普通混凝土的基本组成材料

普通混凝土的基本组成材料：水泥浆（水泥、水）、骨料（砂子、石子）适量的掺合剂和外加剂。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，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体骨 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、强度和耐久性不利外加剂化学外加剂：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；矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰矿渣和易性：混凝土拌合物便于施工并能获得均匀、密实。是混凝土的一种综合性能，包括：流动性、粘聚性、保水性。 流动性：反映混凝土拌合物在自重或施工机械振捣作用下流动的性能，取决于拌和物的稠度。 粘聚性：反映混凝土拌合物的抗离析、分层的性能。 保水性： 指混凝土拌合物保持水分不易析出的能力。和易性是一项综合评价混凝土拌合物施工性能的指标，包括流动性、粘聚性、保水性。和易性用坍落度或维勃稠度定量指标，辅以粘聚性和保水性的定性观察，综合评价。和易性影响到浇灌后混凝土的均匀密实性，从而影响硬化后混凝土性能。和易性受下列因素影响：水泥品种、细度与水泥用量；用水量与水灰比骨料(颗粒特征、粒径与级配、砂率等) ；外加剂；温度与时间措施： 水泥浆的用量要合理 水灰比 砂率 种类：v 按照组成有：有机质和无机质外加剂 有机质表面活性物质 无机质电解质盐类化合物v 按照功能有： 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。外加剂的作用 改善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。 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气量的外加剂。 组成特点：碳氢分子链上带有亲水性离子基团的表面活性物质。 种类： 减水效果 普通减水剂(也称塑化剂)； 高效减水剂(也称超塑化剂)。 复合功能 早强减水剂； 缓凝减水剂； 引气减水剂。) 减水剂的组成与分子结构特点v 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憎水基团。减水剂的物理化学特征v 可溶于水，能显著降低水的表面张力；v 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 通过吸附分散、湿润润滑等作用，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。 由于水泥颗粒之间和水泥颗粒与水之间的的相互吸力，导致水泥颗粒在水中分散困难，水泥颗粒容易相互粘聚形成絮凝结构，有1030%的拌和水被包含在其中，从而降低了水泥浆的流动性。 当减水剂加入水泥浆中，减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，作定向排列，组成了单分子或多分子吸附层，使水泥浆结构发生了的变化： 水泥颗粒表面带相同电荷，相互间的静电斥力使水泥颗粒易于分散； 减水剂分子链上的极性基团使水泥颗粒表面溶剂化层增厚，产生空间位阻，增加了水泥颗粒间的滑动能力，减少了粘滞性，增加润滑性； 水泥颗粒易于湿润，自动粘聚能力减弱，塑化能力增强。 引气剂 能在混凝土拌和物中产生许多均匀分布的微小气泡(孔径为0.012mm)，并在硬化后仍能稳定存在的外加剂。v 组成特点：带有憎水基和亲水基的表面活性剂v 物理化学特性： 可溶于水； 降低水的表面张力； 能吸附在气泡表面，使之稳定。v 搅拌水可产生气泡，但很快消失，为什么？ 水的表面张力是气泡不稳定！v 水中加入引气剂后 水的表面张力降低，在搅拌过程中将空气引入而产生许多气泡； 通过吸附于气泡表面形成单分子膜，减小液气界面能(表面张力)，使气泡表面的液膜坚固不易破裂而稳定存在。v 改善拌和物的和易性，减少用水量5%9%，改善保水性，减少泌水性；v 混凝土的抗渗性提高50%，抗冻标号提高3倍； v 降低混凝土的强度，引入1%的空气，可使强度下降56%； v 增大变形性，降低弹性模量，提高抗裂性和抗冲击性。 调节混凝土凝结时间的外加剂v 早强剂 早强剂能加速新拌混凝土凝固，提高混凝土早期强度，而对后期强度无显著影响的外加剂称为早强剂。v 防冻剂 在负温下使用的早强剂称为防冻剂或防冻早强剂，它能降低冰点，促使水泥水化放热反应，达到抵抗冰体膨胀的临界强度v 速凝剂 能使水泥混凝土急速凝结硬化(15min内初凝，210min内终凝)的外加剂。 v 缓凝剂 能延缓水泥混凝土凝结硬化时间，并对后期强度无显著影响的外加剂v 早强剂的作用机理 通过同离子效应，降低水泥水化物在水中的溶解度，促使水化物快速结晶沉淀；v 形成结晶性很好、化学结合水量较大、且有一定膨胀性的不溶性复合盐水化物晶体，如氯铝酸钙、硫铝酸钙水化物，降低了孔隙率、加快了水泥浆结构的形成；v 提高了水泥浆体的碱性，使水泥矿物的水化速度加快，如三乙醇胺；v 速凝剂的作用机理 使水泥生产时掺入的起调凝作用的石膏分解，从而使C3A迅速水化；v 速凝剂中的组分与硫酸钙反应生成能促进水泥水化的化合物；v 水溶性的铝酸盐能迅速促进水泥浆的凝结硬化。v 缓凝剂的作用机理 缓凝剂分子吸附在水泥颗粒表面，屏蔽活性点，阻碍水泥的水化；v 能产生多元酸根离子吸附在金属离子上，阻碍水泥水化物的结晶沉淀，从而延缓了水泥浆体结构的形成，使混凝土的凝结时间延缓几小时。混凝土强度质量的评定1)混凝土强度的波动规律A.算术平均值：fcu = (1/n)Sfcu,i式中：n试验组数，( n 30)； fcu,i第i组试验值。B.标准差（） ：正态分布曲线上拐点至对称轴的垂直距离，可用以作为评定混凝土质量均匀性的一种指标。 s = S(fcu,ifcu)2/（n1） 1/2 混凝土强度的标准差（）随强度等级的提高而增大。C. 变异系数（v）作为评定混凝土质量均匀性的指标： Cv = s /fcu v值愈小，表示混凝土质量愈稳定；v值大，则表示混凝土质量稳定性差。混凝土强度保证率（）混凝土的强度保证率P（）是指混凝土强度总体中，大于等于设计强度等级的概率，在混凝土强度正态分布曲线图中以阴影面积表示。低于设计强度等级（fcu，）的强度所出现的概率为不合格率。混凝土配制强度在施工中配制混凝土时，如果所配制混凝土的强度平均值（ ）等于设计强度（fcu,），则由图5-19可知，这时混凝土强度保证率只有50。因此，为了保证工程混凝土具有设计所要求的95强度保证率，在进行混凝土配合比设计时，必须使混凝土的配制强度大于设计强度(fcu,）。 硬化混凝土的变形性 硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿度变化)和外加荷载因素，因此有：v 荷载作用下的变形 弹性变形 非弹性变形 v 非荷载作用下的变形 收缩变形 膨胀变形v 复合作用下的变形 徐变v 混凝土配制强度可按下式换算（JGJ55-2000）： fcu,0fcu,k +1.645 式中fcu,0混凝土配制强度（MPa） fcu,k设计的混凝土强度标准值（MPa） 混凝土强度标准差（MPa）fcu,kC20 =4.0 C20fcu,kC35 =5.0 C35fcu,k=6.0在干燥状态下，混凝土内部水的损失，而引起干缩变形，它与混凝土的组成、构件几何尺寸与形状、环境条件等有关；在与外界隔绝的条件下，由于水泥水化会引起混凝土内部自干燥，而产生整体的自干缩变形；骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体，在受压应力作用，既产生弹性变形，又产生塑性变形；混凝土的弹性模量不是一个常数，工程应用中，一般用割线弹性模量作为设计依据，其大小取决于水泥石和骨料的弹性模量及其相对含量，以及界面状况；在荷载长期作用下，混凝土会发生随时间增加的变形徐变，干燥会使徐变增大；在约束条件下，混凝土发生的各种变形，可引起开裂。混凝土配合比设计分为四个阶段：初步配合比设计、基准配合比设计、实验室配合比设计、施工配合比设计。（一）、初步配合比设计1、确定试配强度 ：确定初步水灰比(W/C)：确定用水量(mw0 ) ：混凝土单位用水量参见表524和525。计算水泥用量(Co ) ： mc0 mw0 /(W/C) 根据使用环境条件的耐久性要求，查表515规定的最小水泥用量。 最后取两值中大者确定为水泥用量。5、确定砂率（s)：参见混凝土砂率选用表，表526。 计算砂石用量(ms0， mg0 ）：（1）、质量法（体积密度法） 体积法 假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料绝对密实体积及拌合物中所含空气的体积之和（二）、基准配合比设计和易性调整三）、实验室配合比设计强度复核（四）、施工配合比(五）掺减水剂的混凝土配合比设计在基准混凝土配合比的基础上加以调整，减水剂所占的重量和体积不计。第八章 建筑钢材碳素结构钢钢的牌号： 根据国标GB700-2006，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量(冲击韧性）分为A、B、C、D四个质量等级。 牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、 质量等级（A、B、C、D）、 脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。 2）、钢牌号与性能的关系 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。 3）选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。v 8.4.1 冷加工v 将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工，如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。v 由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。v 冷加工硬化原理： 钢材加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，晶格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。v 加工硬化的效果： 屈服强度提高 塑性和韧性降低 可焊性变坏 硬脆倾向增加等。 时效强化v 将经过冷加工的钢筋，在常温下存放1520天，或在100120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称为时效处理。v 时效强化原理： 由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。钢的分类 按冶炼时脱氧程度分类v （）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。v （）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。v （）半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“”。v （）特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。. 按化学成分分类（）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.022.06。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：v 低碳钢（含碳量小于0.25）、v 中碳钢（含碳量为0.250.60）v 高碳钢（含碳量大于0.60）（）合金钢。是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为v 低合金钢（合金元素总含量小于）v 中合金钢（合金元素总含量为10）v 高合金钢（合金元素总含量大于10）。v 3. 按有害杂质含量分类 按钢中有害杂质磷（）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：（）普通钢。磷含量不大于0.045；硫含量不大 于0.050%。（）优质钢。 磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。（）高级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.025%。（）特级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。v 4、按用途分类（1）结构钢：低碳钢或中碳钢。（2）工具钢：高碳钢。（3）特殊钢：合金钢。土木工程中，使用的 主要钢种：碳素结构钢； 优质碳素结构钢 低合金结构钢； 常用钢材：钢结构用型钢 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。8.3.1 力学性质 钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 1 强 度 钢材抵抗变形或断裂的能力称为其强度，钢材的强度用拉伸试验测定。强度指标根据其变形特点分下列几个： v 弹性极限（e） 表示钢材保持弹性变形, 不产生塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。v 屈服强度（ s） 表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。v 条件屈服强度s0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。 v 极限强度 (抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。 疲劳强度v 在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳破坏。v 材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。v 钢材承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限次周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度) 。 塑 性 钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 v 伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。d = （L1L0）/ L0 100% v 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 y = （A0A1）/ A0 100% v 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大冲击韧性v 钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性，采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。v 测得试样冲击吸收功,用符号 k（J) 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 A, 即得到材料的冲击韧度 ak。v ak （J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。v 随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。4硬度钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法（HB）和洛氏法（HR）两种方法测定。 1 冷弯性能1）、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力,检验钢材缺陷的重要指标。2）、评价指标：用不同弯曲角度a和不同弯心半径d相对于钢材厚度a的比值（d/a）表示；3）、试验方法：按一定的a角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。 2 焊接性能焊接：把两块金属局部加热并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，从而使之牢固地联接起来。2）可焊性：钢材在焊接后，焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能；3）测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。4）影响因素： 化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）； 冶炼质量（镇静钢） 冷加工等。v 如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。又如，含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。钢的晶体组织与化学成分1 钢的晶体组织v 纯铁在不同温度下有不同的晶体结构：v 钢中碳原子与铁原子的基本结合形式：v 固溶体：一种元素溶于另一种元素中形成固体溶液v 化合物：二种以上元素形成新的化合物，如Fe3v 机械混合物固溶体和化合物的混合物晶体组织对刚材性能的影响钢的化学成分对钢材性质的影响 （1）、碳 决定钢材性能的最主要元素。当钢中含碳量在0.8以下时，随着含碳量增加，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性下降；当含碳量大于1时，含碳量增加，强度反而下降；含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。 （2） 有益元素v 1）硅（Si） 钢筋钢中加入的主要合金元素，含量在1以内时，大部分溶于铁素体中，能提高钢材的强度，对钢材的塑性、韧性影响不大。v 2）锰 （Mn） 低合金钢中加入的主要合金元素，含量在1以内时，大部分溶于铁素体中，能提高钢材的强度，对钢材的塑性、韧性影响不大。还可以起到脱硫脱氧作用，改善钢材的热加工性能。锰含量较高时，将显著降低钢的可焊性。当锰含量为1114时，称为高锰钢，高锰钢具有较高的耐磨性。（3）有害杂质v 1）硫（S） 硫在钢材中以FeS形式存在，是低熔点化合物，高温下在钢材内部产生裂纹，大大降低了可焊性和热加工性。v 2）磷（P） 磷是非常有害元素之一。冷脆性显著增加，可焊性显著降低。但钢材的强度、硬度提高。v 3）氧（O）、氮（N）、氢（H） 氧、氮和氢能部分溶于铁素体中，以化合物形式存在，降低钢材的韧性和可焊性。