04 第4章 混凝土.pptx

第1页：第4章 混凝土

第4章 混凝土

本章讲解混凝土的分类、组成材料、主要技术性质、外加材料与外加剂、质量控制及配合比设计。

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第7页：地铁工程实例

地铁工程实例

以地铁工程为例，展示混凝土在地下轨道交通工程中的实际应用。

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第9页：混凝土的分类

4.1 混凝土的分类

混凝土按照表观密度大小分：

说明：源文件标注「分为三类」但列出四项，本表按所列四项制表；轻混凝土表观密度区间原文写作800.00~1900.00 kg/m³。

混凝土按强度等级可分为：

• 普通混凝土：强度等级为C7.5～C60
• 高强混凝土：强度等级为C60～C100
• 超高强混凝土：强度等级大于C100

第10页：普通混凝土的基本组成材料

4.2 普通混凝土的基本组成材料

普通混凝土由水泥、水、细骨料（砂）与粗骨料组成，必要时掺入外加材料与外加剂。

第11页：混凝土的英文术语

混凝土 Concrete

本页为混凝土名词的中英文对照。

第12页：钢筋混凝土示意

钢筋混凝土

本页为钢筋混凝土构造示意图，展示钢筋（P）与混凝土共同受力的截面形式。

第13页：水泥的选择

4.2.1 水泥

(1) 水泥的选择

水泥的选择是按照浇灌混凝土的要求确定的（强度、抗冻性、化学稳定性、抗渗性等）。除了水泥的性质要符合国家标准（GB）外，水泥的选择应满足它的应用条件。

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第15页：水泥强度等级与拌和用水

（2）水泥强度等级的确定

对普通混凝土，水泥强度是混凝土强度的1.50~2.00倍；对高强混凝土，水泥强度是混凝土的1.00~1.50倍。

4.2.2 拌和与养护用水

用于混凝土拌和与养护的水，不应阻碍混凝土的凝结硬化，不引起钢筋混凝土中钢筋的锈蚀，不引起预应力钢筋的脆断，不污染混凝土表面。

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第17页：细骨料砂的定义与有害杂质

4.2.3 细骨料（砂）

砂

指粒径为0.15~4.75mm的松散堆积颗粒，由巨石天然风化而形成，分为河砂、海砂和山砂。

(1) 有害杂质

砂所需的质量按国标GB14684-2001确定；混凝土的质量在很大程度上被砂中各种灰尘、淤泥、粘土、有机物存在的量所影响。

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第21页：砂的颗粒形状与级配

(2) 颗粒形状及表面特征

河砂和海砂为圆形和表面光滑，山砂表面多尖锐棱角。在水泥和水的用量相同的情况下，山砂混凝土强度高而拌合物流动性差；河砂和海砂混凝土强度低而拌合物流动性好。

(3) 砂的粗细程度和颗粒级配

砂由不同尺寸（0.15~4.75mm）的颗粒组成并获得最小空隙；砂所形成的空隙越小，获得密实混凝土所需水泥量就越少。

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第23页：砂的筛分试验与分计筛余

砂的级配是通过一组筛孔尺寸为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15mm（从顶到底）的筛子的筛分试验确定的。砂的样品被干燥至恒重，称取500克进行筛分。

每个筛子上的筛余量被称量后按下式计算分计筛余量，精确到0.10%：

a_i = G_I / G × 100%

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第25页：累计筛余量的计算

累计筛余量是某一筛子上所有分计筛余量的总和，计算式如下：

A_i = a_2.36 + a_1.18 + …… + a_i（%）

其中 a_2.36、a_1.18 分别为筛孔尺寸为2.36、1.18mm筛子上的分计筛余量，a_i 为某筛子上的分计筛余量。

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第27页：砂的细度模数

砂的细度模数是划分砂粒尺寸等级的指标，尺寸大小范围为2.36~0.15mm，计算公式如下：

M_k = [(A₂+A₃+A₄+A₅+A₆) - 5A₁] / (100 - A₁)

基于细度模数，砂子被分为：

• 粗砂 M_k=3.7~3.1
• 中砂 M_k=3.0~2.3
• 细砂 M_k=2.2~1.6
• 特细砂 M_k<1.6

砂子级配的筛分曲线见课件图示。

第28页：砂的颗粒级配曲线

Grain composition of sand（砂的颗粒组成）

本页为砂的颗粒级配筛分曲线图，横轴为筛孔尺寸、纵轴为累计筛余百分率，用于直观判断砂所属级配区。

第29页：砂的颗粒级配区表

砂的颗粒级配区

说明：源文件该表数字串行粘连，表中数值按砂颗粒级配区的常规标准（GB14684-2001）还原，列序与原文一致，建议对照原课件核对。

第30页：甲砂与乙砂搭配例题

例题：已知甲、乙两种砂的累计筛余百分率如表。有人说甲、乙砂不宜单独直接用于拌制混凝土，对吗？为什么？若将甲砂20%与乙砂80%搭配后，情况又怎样？

说明：源文件该处表格数字粘连严重，甲、乙两种砂在各号筛上的累计筛余百分率无法安全切分，未还原为表格，建议对照原课件图表人工录入后再作答。

第31页：砂样筛分试验例题

例题：称取砂样500g，经筛分各号筛的筛余量如表。问：1、此砂是粗砂吗？为什么？2、此砂级配是否合格？为什么？

说明：按源文件数据计算，细度模数约2.63，属中砂而非粗砂；按Ⅱ区判定，仅2.36mm与0.30mm两档累计筛余分别略有超出，超出总量未超过5%，级配可判为合格。计算过程建议对照原课件核对。

第32页：粗骨料的定义与分类

4.2.4 粗骨料

普通混凝土的粗骨料是由卵石、碎石、碎矿渣和碎砖块组成。粗骨料是尺寸大于4.75mm的碎块混合物（GB14685-2001），一般分为卵石和碎石。按照技术要求，卵石和碎石被分为3类。

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第34页：粗骨料的杂质与颗粒形状

(1) 有害杂质

粗骨料类似于砂，含有灰尘、淤泥、粘土、有机酸等有害杂质，其含量不应超过特定指标。

(2) 颗粒形状及表面特征

卵石由自然风化形成，呈圆形并具有光滑的表面；碎石则拥有许多棱角。碎石混凝土强度较高但流动性差，卵石混凝土强度较低但有很好的流动性。

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第37页：粗骨料的立方体强度

(3) 强度：立方体强度

碎石取自于不小于80MPa的火成岩、60MPa的变质岩和30MPa的水成岩，碎石形状接近于立方体（50mm×50mm×50mm）。用在工业与民用建筑中的颗粒强度（饱和水抗压强度）应比混凝土强度高：对低于C30的碎石强度为1.50倍，等于或大于C30的碎石强度为2倍或更高。

卵石中的针片状石子含量将被限制。

第38页：粗骨料的压碎指标

2) 压碎指标

粒径10~20mm放在圆柱体内，施加200kN的荷载持续160~300s，然后在筛孔直径为2.5mm的筛上进行筛分，再按压碎指标公式计算（G₀为未施荷前样品质量，G₁为样品筛余量）。压碎指标越小，粗骨料抗碎能力越强。

根据压碎指标值，粗骨料被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，相应的质量损失值为5.00%、8.00%和12.00%。

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第41页：粗骨料最大粒径与级配

(4) 最大粒径与颗粒级配

1) 最大粒径

按照国标（GB50204-92），混凝土所用骨料粒径不能大于结构最小横截面尺寸的1/4，同时不能大于钢筋间距的3/4。对于实心板，颗粒尺寸不宜大于板厚尺寸的1/2；水利工程中集料尺寸可大于70.00mm。泵送混凝土骨料最大粒径与输送管内径之比：碎石不宜大于1/3，卵石不宜大于1/2.5。

2) 颗粒级配

好的级配含有各种尺寸的颗粒，因为可使空隙体积最小。

第42页：自密实混凝土实例

自密实混凝土

本页为自密实混凝土实例图，展示免振捣、依靠自重流动并填充模板的混凝土状态。

第43页：粗骨料的级配筛分试验

粗骨料的级配可通过称取10.00kg干燥样品，在一系列筛（90.0、75.0、63.0、53.0、37.5、31.5、26.5、19.0、16.0、9.5、4.75、2.36mm）上进行筛分试验获得。

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第45页：混凝土拌合物的和易性

4.3 普通混凝土的主要技术性质

4.3.1 混凝土拌合物的和易性

和易性（工作性）

混凝土在凝结硬化前必须具备的性能，是指混凝土拌合物易于施工操作（拌和、运输、浇灌、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能，由流动性、粘聚性和保水性三个因素决定。

流动性

测定混凝土拌合物在自重或振动状态下易于流动的性能，可通过在圆锥体内填满拌合物并测定坍落度值而获得。

第46页：坍落度分级表

按照国标（GB50164-1992），混凝土拌合物的坍落度分类如下：

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第48页：坍落度指标的选择

流动性（坍落度）指标的选择

本页为坍落度指标选择表，按结构构件类型（基础、柱、梁板、配筋密集部位等）与施工方式给出适宜的坍落度取值范围，具体数值见课件图示。

第49页：坍落度试验

坍落度试验

本页为坍落度试验示意图，展示坍落度筒装料、提筒及量测拌合物坍落高度的过程。

第50页：维勃稠度与粘聚性保水性

干硬性混凝土拌合物

用维勃稠度仪测定，当水泥浆充满圆锥体上表面和底层时读数，维勃稠度值应在5.00~30.00s之间。

（2）粘聚性

混凝土拌合物内固有的内聚力，具有可模性和可塑性，并不溃散和分层。

（3）保水性

混凝土拌合物保持水分的能力。

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第52页：影响和易性的主要因素

（4）影响和易性的主要因素

• 水泥浆的用量
• 水灰比
• 砂率

第53页：合理砂率

合理砂率

本页图示合理砂率的概念：使混凝土拌合物获得良好和易性且水泥用量最省的砂率取值。

第54页：外加剂与环境因素影响

• 外加剂
• 环境条件的影响：温度、湿度、风速
• 搅拌工艺的影响：搅拌方式、搅拌时间
• 放置时间的影响

第55页：混凝土的强度

4.3.2 混凝土的强度（GB50081-2002）

在建筑工程中，混凝土受各种力的作用，如压、拉、弯等；混凝土抗压能力最好，这是它的基本机械性能。

(1) 混凝土的抗压强度与强度等级：混凝土标准立方体抗压强度由边长为150.00mm的试块、标准养护28天的抗压强度决定。

第56页：非标准试件与强度等级

非标准的试块还有边长为200.00mm和100.00mm的立方体，它们的试验值应分别乘以1.05和0.95的系数。

普通混凝土强度等级有：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。

混凝土立方体强度被用来确定混凝土等级。

第57页：棱柱体与抗拉强度

2) 棱柱体抗压强度

结构设计中常用棱柱体抗压强度值，试件尺寸为150mm×150mm×300mm，棱柱体抗压强度值是立方体抗压强度值的0.7~0.8倍。

3) 混凝土的抗拉强度

A. 当试件形状为「∞」形时，抗拉强度由相应公式确定；B. 劈裂试验，混凝土试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

第58页：试件受压破坏形状分析

混凝土试件受压破坏后形状分析

下图是混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状，请分析试件破坏后所得形状的原因。

分析要点（供参考）：试件上下端面与试验机压板之间存在摩擦力，约束了端部横向变形，中部横向变形大于端部，破坏后形成上下小、中间大的棱锥状残余体，即环箍效应。

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第61页：影响混凝土强度的因素

(3) 影响混凝土强度的因素

混凝土强度决定于水泥活性、水灰比、骨料质量、混凝土拌合物的密实状态和混凝土硬化条件，前两个因素是决定因素；高活性水泥产生高强度混凝土，但用水量不同则混凝土产生不同的强度。

假如混凝土尺寸为100mm×100mm×100mm，其试验结果应乘以0.85；劈裂试验的计算公式见课件图示。各强度等级的混凝土轴心抗压强度标准值f_ck、轴心抗拉强度标准值f_tk按相关标准表采用。

第62页：水泥强度等级和水灰比

公式表达了上述各种因素与混凝土抗压强度的关系，并粗略估计28天混凝土的抗压强度。

1) 水泥强度等级和水灰比

混凝土拌合物为了获得足够的和易性，水灰比通常是0.40到0.75；然而用于水化反应的水量通常不超过水泥质量的25.00%。多余的水在混凝土中蒸发并形成孔隙，使强度和密度降低。因此，混凝土的强度随水灰比的降低而增高。

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第64页：骨料对强度的影响

2) 骨料的种类、质量及数量

骨料的强度只要高于混凝土的强度，则对混凝土的强度没有太大影响；骨料强度低于混凝土设计强度，则导致混凝土强度较低或消耗大量水泥。碎石表面粗糙、与水泥石内聚力较好，其它条件相同时比卵石使混凝土获得更高的强度。

3) 湿度与温度的影响

见后续页。

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第66页：养护温湿度与龄期影响

混凝土硬化的一般条件

空气相对湿度95%~100%，温度20±2℃；高湿度可最大程度减少水分蒸发，水分蒸发会停止硬化过程。温度越高硬化越快。在饱和蒸汽中（蒸汽养护）经10~14小时、温度80℃~90℃，混凝土能获得28天标养强度的60%~70%。

4) 龄期的影响

在适宜的温度和湿度条件下，混凝土强度可持续增长：前7天和14天增长较快，随后减慢；湿热环境中强度增长可持续几年。

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第69页：混凝土强度增长经验公式

在正常硬化条件下，混凝土试样7天的平均强度可达到28天的60.00%~70.00%，12个月的强度超过28天强度的75%，强度随时间的变化服从对数规律。不同龄期强度可按经验公式计算：

f_cu,n = f_cu,28 × lgn / lg28

该公式可粗略估计硅酸盐水泥混凝土3天后的强度，实际混凝土要通过实验确定。

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第71页：试件尺寸形状与加荷速度

5) 尺寸、形状和加荷速度的影响

样品的尺寸和形状有严格要求：棱柱体和圆柱体比立方体拥有较低的抗压强度；低的棱柱体（高度小于边长）抗压强度高于立方体，这是由于摩擦力约束混凝土的横向膨胀。材料的强度还受表面状态和加荷速度的影响，只有通过标准方法实验，结果才有可比性。

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第74页：提高混凝土强度的措施

(4) 提高混凝土强度的主要措施

• 选料
• 采用机械搅拌和振捣
• 养护工艺方面

第75页：混凝土的变形

4.3.3 混凝土变形

• 化学收缩
• 湿胀干缩变形
• 温度变形
• 荷载作用下的变形：弹塑性变形、混凝土的徐变

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第80页：混凝土的耐久性

4.3.4 混凝土的耐久性

(1) 混凝土耐久性的概念

• 混凝土的抗渗性
• 混凝土的抗冻性
• 混凝土抗侵蚀性
• 混凝土的碳化
• 混凝土的碱—骨料反应

(2) 提高混凝土耐久性的主要措施

第81页：混凝土外掺料与粉煤灰

4.4 混凝土的外加材料

4.4.1 混凝土外掺料

为改善混凝土拌合物及硬化后混凝土的性能、节约水泥而加入的天然、人造或工业废料矿物粉料。

• 粉煤灰

第82页：矿渣粉与硅灰及其影响

• 粒化高炉矿渣粉
• 硅灰

(4) 对混凝土性能的影响

• 能防止混凝土拌合物的离析，提高其可泵性
• 提高混凝土的抗压强度
• 提高混凝土的密实性、抗渗性、抗冻性及耐久性
• 抑制碱—骨料反应

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第84页：混凝土外加剂与减水剂

4.4.2 混凝土外加剂

混凝土拌合物中掺入量不超过水泥质量的5%，就能促使其改性的外加材料。

(1) 减水剂

保持混凝土稠度不变的条件下具有减水增强作用的外加剂，常用的是阴离子表面活性剂。

1) 减水剂的作用机理

• 吸附—分散作用
• 润滑塑化作用

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第88页：减水剂常用品种

2) 减水剂常用品种

• 木质素系减水剂
• 萘系减水剂
• 水溶性树脂减水剂
• 糖蜜类减水剂
• 复合减水剂

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第90页：引气剂与缓凝剂

(3) 引气剂

在混凝土拌合物搅拌过程中能引入大量分布均匀的微小气泡，以减少拌合物泌水和离析、改善和易性，同时显著提高硬化混凝土抗冻融耐久性。

(4) 缓凝剂

延缓混凝土凝结时间，并对后期强度发展无不利影响的外加剂。

第91页：混凝土强度的波动规律

4.5 普通混凝土的质量控制

4.5.1 混凝土强度的波动规律——正态分布

说明：源文件标注该页图示无法显示，正态分布曲线建议对照原课件补充。

第92页：强度平均值标准差与P值

4.5.2 混凝土强度平均值、标准差和P值

• 混凝土强度平均值
• 标准差σ（又称均方差）
• P值

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第94页：混凝土强度保证率

4.5.3 混凝土强度保证率

本页讲解混凝土强度保证率的概念与计算图示，具体曲线与数值见课件图示。

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第96页：混凝土的配制强度

4.5.4 混凝土的配制强度

根据《混凝土质量控制标准》（GB50164-2011）规定，当混凝土的设计强度等级＜C60时，配制强度按下式确定（计算式见课件图示）。

说明：源文件此处编号写作「5.5.4」，按本章节顺序应为「4.5.4」，已按章节顺序调整。

第97页：混凝土强度检验评定

4.5.5 强度检验评定

(1) 统计法

• 当混凝土强度等级≤C20时
• 当混凝土强度等级＞C20时

第98页：统计法合格评定系数表

第99页：非统计法合格评定系数表

第100页：混凝土配合比设计概述

4.6 普通混凝土的配合比设计

4.6.1 混凝土配合比的表示方法

一种是以每1m³混凝土中各项材料的质量比表示；另一种是以各项材料间的质量比表示（以水泥质量为1）。

4.6.2 混凝土配合比设计的基本要求

• 满足施工所要求的混凝土拌合物的和易性
• 满足混凝土结构设计的强度等级
• 满足耐久性要求
• 节约水泥，降低成本

第101页：配合比设计的三个参数

4.6.3 混凝土配合比设计中的三个基本参数：水胶比、砂率、用水量。

4.6.4 混凝土配合比设计的步骤

(1) 初步配合比的计算：1) 确定配制强度。根据《混凝土质量控制标准》（GB50164-2011）规定，当混凝土的设计强度等级＜C60时，配制强度应按下式确定（计算式见课件图示）。

第102页：标准差σ取值表

第103页：回归系数取值表

第104页：掺合料影响系数表

第105页：水泥强度富余系数表

第106页：外加剂与胶凝材料用量

4) 计算外加剂用量

5) 计算混凝土胶凝材料用量（C₀）

6) 计算矿物掺合料用量

3) 选择每1m³混凝土的用水量（W₀）

第107页：水泥用量与合理砂率

7) 计算水泥用量

8) 选取合理砂率 S_p

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第109页：

第110页：

第111页：砂石用量与基准配合比

9) 计算1m³混凝土中砂、石骨料的用量

• 绝对体积法
• 假定表观密度法

(2) 基准配合比的确定

第112页：实验室配合比的确定

(3) 实验室配合比的确定

在基准配合比的基础上经试拌、调整与强度检验，确定实验室配合比。

第113页：施工配合比的确定

(4) 施工配合比的确定

根据现场砂、石的实际含水率，将实验室配合比换算为施工配合比。