机理,分散作用 当没有减水剂时，水泥加水后，不能获得均匀分散体系，由于下列原因而产生絮凝结构，使得部分拌合水包含其中，不能贡献给水泥浆的流动性： 水具有高表面张力(氢键分子结构) 水泥颗粒边、角和表面正负电荷间的相互吸力 当减水剂加入到水泥浆中，吸附在水泥颗粒表面，离子基团朝向水，使水泥颗粒表面带有几毫伏的负电荷，引起水泥颗粒相互排斥，打破了絮凝结构，释放其包含的水，改善分散性静电排斥作用； 由于减水剂碳氢分子链上的极性基吸附水，形成吸附层包裹在水泥颗粒表面，产生空间位阻效应，阻碍水泥颗粒的紧密接触，阻止絮凝结构的形成。 润滑作用（形成溶剂化水膜）,加减水剂前的絮凝结构,减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附,加入减水剂后，絮凝结构被打破,普通减水剂 Water-reducer,特点： 一般含有杂质； 减水率较小，约10%； 有一些副作用； 主要品种 木质素磺
