混凝土学讲义

绪论

一、简述混凝土的应用

随着社会经济的发展，土木建筑事业也迅速发展，对混凝土的需求也日益增大。

目前，混凝土的应用已从一般的工业与民用建筑、港口码头、道路桥梁、水利工程等

领域扩展到了海上浮动领域、海底建筑、地下城市建筑、高压储罐、核电站等领域，

已成为世界上用量最大的人造石才一。

二、混凝土的定义

由胶结材(无机的、有机的或无机有机复合的)、颗粒状材料以及必要时加入化学外

加剂和矿物掺合料等组分合理组成的混合料经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料称

为混凝土(这类混凝土的组织结构类似干某些天然岩石，故又称为人造石)。

三、混凝土的分类

(一)按胶结材分

1.无机胶结材混凝土

(1)水泥混凝土：各种水泥为胶结材

(2)石灰一硅质胶结材混凝土：石灰和各种合硅原料(砂及工业废渣等)以水热合成

方法来产生水化矿物胶凝物质

(3)石膏混凝土：以各种仓膏为胶结材制成

(4)水玻璃一氟硅酸钠混凝土：木玻璃为胶结材，以氟硅酸钠为促硬剂制成

2.有机胶结材混凝土

(1)沥青混凝土：以沥青为胶结材制成，主要用于道路工程

(2)聚合物胶结混凝土：以纯聚合物为胶结材制成

3.无机有机复合胶结材混凝土

(1)聚合物水泥混凝土：在水泥混凝土混合料中掺入聚合物或者用掺有聚合物的水

泥制成

(2)聚合物浸渍混凝：以水泥混凝土为基材，用有机单体液浸谈和聚合制成

(二)按混凝土的结构分

1.普通结构混凝土：它由粗、细集料和胶结材制成。(碎石或卵石、砂和水泥制成

者，即是普通混凝土。)

2.细粒混凝土：细集料和胶结材制成

3.大孔混凝土：仅由粗集料和胶结材制成

4.多孔混凝土：既无粗集料、也无细集料全由磨细的胶结材和其他粉料加水拌成

的料浆用机械方法或化学方法位之形成许多微小的气泡后再经硬

化制成

(三)按容重分

1.特重混凝土

2.重混凝土

3.轻混凝土

4.特轻混凝土

（四）按用途分

结构用混凝土、隔热瘟凝土、装饰混凝土、耐酸混凝土、耐碱混凝土、耐火混凝

土、道路混凝土、大坝混凝土、收缩补偿混凝土、海洋混凝土、防护混凝土等等。

四、混凝土的发展历史

气硬胶材混凝土

水泥混凝土

1887年，科伦首先发明了钢筋混凝土的计算方法。

1918年，艾布拉姆斯发表了计算混凝土强度的水灰比理论。

1918年，用张拉钢筋对预先是施以压应力的方法可以保证混凝土构件在荷载作用下既

能抵抗拉应力又不致产生裂缝——预应力混凝土应运而生。

1950年，外加剂广泛应用于混凝土，使混凝土的性能得到更好的改善。

后来，又出现了现代混凝土，特种混凝土，高性能混凝土及绿色混凝土等等。

五、研究方法

主线；感性认识一理性科学研究

六、教学任务

牢固掌握各类混凝土（普通混凝土、硅酸盐混凝土、轻集料混凝土等）的结构、

性能、各种参数与结构和性能的的基本理论以及各种混凝土的基本实验技术，能根据

实际工程中对混凝土的使用要求，正确选材:合理设计和选用配合比，最后制成经济、

耐久的混凝土。

§1普通混凝土

§1-1普通混凝土的原材料

§1-1-1水泥

一、水泥的应用要求

（一）水泥的强度等级

（二）使用条件下的稳定性

（三）水泥强度的发展规律

（四）其他要求

二、水泥品种的选择

硅酸盐系列水泥、铝酸盐系列水泥、硫铝酸盐系列水泥和其他水泥

（根据混凝土的工程特点和所处环境条件来选择）

§1-1-2骨料

一、骨料作用

经济上：作为混凝土的填充料，比水泥便宜，可降低建材的成本，具有经济意义。

性能上：提高混凝土体积稳定性和耐久性；

改善混凝土的强度和其他力学性能；

特种骨料可配制特种混凝土。

二、分类

粒径：粗骨料（＞5mm）和细骨料（0.16〜5mm）

性质：普通骨料、重骨料和轻骨料

来源：天然骨料和人工骨料

三、主要技术性质

（-）强度

评定原因：骨架作用

评定方法：岩石立方体法和压碎指标法

（二）密度、表观密度、堆积密度、空隙率和孔隙率

（三）含水率、吸水率

含水率：材料中所含水的质量与干燥状态材料的质量之比。

吸水率：材料吸水饱和时，其含水率就为吸水率——质量吸水率和体积吸水率

（四）砂的容胀

1、原因：潮湿的砂，各颗砂粒的表面有层水膜，引起一定重量的砂子体积显著增加，

这种现象称为砂的容胀。按体积况料时，着忽视砂于的容比特造成混掇土混

合料缺砂，出现离析和蜂窝现象。

2、规律:容胀的程度取决于砂子的含水率和细度。随着砂的含水率增加到大约5—8%

的数值时，砂的体积将增加20—30%。再增加含水率时，则砂粒表面的水增

厚，水的自重超过砂粒表面对水的吸附作用而发生跟动，并迁移到砂粒间的

空隙中，砂粒表面的水膜消失。这时砂的容积随含水率的增加而减少。

（五）体积稳定性

1.定义：这里专指集料抵抗由于自然条件的变化引起体积过分变化的能力。

2.对混凝土性能的影响：引起集料体积变化的自然因素有冻融损坏、干混交替等。集

料的体积变化可能导致混凝土的局部开裂、剥落甚至使整个

结构处于危险状态。

（六）颗粒形状和表面状态

1.评定原因：对混凝土的性能由影响：工作性、强度、耐久性等，形状，状态均有影

响。

2.形状：球棱角针状片状

3.形状评定：

①棱角系数

一种尺寸的颗粒，堆实的程度取决干它们的形状。在英国用“棱角系数”表示集

料的颗粒形状对堆实程度的影响。

棱角系数——以67减去按规定的方法将集料填满容器时，固体体积所占的份数。（67

代表最圆的卵石用同样的填充方法所得的固体体积份数）

所以“棱角系数”即表示超过圆形卵石空隙率的百分数。

“棱角系数”愈大，集料颗粒的棱角愈多，堆积时的空隙率也愈大。

②针片状颗粒含量

4.表面状态：孔及粗糙程度

（七）集料中有害杂质：

1.有机杂质

2.钻土、淤泥和粉尘

3.硫化物和硫酸盐类

4.云母

5.盐

四、骨料的级配

（-）概念及工程意义

（二）表示方法

（三）级配要求

（四）最大粒径

§1-1-3磨细矿物掺料

・、具有弱自硬性的材.料，如碱性粒状高炉矿渣、某些炉渣和烧页岩灰。

二、具有活性水硬性材料，这些材料不能自行硬化，但能够与水泥水化析出的氢氧化

钙或者与加入的石灰相互作用而形成较强较稳定的胶按物质。

例如酸性粒状高炉矿渣、炉渣、扮煤灰、轻烧粘土、烧页岩以及含有非晶状氧

化硅的火山和沉积岩石，前者如浮石、凝灰岩、火山灰，后者如硅藻石、蛋白石等。

三、微活性掺料（填充料）。如各种岩石风化分解的产物如砂、石英、黄土、粘土等。

§1-1-4混凝土拌合用水

拌合混凝土混合料儿乎可以来用任何天然水，只要它不合有过量的盐类，特别是

硫酸盐和酸性化合物以及有机杂质。不允许使用富有有机杂质的沼泽水、含有腐植酸

或其他酸、盐的污水和工业废水。

§1-2普通混凝土混合料

§1-2-1混凝土混合料的特性

0、概念

新拌混凝土：混授土的各组成材料（水泥、粗细集抖、水

得的尚未凝结硬化的材料，也称混凝土拌和物。

一、流变学概念

（一）儿个概念

1.流变学：研究混凝土物体流动和变形的科学。

2.弹性：外力作用后发生变形，外力撤消，变形立即恢复的性质。

3.塑性：外力作用发生变形，外力撤消，变形立不消失且材料也不破坏的性质。

4.结构粘性：某些粘性液体在静止不动时有较大粘性，搅动时粘性降低，停止搅动，

粘性有迅速增加，原结构恢复。

粘度：阻碍液体流动的粘滞力。

5.脆性：

6.刚性：抵抗塑性变形的能力。

7.韧性：

8.触变形：某些液体在外力作用下，粘性破坏后缓慢恢复的性质。

9.应力松弛：在持续外力作用下，发生的变形不变，内应力逐渐减小的过程。

10.弹性后效：在持续外力作用下，发生缓慢变形，而外力撤消后，变形缓慢恢复的

现象。

（二）流变基元（模型）

1.胡克体（H——模型）：表示具有完全弹性的理想材料，

2.牛顿液体（N——模型）：表示只具有粘性的理想材料。

3.圣维南体（St^"——模型）表示超过屈服点后只具有塑性变形的理想材料

（三）基本组成形式（现实物质模拟）

1.麦克斯威尔（MaxWell——M）模型

最简单的串联模型：M=N-H,表示恒定变形的应力变化历程。

2.Kelvin模型（K）

最简单的并联模型：M=H/N,表示恒定应力下的变形过程。

二、混凝土混合料的流变方程

（-）混凝土拌和物的流变特点

1.流变原因：颗粒间相互润滑

2.流变阻力：颗粒间附着力、摩擦力

（二）流变模型

1.变形特征：瞬时有较小的弹性变形

克服一定阻力，发生较大的变形——Stv特种

存在一定的粘性，随时间延长变形增大——N特种

2.流变模型——宾汉姆模型：H-（Stv/N）

3.流动曲线的基本类型（图1—19）

牛顿液体非牛顿液体宾汉姆体一般宾汉姆体

三、混合科流变参数Ty与n的含义

（-）屈服剪应力（Ty）

1.定义：屈服剪应力（Ty）是阻止塑性变形的最大应力，故又称为塑性强度。

2.产生原因：混合科的屈服剪切应力是组成材料各颗粒之间的附着力和摩擦力引起的

3.测定：土壤剪切法（图1—12）

（-）粘度系数（n）

1.定义：液体内部结构阻碍流动的一种性能。

2.产生原因：它是由于流动的液体中，在平行流动方向的各流层之间，产生与流动方

向相反的阻力（粘滞阻力）的结果。因此，粘性是流动的反面。对于不同

的液体，粘性有的大，有的小，取决于液体的内部结构。

3.特征：对于理想的流体：n是固定值；

对于一般流体：n是变值，随T和D而变化（图1一23）

四、流动特性的测定

（一）ty的测定

1.土壤剪切法

2.锥体塑性法

（-）n的测定——流速法

（三）综合测定

1.细颗粒分散质均匀

原理：外筒转内筒转

数据处理：

2.新拌混凝土——大颗粒分散质不连续性大，测试困难

§1-2-2新拌混凝土的工作性

一、工作性的定义

（一）《建材：》定义：在一定施工条件下，便于各种施工操作并均匀密实地填充模板的

性能。（不能定量）

流动性+粘聚性+保水性

（-）混凝土定义：流动性+可塑性+稳定性+易密性（未量化）

（三）ASTMC125：使一定数量的新拌混凝土在不丧失匀的前提下，浇注振实所需的

功。（内阻力；混凝土与钢筋、模板的摩擦阻力）

二、工作性的测定

（一）塌落度法

1.简介

2.原理

过程：重力作用下混凝土料的流变过程

静止条件：重力产生的煎应力WTy

测试实质：测混凝土的塑性强度

讨论：（2Ty/pg）230时,SLWO,无塌落

（-）流动度法

简介：这是美国所采用的试验方法

测定：将一堆成一定形状的混合料置于跳桌上，经过跳动一定的次数后，测定混合料

扩展的程度，以鉴定混合科的流动度及离析的程度。

（三）凯利球法

简介：

测定：每下沉2.5cm,相当于SL=5cm

（四）重塑数试验

简介：1932年美国鲍威尔斯所建议的试验，以改变混合科试样的形状所做的功来评价

混合料的工作性。

（五）工业粘度计

（六）维皮试验——现行规范方法

简介：这是重塑数试验的改进试验。省取了重塑数的内圆环，以振动代替跳动使混合

科达引重型密实，更接近于实际情况。

（七）密实数法

简介：起于英国，密实数=测定密度/实际密度

（A）倒置SL筒法

简介：适用于钢纤维混凝土

§1-2-3影响混凝土工作性的因素

X混凝上混合料的工作性取决于各绍.份的特性及其相对含量。

一、混合料的单位加水量对流动性的影响

（-）水的作用：水化、润滑

（-）影响

1.规律I：初始流动性为y的混凝土，变化条件为流动性的变量为dy

①dy与y的关系：dy8y----①

②dy与Vs/Vw（固冰体积比）的变化（Vs+Vw=1）

由于Vst,VwI,y'<y,所以有下式成立:

dy=-Kd(Vs/Vw)——②

I

降低表示

2.规律II

结合I一①②，得：

dy=-Kyd(Vs/Vw)

y=Yoe-Sw)

=Yoe+K(i'w)

令：W=WQ时，y=yo（可测），得：

心=攵（1-L）o攵=

为八%-1w

因为：

In—=1g—/1ge

丫。丫。

i

由上可见：igy与京成正比（线形关系）

3.规律m

dydw

—二n——

yw

积分得：y=K'w"

4.二者比较

二、集灰比（Va/Vc）的影响

坨萨呻4（T与水有关

-心)

y=%e%

=心一心一（”当

丫。匕,，%

1

心）（1+%）

%%

由上式可见：Va/Vct,yI；

Va/VcI,yto

三、砂率（Sp）的影响

过大、过小的流变模型解释

四、材料的影响

五、时间、温度的影响（SL的损失）

时间t,SL的损失t,SLI；

温度"SL的损失t,SL!o

§1-2-4离析和泌水

一、离析

（一）定义：沿合料的离所是指混合料各组份分离，造成不均匀和失去连续性的现象。

（-）产生原因：这是由于构成混合料的各种固体粒子大小、比质不同，它们之间发

生了不同的运动而产生不同的位移而引起的。

（三）两种形式：一种足粗集抖从混合料中分离，因为它们比细骨料更易于沿着斜面

下滑或在模内下沉；

另一种是稀水泥浆从混合料淌出，这主要发生在流动性性大的混合

料中。

二、泌水

（一）定义：混合料浇灌之后到开始凝结期间，固体粒小下沉，水上升，并在表面析

出水的现象称为泌水。（同时，混合料发生沉陷收缩）

（二）产生原因：固体粒子小下沉、水上浮而引起的。

（三）结果：

使表面混合料含水量增加，产生大量的浮浆，硬化后使面层的混经上强度弱于下

面混凝土的强度，并产生大量容易剥落的“纷尘”；

如果混凝上是分层浇注，若刁；没法除去面层上的这些浮浆，则会损害每层混凝

土之间的粘结；

一些上升的水还会聚结在粗集料或钢筋的下方，殴化后成为空隙，出现弱粘结地

带。上升的水，在其后留下水的通道，降低了混凝上的抗渗性和抗原性；

在和模板的交界面上，池水时会把水泥浆带走，仅留下砂子，出现“砂纹”现象。

§1-3普通混凝土的硬化及结构的形成过程

§1—3—0概述

一、组成、结构与性能的关系

（―）.组成：构成物质的基本单元

化学组成——元素

矿物组成——氧化物

相组成

混凝土组成——集料+水泥石+孔+水

（二）结构：基本单元的结合形式

（三）组成、结构决定性能

二、普通混凝土的组成

多相、多组分；宏观均匀、微观不均匀

三、普通混凝土的结构形成

拌和一浇注一密实一硬化f混凝土

§1-3-1普通混凝土的分层

一、外分层

（-）定义：混凝土振捣密实过程中及完毕后，大颗粒下沉，小颗粒上浮而导致的混

凝土不均匀现象。

（-）危害：强度不均匀；表面软弱起粉。

二、内分层

（-）定义：粗骨料间隙内砂浆中，砂颗粒及水泥颗粒下沉、水上浮的现象。

（二）危害：骨料下部水富集——充水区域，孔，渗水通道

§1-3-2硅酸盐水泥的水化及凝结硬化（自学）

§1-3一3水泥石的亚微观结构及强度（自学）

§1-3-4硬化混凝土的结构及界面过渡区

一、混凝土结构组成

三部分：水化水泥浆体+集料+水泥浆体和集料间的过渡区

（宏观：由集料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相材料•）

过渡区：存在于在水泥浆体与集料结合的界面，过渡区是围绕大集料周围纳一层

薄壳，此处的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或水泥砂浆的结构有

明显的不同，其厚度一般为10~15um,是混凝土性能中的一个薄弱环

节。

二、集料相结构及其对混凝土性能的影响

集料相对混凝土性能所起的作用，不是化学性的，而是物理性的，诸如：容重、

弹性模量、体积稳定性等。

影响因素：集料的容重、强度、粗集料的形状和织构与粒径等。如混凝土所用的粗集

料尺寸越大，长条或扁平颗粒含量越多，都会使混凝土强度降低，这是由于

上述集料表面集聚水膜的倾向也越大，从而使水泥浆体与集料间的过渡区减

弱。

三、过渡区结构

(-)研究背景

1.混凝土的拉伸破坏为何呈脆性?而压缩破坏时为何具有一定的弹塑性？

2.混凝土各组分材料当分别以单轴压力试验时，直到破坏都保持弹性，而为何混凝土

却表现为非完全弹性行为？

3.混凝土的抗压强度为何能较其抗拉强度高一个数量级？

4.水泥用量、水灰比和水化龄期均相同，为何水泥砂浆的强度比混凝土高？

5.为何混凝土的抗渗性比相应的水泥浆体低一个数量级？

6.混凝土暴露在火中，为何弹性模量的降低比抗压强度要快得多？

(-)过渡区结构

L过渡区成因

首先，粗集料表面的水灰比大于混凝土的本体；

其次，水灰比值高，结晶约束小此处所形成的结晶产物的晶体尺寸大。

2.过渡区模型

集科

过渡发水泥石本体

C-A-&-H

C—S-H(H的砒石

舞0静

图3—10典型的混凝土界面翅凝层模型AM

3.界面过渡区特点

①局部水灰比高

②孔隙率大_

③C”及QA而“32多，

④CH及辽3H32晶粒粒径大

⑤C”取向性生长

(三)过渡区强度

1.影响因素

3个因素：孔的体积和孔径大小；氢氧化钙晶体的大小与取向层；存在的微裂缝。

2.改善措施

①采用活性掺料，降低CH尺寸及取相性，增加密实性；

②降低W/C,减少骨料下方的充水区域，也会使CH的尺寸减小，取向性差；

③骨料的粗糙表面，减小粒径；

④制作工艺(搅拌，振实，养护等)

（四）对混凝土性能的影响

1.强度下降；

2.非弹性破坏；

3.f拉Vf,E

4.刚度下降;

5.耐久性下降。

四.混凝土结构模型

（一）中心质假说（吴中伟）

该论述将混凝土作为一种复合材料，混凝土是由各级分散相分散在各级连续相中

而组成的多相聚集体。

中心质假说持各级分散相命名为中心质，将各级连续相命名为介质。

中心质与介质根据尺度各分为大、次、微3个层次，即大中心质、次中心质、微中心

质和大介质、次介质、微介质。

广大中心质包含各种集料、掺合料、增强材料、长期残存的未水化的水泥熟料。

次中心质是鼓度小于10um的水泥熟料粒子，属过渡性组分。

微中心质是水泥水化后生成的各种晶体，包括I、II型C—S—H纤维状和网状结

/晶。

、大介质是大中心质所分散成的连续相，其中有结构膜层。

次介质是次中心质历分散成的连续相，其中有水化层。

微介质是微中心质所分散成的连续相。IILIV型C—S—H、尺寸较小的不规则的

,粒子与结构水及吸附水均可视为该级的连续相。

2.模型（近代混凝土技术P152图5—2）

图1混凝土结构的中心质假说图解

3.理想结构的模型

（1）.各级中心质（分散相）以最佳状态（均布、网络、紧密）分散在各级介质（连续

相）之中。在中心质与介质问存在着过渡区的界面，是渐变的非匀质的过渡结构。结构

组成的排列顺序为中心质--界面区一介质。

（2）.网络化是中心质的特征。各层次的中心质网络构成水泥基材料的骨架。各

级介质填充于各级中心质网络之间。强化网络骨架是提高水泥基材料性能的一个必要

条件。

（3）.界面区保证着中心质与介质的连续性。因此，界面区的优劣决定了水泥基

材料的强度、韧性、耐久性、整体性与均匀性的优劣。界面区不应是水泥基材料中的

薄弱部分，因为它的作用是特中心质的某些性能传给介质，应是有利于网络结构的形

成和中心质效应的发挥。强化界面区是提高水泥基材料性能的又一个必要条件。

（4）.各种尺度的孔、缝也是一种分散相，分布在各级介质之中，因此，也是中心

质。尺度较大的孔（毛细扎）对强度等性能不利，也不参加构成网络。因此，对其尺度与

含量应加以限制。但是，它在水泥基材料中还起着补给水分与提供水化物空间的有利

作用。孔的有利作用过去很少捉及。但吴中伟教授对此一直很重税，认为孔在水泥基

材料中的存在，陈有利于水化外.今后在研究开发轻质高强、提高抗裂性与耐久性（如

抗冲密、抗冻融等）时，应加强并深化对孔的研究。

（-）四层次理论（黄蕴元）

1.基本内容

4个结构层次是按照在光学显微镜下能见到的结构单元尺度来划分的。

A：

，原子一分子层次；

细观层次：尺度为lonm—1mm,在此层次上研究的内容为：硬化水泥浆体的孔隙

串、晶体与胶体的比例（晶胶比）和不同相之间的界面诸因素。

《粗观层次：尺度为1mm到几厘米，以粗集料与水泥砂浆基材的界面作为主要结构参

数。而砂浆中的大孔、砂一水泥浆体的界面和裂缝。

宏观层次：则是工程结构单元尺度。

B-：

1.在混凝土的原子一分子、细观和租观诸层次上，组分、结构和界面在不同方面

和不同程度上彩向其宏观力学性质。其综合影响，则决定了整体混凝土的宏观力学行

为。所谓力学行为就是材料发生变形和断裂的全部特征和过程。

2.所谓“结构”，实际上是不同的键和结构元的集合，主要是不同镀和界面的集合,

而界面实际上是离子、分子或微晶体等组成的过渡区。从混凝土的结构形成到结构破

损的整个过程中，始终贯穿着界面的形成、转移和消失，而且还会发生双电层的形成、

转移和消失。

3.能量是贯通所有结构层次的共同物理量，它也是确定组分一结构一界面一性能

关系的主要媒介。混凝土的抗拉强度是其单位体积内界面能的函数。

4.键和结构元的集合总是统计性的，因而其一般性质也应是统计性的。

5.如果在应力作用下，应变能不能转变而及时消散，或者不在变形时的晶形转变

中校消耗，又不发生其他能耗，裂缝就会产生并使该应变能转变为表面能、核边能和

棱角能。其中表面能是主要的，并会贮存在整个材料体系中，影响其力学行为。

6.如果混凝土在历受的应力下，不同层次的组分、结构和界面，能自动转变至对

抗力更为合适的状态，则其抗变形性及强度就能提高。

7.孔隙不仅在粗双层次而且也在细观层次影响混凝土的力学行为。孔的尺寸和形

状在这种影响中起重要的作用。孔不能被认为仅是混凝土中的一个无质星的空洞.在

小孔所成的纫缝中，二孔壁间的范德华力及其他长程力将影响混凝土的力学行为。

2.模型硬化水泥浆体强度——水泥石强度

§1-4普通混凝土的物理性质

X概念：密实度体积变形渗透性导热性

§1-4-1密实度（自学）

§1-4-2混凝土的变形性质（非荷载）

一、混凝土内的湿度变化而导致的变形

（一）干燥

1.定义：混凝土的失水过程。

原因：水分外逸、蒸发（干燥）；混凝土内水分的自发性减少（水化）

2.水面的曲率半径和饱和蒸气压的热力学平衡关系用下式表示：

P2bM

（二汗缩

1.原因：毛细孔失水；凝胶孔失水

2.结果：无限制条件下：混凝土密实过程；

有约束：裂缝（邻位，钢筋，湿度梯度）

3.影响因素：水泥用量；环境湿度；龄期；骨料性质；集灰比；外加剂、掺合料。

（三）自收缩：混凝土在水化硬化过程中由于自身水化需水导致混凝土干燥而造成德

收缩。

1.背景高水泥用量、低水灰比混凝土的应用

2.减小措施：高水灰比、低水胶比

（四）混凝土的塑性收缩

L定义：新拌混凝土硬化前的收缩。

2.原因：混凝土拌合物失水速度大于泌水速度

3.发生时间：浇注振捣数小时发生

4.特点：平行裂缝，间距2.5〜7.5cm,深度:2.5〜5cm

（五）湿胀

1.定义：混凝土吸水后体积膨胀。

2.原因：

①水泥凝胶体颗粒之间吸入水分，水分子破坏了凝胶体颗粒的凝聚力，迫使颗粒

分离的结果；

②水的浸入，使凝胶体颗粒表面形成吸附加降低了表面张力；

③使颗粒发生微小的膨胀。

（六）干一湿变形规律

存在不可逆收缩

原因：当毛细孔中的水蒸发完后，如继续干燥，则凝肢体颗粒的吸附水也发生部分

蒸发。失去水膜的凝胶体颗粒，由于分子引力的作用，使粒子间的匪离变小甚至发生

新的化学结合而收缩。

二.温度变形：热胀冷缩——大体积混凝土

三.碳化收缩

（―）定义：混凝土中水泥的水化产物CH与C02>H20反应生成CaCC>3和H20产生

的收缩。

（二）原因：

1.碳化产物水t——毛细管收缩t

2.新生产物体积I——收缩

（三）收缩规律

1.碳化进行在相对湿度50%左右最快；

2.先干缩，再碳化，收缩值最大；

3.随CO2浓度的增加而加快；

4.蒸养混凝土碳化后，变形减小。

（四）碳化对混凝土性能的影响

1.增大不可逆收缩；

2.抗压强度下降，渗透性下降。

§1一4一3渗透性

一、多孔材料的渗透性

Q=KAXhw/l

式中：A——渗透面积；

hw——压力差；

1—试件厚度

二、普通混凝土的渗水性

（-）原理：孔，微裂缝的存在

（-）影响因素：P，孔结构，W/C

（三）测试方法——抗渗等级

§1-5普通混凝土的力学性能

§1一5-1普通混凝土的强度

0、概述

（-）强度定义：混凝土在外力或荷载作用下抵抗破华的能力。

（-）强度的工程意义：

1.表征承载能力；

2.相关其他性能：强度t——抗冻t；抗渗t；刚性t

（三）混凝土强度分类（外荷载作用形式）

1.抗压强度

2.抗拉强度

3.抗折强度

4.抗剪强度

5.与钢筋的粘结强度

一、抗压强度

（一）、概念

1.立方体抗压强度

2.立方体抗压强度标准值

3.立方体抗压强度代表值

4.轴心抗压强度

（二）立方体抗压强度的测试方法

1.试件：标准（150X150X150mm的立方体），

非标准（100X100X100的立方体，200X200义200mm立方体的）

标准试件的测定结果不用修正，非标准试件的测定结果要乘以一个系数,0.95或1.05

2.养护条件：

'标准养护

自然养护：自然条件下养护。

J加速养护：蒸汽养护（latm的水蒸汽中养护）和蒸压养护（压力大于latm,温

度大于100℃的高温高压中）。

同条件养护：养护条件和同结构的混凝土的养护条件一致，这样可以用来指导生

X.

产。

3.加载速度：WC30为0.3〜0.5MPa/s；

>C30为0.5〜0.8MPa/so

4.试件湿度：标准养护后，擦干即可

（三）轴心抗压强度

1.试件：标准：150mmX150mmX300mm的棱柱体

非标准：100mmX100mmX200mm；200mmX200mmX400mm

2.养护与上同。

3.加载:0.3~0.8MPa/s

4.珀与心的关系：fcp=0.7~0.8fcu

二、抗拉强度（轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度）

（-）定义（G

（-）与抗压强度的关系：£=0.5（%严

（三）测试方法

1.轴心抗拉

2.辟裂抗拉

（四）影响因素

1.随龄期增长，fj,但增长率较G低；

2.混凝土集料，f；改善优于L

3.f；对养护条件更敏感

4.捣实不充分或含气量高，ft降低幅度大于L

三、抗折强度（机场，跑道）

（-）定义

（二）测试条件

四、粘结强度（主要是由于混凝土与钢筋之间的摩擦力和附着力引起的）

（-）测试条件

1、拉出法

2、压入法

（二）原因因素

1.钢筋表面状态

2.混凝土本身状态

3.钢筋的位置

4.温度

5.湿度

五、抗剪强度

混凝土的剪切强度较抗拉强度为大。

由于测试上的困难混凝土的剪切强度不易准确测定；有人认为剪切强皮较抗拉强

度大20〜30%,但也行人认为剪切强度为抗拉强度的几倍，而常为抗压强度的50%〜

90%o

§1-5-2混凝土强度的影响因素

0.概述

宏观力学分析

细观力学分析

一、水灰比和水泥强度等级一一决定混凝土强度的主要因素

☆定性角度：水泥的实际强度t,混凝土强度t；水灰比I,混凝土强度to

☆定量角度：

式中：C/W——灰水比（水泥与水质量比）；

G——水泥28d抗压强度实测值，MPa；

水泥28d抗压强度标推值

富余埠数<^YC=1.13）

A、B与骨料的种类、表面木态以：采用碎石：A=0.46、B=0.07

采用卵石：A=0.48>B=0.33

二、骨料

（―）表面状态：W/C大时不明显；W/C小时明显

（二）最大粒径（Dm）：Dmt,同条件fl

（三）骨料自身强度

三、集/灰

（-）趋势：集/灰t,ft

（二）原因

1.骨料t——吸水t,有效W/Ct,ft；

2.骨料t——水泥用量I,总P,ft；

3.骨料3每颗骨料下部的充水区域I,CH等取向性，晶粒尺寸I,界面过渡区改

进，ftO

四、养护的温度和湿度

趋势：Tt,在一定范围内，f混凝土t。

湿度：若混凝土早期失水，则强度IO

原因：周围环境的湿度对水泥的水化作用能否正常进行有显著影响：湿度适当，水

泥水化便能顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，混凝土

会失水干燥而影响水泥水化作用的正常进行，甚至停止水化。因为水泥水化

只能在为水填充的毛细管内发生。而且混凝土中大量自由水在水泥水化过程

中逐渐被产生的凝胶所吸附.，内部供水化反应的水则愈来愈少。这不仅严重

降低混凝土的强度，而且因水化作用未能完成，使混凝土结构疏松，渗水性

增大，或形成干缩裂缝，从而影响耐久性。

五、龄期

定义：混凝土加水拌合开始至进行强度测试所经历的时间）

趋势：龄期越长，混凝土强度越高。

关系式（n天的强度和28天强度之间的关系如下）:

f=f.皿

1281g28

X注意：要求n，3。

六、测试条件（不会影响强度的实际值，只是影响强度的观测值）

（1）试件大小

趋势：试件越小，f观测t。

原因：小试件包含的裂缝总数少，那么破坏概率小，只有增加荷载才可以破坏；

大试件包含的裂缝总数多，则破坏概率大，小荷载下就可破坏。

（2）试件的形状

趋势：立方体抗压强度>轴心抗压强度

原因：环箍效应（测定强度时，混凝土试件与钢板受到的力是一样的。任何材料在发生纵

向变形时也可以发生横向变形（试件变矮的同时会变胖，试件是固体，压缩时体积不变），钢材的

泊松比小，发生的变形小，混凝土变形大。混凝土横向膨胀，钢板不膨胀，横向就存在摩擦力，摩

擦力作用给试件有一个限制巧件变形的环箍效应，使混凝土三向受压，。厂厂

环箍效应的作用高度是9a（a是混凝土试件边长），上、下面都是也a,—a+—a>a,

在试件中部有部分叠加，这曲件破坏后是棱锥体。2；1

对于棱柱体试件（150X150X300mm）,同样有环箍效应，上、下表面均为——a,那么在中

2

间部位没有环箍效应，中间所受的荷载只是单向的受压，f嫡要低。fcp=0.7-0.8feu«）

（3）试件的湿度

趋势：试件越湿，f规SIIO

原因：试件湿表明试件中有孔隙存在，空中进入水，水是塑性的，受荷载作用很容

易变形，对混凝土产生撕裂作用，相当于在内部拉混凝土，混凝土更容易破

坏。

※注意；试件从养护室拿出来擦干后（饱和面干状态）,立即测试强度。

（4）加载速度

趋势：越快，f观潮t。

原因：混凝土内部裂缝扩展、连续造成混凝土破坏，如果加载快，裂缝来不及扩

展、连续。GB规定：加载速度为0.3〜0.8MPa/s,WC30为0.3〜0.5MPa/s,>C30

为0.5〜0.8MPa/so

（5）表面状态

表面特别粗糙，实际受压面积小，f观测I；

表面特别光滑（涂油），无环箍效应，f观测I。

※注意:实际测试时,受压的表面为与模板相接触的光滑表面,粗糙的表面对着实验者。

七、影响因素综合示意图

图2影响因素综合示意图

§1-5-3普通混凝土的脆性断裂

0、研究背景

（一）混凝土材料的宏观力学行为

低0,08£

高o,。不与e成正比

高强度混凝土：。不与£成正比，有一定的塑性，不大

（二）混凝土材料力学行为分析

宏观力学

细观力学

（三）材料的理论强度

1.双原子模型

2.理论强度研究假设

（三）材料实际强度<<理论强度

原因：混凝土内部缺陷——引入断裂力学理论

一、Griffith理论

（一）假设——研究前提

1.无垠大平板

2.线弹性材料•，有贯串裂缝

3.张开型裂缝（张开型，推开型和撕开型）

（-）应力一应变状态

1.单向受力

2.双向受力

（三）Griffith能量平衡理论

1.出现裂缝时，表面能变化（出现一个裂缝，暴露两个面）

W,=2X2CXY（单位厚度）

=4CY

2.应变能变化：Ws（减小）

应变能：受力发生变形时所储存的能量；

应变能量变化：平面应变状态

平面应力状态

3.系统总能量变化V

V=4CY-Ws

讨论：dv/dc>0,能量增加的过程——非自发过程

dv/dcVO,能量减小的过程——自发过程

4临界应力

裂缝的扩展：dv/dc<0

平面应力：

平面应变：

（四）应力强度因子K

（五）Griffith公式的修正

材料的非绝对线弹性，本身塑性在裂缝扩展时可以吸收能量，对强度有利，S-塑性能。

平面应力：

平面应变：

（六）实际强度与理论强度比较

（七）多孔应力下混凝土的破坏

（A）Griffith理论的局限

1.混凝土的断裂由许多相互作用的裂缝控制，而非单一裂缝扩展控制；

2.混凝土非各向同性，裂缝扩展非直线型一曲线型；

3.断裂韧性不是混凝土的基本材料性能；

4.粗骨料阻断了裂缝的扩展。

二、混凝土裂缝的扩展

（0）研究背景

（-）裂缝扩展的测试方法

1.。一£曲线：斜率开始下降的点，为裂缝出现扩展时刻

2.利用。一u曲线：u突然增大的点

3.应变比法

4.超声波法

5.显微镜观察

（-）裂缝扩展的阶段

1.初始裂缝

2.受力引发

3.缓慢扩展阶段

4.裂缝快速扩展一不稳定裂缝扩展

（三）裂缝出现位置

1.界面

2.水泥石基体

3.集料颗粒内

（四）混凝土的破坏：裂缝发生、发展、连续的过程

三、混凝土的强度理论

分子理论唯象理论统升理论模拟理论

§1-5-4混凝土的弹性模量

0、概述

弹性模量（E）：反映了材料的应力一应变关系的物理量

弹性体：E=C；非弹性体：EWC

意义：表征结构刚性

一、普通混凝土的弹性模量

（0）混凝土的非弹性体特征

（一）儿种研究方式

1.初始弹性模量——无实际意义

2.切线弹性模量——很小的荷载范围

3.割线弹性模量—易测定，准确，过程常用

4.弦线弹性模量——消除向上翘的影响

（二）动弹性模量

1.动弹性模量Ea与弹性模量En不同

弹性模量：静力作用（可逆状态）

动弹性模量：动力作用（振动等），变荷载

2.测试：超声波脉冲——声速

3.Ea与En的关系

En=（1.25Ea-19）X103MPa

（三）弹性模量影响因素

因素：试验条件水泥石强度过渡区集料弹性模量

IIII

趋势：干湿状态tE；PtE；组成及PPI及集/灰tEt

及加快速度tEt

二、混凝土弹性模量的细观力学分析

（0）混凝土的二相体模型

「非连续相（P）：石子

混凝土＜r连续相（凝胶）

、「连续相（水泥石）[

连续相（m）：砂浆1〔

[非连续相

、非连续相（砂）

（-）并连模型（刚度混合率）

F=FI+F2=。XS[

F=oiXSi}E£=EIVI+V正2

F=o2XS2」

（二）串连模型（柔度混合率）

oJ—O2—O'

»£=£iV]+V262

e1+£2=£J

（三）Hirsch模型

总体是串列，上部体积：1—X,下部体积：X

A1

)+(一)(3+

纥匕+EpVp

（四）Counto模型

连续介质包裹非连续体：

1.P较软，Ep低时，就相当于并列:

Ep』P

2.P较硬，就相当于串歹U：

E“,+(Ep-E.)Vj3

纥+(号一切Vp2/3(1—Vj3)

（五）哈欣模型（略）

§1-5-5混凝土的徐变

一、定义：徐变是材料在长期荷载作用下随着时间而增加的变形。

二、规律：

混凝土的徐变，在加荷早期增加得比较快，然后逐渐减慢，在居千年后则增加很

少。在荷载除去后，一部分变形瞬时校复。此瞬时恢复的变形等于混凝土在卸荷时的

弹性变形，较在加荷时的小。那些约在若干天内能逐渐恢复的变形，称为徐变恢复。

最后残留下来的不能恢复的变形为残余变形。恢复性徐变约在加荷后两个刘础趋于稳

定，而非恢复性徐变则在相当反的时间内仍继续增加。

三、相关名词

1.基本徐变：混凝土与周围环境无水分迁移时的徐变。

2.干燥徐变：混凝土试件承受荷载时为干燥状态。

3.总徐变：基本徐变+干燥徐变

4.比徐变：施加单位应变时的徐变应变。

5.徐变系数：徐变应变与弹性应变的比值。

四、与干缩的相似点

1.均源于水泥浆体

2.影响干缩的因素影响徐变趋势一致

3.应变量大致相同

4.变形部分可逆

五、徐变对工程的影响

1.内力重新分布

2.预应力损失

3.大体积混凝土裂缝修复后再生

升温阶段：松弛应力

后期徐变速率快，可导致产生拉应力

4.影响结构稳定性

六、成因

徐变是凝胶体与水分的迁移造成的。

七、影响因素

W/C；集料与集/灰；外加剂与掺和料；尺寸效应；应力状态；温度与湿度

§1-6混凝土的耐久性

§1—6—0概述

一、定义：混凝土抵抗周围环境介质作用而不破坏的能力。

二、随时间的延长，混凝土强度的变化

1.有利：水泥不断水化，强度不断增长

2.不利：各种腐蚀不断发生，强度下降

3.综合作用

三、耐久性研究意义

混凝土结构未达到预期使用年限二破坏

四、耐久性不良破坏形式

"磨蚀（机械磨耗、冲蚀、气蚀）

I物理作用（干湿交替，水的渗透、冻融、盐结晶）

I化学作用（化学介质侵蚀，混凝土本身：碱一骨料反应等）

〔钢筋锈蚀（大气中C02、海水C「）

§1-6-1普通混凝土的抗冻性

一、混凝土内水的冰点

（-）冰点：某一压力下，水、冰共存的平衡温度。

（-）混凝土内冰点的变化

1.趋势：降低

2.原因：

①混凝土中的水一般都溶有盐类。根据稀溶液的性质，则其冰点要低于纯水时的冰点,

冰点的降低值与溶液的浓度成正比；

②弯液面附压作用，弯液面蒸汽压降低，冰点下降。

二、冻融破坏机理

（-）静水压力：水结冰，体积膨胀，推动未结冰的水向周围迁移，迁移不自由，引

起的压力。

（二）渗透压力：

1.未结冰的细孔的饱和蒸汽压大于毛细孔的饱和蒸汽压，水分迁移；

2.结冰后，冰水共存的孔中，盐浓度上升，小孔水向大孔转移。

（三）抗冻性评定

1.抗冻等级：m损65%；f损425%的冻融循环次数。

2.抗冻耐久性指数

DF=E3OO/EO

DF=En/EoX3OO——未到300次，E损失达40%以上；

式中：EJOO—300次冻融后的动弹性模量；

Eo一未冻时的弹性模量；

n------次数

三、抗冻性的影响因素

集料；水泥品种；强度；W/C；气泡间距

四、提高措施

1.合理选择集料

2.普通硅酸盐水泥，如，掺粉煤灰等

3.控制含气量及W/C

4.引气造成强度的下降，需要调整配合比降低W/C。

§1-6-2普通混凝土的化学侵蚀

一、软水的侵蚀(溶出性侵蚀)

1.反应：氢氧化钙溶于水。

2.条件：流动的水及压力水作用。

3.原因：孔隙率大及氢氧化钙的存在。

4.原理：溶出性破坏

二、盐类腐蚀

1.硫酸盐的腐蚀(在海水、湖水、盐沼水、地下水、某些工业污水及流经高炉矿渣或

煤渣的水中常含钠、钾、镂等)

(1)反应：

硫酸盐+水泥石中的氢氧化钙起置换作用一生成硫酸钙。

硫酸钙+水泥石中的固态水化铝酸钙一高硫型水化硫铝酸钙。

(2)机理：膨胀破坏

(3)条件：硫酸根、氢氧化钙以及水化铝酸钙的存在。三者缺一不可。

(4)特例：硫酸氨一生成氨气一破坏更加剧烈。

2.镁盐的腐蚀

(1)反应：MgSO4+Ca(OH)2+H20=CaS04•H20+Mg(OH)2

MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2

生成的氢氧化镁松软而无胶凝能力，氯化钙易溶于水，二水石膏则引起硫酸盐的

破坏作用。因此，硫酸镁对水泥石起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用。

(2)机理：溶解性和膨胀破坏

三、酸类腐蚀

1.碳酸腐蚀

Ca(0H)2十CO?十H20——CaC03+2H20

生成的碳酸钙再与含碳酸的水作用转变成重碳酸钙，是可逆反应：

CaC03十C02十H20——Ca(HC03)2

生成的重碳酸钙易溶于水。当水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度，则上式反

应向右进行。因此水泥石中的氢氧化钙，通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失。氢氧化

钙浓度降低，还会导致水泥石中其他水化物的分解，使腐蚀作用进一步加剧。

2.一般酸的腐蚀

HC1十Ca(OH)?——CaCk十2H20

HzSO”十Ca(0H)2——CaSO.,•2H20o

生成的二水石膏或者直接在水泥石孔隙中结晶产生膨胀，或者再与水泥石中的水化铝酸钙作

用，生成高硫型水化硫铝酸钙，其破坏性更大。

四、强碱的腐蚀

碱类溶液如浓度不大时一般是无害的。

但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱（如氢氧化钠）作用后也会破坏：

X氢氧化钠+铝酸盐一易溶的铝酸钠

当水泥石被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥：

※氢氧化钠+二氧化碳f碳酸钠一碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉积一水泥石

胀裂。

五、除冰盐的破坏

（一）除冰盐的作用：融化积雪

（二）危害

1.除冰盐溶液被毛细孔吸收较多——静水压破坏

且易造成粘度差，水分迁移——渗透压破坏（4%时最严重）

2.干燥，NaCl结晶，结晶压破坏

（三）破坏特征

1.从表面开始，表面剥落，内部完好；

2.破坏发展快，儿个冻融就破坏；

3.剥蚀表面可见NaCl析晶，色白味咸。

六、腐蚀的防止

1.原因：

（1）W/C；

（2）水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质易于进入其内部，掺混合材；

（3）含气量——气泡间距。

2.防止措施；

（1）根据侵蚀环境特点，合理选用水泥品种。例如采用水化产物中氢氧化钙含量较少的水泥,

可提高对软水等侵蚀作用的抵抗能力。

（2）提高水泥石的紧密程度。硅酸盐水泥水化只需水（化学结合水）23%左右（占水泥质量的百分

数），而实际用水量较大（约占水泥质量的40%—70%）,多余的水蒸发后形成连通的孔，腐蚀

介质就容易进入水泥石内部，从而加速了水泥石的腐蚀。在实际工程中，提高混凝土或砂浆密

实度的各种措施如合理设计混凝土配合比，降低水灰比，仔细选择骨料，掺外加剂，改善施工

方法等，均能提高其抗腐蚀能力。

⑶掺加引气剂，含气量6%以上。

§1-6-3碱-骨料反应

0、概述

（-）定义：水泥或混凝土中所含的碱与骨料中的活性组份作用，产生膨胀性物质，

最终导致混凝土开裂的反应。

（-）分类

1.碱一氧化硅反应

2.碱一碳酸盐反应

一、碱一集料反应的破坏条件

（-）碱份

1.组成：K,0；Na2O

2.来源：水泥中（K2O+0.66Na20<0.6%,低碱水泥=

外加剂中

（二）集料：活性组份

1.活性SiO2

2.活性碳酸盐：粘土质白云石（MgCO3-CaCO3）

（三）环境湿度：碱集料反应的充分条件是水分

二、破坏机理

（一）碱一SiO2反应

1.反应：K2O+SiO2+mH2O=K2O•SiO2•mH2O（无限吸水膨胀）

2.机理：（颗粒表面，贯串颗粒）

①K20-SiO2-mH2O具有无限吸水膨胀性

②渗透压理论

水泥水化生产的产物类似半透膜，允许H20,Na（OH）等进入接触集料，集料又

阻止硅酸根离子外移，形成的渗