第十章 水泥混凝土材料特性

第十章 水泥混凝土材料特性
❖ 第一节 概述 ❖ 第二节 水泥混凝土混合料性能及测试 ❖ 第三节 普通水泥混凝土混合料配合比设计 ❖ 第四节 特种水泥混凝土简介
第一节 概述
❖ 水泥混凝土按表观密度分，可分为： ❖ 1.重混凝土 ❖ 2.普通混凝土 ❖ 3.轻混凝土 ❖ 水泥混凝土路面具有高强、耐磨、维修周期长等特
1.5684
C fc 1.0097 0.3595 fs
❖ 卵石混凝土： ❖ 2.选取砂率
W
1.2618
C fc 1.5492 0.4709 fs
砂率可根据砂的细度模数和粗集料种类，查下表取值。在软作
抗滑槽时，砂率在表中基础上可增大1%~2%。
❖ 3.用水量确定
❖ 碎石：
W0
104.97
t 保证率系数，按样本数n和判别概率p参照下表确定
Cv 弯拉强度变异系数。
❖ 保证率系数：
各级公路满足可靠度要求的配置弯拉强度：
2.工作性 ❖ 混凝土工作性必须首先满足振捣棒（组）对路面板
的振捣密实度的要求；其次是满足路表面平整度、 抗滑构造、表面砂浆的厚度均匀和外观效果的要求。 ❖ 滑模摊铺时，摊铺机前混凝土拌合物最佳工作性及 允许范围应符合下表的规定。
❖ 2．搅拌站试拌配合比设计
❖ 混凝土的实验室配合比应通过施工搅拌站实际拌和检验，并 应根据料场砂石料含水量、拌合物实测容重、含气量、坍落 度及其损失，调整单位用水量、砂率和外加剂掺量等。调整 时水灰（胶）比不得变动，水泥（胶材）用量不得减小。在 满足不同施工方式的工作性、28d（7d）试配弯拉强度、抗 压强度和耐久性等要求后，得出搅拌站试拌配合比。
点，已成为世界各国公路路面建设中的一种主要结 构类型。国外在这方面发展较快，机械化施工程度 较高。近几年来，由于交通运输迅速发展，我国已 开始大规模修建水泥混凝土路面。
第二节 水泥混凝土混合料性能及试验
❖ 一 普通混凝土的组成材料
❖ 1.水泥 ❖ 配置混凝土一般可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水
泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤 灰硅酸盐水泥。水泥的强度选择，应于混凝土设计 强度等级相适应。一般水泥强度等级为混凝土强度 等级的1.5~2.0倍为宜。 ❖ 2.细集料 ❖ 一般采用天然砂，它是岩石风化所形成的大小不等
比和最小单位水泥用量应符合下表的规定。
❖ 4.经济性
❖ 在满足上述三项技术要求的前提下，配合比应尽可能经济。 各级公路混凝土路面最大水泥用量不宜大于400kg/m3;掺粉 煤灰时，最大胶材总量不宜大于420kg/m3.
❖ 外加剂的使用要求：
❖ 高温施工时，混凝土拌合物的初凝时间不得小于3h，否则， 应采取缓凝或保塑措施。低温施工时，终凝时间不得大于 10h，否则，应采取必要的促凝或早强措施。
❖ 2.水泥浆稠度
❖ 在水泥用量不变的情况下，水灰比越小，水泥浆就越稠，混 凝土拌合物的流动性越小。当水灰比过小时，水泥浆干稠， 流动性过低，会使施工困难，不能保证混凝土的密实性。增 加水灰比会使流动性增大，但过大时，又会时混凝土拌合物 黏聚性和保水性不良，而产生流浆、离析现象。
❖ 3.砂率
❖ 砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。砂率 的变动会使集料的孔隙率和集料的表面积显著改变，因而对 混凝土拌和物的和易性产生显著影响。坍落度为10~60m混 凝土砂率的选取见下表。
❖ 外加剂应进行适应性检测，掺量应由混凝土试配试验确定。
❖ 引气剂与高效减水剂或其他外加剂复配在同一水溶液中时， 应注意他们的可共溶性，防止外加剂溶液发生絮凝现象。
❖ 处在海水、海风、酸雨、硫酸盐或撒除冰盐锈蚀环境中钢筋 等路面宜掺阻锈剂。
❖ 二 配合比参数的计算过程
❖ 1.水灰比计算与确定
❖ 碎石或碎卵石混凝土： W
❖
◎
❖ 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，应满足下表的规定。
❖ 3.耐久性
➢ 耐久性所包含的内容包括：满足抗（盐）冻性、抗滑性、抗 磨性、抗冲击性、耐疲劳性要求及抗海水、海风、酸雨、硫 酸盐等腐蚀环境介质化学侵蚀性的要求。
➢ 各交通等级路面混凝土满足耐久性要求的最大水灰（胶）
❖ 1）荷载变形 ❖ 影响因素有含气量、粗集料最大粒径、单位水泥用量、水灰
比和砂细度模数。降低抗折弹性模量的好处为：一是路面结
❖ 构刚度EI减小，当荷载应力一定，弯拉应变大，路面的柔性 好，有利于降低材料脆性，提高道路的行车舒适感和减小噪 声；二是当荷载、干湿、温度等引起翘曲变形一定，混凝土 路面板内产生的弯曲疲劳应力水平低，翘曲循环破坏的几率 小，有利于保持各种因素作用下路面和接缝的完好率。
❖ 3．施工现场配合比调整与验证
❖ 实验室的基准配合比应通过搅拌站实际拌和检验和不小于 200m试验路段的验证，确定满足试拌、试铺的工作性、28d （至少7d）配制弯拉强度、抗压强度和耐久性等要求的配合 比，作为施工配合比。
第四节 特种水泥混凝土简介
❖ 一 轻集料混凝土
❖ 轻集料混凝土是指用轻粗集料、轻砂等为集料配置而成的干 表面密度不大于1900kg/m3的水泥混凝土。
室基准配合比设计，搅拌站试拌配合比设计，施工 现场配合比调整与验证
1．实验室基准配合比确定、调整及验证
按上述各公式估算出的配合比，首先检验各种混凝土拌 合物是否满足不同施工方式的工作性要求。检验项目包括含 气量、坍落度及其损失或振动粘度系数、改进VC值、外加剂 品种及其最佳掺量。在工作性和含气量不满足相应摊铺方式 要求时，可保持水灰比不变调整单位用水量、外加剂掺量和 砂率。但不得减小满足弯拉强度及耐久性要求计算得到的水 泥用量。
❖ 影响和易性的主要因素：
❖ 1.水泥浆数量
❖ 水泥浆赋予混凝土拌和物一定的流动性。在水灰比不变的情 况下，单位体积拌和物内，如果水泥浆越多，则拌和物的流 动性越大。但水泥浆过多，将会出现流浆现象，使拌和物的 黏聚性变差，同时对混凝土耐久性也会产生一定影响，且水 泥用量也大。水泥浆过少，不能填满孔隙或不能很好地包裹 集料表面时，就会产生崩坍现象，黏聚性变差。水泥浆数量 应以满足流动性要求为宜，不宜过量。
❖ 轻集料混凝土按轻集料的种类分为：天然轻集料混凝土。如 浮石混凝土、火山渣混凝土和多孔凝灰岩混凝土等。人造轻 集料混凝土。如黏土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土以及膨胀 珍珠岩混凝土和用轻集料（聚氨酯颗粒）制成的混凝土等。 工业废料轻集料混凝土。如煤渣混凝土、粉煤灰陶粒混凝土
造。 ❖ 2.耐磨性 ❖ 影响因素：混凝土强度和水泥品质。 ❖ 提高耐磨性的技术措施： ❖ ①表面采用高强度混凝土，特别是抗压强度较高的混凝土； ❖ ②采用优质材料，如道路水泥，耐磨耗的石料，严格控制
❖ 砂、石含泥量，或采用高强度的铁砂。
❖ 3.平整度
❖ 提高平整度的技术措施：
❖ ①施工方面：严格控制模板安装和固定高程，防止模板变形。 混凝土拌合及摊铺要均匀，混凝土振捣适当，提浆要均匀， 加强抹平。脱水后，应复滚。采用拉结合拉毛，施工时用的 导梁。减少胀缝和工作缝，缩缝尽量不用压缝；
❖ 2Biblioteka Baidu干缩变形
❖ 干缩应变一般比温缩应变大一个数量级，占混凝土温度和湿 度应变的绝大部分，所以讨论或检测混凝土的变形性质，仅 指其干缩应变。
❖ 影响因素有含气量、粗集料最大粒径、集料含土量、单位水 泥用量、水灰比。
❖ 3）温度变形
❖ 温度变形比干缩变形小一个数量及，而且可以通过温度系数 对温度变形进行计算。

0.309SL
11.27
C W

0.61S p
❖ 卵石：
W0

86.89

0.370SL
11.24
C W
1.00Sp
❖ 掺外加剂应计入外加剂减水作用。掺外加剂的混凝土单位用
水量可按下式确定：

❖
Wow
4.单位水泥用量
W0 (1 100)
C C0 W gW0
❖ 5.砂石料用量
❖ 砂石料用量可按密度法或体积法计算，按密度法计算时，混 凝土假定重度可取2400~2450kg/m3。按体积法计算时，应
❖ 二 普通混凝土的主要性质
❖ A.和易性
❖ 含义：指混凝土拌合物易于施工操作并能获得质量 均匀、成型密实的性能。包括流动性、黏聚性、保 水性和易密性4个方面。
❖ 指标：坍落度试验。将混凝土拌合物按规定方法装 入标准圆锥坍落度筒内，装满刮平后，垂直向上将 筒提起，移到一旁，拌合物由于自重将会产生坍落 现象。量出下坍高度，则为坍落度。坍落度越大表 示流动性越大。
❖ 影响抗折强度的因素：
❖ 1.水泥抗折强度和体积稳定性 ❖ 2.粗集料 ❖ 3.砂细度模数 ❖ 4.单位水泥用量
❖ 5.水灰比 ❖ 6.单位用水量 ❖ 7.含气量
❖ 影响混凝土抗折疲劳极限的因素
❖ 1.粗集料最大粒径和粒性 ❖ 2.水泥中的游离氧化钙含量 ❖ 3.含气量
❖ C 混凝土变形性能
❖ 其中混凝土变形性能由荷载作用的变形、温差变形和干湿变 形三部分组成。
❖ 4.时间和温度
❖ 混凝土搅拌完毕后，混凝土拌和物的坍落度随时间的推移逐 渐减小，导致这种原因有水泥的水化反应、集料吸收水分、 水分的蒸发等，这些因素的作用随着温度的升高而加剧。
❖ B.混凝土抗折强度
❖ 在混凝土直接受拉时，很小变形就要开裂，它在断裂前没有 残余变形，是一种脆性破坏。混凝土的抗拉强度只有抗压强 度的1/10~1/20。道路路面或机场道面用水泥混凝土，以抗 弯拉强度为主要指标，抗压强度为参考强度指标。
❖ 影响混凝土温度系数的因素最重要的是粗集料的岩石种类， 其次是含气量。
❖ 综上所述，引气剂降低道路混凝土的抗折强度，减小干缩应 变，减小热扩散、热传导和隔热系数，从总体上提高道路混 凝土的体积稳定性，增强这种暴露在野外结构的耐候性。
❖ D 混凝土耐久性
❖ 混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外 观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称 为耐久性。
❖ 限制要求：
❖ 1.含气量：满足上述各种路用性能要求的含气量在4.5%~6%， 抗盐冻性要求的混凝土比抗冰冻要求高一些；
❖ 2.最大水灰比：从混凝土路面所要求的抗折强度、小变形性 能和耐久性出发，路面混凝土的最大水灰比应不超过0.44；
❖ 有抗冻性要求时，不宜超过0.42；有抗盐冻性要求时，不宜 大于0.40.
❖ 一 配合比设计要求
❖ 水泥混凝土路面的配合比设计应满足抗弯拉强度、 工作性、耐久性及经济性等四项基本要求。
❖ 1.弯拉强度
❖ 试配28d弯拉强度的均值 fc 应按下式确定：
fc

fcm 1 1.04Cv
ts
式中：fcm 混凝土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
❖ ②设计方面：采用连续配筋或钢纤维混凝土等类型混凝土路 面。减少或取消缩缝。采取优质填缝料；
❖ ③养护方面：加强水泥混凝土路面的养护。防止和及时修补 板块的破损和基层的损坏，及时清楚路面杂物，保持路面清 洁。
第三节 普通水泥混凝土混合料配合比设计
❖ 路面水泥混凝土的配合比设计和施工控制是路面施 工质量中的重要环节。即使原材料相同，由于配合 比不当或失控，也会造成路面磨损、断板等早期破 损现象。因此，在配合比设计上具有路面自身的结 构特点与技术要求。
❖ 计入设计含气量。
❖ 6.粉煤灰的使用
各级道路路面混凝土拌合物中掺粉煤灰时，其配合比计算应 按超量取代法进行。粉煤灰掺量应根据水泥中原有的掺合材 料数量和混凝土弯拉强度、耐磨性等要求由试验确定。粉煤 灰的超量系数可按下表初选。
7.配合比确定与调整 道路水泥混凝土的配合比设计可分为三个阶段：实验
❖ 3.最大单位用水量：碎石混凝土单位用水量不大于 160kg/m3；砾石混凝土不大于155kg/m3.
❖ 4.最小水泥用量
❖ 三 水泥混凝土路面表面使用品质
❖ 1.抗滑性 ❖ 影响因素：细集料、粗集料、表面整饰工艺、路面污染、温
度及季节变化、交通荷载、路面干湿状态。 ❖ 提高抗滑能力的技术措施： ❖ ①确保材料的抗磨光和抗磨耗能力； ❖ ②通过各种不同的表面处理工艺形成粗糙耐久的路面表面构
❖ 不同矿物散粒组成的混合物，一般有河砂、海砂及 山砂。砂的颗粒级配，即表示砂的大小颗粒搭配情 况。砂的粗细程度，是指不同粒径的砂粒混合在一 起后总体的粗细程度，用细度模数区分。
细度模数（Mx )公式:
Mx

( A2

A3
A4 A5 100 A1
A6 )

5 A1
❖ 3.粗集料
❖ 普通混凝土常用的粗集料有碎石和卵石。是经破碎、 筛分而得到的粒径大于4.75mm的岩石或卵石。