《建筑材料》课件-第五章 混凝土

2023建筑材料THEME修德励志

强能善技01混凝土的基本知识第五章5.1.1混凝土的概念5.1混凝土的基本知识

混凝土是由胶凝材料、粗骨料、细骨料和水(或不加水)按适当的比例配合，拌制成拌合物，经一定时间后硬化而成的人造石材，统称为混凝土，简称为砼。5.1.2混凝土的分类5.1.2混凝土的分类混凝土的主要优点：(1)原材料资源丰富，造价低。(2)工程适应性强。(3)性能可根据需要设计调整。(4)抗压强度高。(5)耐久性好。5.1.3混凝土的优缺点混凝土的主要缺点：(1)抗拉强度低。(2)硬化慢，生产周期长。(3)导热系数大。(4)自重大、难拆除。5.1.3混凝土的优缺点

随着科学技术的不断发展与创新，建筑业的新材料、新技术、新的施工工艺不断涌现。为了改善人们生产、生活、学习和工作环境，提高工作效率和生活质量，未来的混凝土将向着“高强、高性能、多功能和绿色环保”的方向综合发展。

据预测，不久的将来，高层建筑物的高度将达到900m，而钢筋混凝土的超高层建筑将超过100层，世界大跨径桥梁的跨径将达到600m；在许多情况下将使用C80～C100的混凝土，在特殊场合将使用C100～C200的混凝土，甚至更高强度等级的混凝土。5.1.3混凝土的发展

善于总结、不断革新：混凝土材料自问世以来，经过多次更新换代，适应市场需求，不断出现新品种、新功能，今后还有极大的革新空间。建筑人正需要这种善于总结、不断革新的创新精神。5.1.3混凝土的发展02混凝土的组成材料第五章5.2混凝土的组成材料5.2混凝土的组成材料

5.2.1水泥5.2.1水泥

水泥品种的选择首先要考虑混凝土工程特点及所处的环境条件；其次再考虑水泥的价格，以满足混凝土经济性的要求。通常情况下，六大通用水泥都可以用于混凝土工程中，但使用较多的是硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，必要时可选用专用水泥和特性水泥。5.2.1水泥

水泥强度等级的选择要综合考虑混凝土的设计强度及工程实际情况。应该注意的是，为综合考虑混凝土强度、耐久性和经济性的要求，原则上低强度等级的水泥不能用于配制高强度等级的混凝土，否则水泥的使用量较大，硬化后将产生较大的收缩，影响混凝土的强度和经济性；高强度等级的水泥不宜用于配制低强度等级的混凝土，否则水泥的使用量小，砂浆量不足，混凝土的黏聚性差。

水的来源很多，水源不同，水质各有差异。根据《混凝土用水标准》(JGJ63—2006)的规定，凡符合国家标准的生活饮用水，均可拌制各种混凝土。海水可拌制素混凝土，但不宜拌制有饰面要求的素混凝土，更不得拌制钢筋混凝土和预应力混凝土。水源的分类及其在混凝土工程中的应用要求见表15.2.2水表1水源的分类及其在混凝土工程中的应用要求5.2.2水5.2.2水5.2.3骨料1）细骨料的种类及其特性

碎石经机械轧碎筛选而成，杂质少，但细粉多。同时加工成本较高。海砂——含贝壳碎片、可溶

性盐类等；按产源分按细度模数分

——粗砂、中砂、细砂天然砂

河砂——圆滑、坚固，杂质

少属上等砂；山砂——多棱角，粘聚性比

河砂好，含泥土

和有机杂质较多。人工砂

——5.2.3骨料

颗粒粒径大于4.75mm的骨料为粗骨料。混凝土工程中常用的有碎石和卵石两大类。碎石为岩石（有时采用大块卵石称为碎卵石）经破碎、筛分而得；卵石多为自然形成的河卵石经筛分而得。卵石与碎石示意图1）粗骨料的种类5.2.3骨料4.2.45.2.4矿物掺合料4.2.41）粉煤灰（1）改善新拌混凝土的和易性。（2）提高硬化混凝土的强度。（3）提高混凝土的长久性能。（4）降低混凝土的水化升温速率。5.2.4矿物掺合料

硅灰是铁合金厂在生产金属硅或硅铁时得到的产品，又称硅粉、硅尘。硅灰在混凝土工程中具有以下应用。（1）配制高强混凝土。（2）提高混凝土耐蚀、耐磨性能。（3）配制抗化学腐蚀混凝土。（4）抑制碱集料反应。（5）减少混凝土喷射的回弹量。（6）提高混凝土的泵送性能。（7）提高灌浆液的稳定性能。2）硅灰4.2.45.2.4矿物掺合料5.2.5外加剂1）外加剂的分类

外加剂的品种很多，按照《混凝土外加剂定义、分类、命名与术语》（GB8075—2005）的规定，混凝土外加剂按其功能不同分为以下四类。(1)改变混凝土拌合物流动性的外加剂，包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。(2)调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。(3)改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。(4)改善混凝土其他性能的外加剂，包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、防水剂和泵送剂等。

（1）减水剂。①减水剂的分子结构。减水剂多属于表面活性剂，其分子具有典型的两亲性结构特点，即分子的一端是亲水(憎油)基团，另一端是憎水(亲油)基团，如图4-3所示。2）建筑工程中常用的外加剂5.2.5外加剂图4-3减水剂的分子结构图4-4减水剂分子的定向吸附和定向排列5.2.5外加剂

如图4-3所示。当把减水剂加入到水中时，其分子中的亲水基团指向水溶液，憎水基团指向空气，减水剂分子将在水和空气的界面形成定向吸附和定向排列，如图4-4所示。

②减水机理。水泥加水拌和后，通常会产生如图4-5所示的絮凝状结构。在絮凝状结构中包裹了许多拌和水，从而降低了混凝土拌合物的流动性。图4-5水泥浆的絮凝状结构图4-6减水剂在水泥浆体中的作用5.2.5外加剂③技术经济效果。减水剂合理地应用于混凝土施工中，可取得以下技术和经济效果。a.增大拌合物的流动性。b.减少拌合物泌水、离析现象。c.提高混凝土强度。d.提高耐久性。5.2.5外加剂（2）引气剂。引气剂是指在搅拌过程中能引入大量分布均匀的、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。气泡在混凝土中可以起到以下作用。①改善混凝土拌合物的和易性。②显著提高混凝土的抗渗性、抗冻性。③降低混凝土强度。由于大量气泡的存在，减少了混凝土的有效受力面积，使混凝土强度有所降低。（3）早强剂。早强剂是能提高混凝土早期强度，并对后期强度无显著影响的外加剂。早强剂可以缩短养护周期，加快模板和场地的周转，使混凝土在短期内即能达到拆模强度。5.2.5外加剂

（4）防冻剂。防冻剂是在规定温度下，能显著降低混凝土冰点，使混凝土的液相在较低温度下不冻结或仅轻微冻结，保证水泥的水化作用，使其能在一定时间内获得预期强度的外加剂。（5）养护剂。对刚成形的水泥混凝土进行保湿养护的外加剂称为养护剂，又称养护液。养护剂的保湿作用使其能在混凝土表面形成一层连续的薄膜，薄膜起着阻止混凝土内部水分蒸发的作用，达到较长时间的保湿养护效果。5.2.5外加剂（1）外加剂品种的选择。外加剂品种的选择，一方面要考虑工程需要、现场的材料条件；另一方面要保证所用外加剂与水泥具有良好的匹配性。（2）外加剂掺量的确定。混凝土外加剂均有适宜掺量。掺量过小，往往达不到预期效果；掺量过大，则会影响混凝土质量，甚至造成质量事故。因此，应通过试验试配的方式确定外加剂的最佳掺量。（3）外加剂的掺加方法。①水剂。②干掺。（4）掺入时间。3）外加剂的选择和使用5.2.5外加剂

5.2.5混凝土的组成材料11.掌握混凝土的组成成分。22.掌握细骨料和粗骨料的性质特点。33.了解混凝土用水和外加剂的特点。44.刻苦好学，追求进步：所谓干一行爱一行，行行出状元。在平日的工作中，一定不能当机器人，要在工作中学习、在学习中进步。不想当将军的士兵不是好士兵，要有股积极进取的拼搏劲，努力实现人生价值。03混凝土的和易性第五章5.3混凝土和易性的概念5.3混凝土的和易性

混凝土的和易性是指混凝土拌和物在施工中能保持其成分均匀，不分层离析，无泌水现象的性能，是一项综合技术性能。5.3和易性的测定物。

评定混凝土拌和物和易性的方法是测定其流动性，根据直观经验观察其黏聚性和保水性。混凝土拌和物根据其坍落度和维勃稠度分级。坍落度适用于流动性较大的混凝土拌和物，维勃稠度适用于干硬的混凝土拌和物。2.和易性的评价1）流动性的测定

（1）坍落度法。将混凝土拌合物按规定的试验方法装入坍落度筒内，按规定的方法在规定的时间内垂直提起坍落度筒（提筒过程应在5～10s完成），测定坍落度筒筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高差，即为混凝土拌合物的坍落度，以mm为单位，精确至5mm。

按照《混凝土质量控制标准》（GB50164—2011）规定，混凝土拌合物根据其坍落度的大小分为五级，见表4-31。表4-31混凝土拌合物坍落度等级划分

（2）维勃稠度法。维勃稠度法适用于测定集料最大公称粒径不大于40mm、坍落度小于10mm、维勃稠度值为5～30s的干硬性混凝土拌合物的稠度。维勃稠度用维勃稠度仪测定,如图4-8所示。图4-8混凝土维勃稠度仪1—圆柱形容器；2—坍落度筒；3—漏斗；4—测杆；5—透明圆盘；6—振动台2）流动性的选择

（1）按设计图纸选择当设计图纸上标明坍落度指标要求时，则应按所要求的坍落度值进行配合比设计。

（2）按工程实际选择，当设计图纸上没有标明坍落度指标时，应根据结构物构件断面尺寸、钢筋疏密和振捣方式来确定。当构件断面尺寸较小、钢筋较密或人工振捣时，应选择较大的坍落度，以使浇捣密实，保证施工质量；反之，对于构件断面尺寸较大、钢筋配置稀疏或采用机械振捣时，尽可能选用较小的坍落度以节约水泥。2）流动性的选择3.影响混凝土拌合物和易性的主要因素1）组成材料性质的影响(1）水泥。（2）集料。（3）外加剂和掺合料。2）组成材料用量比例的影响（1）水胶比。水胶比是混凝土用水量与胶凝材料总质量（水泥和活性矿物掺合料用量之和）之比。（2）集浆比。混凝土中粗细集料总质量与水胶浆质量之比称为集浆比。（3）砂率。砂率是混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率。砂率的改变会使集料的总表面积和空隙率都有显著的变化。3）环境条件（1）温度。如图4-10所示，拌合物的流动性随温度的升高而减小。图4-10温度对拌合物坍落度的影响

（2）风速和湿度。

风速和环境大气湿度会影响拌合物水分的蒸发速率，因而影响拌合物的坍落度。风速越大，大气的湿度越小，拌合物坍落度的损失越快。

实际施工中，应根据环境温度选择混凝土的养护方法，正确控制养护时间、养护次数，特别是当日平均气温低于5℃时，不得浇水养护。当混凝土表面不便浇水或使用塑料布时，宜采取涂刷养护剂的方式养护。4）搅拌方式和搅拌时间

（1）搅拌方式。混凝土拌合物的搅拌分机械搅拌和人工搅拌两种形式。（2）搅拌时间。按《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—2011）规定，混凝土搅拌的最短时间见表4-35。表4-35混凝土搅拌的最短时间单位：s5）外加剂

在混凝土制作过程中，根据工程需要有时需加入减水剂、引气剂等外加剂，使混凝土拌合物在不增加胶凝材料和用水量的条件下，显著提高其流动性，且具有较好的均匀性和稳定性。4.改善新拌混凝土和易性的措施1)调节混凝土的材料组成（1）采用适宜的水泥品种和掺合材料。（2）改善砂、石(特别是石子)的级配，尽量采用总表面积和空隙率均较小的良好级配。（3）采用合理砂率，尽可能降低砂率，提高混凝土的质量和节约水泥。（4）当混凝土拌合物坍落度太小时，维持水胶比不变，适当增加水泥浆的用量，加入外加剂；当拌合物坍落度太大，但黏聚性良好时，可保持砂率不变，适当增加砂、石用量。2)掺加各种外加剂

在拌合物中加入少量外加剂(如减水剂、引气剂等)，能使拌合物在不增加水泥浆用量的条件下，有效地改善工作性，增大流动性，改善黏聚性，降低泌水性，提高混凝土的耐久性。3)改进拌合物的施工工艺采用高效率的搅拌设备和振捣设备可以改善拌合物的和易性，提高拌合物的浇捣质量。此外，现代商品混凝土在远距离运输时，为了减小坍落度损失，还经常采用二次加水法，即在混凝土搅拌站拌和时只加入大部分的水，剩下少部分的水在快到施工现场时加入，然后迅速搅拌以获得较好的坍落度。11.熟悉混凝土的各项性能22.能够根据工程特点正确选用混凝土。33.勤于思考，勇于创新，即使是最简单的工作，也要不断思考，是否有更高效的方法？是否有更好的技术？只有勤于思考、善于思考的人，才能不断创新工作方法、不断提高技术技艺水平。04混凝土的强度第五章5.4混凝土的强度5.4混凝土的强度强度是硬化后混凝土最重要的力学指标，通常用于评定和控制混凝土的质量。混凝土强度包括：抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及混凝土与钢筋间的握裹强度等。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。在一般混凝土的结构工程中，提到混凝土的强度，就是指混凝土的抗压强度。1）立方体抗压强度1）立方体抗压强度1）立方体抗压强度2）轴心抗压强度（fcp)3）与钢筋的黏结强度由于混凝土的抗拉强度很低，经常要与钢筋复合成钢筋混凝土使用。为了实现钢筋与混凝土的协同工作，必须保证钢筋和混凝土间具有可靠的锚固和黏结，以实现在钢筋和混凝土交界处的应力传递。而混凝土与钢筋之间的黏结强度取决于水泥石与钢筋之间的黏结力、混凝土与钢筋间的摩擦力和混凝土的强度等级。钢筋的直径越小，有效黏结面积越大，黏结强度越高；变形钢筋的黏结力高于光圆钢筋与混凝土表面的机械咬合力；强度等级越高的混凝土，其与钢筋间的黏结强度越高。

4）抗折强度(fcf)

道路路面或机场道面用水泥混凝土，以抗折强度为主要强度指标，以抗压强度为参考强度指标。

道路水泥混凝土抗折强度是以标准操作方法制备成150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下，经养护28d后，，测定其抗折强度。5）影响混凝土强度的因素混凝土的强度受很多因素影响，如原材料的质量、材料间的用量比、混凝土的施工质量、养护条件、养护龄期及试验条件等。（1）水泥强度和水胶比。

水胶比越小，水泥石强度及与集料的黏结强度越大，混凝土强度越高。但若水胶比太小，拌合物过于干硬，在一定的捣实成形条件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，强度反而会下降。

（2）粗集料的特性。粗集料的形状与表面性质对混凝土的强度有着直接的影响。

（3）集浆比。集浆比影响混凝土的强度，特别是对高强混凝土的影响更为明显。（4）施工振捣方式。施工振捣方式及振捣的密实程度对混凝土抗压强度的影响。（5）养护条件。①温度。通常情况下，温度升高，胶凝材料的溶解、水化和硬化速度加快，利于混凝土强度的增长。

②湿度。养护的湿度是决定水泥能否正常水化的必要条件。

③龄期。龄期是混凝土自加水搅拌开始所经历的时间，按d或h计。在正常不变的养护条件下，混凝土强度随龄期增长而提高。但通常是最初7～14d内，强度增长较快，以后增长速度变缓，28d可以达到设计的强度等级，以后强度增长缓慢并趋于平缓，但可以延续数十年。表1不同龄期混凝土强度的增长值6）提高混凝土强度的措施

实际施工中为了加快施工进度，提高模板的周转率，常需提高混凝土的早期强度。一般地可采取以下措施。（1）采用高强度水泥和早期型水泥。（2）采用水胶比较小、较少的用水量。（3）采用级配良好的碎石。（4）掺加外加剂和掺合料（5）改进施工工艺，提高混凝土的密实度。（6）采用湿热养护方式。05混凝土的变形及耐久性第五章1）非荷载作用下的变形（1）沉降收缩。（4）碳化收缩。（3）干湿变形。（2）化学收缩。（5）温度变形。5.5混凝土的变形及耐久性5.5.1混凝土的变形2）荷载作用下的变形（1）短期荷载作用下的变形——弹-塑性变形。混凝土在一次短期荷载作用下的应力-应变关系如图1所示。

由图中混凝土受压时的应力-应变曲线可以判定，混凝土不是弹性材料而是弹塑性材料。图1混凝土受压时的应力-应变关系曲线（2）长期荷载作用下的变形。混凝土在长期荷载作用下，除了产生瞬间的弹性变形和塑性变形外，还会产生随时间而增长的非弹性变形，称为徐变，也称蠕变。混凝土的变形与荷载作用时间的关系如图2所示。图2混凝土的徐变-时间关系曲线影响混凝土徐变的因素主要有以下几个方面。①应力。应力是影响混凝土徐变的最主要因素，应力值越大，徐变量越大。②水泥用量。水泥用量越多，水胶比越大，徐变量越大。③养护条件。养护温度越高、养护环境湿度越大、养护龄期越长，混凝土的徐变量越小。④加载龄期。混凝土受荷时的龄期越短，徐变量越大。加强养护使混凝土尽早凝结硬化或采用蒸汽养护，均可减小混凝土的徐变量。⑤水泥品种。用普通硅酸盐水泥制作的混凝土较矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥的混凝土徐变量相对要大。5.5.2混凝土的长期性能和耐久性能1.抗冻性

耐久性是指材料在各种自然因素及有害介质的作用下，能长久保持其使用性能的性质。抗冻性是指混凝土在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，强度也不严重降低的性能。混凝土的抗冻性由抗冻等级Fn表示。抗冻等级是采用龄期28d的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25%，而且质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数确定的。2.抗掺性

抗渗性是指混凝土抵抗有压介质（如水、油、溶液等）渗透的能力。混凝土的抗渗性用抗渗等级Pn表示。《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)中规定，抗渗等级等于或大于P6级的混凝土称为抗渗混凝土。混凝土渗水的主要原因是混凝土或水泥石结构中存在的毛细管孔隙或裂缝，在水存在条件下形成了连通的渗水通道。抗渗性直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。2.抗掺性

3.抗侵蚀性

当混凝土所处环境中含有酸、碱、盐等侵蚀性介质时，混凝土便会遭受侵蚀。混凝土的抗侵蚀性与所用水泥品种、混凝土的密实度和孔隙特征等有关。结构密实和孔隙封闭的混凝土，环境水不易侵入，抗侵蚀性较强。用于地下工程、海岸与海洋工程等恶劣环境中的混凝土对抗侵蚀性有着更高的要求。

提高混凝土抗侵蚀性的主要措施是合理选择水泥品种，低水胶比，提高混凝土密实度和改善孔结构。4.混凝土的碳化

混凝土的碳化，是指在一定湿度条件下，混凝土内水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳生成碳酸钙和水的反应。当混凝土所处的环境中二氧化碳浓度高、环境湿度大时，可加快碳化腐蚀。（1）碳化对混凝土性质的影响。①降低了混凝土的碱度，削弱了混凝土对钢筋的保护作用。②增加了混凝土的收缩，使混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。③增加了混凝土的密实度。碳化作用产生的碳酸钙填充了水泥石的孔隙，提高混凝土的抗压强度。（2）减少碳化作用的措施。

①在钢筋混凝土结构中采用适当的保护层，使碳化深度在建筑物设计年限内达不到钢筋表面；或者在混凝土表面涂刷保护层，防止二氧化碳侵入。②根据工程所处环境及使用条件，合理选择水泥品种，如使用碱度相对较大的掺混合材水泥，降低碳化速度。

③使用减水剂，降低水胶比，改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实度。

④加强施工质量控制，加强养护，保证振捣质量，减少或避免混凝土出现蜂窝等质量事故。5.碱-集料反应混凝土的碱-集料反应是指在有水的条件下，水泥中过量的碱性氧化物(Na2O、K2O)与集料中的活性SiO2之间发生的反应。碱-集料反应的特点是速度很慢，反应生成的碱-硅酸凝胶Na2SiO3，能从周围介质中吸收水分而产生3倍以上的体积膨胀，严重影响混凝土长久性能和耐久性能。6.提高混凝土长久性能和耐久性能的措施控制集料的级配。

控制水和水泥的使用量。掺外加剂和高活性的矿物掺合料。加强施工振捣。合理选择水泥品种。1234506混凝土的配合比设计第五章5.6配合比设计基本知识5.6混凝土的配合比设计1.配合比及配合比设计

混凝土的配合比即组成混凝土的各种材料间的质量之比。

配合比设计就是通过计算、试验等方法和步骤确定混凝土中各种组分间用量比例的过程。2.配合比的表示方法表1水泥混凝土配合比表示方法3.配合比设计的基本要求（1）满足混凝土拌合物的性能要求。配合比要满足混凝土拌合物的稠度、表观密度、含气量、凝结时间