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1、土木工程材料土木工程材料教案教案 第四章第四章 白城师范学院白城师范学院白城师范学院白城师范学院 土木工程系土木工程系土木工程系土木工程系杨杨杨杨 勇勇勇勇4.混凝土与砂浆4.1 普通混凝土的组成材料 4.2 混凝土拌合物的性能 4.3 硬化后混凝土的性能4.4 普通混凝土配合比设计及质量控制4.5 其他种类混凝土及其新进展4.6 砂浆学习目标：掌握普通混凝土组成材料的品种、技术要求及选用。熟练掌握混凝土拌合物的性质及其测定和调整方法；硬化混凝土的力学性质、变形性质和耐久性及其影响因素；普通混凝土配合比设计方法。了解混凝土技术的新进展及其发展趋势。掌握砌筑砂浆的性质、组成、检测方法及其配合比设
2、计方法。熟悉抹面砂浆的主要品种性能要求及其配制方法。混凝土是由胶凝材料、水和粗、细集料按适当的比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。1）按胶结材料：水泥水泥、沥青、硅酸盐、聚合物、硫磺混凝土等。2）按表观密度：重混凝土（2600）、普通混凝土普通混凝土（25002000）、轻混凝土（1950）。3）按施工工艺：泵送、喷射、真空脱水、碾压、热拌混凝土等。4）按用途：防水、防射线、耐酸、装饰、耐火混凝土等。5）按掺料：粉煤灰、硅灰、磨细矿渣、纤维混凝土等。6）按强度：低强（30MPa）、中强（3060MPa）、高强混凝土（60MPa）。7）按水泥用量：贫（170kg）和富混凝土 (
3、230kg)。4.1普通混凝土的组成材料普通水泥混凝土的组成材料主要是水泥、水、细骨料和粗骨料，还常包括掺和料和外加剂（各组成材料的作用不同）。基本工艺包括按配合比称量各组成材料、搅拌、运输、浇注、振捣、养护。4.1.1水泥1）水泥品种的选择：根据工程性质、部位、施工条件、环境状况、水泥的特性合理选择（表3-10）。2）水泥强度等级的选择：应于混凝土的设计强度等级相适应。一般以水泥强度为混凝土强度的1.52倍为宜。如水泥强度偏低，会使水泥用量过大，不经济，而且会影响混凝土其他技术性质。如水泥强度偏高，则水泥用量偏少，会影响混凝土和易性和密实度，导致该混凝土耐久性差。如必须用高强度水泥配低强度混
4、凝土时，可通过掺入一定量的混合材料来改善和易性，提高其密实度。 4.1.2集料普通混凝土集料分两种：1）细集料（4.75mm）：碎石和卵石。 针状颗粒：长度大于该颗粒所属相应粒级的平均粒径2.4倍者。 片状颗粒：厚度小于平均粒径0.4倍者。 2.集料的技术性质对混凝土性能的影响1）泥和泥块含量）泥和泥块含量含泥量是指砂石中含泥量是指砂石中75m的的颗粒的含量。砂中原粒的含量。砂中原1.18mm水洗后手捏水洗后手捏0.6mm的颗粒含量为砂的泥的颗粒含量为砂的泥块含量。石块含量。石中原中原4.75mm水洗后手捏水洗后手捏2.36mm的的颗粒含量为石的泥块含量。颗粒含量为石的泥块含量。2）有害物质含
5、量）有害物质含量草根、树叶等杂物；有机物、硫化物及硫酸盐；云母、草根、树叶等杂物；有机物、硫化物及硫酸盐；云母、轻物质、氯化物等。轻物质、氯化物等。3）坚固性）坚固性骨料的坚固性，按标准规定是用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其重量损失应符合规定。4）碱含量）碱含量 骨料中若含有活性氧化硅，会于水泥中的碱发生碱-骨料反应，产生膨胀并导致混凝土开裂。5）级配和粗细程度）级配和粗细程度骨料的级配是指骨料中不同粒径颗粒的分布情况（图4.2）。骨料的粗细程度是指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。（1）砂的颗粒级配和粗细程度 细度模数根据下式计算（精确至0.01）： 根据细度模数Mx大小将砂按下列分
6、类：Mx3.7 特粗砂；Mx=3.13.7粗砂；Mx=3.02.3中砂；Mx=2.21.6细砂；Mx=1.50.7特细砂。 砂的颗粒级配根据0.600mm筛孔对应的累计筛余百分率A4，分成区、区和区三个级配区，见下表。级配良好的粗砂应落在区；级配良好的中砂应落在区；细砂则在区。实际使用的砂颗粒级配可能不完全符合要求，除了4.75mm和0.600mm对应的累计筛余率外，其余各档允许有5%的超界，当某一筛档累计筛余率超界5%以上时，说明砂级配很差，视作不合格。 以累计筛余百分率为纵坐标，筛孔尺寸为横坐标，根据上表的级区可绘制、级配区的筛分曲线，如下图所示。在筛分曲线上可以直观地分析砂的颗粒级配优劣
7、。 （2）石子的颗粒级配和最大粒径石子的级配分为连续粒级和单粒级两种，也通过筛分确定。公称粒级的上限成为最大粒径。粒径大总表面积小，包裹水泥浆少，可节约水泥，粗骨料最大粒径应尽量大。但粒径大于40可能造成强度下降。规范规定混凝土用骨料最大粒径：11/4截面最小尺寸；23/4钢筋最小净距；31/2板厚或50；4泵送混凝土(d/D)：碎石1/3，卵石1/2.5。混凝土用骨料粒径过大，对运输和搅拌都不方便。6）骨料的形状和表面特征）骨料的形状和表面特征骨料近似球形或正方体，表面光滑，表面积小，混凝土流动性好，但表面光滑与水泥粘结较差。砂的颗粒小较少考虑其形状，石子必须考虑针片状颗粒的含量（限值见表4
8、.7）。7）强度）强度骨料强度是指粗骨料的强度。碎石可用抗压强度和压碎指标表示；卵石只用压碎指标表示（表4-9）。碎石抗压强度：饱水抗压强度火成岩80MPa，变质岩60MPa，水成岩30MPa。4.1.3混凝土拌合及养护用水凡能引用的水和清洁的天然水，都可用于混凝土的拌制和养护。4.1.4混凝土外加剂混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥重量的5%。外加剂按其主要功能，一般分为四类：改变混凝土流变性能：减水剂、引气剂、泵送剂等；调节混凝土凝结时间和硬化性能：缓凝剂、早强剂等。改变混凝土耐久性：防水剂、阻锈剂、抗冻剂等。提供特殊性能：加气剂、膨胀剂
9、、着色剂等。 1减水剂减水剂减速剂是指在混凝土拌和物坍落度基本相同的条件下，能减少拌和用水量的外加剂。常用减水剂分类如下：1按成分：木质素系、萘系、树脂系等；2按效果：普通和高效；3按凝结时间：标准型、早强型和缓凝型；4按是否引气：引气型和非引气型。减水剂使用恰当能增加混凝土的流动性、强度和节约水泥。 2引气剂引气剂 引气剂是一种再搅拌混凝土的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。其对混凝土有如下几种影响：1）改善和易性；2）提高抗渗性和抗冻性；3）强度降低。引气剂有松香树脂类、烷基磺酸盐类、脂肪醇酸盐类、蛋白盐及石油磺酸盐等。 3早强剂早强剂早强剂是指能加速混凝土早期强度发
10、展的外加剂。分无机的（如氯化物系、硫酸盐系等）、有机的（如三乙醇胺、三异丙醇胺、乙酸钠等）和有机-无机复合三大类。特点是能促进水泥凝结硬化，提高早期强度，缩短养护周期，增加模板和场地周转率，加快施工进度。适用于冬季施工和紧急抢修工程。 4缓凝剂缓凝剂缓凝剂是指能延缓混凝土凝结时间，而不显著影响混凝土后期强度的外加剂。有木质素磺酸盐类、糖类糖类、无机盐类和有机盐类等。适用于要求延缓时间的施工中，如气温高、运距长可防止坍落度损失，分层浇筑防止冷裂缝，大体积混凝土延长放热时间。4.1.5混凝土掺合料1.粉煤灰2.硅灰4.2混凝土拌合物的性能4.2.1和易性1.和易性的概念新拌混凝土的和易性，也称工作
11、性，是指拌合物易于搅拌、运输、浇捣成型，并获得质量均匀密实的混凝土的一项综合技术性能。 混凝土拌合物的和易性是一项综合技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。流动性是混凝土拌合物在自重或机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中，其组成材料之间有一定的粘聚力，不致发生分层和离析的现象。保水性是指混凝土拌合物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象。 2.和易性的测定方法及评定和易性的测定方法及评定将拌好的混凝土拌合物按一定方法装入圆锥筒内（坍落度筒），并按一定方式插捣，待装满刮平后，垂直平稳地向上提起坍落度筒，量测筒高
12、与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差（mm）即为混凝土的坍落度。混凝土拌合物根据坍落度不同，可分为4级：大流动性的（160mm)；流动性的（100150mm)；塑性的（5090mm)及低塑性的（1040mm)。坍落度试验仅适用于骨料最大粒径不大于40mm，坍落度不小于10mm的混凝土拌合物。 当坍落度大于220mm时，用钢尺测量混凝土扩展后最终最大和最小直径，在两直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则试验无效。2维勃稠度试验维勃稠度试验坍落度小于10的干硬性混凝土的流动性用维勃稠度指标来表示。此法适用于混凝土骨料最大粒径不大于40，维勃稠度在530s之间的混凝土拌合
13、物的稠度测定。混凝土拌合物按维勃稠度大小，可分为4级：超干硬性（31s）；特干硬性（3021s）；干硬性（2011s）；半干硬性（105s）。3.影响和易性的主要因素影响和易性的主要因素（1）水泥品种）水泥品种（2）集料性质）集料性质（3）水泥浆数量）水泥浆数量浆集比浆集比（4）水泥浆的稠度水灰比（5）砂率（6）外加剂（7）时间和温度4.和易性的调整与改善（1）流动性小，为保证强度和耐久性不能单独加水，必须保持水灰比不变，增加水泥浆量。（2）坍落度大，保持砂率不变增加砂石用量。减少水泥浆数量。选择合理的浆集比。（3）改善集料级配，即可增加流动性，也能改善粘聚性。（4）掺减水剂或引气剂，是改善和
14、易性的有效措施。（5）尽可能选择最佳砂率。粘聚性不足可增大砂率。4.2.2新拌混凝土的凝结时间 混凝土的凝结时间与水泥的凝结时间有相似之处，但由于骨料的掺入，水灰比的变动及外加剂的应用，又存在一定的差异。水灰比增大，凝结时间延长；早强剂、速凝剂使凝结时间缩短；缓凝剂则使凝结时间大大延长。 混凝土的凝结时间分初凝和终凝。初凝指混凝土加水至失去塑性所经历的时间，亦即表示施工操作的时间极限；终凝指混凝土加水到产生强度所经历时间。初凝时间希望适当长，以便于施工操作；终凝与初凝的时间差则越短越好。 混凝土凝结时间的测定通常采用贯入阻力法。影响混凝土实际凝结时间的因素主要有水灰比、水泥品种、水泥细度、外加
15、剂、掺合料和气候条件等等。 4.3硬化后混凝土的性能4.3.1混凝土强度混凝土在抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度中，抗压强度最大，故混凝土主要用来承受压力作用。1.混凝土立方体强度与强度等级我国以立方体抗压强度为混凝土强度的特征值。我国把普通混凝土按立方体强度标准值划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、 C65、 C70 、 C75、 C80 十四个等级。 2.混凝土的轴心抗压强度和轴心抗拉强度（1）轴心抗压强度轴心抗压强度也称为棱柱体抗压强度。由于实际结构物（如梁、柱）多为棱柱体构件，因此采用棱柱体试件强度更有实际意义。它是采用150mm150mm（
16、300450）mm的棱柱体试件，经标准养护到28天测试而得。同一材料的轴心抗压强度小于立方体强度，其比值大约为=0.70.8。这是因为抗压强度试验时，试件在上下两块钢压板的摩擦力约束下，侧向变形受到限制，即“环箍效应”其影响高度大约为试件边长的0.866倍，如下图所示。因此立方体试件整体受到环箍效应的限制，测得的强度相对较高。而棱柱体试件的中间区域未受到“环箍效应”的影响，属纯压区，测得的强度相对较低。当钢压板与试件之间涂上润滑剂后，摩擦阻力减小，环箍效应减弱，立方体抗压强度与棱柱体抗压强度趋于相等。 （2）轴心抗拉强度混凝土的抗拉强度很小，只有抗压强度的1/101/20，混凝土强度等级越高，
17、其比值越小。为此，在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑承受拉力，而是通过配置钢筋，由钢筋来承担结构的拉力。但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要作用，它是结构设计中裂缝宽度和裂缝间距计算控制的主要指标，也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。 劈拉试验的标准试件尺寸为边长150mm的立方体，在上下两相对面的中心线上施加均布线荷载，使试件内竖向平面上产生均布拉应力，如下图所示。此拉应力可通过弹性理论计算得出，计算式如下： 混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；P破坏荷载（N）；A试件劈裂面积（mm2）。 3.混凝土抗折强度道路路面或机场道面用水泥混凝土通常以抗折强度为主要强度指标，抗压强度仅作为参考指
18、标。 道路水泥混凝土的抗折强度标准试件尺寸为150mm150mm550mm的小梁，在标准条件下养护28天，按三分点加荷方式（如下图所示）测定抗折破坏荷载，根据下式计算抗折强度： 4.影响混凝土强度的因素（1）原材料因素水泥强度；水灰比；集料的种类、质量和数量；外加剂和掺合料。（2）生产工艺因素施工条件（搅拌与振捣）；养护条件；龄期。 （3）试验因素试件形状尺寸；表面状态；含水程度；加荷速度。4.3.2混凝土的变形性能1.化学收缩2.干湿变形湿涨干缩3.温度变形热胀冷缩4.在短期荷载作用下的变形弹塑性变形5.长期荷载作用下的变形徐变混凝土的耐久性1.抗渗性2.抗冻性3.抗侵蚀性4.混凝土的碳化5
19、.碱集料反应6.提高混凝土耐久性的措施合理选择水泥品种；采用较小水灰比和保证水泥用量；选择质量良好、级配合理的集料和合理砂率；掺适量引气剂和减水剂；加强混凝土质量控制。4.4普通混凝土的配合比设计1.混凝土配合比设计的基本要求(1)满足设计要求的强度等级；(2)满足施工要求的和易性；(3)满足环境和使用条件要求的耐久性；(4)满足经济性原则。2.混凝土质量控制（1）初步控制（2）过程控制（3）合格控制3.混凝土生产质量水平评定4.4.2普通混凝土的配合比设计1.混凝土配合比设计的主要参数（1）混凝土配合比的表示方法每立米各材料用量；各材料质量比。（2）主要参数水灰比；砂率；浆集比（单位用水量）
20、。2.混凝土配合比的计算第一步 计算配合比的确定(1)确定配制强度（ ）(2)确定水灰比（W/C） （表4-17校核）(3)确定1m3混凝土的用水量（W）(4)确定1m3混凝土的水泥用量（C） （表4-17校核）(5)确定砂率（Sp）(6)确定1m3混凝土的砂、石用量（S。、G。）计算砂、石用量的方法有重量法和体积法两种。采用重量法时，按下式计算：解联立两式，即可求出S、G。 采用体积法时，按下式计算：解联立两式，即可求出S、G。 第二步 基准配合比的确定先按计算配合比进行试拌，检查该混凝土拌合物的和易性是否符合要求。调整和易性后提出的配合比，即是可供混凝上强度试验用的基准配合比。第三步 实验
21、室配合比的确定 由基准配合比配制的混凝土虽满足了和易性要求，但是否满足强度要求尚未可知。检验强度时至少用三个不同的配合比，制作强度试件时，应检验和易性和表观密度。每个配合比至少按标准方法制作一组试件，标准养护28d试压。接着通过将所测混凝土强度与相应的灰水比作图或计算，求出混凝土配制强度（ ）相对应的灰水比。最后按以下法则确定1m3各材料用量：用水量（Wb）应取基准配合比中的用水量，并根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度调整。水泥用量（Cb）以用水量乘以选定的灰水比计算确定。粗、细骨料用量（b、b）应取基准配合比中的粗、细骨料用量，并按选定的灰水比调整。至此得到的配合比，还应根据实测的混凝
22、土拌合物的表观密度作校正，以确定1m3混凝土拌合物的各材料用量。为此，先按下式计算出混凝土拌合物的计算表观密度:再计算出校正系数，最后，按下式计算出实验室配合比（每1m3混凝土各材料用量）：3. 混凝土的施工配合比 实验室配合比中砂、石是以干燥状态计量的，工地使用的砂、石含一定的水分应作修正，修正后的1m3混凝土各材料用量称为施工配合比。设施工配合比1m3混凝土各材料用量为 C、S 、G、W （kg），又设砂含水率为 a，石子的含水率为b%，则有： 4.5其他种类混凝土及其新进展4.5.1高性能混凝土4.5.2高强混凝土4.5.3抗渗混凝土4.5.4纤维混凝土4.5.5聚合物混凝土4.5.6粉
23、煤灰混凝土4.5.7泵送混凝土4.6砂浆4.6.1砂浆的分类、组成材料及技术性质1.砂浆的分类根据不同用途，建筑砂浆可分为砌筑砂浆、抹面砂浆（普通抹面砂浆、防水砂浆、装饰砂浆等）、特种砂浆（如隔热砂浆、耐腐蚀砂浆、吸声砂泵等）。按所用的胶凝材料可分为水泥砂浆、石灰砂浆、混合砂浆（如水泥石灰砂浆、水泥粘土砂浆、石灰粘土砂浆等）。 2.砂浆的组成材料（1）胶结材料（2）砂（3）掺加料（4）水（5）外加剂3.砂浆的主要技术性质及测试（1）流动性砂浆的流动性也叫稠度，是指在自重或外力作用下流动的性能，用砂浆稠度测定仪测定，以沉人度 （）表示。沉入度越大，流动性越好。（2）保水性新拌砂浆保持其内部水分不
24、泌出流失的能力称为保水性。保水性不良的砂浆在存放、运输和施工过程容易产生离析泌水现象。砂浆的保水性用砂浆分层度筒测定，以分层度（mm）表示，分层度大的砂浆保水性差，不利于施工。 （3）抗压强度与强度等级砂浆的强度是指边长70.7mm的立方体标准试块，一组六块在标准条件下养护28d后，用标准试验方法测得的抗压强度平均值（MPa）。砌筑砂浆的强度等级分为：M20，M15，M10，M7.5，M5，M2.5六个等级。不吸水基层（如致密的石材） 吸水基层（如砖或其它多扎材料） 试验统计表明，砂浆强度与水泥强度和水泥用量有如下关系：（4）粘结强度 通常，砂浆的抗压强度越高粘结力越大。砂浆的粘结力还与基层材
25、料的表面状态、清洁程度、润湿情况及施工养护等条件有关。在润湿的、粗糙的、清洁的表面上使用且养护良好的砂浆与表面粘结较好。 4.6.2砌筑砂浆的配合比设计1.砌筑砂浆的技术条件（1）强度等级（2）密度（3）稠度、分层度和试配强度同时符合（4）水泥砂浆水泥用量200kg/m3；混合砂浆总量300-350kg/m3（5）抗冻合格2.砌筑砂浆配合比设计步骤用于砌筑吸水基面的砂浆配合比的确定（配合比的计算及试配、调整与确定）分如下两步： 第一步：配合比的计算（1）计算砂浆配制强度 （2）根据下式计算每立方米砂浆中的水泥用量 QC（kgm3）当计算出的水泥用量不足200kg时，应取QC=200kgm3。（
26、3）若为水泥混合砂浆，计算掺合料用量QD（kgm3）为保证良好的流动性和保水性，每立方米砂浆中胶结料和掺合料的总量QA应在300350kgm3之间,则 QD=QAQC（4）确定砂用量 Qs（kgm3）每立方米砂浆中砂的用量应以干燥状态（含水率小于0.5）的堆积密度值作为计算值。（5）确定用水量Qw（kgm3） 第二步：配合比的试配、调整与确定 试配时采用三个不同的配合比，其中一个为试配得出的基准配合比。另外两个分别使水泥用量增减10，并在保证稠度、分层度合格的条件下，调整其相应的用水量和掺合料用量。按国家现行标准建筑砂浆基本性能试验方法的规定，以上述三个配比配制的砂浆制作试件，并测定砂浆强度等
27、级，选择强度满足要求且水泥用量较少的配合比为所需的砂浆配合比。4.6.3抹面砂浆1.抹面砂浆的定义及特点2.抹面砂浆的分类、性能及应用（1）普通抹面砂浆普通抹面砂浆的功能是保护结构主体免遭各种侵蚀，提高结构的耐久性，改善结构的外观。常用的普通抹面砂浆有石灰砂浆、水泥砂浆、水泥混合砂浆、麻刀石灰浆（简称麻刀灰）、纸筋石灰浆（简称纸筋灰）等。为了保证抹灰层表面平整，避免裂缝和脱落，常采用分层薄涂的方法，一般分两层或三层施工。底层起粘结作用，中层起抹平作用，面层起装饰作用。 （2）防水砂浆用作防水层的砂浆称为防水砂浆。砂浆防水层又称刚性防水层，适用于不受振动和具有一定刚度的混凝土或砖石砌体的表面。（
28、3）装饰砂浆装饰砂浆是指涂抹在建筑物内外墙表面，具有美观装饰效果的抹面砂浆。常用装饰砂浆的施工操作方法有拉毛、甩毛、喷涂、弹涂、拉条、水刷、干粘、水磨、剁斧等等，水磨石、水刷石、剁斧石、于粘石等属石渣类饰面砂浆。 （4）隔热砂浆隔热砂浆是以水泥、石灰膏、石膏等胶凝材料与膨胀珍珠岩、膨胀蛙石、火山渣或浮石砂、陶砂等轻质多孔骨料按一定比例配制成的砂浆。可用于层面隔热层、隔热墙壁以及供热管道隔热层等处。常用的有水湿膨胀珍珠岩砂浆。水泥膨胀蛭石砂浆、水泥石灰膨胀蛭石砂浆等；（5）吸音砂浆由轻质多孔骨料制成的隔热砂浆，都具有吸声性能。另外，也可用水泥、石膏、砂、锯末配制成吸音砂浆。还可在石灰、石膏砂浆中掺入玻璃纤维、矿物棉等松软纤维材料得到吸音砂浆。吸音砂浆用于有吸声要求的室内墙壁和顶棚的抹灰。
