《土木工程混凝土》课件

土木工程混凝土混凝土作为现代土木工程的核心建筑材料，在全球基础设施建设中发挥着不可替代的作用本课程将系统讲解混凝土的基础理论、配合比设计、施工工艺和最新技术发展，为土木工程专业学生提供全面深入的混凝土知识体系绪论混凝土在土木工程中的地位全球使用量最大混凝土年产量超过亿立方米，是世界上使用量最大的人造材料，仅次于水100的消耗量基础设施核心广泛应用于房屋建筑、桥梁隧道、水利工程、道路机场等各类土木工程项目经济社会支撑混凝土工业产值占建筑业总产值的以上，是国民经济重要支柱产业30%可持续发展混凝土的定义与发展简史古代起源技术革新公元前世纪罗马人使用火山灰、石灰和骨料制作早期世纪后期高性能混凝土、自密实混凝土等新技术不断320混凝土，建造万神殿等经典建筑涌现，性能显著提升1234现代发展智能化时代年英国发明硅酸盐水泥，年法国建造第一座世纪进入智能混凝土、打印混凝土等前沿技术发18241849213D钢筋混凝土建筑，奠定现代混凝土基础展阶段土木工程常用混凝土种类普通混凝土高性能混凝土以水泥、砂、石、水为基本组分，强度等级，广泛应用于通过优化配合比和添加矿物掺合料、高效减水剂制备，具有高强度、C15-C80一般建筑结构工程具有成本低、工艺成熟、施工便利等特点，是高耐久性、高工作性广泛用于高层建筑、大跨度桥梁等重要工程土木工程最常用的混凝土类型项目轻质混凝土大体积混凝土采用轻质集料或引入气泡降低密度，容重一般小于主结构断面尺寸大于米的混凝土，需要采取温控措施防止温度裂缝1950kg/m³1要用于减轻结构自重、保温隔热等特殊要求的工程部位常用于大坝、桥墩、大型基础等厚重结构部位主要组成材料水泥水泥种类质量控制硅酸盐水泥是最常用类型，分为和两个品种普通硅酸盐水泥质量直接影响混凝土强度和耐久性进场检验包括强度、凝P.I P.II水泥适用于一般工程，复合硅酸盐水泥具有良好的和易结时间、安定性等关键指标储存应防潮防结块，使用前应过筛P.O P.C性矿渣水泥、火山灰水泥等混合水泥具有特殊性能优势除去杂质不同品种水泥不得混用，过期水泥需重新检验合格后方可使用•强度等级

32.

5、

42.

5、

52.5•凝结时间初凝≥45min，终凝≤10h•储存期限袋装水泥3个月•散装水泥根据储存条件确定•安定性雷氏法膨胀量≤5mm•检验频率每200吨一组主要组成材料集料粗集料细集料粒径大于的天然砂石或人工破碎石

4.75mm粒径小于的天然砂或人工砂

4.75mm料•细度模数

2.3-

3.0为中砂•最大粒径不超过结构截面最小尺寸1/4•含泥量≤3%（普通混凝土）•针片状颗粒含量≤15%•有害物质含量严格控制•压碎值指标≤10%（高强混凝土）品质控制级配要求严格检验确保集料质量稳定连续级配确保密实度和工作性•强度岩石抗压强度是混凝土强度

1.5倍•粗集料5-25mm连续级配最佳•细集料符合标准级配区间•耐久性抗冻性能满足环境要求•砂率控制在30%-45%范围•化学稳定性不含活性集料主要组成材料水与外加剂用水标准拌合用水应清洁无害，一般饮用水均可使用值，氯离子含量pH6-8，硫酸盐含量海水严禁用于钢筋混凝土≤500mg/L≤600mg/L减水剂在保持流动性前提下减少用水量，分为普通减水剂、高效减水剂和高性能减水剂减水率可达，显著提高混凝土强度和耐久性10%-25%凝结调节剂缓凝剂延长凝结时间便于施工，速凝剂加快凝结适用于抢修工程使用剂量需严格控制，避免产生不良副作用功能性外加剂防水剂、防冻剂、膨胀剂等满足特殊工程要求引气剂改善和易性和抗冻性，纤维改善韧性和抗裂性能混凝土基本性质物理性能——容重密度吸水率工作性普通混凝土容重反映混凝土内部孔隙率和密实包括流动性、粘聚性、保水性2300-，密度影响结构自度，一般控制在吸水三个方面坍落度试验测定流2500kg/m³3%-6%重和承载能力轻质混凝土容率低说明密实度好，抗渗性和动性，目测判断粘聚性和保水重可降至，重耐久性佳测试方法为标准试性良好工作性确保浇筑质量800-1950kg/m³混凝土可达件浸水小时后称重计算和施工效率2500-24密度检测采用排5500kg/m³水法或核子密度仪热学性能导热系数，线

1.4-

3.0W/m·K膨胀系数温度变10×10⁻⁶/℃化引起体积变形，需考虑温度应力影响大体积混凝土施工需控制温升和降温速率混凝土基本性质力学性能——30抗压强度C30混凝土立方体抗压强度标准值，是混凝土最重要的力学指标

3.5抗拉强度约为抗压强度的1/8-1/12，数值较小但对裂缝控制很重要

4.5抗折强度约为抗压强度的1/6-1/10，路面工程常用此指标设计

3.0弹性模量万MPa级别，C30混凝土约为30000MPa，影响结构变形计算混凝土力学性能随时间发展，28天强度作为设计标准值实际工程中需考虑长期强度增长，合理确定拆模时间和预应力张拉时机不同受力状态下的强度差异显著，设计时需根据实际受力情况选择相应强度指标混凝土基本性能影响因素水胶比控制水胶比是影响强度的决定性因素，比值越小强度越高砂率优化砂率影响和易性和密实度，需根据集料特性合理确定环境条件温度、湿度、风速等环境因素显著影响混凝土性能发展水胶比法则表明，在完全水化条件下，混凝土强度主要取决于水胶比砂率过高导致砂浆过多影响强度，过低则和易性差难以密实施工环境温度过高加速水分蒸发，过低延缓强度发展，需采取相应技术措施保证质量常见混凝土强度等级高强度等级C55-C80中强度等级C30-C50用于超高层建筑、大跨度桥梁等重要工程低强度等级C15-C25应用最为广泛的强度等级，涵盖大部分土木要求高品质原材料，严格施工工艺，精确的主要用于垫层、基础、次要结构构件C15常工程项目C30是高层建筑基本要求，C40用配合比设计C60以上混凝土需要特殊的施工用于垫层和基础，C20用于一般民用建筑，于重要承重结构，C50适用于预应力构件和高技术和质量控制措施，成本较高但性能优C25适用于工业建筑和小型预制构件施工工层建筑配比设计需要精确控制各项参数异艺相对简单，对原材料要求不高配合比设计的核心意义性能保障确保混凝土满足强度、耐久性等技术要求经济合理在满足性能前提下实现材料用量和成本最优化施工适宜保证良好工作性便于现场浇筑和振捣密实质量控制建立标准化配比为施工质量管理提供依据配合比设计是混凝土技术的核心环节，需要综合考虑技术性能、经济效益和施工可操作性通过科学的配比设计，可以用最少的胶凝材料获得最佳的工程性能，实现技术先进性和经济合理性的统一配合比设计的基本原理强度计算工作性设计根据水胶比定律确定胶凝材料用量，保通过调整砂率、用水量和外加剂用量获证天强度达到设计要求得合适的坍落度28体积平衡耐久性考虑采用绝对体积法确保各材料体积总和等控制最大水胶比、最小胶凝材料用量满于混凝土体积足耐久性要求主要配合比参数与表示方法参数名称表示方法典型数值控制要求水胶比强度等级决定W/B

0.35-

0.60砂率和易性优化βs%30-45单位用水量坍落度控制kg/m³150-200胶凝材料用量强度耐久性kg/m³280-500外加剂掺量胶材质量性能改善%

0.5-

2.0影响混凝土和易性的关键因素主要影响因素异常现象分析水灰比是影响流动性的基础因素，比值增大流动性改善但强度降离析表现为粗集料下沉、砂浆上浮，主要由砂率过小或振捣过度低粉料用量包括水泥和矿物掺合料，用量适当改善粘聚性集引起泌水是自由水上升至表面，与用水量过大、粉料不足有料级配连续性好有利于获得良好和易性关粘聚性差导致流动困难，需调整砂率和外加剂用量•水灰比

0.4-

0.6为宜•离析降低坍落度，调整砂率•砂率中砂30%-40%最佳•泌水增加粉料，减少用水•粉料280-450kg/m³•保水性差优化级配组成配合比设计流程案例初步配比试配调整强度验证优化定型根据强度等级确定水胶比，按制备试验用混凝土，测试坍落制作标准试件，养护天测定根据试验结果微调配比，确定28工作性要求确定用水量度和表观密度抗压强度施工配合比以混凝土为例初步确定水胶比，单位用水量，计算胶凝材料用量试配发现坍落度偏小，调整砂率由增至C

300.55170kg/m³309kg/m³35%，添加减水剂强度试验结果满足要求，最终确定施工配合比为水泥砂石水38%

0.8%

35.5MPa:::=1:

1.85:

3.68:

0.55常见外加剂及其发展聚羧酸减水剂膨胀剂应用智能外加剂第三代高性能减水剂，减水率可达以补偿收缩裂缝，提高抗渗性能膨胀纳米材料、自修复微胶囊等前沿技术纳40%UEA上，坍落度保持性好分子结构可设计性剂掺量，高效膨胀剂掺量米硅改善界面过渡区性能，自修复材料可8%-12%HEA6%-强，能同时改善工作性和强度广泛应用主要用于地下工程、储液结构等对愈合微裂缝代表未来混凝土技术发展方10%于高性能混凝土和自密实混凝土制备防水要求高的部位向，目前处于研发和示范应用阶段混凝土拌合及运输工艺拌合工艺要求运输距离控制质量控制要点投料顺序影响拌合效果，一般先投粗运输时间直接影响混凝土工作性，普严格按配合比计量，水泥计量精度集料和水泥，再加细集料和水干拌通混凝土控制在分钟内，掺缓凝剂，集料，水和外加剂90±1%±2%±1%秒后加水湿拌，总拌合时间不少于可延长至小时运输过程中应缓慢拌合设备应定期校核和维护，确保计302-3秒强制式搅拌机效果优于自落转动避免离析，到场后检验坍落度损量准确性运输车清洗干净，避免残90式，适用于高强度混凝土失不超过留混凝土影响新拌混凝土性能30mm工程现场混凝土浇筑要求分层浇筑每层厚度控制在，确保振捣设备能够达到下层混凝土分层厚30-50cm度过大导致振捣不密实，过小影响施工效率和层间结合振捣密实插入式振捣器垂直插入，快插慢拔，插点均匀布置振捣时间以表面出现水泥浆、不再下沉、无气泡冒出为准，一般秒15-30连续施工相邻层浇筑间隔不超过初凝时间，一般控制在小时内超过时间形成冷2缝影响整体性，需按施工缝处理表面处理浇筑完成后及时刮平表面，二次收光消除表面缺陷大面积结构采用机械收光，小面积人工收光，确保表面平整密实混凝土养护与温度控制标准养护温控措施温度，湿度以上大体积混凝土温度裂缝防控20±2℃95%•试件标准养护28天•控制入模温度≤28℃•蒸汽养护提高早期强度•降温速率≤2℃/d•自然养护成本低应用广•内外温差≤25℃养护时间保护措施根据水泥类型和环境确定避免过早承受荷载和振动•硅酸盐水泥≥7天•覆盖保湿防风干•普通水泥≥14天•冬季保温防冻害•特殊环境延长养护•夏季遮阳降温度混凝土施工常见问题与解决方案离析与泌水堵泵与蜂窝麻面离析主要因砂率偏低、坍落度过大或运输时间过长引起解决措堵泵多因混凝土和易性差、输送管清洗不净或停泵时间过长预施包括调整配合比增加砂率、控制坍落度在合理范围、缩短运输防措施包括优化配比改善和易性、认真清洗管道、连续泵送避免时间泌水由用水量过多、水泥细度粗、缺少细颗粒造成长时间停歇蜂窝麻面由振捣不密实、模板漏浆或配比不当引起•调整砂率至35%-40%•严格按操作规程振捣•增加粉煤灰等细粉料•检查模板拼缝严密性•控制用水量和坍落度•合理选择脱模剂用量混凝土的裂缝分类按出现时间1施工期与使用期裂缝按成因机理2荷载性与非荷载性裂缝按深度范围3表面、深层、贯穿性裂缝按形状特征4纵向、横向、斜向、网状裂缝按危害程度5结构性、非结构性、有害、无害裂缝裂缝分类有助于准确判断成因和制定针对性处理方案施工期裂缝多为温度、收缩引起，使用期裂缝可能涉及结构承载表面裂缝影响外观，贯穿性裂缝威胁结构安全正确分类是裂缝治理的前提施工期裂缝成因分析施工操作不当温度应力裂缝过度振捣导致离析、模板变形产生约束、拆塑性收缩裂缝大体积混凝土水化热引起内外温差产生拉应模过早承受荷载等需要规范施工操作，严混凝土初凝前表面水分快速蒸发引起多出力裂缝多为表面横向或内部纵向控制措格按工艺要求执行，加强现场质量控制和技现在大面积楼板、路面等水平结构裂缝呈施包括选用低热水泥、分层浇筑降低温升、术交底，确保每个环节符合标准要求不规则网状，深度一般5-10mm预防措施包加强保温减小温差、设置冷却管降低内部温括控制表面失水速率、及时覆盖养护、合理度设置收缩缝使用期裂缝与钢筋锈蚀环境侵蚀氯离子、二氧化碳侵入降低混凝土碱性，破坏钢筋表面钝化膜海洋环境氯离子浓度高，大气环境二氧化碳碳化作用明显锈蚀过程钢筋失去钝化保护后发生电化学腐蚀，锈蚀产物体积膨胀倍，对周围混凝土产生拉应力导致开裂剥落2-6防护措施提高混凝土密实性，增加保护层厚度，使用防腐钢筋，涂覆防护涂料，控制氯离子含量，定期维护检查修复方法表面处理除锈，钢筋防锈处理，混凝土修补或更换，结构补强加固，建立长期监测制度非受力裂缝与受力裂缝非受力裂缝特征受力裂缝识别主要由温度变化、干燥收缩、材料不均匀等非荷载因素引起裂由外荷载超过材料承载能力引起，与结构受力状态密切相关弯缝宽度一般较小，分布相对均匀，不与主要受力方向对应常见曲裂缝垂直于受拉区，剪切裂缝呈斜向发展，裂缝宽度随荷载增于大面积结构表面，对结构承载能力影响较小大而扩展需要立即分析原因并采取加固措施•干燥收缩长期缓慢发展•弯曲裂缝梁跨中区域常见•温度裂缝随季节变化开合•剪切裂缝支座附近45°斜裂•不均匀沉降基础问题引起•局压裂缝集中荷载作用点混凝土的收缩与徐变干燥收缩塑性收缩环境湿度降低引起内部水分蒸发，毛细1混凝土硬化前表面失水过快引起多发孔产生拉应力导致体积收缩收缩应变生在浇筑后小时，表面风速大、温度1-3可达微应变，是引起裂缝的重200-600高、湿度低时更易发生要原因控制措施徐变变形优化配合比减少收缩，改善养护条件，长期荷载作用下的时间相关变形，最终设置收缩缝，预应力结构考虑徐变影徐变可达瞬时弹性变形的倍影响结1-3响，长期监测变形发展构长期挠度和预应力损失混凝土的耐久性影响因素钢筋锈蚀冻融循环化学侵蚀氯离子侵蚀和碳化作用破坏钢筋钝寒冷地区水结冰体积膨胀产生硫酸盐、酸性介质、海水等化学侵9%化膜，引起电化学腐蚀海洋工程内压力，反复冻融导致内部结构破蚀破坏水泥石结构硫酸盐侵蚀形中氯离子含量高达，远坏年冻融循环可达次，成膨胀性产物引起开裂，酸性环境20000mg/L100-200超混凝土中的临界值锈抗冻等级需达到以上引气溶解碱性组分降低强度化工园区400mg/L F200蚀产物体积膨胀导致保护层开裂剥混凝土通过微气泡缓解冻胀压力，地下水值可低至，需使用抗硫pH4落，严重影响结构安全防护措施含气量控制在东北地区工酸盐水泥和防腐涂层保护4%-6%包括提高密实性、增加保护层厚度、程必须考虑抗冻设计使用阻锈剂等高温作用以上高温引起水泥石脱水分300℃解，时强度损失以上600℃50%热膨胀差异产生内应力导致开裂剥落隧道火灾温度可达，1000℃需要耐火混凝土和防火涂料保护添加聚丙烯纤维可减少爆裂现象高性能混凝土技术亮点C80超高强度抗压强度可达80-120MPa，是普通混凝土的2-3倍200mm大流动性坍落度可达200-250mm，具有优异的自流平性能年50长耐久性设计使用年限50-100年，抗渗等级P20以上

0.25低水胶比水胶比控制在

0.25-

0.35，密实度显著提高高性能混凝土通过优化材料组成和配合比设计，在高强度基础上实现了高工作性和高耐久性的统一关键技术包括超细矿物掺合料、高效减水剂、低水胶比配制工艺等广泛应用于超高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程等对性能要求极高的重大项目高性能混凝土应用实例桥梁工程应用苏通长江大桥主塔采用C60高性能混凝土，塔高300米，要求50年不大修配合比采用低水胶比

0.28，掺入30%粉煤灰和8%硅灰，28天强度达到65MPa抗渗等级P20，抗冻等级F300，完全满足严酷海洋环境要求超高层建筑上海中心大厦采用C60-C80梯度强度混凝土，建筑高度632米底部核心筒使用C80混凝土，单次泵送高度超过400米特殊配制的高性能混凝土保证了超大高度泵送的可行性和结构的长期安全性海洋工程实践港珠澳大桥海中桥墩采用C50海工混凝土，设计寿命120年配合比中掺入大量矿物掺合料降低水化热，使用专用海工外加剂提高抗氯离子渗透能力经过5年海洋环境考验，结构性能良好无明显劣化现象超高性能混凝土（）UHPC超高强度抗压强度，抗拉强度，是普通混凝土的倍150-200MPa8-15MPa5-8优异韧性通过钢纤维增韧，弯曲韧性指数大幅提升，破坏时呈现延性特征极低渗透孔隙率小于，渗透系数低于，具有优异的耐久性能5%10⁻¹⁴m/s代表混凝土技术的最高水平，通过精确的颗粒级配设计、超低水胶比和高温养护工艺实现典型配合比包括水泥、硅灰、石英UHPC砂、钢纤维等高品质原材料法国、日本等发达国家已在桥梁加固、装配式构件等领域成功应用，我国也在积极推广应用自密实混凝土介绍核心技术特性施工应用优势无需振捣即可在重力作用下流动显著提高施工效率，降低噪音污并完全填充模板，同时保持均匀染，改善作业环境特别适用于性不发生离析流动性、粘聚钢筋密集、几何形状复杂的结构性、通过性三大关键性能通过精部位可减少施工缺陷，提高混确的配合比设计实现粉料用量凝土质量均匀性，降低人工成通常在，粉煤灰掺本在预制构件生产中应用效果500-600kg/m³量尤为明显30%-50%质量控制要点坍落扩展度，扩展时间为秒，漏斗时间秒650-800mm T502-5V6-12L形仪通过高度大于，筛分稳定性小于原材料质量稳定性要300mm15%求更高，搅拌时间适当延长，运输过程防止离析绿色混凝土与可持续发展固废资源化低碳水泥利用粉煤灰、矿渣、硅灰等工业副产品减少排放的水泥生产技术CO₂•粉煤灰替代率可达30%-50%•碱激发胶凝材料体系•矿渣粉掺量20%-70%•地聚合物混凝土技术•再生骨料利用率逐步提高•碳捕获与利用技术生态功能节能降耗具有环境净化功能的混凝土优化生产工艺降低能源消耗•光催化净化空气混凝土•余热回收利用系统•透水混凝土改善水循环•高效粉磨技术应用•调湿保温功能材料•绿色物流运输方式特殊混凝土类型纤维混凝土防腐蚀混凝土大体积混凝土高早强混凝土掺入钢纤维、聚丙烯纤维、玻采用抗硫酸盐水泥、环氧树脂结构厚度大于的混凝土，天强度达到设计强度以1m370%璃纤维等提高韧性钢纤维掺等特殊材料适用于化工厂、需控制水化热温升采用低热上使用硅酸盐水泥、早强剂、量，长径比，污水处理厂等腐蚀性环境配水泥、掺合料降低水化热，分蒸汽养护等技术主要用于预

0.5%-

2.0%50-100显著改善抗拉和抗冲击性能合比中严格限制有害离子含量，层浇筑、冷却管降温、保温养制构件、抢修工程、冬季施工广泛用于路面、隧道、工业地表面涂覆防腐材料形成复合防护等综合措施防止温度裂缝等对早期强度要求高的场合坪等工程护体系。