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而“牛顿”的定义则是具有1kg质量的物体产生1m/s2的加速度所需要的力,即:
1kgf=9.8N
根据牛顿第二定律:
F=ma
式中F——物体所受的力;
M——物体的质量;
A——物体的加速度。
1kgf=1kg*9.8m/s2
=9.8kg*m/s2
1N=1kg*1m/s2
=1kg*m/s2
1kgf=9,8N
在工程单位制中强度的计量单位是千克力/平方厘米,将上述千克力(kgf)与牛顿(N)等量关系换算:
1kgf/cm2=9.8N/(10mm)2
=9.8N/100mm2
=0.098/mm2
=0.098Mpa
例如原工程制中300号混凝土为300kgf/cm2,若按法定计量单位应为30Mpa,而混凝土的强度等级与原混凝土标号两者差约为2Mpa,所以原300号混凝土相当于强度等级C28的混凝土。
3.什么是水泥的“硬练”与“软练”?
所谓水泥的“硬练”与“软练”,是指按照水泥标准的各种有关规定,检验水泥胶砂(水泥与标准砂加水后的拌合物)强度的试验方法。
“硬练法”是按照水泥老标准《GB177-62》做规定的灰砂比、水灰比拌制成水泥胶砂,做成抗压试块及抗拉试块,检验水泥强度的方法。
由于这种方法水灰比小(约为0.30~0.40),灰砂比中的用砂量大(水泥:
砂=1:
3),拌制水泥胶砂很困难、劳动强度高,水泥胶傻呈干硬性;
在制作水泥胶傻时需要使用笨重的搅拌机拌和,用锤式“成型机”按规定的锤重和规定的锤击次数成型,所以称为“硬练”,这种方法已被淘汰,这是我国水泥试验方法的重要改进。
“软练法”是按照水泥新标准《GB177-85》规定的灰砂比、水灰比拌制水泥胶砂,成型试体并检验其强度的方法,由于新标准增大了用水量(水灰比约为0.44~0.46),减少了标准砂用量(灰砂比为1:
2.5),所以水泥胶砂稀软,较“硬练”塑性大,因而拌制容易省力,设备只用构造简单的“双转叶片式”胶砂搅拌机,试体成型只需一般“偏心轮式胶砂振动台”就可以了,故称这种检验水泥胶砂强度的方法为“软练”。
“软练”方法的最大特点是简便,更接近当前的施工实际情况。
由落后的“硬练”改进为“软练”,标志着我国建筑工业科学技术水平的不断提高,标志着我国水泥工业的飞速发展。
4.为什么不能确定一个通用的配合比?
有人提出一个问题:
若能做出一个永久通用的混凝土配合,使用起来不是很方便吗?
这是不可能的。
因为影响混凝土配合比的因素太多、太复杂。
如混凝土不同的使用要求、不同的施工工艺和不同的材料性能等的影响,所以就不可能用一个能够适应各种要求的万能配方。
具体的不用要求与影响因素如下:
(1)工程特点的不同,对混凝土配合比有不同的要求如水池要求混凝土具有较高的密实性和抗渗性能;
大体积的混凝土则要求具有较高的耐磨强度;
一般承重结构要求混凝土具有可靠的力学性能;
钢筋过密的构件要求有适宜的落度和控制石子的最大粒径;
而建筑外墙则要求一定的保温性能等等。
(2)施工条件对配合比的影响,送工艺要求混凝土有较好的流动性,应适当加大含砂率和水泥用量:
而滑模或大模板施工工艺,则要求混凝土有适宜的落度和较高的早期强度。
如采用自由坠落式鼓形搅拌机,可搅拌一般塑性混凝土;
而采用强制式搅拌机则可搅拌干硬性混凝土等等。
(3)原材料性能不同对配合比的影响,普通水泥有较高的水化热,不适于大体积混凝土;
但其矿渣水泥或火山灰质水泥的水化热较小,适于大体积混凝土;
但其早期强度低,又不适与拆模早的工程。
矾土水泥具有早强、硬化快的优点,适与紧急抢修、拆模早的工程。
不同产区的骨料,具有不同粒径和形状,其总体表面积也不尽相同,影响水泥用量;
各种粒径在骨料中所占比例的不同,影响骨料的颗粒级配和混凝土的密实度。
此外,骨料中有机物的含量,含土量,含水率等等的差异,对配合比都有着不同的影响。
因此不能用一个通用的配合比去适应以上种种情况。
混凝土的配合比,必须根据各种不同的客观条件,为获得最大密实度,在满足强度要求的前提下,取的最小水泥用量,经过理论计算和试配才能确定。
每一种配合比只能满足某一、两个或某几个方面的要求,不可能用一个“万灵”的通用配合比,在任何情况下都能适用。
此外,应该指出在有些才考书上或概预算定额上,附录一些混凝土的经验配合比表,这些附录表上的配合比是估算材料用量使用的,不能作为施工配比。
但是在边远地区,确无试验设备或混凝土配合比专业设计人员,且混凝土用量不大或用于某些非承重结构时,可以参用一些常用经验配合比。
但一般经验配合比水泥用量都偏大,所以这些参考配合比不能作为结构设计和主体结构施工的依据。
5.为什么混凝土骨料要有合适的级配?
一般的普通水泥混凝土是以水泥为胶结材料,将砂、石所构成的骨料粘结成一个整体。
为此,对骨料提出两方面的要求:
(1)为获得高强度,砂石必须是空隙小的密实体;
(2)为节约水泥、砂石的总表面积是、应是最小。
因为骨料表面须由水泥浆包裹,水泥浆起粘结作用不是填充空隙。
怎样才能使砂、石的空隙率最小呢?
例如:
把大小不同的鸡蛋堆积起来,蛋间会有较多的空隙,而若在蛋间加入黄豆,空隙就会小些,在黄豆与鸡蛋之间再加入小米,空隙率就会更小(见图2)可见空隙的大小与材料颗粒的粒径同各种粒径所占数量的比例有关。
这种比例关系,叫做“级配”。
如何使各种材料颗粒的总面积最小呢?
如一个立方体(见图3)每边长2cm,其表面积为2*2*6=24cm2。
若沿纵、横侧三面的中线各切一刀,将该立方体分成八个边长各为1cm的小立方体,其总表面积就变成48cm2,面积较前增加了一倍。
由此可见,粒径越小,表面积就越大。
所以,若全用大粒径的砂、石做骨料,空隙率小但表面积却很大,这就需要选择能兼顾两者的合适搭配。
合适的级配应是大石子之间由小石子填充,小石子之间由较粗的砂子填充,粗砂之间由细砂填充,以达到最大的密实度和总表面积最小。
6.为什么要控制混凝土的含砂率?
混凝土的含砂率,是混凝土中砂的重量与砂石总重量之比。
在确定混凝土配合比时,应选择最优含砂率。
密实的混凝土应该是砂子填满石子空隙,水泥浆包裹住砂石并填满砂子的空隙,以达到最大密实度。
若砂子过少,则石子空隙的一部分,将用水泥浆填充,这样将增加水泥用量,是不经济的;
砂子过少,没有足够的砂浆对石子进行润滑作用,势必加大内摩擦,降低混凝土的流动性,造成操作困难。
而且由于水泥砂浆的粘滞性降低,石子容易分离,造成离析现象。
但砂子过多,增大砂的表面积,就需要水泥浆包裹,同样也要增大水泥用量。
在施工中多用中、粗砂而不用细砂,就是因为细砂粒径小而表面积大及含土量大的缘故。
而且砂率过大粗骨料减少,还会引起混凝土强度降低。
合适的含砂率应是石子、砂、水泥浆互相填充,使混凝土既能达到最大密实度,又能保证最少的水泥用量。
实践证明,含砂率一般在30%~38%左右。
但由于影响砂率的因素很多,需要根据石子的形状、粒径、孔隙率和砂子的品质及水灰比的大小、混凝土和易性等因素,进行试验和调整,而不能仅靠计算来解决。
7.为什么在砂、石使用前要测定含水率?
影响混凝土强度的两项重要指标,一个是砂石级配,另一个就是水灰比,所以用水量的多少,是与混凝土的强度密切联系在一起的。
拌制混凝土的拌和水用量,是根据配合比的水灰比决定。
但配合比所采用的砂石,应是干燥不含水的。
工程中使用的砂石,由产地到使用堆放场地,都是暴露于大自然之中,都含有一定的水分,而且随着气温和阴雨天的变化,砂石的含水率无时不在变化着。
若用含水的砂石拌制混凝土,势必增大了理论用水量,所以,每批砂石必须在使用前测定其含水率,相应扣除拌和水用量。
这样才能保证配合比的准确性。
已知C18混凝土配合比为0.54:
1:
1.95:
4.57(水:
水泥:
砂:
石),已测出砂的含水率为3%,石的含水率为1%,求每袋水泥拌制混凝土的实际加水量。
水泥用量=50kg
砂用量=50*1.95=97.5kg
砂含水量=97.5*3%=2.9kg
实际用砂量=97.5+2.9=100.4kg
石用量=50*4.57=228.5kg
石含水量=228.5*1%=2.29kg
实际用石量=228.5+2.29=230.79kg
理论用水量=5.*.54=27.1kg
实际用水量=27.1-2.9-2.9=21.91kg
8.为什么不能任意向混凝土里加水?
混凝土在搅拌过程中加入的水量称为拌和水,是按照配合比中的水灰比(指混凝土中水与水泥用量的重量比)计算得出的。
拌和水包括两部分,一部分为化合水,另一部分为自由水。
化合水是水泥进行水化作用时所必须的水,要有足够的化合水才能保证水泥颗粒的充分水解和水化,生成结晶和凝结,但这部分用水量是较少的,一般仅占拌和水的四分之一。
其余的水称为自由水,自由水完全是为了满足操作要求,即为保证混凝土的和易性、落度等而多加入的水分。
化合水与水泥矿物质颗粒形成晶体和凝胶,将永存于混凝土内。
而自由水却随着混凝土的养护和硬化过程逐渐蒸发,在混凝土内形成空隙,从而降低了混凝土的密实度和强度。
混凝土中的自由越多,混凝土的密实度越差强度也就越低。
所以,配合比总的水灰比,应在保证必要工作度(用混凝土的坍落度进行控制)的条件下,达到最小的用水量。
若为操作省力,拌制“稀软”的混凝土搅拌时多加水或在已拌制好的混凝土内再加水,势必增加混凝土内在空隙率,影响强度。
在此情况下,只有加大水泥用量,才能保证规定的水灰比,但这就造成水泥的浪费。
所以,在混凝土规范里,根据混凝土所处的环境条件,规定了最大水灰比和最小水泥用量。
为减少混凝土的用水量又能满足坍落要求,可在混凝土内掺加减水剂(详见“25.用减水剂为什么能节约水泥”),如上所述水泥水化作用的水仅占拌合水用量的四分之一,用量很少,减水剂主要是弥补自由水减少的部分,所以掺用减水剂是在保证水化作用的前提下,满足混凝土工作度的要求,而不降低混凝土的强度等级。
9.混凝土的水泥用量越大质量越好吗?
正确的水泥用量必须保证两点:
(1)为保证混凝土的密实性,满足其力学性能,水灰比不应超出规定的最大水灰比;
(2)为保证混凝土的耐久性,不应低于规定的最小水泥用量。
在一定的水灰比之下,多使用一些水泥,是可以提高混凝土的强度,但强度超出设计要求,无疑是一种浪费。
而过多的增加水泥用量,适得其反,却会带来危害。
水泥加水拌和后,在空气中硬化,其体积随着水分的蒸发而收缩。
水泥标号越高,颗粒越细,用量越大,体积收缩越严重。
这是由于水泥凝胶随水分的减少,凝聚力的增加而引起的。
当水泥颗粒越细时,水解和水化充分,凝胶增多。
当水泥用量大时,生成凝胶的数量多,所以凝聚力也大,收缩量也随着增加。
水泥体积过大的收缩,将会造成混凝土的开裂,引起钢筋锈蚀,混凝土渗透性和构件绕度增大等弊病。
因此,在“规范”中规定混凝土最大水泥用量不宜大于550kg/m3.
10.为什么混凝土有时产生泌水现象?
有人把混凝土离析现象与泌水现象混为一谈,其实,混凝土的离析与泌水是两种的不同概念,离析是指混凝土内各矿物颗粒彼此分离现象;
而泌水是指混凝土内拌和水析出于表面,所以又称为“析水”。
发生泌水现象的原因是多方面的。
主要与水泥品种、加水量、砂率、震动等情况有关。
如矿渣水泥因水泥混合材料中水卒处理不良时,其颗粒很难磨细,粒度大与小包裹面积小,产生游离水而造成泌水。
若混凝土的加水量过大,或当砂率过小时,骨料中细颗粒占的比例小,若经过分震动,它们受自重而下沉(详见第44问),将水排挤出混凝土而浮于表面,形成泌水层。
混凝土泌水,硬化后表面酥软,即常说的脱皮起水现象。
这是由于表层水泥浆内含水量过大,蒸后微孔过多所致。
对于需要在混凝土表面抹砂浆的结构,因基层表面强度低,易产生空鼓,施工时应引起足够的重视。
11.为什么拌制混凝土时砂石必须过秤?
目前,除一些重点工程后台上料采用自动秤量外,大部分工程仍采用手推车装运砂石,长期没有解决砂石过秤的问题。
有的操作人员对过秤的道理不够清楚,只图省力,而不过秤是不对的。
配合比是按生料的重量计算。
为保证用料的准确性,用料必须过秤,这是显而易见的道理。
但为什么配合比用重量比不用体积比?
有为什么用料不允许采用所谓“标准车”的办法?
(“标准车”指按车称料后,将料刮平,在车箱侧面画线标记,以后就以此线为准装料的办法)其主要原因是由于某些客观因素,使体积和重量之间产生差异。
如砂子的体积受含水率的影响较大时,同样重量的砂子因含水率不同而体积不同。
当含水率较小时,体积随含水率的增加而增加。
如含水率为5%~6%时,其体积约增加30%,这是由于砂粒表面包裹着水膜,具有表面张力,致使砂粒与砂粒之间不能紧紧靠在一起,从而增加里砂的空隙率,致使体积膨胀。
若继续增大含水率,体积反而回缩,处于这种临界状态的砂的含水率,称为“饱和面干”(见图4)由此可见:
若按体积比用料,会出现很大差错。
石子的体积受其颗粒外形、粒经、互相填充挤实等情况的影响甚大,尤其在受有振动(+如装车、运输等的振动)时最为显著(见图5)同眼重量的石子,当石子具有适宜的外形和粒经,石子间的空隙被填充密实时,空隙率小,体积也最小。
从以上的分析可以看出:
按体积计算配合比或按体积配制混凝土,都是不科学不可靠的,必须以重量为准,并做到车车过秤。
12为什么在浇筑混凝土结构的同时要做试块?
在施工中为保证混凝土的设计强度,现场使用的混凝土的配合比,一般要比理论配合比中的混凝土标号高出10%~15%。
这主要是考虑现场造作方法、养护条件等等的不同而有差异。
如何来检验工程中混凝土的强度呢?
理论计算上已有了根据,最后要用实践来检验。
若对构件直接进行荷载试验,加上荷载,压到破坏为止,检验理论计算和施工操作方法、养护条件等等之间的差异。
这种方法非常直观、可靠。
但用这种方法的问题是,每次用构件做试验,所用材料太多:
更重要的是有些结构构件受条件限制不能直接做试验。
如工业厂房的梁、柱、基础、沉箱、墙壁、水坝、桥墩等。
实践中最节省而简便的方法,是在浇筑混凝土结构的同时,从搅拌好的混凝土中,取出一部分做几组试块,通过试块来反映施工的混凝土强度。
在工程中的混凝土试块有两种:
一种是标准养护试块(简称“标养”);
另一种是同条件养护试块。
标养试块是指试块在标准条件下(温度20+-3C,相对湿度90%以上)养护后试块的强度,龄期分为3d、7d、28d。
这种养护田间是与配合比试配条件相一致的,所以标养试块仅能检验现场搅拌的混凝土强度与配合比理论值之间的差异,不能反映工程结构中的混凝土实际强度。
同条件养护是指混凝土试块在大自然的硬结条件(温度与相对湿度),完全相同于工程结构混凝土的硬结条件(自然养护、蒸发、红外线热养、电加温养护等)。
需要注意的是,工程结构在自然界中的养护条件,是随时间的变化,周围环境和构件位置的不同而不断在变化着,试块也必须有相应的变化,一般同条件养护试块必须靠近结构构件共同养护。
所以,同条件养护试块,是检验工程结构构件的实际强度与结构计算理论值之间的差异。
通过试块的试压,可以了解混凝土结构构件的全部强度上升变化的情况。
我们可用与养护条件相同的试块强度,来确定拆模、施工允许荷载及出池、起吊等的时间。
试块是衡量混凝土构件质量的重要标志。
所以在浇筑混凝土构件的同时,一定要取出一定数量的与混凝土相同的材料来做试块。
试块的制作,必须严格按照试验规定认真操作和养护,为建设工程的质量负责,绝对不能弄虚作假。
13.水泥为什么不能受潮?
水泥由生料高温煅烧至熟料磨细,已失去全部水分,处于极干燥状态,各矿物成分都具有强烈与水作用的能力,我们将这种趋欲水解和水化的能力称为水泥的活性。
具有活性的水泥,在包装、运输、存放过程中,能与空气中水分、二氧化碳等起作用,而产生结粒、试块、变硬等现象。
这是由于硅酸三钙、硅酸二钙等成分与空气中水分作用后,开始了缓慢微弱的水化作用,以及水泥中处于游离状态的氧化钙与水、二氧化碳等作用,产生石灰的熟化及生成碳酸钙的原因。
受潮的水泥,活性大大降低,造成凝结时间延长,强度降低。
为此,在水泥的运输和存放过程中,应注意防潮和加强保管。
一般水泥库应搭设在地势高、通风好的干燥的地方;
库房地面应用方木、木板垫起一定高度,最好满铺油毡防潮层;
库房不能漏雨;
水泥袋要离堆放,且每堆要有一定的间隔,以加强通风效果;
库房四周应有排水沟等等。
若使用散装水泥,采用铁皮水泥罐仓(见图6)或散装水泥库(见图7)。
水泥存放时间不应过久,即是水泥不受潮,但长久处在大气环境中,其活性也会降低。
水泥的有效期规定为3个月(自出厂日期算起),超出有效期的水泥就应视为过期水泥。
一般存放3个月的水泥,其强度约降低10%~20%,存放6个月,其强度约降低15%~30%。
使用过期水泥应将其标号进行调整,或用于非重要的结构的部位。
14.不同品种的水泥为什么不能混合使用?
工程中经常使用的水泥,有普通水泥,矿渣水泥、火山灰水泥等。
这些不同品种的水泥,所含矿物成分不同,个矿物成分在水泥中所占比例也不相同,因而不同品种的水泥,具有不同的化学物理特性,在各类工程中,根据工程特点、使用要求和各种水泥的特性,对采用的水泥品种应加以选择,所以在施工过程中,不应将不同品种的水随意换用或混合使用。
如普通水泥是由石灰质原料和粘土质原料,经煅烧而得到以硅酸钙为主的水泥熟料。
其主要化学成分:
3Ca.SiO2(硅酸三钙)约占37%~60%
2CaOSiO2(硅酸二钙)约占15%~37%
3CaO.Al2O3(铝酸二钙)约占7%~15%
4Cao.Al2O3.F2O3(铁铝酸四钙)约占10%~18%
在熟料磨细过程中,加入适量石膏,即为普通水泥。
普通水泥的主要物理性能是,早期强度高,凝结硬化快,抗冻性好。
但水化热较高。
其化学性能是抗酸、碱及硫酸盐类浸蚀能力差,所以多用于混凝土、钢筋混凝土及预应力混凝土结构。
易受到冰冻侵袭的混凝土及早期强度要求高的混凝土,不宜用于大体积混凝土工程及受化学物质浸蚀的工程。
矿渣水泥,是在水泥熟料的磨细过程中,加入水泥成品重量20%~85%的高炉矿渣和适量石膏而成。
由于矿渣中含有相当数量的活性氧化硅和氧化铝,使矿渣水泥具有耐热性好、水化热低、后期强度增长快、耐腐蚀和耐水性能好等优点。
但早期强度低,干缩性大,所以多用于大体积混凝土结构、蒸养构件和混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土结构等。
不宜用于早期强度要求高的工程。
火山灰水泥,是在水泥熟料磨细或成中,加入20%~50%火山灰质混合料及适量石膏,性能与矿渣水泥有些相同。
其特点:
如水化热低,有较好的抗腐性、抗水性,后期强度增长快。
但早期强度较低,抗冻性差,干缩性和吸水性大,宜用于大体积混凝土、地下及水中混凝土、钢筋混凝土结构等。
不宜用于受冰冻作用及早期强度要求高的混凝土。
除上述几种不同品种的水泥外,还有其他品种的水泥,如粉煤灰硅酸盐水泥、矾土水泥、膨胀水泥、白水泥等等。
各种水泥因矿物组成和各矿物质的含量不同,具有不同化学物理性能。
如将具有不同水化热的水泥混合使用,则可能造成混凝土内部局部温高或局部温低的现象,这种温差不一致将产生不均匀的收缩变形是形成温度裂缝的不要原因之一。
所以,不能将不同品种的水泥任意混合使用,以免影响工程质量。
15.为什么混凝土多用卵石而少用碎石?
卵石或碎石都可以作为混凝土的骨料。
卵石是由于水流冲刷、自然风化等作用而形成的,外形无棱角,表面光滑,具有表面积小(与碎石相比)、货源广、产量大等优点。
其中,山卵石表面粗糙,常混有泥土及有机物;
而河卵石长期受水冲刷,表面光洁,含杂质少。
因此,河卵石可增加混凝土的和易性,山卵石可增加卵石与水泥的粘接力。
卵石混凝土内摩擦力,易于流动,可增加混凝土的密实性。
此外,一般卵石可直接从山区或河边筛取,不须另行加工,而且具有适宜的天然级配,成本较低。
碎石是用机械或人工将硬质岩石被碎后,经筛选而得到的,加工费较卵石为高。
碎石的优点是有菱角,具有齿合作用,表面粗糙与水泥粘结力强,所以当配合比相同时,混凝土强度比用卵石为高。
但混凝土和易性差,振捣困难。
工程中多选用卵石,是从材料性能、浇捣工艺、货源、成本等方面综合考虑的。
16.为什么有的石子要用水冲洗?
混凝土用是砂石,除材料品质、规格等应符合规范要求外,还须控制泥土、杂质及草根、木屑等有机物含量。
因为这类物质本身强度不高,而且,当砂石表面粘有泥土,就会在影响水泥对砂石的粘结作用,降低强度。
有机物的腐烂,还会在混凝土内形成空间,削减结构断面,影响结构受力。
所以,一般混凝土要求泥土等杂物含量不得超过石子重量的2%,对于高强度混凝土不得超过1%,有机物含量不得超过比色法标准。
对于超出上述标准的石子,常用的净化方法有两种:
一是过筛,二是冲洗。
过筛法的最大缺点是筛除了小粒径的是石子,破坏了石子的连续级配(连续级配指自最大粒径开始,由大到小各级相连的级配,其中每一中粒径的石子,都占一定数量。
另外,过筛只能筛掉浮土,不能筛除粘在石子表面的“泥膜”,所以除去杂质的较好方法是用水冲洗。
有的工地上常用搅拌机洗石子,效果很好。
也可用具有一定压力的水管,翻堆冲洗经水冲洗后的石子含
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