第四章 水泥混凝土

第一节.砼概述一、混凝土的定义：混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。

基本要求土木工程对混凝土质量的基本要求是：具有符合设计要求的强度；具有与施工条件相适应的和易性；具有与工程环境相适应的耐久性。材料组成经济合理、生产制作节约能源。第四章水泥混凝土(concrete)二.砼分类

三.砼特点

1.优点就地取材；造价低；可塑性好；耐久性高；与钢筋有牢固的粘结；性能可调整。

2.缺点自重大；比强度小；抗拉强度低，性脆；导热系数大；硬化慢；生产周期长。重砼(0≥2800kg/m3);普通砼(2000kg/m3≤0＜2800kg/m3);轻砼(0≤1950kg/m3)

按表观密度按抗压强度低强砼(fcu＜30MPa);中强砼(fcu=30-50MPa)高强砼(fcu≥50MPa);超高强砼(fcu≥100MPa)四.砼中各组成材料的作用砼组成材料胶凝材料、水、细骨料和粗骨料，以及适量外加剂胶凝材料（binder）包括水泥、掺合料掺合料又称辅助胶凝材料（supplementarybinder）掺合料主要包括：粉煤灰、硅粉、磨细矿渣粉、天然火山灰质材料、磨细煤矸石、偏高岭土等。其中粉煤灰和（磨细）矿渣粉应用最为普遍

胶凝材料

砼未硬化前(freshconcrete)起润滑作用

水泥浆

水砼硬化后(concrete)起胶结作用砼细骨料起骨架作用、抗风化

骨料粗骨料抑制水泥浆收缩、耐磨第二节.砼组成材料品种水泥(cement)强度等级分类水(water)洁净水泥、泥块；有害物质粗细程度细骨料(fine-aggregate)颗粒级配

砼坚固性分类Concrete碱活性泥、泥块；有害物质粗骨料(coarse-aggregate)最大粒径

定义、分类颗粒形状外加剂(admixture)作用

颗粒级配减水剂、引气剂强度掺合料(additive)定义、分类作用粉煤灰、磨细矿渣一.水泥(cement)

1.品种

依据工程结构特点、使用环境及水泥特性选择2.强度等级

水泥强度等级应与砼强度等级相适应（1）中、低强度等级砼（﹤C60），水泥强度等级=(1.5-2.5)砼强度等级（2）高强度等级砼（≥C60），水泥强度等级=(0.8-1.5)砼强度等级二.水(water)

1.基本要求

不影响砼的凝结和硬化；无损于砼强度发展和耐久性；

不加快钢筋锈蚀;不引起预应力钢筋脆断;不污染砼表面.2.满足《混凝土用水标准》JGJ63—2006。凡是能引用的水和洁净的天然水，均可用于砼拌合和养护。三.细骨料(fine-aggregate)1.定义

粒径在0.15mm-4.75mm的骨料称为细骨料，常称作砂。2.分类

按产源分天然砂河砂、湖砂、山砂、淡化海砂人工砂机制砂、混合砂

按细度模数分

—粗砂、中砂、细砂3.泥、泥块、有害物质⑴含泥量----粒径小于0.075mm的颗粒；石粉含量----人工砂中粒径小于0.075mm的颗粒；泥块含量----粗（细）集料中粒径大于4.75（1.18），水洗后小于2.23（0.6）mm的颗粒

(2)有害物质—包括云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等

(3)危害

(4)要求—符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52—2006的要求泥,泥块,云母,轻物质——粘附在砂的表面,妨碍水泥与砂的粘结,降低砼的强度,增加砼的用水量,加大砼的收缩,降低砼的抗渗性和抗冻性。硫化物及硫酸盐——对水泥有(硫酸盐)腐蚀作用有机物——会分解出有机酸对水泥有腐蚀作用氯盐——对钢筋有腐蚀作用。4.粗细程度(1)定义—不同粒径的砂粒混合在一起后的平均（总体）粗细程度(2)目的—使砂的总表面积较小,包裹砂粒表面的水泥浆较少,从而节约水泥用量(3)测定—用筛分析方法(简称筛析法)测定(4)指标—细度模数

(5)分类—f=3.1-3.7为粗砂，f=2.3-3.0为中砂，f=1.6-2.2为细砂，f=0.7-1.5为特细砂配制砼时优先选用中粗砂5.颗粒级配(1)定义—砂中不同粒径颗粒的搭配情况海砂应按《海砂混凝土应用技术规范》（JGJ206-2010）进行进化处理后方可使用，砂中水溶性氯离子含量不得超过0.03%。预应力混凝土不得用海砂。海砂中贝壳的最大尺寸不应超过4.75mm，贝壳含量应满足书P83表4-4要求。人工砂石粉含量应满足书P83表4-4要求。(2)目的—使砂的总空隙率较小，填充砂粒空隙的水泥浆较少，从而节约水泥用量。(3)测定—用筛分析方法(简称筛析法)测定(4)评定—按0.6mm筛孔累计筛余百分率分成三个级配区I、II、III区。

(5)级配合格的标志各筛孔累计筛余百分率(Ai)落在任一级配区,级配合格

除4.75mm、0.6mm外，允许有少量超出，但超出总量不大于

5%，级配合格

配制砼时优先选用II区砂图砂的1、2、3级配区曲线标准筛标准筛砂的筛分析试验

(1)标准筛孔(方孔)—4.75㎜,2.36㎜,1.18㎜,0.6㎜,0.3㎜,0.15㎜(2)标准试样M=500g

筛孔尺寸

mm筛余量mi(g)分计筛余ai(%)

累计筛余Ai(%)4.755010102.369018281.1812024520.615030820.36513950.1520499计算公式miai=(mi/M)100Ai=∑ai4.75㎜2.36㎜1.18㎜0.6㎜0.3㎜0.15㎜筛底细度模数

f=[(28+52+82+95+99)-5×10]/(100-10)=3.4,属粗砂∵A0.6=82,∴按Ⅰ区评定。经检查所有筛孔Ai均落在Ⅰ区,则该砂为Ⅰ区砂，级配合格。例．某干砂500g的筛分结果如下表所列。试计算该砂的细度模数并评定其级配教材P157习题4.4⑴细砂的细度与级配筛孔尺寸(mm)4.752.30.15筛余量（g）0252575120245分计筛余（%）055152449累计筛余（%）0510254998细度模数μ

细=1.87对比教材P81表4-2知：∵0.6mm累计筛余落在Ⅲ区，∴按Ⅲ区评定。但0.3mm累计筛余未落在Ⅲ区，超分界线︱55－49︱%=6%＞5%，级配不合格，细砂不能单独用于配制砼。⑵粗砂的细度与级配筛孔尺寸(mm)4.752.30.15筛余量（g）50150150755025分计筛余（%）10303015105累计筛余（%）1040708595100细度模数μ粗=

=3.78对比教材P81表4-2知：∵

0.6mm累计筛余落在Ⅰ区，∴按Ⅰ区评定，但2.36mm和1.18mm累计筛余均未落在Ⅰ区，超分界线︱40－35︱%+︱70－65︱%=10%＞5%，级配不合格，粗砂不能单独用于配制砼。⑶混合砂中粗细砂的比例

设细砂在混合砂中比例为x，则粗砂的比例为1－

x。以P81表4-2中Ⅱ区为目标：4.75mm：0≤0x+10(1－x)≤10→0≤x≤12.36mm：0≤5x+40(1－x)≤25→0.43≤x≤1.441.18mm：10≤10x+70(1－x)≤50→0.33≤x≤10.60mm：41≤25x+85(1－x)≤70→0.25≤x≤0.730.30mm：70≤49x+95(1－x)≤92→0.065≤x≤0.540.15mm：90≤98x+100(1－x)≤100→0≤x≤5上述六个不等式的共同区界为0.43≤x≤0.54故混合砂中细砂／粗砂=1／1的比例相配较为合适。

6.坚固性(1)定义——砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力集料在长期受到各种自然因素的综合作用下，其物理力力学性能会逐渐下降。这些自然因素包括温度变化、干湿变化和冻融循环等，其中，冻融循环的破坏作用占主导地位。因此，常以抗冻性作为坚固性的衡量指标。一般采用直接冻融法和硫酸盐浸泡法测定集料的坚固性。由于硫酸盐浸泡法简易、快捷，通常采用硫酸钠溶液法检验集料的坚固性。(2)检测天然砂的坚固性采用Na2SO4溶液法进行检验，砂样经5次循环后其质量损失应符合国家标准标定。其中I类、II类砂质量损失均小于8％，II类砂质量损失均小于10％。使Na2SO4溶液渗入骨料中的孔隙中，然后取之试样进行烘烤，使孔隙中的溶液结晶而产生膨胀作用，如此反复循环5次。人工砂的坚固性用压碎指标检验。7.碱活性碱集料反应是指水泥、外加剂等混凝土构成物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。碱集料反应包括碱一硅酸反应和碱一碳酸盐反应。骨料中若含有无定形二气化硅等活性骨料，当混凝土中有水分存在时，它能与水泥中的碱(Na2O+K2O)起作用，产生碱一骨料反应，使混凝土发生破坏。对于重要工程混凝土使用的骨料，或者怀疑骨料中含有无定形二氧化硅可能引起碱一骨料反应时，应进行专门试验，以确定骨料是否可用。砂中不应含有活性氧化硅，因为砂中含有的活性氧化硅，能与水泥中的碱分（K2O及Na2O）起作用，产生碱骨料反应，使混凝土发生膨胀开裂。砂按技术要求分为三类：I类宜用于强度等级>C60的混凝土II类宜用于强度等级C30~C60的混凝土及有抗冻抗渗或其他要求的混凝土；III类宜用于强度等级<C30的混凝土和建筑砂浆四.粗骨料(coarse-aggregate)

1.定义粒径在4.75mm-90mm的骨料称为粗骨料，常称作石子(gravel)。

2.分类

——

按产源分—碎石、卵石—按粒径尺寸分—连续级配、单粒级（间断级配）3.泥、泥块、有害物质

泥、泥块—定义详细骨料

有害物质—包括有机物、硫化物及硫酸盐等

危害—详细骨料

要求—符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52—2006的要求

4.颗粒形状(粒形）（1）最佳形状—球形、正方体形（2）最差形状—针状颗粒、片状颗粒针状--颗粒长轴长度大于平均粒径的２～４倍片状--厚度小于平均粒径的0.4倍危害—拌合物和易性差，砼强度降低，耐久性差（骨料空隙率大）。影响泵送混凝土的可泵性，对于泵送混凝土针片状含量不宜大于10%。要求—符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》

JGJ52—2006的要求碎石:表面粗糙，棱角多，且较洁净，与水泥石粘结牢固；卵石:表面光滑，有机杂质含量较多，与水泥石粘结力较差；在相同条件下，卵石砼强度较碎石砼强度低；在单位用水量相同条件下，卵石砼流动性较碎石砼大；5.最大粒径(粒径）(1)定义→粗骨料公称粒级的上限(2)目的→表示粗骨料的粗细程度。→粗骨料总表面积较小→节约水泥

条件许可时，粗骨料的最大粒径大应尽量大。试验研究表明：最佳的最大粒径取决于混凝土的水泥用量，在水泥用量少的混凝土中（每1m3混凝土的水泥用量不大于170kg)，采用大骨料是有利的。在普通混凝土配合比的结构混凝土中，骨料粒径大于40mm并没有好处。

某砼柱截面为300400mm，柱中受力钢筋直径为22mm，受力筋间距为66mm。则该柱砼所用石子最大粒径为多少mm？

解：依据GB50204规定：例题(3)《砼结构工程施工质量验收规范》(GB50204)规定：①砼梁、柱、墙的粗骨料的最大粒径：≤1/4截面最小尺寸，且≤3/4钢筋净距。②砼板的粗骨料的最大粒径≤1/2板厚，且≤40mm。6.强度(1)强度岩石强度（仅用于碎石，且砼≥C60时才检验）压碎指标（用于碎石、卵石）

a)岩石强度——用母岩制作50mm立方体（或直径和高均为50mm圆柱体）浸水48h，测定抗压强度，要求：岩石抗压强度≥K砼强度等级（JGJ52—2006规定K≥1.2，对于路面混凝土K≥2.0

）

b)压碎指标δa——一定重量气干状态的9.5mm～19mm碎石装入标准筒内，按规定速度加荷至200KN，卸荷后称取试样重M0,用2.36mm筛筛去细粒，称取筛余重M1。

压碎指标—是表示粗骨料强度的间接指标。

压碎指标越小,粗骨料强度越高。反之。粗骨料强度越低。7.颗粒级配

(1)定义—石子中不同粒径颗粒的搭配情况(2)目的—使石子的总空隙率较小→节约水泥用量

(3)测定—用筛分析方法(简称筛析法)测定

(4)类型—连续级配和单粒级(间断级配)连续级配—石子由小到大各粒级相连的级配.间断级配—小颗粒粒径石子直接与大颗粒粒径石子相配,中间缺了一段粒级的级配.

(5)标准筛孔—2.36，4.75，9.5，16，19，26.5，31.5，37.5，53，63，75，90㎜。8骨料的坚固性—定义与要求同细骨料骨料的坚固性是指在气候、外力和其他物理力学因素作用（如冻融循环作用）下骨料抗碎裂的能力。坚固性试验是用硫酸钠溶液法检验，试样经五次干湿循环后，其质量损失应不超过规范的规定。五.外加剂(admixture)1.定义在拌制砼过程中掺入的用以改善砼性能的物质，掺量一般不大于水泥重量5%(特殊情况除外)。2.分类按主要功能分为四类。3.常用种类减水剂、引气剂、早强剂和缓凝剂等4.减水剂

(1)定义—在砼拌合物坍落度基本相同的条件下,能减少拌合用水量的外加剂

(2)技术经济效果(作用)①拌合物用水量不变时,能明显提高拌合物流动性(增大坍落度)②拌合物坍落度和水泥用量不变时,可减少用水量,且提高砼强度,尤其是早期强度③当保持砼强度不变时,节约水泥用量

(3)水泥桨的絮凝结构水泥加水后,由于水泥颗粒之间的分子凝聚力作用形成的结构.详下图

(4)表面活性剂①定义—具有显著改变(通常为降低)液体表面张力或两相间界面张力的物质②作用—湿润、乳化、分散、润滑、起泡和洗涤作用③构造—分子由亲水基团和憎水基团两部分组成，详下图(5)减水剂的减水机理

★减水剂之所以能减水，是由于它是一种憎水基团表面活性剂。其减水机理有三

①吸附－分散→减水剂的憎水基团定向吸附在亲水基团水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有相同的电荷，在电性斥力作用下使水泥颗粒分开，将絮水水泥颗粒凝结构内包裹的水分释放出来,从而增加了拌合物的流动性。②润滑作用→水泥颗粒表面吸附了足够的减水剂后，使水泥颗粒表面形成了一层稳定的溶剂化水膜，它阻止了水泥颗粒的直接接触，并在颗粒之间起润滑作用。

③湿润作用→由于水泥颗粒被有效的分散，颗粒表面被水充分湿润，促进了水泥的水化程度，从而提高了强度。(6)减水剂的种类按效果分→普通、高效减水剂按化学成分分→木质素系、奈系、树脂系等(7)减水剂的掺加方式减水剂掺入砼的方法主要有：先掺法、同掺法、滞水法、后掺法等四种先掺法→将减水剂与水泥混合后再与骨料和水一起搅拌同掺法→将减水剂先溶于形成溶液后再加入搅拌物中一起搅拌滞水法→在搅拌过程中减水剂滞后1～3min加入后掺法→在拌合物运送到浇筑地点后，才加入减水剂再次搅拌均匀进行浇筑5.引气剂

(1)定义—在砼搅拌过程中能引人大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂

(2)目的(作用)①改善砼拌合物的和易性

—既提高拌合物流动性，又能改善拌合物粘聚性和保水性②提高砼的抗渗性和抗冻性③强度有所降低6.早强剂冬季7.缓凝剂夏季六.掺合料(additive)1.定义与砼其他组分一起，直接加入的人造或天然的矿物材料以及工业废料，掺量一般大于水泥重量5%。2.作用改善砼性能，节约水泥3.常用种类粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉磨细煤矸石等4.粉煤灰

按排放方式—分干排灰与湿排灰按收集方式—分静电收尘灰与机械收尘灰①分类按加工方式—分原状灰与磨细灰按质量—分C类（CaO＞10%)与F类（CaO＜10%)②粉煤灰效应—活性效应、形态效应、微骨料效应活性效应：火山灰活性，增加了起胶凝作用的水化产物的数量。形态效应：粉煤灰是空心玻璃微珠颗粒，具有增大混凝土（砂浆）流动性，减少泌水、改善和易性的作用；若保持流动性不变，则可起到减水作用；微骨效应：粉煤灰微细颗粒均匀分布在水泥浆中，填充孔隙，改善混凝土孔结构，提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的耐久性。③等级—按细度、烧失量、需水量、三氧化硫、含水量等分为三个等级④掺加方式—等量取代法、超量取代法、外掺法等量取代法：可节约水泥，减少水化放热量，改善和易性，提高抗渗性。适用于I级粉煤灰、超高强混凝土及大体积混凝土。超量取代法：目的是保持混凝土28d强度及和易性不变。外掺法：目的只是为了改善混凝土拌合物的和易性。⑤作用—粉煤灰掺入砼中，可以改善拌合物的和易性、可泵性和可塑性；降低砼的水化热；抑制碱—骨料反应；使砼的弹性模量提高；提高砼的耐腐蚀、抗渗性、抗冻性等。但使砼的早期强度有所降低。水泥矿渣粉煤灰硅灰偏高岭土SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOSO3K2OOthers烧失量SYⅠ47.246.1434.05.8300.810.863.361.76HSⅠ53.187.1327.026.290.530.641.892.041.27HNⅡ51.657.9323.869.350.690.961.511.742.30HSⅡ49.486.8730.426.9600.741.161.942.43HSⅢ47.274.9335.195.0600.610.742.293.90炼石P.O42.519.9962.725.223.871.063.480.980.532.19炼石P.O32.520.0861.335.013.780.813.330.781.173.84矿渣34.5348.5510.411.0301.750.952.781.09硅灰95.220.290.290.1000.390.6803.04偏高岭土56.19040.721.2200.100.960.81－第三节.砼的性能

拌合物(freshconcrete)的性能—和易性(Workability)

砼性能强度(Strength)

硬化砼的性能变形(Deformation)

耐久性(Durability)一.和易性(Workability)

1.定义

坍落度(mm)

—塑性或流动性砼

流动性—指标坍落度大，流动性好，反之，则差。

2.内容

维勃绸度(s)

—干硬性砼粘聚性维勃绸度小，流动性好，反之，则差。保水性无指标,靠经验目测

3.坍落度选择

—详《砼结构工程施工质量验收规范》(GB50204)

依据—构件截面尺寸、钢筋疏密和捣实方法来选择一.混凝土拌合物的和易性和易性是指混凝土拌合物易于施工操作（拌合、运输、浇灌、捣实）并能获致质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合的技术性质，包括有流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。流动性是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。流动性的大小取决于混凝土拌合物中用水量或水泥浆含量的多少。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性能。粘聚性的大小主要取决于细骨料的用量以及水泥浆的稠度等。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，不致产生严重泌水的性能。保水性差的混凝土拌合物，由于水分分泌出来会形成容易透水的孔隙，从而降低混凝土的密实性。坍落度为50～70mm的普通混凝土在做坍落度试验的同时，应观察混凝土拌合物的粘聚性、保水性及含砂等情况，以更全面地评定混凝土拌合物的和易性。坍落度法适用于骨料最大粒径不大于40㎜，坍落度值不小于10㎜的混凝土拌合物。根据坍落度的不同，可将混凝土拌合物分为：大流动性混凝土（坍落度大于160ｍｍ）；流动性混凝土（坍落度为100～150ｍｍ）；塑性混凝土（坍落度为50～90ｍｍ）及低塑性混凝土（坍落度为10～40ｍｍ）。坍落度值小于10ｍｍ的拌合物为干硬性混凝土。维勃稠度法（ＶＢ法）

对干硬性的混凝土拌合物通常采用维勃稠度仪测定其稠度。维勃稠度测试方法是：在维勃稠度仪上的坍落度筒中按规定方法装满拌合物，垂直提起坍落度筒，在拌合物试体顶面放一透明圆盘，开启振动台，同时用秒表计时，在透明圆盘的底面完全为水泥浆所布满的瞬间，停止秒表，关闭振动台。此时可认为混凝土混合物已密实。读出秒表的秒数，称为维勃稠度。该法适用于粗骨料最大粒径不超过40ｍｍ，维勃稠度在５～30ｓ之间的混凝土拌合物的稠度测定。混凝土的生产方式：

1、现场拌合

2、商品混凝土生产（搅拌站生产）混凝土搅拌站4.影响和易性的因素①水泥浆的数量和水泥浆的稠度—实际都是用水量的影响

恒定用水量法则—当使用确定的材料拌制砼时，水泥用量在一定范围内变化，则达到一定流动性，所需用水量为一常数。②砂率—砼中砂的质量占砂、石总质量的百分率

砂率的变动—使骨料的总表面积和总空隙率有显著改变，并对拌合物的和易性产生显著影响。合理砂率时和易性最好。

合理砂率—在用水量和水泥用量一定的情况下，能使拌合物获得最大的流动性且能保持良好的粘聚性和保水性的砂率。③砼组成材料的影响水泥—水泥品种和细度骨料—骨料的级配、颗粒形状、表面特征及粒径外加剂—减水剂和引气剂能提高拌合物流动性；引气剂还能改善拌合物粘聚性和保水性④时间和温度时间—随时间的延长，拌合物的流动性降低，这种现象称为坍落度损失温度—随温度的升高，拌合物的流动性降低，坍落度损失加快（１）水泥浆的数量

在混凝土拌合物中，水泥浆包裹骨料表面，填充骨料空隙，使骨料润滑，提高混合料的流动性；在水灰比不变的情况下，单位体积混合物内，随水泥浆的增多，混合物的流动性增大。若水泥浆过多，超过骨料表面的包裹限度，就会出现流浆现象，这既浪费水泥又降低混凝土的性能；如水泥浆过少，达不到包裹骨料表面和填充空隙的目的，使粘聚性变差，流动性低，不仅产生崩塌现象，还会使混凝土的强度和耐久性降低。混合物中水泥浆的数量以满足流动性要求为宜。（２）水泥浆的稠度水泥浆的稀稠，取决于水灰比的大小。水灰比小，水泥浆稠，拌合物流动性就小，混凝土拌合物难以保证密实成型。若水灰比过大，又会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良，而产生流浆、离析现象。水泥浆的数量和稠度取决于用水量和水灰比。实际上用水量是影响混凝土流动性最大的因素。当用水量一定时，水泥用量适当变化（增减50～100㎏/ｍ3）时，基本上不影响混凝土拌合物的流动性，即流动性基本上保持不变。由此可知，在用水量相同的情况下，采用不同的水灰比可配制出流动性相同而强度不同的混凝土。(3)砂率砂率是指混凝土中砂的用量占砂、石总用量的百分率。ｍg0——每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）；ｍs0——每立方米混凝土的细骨料用量（kg）；βs——砂率（％）；ρ0s,ρ0g_______砂、石堆积密度（kg/m3)在混合料中，砂是用来填充石子的空隙。在水泥浆一定的条件下，若砂率过大，则骨料的总表面积及空隙率增大，混凝土混合物就显得干稠，流动性小。如要保持一定的流动性，则要多加水泥浆，耗费水泥。若砂率过小，砂浆量不足，不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起润滑和填充作用，也会降低混合物的流动性，同时会使粘聚性、保水性变差，使混凝土混合物显得粗涩，粗骨料离析，水泥浆流失，甚至出现溃散现象。因此，砂率既不能过大，也不能过小，应通过试验找出最佳（合理）砂率。也可参照规范表格进行选用。（４）其他影响因素水泥品种，骨料种类，粒形和级配以及外加剂等，都对混凝土拌合物的和易性有一定影响。水泥的标准调度用水量大，则拌合物的流动性小。骨料的颗粒较大，形状圆整，表面光滑及级配较好时，则拌合物的流动性较大。此外，在混凝土拌合物中加入外加剂时（如减水剂），能显著地改善和易性。混凝土拌合物的和易性还与时间，温度有关。拌合物拌制后，随时间延长，流动性减小；温度越高，水分丢失越快，坍落度损失越大。5.改善和易性的措施①尽可能降低砂率，或采用合理砂率；②改善砂、石的级配；③尽量采用较粗的砂、石；④当拌合物的坍落度太小时，保持水灰比不变，增加水泥和水的用量；当拌合物的坍落度太大，但粘聚性良好时，保持砂率不变，增加砂、石用量。当粘聚性、保水性不良时，增大砂率。二.强度(Strength)

1.定义

标准试件：150×150×150mm，一组3块；

①立方体抗压强度fcu

标准养护：t=20±2℃；RH≥95%；（砼强度的特征值）标准试验方法：测得28d的抗压强度

▲非标准试件100×100×100mm的强度换算系数为0.95200×200×200mm的强度换算系数为1.05

②立方体抗压强度标准值(或称：立方体抗压标准强度)fcu,k—具有95%保证率的立方体抗压强度

砼的强度等级—依据立方体抗压强度标准值划分为14个强度等级C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80

③轴心(棱柱体)抗压强度fcp—用150×150×300mm标准试件,养护条件和试验方法同立方体抗压强度fcp=(0.7-0.8)fcu

④抗拉强度ftp—一般采用劈裂抗拉强度fts代表。ftp=(1/10-1/20)fcp

⑤抗弯拉强度ftf(又称：抗折强度)—是路面水泥砼的主要强度指标劈裂抗拉强度试验抗折强度试验环箍效应强制式混凝土搅拌机混凝土试模混凝土振动台插入式振动棒2.影响砼强度的因素

(1)胶凝材料强度和水胶比

━影响砼强度的决定性因素胶凝材料（binder）强度fb与砼强度fcu呈直线关系；

水胶比W/B与砼强度fcu呈曲线关系，或：胶水比B/W与fcu呈直线关系

水胶比定则

[鲍罗米（Bolomy）公式]式中：fcu

—砼28d抗压强度,MPa；

B/W—胶水比（binder

/water）

aa、ab

—回归系数，碎石aa=0.53,ab=0.2；卵石aa=0.49,ab=0.13

fb—胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值，MPa。

注：当无胶凝材料28d胶砂抗压强度的实测值时，fb

=gfgs

fce

gf

、gs

—辅助胶凝材料（粉煤灰、矿渣粉）影响系数，详表A

fce—水泥28d胶砂抗压强度实测值，MPa。

注：当无水泥28d胶砂抗压强度的实测值时，fce=gc

fce,g

gc

—水泥强度等级值的富余系数，一般取1.10～1.16。

fce,g—水泥强度等级值。如32.5级水泥，

fce,g

=32.5MPa、表A辅助胶凝材料影响系数gf、gs掺量（%）粉煤灰gf

矿渣粉gs

01.001.00100.85～0.951.00200.75～0.850.95～1.00300.65～0.750.90～1.00400.55～0.650.80～0.9050－0.70～0.85鲍罗米公式的用途①已知：水泥强度fce，水灰比W/C，骨料种类(A、B),求:砼28d抗压强度fcu②已知：水泥强度fce，砼强度等级fcu，骨料种类(A、B)；求：水灰比W/C混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

（ａ）强度与水灰比的关系；（ｂ）强度与灰水比的关系(2)骨料的影响

▲骨料中有害杂质含量高,级配差,均使砼强度降低▲水灰比小于0.4时,碎石砼强度比卵石砼强度高38%；水灰比增大，差别减小▲相同水灰比和坍落度下,砼强度随骨料与胶凝材料之比的增大而提高(3)养护温度和湿度

温度—养护温度高，砼早期强度提高；但温度高于40℃时，砼后期强度反而降低。养护温度低，砼强度降低；但温度低于0℃时，砼强度停止发展湿度—湿度越高，砼强度越高；反之，砼强度越低(4)龄期

正常养护条件下，砼强度随龄期的增长而增长▲标准养护条件下，砼强度与龄期的关系如下：

公式适用于：用普通水泥配制，标准条件养护，中等强度等级的普通砼。规范规定：一般情况下，硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥浇水养护时间不应小于7d，火山灰水泥和粉煤灰水泥浇水养护时间不应小于14d(5)施工质量

施工质量的好坏对混凝土强度有非常重要的影响。施工质量包括配料准确，搅拌均匀，振捣密实，养护适宜等。任何一道工序忽视了规范管理和操作，都会导致混凝土强度的降低。(6)试验条件

试验条件对混凝土强度的测定也有直接影响。如试件尺寸，表面的平整度，加荷速度以及温湿度等，测定时，要严格遵照试验规程的要求进行，保证试验的准确性。3.提高砼强度的措施

①采用强度等级高水泥或快硬早强类水泥。②采用干硬性砼（即低水灰比砼）③采用湿热处理（即蒸汽养护和蒸压养护）④采用机械搅拌和振捣⑤掺入外加剂和掺合料。

标准养护—水中养护—自然养护—砼在自然条件下（平均气温高于5℃且表面潮湿）的养护蒸汽养护—将砼放在温度低于100℃的常压蒸汽中进行养护蒸压养护—将砼构件放在温度低于175℃及8个大气压的压蒸锅中进行养护同条件养护—与结构实体具有相同养护条件，并由各（施工、监理）方在砼浇筑入模处见证取样的立方体试件。砼养护条件

用32.5P·O水泥配制卵石砼，制作100×100×100mm试件三块，标准条件下养护7d，测得破坏荷载分别为140KN、135KN、144KN。①计算该砼28d的标准立方体抗压强度；②计算该砼的水胶比。

(已知gf

=1.0,gs

=1.0,gc

=1.13,

αa=0.49,αb=0.13)解

(1)各试件抗压强度f1=P1/A

=140×103/100×100

=14MPa；同理,f2

=13.5MPa；f3

=14.4MPa

(2)该组试件的强度代表值:∵(f3-f1)×100%/f1

=2.8%＜15%；(f1-f2)×100%/f1=3.6%＜15%

∴该组试件的强度代表值f代=(f1＋f2＋f3)/3

=13.97MPa≈14MPa(3)非标准试件的强度换算为标准试件的强度:f7

=

0.95f代

=

13.27MPa(4)7d强度换算为28d强度:∵f7/f28=lg7/lg28∴f28=f7lg28/lg7

=22.72MPa(5)水胶比W/B:

∵f28=αa

fb(B/W－αb

)；

又fb=γf

γs

γc

fce,g

=1×1×1.13×32.5=36.73MPa；

∴B/W=1.393，则W/B=0.72例题三.变形(Deformation)（一）非荷载作用下的变形①化学收缩：水泥水化产物的体积比反应前物质的总体积小,引起砼收缩化学收缩值很小，且不可恢复。化学收缩对砼结构没有破坏作用，但在其内部产生微裂缝②干湿变形：砼在干燥空气中产生干缩，在潮湿环境中产生湿胀湿胀对砼无危害，一般忽略不计。(混凝土的极限拉应变大约为100×10-6mm/mm)干缩会引起砼开裂，结构设计时必须予以考虑，在一般工程设计中，通常混凝土采用的线收缩值为150~200×10-6mm/mm，即每米收缩0.15~0.2mm。混凝土的干缩是不能完全恢复的（30~60%）。影响干缩因素—水泥用量、细度及品种；水灰比；骨料及施工质量收缩值：水泥净浆：砂浆：混凝土=5:2:1③温度变形—砼随温度的变化产生热胀冷缩[10×10-6(mm/mm)/℃]冷缩对砼危害大，结构设计时必须予以考虑—设置温度缝除温度升降外,砼内外温差对体积稳定产生影响—产生温度裂缝建筑物变形缝构造部位—外墙、内墙、屋面、楼面等桥梁变形缝构造（二）荷载作用下的变形1、短期荷载作用下变形：既产生弹性变形,又产生塑性变形，应力(σ)应变(ε)关系为一曲线砼是一种非匀质材料,是一种弹塑性体砼的弹性模量是指σ—ε曲线上任一点的应力与应变之比在混凝土结构或钢筋混凝土结构设计中，常采用一种按标准方法测得的静力受压弹性模量Ec（1/3fcp)混凝土的荷载变形曲线

影响混凝土弹性模量的因素有：混凝土的强度等级越高，弹性模量越高。水泥用量少，水灰比小，粗细骨料用量较多，弹性模量大。骨料弹性模量大，混凝土弹性模量也大。早期养护温度较低的混凝土具有较大的弹性模量。在相同强度情况下，蒸汽养护混凝土弹性模量较在标准条件下养护的混凝土弹性模量小。引气混凝土弹性模量较普通混凝土低20％～30％。2、长期荷载作用下变形—徐变徐变—砼在长期恒载作用下，沿作用力方向产生随时间而发展的变形混凝土结构一般要延续2-3年才逐渐趋于稳定；混凝土的徐变一般可达300-1500×10-6。影响徐变的因素—水泥用量及水灰比徐变的作用—有利于削弱由温度、干缩引起的约束变形所产生的破坏应力，减小裂缝；在预应力结构中，引起预应力损失。砼无论受压、受拉或受弯，均产生徐变现象混凝土的徐变(应变与时间的关系曲线)压应力与徐变的关系四.耐久性(Durability)1、定义：砼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的能力2、内容—抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱骨料反应及钢筋锈蚀等（1）抗渗性：砼抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能，直接影响混凝土的抗冻性与抗侵蚀性。抗渗等级：P4、P6、P8、P10、P12五个(如P4表示砼抵抗0.4MPa的水压而不渗水)抗渗等级≥P6的混凝土为抗渗混凝土。影响因素：水灰比、水泥品种、骨料最大粒径、养护方法、外加剂及掺合料等（2）抗冻性：砼在水饱和状态下,经受多次冻融循环作用,能保持强度和外观完整性的能力。一般混凝土抗压强度未达5MPa或抗折强度未达1MPa，不得遭受冰冻。抗冻等级：F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、F400和>F400等九个改善措施：加入减水剂、引气剂和防冻剂（3）抗侵蚀性—详水泥石的腐蚀（4）抗氯离子渗透：环境水、土中的氯离子因浓度差会向混凝土中扩散渗透，当氯离子扩散渗透至混凝土结构中钢筋表面并达到一定浓度后，导致钢筋很快锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性。快速氯离子迁移系数法（RCM法）--氯离子迁移系数，RCM-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ；电通量法—电通量，Q-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ；氯离子主要是通过水泥石中的孔隙和水泥石与骨料的界面扩散渗透提高混凝土抗氯离子渗透性的主要途径：提高混凝土的密实度，降低孔隙率，减少孔隙和改善混凝土界面结构——掺加硅灰、优质粉煤灰、降低水胶比。（5）碳化定义：空气中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水对砼性能影响：使砼碱度降低→减弱了对钢筋的保护→导致钢筋锈蚀；产生碳化收缩；使砼抗压强度增大，抗拉、抗折强度降低。C不变，W/C↓，抗碳化性能↑；W/C不变，C↑，抗碳化性能↑。（6）碱骨料反应定义—水泥中的碱(Na2O+0.659K2O)与骨料中的活性SiO2反应,生成碱-硅酸凝胶(Na2SiO3),并从周围介质中吸收水分而膨胀,导致砼开裂而破坏的现象反应具备的条件：①碱含量高；②集料中存在碱活性物，如活性SiO2；③环境潮湿，水分渗入混凝土。预防措施：①使用含碱量小于0.6%的水泥，以降低混凝土的总碱含量；②混凝土所使用的碎石或卵石应进行碱活性检验；③使混凝土致密或包覆混凝土表面，防止水分进入混凝土内部；④采用能抑制碱—集料反应的掺合料，如粉煤灰、硅灰等。中国美术馆全景

美术馆梁钢筋锈蚀情况美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况南方某海港码头混凝土被锈蚀北京西直门立交桥桥墩柱落水口一侧钢筋锈蚀该厂房柱出现大量的混凝土保护层破坏、钢筋锈蚀严重楼板底部钢筋锈蚀严重(3)提高耐久性的措施①合理选用水泥品种②控制最大水灰比和最小水泥用量—(W/C)max与Cmin③选用质量好的砂石骨料④掺用引气剂或减水剂⑤加强生产控制

砼的四性能与三参数之间的相互关系和易性水灰比强度砼四性能砂率砼三参数变形(单位)用水量耐久性第四节.砼的质量控制

1.由于砼抗压强度的变化能较好的反映砼质量的变化，因此通常以抗压强度作为评定砼质量的主要技术指标。2.砼质量是随机波动的，因此砼抗压强度也是随机波动的,其波动规律符合正态分布

一.砼强度的波动规律—正态分布

概率

1.曲线呈钟形,两边对称,对称轴在强度平均值处.

2.曲线与水平之间的面积为概率

拐点总和,即100%.3.在对称轴两侧的曲线上各有一个拐点,拐点之间的曲线向下弯曲,拐点之外的曲线向上弯曲.

强度

4.曲线矮而宽,施工水平差,曲线高

平均强度

而窄,施工水平好。拐点二.砼强度(质量)波动的评定指标

1.强度平均值f

2.(强度)标准差σ→均方差

3.(强度)变异系数Cv

三.强度保证率P(t)

1.定义—P(t)是指砼强度总体中大于设计强度等级(fcu,k)的概率2.概率度t

3.强度保证率P(t)与概率度t之间是一一对应的关系,即P(t)t当P(t)=80%时,t=-0.842；当P(t)=90%时,t=-1.28；当P(t)=95%时,t=-1.645对应于→对称轴→不能作为评定砼质量的指标对应于→拐点至对称轴的距离→可以作为评定砼质量的指标→s越小,砼质量越稳定→可以作为评定砼质量的指标→

Cv越小,砼质量越稳定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，见图所示。低于设计强度等级（fcu,ｋ）的强度所出现的概率为不合格率。图混凝土强度保证率四.砼配制强度(fcu,t)

1.砼配制强度(fcu,t)，砼设计强度(fcu,k)或

σ—强度标准差→与施工水平有关；fcu,k≤C30,s≥3MPa；fcu,k＞C30,s≥4MPa。规范规定:当fcu,k≤C20,s

=4MPa；C25≤fcu,k≤C45,s

=5MPaC50≤fcu,k≤C55,s=6MPa。

C60≤fcu,k，2.我国现行砼配合比设计规程规定:砼强度保证率P(t)=95%,则概率度t=-1.645故:概率强度保证率P(t)f设f配强度平均强度

砼设计强度为C20，强度保证率P(t)=95%,(1)当σ=3MPa时，f配=?

(2)当s=5.5MPa时,f配=?(3)若采用42.5的P·O水泥,卵石,用水量W=180kg/m3则s从5.5MPa降到3MPa时,每m3砼可节约水泥多少公斤?(已知，胶凝材料中无粉煤灰和矿渣粉gf=1.0，gs=1.0，gc=1.13，aa=0.49,ab=0.13)

解:(1)当强度保证率P(t)=95%时,概率度t=1.645

f配=f设+1.645s=20+1.645×3=24.94MPa

(2)f配=f设+1.645s=20+1.645×5.5=29.05MPa

(3)由鲍罗米公式

f配=f28=fcu=aa

fb(B/W－ab)=aa

gf

gs

gcfce,g

(B/W－ab)当σ=3MPa时,24.94=0.49×1×1×1.13×42.5(B1/W1－0.13)

得B1/W1=1.19

同理σ=5.5MPa时,29.05=0.49×1×1×1.13×42.5(B2/W2－0.13)

得B2/W2=1.36

故B2-B1=(B2/W2－B1/W1)W=(1.36－1.19)×180=30.6kg

则每m3砼可节约水泥30.6kg例题第五节.砼配合比设计(mixproportiondesign)

一.定义—砼中各组成材料之间的（质量）比例关系二.表示方法—⑴单位体积（1M3）用量C:F:W:S:G=300:60:180:660:1260

⑵质量比

C:F:S:G=1:0.2:2.2:4.2，W/C=0.6

三.配合比设计的四项要求—强度、和易性、耐久性及经济性

三参数—水胶比(W/B)、砂率(Sp)、单位用水量(W)

四.配合比设计的内容

1.初步配合比设计—公式、定律理论设计→得初步配合比C:F:W:S:G:A2.实验室配合比设计—依据初步配合比在实验室试拌→检验强度、和易性等性能→得实验室配合比C0:F0:W0:S0:G0:A03.施工配合比设计—考虑现场砂、石含水率，调整实验室配合比→得施工配合比C´:F´

:W´

:S´

:G´:A´

五.配合比设计的方法

1.体积法—绝对体积法

2.重量法—假定表观密度法混凝土配合比设计基本参数确定的原则水胶比、单位用水量和砂率是混凝土配合比设计的三个基本参数。混凝土配合比设计中确定三个参数的原则是：在满足混凝土强度和耐久性的基础上，确定混凝土的水胶比；在满足混凝土施工要求的和易性基础上，根据粗骨料的种类和规格确定单位用水量；砂率应以砂在骨料中的数量填充石子空隙后略有富余的原则来确定。混凝土配合比设计以计算1m3混凝土中各材料用量为基准，计算时骨料以干燥状态为准。六.初步配合比设计1.配制强度fcu,t(或f配)确定

fcu,0=

fcu,k+1.645σ2.确定水胶比(W/B)可得W/B，且W/B≤[W/B]max式中a、b——回归系数，碎石a=0.53、b=0.20，卵石a=0.49、

b=0.13；

fb—胶凝材料（水泥与矿物掺合料按使用比例混合）28d胶砂强度（MPa），试验方法应按现行国家标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671执行；当无实测值时，可按下列规定确定：

fb=

gfgsfcefce=gc

fce,ggc

—水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定；当缺乏实际统计资料时：水泥强度等级为32.5、42.5、52.5时分别取1.12、1.16、1.10。fce,g—水泥强度等级值（MPa）。3.确定1m3砼用水量(W)—查表表5.1.3粉煤灰影响系数f和粒化高炉矿渣粉影响系数s掺量（%）粉煤灰影响系数f粒化高炉矿渣粉影响系数s01.001.00100.90～0.951.00200.75～0.850.95～1.00300.65～0.750.90～1.00400.55～0.650.80～0.9050-0.70～0.85注：①采用Ⅰ级、Ⅱ级灰宜取上限值。②采用S75级粒化高炉矿渣粉宜取下限值，采用S95级粒化高炉矿渣粉宜取上限值，采用S105级粒化高炉矿渣粉可取上限值加0.05。

③当超出表中的掺量时，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数应经试验确定。表3.0.4混凝土的最小胶凝材料用量最大水胶比最小胶凝材料用量(kg/m3)素混凝土钢筋混凝土预应力混凝土0.602502803000.552803003000.50320≤0.45330表3.0.5-1

钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量矿物掺合料种类水胶比最大掺量（%）硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥粉煤灰≤0.40≤45≤35＞0.40≤40≤30粒化高炉矿渣粉≤0.40≤65≤55＞0.40≤55≤45钢渣粉－≤30≤20磷渣粉－≤30≤20硅灰－≤10≤10复合掺合料≤0.40≤65≤55＞0.40≤55≤45对于基础大体积混凝土，粉煤灰、粒化高炉矿渣粉和复合掺合料的最大掺量可增加5%；采用掺量大于30%的C类粉煤灰混凝土应以实际使用的水泥和粉煤灰掺量进行安定性检验。采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材掺量20%以上的混合材量计入矿物掺合料；复合掺合料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量。表3.0.5-2预应力混凝土中矿物掺合料最大掺量矿物掺合料种类水胶比最大掺量（%）硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥粉煤灰≤0.40≤35≤30＞0.40≤25≤20粒化高炉矿渣粉≤0.40≤55≤45＞0.40≤45≤35钢渣粉－≤20≤10磷渣粉－≤20≤10硅灰－≤10≤10复合掺合料≤0.40≤55≤45＞0.40≤45≤35采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材掺量20%以上的混合材量计入矿物掺合料；复合掺合料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量。适用于水胶比在0.4-0.8；水胶比大于0.4时，通过试验确定用水量。掺有减水剂时：W=W‘(1-b)W—计算配合比每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

W’—未掺加外加剂时推定的混凝土及时坍落度要求的每立方米混凝土用水量（kg/m3），以表5.2.1-2中90mm坍落度用水量为基础，按每增大20mm坍落度相应增加5kg/m3用水量来计算，当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少。4.1m3混凝土外加剂掺量（A）：A=

B

baB—每立方米混凝土中胶凝材料用量（kg/m3）；ba—外加剂掺量（%），应经混凝土试验确定。5.1m3混凝土胶凝材料用量(B)

∵W/B、W均已知

∴B=W/(W/B)，且B≥Bmin

Bmin—最小胶凝材料用量，详表m3混凝土掺合料用量(F)

F=B

bf

bf—掺合料掺量(%)，满足表3.0.5-1，-2。7.

1m3混凝土水泥用量(C)

C=B-F8.确定砂率(Sp)

(1)查表

(2)利用砂率公式计算

b

—砂浆剩余系数，取1.1～1.4

9.确定砂、石用量(S、G)

（1）体积法

（2）重量法

则初步配合比为C:W:S:G（５）选择合理的砂率值（βs）

合理砂率可通过试验、计算或查表求得。

试验是通过变化砂率检测混合物坍落度，能获得最大流动度的砂率为最佳砂率。也可根据骨料种类、规格及混凝土的水灰比，参考表选用。七.实验室配合比设计1.试拌《普通砼配合比设计规程》(JGJ55—2011)规定：骨料Dmax≤31.5mm时，拌合物最小体积为20L；骨料Dmax≥37.5mm时，拌合物最小体积为25L。2.调整

①和易性—当坍落度小于设计要求时，保持水灰比不变，增加水泥浆—当坍落度大于设计要求时，保持砂率不变，增加骨料—当粘聚性、保水性不良时，增大砂率②强度—至少用三个配合比，每个配合比制作一组(3块)试块，标准养护28d试压