新型建筑材料 课件 第9章 现代混凝土

第九章

现代混凝土新型工程材料2026/1/242第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78652026/1/243第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78652026/1/2449.1.1混凝土的发展史化学外加剂，尤其是聚羧酸减水剂的广泛应用成为混凝土发展过程中第三个里程碑式的节点一种以耐久性为首要设计目标的全新混凝土概念—高性能混凝土---在一些发达国家首次被提出为了使混凝土构件更加牢固，曾经试验在其中加入木材、编织物、铁件等发明了钢筋混凝土，钢筋混凝土通过钢筋和混凝土的协同作用克服了传统素混凝土抗拉强度低的弱点发明波特兰水泥用火山灰、石灰、砂、石制备的“天然混凝土”具有凝结力强、坚固耐久、不透水等特点20世纪60年代20世纪80年代末至90年代初1850年1875年公元前500年1824年123456混凝土的发展史：2026/1/2459.1.1混凝土的发展史1.美国混凝土协会（ACI）最初关于高性能混凝土的定义明确表示高性能混凝土的获得不仅靠更新组分材料，还靠贯穿混凝土生产和施工的全过程。在不同的工程应用场合，对于高性能混凝土所要求的性能是不同的。高性能混凝土所要求的性能包括：易浇筑、压实而不离析；高长期力学性能；高早期强度；高韧性；高体积稳定性；在严酷环境下使用寿命长。强调了对高性能混凝土均匀性的要求，越重要、质量要求越高的工程，对HPC匀质性的要求也就应该越高。12342026/1/2469.1.1混凝土的发展史2.我国学术界早期关于高性能混凝土的观点吴中伟院士、廉慧珍教授提出：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土1它以耐久性作为设计的主要指标2针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性3为此高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，必须掺加足够数量的矿物细粉和高效减水剂4强调高性能混凝土不一定是高强混凝土。52026/1/249.1.1混凝土的发展史2.我国学术界早期关于高性能混凝土的观点312如果现在将高性能混凝规定在50~60MPa以上，则用途很受限制，大大妨碍高性能混凝土推广应用；更重要的是制约了高性能混凝向绿色高性能混凝的发展最初的高性能混凝土被理解为“三高”混凝土，即“高工作度、高强度、高耐久性”。建议将高性能混凝土强度下降到C30左右，以不损及混凝土内部结构（孔结构、水化物结构、界面区结构）为度，以保证其耐久性及体积稳定性1997年19982026/1/249.1.1混凝土的发展史3.我国工程建筑标准《高性能混凝土应用技术规程》的定义高性能混凝土应满足下列技术要求：（1）水胶比0.38；（2）在56天龄期时，混凝土的6小时总导电量不得超过1000库仑；（3）经过300次冻融循环后，混凝土的相对动弹性模量应保持在80%以上；（4）胶凝材料抗硫酸盐腐蚀试验试件15周膨胀率<0.4％，混凝土最大水胶比0.45；（5）混凝土中可溶性碱的总含量<3.0kg/m3。2026/1/249.1.2混凝土的分类1.按表观密度（ApparentDensity）分类（1）重混凝土（2）普通混凝土（3）轻混凝土2.按所用胶凝材料（BindingMaterial）分类水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土、树脂混凝土等。3.按流动性（Fluidity）分类按照新拌混凝土流动性大小，可分为干硬性混凝土（坍落度小于10mm且需用维勃稠度表示）、塑性混凝土（坍落度为10~90mm）、流动性混凝土（坍落度为100~150mm）及大流动性混凝土（坍落度大于等于160mm）。2026/1/249.1.2混凝土的分类4.按用途分类可分为结构混凝土、大体积混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、膨胀混凝土、防辐射混凝土、道路混凝土等。5.按生产和施工方法分类按照生产方式，混凝土可分为预拌混凝土和现场搅拌混凝土；按照施工方法可分为泵送混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土等。2026/1/249.1.2混凝土的分类1.水泥及辅助性胶凝材料现代混凝土的胶凝材料体系普遍以硅酸盐水泥和各种矿物掺合料组成，但硅酸盐水泥作为主要胶凝材料的地位并未改变。高性能混凝土对水泥及辅助胶凝材料的主要要求如下：在满足混凝土强度和耐久性的前提下，尽可能地减少硅酸盐水泥的用量1复合使用多种矿物掺合料，充分发挥不同矿物掺合料之间的协同作用，提高混凝土的耐久性2发掘和利用更多类型的工业废渣、建筑垃圾作为矿物掺合料使用，提升混凝土的固废能力32026/1/249.1.3混凝土的组成2.水饮用水、地下水、地表水及经过处理达到要求的工业废水均可用作混凝土拌和用水。混凝土拌和及养护用水的质量要求具体有：不得影响混凝土的和易性及凝结；不得有损于混凝土强度发展；不得降低混凝土的耐久性；不得加快钢筋腐蚀及导致预应力钢筋脆断；不得污染混凝土表面；各物质限量应符合下表的要求：2026/1/249.1.3混凝土的组成3.骨料混凝土常用的砂石骨料主要有天然骨料（河砂、卵石）、机制砂石以及再生骨料等几种。4.化学外加剂化学外加剂的品种很多，例如常用的减水剂、引气剂、早强剂、膨胀剂等，在提高混凝土耐久性和施工质量，满足混凝土各项性能方面起到了非常重要的作用。2026/1/249.1.4混凝土的性能特点与基本要求混凝土作为土木工程材料中使用最为广泛的一种，必然有其独特之处。普通混凝土的优点，主要体现在以下几个方面：现代混凝土可以具备很好的工作性，几乎可以随心所欲地通过设计和模板形成形态各异的建筑物及构件，可塑性强。易塑性01同其他建筑材料相比，混凝土价格较低，容易就地取材，结构建成后的维护费用也较低。02经济性硬化混凝土具有较高的力学强度，目前工程构件最高强度可达130MPa，与钢筋有牢固的粘结力，使结构安全性得到充分保证。03安全性混凝土一般而言可有1~2h的防火时效，比起钢铁来说，安全多了，不会像钢结构建筑物那样在高温下很快软化而造成坍塌。耐火性04混凝土在土木工程中适用于多种结构形式，满足多种施工要求。可以根据不同要求配制不同的混凝土加以满足，所以我们称之为“万用之石”。多用性05混凝土本来就是一种耐久性很好的材料，古罗马建筑经过几千年的风雨仍然屹立不倒，这本身就昭示着混凝土应该“历久弥坚”。耐久性062026/1/249.1.4混凝土的性能特点与基本要求普通混凝土具有许多优点，当然相应的缺点也不容忽视，主要表现为：（1）抗拉强度低（2）延展性不高（3）自重大，比强度低（4）体积不稳定性相比于普通混凝土所具有的抗拉强度低、自重大、体积不稳定等缺点，高性能混凝土应具有以下优点：（1）高耐久性（2）高工作性（3）高体积稳定性（4）高强度2026/1/249.1.4混凝土的性能特点与基本要求混凝土在建筑工程中使用，必须满足以下五项基本要求或准则：01满足与使用环境相适应的耐久性要求。02满足设计的强度要求。03满足施工规定所需的工作性要求。04满足业主或施工单位渴望的经济性要求。05满足可持续发展所必需的生态性要求。2026/1/249.1.5现代混凝土的发展方向混凝土实现性能优化的主要技术途径在于：依靠减水剂实现混凝土的低水胶比。0305010402降低水泥用量，由水泥、粉煤灰或磨细矿粉等共同组成合理的胶凝材料体系使用引气剂减少混凝土内部的应力集中现象。减少单方混凝土用水量和胶凝材料浆量。通过改变加工工艺，改善骨料的粒形和级配。2026/1/249.1.5现代混凝土的发展方向混凝土产业必须走可持续发展之路，积极推动绿色混凝土技术的发展，出路在于：（1）发展并运用具有高强度、高工作性、高耐久性等优异性能的高性能混凝土。（2）大量使用工业废弃资源，例如用尾矿资源做混凝土骨料；大量使用粉煤灰、磨细矿粉、硅灰等辅助胶凝材料替代水泥。（3）扶植再生混凝土产业，使越来越多的建筑垃圾作为骨料循环使用。（4）不要一味追求高等级混凝土，应重视发展中、低等级耐久性好的混凝土。（5）发展新型功能混凝土，提高建筑物的质量和使用寿命，例如在混凝土特殊构件中使用智能混凝土、防辐射混凝土等。（6）发展和运用新型混凝土技术，例如采用装配式混凝土建筑技术、3D打印混凝土技术等，不仅可以提高生产效率、降低成本，还能实现节能减排和保护环境的目标。2026/1/2419第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78652026/1/249.2.1和易性的概念和易性（又称工作性）是混凝土在凝结硬化前必须具备的性能，是指混凝土拌合物易于施工操作（拌合、运输、浇灌、捣实）并获得质量均匀、成型密实的混凝土性能。和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。流动性（Fluidity）是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下，克服内部阻力和与模板、钢筋之间的阻力，产生流动，并均匀密实地填满模板的能力。粘聚性（Coherence）是指混凝土拌合物具有一定的粘聚力，在施工、运输及浇注过程中，不致出现分层离析，使混凝土保持整体均匀性的能力。保水性（WaterRetentivity）是指混凝土拌合物具有一定的保水能力，在施工中不致产生严重的泌水现象。2026/1/249.2.2和易性测定方法及指标1.坍落度（Slump）测定测定的具体方法为：将标准圆锥坍落度筒（无底）放在水平的、不吸水的刚性底板上并固定，混凝土拌合物按规定方法装入其中，装满刮平后，垂直向上将筒提起，移到一旁，筒内拌合物失去水平方向约束后，由于自重将会产生坍落现象。然后量出向下坍落的尺寸（mm）就叫做坍落度，作为流动性指标，如图所示。坍落度越大表示混凝土拌合物的流动性越大。2026/1/249.2.2和易性测定方法及指标1.坍落度（Slump）测定

混凝土拌合物坍落度的测定根据坍落度的不同，可将混凝土拌合物分为4级：低塑性混凝土（坍落度值为10~40mm）、塑性混凝土（坍落度值为50~90mm）、流动性混凝土（坍落度值为100~150mm）及大流动性混凝土（坍落度值≥160mm）。2026/1/249.2.2和易性测定方法及指标2.维勃稠度（VebeConsistence）测定坍落度值小于10mm的混凝土叫做干硬性混凝土，通常采用维勃稠度仪，测定其稠度（维勃稠度）。测定的具体方法为：在筒内按坍落度试验方法装料，提起坍落度筒，在拌合物试体顶面放一透明盘，开启振动台，测量从开始振动至混凝土拌合物与压板全面接触时的时间即为维勃稠度值（单位：S）。该方法适用于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。2026/1/249.2.2和易性测定方法及指标2.维勃稠度（VebeConsistence）测定维勃稠度仪2026/1/249.2.3影响和易性的主要因素1.胶凝材料浆体胶凝材料浆体（CementitiousMaterialsPaste）是由水泥、混凝土矿物掺合料和水拌合而成的浆体，具有流动性和可塑性，它是普通混凝土拌合物工作度最敏感的影响因素。原材料一定时，坍落度主要取决于胶凝材料浆量的多少和粘度大小。只增大用水量时，坍落度加大，而稳定性降低（即易于离析和泌水），也影响拌合物硬化后的性能，所以过去通常是维持水胶比不变，调整胶凝材料浆量来满足工作度要求。2026/1/249.2.3影响和易性的主要因素2.骨料品种与品质的影响碎石比河卵石粗糙、棱角多，内摩擦阻力大，因而在水泥浆量和水灰比相同条件下，流动性与压实性要差些；石子最大粒径较大时，需要包裹的水泥浆少，流动性要好些，但稳定性较差，即容易离析；细砂的表面积大，拌制同样流动性的混凝土拌合物需要较多水泥浆或砂浆。所以采用最大粒径稍小、粒形好（片针状、非常不规则的颗粒少）、级配好的粗骨料；细度模数偏大的中粗砂、砂率稍高、水泥浆体量较多的拌合物，其工作度的综合指标较好。2026/1/249.2.3影响和易性的主要因素3.砂率砂率（SandRatio）是指混凝土拌合物砂用量与砂石总量比值的百分率。在混凝土拌合物中，是砂子填充石子（粗骨料）的空隙，而水泥浆则填充砂子的空隙，同时有一定富余量去包裹骨料的表面，润滑骨料，使拌合物具有流动性和易密实的性能。

含砂率与坍落度的关系

含砂率与水泥用量的关系2026/1/249.2.3影响和易性的主要因素4.水泥与外加剂的影响与普通硅酸盐水泥相比，采用矿渣水泥、火山灰水泥的混凝土拌合物流动性较小。但是矿渣水泥的保水性差，尤其气温低时泌水较大。在拌制混凝土拌合物时加入适量外加剂，如减水剂、引气剂等，使混凝土在较低水灰比、较小用水量的条件下仍能获得很高的流动性。例如拌制混凝土拌合物时加入引气剂，一方面，气泡包含于水泥浆中，相当于浆体的一部分，使浆体量增大；另一方面，小的气泡在混凝土中还可以起滚珠润滑作用，同时，封闭的气泡提高混凝土拌合物的稳定性，工作性会因此得到改善。2026/1/249.2.3影响和易性的主要因素5.矿物掺合料矿物掺合料不仅自身水化缓慢，优质矿物掺合料还有一定的减水效果，同时还减缓了水泥的水化速度，使混凝土的工作性更加流畅，并防止泌水及离析的发生。6.搅拌作用的影响不同搅拌机械拌合出的混凝土拌合物，即使原材料条件相同，工作度仍可能出现明显的差别。2026/1/249.2.3影响和易性的主要因素7.时间和温度搅拌后的混凝土拌合物，随着时间的延长而逐渐变得干稠，坍落度降低，流动性下降，这种现象称为坍落度损失，从而使和易性变差。其原因是一部分水已与水泥硬化，一部分被水泥骨料吸收，一部分水蒸发，以及混凝土凝聚结构的逐渐形成，致使混凝土拌合物的流动性变差。混凝土拌合物的和易性也受温度的影响，因为环境温度升高，水分蒸发及水化反应加快，相应使流动性降低。因此，施工中为保证一定的和易性，必须注意环境温度的变化，采取相应的措施。2026/1/249.2.4改善混凝土和易性的措施针对如上影响混凝土和易性的因素，在实际施工中，可采取如下措施来改善混凝土的和易性：采用合理砂率，可改善和易性，同时可控制胶凝材料浆量，提高混凝土的耐久性。1掺加化学外加剂与优质矿物掺合料，改善、调整拌合物的工作性，以满足施工要求。3控制各材料投料顺序、适度的搅拌时间以及环境温度，以保证混凝土良好的和易性。5改善骨料粒形与级配，尽可能采用良好级配与粒形的骨料，并尽量采用中粗砂。2当混凝土拌合物坍落度太小时，保持水胶比不变，适当增加水与胶凝材料用量；当坍落度太大时，保持砂率不变，适当增加砂、石骨料用量。4混凝土拌合物运输应采用搅拌运输车运送，在运输中应以最少的运转次数、最短的时间从搅拌地点运至浇筑地点，并保证在运输过程中混凝土拌合物不发生离析、分层现象。62026/1/249.2.5拌合物浇筑后的性能浇筑后至初凝期间约几个小时，拌合物呈塑性和半流体状态，各组分间由于密度不同，在重力作用下相对运动，骨料与水泥下沉、水上浮。于是出现下面所列的现象：1.离析（Segregation）离析是在运输浇筑过程中，水泥浆上浮，骨料下沉的现象。离析导致混凝土不均匀，蜂窝麻面，如图所示。离析有两种形式：（1）粗骨料有从拌合物中分离出来的倾向，多发生于水泥用量少的混凝土中。（2）水泥浆有从拌合物中分离出来的倾向，多发生于水灰比比较大的混凝土中。2026/1/249.2.5拌合物浇筑后的性能离析造成的混凝土质量缺陷2.泌水（Bleeding）出现两个问题：首先顶部或靠近顶部的混凝土因水分大，形成疏松的水化物结构，常称浮浆，这对路面的耐磨性，对分层连续浇筑的桩、柱等产生不利影响；其次，上升的水积存在骨料和水平钢筋的下方形成水囊，加剧水泥浆与骨料间过渡区的薄弱程度，明显影响硬化混凝土的强度和钢筋握裹力；同时泌水过程中在混凝土中形成的泌水通道使硬化后的混凝土抗渗性、抗冻性下降。2026/1/249.2.5拌合物浇筑后的性能3.塑性沉降（PlasticSedimentation）拌合物由于泌水产生整体沉降，浇筑深度大时靠近顶部的拌合物运动距离长，如果沉降时受到阻碍，例如遇到钢筋，则沿与钢筋垂直的方向，从表面向下至钢筋处产生塑性沉降裂缝。4.塑性收缩（PlasticShrinkage）到达顶部的泌出水会蒸发掉，如果泌水速度低于蒸发速度，表面混凝土含水减少，由于干缩引起塑性状态下的裂缝。2026/1/249.2.5拌合物浇筑后的性能浇筑后必须尽快开始（初凝前）并在最初几天内注意养护，养护方法有：（1）在混凝土表面喷洒水或蓄水养护。（2）用风障或遮阳棚保护混凝土表面。（3）用塑料膜覆盖或喷养护剂避免水分散失。5.减小泌水及其影响的办法引起泌水多的主要原因是骨料的级配不良及缺少30mm以下的颗粒。增加砂子用量可以弥补，但如果砂太粗或无法增大砂率时，使用引气剂是个有效的办法；用硅灰、增大粉煤灰用量都是解决措施。用二次振捣也是减小泌水影响，避免塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝的有效措施。应该注意减水剂添加过多时，也易引发泌水。2026/1/249.2.6混凝土拌合物的流变学常识流变学是研究物体流动和变形的科学，主要研究力、形态及时间的关系。新拌混凝土有两个重要的流变学参数，即屈服剪切应力和塑性黏度。屈服剪切应力是使材料发生变形所需的最小应力，是表征新拌混凝土流动能力的参数。混凝土坍落度值越小，表明混凝土拌合物的屈服值越大，在较小的应力作用下越不易变形。影响新拌混凝土屈服值的主要因素有用水量、水胶比和化学外加剂。塑性黏度是反映作用应力与流动速度之间关系，是表征新拌混凝土流动速度的参数。坍落度大致相同，塑性黏度大，混凝土拌合物流动和变形速度慢。随着水胶比降低、胶凝材料用量增多，混凝土拌和物塑性黏度有增大的趋向。特别是使用塑化剂减少单位体积用水量时，黏性较不掺塑化剂且坍落度相同的混凝土拌合物明显增大，造成泵压增大，可泵性变差。在混凝土中添加化学外加剂可以有效减小屈服剪切应力，但不能有效降低塑性黏度。引气技术可以降低塑性黏度，但影响混凝土强度。近年的研究发现石灰石超细粉对降低低水胶比混凝土拌和物塑性黏度效果明显。2026/1/2437第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78652026/1/249.3.1混凝土的受压破坏机理硬化后的混凝土在未受外力作用之前，由于水泥水化造成的物理收缩和化学收缩引起砂浆体积的变化，或者因泌水在骨料下部形成水囊，而导致骨料界面可能出现界面裂缝，在施加外力时，微裂缝处出现应力集中，随着外力的增大，裂缝就会延伸和扩展，最后导致混凝土破坏。混凝土的受压破坏实际上是裂缝的失稳扩展到贯通的过程。混凝土裂缝的扩展可分为如图所示的四个阶段。每个阶段的裂缝状态示意图如图所示。2026/1/249.3.1混凝土的受压破坏机理混凝土受压变形曲线Ⅰ—界面裂缝无明显变化

Ⅱ—界面裂缝增长

Ⅲ—出现砂浆裂缝和连续裂缝Ⅳ—连续裂缝迅速发展

Ⅴ—裂缝缓慢发展

Ⅵ—裂缝迅速增长不同受力阶段裂缝示意图2026/1/249.3.2混凝土的力学性能

1.混凝土的立方体抗压强度2026/1/249.3.2混凝土的力学性能

1.混凝土的立方体抗压强度2026/1/249.3.2混凝土的力学性能混凝土立方体抗压标准强度是指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强度总体分布中具有不低于95％保证率的抗压强度值，用表示。混凝土强度等级是按照立方体抗压标准强度来划分的。混凝土强度等级用符号C与立方体抗压强度标准值（以MPa计）表示，按照《混凝土结构设计标准》（GB/T50010-2010）规定，普通混凝土划分为14个等级，即：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。2.混凝土立方体抗压标准强度与强度等级2026/1/249.3.2混凝土的力学性能不同工程或用于不同部位的混凝土，其强度等级要求也不相同，一般是：（1）C15—用于垫层、基础、地坪及受力不大的结构。（2）C20~C25—用于梁、板、柱、楼梯、屋架等普通钢筋混凝土结构。（3）C25~C30—用于大跨度结构、要求耐久性高的结构、预制构件等。（4）C40~C45—用于预应力钢筋混凝土构件、吊车梁及特种结构等，用于25~30层高层建筑。（5）C50~C60—用于30~60层以上高层建筑。（6）C60~C80—用于高层建筑，采用高强混凝土。（7）C80~C120—用于超高层建筑和摩天大楼，采用超高强混凝土。2.混凝土立方体抗压标准强度与强度等级2026/1/249.3.2混凝土的力学性能混凝土强度等级是采用立方体试件确定的。在结构设计中，考虑到受压构件是棱柱体（或是圆柱体），而不是立方体，所以采用棱柱体试件比用立方体试件更能反映混凝土的实际受压情况。由棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。国家标准规定采用150mm×150mm×300mm的标准棱柱体试件进行抗压强度试验，也可采用非标准尺寸的棱柱体试件。当混凝土强度等级小于C60时，用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，其值为对200mm×200mm×400mm的试件为1.05；对100mm×100mm×300mm试件为0.95。当混凝土强度等级大于C60时宜采用标准试件；使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。通过多组棱柱体和立方体试件的强度试验表明：在立方体抗压强度10~55MPa的范围内，轴心抗压强度和立方体抗压强度之比为0.70~0.80。3.混凝土轴心抗压强度2026/1/249.3.2混凝土的力学性能在混凝土试件上施加垂直于其轴向的拉力，在试件中心产生应力集中，随着载荷不断增加，试件中心出现裂纹，并逐渐向两侧扩展，最终导致试件破坏。这种破坏模式称为“劈裂破坏”。采用轴心受拉检测混凝土的抗拉强度，由于受偏心和应力分布的影响较大，所以采用劈裂抗拉试验可以更加稳定的检测结果。我国标准规定，劈裂抗拉强度（SplittingTensileStrength）采用标准试件边长为150mm的立方体，按规定的劈裂抗拉装置检测劈拉强度。计算公式为：4.劈裂抗拉强度2026/1/249.3.2混凝土的力学性能

4.劈裂抗拉强度混凝土劈裂抗拉试验装置图1，4—压力机上、下压板；2—垫条；3—垫层；5—试件2026/1/249.3.2混凝土的力学性能

5.混凝土抗折强度混凝土抗折试验示意图2026/1/249.3.2混凝土的力学性能

5.混凝土抗折强度2026/1/249.3.2混凝土的力学性能（1）水胶比（2）水泥品种（3）外加剂与矿物掺合料（4）温度和湿度（5）骨料（6）龄期的影响6.影响混凝土强度的因素7.提高混凝土强度的措施（1）降低水胶比（2）级配好，泥、泥块等有害杂质少以及针、片状颗粒含量较少的粗、细骨料，有利于降低水胶比，可提高混凝土的强度。（3）掺用混凝土外加剂、掺合料。（4）加强养护。（5）龄期。（6）搅拌、振捣等施工方法2026/1/2450第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78659.4.1化学收缩1.学收缩是由于水泥水化产物总体积小于水化前反应物总体积产生的，不可恢复，收缩量随龄期延长而增加，大致与时间对数成正比，40d内收缩量增加较快，收缩值约为（40~100）×10⁻⁶mm/mm，会使混凝土内部产生细微裂缝，影响其承载和耐久性能。2.高性能混凝土（HPC）水胶比较低，水化反应程度受限，化学收缩相对较小。3.配制HPC时加入矿物细掺料如粉煤灰，其在水化初期不参与反应，可填充空隙减少收缩；后期粉煤灰中的SiO₂和Al₂O₃与Ca（OH）₂发生二次水化反应生成C-S-H凝胶，弥补收缩，因二次水化反应速率慢，粉煤灰在控制HPC早期和后期化学收缩方面作用显著。9.4.2温度变形混凝土存在温度变形，温度线膨胀系数为（1~1.5）×10^-5mm/（mm·℃），且内部与外部温差会影响其变形，硬化期间水化放热温升膨胀，降温时收缩变形，受约束易产生拉应力导致开裂。1混凝土热膨胀系数约为（6~12）×10^-6/℃，温度下降15℃，冷收缩率量达150×10^-6，弹性模量21GPa时，完全约束下弹性拉应力3.1MPa，易超极限抗拉强度引发冷缩开裂。2大体积混凝土内部温度高，内外温差大，内部膨胀外部收缩相互制约，外层混凝土产生大拉应力，易裂缝，需减少发热量，常用方法有减少用水量和水泥用量、掺加粉煤灰等低活性掺合料、用低热水泥、预冷原材料、选热膨胀系数低骨料、埋冷却水管、合理分缝分块等。3高性能混凝土水灰比低，水泥用量大，水化放热多，温度上升快，内外温差大易表面收缩裂缝，其温度升高通常35~40℃，掺粉煤灰尤其是大掺量粉煤灰可减少水化水泥量，降低水化热量，改善温度收缩49.4.3干燥收缩混凝土干燥过程先蒸发气孔水和毛细水，气孔水蒸发不引起收缩，毛细孔水蒸发形成负压产生收缩力导致干燥收缩，毛细管弯液面负压是重要推动力，同时水泥凝胶体颗粒吸附水部分蒸发，粒子间距离变小使凝胶体紧缩。混凝土体积收缩大部分可重新吸水恢复，但有残余变形，残余收缩约为收缩量的30%~60%，在水中硬化时体积不变或轻微膨胀，因胶凝体中胶体粒子间距离增大。混凝土湿胀变形量小无损坏作用，但干缩变形危害大，极限收缩值达（50~90）×10^-5mm/mm，易使表面开裂影响耐久性，工程设计中线收缩采用（1520）×10^-5mm/mm，干缩主要是水泥石产生，降低水泥用量、减小水灰比是减小干缩的关键。高性能混凝土水泥用量大、水灰比低，水化后孔隙率低且有较多未水化水泥颗粒，这些颗粒抑制干燥收缩，使其干燥收缩小于普通混凝土。掺入优质粉煤灰或与水泥细度相仿的磨细矿渣，可随矿物掺合料含量增加而降低干燥收缩，提高耐久性。9.4.4塑性收缩塑性收缩是新拌混凝土在硬化前或终凝前，在塑性状态下由于表面水分蒸发引起的变形，一般发生在拌合后3-12小时内，在终凝前比较明显。定义及发生时间01通常发生在混凝土路面或板状结构。02常见发生部位暴露面积大的混凝土工程，若表面失水速率超泌水上升速率，产生毛细管负压，新拌混凝土表面迅速干燥而塑性收缩。此时表面较稠硬无流动性，强度不足则易开裂，常在浇捣后几小时内出现。新拌混凝土被基底或模板吸水，接触面会塑性收缩开裂，还加剧表面失水引起的开裂。高混凝土温度（水泥水化热产生）、高气温、低相对湿度、高风速等因素，单独或共同作用，都会加速新拌混凝土表面水分蒸发，使塑性收缩和开裂可能性增大。03产生原因典型的塑性收缩裂缝是相互平行的，间距约为2.5-7.5厘米，深度约为2.5-5厘米。裂缝特征04HPC在配合比设计上与普通混凝土有区别，虽采取了降低水泥用量、控制砂率、降低水胶比等措施减少收缩，但因高效减水剂添加使单位用水量显著减少，缓凝剂加入延长凝结时间，若表面因环境干燥自由水分迅速蒸发，塑性收缩裂缝难以避免。高性能混凝土（HPC）相关情况059.4.5自身收缩1.定义与条件：自收缩是混凝土初凝后，在恒温恒重条件下，随水化进行产生的体积减缩，不包括干燥、沉降、温度变化、外力等因素引起的体积变化。2.产生原因：水泥水化形成微细孔，孔中自由水量降低，产生毛细孔应力，使硬化水泥石受负压作用而收缩。3.与干缩区别：自收缩机理与干缩类似，但相对湿度降低机理不同。干缩是水分扩散到外部环境，自收缩是内部水分被水化反应消耗。阻止水分扩散到外部环境对降低自收缩效果不佳。4.水胶比影响：水胶比降低，干燥收缩减小，自身收缩加大。矿物掺合料影响：粉煤灰可有效减少自身收缩，常规掺量下比表面积在4000cm²/g以上的矿渣粉会增大自身收缩，因其活性高。5.预防措施：配合比设计时，可选更高标号水泥减水泥用量，或选合适砂率。掺入活性超细粉如硅灰和超细渣粉复合作掺合料，能有效降低HPC自收缩率，降幅达30%。9.4.6荷载作用下的变形变形特性：混凝土是弹塑性体，受力时既有弹性变形又有塑性变形，应力应变关系为曲线。加荷至A点卸载后，弹性应变可恢复，塑性应变不可恢复。反复荷载影响：低应力重复荷载下，初期每次卸载有塑性变形残留，但随重复次数增加，塑性增量减小，曲线最终稳定于与初始切线大致平行的A'C'线。高应力重复荷载时，塑性应变随重复次数增加而增加，导致混凝土疲劳破坏。混凝土的变形模量定义与作用：应力应变曲线上任一点的应力与应变比值即变形模量，反映应力与应变关系，在计算钢筋混凝土变形、裂缝开展及大体积混凝土温度应力等时需用到。弹性模量特点：静力受压弹性模量试验中，应力在0.40水平多次反复加荷卸荷后，所得曲线与初始切线大致平行，此时变形模量即弹性模量，与tanα相近。9.4.6荷载作用下的变形徐变现象：恒定荷载长期作用下，变形随时间增长，23年趋于稳定。受荷载后先产生瞬时变形，以弹性变形为主，随后徐变增长，初期快后期慢，一般为瞬时变形的24倍。卸载后部分变形瞬时恢复、部分逐渐恢复，但大部分为残余变形徐变机理：水泥石中凝胶体在长期荷载下黏性流动，凝胶孔水向毛细孔迁移导致。早龄期水泥水化不充分，凝胶体多、毛细孔多，徐变发展快；晚龄期水泥硬化，凝胶体、毛细孔减少，徐变发展慢。徐变影响：可消除钢筋混凝土内部应力集中，使应力均匀分布，对大体积混凝土能消除部分温度变形破坏应力，但预应力钢筋混凝土结构中会使钢筋预加应力损失，影响承载能力。影响因素：荷载大小、持续时间、混凝土组成特性、环境温湿度等，根本因素是水灰比与水泥用量，水泥用量大、水灰比大，徐变大，徐变通常与强度相反。高性能混凝土徐变小，因其水胶比低、硬化浆体刚性大，且初期荷载后徐变增长平缓。2026/1/2458第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78659.5.1混凝土的抗渗性定义：混凝土材料抵抗压力水渗透的能力称为抗渗性。意义：抗渗性是决定混凝土耐久性的最基本因素。水渗透到混凝土内部是导致钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱骨料反应等混凝土品质劣化原因的破坏前提，水会直接导致膨胀和开裂，或者作为侵蚀性介质扩散进入混凝土内部的载体。抗渗性的衡量指标：混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，共有P4、P6、P8、P10、P12五个等级。提高抗渗性的途径：影响混凝土抗渗性的根本因素是孔隙率和孔隙特征，混凝土孔隙率越低，连通孔越少，抗渗性越好。具体提高措施：增大混凝土的密实度、改变混凝土中的孔隙结构、减少连通孔隙、降低水灰比（水胶比）、选择好的骨料级配、充分振捣和养护、掺用引气剂和优质粉煤灰掺合料、保证混凝土施工质量等均为提高混凝土的抗渗性的有效措施。9.5.2混凝土的抗冻性定义：混凝土的抗冻性是指混凝土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。冻融破坏机理：混凝土是多孔材料，内部含水。水在负温下结冰，体积膨胀约9%，而水泥浆体及骨料低温下收缩。冻融循环下，混凝土结构受结冰体积膨胀造成的静水压力和因冰水蒸气压差别推动未冻结水向冻结区迁移所造成的渗透压力。当这两种压力产生的内应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝，多次冻融循环使裂缝不断扩展直至破坏。混凝土的密实度、孔隙构造和数量，以及孔隙的充水程度是决定抗冻性的重要因素，密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土抗冻性较高。抗冻等级表示方法：抗冻性用抗冻等级表示，抗冻试验有慢冻法和快冻法两种。9.5.2混凝土的抗冻性破坏机理：渗透压增大导致混凝土孔隙饱和吸水度提高，结冰压增大。不断积累的盐结晶压力。梯度使受冻时因分层结冰产生应力差。破坏特征：破坏从表面开始，逐渐向内部发展，表面砂浆剥落，骨料暴露。剥落层内部的混凝土保持坚硬完好。这种破坏非常快，少则一冬，多则数冬，可产生严重剥蚀破坏。剥蚀表面及裂纹内可见白色粉末（NaCl晶体）。主要预防措施：混凝土必须引气，含气量应在5%。要使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。掺粉煤灰、矿渣时注意降低水胶比，但不提倡掺硅灰。适当增加保护层厚度。9.5.3碳化与钢筋锈蚀01碳化定义碳化是二氧化碳与水泥石水化产物在有水条件下反应生成碳酸钙和水的过程，是二氧化碳向混凝土内部扩散的渐进过程。碳化会使混凝土pH值从12-13降至8.5-10，接近中性，碳化程度以碳化深度衡量。02混凝土保护钢筋不生锈的原因混凝土孔隙孔溶液含大量Na+、K+、OH-及少量Ca2+等离子，OH-浓度高，pH值大。在强碱环境下，钢筋表面生成厚2-6nm的致密钝化膜，阻碍电化学反应，使钢筋难以锈蚀。钝化膜一旦被破坏，且周围有水分和氧时，钢筋就会锈蚀。03混凝土碳化的影响降低碱度：减弱对钢筋的保护作用。引起收缩：易使混凝土表面产生微细裂纹，抗拉和抗折强度下降。分解水化产物：水泥石中的水化产物会分解。提高抗压强度：混凝土抗压强度有所提高。造成收缩：使混凝土产生收缩。04影响碳化的因素外部环境二氧化碳浓度：浓度越高，碳化越快。工业排放二氧化碳量上升导致城市建筑混凝土碳化速度加快。环境湿度：相对湿度50%-75%时，碳化速度最快，水分是碳化反应的必需条件。混凝土内部因素水泥品种与掺合料用量：硅酸盐水泥熟料成分减少、掺合料用量增加，碳化加快。混凝土密实度：水胶比降低、孔隙率减少，二氧化碳气体和水不易扩散，碳化速度减慢。9.5.4抗侵蚀性当混凝土所处使用环境中有侵蚀性介质时，混凝土很可能遭受侵蚀，通常有软水侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀、碳酸侵蚀、一般酸侵蚀与强碱腐蚀等，其机理在水泥部分章节中已作讲解。随着混凝土在海洋、盐渍、高寒等环境中的大量使用，对混凝土的抗侵蚀性（CorrosionResistance）提出了更严格的要求。混凝土的抗侵蚀性受胶凝材料的组成、混凝土的密实度、孔隙特征与强度等因素影响。9.5.5碱-骨料反应碱-骨料反应是指混凝土中的碱性氧化物（如Na2O、K2O）与骨料中的活性SiO2或活性碳酸盐发生化学反应，生成碱-硅酸盐凝胶或碱-碳酸盐凝胶。这些凝胶在吸水后体积膨胀超过3倍，导致混凝土开裂和破坏。近年来，尤其在潮湿环境中，碱-骨料反应已对许多结构物（如桥梁、大坝、堤岸等）造成严重损害。碱-骨料破坏的特征

开裂时间：一般在混凝土浇筑后两三年或更长时间发生。

裂缝特征：常见顺筋开裂和网状龟裂。

裂缝边缘：出现凹凸不平现象。

湿度影响：越潮湿的部位反应越强烈，膨胀和开裂破坏越明显。

凝胶析出：裂缝处常有透明、淡黄色或褐色凝胶析出。碱-骨料病害的预防措施（1）不使用碱活性骨料。（2）限制碱含量（3）掺用矿物细粉（4）使用引气剂（5）保持干燥9.5.6提高混凝土耐久性的主要措施与要求1.减少拌和水及胶凝材料浆体用量具体措施：选用良好级配和粒形的粗骨料。添加高效减水剂。添加低需水量比的矿物掺合料。降低水固比和浆骨比。2.选择合理的胶凝材料体系3.降低水胶比4.合理使用水泥5.掺用引气剂6.控制混凝土总碱含量和氯离子含量7.加强混凝土质量的生产控制8.其他注意事项：不宜追求高强度尤其是高早强。注意控制混凝土拌合物的浇注温度。2026/1/2466第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78659.6.1混凝土强度的质量控制混凝土强度波动规律：一般接近正态分布曲线，曲线高峰为混凝土平均强度的概率，以平均强度为对称轴左右两边曲线对称。曲线窄而高表示强度测定值集中、波动小、均匀性好、施工水平高；曲线宽而矮则强度值离散程度大、均匀性差、施工水平低。评定混凝土质量的统计参数：强度平均值：代表混凝土强度总体的平均水平，但不反映强度波动情况。标准差σ：又称均方差，表明分布曲线拐点距强度平均值的距离，σ越大，强度离散程度越大，混凝土质量越不稳定。变异系数：又称离散系数，是混凝土质量均匀性的指标。9.6.1混凝土强度的质量控制混凝土强度保证率：指在混凝土总体中，强度不小于设计要求的强度等级标准值的概率P（%）。生产管理水平划分：我国《混凝土强度检验评定标准》规定，根据统计周期内混凝土强度标准差σ值和保证率P（%），可将混凝土生产单位的生产管理水平划分为优良、一般及差三个等级。混凝土配制强度：按设计的强度等级配制混凝土，其强度保证率只有50％。为满足规定的强度保证率要求，在设计混凝土配合比时，配制强度需高于混凝土设计要求强度。相关标准规定：《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）规定，工业与民用建筑及一般构筑物所采用的普通混凝土的强度保证率为95％，此时t=-1.645，代入公式可得具体配制强度计算公式。9.6.2混凝土强度的评定混凝土强度检验评定需分批进行，一个验收批由强度等级、龄期、生产工艺条件和配合比基本相同的混凝土组成。当生产条件稳定且标准差已知时，由连续三组试件组成验收批，强度需满足特定公式要求。若生产条件不稳定或无足够数据确定标准差，需不少于10组试件组成验收批，强度也需满足相应公式。标准差计算有特定公式，当样本容量小于10组时，采用非统计方法评定。对不合格批混凝土要按标准处理，对试件强度代表性有怀疑时，可采用钻取试样或非破损检验方法推定强度。回弹法是我国常用非破损检测方法，但因现代混凝土结构表面与内部差异，其准确性受影响，还可使用回弹超声综合法、钻芯法等测定强度。2026/1/2470第九章现代混凝土1234概述新拌混凝土性能混凝土的力学性能混凝土的变形混凝土的耐久性混凝土的质量控制与强度评定混凝土的配合比设计高性能混凝土的技术要点及工程实例CONTENTS78659.7.1普通混凝土配合比的设计原则混凝土配合比的设计应遵循强度适宜、良好工作性、固定低用水量和良好保水性等原则，以确保混凝土的性能和经济性。1.强度适宜原则2.良好工作性原则3.固定低用水量原则4.良好保水性原则5.经济性原则通过遵循以上原则，混凝土配合比的设计可以有效地满足工程的技术要求和经济效益，为混凝土工程的成功实施提供保障。9.7.2普通混凝土配合比设计的三个参数011.水灰比（WaterCementratio）混凝土中水与水泥的比例称为水灰比。如前所述，水灰比对混凝土的和易性、强度和耐久性都具有重要的影响，022.砂率（SandRatio）砂子占砂石总质量的百分率称为砂率。砂率对混合料的和易性影响较大，若选择不恰当，还会对混凝土的强度和耐久性产生影响033.用水量（WaterContent）用水量是指1m3混凝土拌合物中水的用量（kg/m3）。在水灰比确定后，混凝土中单位体积用水量也表示水泥浆与骨料之间的比例关系。9.7.3相关标准关于水胶比、掺合料和含气量的规定011.水灰比（WaterCementratio）混凝土中水与水泥的比例称为水灰比。如前所述，水灰比对混凝土的和易性、强度和耐久性都具有重要的影响，022.砂率（SandRatio）砂子占砂石总质量的百分率称为砂率。砂率对混合料的和易性影响较大，若选择不恰当，还会对混凝土的强度和耐久性产生影响033.用水量（WaterContent）用水量是指1m3混凝土拌合物中水的用量（kg/m3）。在水灰比确定后，混凝土中单位体积用水量也表示水泥浆与骨料之间的比例关系。9.7.4混凝土配合比设计步骤4321混凝土初步配合比计算应按下列步骤进行：①计算配制强度，并求出相应的水胶比；②选取每立方米混凝土的用水量，并计算出每立方米混凝土的水泥和掺合料用量；③选取砂率，计算粗骨料和细骨料的用量，并提出供试配用的初步配合比。1.初步配合比计算4.配合比的确定2.混凝土的试配在计算配合比的基础上应进行试拌。计算水胶比宜保持不变，并应通过调整配合比或减水剂用量使混凝土拌合物性能符合设计和施工要求，然后修正计算配合比，提出试拌配合比。3.配合比的调整9.7.5塑性混凝土配合比设计的实例1.初步配合比的确定（1）配制强度的确定（2）确定水胶比（W/B）（3）确定单位用水量（4）计算胶凝材料用量（5）确定砂率（6）计算砂石用量2.配合比的调整（1）和易性的调整（2）强度校核（3）表观密度的矫正（4）施工配合比9.7.6泵送混凝土配合比设计的实例根据泵送混凝土的工艺特点，确定泵