第一节，骨料土木工程材料

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1、混 凝 土 Concrete第 三 章本章主要内容介绍了各种水泥混凝土的组成、结构 与性能，以及混凝土的配合比设计方法 和应用。v普通混凝土 普通混凝土组成材料及其基本要求 混凝土外加剂 普通混凝土拌和物的性质 普通混凝土结构及性质 混凝土的质量评定 普通混凝土配合比设计 v其他混凝土 学习方法指导v牢记基本概念混凝土是由胶凝材料(水泥) 胶结各种粗、细颗粒状骨料，形成的一种颗粒 堆聚材料。v理解混凝土中各组分材料的要求与作用；v熟悉混凝土的各种性质及其影响因素；v掌握混凝土的配合比设计方法和质量控制措施 ；v了解各种混凝土的应用技术。 混凝土在土木工程中的重要性v混凝土是用量最大的结构材料，

2、每年世界混凝土 消耗量为11亿吨，是钢材消耗量的10倍以上；v混凝土是应用最广的结构材料，可用于桥梁、隧 道、道路、水利、房屋建筑等工程；v原因混凝土具有耐久性，耐水、耐火；新拌混凝土具有很好的流动性和冲模性，容易浇注成各 种形状和尺寸的结构构件；价格低廉，原材料储量丰富，分布很广。Itaipu DamSports Palace in Rome 钢丝网砂浆概 述1、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，2、混凝土的种类v根据

3、表观密度 0：普通混凝土(2400kg/m3) ；轻混凝土 (1950kg/m3) ；重混凝土 (2600kg/m3) 。v根据用途(功能 )：普通混凝土；道路混凝土；防水混凝土；耐热混凝土；耐酸混凝土；防辐射混凝土 ；膨胀混凝土；装饰混凝土等 。 根据生产与施工 方法： 商品混凝土 泵送混凝土 喷射混凝土 碾压混凝土 挤压混凝土 压力灌浆混凝土 预应力混凝土 离心混凝土等。 混 凝 土3、混凝土的特点v耐久性能好；v组分材料来源丰富，经济性好；v容易成型为任意形状和尺寸的构件；v可大量利用工业废料；v可与钢材复合使用；v性脆易裂，抗拉强度低；v混凝土生产能耗较低，维护费用少。混凝土是复杂的、

4、随机性的材料 Concrete is a Complex and Random Materialsv其微结构由非匀质的三相组成，而每一相又包含 非匀质的多相；v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)；v与其它材料不同，它是使用前才在工程现场或就 近生产的。4、混凝土理论与技术的历史 v1867年，钢筋混凝土理论；v1916年，混凝土强度的水灰比理论；v1925年，水灰比学说和恒定用水量法则；v1928年，混凝土的收缩与徐变理论，预应力技术 ；v20世纪中叶，混凝土减水剂等外加剂技术；v20世纪90年代，高性能混凝土的概念与技术。5、土木工程

5、对混凝土的基本要求 v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；v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；v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；v满足经济与生态的要求，能源与资源消耗低 、环境负荷少等。混凝土材料工业的可持续发展 Sustainable Development of Concrete Industry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。第 一 节普 通 混 凝 土 三 问 ？v混凝土

6、的组成与结构是什么(What) ？v混凝土具有哪些性能(Which)？v如何制备和使用混凝土(How)?混凝土的宏观结构粗骨料细骨料水泥石过渡区一、混凝土的组成与结构（一） 普通混凝土的组成水泥水水泥浆石子砂子骨 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 凝土的性能各组成材料的作用骨 料v廉价的填充材料，节省水泥用量v混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展v传力作用v降低水化热v提供耐磨性水泥浆v润滑作用与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流 动性v胶结作用包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的凝 结硬化，将砂、石骨

7、料胶结成整体，形成固体各组成材料的作用水v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v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外加剂v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；减水剂减少拌和需水量；引气剂在混凝土中引起封闭气孔；v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（二） 硬化混凝土的结构宏观上，混凝土是一个砂、石颗粒状骨料分布 在水泥石中形成的复合结构，主要由三相构成：v砂、石骨料是混凝土的骨架分散相；v水泥石是混凝土的基

8、体相连续相；v骨料与水泥石间的过渡区界面相。 1) 骨料相的结构要素v骨料种类来源不同：碎石、卵石(砾石)岩石种类：花岗岩、石灰石等；v骨料的粒形等径多面体针片状多面体v骨料表面状态表面光滑表面粗糙v骨料颗粒尺寸与级配v骨料的分布 背散射扫描电镜照片未水化水泥颗粒C-S-H氢氧化钙单硫型硫 铝酸盐2) 水泥石相的结构要素v孔隙率；v孔隙特征与孔径分布；v固体颗粒的尺寸与分布；v含水状态。3) 过渡区相的结构要素v过渡区厚度；v过渡区固体颗粒尺寸与形状；v过渡区的孔隙率。骨料氢氧化钙混凝土中骨料与水泥石间的过渡区混凝土过渡区结构骨 料过渡区水泥石本体C-S-H钙矾石CH骨 料裂缝扩展的 路径和方

9、向骨 料水泥石骨料 周围 的过 渡区过渡区相 ITZ Phase1. 混凝土的结构特点v多物相、多孔性复合体水泥石与砂石骨料均是多物相、多孔性材料v固体颗粒堆聚体混凝土结构是一个各种尺寸的颗粒堆聚体，砂石颗粒堆 积成骨架，水化物与水泥颗粒堆积成水泥石v复杂与非匀质性骨料种类不一，形状与尺寸不等，分布不均；水泥石组成与结构不均；薄弱过渡区(厚度约1050m)的存在v非固定与可变性水泥石和过渡区的组成与结构是随时间、温度与湿度环境不断变化着的。水泥石含有晶体和非晶体的水化物、 未水化水泥颗粒、各种孔隙和水；砂石骨料含有各种岩石矿物和孔隙界面也含有水泥水化物和孔隙粗骨料堆积的孔隙由细骨料来填充；细骨

10、料堆积的孔隙由水化物和水泥颗粒 、矿物掺和料粉末颗粒来填充；由此形成一个固体颗粒密堆聚体结构。2. 混凝土的结构要素v各种尺寸固体颗粒分布的均匀性；v各种固体颗粒堆积的密实性；v固体颗粒的总表面积;v总孔隙率与界面孔隙率；v孔隙特征与孔径分布3. 混凝土结构的影响因素v骨料的种类与体积含量碎石：表面粗糙、针片状多，需浆量大，界面粘结好；卵石(砾石)：表面光滑、针片状少，需浆量小，但界面 粘结差。v骨料的粒径与级配v水泥用量v水灰比v施工工艺v养护条件4. 理想的混凝土结构 v密实较大颗粒堆聚所留下的孔隙由较细颗粒填充， 较细颗粒堆聚所留下的孔隙由更细颗粒所填充;密实度最大或总孔隙率最小时，固体

11、颗粒的总 比表面积最小;界面致密。v均匀各种物相分布均匀均匀、密实的多物相堆积体Summaryv普通混凝土由水泥、砂、石和水组成，为了改善 性能，可添加化学外加剂与矿物掺合料；砂石构成混凝土的骨架，传递应力，限制变形；水泥与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土流动性，硬化后 将骨料颗粒胶结成整体；v混凝土微结构是由骨料相、水泥石相和界面过渡 区相构成的复杂结构；v结构特点有多物相、多孔性的堆积体复杂而不均匀非固定而多变v混凝土的理想结构均匀、密实的堆积体二、普通混凝土的组成材料 v骨 料v水v水 泥v外加剂（一） 骨 料 Aggregate1. 骨料的定义与用途v骨料是岩石类材料v骨料在土木工程中的应

12、用：水泥混凝土沥青混凝土道路基础铁路道渣砂浆v每年用量约为20亿吨v骨料的生产混凝土中的骨料v经济上：在不影响混凝土性能的条件下，在 混凝土中尽可能多地加入骨料，以降低混凝 土的成本；v骨料可提供混凝土很好的稳定性和比水泥石 更好的耐久性。混凝土中骨料的基本要求 v具有良好的颗粒级配，使堆积空隙率小，颗粒 总比表面积较小，以减少水泥浆用量；v骨料颗粒表面干净，以保证与水泥浆有良好的 粘结力； v含有害杂质少，不得含有影响水泥凝结硬化和 后期混凝土耐久性的成分； v具有足够的强度和坚固性，以保证起到骨架和 传力作用。 骨料用量对混凝土与净浆收缩比的影响2、骨料的种类v按照骨料粒径粗骨料：粒径大于

13、4.75mm的岩石颗粒，如卵石、碎石细骨料：粒径小于4.75mm的岩石颗粒，如河砂、山砂 、海砂v按照骨料的密度普通骨料：堆积密度在15201680kg/m3的骨料密度在25002700kg/m3 轻骨料： 堆积密度1120kg/m3的骨料密度在1000kg/m3 重骨料： 堆积密度2080kg/m3的骨料密度在35004000kg/m3如陶粒、煅烧页岩、 膨胀蛭石、膨胀珍珠岩 、泡沫塑料颗粒等。如铁矿石、重晶石等。碎 石卵 石骨料的种类普通骨料轻骨料重骨料骨料的分类骨料的种类按照骨料来源分为：v天然岩石骨料：由天然岩石组成的骨料，如砂 、卵石、碎石等。v按照岩石的主要成分分为：氧化硅矿物、碳

14、酸 盐矿物、氧化铁矿物、硫化物矿物、粘土矿物 等。v人工骨料：热加工骨料：膨胀页岩、膨胀蛭石等；工业副产物：矿渣、铁渣、粉渣等；v再生骨料：破碎混凝土、破碎粘土砖等。3、骨料的特性及其影响v骨料的含水状态v骨料的密度v骨料的粒径与级配v骨料的孔隙率v骨料的形状v骨料的表面特征v骨料的弹性模量v骨料的强度v骨料的坚固性v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(1) 骨料的密度、表观密度与堆积密度 v密度测量 可用“排液法”直接测量砂、石骨料颗粒的密度。直接测得的密度实际是骨料的表观密度，但由于砂、 石的孔隙率小，将此法测得的密度为视密度密度。大多数天然骨料的视密度为

15、2.43.0。v堆积密度测量 砂、石的堆积密度一般用固定体积法测量；砂用5升的体积的质量确定；石用10升体积的质量确定。骨料堆积密度取决于颗粒粒径与级配 天然岩石的密度 岩石种类平均密度密度范围 玄武岩(Basalt)2.802.603.0花岗岩(Granite)2.692.603.0砂岩(Gritstone)2.692.602.9角页岩(Hornfels)2.822.703.0石灰岩(Limestone)2.662.52.8斑岩(Porphyry)2.732.602.9石英岩(Quartzite)2.622.62.7(2) 骨料的粒径及其分布v骨料粒径及其分布粗骨料：最大粒径与颗粒级配；细骨

16、料：细度模数与颗粒级配。v骨料粒径与颗粒级配影响骨料堆积孔隙颗粒级配合理可减少堆积孔隙；单一粒径越大，堆积孔隙越多。v粒径及其分布影响的混凝土性能混凝土的用水量；混凝土的水泥用量；新拌混凝土的和易性混凝土的微裂缝骨料粒径 越大，堆积的空 隙越多，所需水 泥浆用量越大关于骨料粒径及其分布的几个基本概念v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。v粗细程度指的是不同粒径细骨料混合在一起的总体粗 细程度平均粒径大小。v最大粒径指的是粗骨料公称粒级的上限允许最大值 。1）砂子的颗粒级配与粗细程度v细度模数Mx细度模数表征砂的粗细程度，可以理解为质均粒径 ，由筛分法测定。细度模数越大，骨料越粗，根据细度模数将砂分为 ：细砂（2.21.6）；中