第4章水泥混凝土

1第4章水泥混凝土

§4.1概述

§4.2

普通混凝土的组成材料

§4.3外加剂和矿物掺和料▲§4.4

新拌早期混凝土的性能▲§4.5硬化混凝土的主要技术性质▲§4.6普通混凝土的配合比设计

§4.7

混凝土的质量控制与强度评定

§4.8

水泥混凝土技术进展2§4.1

概述1、混凝土（砼）定义：由胶凝材料和粗、细集料按适当比例配合、拌制成拌合物，经成型硬化而成的人造石材。2、混凝土分类：按胶凝材料分：水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土、水玻璃混凝土等。重混凝土：＞2600kg/m3按表观密度分普通混凝土：1950~2500kg/m3

轻混凝土：＜1950kg/m33低强混凝土：＜30MPa

中强混凝土：30～60MPa

高强混凝土：60～100MPa超高强混凝土：＞100MPa

按抗压强度分按流动性分：干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、大流动性混凝土和自流平混凝土。按生产方式分：预拌混凝土和现浇混凝土。按施工方法分：泵送混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、压力灌浆混凝土等。按使用功能和特性分：防水混凝土、道路混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、水工混凝土等

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优点：（1）性能易于调整；（2）可塑性好；（3）抗压强度高、耐久性好；（4）耐水性好；（5）可用钢筋增强；（6）能源消耗较低、利废程度高。缺点：（1）自重大；

（2）抗拉强度低，抗裂性差；（3）收缩变形大；

（4）抗冲击能力差。

3、水泥混凝土的优缺点

5

4.2

普通水泥混凝土的组成材料

普通水泥混凝土（简称混凝土）：以水泥为胶凝材料，普通砂、石为集料，加水拌成拌合物，经凝结硬化而成的人造石材。为改善混凝土的某些性能还常加入适量的外加剂和掺合料。混凝土的结构6一、水泥

1、水泥品种：应根据混凝土工程特点、所处的环境条件和施工条件等进行选择。一般采用六大品种水泥。

2、水泥强度等级：应与混凝土的设计强度等级相适应。原则：高对高，低对低（如：32.5-<C30；42.5-≥C30）一般混凝土：水泥强度等级为砼强度等级的1.1～1.6倍；高强混凝土：水泥强度等级为砼强度等级的0.7～1.2倍。7二、细集料

公称粒径小于4.75mm的集料，包括天然砂和人工砂（经除土处理的机制砂、混合砂）。

技术要求：

1、颗粒级配和细度模数

2、有害物质含量

3、含泥量、泥块含量和石粉含量

4、坚固性

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1、颗粒级配和细度模数

砂的颗粒级配区颗粒级配：指不同粒径砂相互间搭配情况。良好的级配能使集料的空隙率和总表面积均较小。9

配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区的砂。当采用Ⅰ区的砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用Ⅲ区的砂时，应适当降低砂率，以保证混凝土强度。10细度模数：不同粒径砂混合在一起后的总体平均粗细程度。μf＞3.7时，和易性不易控制，且不易振捣成型；

μf＜0.7时，将增加较多的水泥用量，而且强度显著降低。粗砂：µf=3.7～3.1中砂：µf=3.0～2.3细砂：µf=2.2～1.6特细砂：µf=1.5～0.7112、有害物质含量

砂中有害物质含量项目质量指标云母（按质量计）/%≤2.0轻物质（按质量计）/%≤1.0有机物（比色法试验）颜色不应深于标准色。当颜色深于标准色时，应进行水泥胶砂强度对比试验，抗压强度比不应低于0.95。硫化物及硫酸盐（按SO3质量计）/%≤1.0

海砂：只可用于配制素混凝土；若用于钢筋混凝土，Cl－含量<0.06%；预应力混凝土不宜用海砂，若用则Cl－含量<0.02%；碱活性：重要工程砼用砂，必须进行碱活性检验，以防止碱集料反应发生。12

3、含泥量、泥块含量和石粉含量

含泥量：粒径<75μm的尘屑、淤泥等颗粒的质量占砂子质量的百分率。泥块含量：原粒径>1.18mm，经水浸洗、手捏后<0.6mm的颗粒含量。

泥土包裹在砂粒表面，阻碍水泥浆与砂粒之间的粘结，降低混凝土强度，并增加混凝土的干缩，易产生开裂，影响混凝土耐久性。

混凝土强度等级≥C60C55～C30≤C25含泥量（按质量计）/%泥块含量（按质量计）/%≤2.0≤0.5≤3.0≤1.0≤5.0≤2.0天然砂的含泥量和泥块含量

13

石粉含量：在人工砂生产过程中，加工前经过除土处理，加工后形成粒径<75μm的颗粒含量。

人工砂中石粉含量

混凝土强度等级≥C60C55～C30≤C25石粉含量（%）MB＜1.4（合格）≤5.0≤7.0≤10.0MB≥1.4（不合格）≤2.0≤3.0≤5.0适量石粉可提高混凝土密实性、增强保水性，进而提高混凝土的强度、改善混凝土的耐久性，但干缩量增大。14

4、坚固性

天然砂采用硫酸钠溶液法检验，试样经5次循环后，其质量损失应符合下表的规定。

人工砂采用压碎指标法进行试验，压碎指标值应<30％。

砂的坚固性指标混凝土所处的环境条件及其性能要求5次循环后的质量损失（%）在严寒及寒冷地区室外使用并经常处于潮湿或干湿交替状态下的混凝土对有抗疲劳、耐磨和抗冲击要求的混凝土有腐蚀介质作用或经常处于水位变化区的地下结构混凝土<8其它条件下使用的混凝土<1015三、粗集料

粗集料：粒径大于4.75mm的集料(俗称石)常用碎石和卵石。

技术要求：

1、有害杂质含量

2、颗粒形状和表面特征

3、最大粒径和颗粒级配

4、强度和坚固性5、碱活性16石子中有害杂质含量1、有害杂质含量项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类有机物（比色法）合格合格合格硫化物及硫酸盐（按SO3质量计）/%＜0.5＜1.0＜1.0含泥量（按质量计）/%＜0.5＜1.0＜1.5泥块含量（按质量计）/%0＜0.5＜0.7针片状颗粒（按质量计）/%＜5＜15＜25Ⅰ类适用于C60以上的混凝土；Ⅱ类适用于C30～C60的混凝土及抗渗、抗冻或其它要求混凝土；Ⅲ类适用于C30以下的混凝土。172、颗粒形状和表面特征

颗粒形状：浑圆状、多棱角状、针状和片状。针、片状颗粒含量过多既降低混凝土的和易性，又显著影响混凝土的强度。

表面特征：光滑的、平整的和粗糙的。卵石表面光滑，拌制的混凝土和易性较好，与水泥浆的粘结力较差；碎石表面粗糙，拌制的混凝土和易性较差，但与水泥浆的粘结力较高。

18粗集料的最大粒径应在满足技术要求的条件下，尽量选得大些，以节省水泥。另外还受结构形式和配筋疏密等限制。

一般混凝土dmax

≤1/4最小截面尺寸钢筋混凝土

≤3/4钢筋最小净距混凝土实心板≤1/3板厚

≤40mm

高强混凝土dmax≤25mm

泵送混凝土dmax≤

1/3管径（碎石）

≤1/2.5管径（卵石）

3、最大粒径和颗粒级配19

粗集料的级配应符合表4-8的规定，分为连续粒级（6种）和单粒级（5种）两种。采用连续粒级拌制的混凝土和易性较好，不易发生分层、离析现象，易于保证混凝土的质量。是工程常用的级配方式。采用单粒级拌制的混凝土容易产生分层离析，施工困难，一般在工程中较少使用。它可与连续粒级混合使用，以改善其级配或配成较大粒度的连续粒级。20

4、强度和坚固性

粗集料的强度可用岩石抗压强度和压碎值表示。

①当混凝土强度等级≥C60或在选择采石场时，应进行岩石抗压强度检验。RY≥1.5RH

（低强砼）；

RY≥2.0RH（中高强砼）。

②对经常性的生产质量控制则可用压碎值检验。项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类碎石压碎指标/%＜10＜20＜30卵石压碎指标/%＜12＜16＜16循环后质量损失/%＜5＜8＜12

粗集料的坚固性采用硫酸钠溶液法检验，试样经5次循环后，其质量损失应符合上表的规定。

21

5、碱活性当用于重要工程或对集料碱活性有怀疑时，须按标准进行检验。经碱-集料反应试验后，由粗集料制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期的膨胀率应小于0.10%。22

凡符合国家标准的生活饮用水，均可采用。海水可拌制素混凝土，但不可用于钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、有饰面要求的混凝土。

工业废水必须经适当处理后才能使用。

四、拌合及养护用水23

定义：在混凝土拌和前或拌和时掺入，一般掺量不大于水泥质量的5％，并能按要求改善混凝土性能的物质。

分类:

（1）改善流变性能（减水剂、引气剂、泵送剂等）

（2）调节凝结时间、硬化性能（缓凝剂、早强剂、速凝剂等）

（3）改善耐久性（引气剂、阻锈剂、防水剂等）

（4）改善其他性能（膨胀剂、防冻剂、防潮剂等）

4.3

外加剂与掺和料4.3.1

外加剂（第五组分）

241、减水剂

①定义：在混凝土拌和物坍落度基本相同的条件下，能减少拌和用水量的外加剂。

②分类：

按作用效果：普通减水剂（减水率5％～10％）和高效减水剂（减水率≥10％）两类；按主要化学成分：木质素磺酸盐系、多环芳香族磺酸盐系、水溶性树脂磺酸盐系以及腐殖酸盐等。

25

③作用机理

当水泥加水拌合后，由于水泥颗粒间分子凝聚力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，使10％～30％的水包裹其中。

当水泥浆体中加入减水剂后

：吸附—分散作用、润滑作用。

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④功能：

不改变用水量，大幅度提高新拌混凝土流动性；保持和易性一定，降低用水量，提高强度；保持强度一定，降低水泥用量，节约水泥；改善新拌混凝土可泵性及其他性能。27第2、3章作业答案P51页：10.P38页表2-10。19.（1）硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；（2）矿渣、粉煤灰、火山灰水泥；（3）快硬硅酸盐水泥；（4）中热硅酸盐水泥或低热矿渣水泥；（5）抗硫酸盐水泥；（6）矿渣水泥或铝酸盐水泥；（7）硅酸盐水泥。

P68页：6.Mx=2.6，属中砂。7.碎石:石屑:砂:矿粉＝37%:38％:18％:7％。

筛孔尺寸1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配10098.272.655.440.130.021.013.510.05.628思考题1、当采用Ⅰ区的砂时，应（），并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性。

A：增加砂率；B：减小砂率；C：砂率不变2、砂中所含云母和有机物对混凝土有何不利影响？3、判断题：保持水泥混凝土和易性一定，掺入减水剂，降低用水量，可提高强度。（）2、早强剂

①定义：能加速混凝土早期强度发展并对后期强度无明显影响的外加剂。对水泥中的C3S和C2S等矿物的水化有催化作用，能加速水泥的水化和硬化。

②分类：无机盐类、有机物类和矿物类。

常用的早强剂：氯盐类、硫酸盐类、碳酸盐系、硝酸盐系、有机胺类、复合早强剂。

③功能：可加速混凝土的硬化，缩短养护周期；加快施工进度，提高模板周转率。

④应用：多用于冬季施工或紧急抢修工程。3、缓凝剂

①定义：能延长混凝土凝结时间，而不影响混凝土后期物理力学性能的外加剂。吸附在水泥及其水化物表面，或与水泥反应生成不溶层，达到缓凝的效果。

②分类：无机缓凝剂（磷酸盐和偏磷酸盐类、硼砂、氟硅酸钠）；有机缓凝剂（羟基羧酸、氨基羧酸及其盐类、多元醇及其衍生物和糖类）。

③应用：可用于商品混凝土、泵送混凝土、夏季高温施工混凝土、大体积混凝土，不宜用于气温低于5℃施工的混凝土、有早强要求的混凝土、蒸养混凝土。4、引气剂

①定义：在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂是表面活性剂，能显著降低水的表面张力，使水溶液在搅拌过程中产生许多微小的封闭气泡，引气剂分子定向吸附在气泡表面，形成较为牢固的吸附膜，使气泡稳定而不容易破裂。②常用引气剂：松香类、木质素磺酸盐类引气剂等。

③功能：改善混凝土拌合物的和易性；提高混凝土抗渗性和抗冻性；降低强度及弹性模量，提高混凝土的抗裂性。④应用：适用于抗冻、防渗、抗硫酸盐、泌水严重的混凝土、贫混凝土、轻骨料混凝土等。4.3.2

矿物掺和料（第六组分）

1、定义：为了改善混凝土性能，节约水泥加入的具有一定细度的天然或人造的矿物粉体材料。

2、功能：填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化，改变混凝土的界面结构，提高混凝土的致密性、强度和耐久性。3、常用的矿物掺合料：粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣粉、沸石粉、燃烧煤矸石等。33思考题1、混凝土和易性包括哪几方面的内容？采用什么方法测定？2、新拌混凝土的坍落度太大或太小时，应如何调整？34▲§4.4

新拌早期混凝土的性能

新拌早期混凝土：指由混凝土的组成材料拌和而成的未凝结硬化的混合物，简称新拌混凝土，或称混凝土拌和物。一、新拌混凝土的和易性二、泌水、塑性收缩和塑性沉降三、含气量四、凝结时间35▲一、新拌混凝土的和易性

1、定义：新拌混凝土易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、振捣等）并能获得质量均匀、成型密实混凝土的性能。包括流动性、粘聚性和保水性三方面的含义。

流动性：新拌混凝土在自重或机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。

粘聚性：新拌混凝土的组成材料之间有一定的粘聚力，在施工过程中，不致发生分层和离析现象的性能。

保水性：新拌混凝土具有一定的保水能力，在施工过程中，不致产生严重泌水现象的性能。

36目前，还没有一种能够全面反映混凝土拌合物和易性的测定方法。通常通过测定拌合物的流动性，并辅以直观经验观测粘聚性和保水性来综合评定和易性。

主要的试验方法有：

（1）坍落度试验

（2）维勃稠度试验2、和易性的测定及指标37坍落度：筒高与坍落后锥体最高点之间的高差。单位：mm(精确至5mm)。评定：坍落度愈大表示流动性愈大。

混凝土拌和物分三层装入坍落度筒，装满刮平后，将筒垂直提起，混凝土锥体在自重作用下产生一定程度的坍落，坍落的高度就是坍落度。（1）坍落度试验38观察：粘聚性、保水性。

a.用捣棒轻轻击打混凝土锥体一侧，如果锥体逐渐下沉，表示粘聚性良好；如果锥体倒塌、部分崩裂或出现离析，即粘聚性不好。

b.如有较多稀浆从混凝土锥体底部析出，锥体部分因失浆而使集料外露，则表明保水性不好。如无这种现象，则表明保水性良好。当坍落度大于220mm时，坍落度不能准确地反映混凝土的流动性，用混凝土扩展后的平均直径即坍落扩展度作为流动性指标。

39将新拌混凝土装入坍落度筒内后再提起坍落度筒，并在新拌混凝土顶上置一透明圆盘。开动振动台并记录时间。维勃稠度值：从开始振动到透明圆盘底面被混凝土布满所经历的时间。单位：以s计(精确至1s)。（2）维勃稠度试验

对于坍落度小于10mm的干硬性混凝土，采用维勃稠度法测定稠度。

40

注意：

①维勃稠度试验适用于维勃稠度在5～30s之间的新拌混凝土的测定。

②坍落度试验和维勃稠度试验只适用集料最大粒径≤31.5mm的新拌混凝土。对于集料最大粒径>31.5mm的新拌混凝土，通常筛除31.5mm以上颗粒后，采用以上方法测定。

41坍落度的选择，应根据施工工艺、构件截面尺寸、钢筋疏密和捣实方法等确定。

原则：当构件截面尺寸较大，或钢筋较疏，或采用机械振捣时，可选择较小的坍落度；反之，如截面尺寸较小或钢筋较密的结构，采用人工振捣时，则应选择较大的坍落度。3、坍落度的选择

结构种类坍落度/mm基础或地面等的垫层、无配筋的大体积结构（挡土墙、基础等）或配筋稀疏的结构10～30板、梁和大型及中型截面的柱子等30～50配筋密列的结构（薄壁、斗仓、筒仓、细柱等）50～70配筋特密的结构70～90高层建筑、大流动性、流态、泵送混凝土80～20042思考题1、新拌混凝土的和易性通常采用什么方法测定？它们各适用于什么混凝土？2、选择题：混凝土拌和物发生分层、离析，说明其（）。

A：粘聚性差B：保水性差C：流动性差D：A+B+C434、影响和易性的主要因素

（1）新拌混凝土的单位用水量

（2）砂率

（3）组成材料的性质

（4）时间和温度

（5）搅拌作用的影响

44

（1）新拌混凝土单位用水量

新拌砼的单位用水量对和易性的影响实际上是通过水泥浆的数量和稠度体现出来的。

水泥浆数量增多，流动性增大。但若水泥浆过多，将会出现流浆现象，容易发生离析。若水泥浆过少，则集料间缺乏粘结物质，粘聚性变差，易出现崩塌。

水泥浆较稠时，流动性较小。若水泥浆干稠，新拌砼的流动性过低，会使施工困难。若水泥浆过稀，又会造成粘聚性和保水性不良，产生流浆和离析现象。单纯加大用水量会降低砼的强度和耐久性。45（2）砂率

在水泥浆量一定时，砂率过大，集料总表面积增大，需较多水泥浆量包裹集料，减弱了水泥浆的润滑作用，新拌砼的流动性减小。砂率过小，集料的空隙率显著增加，水泥砂浆数量减少，不能保证在粗集料周围形成足够的砂浆层，不但降低新拌砼的流动性，而且会严重影响粘聚性和保水性，容易产生离析、流浆等现象。

定义：混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。合理砂率：在用水量和水泥用量一定的情况下，能使新拌混凝土获得最大流动性，且能保持粘聚性和保水性良好的砂率。46

（3）组成材料的性质

①水泥：水泥对新拌砼和易性的影响主要是水泥的需水量和泌水性。②集料：集料对新拌砼和易性的影响主要是集料的级配、颗粒形状、表面特征及最大粒径。③外加剂和掺合料：加入适量减水剂，使砼的流动性大幅度增加。掺入矿物掺合料能增加砼的粘聚性和保水性，减少离析和泌水。47

（4）时间和温度

时间：流动性随时间延长而减小，主要由于水泥水化、骨料吸收、水分蒸发以及水泥浆凝聚结构的形成，使自由水减少，流动性变差。

温度：随环境温度的升高，水分蒸发及水化反应加快，新拌砼初始流动性减小，坍落度损失加快。48

（5）搅拌作用的影响

机械搅拌强于人工搅拌；强制式搅拌机搅拌效果好于自落式搅拌机。如果搅拌机使用维护不当，叶片被硬化的新拌砼逐渐包裹，就会减弱搅拌效果，使拌和物越来越不均匀，和易性差。49调整和易性的措施1、坍落度太小时，保持水灰比不变，适当增加水泥浆用量；坍落度太大时，保持砂率不变，适当增加砂石用量；2、适当采用较粗大的、级配良好的砂石材料；3、采用合理砂率；4、掺外加剂和掺和料。5、采用机械搅拌。50思考题1、选择题：混凝土拌和物发生分层、离析，说明其（）。

A：粘聚性差B：保水性差C：流动性差D：A+B+C2、判断题：当新拌混凝土的坍落度太小时，可直接加水增加混凝土的水灰比来调整。（）3、判断题：砂率过大或过小，新拌混凝土的流动性都减小。（）51二、泌水、塑性收缩和塑性沉降

泌水：新拌砼呈塑性和半流体状态，各组分由于密度不同，在重力作用下，集料与水泥下沉、水上浮。

危害：1、顶部砼形成疏松的浮浆，对路面的耐磨性和分层连续浇注的桩、柱等产生不利影响；2、在粗集料下方形成水囊，削弱水泥浆与集料间的粘结力，降低砼的强度；3、泌水形成的通道降低砼抗渗性、抗冻性。

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塑性收缩：当新拌砼的泌水速度低于水分的蒸发速度时，砼的表面会由于干燥产生塑性收缩，极易形成塑性收缩裂缝。塑性沉降：新拌砼由于泌水会产生沉降，当砼的浇注深度较大时，顶部的砼会产生较大的塑性沉降。塑性沉降受到阻碍时，例如钢筋，则会产生塑性沉降裂缝。

53三、含气量

含气量：在搅拌过程中带进混凝土的空气体积占总体积的百分率（0.5%～2%）。

影响因素：水泥品种、水灰比、和易性、砂子级配与砂率、外加剂、气温、搅拌方式和搅拌机大小等。含气量对硬化后混凝土的强度和耐久性等有重要影响，所以在试验室与施工现场要对它进行测定与控制。54四、凝结时间

1、新拌砼的凝结时间与水泥的凝结时间不同的原因：（1）水灰比不同；（2）受温度、外加剂等其它各种因素的影响。2、测定方法：贯入阻力法（测针在10s内插入25mm)初凝：贯入阻力3.5MPa终凝：贯入阻力28.0MPa55▲§4.5

硬化混凝土的主要技术性质

§4.5.1强度§4.5.2变形性能§4.5.3耐久性56§4.5.1

混凝土的强度

1、立方体抗压强度

2、立方体抗压标准强度

3、强度等级

4、棱柱体抗压强度

5、劈裂抗拉强度

6、抗折强度

57

1、立方体抗压强度（fcu）：按照标准的制作方法制成边长为150ｍｍ的立方体试件，在标准养护条件（温度20士2℃，相对湿度95％以上）下，养护至28ｄ龄期，按照标准的测定方法测得的抗压强度值。58

2、立方体抗压标准强度（fcu，k）

：按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的抗压强度总体分布中，具有不低于95％保证率的抗压强度值。

59立方体抗压强度和立方体抗压标准强度区别

立方体抗压强度只是一组混凝土试件抗压强度的算术平均值，并未涉及数理统计和保证率的概念。而立方体抗压标准强度是通过测定多组（n≥25)试件的抗压强度值，按数理统计方法确定，具有不低于95％保证率的立方体抗压强度。60

3、混凝土强度等级：按混凝土立方体抗压标准强度来划分的。采用符号C与立方体抗压强度标准值（MPa）表示。普通混凝土划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。混凝土强度等级是混凝土结构设计、施工质量控制和工程验收的重要依据。

61

4、轴心抗压强度（fcp）

：采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件测得的抗压强度。

棱柱体抗压强度比同截面的立方体抗压强度小，在立方体抗压强度为10～55MPa时，混凝土的棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的关系近似为fcp=（0.7~0.8）fcu。62

5、劈裂抗拉强度（fts）：采用150mm×l50mm×l50mm的立方体作为标准试件，按规定的劈裂抗拉试验装置测得的强度。

F——破坏荷载(N)；

A—试件劈裂面面积(mm2)。

63

6、抗弯拉强度（fcf

）：以标准操作方法制备150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下养护28d后，按三分点加荷方式加载测得的强度。

F——破坏荷载(N)；

L——支座间距(mm)；

b——试件宽度(mm)；

h——试件高度(mm)。

647、影响混凝土强度的因素

（1）水泥的强度和水灰比（2）集料的影响（3）外加剂和掺和料（4）温度和湿度的影响（5）龄期的影响65

（1）水泥的强度和水灰比水泥的强度和水灰比是决定混凝土强度的最主要因素。

水泥强度等级越高，硬化后混凝土的强度也就越高。

混凝土强度随水灰比的增大而降低，呈曲线关系；随灰水比的增大而增加，呈直线关系。

66

碎石：αa=0.46、αb=0.07；卵石：αa=0.48、αb=0.33。

水泥的实际强度应通过实验确定，也可采用下式估计：

fce,g——水泥强度等级值，MPa。

γc——水泥强度等级富余系数，可按实际统计资料确定。

fce=γc·fce，g

C——每立方米混凝土的水泥用量，kg；

W——每立方米混凝土的用水量，kg；

fcu——混凝土28天抗压强度，MPa；

fce——水泥的实际强度，MPa；

αa、αb——经验系数，与集料品种等有关，通常取值如下：

鲍罗米公式：67

（2）集料的影响

集料的表面状况：影响水泥石与集料的粘结，碎石混凝土强度高于卵石混凝土。

集料的最大粒径：

集料最大粒径越大，混凝土强度越小。

有害杂质、含泥量等：如有机物延缓水泥的正常水化，含泥量等影响水泥浆与集料的粘结，均降低混凝土强度。

68

（3）外加剂和掺合料

掺入外加剂，可影响混凝土强度的发展。

如：早强剂可增加混凝土早期强度，减水剂可减少混凝土用水量，降低水灰比，增加强度。

掺入掺合料，可提高混凝土密实度，改善水泥浆－集料界面性能，提高强度。69（4）养护的温度和湿度

养护温度高，水泥初期水化速度快，混凝土早期强度高；但早期快速水化会导致水化物分布不均，在水泥石中形成薄弱区，影响混凝土的后期强度。养护温度降到冰点以下时，水泥水化停止，强度停止发展，并容易冻坏。

湿度适当时，水化进行顺利，混凝土强度能充分发展。若湿度不够，会失水干燥，影响水化正常进行，甚至使水化停止，降低混凝土的强度和耐久性。70（5）龄期

混凝土在标准养护条件下，其强度将随着龄期的增加而增长。最初的7~14d内，强度增长较快，28d以后增长缓慢。混凝土的强度与其龄期的对数大致成正比例关系：

fn——nd龄期混凝土的抗压强度，MPa；

f28——28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

n——养护龄期（n≥3），d。

71

8、提高混凝土强度的主要措施（1）选用高强度等级的水泥；（2）采用较小的水灰比；（3）掺入外加剂和掺合料；（4）优选集料；（5）采用湿热处理；（6）采用机械搅拌和机械振捣。72思考题1、影响混凝土强度最主要的因素是什么？怎样影响？2、判断题：集料的最大粒径越大，温度越高，混凝土硬化后的强度就越高。（）§4.5.2

混凝土的变形性能

一、非荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形1、自身收缩2、干湿变形3、温度变形1、短期荷载作用下的变形2、徐变一、非荷载作用下的变形

1、自身收缩

（1）定义：在没有外界因素影响下，由于水泥水化产物的总体积小于反应物的总体积而产生的收缩，又称为化学收缩，是不可恢复的变形。

（2）影响因素：①水灰比：W/C>0.4时，收缩量很小；W/C<0.4时，收缩量较大，严重时导致开裂。

②龄期：收缩量随龄期的延长而增加，在混凝土成型后的40天内收缩增加较快，以后逐渐趋向稳定。

2、干湿变形

（1）干缩：混凝土处于干燥环境中时，会引起体积收缩。由于毛细孔水蒸发产生的收缩和凝胶体吸附水蒸发引起的凝胶体紧缩。干缩是混凝土最主要的体积变形，会引起混凝土开裂。

（2）湿胀：当混凝土在水中硬化时，体积不变，甚至轻微膨胀。由于凝胶体吸水使胶体粒子吸附水膜增厚，粒子间的距离增大所造成的。湿胀变形量很小，一般无损坏作用。

（3）特点：混凝土在干缩后，即使长期浸入水中，湿胀值也远比干缩值小，干缩不能完全恢复，总有残余变形保留下来。通常，残余收缩约为收缩量的30％~60％。

（4）影响因素：水泥品种和水泥用量、水灰比、集料弹性模量、养护条件。

（1）定义：混凝土随温度的变化产生热胀冷缩的变形。

（2）危害：外界温度降低或硬化初期混凝土内部与外部的温差，会使混凝土产生裂缝。3、温度变形

（3）预防措施：

①采用低热水泥、减少水泥用量；

②选用热膨胀系数低的集料；③预冷原材料，在混凝土中埋冷却水管，表面绝热；

④对混凝土合理分缝、分块、减轻约束等。二、荷载作用下的变形

①单轴受压的应力-应变关系1、短期荷载作用下的变形Ⅰ.弹性阶段Ⅱ.弹塑性阶段Ⅲ.裂缝扩展阶段Ⅳ.破坏阶段

②重复荷载作用下的应力-应变关系

当应力在(0.3~0.5)fcp重复时，每次卸荷都残留一部分塑性变形，但随着重复次数的增加，塑性变形的增量逐渐减小，最后曲线稳定，它与初始切线大致平行。

当应力在(0.5~0.75)fcp以上重复时，随着重复次数的增加，塑性应变逐渐增加，最后导致混凝土疲劳破坏。

变形模量：在混凝土应力-应变曲线上任一点的应力与应变的比值。它反映混凝土所受应力与产生的应变之间的关系。在砼结构设计中，采用按标准方法测得的静力受压弹性模量Ec作为设计参数。

Ec测定方法：将混凝土棱柱体试件1/3fcp水平下经过多次反复加荷和卸荷，最后得到的应力-应变曲线的变形模量。

Ec影响因素：集料、水泥石的弹性模量及体积比。主要取决于集料的体积和弹性模量。

Ec与混凝土强度存在一定的相关性：在原材料相同的条件下，混凝土的强度越高，弹性模量越高。

2、徐变

(1)定义：混凝土在恒定荷载的长期作用下，沿着作用力方向随时间的延长而增加的变形。徐变一般要延续2～3年才逐渐趋于稳定，卸载后，部分变形将立即恢复，称为瞬时恢复；在卸载后的一段时间内，变形还会继续恢复，称徐变恢复；最后残留下的不可恢复的变形称为残余变形。

（2）原因：水泥石中凝胶体在荷载作用下产生粘性流动，并向毛细孔中移动；同时吸附在凝胶粒子上的吸附水因荷载应力而向毛细孔迁移。

（3）影响因素：荷载的大小和开始加载的时间、混凝土的水灰比、水泥用量、集料的弹性模量及养护条件等。荷载较小、加载时间较晚、水灰比较小、水泥用量较少、骨料的弹性模量较大及养护较好时，混凝土的徐变均较小。

（4）效果：消除钢筋混凝土内的应力集中、对大体积混凝土能消除一部分温度应力；但在预应力混凝土结构中使钢筋的预应力受到损失。83长沙理工大学第五届建材试验技能大赛通知一、参赛对象：全校本科生（不限年龄、专业、年级）。二、比赛时间：12月4日上午9:00初赛；12月5日上午9:00决赛。比赛地点：工科二号楼。三、报名时间：2010年11月22日～11月30日报名地点：长沙理工大学工科二楼B313（建筑材料实验室办公室）以小组为单位（每组四人）报名参赛，每组设队长一名；请参赛队按报名时间，到报名地点填写选手登记表。比赛设一等奖1名、二等奖2名、三等奖3名、优胜奖若干名(以组为单位)；颁发奖励证书和奖金。84建材B考试安排时间：18周一第三场（12月27日13:50～15:50）地点：金4-310考试方式：闭卷题型：一、单项选择题（15×2＝30分）二、判断题（10×1＝10分）三、填空题（每空1分，共15分）四、简答题（3×7＝21分）五、计算题（1×10＋1×14＝24分）内容：第1～4章、第8～9章85定义：混凝土暴露在使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏，并保持其形状、质量和使用性能的能力。

内容：1、抗渗性；2、抗冻性；3、抗侵蚀性；4、抗碳化性；5、碱-集料反应。

§4.5.3混凝土的耐久性

861、抗渗性

a.定义：混凝土抵抗压力液体（水、油或溶液等）渗透的能力。决定混凝土耐久性最基本的因素。

b.评价指标：抗渗等级。按标准试验方法进行试验，以所能承受的最大水压力（MPa）表示，如P4、P6

P8、P10、P12。

c.影响因素：孔隙率和孔隙特征。

d.改善措施：降低水灰比、选择好的集料级配、充分振捣和养护、掺入引气剂和优质粉煤灰掺合料等。

872、抗冻性

a.定义：混凝土在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。

b.评价指标：抗冻等级。试验方法：慢冻法（如D50、D100、D150等）和快冻法（如F50、F100、F150等）。

c.影响因素：混凝土的密实度、孔隙构造和数量、孔隙的充水程度。

d.改善措施：合理选择原材料，掺入引气剂、减水剂等。88思考题1、为什么混凝土在潮湿条件下养护时收缩较小，干燥条件下养护时收缩较大，而在水中养护时却不收缩?2、判断题：混凝土掺加引起剂后会降低强度，导致抗冻性变差。（）893、抗侵蚀性

a.定义：混凝土在含有侵蚀性介质环境中遭受到化学侵蚀、物理作用而不破坏的能力。混凝土的侵蚀除了水泥石受到的化学侵蚀外，还会受干湿、结晶、冲击等物理作用，以及氯离子对钢筋的锈蚀作用。

b.影响因素：水泥的品种、混凝土的密实程度和孔隙特征。

c.改善措施：合理选择水泥品种、降低水灰比、提高密实度和改善孔结构等。

904、抗碳化性

a.定义：混凝土能够抵抗环境中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水的能力。

b.碳化的危害：使混凝土的碱度降低，削弱混凝土对钢筋的保护作用，导致钢筋锈蚀。引起碳化收缩，并产生微细裂缝，引起强度和其他耐久性下降。

c.影响因素：环境条件（二氧化碳的浓度和湿度）、内部因素（水泥品种与掺合料用量、混凝土的密实度）。915、碱-集料反应

a.定义：混凝土中的碱性氧化物与集料中的活性成分发生反应，生成具有吸水膨胀性的产物，在有水的条件下吸水膨胀，导致混凝土开裂的现象。

b.预防措施：

①慎选集料；

②严格控制混凝土的含碱量；

③掺加矿物掺合料；

④控制进入混凝土中的水分。926、提高混凝土耐久性的措施

1、合理选择原材料；

2、适当控制混凝土的水灰比及水泥用量；

3、掺入外加剂和掺合料；

4、加强混凝土生产的质量控制。93▲§4.6

普通混凝土的配合比设计§4.6.1配合比设计的基本内容

§4.6.2混凝土配合比设计的步骤

§4.6.3混凝土配合比设计实例

94▲§4.6.1

配合比设计的基本内容混凝土配合比：单位体积混凝土中各组成材料的质量比例关系。混凝土配合比设计：确定单位体积混凝土中各组成材料的质量比例关系的工作。（是一个计算＋查表+试验的过程）混凝土配合比的表示方法:

（1）相对用量表示法

（2）绝对用量表示法95（1）满足结构设计的强度等级要求；（2）满足混凝土施工所要求的和易性；（3）满足工程所处环境对混凝土耐久性的要求；（4）符合经济原则，即节约水泥以降低混凝土成本。配合比设计的基本要求96水灰比——混凝土中水与水泥的质量比例

(影响强度、和易性、耐久性）

砂率——砂子质量占砂石总质量的百分率（影响和易性）单位用水量——1m3新拌混凝土中水的用量（kg/m3）（影响流动性）三个重要参数：水灰比、砂率、单位用水量。配合比设计的三个重要参数97▲§4.6.2混凝土配合比设计的步骤

一、初步配合比的计算

二、设计配合比的确定

三、施工配合比的换算

981、配制强度（fcu,o）的确定

为使混凝土强度保证率不小于95%，必须使混凝土的试配强度高于设计强度等级。混凝土的配制强度按下式确定：

fcu,o=fcu,k+1.645σ

fcu,o——混凝土的配制强度，MPa；

fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；

σ——混凝土强度标准差，MPa一、初步配合比的计算

99

fcu,i——统计期内同类混凝土第i组试件的强度值，MPa；

fcu——统计期内同类混凝土n组强度的平均值，MPa；

n——统计期内同类混凝土试件的总组数，n≥25。

当强度等级为C20、C25，计算σ＜2.5MPa时，应取不小于2.5MPa；当强度等级等于或大于C30，计算σ＜3.0MPa时，应取不小于3.0MPa。

①当具有近期的同类混凝土强度资料时，σ应按下式计算：

100表4-17

混凝土强度标准差σ值（MPa）混凝土强度等级低于C20C20~C35高于C354.05.06.0

②当无近期的同类混凝土强度统计资料时，其混凝土强度标准差σ可按表4-17取用。

1012、计算水灰比

根据水泥抗压强度的实测值fce（或选用的水泥强度等级值fce,g）、粗集料种类及所要求的混凝土配制强度fcu,o，按下式计算水灰比：

耐久性复核（最大水灰比）102表4-18混凝土的最大水灰比和最小水泥用量

环境条件结构物类别最大水灰比最小水泥用量(kg)素混凝土钢筋混凝土预应力混凝土素混凝土钢筋混凝土预应力混凝土1.干燥环境·正常的居住或办公用房屋内部件不作规定0.650.602002603002.潮湿环境无冻害·高湿度的室内部件·室外部件·在非侵蚀性土和水中的部件0.700.600.60225280300有冻害·经受冻害的室外部件·在非侵蚀性土和水中且经受冻害的部件·高湿度且经受冻害中的室内部件0.550.550.552502803003.有冻害和除冰剂的潮湿环境·经受冻害和除冰剂作用的室内和室外部件0.500.500.50300300300103表4-20塑性混凝土的用水量（kg/m3

）拌和物稠度卵石最大粒径/mm碎石最大粒径/mm

项目指标102031.540162031.540坍落度/mm10~3019017016015020018517016535~5020018017016021019518517555~7021019018017022020519518575~902151951851752302152051953、确定混凝土的单位用水量（mw0）

注：①本表用水量系采用中砂时的平均取值，采用细砂时，用水量可增加5~10㎏，采用粗砂则可减少5～10㎏。②掺用各种外加剂或掺合料时，用水量应相应调整。1044、计算每1m3混凝土的水泥用量（mc0）

根据已确定的每1m3混凝土的用水量（mwo）和计算出的水灰比，可求出水泥用量(mco)；

耐久性复核（最小水泥用量）1055、选定砂率（βS）

混凝土的砂率一般应通过和易性试验找出合理砂率。在无历史资料可参考时，对于坍落度为10~60mm的混凝土，可根据集料种类、规格及水灰比，参考表4-22选用砂率。

表4-22

混凝土的砂率（%）水灰比（w/c）卵石最大粒径/mm碎石最大粒径/mm1020401620400.400.500.600.7026~3230~3533~3836~4125~3129~3432~3735~4024~3028~3331~3634~3930~3533~3836~4139~4429~3432~3735~4038~4327~3230~3533~3836~411066、计算粗、细集料的用量（mg0）及（ms0）

①质量法（假定表观密度法）：

假定一个每立方米新拌混凝土的重量，按下式计算粗、细集料的用量：

mco—每立方米混凝土的水泥用量，kg。

mgo—每立方米混凝土的粗集料用量，kg。

mso—每立方米混凝土的细集料用量，kg。

mwo—每立方米混凝土的用水量，kg。

βs—砂率，%。

mcp—每立方米新拌混凝土的假定重量，取2350kg~2450kg。

107

②体积法：

假定新拌混凝土的体积等于各组成材料绝对体积和所含空气体积之和。按下式计算粗、细集料的用量：

ρc—水泥密度，可取2900~3100kg/m3。ρ´g—粗集料表观密度，kg/m3。

ρ´s—细集料表观密度，kg/m3。

ρw—水的密度，可取1000kg/m3。

α—混凝土含气量百分数（％），在不使用引气型外加剂时取1。

108

初步配合比是借助经验公式和经验数据计算出来的，因而不一定符合实际情况，必须通过试配、调整，使混凝土的各项性能符合技术要求，最后确定混凝土的配合比。

7、得出初步配合比

通过以上计算，得出每立方米混凝土各种材料用量，即初步配合比计算完成。表示为：109二、设计配合比的确定

设计配合比（或称实验室配合比）的确定包括以下三个步骤：

1、检验和易性，确定基准配合比2、检验强度，确定满足强度要求的配合比3、复核表观密度，确定设计配合比1101、检验和易性，确定基准配合比按初步配合比进行试拌，以校核新拌混凝土的和易性。如试拌得出的新拌混凝土流动性不满足要求，或粘聚性和保水性不好时应调整。调整措施：在保证水灰比不变的条件下，相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止。提出供混凝土强度校核用的基准配合比：mca：mwa：msa：mga。1112、检验强度，确定满足强度要求的配合比拟定三个不同的配合比:

第1组第2组第3组

w/c-0.05

基准配合比提出w/c

w/c+0.05砂率减少1%

砂率增加1%制作混凝土强度试件时，还应检验新拌混凝土的和易性并测定表观密度。每种配合比制作一组试件，标准养护28d测定抗压强度。根据混凝土强度和灰水比（C/W）的关系，确定满足强度要求的配合比：mcb：mwb：msb：mgb

。

1123、复核表观密度，确定设计配合比计算混凝土表观密度：确定校正系数：

如果：确定设计配合比：113三、施工配合比的换算

设计配合比是以干燥材料为基准，而工地存放的砂、石材料都含有一定量的水分。所以，施工现场材料的实际称量，应按砂、石的含水情况进行修正，修正后的配合比，叫做施工配合比。

假定现场测出砂的含水率为Ws、石子的含水率为Wg，则将设计配合比换算为施工配合比为：114§4.6.3

混凝土配合比设计实例

某教学楼现浇钢筋混凝土柱，混凝土柱截面最小尺寸为300mm，钢筋间距最小尺寸为60mm。该柱处于室内干燥环境，混凝土设计强度等级为C20。采用32.5级普通硅酸盐水泥，实测强度为38.9MPa，密度为3.1g/cm3；砂子为中砂，表观密度为2.65g/cm3，堆积密度为1500kg/m3；石子为5~40mm碎石，表观密度2.70g/cm3，堆积密度为1550kg/m3。混凝土要求坍落度35~50mm，施工采用机械搅拌，机械振捣，施工单位无混凝土强度标准差的历史统计资料。

试求：1、该混凝土的设计配合比。