第四普通水泥混凝土
第四章 普通水泥混凝土
道路工程中所用的无机混合料主要包括:
聚合物混凝土
纤维混凝土
透水混凝土
露石混凝土
彩色混凝土 新型水泥混凝土 无
机
混合
料水泥混凝土 普通水泥混凝土
无机结合料稳定类材料
石灰稳定类 水泥稳定类
工业废渣稳定类
其中水泥混凝土材料包括普通水泥混凝土和各种新型水泥混凝土,广泛应用于水泥混凝土路面、桥梁等道路工程结构物。无机结合料稳定类材料包括石灰稳定类、水泥稳定类、工业废渣稳定类,主要应用于修筑路面结构的基层和底基层。
4.1水泥混凝土组成及特点
水泥混凝土是由水泥、水、粗集料(石子)、细集料(砂)按预先设计的比例进行掺配,并在必要时加入适量外加剂、掺合料或其他改性材料,经搅拌、成型、养护后而得到的具有一定强度和耐久性的人造石材,常简称混凝土。如图
4.1所示,水泥混凝土的组成。
图4.1 水泥混凝土的组成
水泥混凝土材料的快速发展及广泛应用得益于其自身的诸多特点,归纳如下:
①配制材料分布广,价格低,易于就地取材
②工艺简单,适用性强
优点 ③抗压强度高,耐久性好
④易与钢材配合使用
①自重大、韧性低,抗拉强度低,抗冲击性能差
缺点
②破坏后,修复、加固、补强困难
混凝土的特点
4.2水泥混凝土的技术性质
水泥混凝土的主要技术性质包括:施工阶段的和易性(工作性)、混凝土硬化阶段的力学性质、使用阶段的耐久性。
4.2.1新拌水泥混凝土的施工和易性
⑴新拌水泥混凝土施工和易性的概念
新拌水泥混凝土是指在施工过程中使用的尚未凝结硬化的水泥混凝土。新拌混凝土的施工和易性,又称工作性,是指混凝土拌合物在现有施工条件下(气候条件、施工机具等),易于施工操作(搅拌、运输、浇注、振捣和表面处理)并获得质量均匀、成型密实的混凝土结构物的性能。
混凝土拌合物的施工和易性是一项综合技术性质,包括流动性、振实性、粘聚性、保水性等方面的含义。
①流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振动密实作用下能产生适当地流动并均匀密实地填满模板的性能。
②振实性是指混凝土拌合物易于振捣密实、排出所有被挟带空气的性质。 ③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,不致产生分层和离析的现象,混凝土的均匀密实及离析现象对比见图4.2。
④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。通常将水分逐渐析出至混凝土拌合物表面的现象称为泌水,水分析出后会在混凝土内部形成泌水通道,使混凝土的密实性、耐久性下降。
图4.2 新拌混凝土的密实和离析对比
⑵施工和易性的测定方法
目前国际上还没有一种能够全面测试新拌混凝土施工和易性的方法。通常的试验方法大都凭借经验提出,且在一定的条件下测试混凝土拌合物和易性的某一方面。
①坍落度试验
坍落度试验由美国查普曼(Chapman)首先提出,我国行业标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTE E30—2005)规定:将搅拌好的混凝土拌合物分三层装入标准的坍落度圆锥筒内,每层装入高度稍大于筒高的1/3,并用弹头棒在每层上均匀捣插25次。多余试样用镘刀刮平,然后垂直提取圆锥筒并放于锥体混凝土试样一旁,测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高差,即为新拌混凝土拌合物的坍落度,见图4.3。试验结果以mm为单位并修约至最接近的5mm。坍落度越大表示混凝土拌合物的流动性越大。
图4.3混凝土拌合物坍落度测定示意图
在测试坍落度后,可判断被测混凝土的粘聚性、保水性、棍度等。
用捣棒在已坍落的混凝土锥体试样的一侧轻轻敲击,如锥体在轻打后逐渐下沉则表示粘聚性良好,如锥体突然倒塌、部分崩裂或发生石子离析现象则表示粘聚性较差。
保水性指水分从拌合物中的析出情况,如果提起坍落筒后有少量水分从底部析出则表示保水性良好,若析出水分较多并引起锥体试样中的集料外露,则表示该混凝土拌合物的保水性较差。
棍度按插捣混凝土拌合物时的难易程度评定。分为“上”、“中”、“下”三级。含砂情况按拌合物外观含砂多少而评定,分“多”、“中”、“少”三级。
坍落度试验适用于集料公称最大粒径不大于31.5mm,坍落度值不小于10mm的混凝土拌合物,且该试验只对富水泥浆的新拌混凝土才敏感。
相同性质不同组成的新拌混凝土,他们的工作性可能有很大差别,但却可得到相同的坍落度值。因此,坍落度值不是满意的工作性评价指标。
②维勃稠度试验
维勃稠度试验(VB稠度试验)由瑞典V.皮纳(Bahrner)首先提出。适用于坍落度小于10mm新拌混凝土工作性的测定图4.4。
《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTE E30—2005)规定:维勃稠度试验方法是将坍落度筒放在直径为240mm的圆筒中,圆筒安装在专用的振动台上。按坍落度试验的方法将新拌混凝土顶上置一透明圆盘。开动振动台并记录时间,从开始振动至透明圆盘底面被水泥浆布满瞬间止,所经历的时间即为新拌混凝土的维勃稠度值,试验结果以秒计并精确至1秒。维勃稠度值越大,混凝土拌合物的流动性越小。
图4.4混凝土拌合物VB稠度测定示意图
该试验方法常因无法用肉眼准确判断试验计时的结束点,而降低该试验方法
的精确性。
根据我国现行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTE E30—2005)规定,路面混凝土稠度分级如表4.1所示。
表4.1 路面混凝土稠度分级表(JTE E30—2005)
⑶影响施工和易性的主要因素分析
影响新拌水泥混凝土施工和易性的主要因素分为内因和外因,归纳如下:
和易性
影响因素
内因 外因
水灰比 单位 用水量 砂率 水泥品种和细度 外加剂 环境因素 时间因素
①水灰比
水灰比指水与水泥的质量比。水灰比小则水泥浆稠度大,混凝土拌合物的流动性小,水灰比过小时则不能保证混凝土的密实成型。
若水灰比过大,水泥浆稠度较小,混凝土拌合物的流动性增加,但可能会引起混凝土拌合物粘聚性和保水性不良,甚至产生严重的泌水和离析现象,导致混凝土强度和耐久性的降低。
②单位用水量
在组成材料确定的情况下,混凝土拌合物的流动性随单位用水量的增加而增大如图4.5。
当水灰比一定时,若单位用水量过小,则水泥浆数量过少,混凝土拌合物的粘聚性较差,易发生离析和崩坍,且不易成型密实;但若单位用水量过多,在混
凝土拌合物流动性增加的同时,会由于水泥浆过多而出现泌水、分层或流浆现象,致使拌合物产生离析。单位用水量过多还会导致混凝土产生收缩裂缝,使混凝土强度和耐久性严重降低。
图4.5 混凝土拌合物坍落度与单位用水量的关系
③砂率
砂率是指混凝土中的细集料的质量占
全部集料总质量的百分比,它反映了粗细
集料的相对比例。
在一定砂率范围内,随砂率的增加润滑
作用越明显,流动性得以提高;砂率超过
一定范围后,流动性反而随砂率的增加而
降低如图4.6。
如果砂率过小,砂浆数量不足会导致混图4.6 混凝土拌合物坍落度与砂率的关系 凝土拌合物粘聚性和保水性降低,产生离析和流浆现象。因此,混凝土的砂率存在一个最佳值,可使混凝土拌合物获得所要求的流动性以及良好的粘聚性和保水性。
④水泥的品种和细度
对于给定的水泥混凝土拌合物,水泥细度增加会使流动性降低,这种影响对水泥用量较高的拌合物较为明显,但较细的水泥可以改善混凝土拌合物的粘聚性,减轻离析和泌水等现象。
⑤集料的性质 混凝土拌合物的和易性主要与集料的最大粒径、级配、颗粒形状、表面粗糙
程度和吸水性有关。
一定质量的集料,其最大粒径减小会使比表面积增大,比表面增大就需要更多的水泥浆来润滑。针片状颗粒含量较少、圆形颗粒较多、级配较好的集料,其组成的混凝土拌合物流动性较大,粘聚性和保水性较好。表面粗糙多棱角的集料会增加混凝土拌合物的内摩擦力,使流动性降低。吸水性大的集料,会加快混凝土拌合物的和易性损失速率。
⑥外加剂
在混凝土拌合物中加入少量的外加剂可以在不改变用水量和水泥用量的情况下,有效地改善混凝土拌合物的工作性,同时提高混凝土的强度和耐久性。
⑦环境因素
影响新拌水泥混凝土和易性的环境因
素包括:温度、湿度和风速。环境温度升
高会使水泥水化速度加快、水分蒸发增加,
导致拌合物坍落度减小。同样,风速和湿
度通过影响水分的蒸发速度也会影响混凝
土拌合物的流动性。
⑧时间因素 图4.7 混凝土拌合物坍落度与时间的关系 混凝土拌合物在搅拌后,其坍落度随时间的延长逐渐减小,称为坍落度损失。如图4.7所示。
⑷混凝土拌合物和易性选择
新拌混凝土的和易性依据结构物断面尺寸、钢筋配置疏密、施工设备及工艺等来选择。
①公路桥涵用混凝土拌合物的和易性
表4.2公路桥涵用混凝土拌合物的坍落度
注:1.使用高频振捣器时,其混凝土坍落度可适当减小;
2.本表系不采用机械捣器的坍落度,采用人工捣器时可适当放大;
3.曲面或斜面结构的混凝土,其坍落度应根据实际需要另行选定;
4.需要配置大坍落度混凝土时,应掺和外加剂;
5.轻集料混凝土的坍落度,应比表中数值小10~20mm;
②道路混凝土拌合物的和易性
对于滑模摊铺机施工的碎石混凝土最佳工作坍落度为25~50mm,允许波动范围10~65 mm;卵石混凝土最佳工作坍落度为20~40 mm,允许波动范围5~55 mm。
4.2.2硬化后混凝土的力学性质
硬化后混凝土的力学性质,主要包括强度和变形两个方面。
1.强度
按我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2002)规定,混凝土的强度包括:立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗弯拉强度、劈裂抗拉强度。
⑴立方体抗压强度(fu) fcu=
式中:fcu——混凝土抗压强度,MPa;
F ——抗压试验中的极限破坏荷载,N;
A ——试件的承载面积,mm2。
混凝土立方体抗压强度通常被用于建筑工程的有关规范和质量控制。
①立方体抗压强度标准值fcu,k
fcu,k=-1.645σ (1-2) 式中:——强度总体分布的平均值,MPa; F (1-1) A
σ——强度总体分布的标准差,MPa;
1.645——与保证率95%对应的保证率系数值;
立方体抗压强度标准值按数理统计方法确定,它是用标准试验方法测定的抗
压强度总体分布中的一个值,强度低于该值的百分比不超过5%。
②强度等级
混凝土的强度等级是根据立方体抗压强度标准值确定的。强度等级的表示方法用“C” 和“立方体抗压强度标准值”两项内容来表示。我国现行规范规定普通水泥混凝土立方体抗压强度标准值划分为12个等级:C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。
⑵轴心抗压强度(fcp) fcp=F (1-3) A
式中:fcp——混凝土轴心抗压强度,MPa;
F ——抗压试验中的极限破坏荷载,N;
A ——试件的承载面积,mm2。
与立方体抗压强度不同,轴心抗压强度采用棱柱体作为标准试件进行轴心抗压强度测定。大量试验表明:立方体抗压强度为10~55MPa的范围内,轴心抗压强度与立方体抗压强度之比约为0.7~0.8。
⑶抗弯拉强度(抗折强度)(ff) ff=FL (1-4) bh2
式中:ff——混凝土抗弯拉强度,MPa;
F ——抗弯拉试验中的极限破坏荷载,N;
L ——支座间距,mm。
b ——试件宽度,mm。
h ——试件高度,mm。
图4.8混凝土抗折强度受力模式示意图 图4.9混凝土劈裂强度受力模式示意图 抗弯拉强度试验采用标准方法制备成的梁形试件,在标准条件下养护28d后,按三分点加荷方式进行试验,见图4.8。
⑷劈裂抗拉强度(fts) fts=2FF=0.637 (1-5) πAA
式中:fts——混凝土劈裂抗拉强度,MPa;
F ——劈裂抗拉试验中的极限破坏荷载,N;
A ——试件劈裂面面积,mm2。
由于直接抗拉试验时,试件在夹具附近易产生局部破坏且易受到弯折作用,导致试验结果波动较大。因此,常采用劈裂抗拉试验法间接求出混凝土的抗拉强度。劈裂抗拉强度约为轴心抗压强度的0.9倍,并与抗弯拉强度之间存在着式(1-6)所反映的关系。
fts=Affm (1-6) 式中:fts——混凝土劈裂抗拉强度,MPa;
ff——混凝土抗弯拉强度,MPa;
A、m ——试验统计参数。
2.影响强度的主要因素分析
混凝土受到外力作用产生破坏时,破裂面可能出现在三个位置,如图4.10所示。
a) b) c)
图4.10混凝土受力破坏模式图
a图显示混凝土的破坏发生在集料和水泥石的粘结面上,这是混凝土最常见的破坏形式;b图显示集料自身发生破裂,此类情况多发生在高强度混凝土中;c图是水泥石发生破坏,这种情况在低强度水泥混凝土中并不多见。因此,普通水泥混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与集料的界面粘结强度。混凝土强度影响因素归纳如下:
强度
影响因素
内因
外因
水泥强度和水灰比 水泥浆的 用量
集料 养护条件 龄期 施工质量
养护温度
养护湿度
⑴混凝土组成材料的影响
材料组成是混凝土形成强度的内因,主要取决于水泥、水、砂、石及外加剂等的质量和配合比。
①水泥的强度和水灰比
水泥混凝土的强度主要取决于其内部起胶结作用的水泥石的质量,水泥石的质量则取决于水泥的强度和水灰比。当试验条件相同时,在相同水灰比条件下,水泥强度越高,则水泥石强度越高,从而使用其配制的混凝土强度也越高。在水泥强度相同的情况下,水灰比越小,水泥石的强度越高,与集料的粘结力越大,混凝土的强度越高。
混凝土28d龄期抗压强度与水灰比及水泥强度存在式(1-7)所示关系;混凝土28d龄期抗弯拉强度与水灰比及水泥强度存在式(1-8)所示关系。
fcu,28=αa· fce·(C/W-αb) (1-7) fcf,28=αc+αd·(1-8) fcef+αe·C/W 式中: C/W ——混凝土的水灰比,%;
fcu,28、fcf,28——混凝土28d抗压强度、抗弯拉强度,MPa;
fce、fcef——水泥的实际抗压强度、抗折强度,MPa;
αa、αb、αc、αd——统计公式的回归系数,与集料品种有关。
②水泥浆的用量
当水泥浆用量不足时,会使砂浆粘聚性变差,施工时易出现离析现象,硬化后混凝土强度低,耐久性差,耐磨性差,易起粉,翻砂;集料间的水泥浆润滑不够,施工流动性差,混凝土难于密实成型。当水泥浆用量过多时,会使混凝土成本提高,混凝土硬化后收缩增大,易引起干缩裂缝。
③集料特性
影响混凝土强度的集料特性包括:集料的强度、粒形及粒径等。
为提高混凝土强度应优选接近球形或立方形集料,使用针片状颗粒含量较高的集料,不但影响施工还会增加混凝土的孔隙率,扩大混凝土中集料的表面积,导致混凝土强度降低。适当增大集料的粒径也对提高混凝土强度有利,但粒径过大会减小集料的表面积,使粘结强度降低,导致混凝土强度降低。较大集料也会限制水泥石的收缩从而产生较大的应力,使混凝土产生开裂后期强度降低。
⑵养护条件的影响
对于给定的混凝土,水泥的水化速度与程度、水化产物结构特征都取决于养护的温度和湿度条件。
①养护温度
图4.11显示混凝土在不同温度水中养护时强度的发展规律,当养护温度较高时,可以增大水泥初期水化速度,混凝土早期强度也高。早期养护温度越高,混凝土后期强度增进率越小。
图4.11混凝土强度与养护温度的关系 图4.12混凝土强度与养护湿度的关系 1-空气养护;2-九个月后水中养护; 3-三个月后水中养护;4-标准湿度条件下养护
图4.13混凝土强度随时间的增长
a)龄期为常数坐标 ;b)龄期为对数坐标
②养护湿度
如图4.12所示在空气中养生的混凝土在所有龄期得到的强度值都较低,而在标准湿度养护下混凝土各龄期的强度值均较高。因此,在混凝土养护期间应维持一定的潮湿环境,以便产生更多的水化产物是混凝土密实度增加。特别是在夏季气温较高、水分蒸发较快时,更应注意混凝土的养护。
⑶混凝土龄期的影响
如图4.13所示,在标准养护条件下,混凝土的强度随龄期的增长而提高,在最初的3~7d内发展较快,28d达到设计强度规定的数值,以后强度发展逐渐缓慢。在对数坐标下,混凝土的强度与其龄期的对数大致呈正比关系。可根据混凝土的这种特性,由其早期强度推算后期强度,其表达式为式(1-9)。
fcu,n=fcu,a
lgn
(1-9) lga
式中:fcu,n——n天龄期的混凝土抗压强度,MPa;
fcu,a——a天龄期的混凝土抗压强度,MPa; ⑷试验条件和施工质量
组成材料、制备条件及养护条件相同的混凝土试件,其力学强度还受试验条件的影响。主要影响因素有:试件形状与尺寸、试件湿度、试件温度、支承条件和加载方式等。
混凝土结构物的施工质量同样会对混凝土的强度产生影响,其中包括:配料的准确性、搅拌的均匀性、振捣效果等。
3.变形
混凝土的变形主要有:弹性变形、徐变变形、温度变形和干缩变形等四类。⑴弹性变形
①混凝土的应力—应变特征 弹性变形是指当荷载施加于材料时立即出现、荷载卸除后立即消失的变形。但水泥混凝土是一种多相复合材料,在较低的荷载水平下重复加载和卸载时,每一次卸载都会残留部分残余变形。它的应力—应变关系曲线如图4.14所示。当第一次加载卸载后,加载曲线
图4.14混凝土的应力—应变特征示意图
OA,卸载曲线AC,残余变形OC。经四次循环后残余变形总量为OC′。 ②弹性模量
在混凝土应力应变曲线上,任一点的应力与应变的比值称为混凝土在该应力下的弹性模量。如图4.15所示,弹性模量分为三种:
应力—应变曲线原点的切线斜率为初始切线弹性模量Ei,即Ei=tanα1,初始切线弹性模量很难测定,在结构设计中基本没有应有价值。
应力—应变曲线上任意一点的切线斜率为切线弹性模量Et,即Et=tanα3,它仅适用于很小的荷载范围。
应力—应变曲线上任意一点与原点连线的斜率为割线弹性模量Es,即
图4.15 混凝土弹性模量分类
Es=tanα2,在混凝土工艺和混凝土结构
设计中常采用规定条件下的割线弹性模量。 ③弹性模量影响因素 弹性模量影响因素归纳如下:
影
响 因 素
⑵徐变变形
混凝土在持续荷载的作用下,随时间增长的变形称为徐变变形,也称为蠕变。混凝土的徐变变形在早期增长很快,然后逐渐减慢,一般要2~3年才可能基本趋于稳定。如果所承受的持续荷载较大,可能会导致混凝土结构破坏。所以在结构设计时必须考虑徐变的影响,否则,可能会导致对整个结构变形的严重估计不足。 ⑶温度变形
混凝土因热胀冷缩性质产生的变形称为温度变形。温度变形对大体积混凝土工程和在温差较大季节施工的混凝土结构极为不利。为减小温度变形对混凝土性能的不利影响,在纵长的混凝土及钢筋混凝土结构物中,每隔一段长度,设置温度伸缩缝,在结构物中设置温度钢筋。
在大体积混凝土或钢筋混凝土中,应设法降低混凝土的发热量,如采用低热水泥、人工降温以及对表面混凝土加强保湿、保温等措施。 ⑷干缩变形
混凝土处于干燥环境中时,混凝土内部的水分蒸发而引起的混凝土体积收缩,称为干燥收缩简称干缩。
混凝土的干缩变形进行得很慢.而且是由表面向内部逐渐进行,因此会产生表面收缩大,内部收缩小,导致混凝土表面受到拉力作用,易在混凝土表面将产生裂缝。
此外,在混凝土干缩过程中,集料并不产生收缩,因而在集料与水泥石界面上产生微裂缝,对混凝土的强度及耐久性产生不利影响,尤其是对大体积混凝土工程危害更大。
4.2.3耐久性
混凝土的耐久性是指混凝土在使用过程中,抵抗周围环境介质作用保持其质量和使用质量的能力。 1.混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性即指混凝土抵抗冻融循环破坏作用的能力,它是决定混凝土耐久性的主要因素。
混凝土的抗冻性一般以抗冻标号来表示。抗冻标号是以龄期28d的标准试件吸水饱和后,在-15~-20℃至15~20℃的温度条件下反复冻融循环,以满足抗压强度下降不超过25%,质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数来确定。混凝土的抗冻性也可以按照同时满足相对动弹性模量值不小于60%和质量损失不超过5%时所能承受的最大循环次数来确定。
混凝土抗冻标号有D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250和D300、共九个等级,分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10、15、25、50、100、150、200、250和300次。 2.混凝土的抗渗性
混凝土对液体或气体渗透的抵抗能力称为混凝土的抗渗性。
混凝土的抗渗性以抗渗标号来表示。采用标准养护28d的标准试件,依规定的方法进行试验,按混凝土所能承受的最大水压力,将混凝土的抗渗标号分为六个等级:S2、S4、S6、S8、S10和S12,分别表示混凝土能抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa的水压力而不渗水。通常,为缩短试验时
间,简化试验过程也可采用氯离子渗透法来测试混凝土的抗渗性能。
综上所述,混凝土的抗冻性和抗渗性均与混凝土密实程度,即孔隙总量及孔隙结构特征有关。因此可以采取有效措施改善混凝土的孔隙结构,减少混凝土内部的毛细管通道,以提高混凝土的抗冻性和抗渗性。 3.耐磨性
耐磨性是指混凝土抵抗表层磨擦损伤的能力。因此,耐磨性是道路和桥梁用混凝土结构的重要性能之一。
混凝土耐磨性评价,以试件磨损面上单位面积的磨损量作为评定混凝土耐磨性的相对指标。按现行试验方法(JTE E30—2005),是以边长150mm的立方体试件,养生至27天龄期,在60℃温度下烘干恒重,然后在带有花轮磨头的混凝土磨耗试验机上,在200N负荷下磨削50转,按下式(1-10)计算磨损量: Gc=
m1-m2
(1-10)
0.0125
式中:Gc——单位面积的磨损量,kg/m2; m1——试件的初始质量,kg; m2——试件磨损后的质量,kg。 0.0125——试件磨损面积,m2。
混凝土的耐磨性与其强度等级有密切关系,同时也与水泥品种、集料硬度有关,细集料对路面混凝土的耐磨性有较大影响。欲提高混凝土抗磨损能力,应提高混凝土的断裂韧性,降低脆性,减少原生缺陷,提高硬度及降低弹性模量。 4.混凝土中的碱—集料反应
混凝土中所含水泥中的碱与某些碱活性集料在有水存在的条件下发生化学反应,可引起混凝土产生膨胀、开裂甚至破坏,这种化学反应称为碱—集料反应(简称ARR)。
碱—集料反应必须具备三个条件:①混凝土中的集料具有碱活性;②混凝土中含有一定量的可溶性碱;③有一定湿度。
根据集料中活性物质类型,可将碱—集料反应分为两种类型:
①碱—硅反应(ASR):碱与集料中活性二氧化硅反应;②碱—碳酸盐反应(ACR):碱与集料中活性碳酸盐反应。
(2)碱活性检验
为避免碱—集料反应的发生,应进行碱活性检验。
采用岩相法判断集料中是否存在与碱发生反应的活性成分。若集料中含有活性二氧化硅,应采用化学法和砂浆长度法进行检验;若含有活性碳酸盐的集料,应使用岩石柱法进行检验,具体流程如下:
化学法
具有碱活性的集料
可溶性碱
水分
引 起
碱—集料反应岩相法 检 验
碱—硅反应
砂浆长度法
碱—碳酸盐反应:岩石柱法
4.3普通水泥混凝土组成设计
混凝土配合比设计就是根据原材料的性能和对混凝土的技术要求,通过计算和试配凋整,确定出满足工程技术经济指标的混凝土各组成材料的用量。其中,对混凝土的技术要求包括:与施工条件相适应的和易性,硬化后应满足设计强度等级和耐久性等。
4.3.1原材料的技术要求
⑴水泥品种和强度
水泥是混凝土的使用性能和工程经济性很大程度上取决于水泥的质量和用量。在满足工程要求的前提下,应选用价格较低的水泥品种,以节约工程造价。
选用水泥强度时,应以能使所配的混凝土强度达到要求、收缩小、和易性好和节约水泥为原则。
如果用高标号水泥配制低强度等级的混凝土,就会造成水泥的浪费,此时可以考虑掺加一定数量的掺合料。用低标号水泥配制高强度等级混凝土,会加大水泥用量造成浪费,同时影响混凝土的其它技术性质。 ⑵粗集料
选择粗集料时要保证其具有稳定的物理性能和化学性能,不与水泥发生有害反应。
①强度和坚固性
为保证混凝土的强度要求,粗集科必须具有足够的强度。碎石和卵石的强度采用岩石立方体抗压强度和压碎指标两种方式表示。国标《建筑用碎石、卵石》(GB/T 14685—2001)将粗集料分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,不同强度等级混凝土对粗集料技术等级的选择见表4.3。
表4.3 混凝土强度等级与碎石、卵石技术等级的关系(GB/T 14685—2001)
为保证混凝土的耐久性,用作混凝土的粗集料应具有足够的坚固性,以抵抗冻融和自然因素的风化作用。当混凝土结构物处于表4. 4所列条件时,应对碎石或卵石进行坚固性试验,采用硫酸钠溶液法检验,试样5次循环后,其质量损失应符合表中规定。
表4.4碎石和卵石坚固性试验
②有害杂质
粗集科中常含一些有害杂质,如粘土、淤泥、硫酸盐及硫化物和有机物等。它们粘附在集料表面,妨碍水泥与集料粘结,降低混凝土的抗渗性和抗冻性,硫酸盐、硫化物、有机物等对水泥也有侵蚀作用。依国标(GB/T 14685—2001)的规定,粗集料中含泥量、有机物含量、硫化物及硫酸盐含量等不得大于相应等级的技术要求,并应对混凝土所用的碎石或砾石进行碱活性检验。
③最大粒径及颗粒形状与级配
粗集料最大粒径应根据混凝土结构的具体情况及施工方法选取。粗集料的粒径增大能够节约水泥,但最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4和钢筋间最小净距的3/4;在二层或多层密布钢筋结构中,不得超过钢筋最小净距的1/2;在混凝土实心板中,不宜超过板厚的1/3,且不得超过40mm。同时,集料中针、片状颗粒不宜过多,以防止降低混凝土的强度。
粗集料应具有良好的颗粒级配,以减少空隙率,增强密实性,从而可以节约水泥,保证混凝土拌合物的和易性及混凝土的强度。
粗集料的颗粒级配,可采用连续级配或连续级配与单粒级配合使用。在特殊情况下,需要采用单一的单粒级集料配制混凝土时,则应作技术经济分析,并通过试验证明无离折现象或影响混凝土的质量。混凝土中碎石或砾石颗粒应符合表4.5的规定。
表4.5 碎石或卵石的颗粒级配规定(GB/T 14685—2001)
⑶细集料
配制混凝土所用的细集料应为级配良好、质地坚硬、颗粒洁净的河砂或海砂。
若受施工条件限制缺少河砂或海砂资源时,也可使用符合要求的山砂或机制砂。 ①压碎值和坚固性
混凝土用细集料同样应具有一定的强度和坚固性。混凝土中强度等级与细集料技术等级的关系见表4.6。
表4.6混凝土强度等级与细集料技术等级的关系
②级配与细度模数
细集料的级配应符合表4.7中的规定。Ⅱ区是由中砂和部分偏粗的细砂组成,配制混凝土时应优先选择该类型的级配;Ⅰ区为粗砂,采用Ⅰ区的级配配制混凝土时,应提高砂率,并保持足够的水泥用量,否则会增大混凝土拌合物的内摩擦力,使保水性变差且不易捣实成型;Ⅲ区砂由细砂和部分偏细的中砂组成,若配制混凝土采用Ⅲ区砂应适当降低混凝土的砂率以保证混凝土强度。
表4.7 细集料级配范围(GB/T 14685—2001)
注:①括号中的数据为人工砂可放宽的范围;
②砂的实际颗粒级配除了在4.75mm和0.60mm筛档外,其余各档可以略有超出表中所列数据,但超出总量应小于5%。
⑷拌合用水
混凝土拌合用水包括:饮用水、洁净的天然水、地下水、海水及经适当处理后的工业废水。选用时应根据有害物杂含量和对混凝土物理力学性质的影响进行区分。混凝土拌合用水应符合表4.8的规定。
表4.8混凝土拌合用水质量要求
注:使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土氯化物的含量不得超过350mg/L。
⑸外加剂和掺合料
外加剂是能按照一定要求改变混凝土某些性能的物质,一般在混凝土拌合前或拌合过程中加入,且掺量不超过水泥质量的5%,如减水剂、引气剂等。
掺合料能改善混凝土的施工和易性、降低混凝土水化热、调解凝结时间等。常见的混凝土用掺合料包括:粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、沸石粉、硅粉及复合型掺合料等。
4.3.2普通混凝土组成设计
混凝土配合比设计就是根据原材料的性能和对混凝土的技术要求,通过计算和试配凋整,确定出混凝土中各组成材料的质量或体积之间的比例关系。
混凝土的配合比可采用如下两种表示方法,混凝土组成设计流程见图4.16。
① 以一方混凝土中各材料的质量表示:
水泥 330kg,水 185 kg,砂 598 kg,石子1281kg ② 以水泥质量为1表示其它材料的相对关系: 水泥:砂:石子=1:1.81:3.88,水灰比=0.56 确定组成材料
比例
调整施工 和易性
复核强度及 其它要求
施工现场 调整含水量
图4.16 混凝土组成设计流程图
⑴配合比设计指标
进行普通混凝土配合比设计时,主要考虑混凝土拌合物的施工和易性、硬化混凝土的强度和耐久性。
①混凝土施工和易性选择
坍落度是反映新拌混凝土施工和易性最常用的方法。普通混凝土的坍落度应根据构件截面尺寸大小、钢筋疏密和施工方式来确定。如表4.9所示。
表4.9 混凝土浇筑时的坍落度要求
注:ⅰ.本表为机械振捣时的坍落度,当采用人工捣实混凝土时其值可适当增大; ⅱ.当需要配制大坍落度混凝土时,应掺用外加剂;
ⅲ.曲面或倾斜结构混凝土的坍落度应根据实际需要另行选定; ⅳ.泵送混凝土的坍落度宜为80~180mm;
②混凝土配制强度fcu,0
在实际施工过程中,原材料的质量和施工条件可能会产生波动,造成混凝土强度波动。因此,必须使混凝土的配制强度大于设计强度要求的强度等级,以使混凝土的强度保证率能满足国家标准的要求。混凝土配制强度按式(1-11)计算:
fcu,0≥fcu,k+1.645σ (1-11) 式中:fcu,0——混凝土配制强度,MPa;
fcu,k——混凝土设计强度等级,MPa
;
σ——混凝土强度标准差,MPa;
混凝土强度标准差可根据近期同类混凝土强度资料求得,若无历史统计资料,标准差可按下表4.10选取。
表4.10 标准差σ值表
③混凝土耐久性
为满足耐久性要求,《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2000)中对设计强度>C15的混凝土配合比中的最大水灰比和最小水泥用量做出了规定,见表4.11。
表4.11 混凝土最大水灰比和最小水泥用量
注:当用活性掺合料取代部分水泥时,表中的最大水灰比以及最小水泥用量即为替代前的水灰比和水泥用量。
⑵初步配合比设计步骤
①计算混凝土的配制强度fcu,0 ②计算水灰比(W/C)并校核
普通混凝土的水灰比由经验公式(1-12)计算,为保证混凝土的耐久性,水灰比计算值不得超过表4.11中所规定的最大水灰比值。
W/C=
αa⨯fce
(1-12)
fcu,0+αa⨯αb⨯fce
式中:fcu,0——混凝土配制强度,MPa; fce——水泥28d抗压强度实测值,MPa;
αa、αb——回归系数,应根据工程所使用的水泥、集料通过试验确定,当无
试验统计资料时,可按表4.12进行选取。
表4.12 回归系数αa、αb选用表(JGJ/T 55—2000)
③选定用水量
单位用水量取决于集料特性以及混凝土拌合物施工和易性的要求,按以下方法选用。
对于干硬性和塑性混凝土来说,当水灰比在0.4~0.8范围时,应根据集料的品种、最大粒径及施工要求选定混凝土拌合物的流动性。
表4.13中单位用水量为采用中砂时的平均取值,当采用细砂时,用水量可增加5~10kg/m3;当采用粗砂时,则可减少5~10kg/m3。
表4.13 混凝土单位用水量选用表(kg/m)(JGJ/T 55—2000)
3
对于流动性和大流动性混凝土来说,未掺加外加剂时,以表4.13中坍落度90mm的用水量为基础,按坍落度每增大20mm用水量增加5kg/m3的原则计算混凝土的用水量。
当掺加外加剂时,混凝土用水量按式(1-13)计算。 mw,ad=mw0(1-β
) a d
(1-13)
式中:mw,ad——掺加外加剂混凝土的单位用水量,kg/m3;
mw0——未掺加外加剂混凝土的单位用水量,kg/m3;
βad——外加剂的减水率,%,经试验确定。
④确定砂率
坍落度在10~60mm范围内的混凝土,其砂率可根据集料品种、最大粒径及水灰比按表4.14选取。
表4.14混凝土砂率选用表(%)(JGJ/T 55—2000)
注:ⅰ表中数值系中砂的选用砂率,对细砂或粗砂,可相应地减少或增加砂率; ⅱ当只有一个单粒级的粗集料配制混凝土时,砂率值应适当增加; ⅲ对薄壁混凝土构件砂率应取偏大数值。
坍落度大于60mm的混凝土应在表4.14的基础上,按坍落度每增大20mm,砂率增大1%的幅度予以调整。坍落度小于10mm的混凝土及使用外加剂或掺合料的混凝土应经试验确定砂率。
⑤计算并校核单位水泥用量
根据水灰比W/C和单位用水量依式(1-14)计算单位水泥用量。为保证混凝土的耐久性,水泥用量计算值不得小于表4.11中规定的最小水泥用量。
mc0=⑥计算细集料用量和粗集料用量 可采用体积法和密度法
在采用体积法时,认为混凝土拌合物总体积等于水泥、砂、石和水四种材料绝对体积与空隙体积之和,即方程组(1-15)所表示的关系。
mc0
m (1-14) W/C
ρcβs=
+
mg0
ρg
+
ms0mw0
++0.01a=1
ρsρw
ms0
⨯100%
ms0+mg0
(1-15)
式中:mc0——混凝土中的单位水泥用量,kg/m3;
mg0——混凝土中的单位粗集料用量,kg/m3; ms0——混凝土中的单位细集料用量,kg/m3; mw0——混凝土中的单位用水量,kg/m3;
βs——砂率,%; ρc——水泥密度,kg/m3;
ρg——粗集料的表观密度,kg/m3; ρs——细集料的表观密度,kg/m3;
ρw——水的密度,kg/m3,可取1000 kg/m3;
a——混凝土的含气量百分数,在不使用引气型外加剂时,a可取为1。 采用密度法时,先假定一个适宜的混凝土表观密度值mcp,混凝土各组成材料之和即为混凝土的表观密度mcp,如方程组(1-16)所示的关系。
mc0+mg0+ms0+mw=0mcp
βs=
ms0
⨯100%
ms0+mg0
(1-16)
式中:mc0、mg0、ms0、mw0、βs——符号意义同式(1-15);
mcp——混凝土拌合物的假定表观密度,范围2400~2450kg/m3。 应用以上两种方法可求出粗细集料用量,由此得到混凝土的初步配合比:水泥:水:砂:石子=mc0:mw0:ms0:mg0 ⑶试验室配合比试配、调整与确定
①基准配合比
试拌混凝土时应在用水量中扣除集料中过多的含水量值,集料称量也应相应增加。
如果按“初步配合比”进行拌制的混凝土其流动性或粘聚性和保水性不好时,应在保持水灰比不变的条件下,调整水泥浆的含量。也可以根据砂率与流动性的关系,通过调整砂率来改善混凝土的流动性。然后提出供混凝土强度校核用的“基
准配合比”:水泥:水:砂:石子= mca:mwa:msa:mga。
②设计配合比
依“基准配合比”配制混凝土进行强度试验。强度试验时,至少应采用三个不同水灰比的配合比,其中一个为“基准配合比”,另外两个分别较基准配合比增加和减少0.05且单位用水量与基准配合比相同。每种水灰比至少制作三块试件,并应标准养护到28d时进行抗压强度试验。
制作混凝土强度试件时,应检验混凝土的和易性(坍落度、或VB稠度、粘聚性、保水性),并测定拌合物的表观密度。当不同水灰比的混凝土拌合物坍落度与要求值相差超过允许偏差时,可以适当增、减用水量进行调整,也可将砂率酌情增加或减少1%。
根据强度试验结果,建立灰水比C/W与强度的关系,选定与混凝土配制强度(fcu,0)相对于的灰水比C/W。然后,依下列步骤确定混凝土“设计配合比”中的各种材料用量。
单位用水量mwb,根据制作强度事件时的测得的坍落度或维勃稠度对基准配合比中的单位用水量mwa进行调整。
单位水泥用量mcb,根据单位用水量mwb乘以选定灰水比C/W计算确定。 细集料msb和粗集料用量mgb,按基准配合比中的砂率,和单位水泥用量
mcb、单位用水量mwb代入式(1-15)和式(1-16)中计算确定。
由式(1-17)计算混凝土的表观密度,并由式(1-18)计算混凝土配合比校正系数。
ρc,c=mcb+mwb+msb+mgb (1-17) 式中: ρc,c——混凝土的表观密度计算值,kg/m3;
mcb、mwb、msb、mgb——混凝土设计配合比组成材料单位用量,kg/m3;
δ=式中:δ——混凝土配合比校正系数;
ρc,t
(1-18) ρc,c
ρc,t——混凝土表观密度实测值,kg/m3;
ρc,c——混凝土表观密度计算值,kg/m3;
当混凝土表观密度实测值ρc,t与计算值ρc,c之差的绝对值不超过计算值的2%时,上述方法得到的各种材料用量即为混凝土的设计配合比。当二者之差超过2%时,将各项材料用量乘以校正系数δ,即为确定的混凝土设计配合比,水泥:水:砂:石子=mc:mw:ms:mg。 ⑷施工配合比确定
施工现场各种材料的称量应按工地砂石材料的实际含水量进行修正,修正后的配合比成为“施工配合比”,水泥:水:砂:石子=mc':mw':ms':mg'。
具体方法为:测出工地砂的含水率Ws、石子的含水率Wg,以下列公式进行计算。
水泥:mc'=mc
砂: ms'=ms⨯(1+Ws% )碎石:mg'=mg⨯(1+Wg%)
+mg⨯W%水: mw'=mw-(ms⨯W%sg )
4.3.3普通混凝土配合比设计示例
⑴组成材料
普通硅酸盐水泥42.5级,实测28d抗压强度为46MPa,密度ρc=3100kg/m3;中砂,表现密度ρs=2650 kg/m3,施工现场砂含水率为2%;碎石:最大粒径
dmax=31.5mm,表观密度ρg=2700,施工现场碎石含水率为1%。水:自来水。 ⑵设计要求
某钢筋混凝土桥T型梁用混凝土(受冰雪影响),混凝土设计强度C40,强度标准差为5.0MPa,要求混凝土拌合物坍落度为35~50 mm。试确定该混凝土的设计配合比和施工配合比。
⑶设计计算
步骤1:初步配合比的计算 ①计算配制强度(fcu,0)
根据设计要求混凝土强度等级fcu,k=40MPa,强度标准差σ=5.0 MPa,计算该混凝土的配制强度fcu,0:
fcu,0=fcu,k+1.645σ=40+1.645⨯5=48.2MPa
②计算水灰比(W/C)
由所给资料,水泥实测抗压强度fce=46.0Mpa,混凝土配制强度fcu,0=48.2 MPa,粗集料为碎石,查表4.12得αa=0.46,αb=0.07,计算混凝土水灰比为:
W/C=
αa⨯fce0.46⨯46.0
==0.43
fcu,0+αa⨯αb⨯fce48.2+0.46⨯0.07⨯46.0
混凝土所处环境为受冰雪影响地区,查表4.11可知最大水灰比为0.50,按照强度计算的水灰比结果符合耐久性要求,故取计算水灰比为W/C=0.43。
③确定单位用水量 (mw0)
根据题意要求混凝土拌合物的坍落度为35~50 mm,碎石最大粒径为31.5,查表4.13选取混凝土的用水量为:mw0=185 kg/m3。
④计算单位水泥用量(mc0)
根据单位用水量mw0=185 kg/m3及计算水灰比W/C,计算单位水泥用量。
mc0=
mw0185
==430kg/m3 W/C0.43
查表4.11,大于耐久性要求的最小水泥用量,故取水泥用量为
mc0=430kg/m3。
⑤确定砂率(βs)
由碎石的最大粒径31.5mm,水灰比W/C=0.43,取混凝土砂率为33%。 ⑥计算细、粗集料用量(ms0及mg0)
按照体积法将mw0、mc0和βs代入,非引气混凝土,取a=1。
mg0ms0430185+=1---0.01⨯[**************]00
ms0
=0.33
ms0+mg0
联立求解得:砂用量ms0=590 kg/m3,碎石用量mg0=1198 kg/m3。
按体积法计算所得混凝土初步配合比为:mc0:mw0:ms0:mg0=430:185:590:1198。
按密度法,假定混凝土表观密度为mcp=2400 kg/m3,将mw0、mc0和βs代入方程组得:
mg0+ms0=2400-430-185ms0
=0.33
ms0+mg0
联立求解得:砂用量ms0=589 kg/m3,碎石用量mg0=1196 kg/m3。
按密度法确定的混凝土初步配合比为mc0:mw0:ms0:mg0=430:185:589:1196。
步骤2:基准配合比设计
按计算初步配合比(以绝对体积法计算结构为例)试拌15L混凝土拌合物,各种材料用量为:水泥=430×0.015=6.45kg;水=185×0.015=2.78kg;砂=590×0.015=8.85kg;碎石=1198×0.015=17.97kg;
按计算材料用量拌制混凝土拌合物,测定其坍落度为60mm,未满足题目给的施工和易性要求。为此,保持水灰比不变,减少5%水泥浆。再经拌和坍落度为40mm,粘聚性和保水性亦良好,满足施工和易性要求。此时混凝土拌合物各组成材料实际用量为:水泥=6.45×(1-5%)=6.13kg;水=2.78×(1-5%)=2.64kg;砂=8.85kg;碎石=17.97kg;
换算为基准配合比为:mca:mwa:msa:mga=409:176:590:1198。 步骤3:设计配合比确定 ①强度检验
采用水灰比分别为:0.38、0.43、0.48,用水量保持不变,相应调整砂、碎石用量,拌制三组混凝土拌合物。除基准配合比一组外,其他两组经测定坍落度并观察其粘聚性和保水性均属合格。三组配合比经拌制成型,在标准条件养护28天后,按规定方法测定其立方体抗压强度值见表4.15。
表4.15 不同水灰比混凝土强度值
根据表中试验结果,绘制混凝土28天立方体抗压强度(fcu,28)与灰水比(C/W)关系图。如图4.17所示。
图4.17混凝土28天抗压强度与灰水比关系曲线
由图可知,相应混凝土配制强度fcu,0=48.2MPa的灰水比C/W=2.25,即水灰比=0.44。
②设计配合比确定
按强度试验结果修正配合比,各种材料用量为: 用水量 mwb=18⨯5-(1
=0.0kg5;
水泥用量 mcb=194÷0.44=400kg。 砂石用量按体积法
mgbmsb400176
+=1---0.01⨯[**************]00
msb
=0.33
msb+mgb
解得:
砂用量 msb=607 kg; 碎石用量 mgb=1232 kg。
修正后配合比 mcb:mwb:msb:mgb=400:176:607:1232 ③设计配合比的调整
混凝土拌合物表观密度计算值:ρc,c=400+176+607+1232=2415 kg/m3, 实测表观密度:ρc,t=2400 kg/m3, 修正系数:δ=2400/2415=0.99
因实测拌合物的表观密度与计算的表观密度值之差不超过2%,故混凝土设计配合比的材料用量不作调整。
因此,最后确定混凝土的设计配合比为:mc:mw:ms:mg=400:176:607:1232。
步骤4:施工配合比的计算
'=400kg/m3 水泥用量 mc
'=607砂用量 ms⨯碎石用量 m'2g=123⨯
(+1
2=%kg/m)3
+(1
1=%kg/m)3
'=176水用量 mw-
(6⨯07+2%⨯123kg/m=23
':ms':mw':m'所以,现场施工配合比:mcg=400:152:619:1244
4.4道路混凝土组成设计
道路混凝土主要指路面混凝土,路面水泥混凝土是指满足混凝土路面摊铺工作性(和易性)、弯拉强度、耐久性与经济性要求的水泥混凝土材料。
4.4.1道路混凝土的路用性能
⑴和易性
道路混凝土拌合物在施工拌和、运输、浇筑、捣实和抹面等过程中不分层、不离析、不泌水,能均匀密实填充在结构物模板内,即具有良好的施工和易性,符合施工要求。
①滑模摊铺前拌合物最佳工作性及允许范围如表4.16所示。
表4.16混凝土路面滑模摊铺最佳工作性及允许范围(JTG F30—2003)
②轨道摊铺机、三辊轴机组、小型机具摊铺的路面混凝土坍落度及最大单位用水量应满足表4.17的规定。
表4.17不同路面施工方式混凝土坍落度及最大单位用水量(JTG F30—2003)
⑵强度
道路水泥混凝土的强度以28d龄期的弯拉强度控制,当混凝土浇筑90d内部开放交通时,可采用90d的弯拉强度。混凝土弯拉强度标准值fcm按其概率分布的0.85分位值确定。各级交通要求的道路混凝土设计弯拉强度fcm应符合(JTG D40—2002)的规定,见表4.18。
表4.18水泥混凝土弯拉强度标准值
注:①在特重交通的特殊路段,通过论证,可使用设计弯拉强度5.5MPa。
⑶耐久性
道路混凝土的使用环境可分为:无抗冻性、有抗冻性和有抗盐冻性要求三种。为了提高混凝土的抗冻性,在不同环境条件下使用的路面混凝土中的含气量应在表4.19推荐的范围内,且严寒地区混凝土抗冻标号不宜小于D250,寒冷地区不宜小于D200。此外,道路混凝土的最大水灰比或水胶比以及最小水泥用量应符合表4.20的规定。
表4.19道路混凝土适宜含气量及允许偏差(%)(JTG F30—2003)
表4.20混凝土满足耐久性要求的最大水(胶)灰比和最小水泥用量(JTG F30—2003)
注:①计算水(胶)比时,砂石材料以饱和面干状态为准。
4.4.2道路混凝土组成设计
⑴配制弯拉强度fc
在进行配合比设计时,必须考虑变异性对混凝土强度的影响,因此普通道路混凝土的配制弯拉强度均值fc按式(1-19)计算。
fc=
fcm
+ts (1-19)
1-1.0C4v
式中:fcm——混凝土的设计弯拉强度标准值,MPa;
s——混凝土弯拉强度试验样本的标准差;
t——保证率系数,按样本n和判别概率p参照表4.21确定;
Cv——混凝土弯拉强度变异系数,应按照统计数据在表4.22的规定范围
中取值;当无统计数据时,应按照设计取值;如果施工配制弯拉强度超出设计给定的弯拉强度变异系数上限,则必须改变施工机械装备,提高施工控制水平。
表4.21保证率系数
t
表4.22各级公路混凝土路面弯拉强度变异系数
⑵水灰比W/C的计算、校核及确定
①按照混凝土弯拉强度计算水灰(胶)比
不同粗集料类型混凝土的水灰比W/C按经验公式(1-20)和式(1-21)计算。
碎石(或被碎卵石混凝土):W/C=
1.5684
(1-20)
fc+1.0097-0.3595fs
1.2618
(1-21)
fc+1.549-20.4fs709
卵石混凝土: W/C=
式中:fc——混凝土配制弯拉强度,MPa;
fs——水泥28d实测抗折强度,MPa;
如果掺加粉煤灰等矿物掺合料时,应计入超量取代法中代替水泥的那一部分粉煤灰用量F,代替砂的超量部分不计入,然后用水胶比W/(C+F)代替水灰比W/C。
②按耐久性校核确定水灰(胶)比
按照道路混凝土的使用环境、道路等级查表4.29得到满足耐久性要求的最大水灰(胶)比。在满足弯拉强度和耐久性要求的水灰(胶)比中取最小值作为道路混凝土的设计水灰(胶)比。 ⑶选取砂率βs
根据砂的细度模数和粗集料品种,查表4.23选取砂率βs。表的适用条件为:水灰比在0.35~0.48之间,使用外加剂,集料级配良好,卵石最大粒径19.0mm,碎石最大粒径31.5mm,碎卵石可在碎石和卵石混凝土之间内插取值。
表4.23砂的细度模数与最优砂率的关系
⑷单位用水量
①不掺外加剂和掺合料时,单位用水量计算
单位用水量根据选定坍落度、粗集料品种、砂率及水灰比,按照经验公式(1-22)或公式(1-23)计算,其中砂石材料质量按自然风干状态计。
碎石: mw0=104.97+0.309SL+11.27(C/W)+0.61βs (1-22)卵石:mw0=86.89+0.370SL+11.24(C/W)+1.00βs (1-23)
式中:SL——坍落度,mm;
βs——砂率,%;
C/W——灰水比。
(2)掺外加剂的混凝土单位用水量
掺外加剂混凝土的单位用水量按式(1-24)计算。 mw,ad=mw0(1-β
) a d
(1-24)
式中:mw,ad——掺外加剂混凝土的单位用水量,kg/m3;
mw0——未掺外加剂时混凝土的单位用水量,kg/m3;
βad——外加剂减水率的实测值,以小数计。
比较计算值与表中规定值的大小,取其中较小者为最终用水量。如果实际用水量在仅掺引气剂的混凝土拌合物中不能满足坍落度要求时,应掺用引气剂复合(高效)减水剂。
⑸单位水泥用量mc0的确定
单位水泥用量mc0按照式(1-25)计算,然后根据道路等级和环境条件,查表4.29,得到满足耐久性要求的最小水泥用量,取两者中的最大值。
mc0=mw0⨯(C/W) (1-25) 式中: mw0——混凝土单位用水量,kg/m3;
C/W——混凝土的灰水比。
⑹砂石材料用量ms0和mg0的确定
砂石用量可按质量法或体积法计算,具体方法与普通混凝土配合比计算方法相同。采用超量取代法掺用粉煤灰时,超量部分应取代等体积的砂,并折减用砂量。计算得到的配合比,应验算单位粗集料填充体积率,且不宜小于70%。 ⑺单位粉煤灰用量
道路混凝土掺用粉煤灰时,其配合比应按照超量取代法进行。代替水泥的粉煤灰掺量:Ⅰ型硅酸盐水泥≤30%;Ⅱ型硅酸盐水泥≤25%;道路水泥≤20%;普通水泥≤15%;矿渣水泥不得掺粉煤灰。粉煤灰的超量部分应代替砂,并折减
用砂量。
4.4.3道路混凝土研究新成果
由长安大学公路学院申爱琴教授主持、多家单位共同参与的交通部西部交通建设科技项目《道路水泥混凝土组成设计研究》已通过专家鉴定。项目提出了基于系统论的道路水泥混凝土组成设计方法。 ⑴系统论的应用
道路混凝土可分为混凝土主系统、砂浆子系统和净浆从系统三个层次,如图4.18,砂浆和混凝土之间属于直接联系的垂直结构,二者的性能具有相比性,这是基于砂浆层次设计道路混凝土的可行性基础。
从系统
主系统
图4.18道路混凝土的个体、联系及结构关系
道路混凝土属于一种典型的开放式系统,存在于特定的环境之中,并与环境发生着持续的能量交换,因此,脱离环境来研究道路混凝土系统并无实际意义。
实际工作状态下的道路混凝土一般直接暴露在环境大气和交通荷载作用之下,其性能表现是自然环境、使用环境与混凝土内部材料相互作用的过程和结果,而交通荷载的弯拉疲劳破坏、车轮的磨耗损伤、轮间水的渗透溶蚀破坏和大气的冻融腐蚀破坏导致了道路混凝土系统的衰变和破坏,如图4.19所示。
使用环境
环境
境
使用
自然境自
图4.19道路混凝土系统的组成与工作环境
⑵设计理念
①分层次设计:根据设计原则和要求,进行原材料、砂浆及混凝土结构层次的组成与性能设计。
分层次设计可分为原材料层次、关键的砂浆或水泥浆层次和混凝土结构层次。原材料对硬化混凝土的路用性能有重要影响,是设计的基础和第一层次,原材料的选择和技术性质测试、集料级配的确定均属于这个层次;水泥浆或砂浆是混凝土中最主要的粘结料,其性能和体积分量制约着混凝土的施工性能、强度和耐久性,是联系原材料及混凝土结构层次的关键中间层次,确定砂浆体积分量和水灰比属于该层次的内容;混凝土结构层次是最终设计过程和目标,其任务是根据路用性能的综合要求,调整、反馈和确定各材料组成参数的取值,进行配合比的室内设计、室内及现场检验和优化工作,确定最终的混凝土配合比。
②分阶段设计:根据道路混凝土的结构形成、性能获得及性能衰变过程,进行施工性能、强度、耐久及抗裂性设计及验证。如图4.20道路混凝土结构的形成和劣化阶段。
分阶段动态设计需要从原材料、新拌混凝土、硬化混凝土的使用过程及影响
环境条件等方面进行设计,在分层次体积设计混凝土的基础上,分阶段性能设计从混凝土的结构形成、强度和耐久性的获得、使用环境对强度和耐久性的影响等阶段进行综合设计,分为施工性能设计(包括施工抗裂性)、强度设计及耐久性(包括抗裂性)设计三个阶段,从而控制道路混凝土的综合路用性能。
运期起点营期
全寿命
全寿命期终点
路面龄期
流动性 丧失
强度完全形成
耐久性完 全形成
结构性能丧失
混
水泥水凝化开始土
图4.20道路混凝土结构的形成和劣化阶段
⑶设计分区
①一级气候分区
根据混凝土路面的冻融破坏严重程度,将中国大陆地区分为严寒区、寒冷区、微冻区和无冻区四类一级耐久性气候分区,见表4.24。
注:相同纬度时,海拔高度每升高1000米,冻融等级向不利方向提高一级。
②二级气候分区
根据相对湿度年平均值、日变化值以及年平均降水量导致道路混凝土开裂及传力杆锈蚀的严重程度,在一级气候分区框架中,可将每个一级分区继续细分为潮湿、干湿交替和干燥等二级分区,见表4.25。
表4.25耐久性二级气候分区
41
注:干燥地区应注意收缩抗裂设计,潮湿地区需注重抗渗透溶蚀设计。
基于系统论的道路水泥混凝土组成设计方法,以系统论为指导,在全国范围内进行耐久性气候分区,结合道路混凝土的材料特性、功能和重要程度,提出对应于不同分区的路用性能指标与材料组成参数的相关取值规定,通过分阶段、分层次的设计方法,完成对道路混凝土的组成设计。
4.5水泥混凝土外加剂
混凝土外加剂是在混凝土拌合时或拌合前掺入的、掺量一般不大于水泥重量5%,并能按要求改变混凝土性能的材料。 ⑴外加剂的类型及功能
常用外加剂的类型和主要功能如表4.26所示:
表4.26外加剂的类型功能及使用范围
42
⑵常用外加剂的作用机理
①减水剂
研究认为减水剂通过以下三个作用,来实现其功能。 吸附—分散作用
减水剂可以打破水泥在加水搅拌后产生的絮凝状结构,使絮凝体内的游离水释放出来,从而增加拌合物的流动性。如图4.21所示。
(a)未掺减水剂前絮状结构 (b)掺减水剂后分散结构
图4.21 减水剂对水泥絮凝结构的分散作用
润滑作用
43
减水剂在水泥颗粒表面吸附定向排列,其亲水端极性很强,带有负电,很容易与水分子中氢键产生缔合作用,使水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜,它不仅能阻止水泥颗粒间的直接接触,并在颗粒间起润滑作用。
湿润作用
由于减水剂对水泥颗粒的分散作用,使水泥与水的接触表面增加,水化更加充分,从而提高混凝土的强度。
②引气剂
引气剂为憎水性表面活性物质。混凝土在搅拌时会将一部分空气引入,引气剂加入后会被吸附到气泡表面,并在空气与水的界面上作定向排列,降低了气泡面上水的表面张力及界面能,从而使溶液形成众多表面时所需的功减少,同时使气泡稳定存在。这些相互独立、微小的气泡起到了如滚珠轴承的作用,显著改了善混凝土拌合物的和易性,并减少泌水和离析。同时,这些气泡彼此隔离,切断了混凝土中毛细管渗水通道,使水分不易渗入,提高了混凝土的抗冻性和抗渗性。气泡的存在也会使混凝土的弹性模量降低,这对混凝土的抗裂性是有利的。 ⑶外加剂掺量及掺加方法
外加剂的掺入方法对其作用效果有较大影响,使用外加剂时应根据外加剂的品种及施工条件等具体情况选择合适的掺入方法以提高功效,外加剂掺入方法归纳如下:
①干粉先掺法:粉末状外加剂先与水混合,然后加水搅拌。
②溶液同掺法:将外加剂预先溶解,在混凝土搅拌时与水一起掺入。
干粉滞水法:以干粉加入
③滞水法:混凝土搅拌过程中,外加剂滞后1~3分钟加入。
溶液滞水法:以溶液加入
③外加剂在运输途中或施工现场分几次或一次加入,再经二次或多次搅拌。
外加剂掺入方法对混凝土性能的影响效果如表4.27所示:
表4.27 外加剂掺入方法对混凝土的影响
44
45