第5章 混凝土结构

第5章混凝土§5-1普通混凝土的组成材料§5-2混凝土拌合物的性能§5-3硬化后混凝土的性能§5-4混凝土的质量控制及配合比设计§5-5其他种类混凝土§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土的定义

是以胶凝材料与粗、细骨料和其它外掺材料按比例混合，经搅拌、成型、养护硬化而成的人工石材。混凝土的分类按密度ρ

分重混凝土：ρ

>

2700kg/m3普通混凝土：ρ

=1900~2500kg/m3轻混凝土：ρ

<600~1900kg/m3特轻混凝土：ρ

<600

kg/m3§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土的分类按胶材分水泥混凝土沥青混凝土水玻璃混凝土聚合物混凝土按强度分普通混凝土：强度等级C7.5~C60MPa高强度混凝土：强度等级C60~C100MPa超高强度混凝土：大于C100MPa§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土的分类按用途分结构混凝土装饰混凝土防水混凝土防辐射混凝土耐酸混凝土道路混凝土按增强材料和增强方式分素混凝土钢筋混凝土预应力钢筋混凝土钢纤维混凝土钢丝网混凝土§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土的优缺点

优点：性能变化的范围大凝结前，良好的可塑性可用钢筋增强(良好结合力)主要构成材料可就地取材高强、耐水、耐久利用工业废料，利于环保

缺点：自重大抗拉强度小，易开裂硬化前，养护期较长传热快悉尼歌剧院混凝土异形屋面§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土的组成及各组成材料的作用水水泥水泥浆：硬化前的流动性；粘结；填充石子砂骨料：构成骨架；填充；抑制干缩；节约水泥§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料水泥

水泥品种的选择

根据混凝土工程的性质、部位、施工条件、环境状况、材料供应等，按各品种水泥的特性作出合理的选择。

水泥强度等级的选择一般情况：（1.5~2.0）混凝土的强度等级标准值高强度混凝土：（0.9~1.5）混凝土的强度等级标准值高强度等级的水泥配制低强度等级的混凝土：加外掺料（粉煤灰……）思考：对于大坝混凝土、海工混凝土、道路混凝土、市政排污管道等，分别宜选择什么品种的水泥？§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料实例分析：道路水泥混凝土质量与水泥选用

请观察此使用一年多的水泥混凝土道路表面(如下图)，该水泥混凝土选用普通硅酸盐水泥，其熟料矿物组成分别为C3S53％，C2S25％，C3A15％，C4AF7％。请从水泥的角度分析其选用有否不当之处。水泥混凝土道路表面

该路面磨损较严重，已出现较多裂纹。可见表面水泥砂浆层干缩较大、耐磨性较差。

从资料可见，所选用的水泥熟料矿物组成中C3A含量较高，当水泥中C3A含量较高，其耐磨性较差、干缩较大，可见选用水泥不当。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料骨料

骨料总体积占混凝土体积的60％～80％，按粒径大小分为粗骨料和细骨料。骨料的技术性质颗粒级配及粗细程度颗粒形态和表面特征强度、坚固性含泥量有害物质及碱集料反应§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料细骨料（砂）粒径4.75mm以下的集料称为细骨料，俗称砂。天然砂是由于自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。人工砂是经除土处理的机制砂、混合砂的统称。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料砂的颗粒级配及粗细程度分计筛余和累计筛余的关系Sievehole(mm)Unitscreenresidue(%)Cumulativescreenresidue(%)4.752.361.180.60.30.15Mx=3.7-3.1,粗砂；

Mx=3.0-2.3,中砂;Mx=2.2-1.6,细砂；Mx=1.5-0.7,特细砂。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料Holesize(mm)IIIIII9.500004.7510~010~010~02.3635~525~015~01.1865~3550~1025~00.6085~7170~4140~160.3095~8092~7085~550.15100~90100~90100~90砂颗粒级配区宜使用Ⅱ区级配的砂配制混凝土。混凝土配合比设计中，砂的级配及粗细程度直接影响砂率的取值Cumulative

screen

residue(%)Gradingzones§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料砂的级配区曲线§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料粗骨料

粒径大于4.75mm的集料称为粗骨料，俗称石。常用的有碎石及卵石。卵石和碎石颗粒的长度大于该颗粒所属相应粒级的平均粒径2.4倍者为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.4倍者为片状颗粒（平均粒径指该粒级上、下限粒径的平均值）。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料讨论：石子形状对混凝土性能的影响请观察下图中A、B、C三种石子的形状有何差别，分析其对拌制混凝土性能会有哪些影响。A为碎石1，针片状颗粒含量较多。其比表面积大，不仅影响混凝土和易性，还会影响强度。B为碎石2，表面较粗糙，多棱角，比表面积较碎石1小，拌制混凝土时的性能优于碎石1。C为卵石，表面光滑、少棱角，比表面积较小。故拌制混凝土时所需水泥量较小。混凝土拌合物的和易性较好。但卵石与水泥石粘结力会较差。在相同条件下，混凝土强度较低。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料

粗骨料的颗粒级配

依据：过筛孔直径2.5~100mm的12个筛，计算而得的12个累计筛余率。

连续级配：

颗粒从大至小连续分级，每一级都占适当的比例。搭配较好；和易性好；不发生离析。

间断级配：

有意剔去某些中间粒级。颗粒干扰小；空隙率大，节约水泥；易于离析。连续级配间断级配§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料强度和坚固性

岩石的抗压强度混凝土强度等级≥C60时才检验。将母岩制成边长为50mm立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下测定的极限抗压强度。

碎石压碎指标项目指标≧C60C55-C30≤C25碎石压碎指标值，<102030卵石压碎指标值，<121616§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料碱骨料反应集料中含碱活性矿物混凝土中高碱含量潮湿环境裂纹

细裂缝中黄白色至透明的凝胶的主要成分为Si、Ca和K、Na，碱-硅酸反应的产物——碱-硅酸凝胶（吸水膨胀）。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料讨论：循环利用建筑垃圾制备再生骨料废弃沥青路面材料废弃混凝土《GBT25177-2010》混凝土用再生粗骨料《SB/T11177-2016》废混凝土再生技术规范《JGJ000-2016》再生混凝土结构技术规程§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土拌和及养护用水混凝土拌合用水饮用水地表水地下水再生水混凝土企业设备洗刷水海水指污水经适当再生工艺处理后具有使用功能的水

混凝土拌合用水

混凝土拌合用水不可用水：

污水；PH<4.5的水；含油、糖类的水；

海水（除素混凝土）；含硫酸盐的水。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料

混凝土拌合用水水质要求注：(1)对于设计使用年限为100年的结构混凝土，氯离子含量≤500mg/L；对使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量≤350mg/L。

(2)碱含量按Na2O+0.658K2O计算值来表示。采用非碱活性骨料时，可不检验碱含量。项目预应力混凝土钢筋混凝土素混凝土

PH值≥5.0≥4.5≥4.5不溶物（mg/L）≤2000≤2000≤5000可溶物（mg/L）≤2000≤5000≤10000氯离子（mg/L）≤500≤1000≤3500硫酸根离子（mg/L）≤600≤2000≤2700碱含量（mg/L）≤1500≤1500≤1500§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料混凝土养护用水混凝土养护用水可不检验不溶物和可溶物，其他检验项目应符合混凝土拌合用水的水质技术要求和放射性技术要求的规定。混凝土养护用水可不检验水泥凝结时间和水泥胶砂强度。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料实例分析：含糖份水使混凝土两天仍未凝结某糖厂建宿舍，以自来水拌制混凝土，浇筑后用曾装食糖的麻袋覆盖于混凝土表面，再淋水养护。后发现该水泥混凝土两天仍未凝结，而水泥经检验无质量问题。

由于养护水淋于曾装食糖的麻袋，养护水已成糖水，而含糖的水对水泥的凝结有抑制作用，故使混凝土凝结异常。现象§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料外加剂

定义：

在混凝土拌合物中掺入量一般不大于水泥质量5％、能改善混凝土拌合物或硬化后混凝土性质的材料。

外加剂的分类

改善拌合物的和易性：减水剂、泵送剂

调节凝节时间和硬化性能：早强剂、缓凝剂、速凝剂

改善砼耐久性：引气剂、防水剂、阻锈剂、矿物外加剂

提供特殊性能：加气剂、着色剂、膨胀剂、防冻剂§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料减水剂

减水剂作用机理——对水泥浆絮凝结构的分散C3A颗粒表面带正电荷，C3S和C2S带负电荷；絮凝结构会使10%~30%的自由水包裹其中。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料没加减水剂的水泥浆加减水剂后的水泥浆§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料常用减水剂的分类常用减水剂名称分类适宜掺量是否引气木质素磺酸钙（MG）普通0.2%~0.3%是萘系减水剂（FDN、NNO、NF、UNF）高效0.5%~1.2%否树脂系减水剂（SM）高效0.5%~2.0%否氨基磺酸盐减水剂高效0.2%~1.0%否聚羧酸高效减水剂高效0.05%~0.3%轻微§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料常用减水剂的减水率常用减水剂名称缓凝、早强减水率强度提高木质素磺酸钙（MG）缓凝约10%8%~10%萘系减水剂（FDN、NNO、NF、UNF）早强15%~30%10%以上树脂系减水剂（SM）早强20%以上7d强度可达基准28d强度氨基磺酸盐减水剂早强17%~32%早期强度增长更快聚羧酸高效减水剂轻微缓凝25%~35%最高40%良好的增强作用§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料常用减水剂的应用及优点常用减水剂名称主要应用、优点木质素磺酸钙（MG）夏季混凝土施工、滑模施工、大体积混凝土、泵送混凝土萘系减水剂（FDN、NNO、NF、UNF）高强、早强、流态和蒸养混凝土工程树脂系减水剂（SM）高强、早强、流态和蒸养混凝土工程氨基磺酸盐减水剂保塑性好、塌落度损失小聚羧酸高效减水剂保塑性好、塌落度损失小§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料讨论：木质素减水剂与水泥所用石膏

有两种水泥，一种以二水石膏为缓凝剂，另一种以硬石膏为缓凝剂，现以加入木质素磺酸钙减水剂的溶液配制水泥浆，请观察5min后两者凝结情况，讨论产生差别的原因。

使用无水石膏作缓凝剂的水泥，加入木质素作为减水剂或稠密减水剂时会产生速凝现象。因无水石膏在木钙或糖钙溶液中硫酸钙溶解量下降，无法抑制C3A的水化，使C3A迅速水化，从而导致水泥浆速凝。故以硬石膏为缓凝剂的水泥不宜使用含木质素磺酸盐的减水剂。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料实例分析：斜拉索内水泥浆不凝结

广州某斜拉桥使用6年后其中一根拉索突然坠落，经检查拉索内钢丝严重腐蚀，这是由于拉索内上部水泥浆体长时间不凝结而产生电化学腐蚀所致。该水泥浆的FDN减水剂使用量为水泥质量的0.8%。请分析上段浆体长时间不凝结的原因。水泥砂浆水灰比不当，FDN减水剂掺量过大，导致砂浆泌水严重。斜拉索灌浆后即被密封，拉索上部泌出的水无法有效蒸发，致使上段浆体处于长期稀浆状态，故6年仍未凝结。现象§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料引气剂

常用引气剂——松香类引气剂、木质素磺酸盐引气剂等；

作用——改善混凝土和易性、抗冻性、抗渗性，但强度降低；

气泡特征——大量、分散、独立、微小、均匀；

掺量：0.005%~0.012%。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料早强剂在低温和负温条件下降低冰点，使拌合物中的水分不会很快结冰，使水泥继续水化，促进强度发展，以抵抗冰膨胀。多用于冬期施工和抢修工程。分类——主要有氯盐类、硫酸盐类、有机胺类。CH-Ca(OH)2§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料形成新的水化加速水化加速水泥的溶解提高早起强度

其适宜掺量为水泥质量的0.5%～1.0%。

能促进火山灰反应，对于混合材水泥也有促凝早强作用。

能使混凝土3d强度提高50％～100％，7d强度提高20％～40％，同时能降低了冰点，防止混凝土早期受冻。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料掺合料

粉煤灰

从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰。其有“三大效应”——

活性效应、形态效应、微集料效应。粉煤灰SEM照片

(ScanningElectronMicroscope)思考：上述三大效应对混凝土的工作性、强度和耐久性有何影响？§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料思考：上述三大效应对混凝土的工作性、强度和耐久性有何影响？

粉煤灰的活性效应和胶凝作用：粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3与Ca(OH)2发生火山灰反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙胶凝体，提高了后期强度。由于火山灰反应是在水泥浆体的孔隙中进行的，显著降低了混凝土内部的孔隙率，提高了混凝土的密实度。

形态效应和减水作用：由于粉煤灰中的多数颗粒为表面光滑、致密的玻璃微珠，一般认为在新拌混凝土中，粉煤灰玻璃微珠能起到滚珠轴承般的作用，因而可以减少拌合物的内磨擦力，起到增大流动度和减水的作用。

微集料效应：粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰细微颗粒均匀分布于水泥浆体之中，这些细微颗粒会成为大量水化物沉积的核心，改善了混凝土拌合物的流动性。随着水化龄期的进展，这些细微颗粒及其水化反应产物可以不断填充水泥石孔隙，提高了混凝土的密实度。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料掺合料

粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣粉（简称矿渣粉）是指符合GB/T203标准规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）达到相当细度且符合相应活性指数的粉体。思考：矿渣粉的颗粒形态与粉煤灰的有何区别？对混凝土的工作性有何影响？§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料思考：矿渣粉的颗粒形态与粉煤灰的有何区别？对混凝土的工作性有何影响？

与粉煤灰相比，矿渣粉的化学组分波动更小。因此，掺矿渣粉混凝土的质量稳定性要比掺粉煤灰混凝土的质量稳定性更优。

减水性：矿渣粉之所以具有减水作用是因为它可以影响到浆体特性及其吸附性能。而对于粉煤灰来说，则主要是因为其具有较好的形态效应及尺寸效应。

含气量：粉煤灰中碳含量的差异是导致混凝土含气量波动的一个主要因素。矿渣粉中不含碳，所以不会影响混凝土含气量的稳定性。

凝结时间：掺矿渣粉混凝土的凝结时间比掺粉煤灰更短。

强度：掺矿渣粉和C级粉煤灰的混凝土强度比掺F级粉煤灰的更高。

渗透性：掺矿渣粉混凝土相比于掺F级或C级粉煤灰配制的混凝土具有更低的渗透性。

硫酸盐侵蚀及碱骨料反应：掺矿渣粉和F级粉煤灰可保护混凝土不受硫酸盐侵蚀及碱骨料反应的破坏。而C级粉煤灰则可能不具备这种能力。§5-1普通混凝土的组成材料建筑材料掺合料

硅粉

硅粉（硅灰）——在冶炼铁合金或工业硅时，由烟道排出的硅蒸气经收尘装置收集而得的粉尘。硅粉中玻璃质SiO2含量高，其比表面积约为20000m2/kg。掺入少量硅粉，可使混凝土致密、耐磨，增强其耐久性。适用于高强、超高强混凝土、活性粉末混凝土等。第5章混凝土§5-1普通混凝土的组成材料§5-2混凝土拌合物的性能§5-3硬化后混凝土的性能§5-4混凝土的质量控制及配合比设计§5-5其他种类混凝土§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料混凝土的和易性

定义

是指混凝土拌合物在一定的施工条件和环境下，是否易于各种施工工序的操作，以获得均匀密实混凝土的性能。和易性流动性粘聚性保水性坍落度定量指标观察而定定量指标

流动性:指混凝土拌合物在自重或施工机械振捣作用下产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料粘聚性

混凝土拌和物在施工过程中其组成材料之间有一定粘聚力，在运输和浇注过程中不致发生分层、离析现象使混凝土保持整体均匀的性能。离析分层组份分离不均匀骨料下沉水泥浆上浮砼拌合物粘聚性不良时，硬化后会出现蜂窝、麻面。大型的砼拌和物，甚至出现狗洞现象。粘聚性不好§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料分层离析与泌水现象及其危害

分层离析

现象：粗骨料从混凝土的水泥砂浆中分离出来的倾向与拌和物的粘聚性有关。

危害：分层离析将导致硬化后的混凝土产生蜂窝和麻面，影响均匀性。

泌水

现象：混凝土中粗骨料下沉、水分上升直到表面，这种现象叫泌水，与拌和物的保水性有关。

危害：泌水导致混凝土中粗骨料和水平钢筋下方形成水囊和水膜，降低骨料或钢筋与水泥石的粘结力；表面还会形成酥松层;在混凝土硬化体中产生泌水通道等。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料保水性骨料水可见泌水内泌水保水性差的混凝土拌和物，在施工过程中，一部分水易从内部析出至表面，在混凝土内部形成泌水通道，使混凝土的密实性变差，降低混凝土的强度和耐久性。它反映混凝土拌和物的稳定性。

混凝土拌和物在施工过程中具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料和易性的测定方法

坍落度法

流动性：坍落度S（粒径<40mm，

S>10mm）按规定方法测出的混凝土试样在坍落度桶提起后下落的尺寸。混凝土拌合物按坍落度分类：干硬性混凝土（S

<10~40mm）塑性混凝土（S

=50~90mm）流动性混凝土（S=100~150mm）大流动性混凝土（S

≥160mm）混凝土塌落度试验

粘聚性：轻击试件侧面，是否倒塌、崩溃。

保水性：是否有较多稀浆泌出。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料和易性的测定方法

维勃稠度法

测试方法：将混凝土拌合物装入坍落度筒内，捣实，装满刮平，垂直向上提起，把透明圆盘转到圆锥体顶面，振动并计时，记录当圆盘底面布满水泥浆时所用时间（维勃稠度值）。

适应范围：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。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料影响和易性的因素

水泥浆量

是指混凝土中水泥及水的总量。水泥浆量↑→流动性↑粘聚性↓→硬化后强度↓耐久性↓

水泥浆的稠度（亦即水灰比）

是指水与水泥的质量比（W/C）。W/C↑稠度↑→强度↓粘聚性↓

常用W/C范围：0.4~0.8§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料

§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料“最佳砂率”

在用水量和水泥用量不变前提下，可使混凝土拌合物获得最大流动性，且保持良好粘聚性及保水性的砂率。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料

其他材料因素

水泥品种与性质：温度（温度↑10℃，坍落度↓20~40mm）

外加剂

骨料其它条件（粒径、级配、表面情况）

环境条件现场温度、湿度、风速等。注意：坍落度的选择原则：在满足施工要求前提下，尽可能采用较小的坍落度目的：↑强度，↑密实度讨论：混凝土的凝结时间与所用水泥的凝结时间是否一致？§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料改善混凝土拌合物工作性的措施

在水灰比不变的前提下，适当增加水泥浆的用量。

采用合理砂率。

改善砂、石料的级配。一般情况下尽可能采用连续级配。

调整砂、石料的粒径。如为加大流动性可加大粒径，若欲提高粘聚性和保水性可减小骨料的粒径。

掺加外加剂。采用减水剂、引气剂、缓凝剂都可有效地改善混凝土拌合物的工作性。

尽可能缩小新拌混凝土的运输时间。若不允许，可掺缓凝剂、流变剂，减少坍落度损失。§5-2混凝土拌合物的性能建筑材料讨论：胶凝材料浆量与混凝土流动性

请分析在一般情况下水泥浆量与流动性的关系。并讨论是否水泥浆量越多，混凝土拌合物的和易性越好。

在一定范围内，胶凝材料浆量增多，混凝土拌合物流动性越大，这是因包裹集料的水泥浆层由薄变厚，有利于流动性。

但如果浆量过多，不仅流动性无明显增大，而且粘聚性降低，保水性变差。因包裹集料的浆层厚度达一定值后，再增加厚度已无助于改善流动性，反而影响了粘聚性和保水性。第5章混凝土§5-1普通混凝土的组成材料§5-2混凝土拌合物的性能§5-3硬化后混凝土的性能§5-4混凝土的质量控制及配合比设计§5-5其他种类混凝土§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土的强度

立方体抗压强度

根据GB/T50081－2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定，立方体抗压强度fcu

的确定如下：

成型尺寸：150mm×150mm×150mm；

养护条件：温度(20±2)℃，相对湿度≥95％；

养护龄期：28d。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土强度等级

混凝土强度等级

按照GB50010－2010《混凝土结构设计规范》，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。即用标准试验方法测得的具有95％保证率的立方体抗压强度，以fcu，k表示。普通混凝土划分为十四个强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。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。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土强度等级

混凝土的轴心抗压强度

混凝土的轴心抗压强度的测定采用150mm×150mm×300mm棱柱体作为标准试件。轴心抗压强度设计值以fc表示，轴心抗压强度标准值以fck表示。

混凝土的轴心抗拉强度

混凝土轴心抗拉强度ft可按劈裂抗拉强度fts换算得到，换算系数可由试验确定。混凝土劈裂抗拉强度采用立方体劈裂抗拉试验来测定，称为劈裂抗拉强度fts。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土的弯拉强度

混凝土的弯曲抗拉强度试验采用150mm×150mm×550mm的梁形试件，按三分点加载方式加载。由于混凝土是一种非线性材料，因此，混凝土的弯曲抗拉强度大于轴心抗拉强度。混凝土的抗折强度

道路路面或机场跑道用混凝土，是以抗弯强度(或称抗折强度)为主要设计指标。标准试件尺寸：150mm×150mm×600(550)mmL=450mm加载方式

计算公式

§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料影响混凝土强度的因素原材料生产工艺实验技术§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料原材料水泥强度水灰比骨料外加剂、掺合料

原材料§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料

生产工艺因素

施工条件——机械与人工

养护条件——环境温度和湿度

龄期

实验因素

试件形状尺寸

表面状态

含水程度

加荷速度§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料讨论：混凝土试件受压破坏后形状分析

下图是混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状，请分析试件破坏后所得形状的原因。混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土的变形混凝土的变形非荷载作用下的变形荷载作用下的变形短期荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形徐变

化学变形干湿变形温度变形塑性收缩§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料化学变形

定义：

混凝土在硬化过程中，由于水泥水化产物的体积小于反应物（水泥与水）的体积，导致混凝土在硬化时产生收缩，称为化学收缩。

特点：化学收缩不可恢复的其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加，一般在混凝土成型后40天左右增长较快，以后逐渐趋于稳定。化学收缩值很小(小于1%)，对混凝土结构没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细裂缝。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料塑性变形

定义：混凝土成型后尚未凝结硬化时属于塑性阶段，在此阶段往往由于表面失水而产生收缩。

原因：新拌混凝土若表面失水速率超过内部水分向表面迁移的速率时，会造成毛细管内部产生负压，因而使浆体中固体粒子间产生一定的引力，便产生了收缩。

危害：如果引力不均匀作用于混凝土表面，则表面将产生裂纹。

预防：降低混凝土表面失水速率、采取防风、降温等措施。最有效的方法是凝结硬化前保持表面的润湿，如在表面覆盖塑料膜、喷洒养护剂等。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料干湿变形

定义：

化学干湿变形是混凝土在长期使用过程中由于环境湿度变化引起的体积变化。

机理：水泥石内吸附水和毛细孔水蒸发时，会引起凝胶体紧缩和毛细孔负压，从而使混凝土产生收缩。当混凝土吸湿时，由于毛细孔负压减小或消失而产生膨胀。

特点：

可恢复性一吸水膨胀；混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干缩收缩(DryShrinkage)能使混凝土表面出现拉应力而导致开裂，严重影响混凝土的耐久性。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料温度变形

水化热引起的内外温差——以大体积混凝土工程较为典型，由水化热引起的混凝土内外温差可达40~50℃以上，导致混凝土表面开裂。

环境温度变化引起的温差变化——尤以高寒地区（昼夜温差大）较为典型。混凝土的热膨胀系数一般为（0.6～1.3）×10－5/℃。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土的受压变形与破坏特征

混凝土为非均质弹塑性体，其应力与应变关系不是直线而是曲线。裂缝扩展过程Ⅰ—界面裂缝无明显变化；Ⅱ一界面裂缝增长；Ⅲ一出现砂浆裂缝和连续裂缝；Ⅳ一连续裂缝迅速发展；§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土弹性模量的测定弹性模量是反映混凝土结构或RC结构刚度大小的重要指标。在计算钢筋混凝土结构的变形，裂缝出现及受力分析时，都须用此指标。根据GB/T50081－2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的规定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，取测定点的应力为试件轴心强度的40%(即0-0.4fcp)，经三次以上反复加荷与卸荷后，测得的变形模量值即为该混凝土的弹性模量。我我我

§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料长期荷载作用下的变形——徐变

定义：

是指混凝土在长期荷载作用下，沿着作用力方向的变形会随时间不断增长，即荷载不变，而变形随时间延长不断增长，一般可持续2~3年才趋于稳定。这种现象称为徐变。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料长期荷载作用下的变形——徐变

混凝土产生徐变的原因：水泥石中的凝胶体在长期荷载作用下的粘性流动，并向毛细孔内迁移的结果。在混凝土的较早龄期加荷，水泥尚未充分水化，所含凝胶体较多，且水泥石中毛细孔较多，凝胶体易流动，所以徐变发展较快。在晚龄期，水泥继续硬化，凝胶体含量相对减少，毛细孔亦少，徐变发展愈慢。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料长期荷载作用下的变形——徐变

影响混凝土徐变的因素：

水灰比——混凝土的水灰比较小或在水中养护时，徐变较小。

水泥用量——水灰比相同的混凝土，其水泥用量愈多，徐变愈大。

骨料的性质——混凝土所用骨料的弹性模量较大时，徐变较小。

荷载——所受应力越大，徐变越大。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土的耐久性

定义：

是指混凝土在使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能力，包括抗渗性、抗冻性、化学侵蚀和碱骨料反应等。下图是被腐蚀的混凝土。氯离子腐蚀酸雨腐蚀§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料

混凝土耐久性的重要性：

保证混凝土结构运行的安全性

延长混凝土结构的服役寿命

节约混凝土结构维护成本

节约自然资源，减少消耗

改善人类居住的环境条件

混凝土的劣化分为两大类

第一类：由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入混凝土的速率所决定。

化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀、碳化。

物理的：冻融、盐结晶、火灾等。第二类：是磨耗、冲磨与空蚀等。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土结构损伤钢筋锈蚀水泥浆骨料CO2（空气）引起Cl-引起碱-硅反应冻融循环硫酸盐侵蚀冻融循环磨损、气蚀干缩（开裂）浆体析出内部侵蚀外部侵蚀含有CO2侵蚀水pH＜6Mg2+NH4+钢筋锈蚀氯氧化钙碱-硅反应钢筋锈蚀NaClCaCl2未使用除冰盐使用除冰盐钢筋混凝土结构劣化起因§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料混凝土的碳化

混凝土碳化的含义：

水泥石中的Ca(OH)2与空气中的CO2，在湿度相宜时发生化学反应，生成H2O和CaCO3，使混凝土的碱性降低(也称“中性化”)的现象。

影响碳化的因素：环境中二氧化碳的水泥品种水灰比环境湿度

碳化及其对混凝土性质的影响：混凝土的碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用；混凝土收缩显著增加(碳化收缩)，易产生表面裂纹；混凝土抗压强度有所提高。相对湿度在50％～75％时，碳化速度最快；相对湿度小于25％或大于100％时，碳化将停止。§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料碱—骨料反应(Alkali-AggregateReaction，AAR)

碱—骨料反应的概念：

是指混凝土中所含的碱(Na2O或K2O)与骨料的活性成分(活性SiO2)，在混凝土硬化后潮湿条件下逐渐发生化学反应，反应生成复杂的碱—硅酸凝胶，这种凝胶吸水膨胀，导致混凝土开裂的现象。特点：反应慢潜在危害大无法修复被称为砼的癌症Na2O+SiO2+nH2O→Na2O∙SiO2·nH2O碱-硅酸凝胶§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料碱—骨料反应(Alkali-AggregateReaction，AAR)

碱—骨料反应发生的必备条件：水泥中含碱量(K2O+Na2O)＞0.6％(折算成Na2O％)砂、石骨料中夹杂有非晶质的活性SiO2矿物有水存在Na2O+SiO2+nH2O→Na2O∙SiO2·nH2O

预防碱—骨料反应的措施：采用含碱量小于0.6％的水泥；在水泥中掺加火山灰质混合材料；如沸石岩、粉煤灰加强骨料生产的质量控制，选择非活性骨料阻止外界水分进入，保持混凝土干燥状态§5-3硬化后混凝土的性能建筑材料提高混凝土耐久性的措施

选用适当品种的水泥及掺合料；

适当控制混凝土的水灰比及水泥用量；

长期处于潮湿和严寒环境中的混凝土，应掺用引气剂；

选用较好的砂、石集料；

掺用减水剂等外加剂；

改善混凝土的施工操作方法；

进行表面处理。第5章混凝土§5-1普通混凝土的组成材料§5-2混凝土拌合物的性能§5-3硬化后混凝土的性能§5-4混凝土的质量控制及配合比设计§5-5其他种类混凝土§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料混凝土的基本要求普通混凝土和易性（工作性）强度（安全性）耐久性抗冻融、抗Cl-侵蚀经济性体积稳定性§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料生产中生产后生产前原材料配合比设计混凝土生产施工工艺混凝土的质量控制§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料混凝土生产质量水平评定

数理统计——强度平均值(M)、强度标准差(σ)以及变异系数(Cv)。

GBT50107-2010《混凝土强度检验评定标准》根据σ的大小，将混凝土生产单位的质量管理水平划分为——“优良”、“一般”、“差”。离散程度不同的两条强度分布曲线§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料普通混凝土的配合比设计

配合比设计的基本要求：

满足结构设计和施工进行要求的强度等级

满足施工时的和易性

满足耐久性和其他方面的技术要求

节约水泥、降低成本

设计步骤：材料性能砼技术要求

初步计算配合比调整和易性

基准配合比

强度复核水泥用量试验室配合比

含水率影响

施工配合比

§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料配合比设计的三个基本参数水水泥石子砂水灰比(W/C)满足强度及耐久性前提下尽可能选较大的水灰比砂率(𝛃s)保证粘聚性前提下取较小值用水量

保证流动前提下取较小值§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料混凝土配合比设计的步骤

初步计算配合比：确定配制强度fcu,0对C20和C25级的混凝土，其σ下限值取2.5MPa。对大于或等于C30级的混凝土，其σ下限值取3.0MPa。当施工单位无历史统计资料时，σ可按下表取值。混凝土强度等级小于C20C20~C35大于C35σ4.05.06.0注：根据情况需提高配置强度§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

确定水灰比W/C：

当混凝土强度等级小于C60时，混凝土的水灰比可按下式计算：石子品种系数碎石卵石0.460.480.070.33

当无水泥28d抗压强度实测值，按下式计算fce：§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

确定用水量mw0： 1）水灰比0.4-0.8时，mw0由下表查得

（依据：坍落度、骨料种类、最大粒径）注：流动性和大流动性混凝土mw0可查下表中坍落度为90mm的用水量为基础，按坍落度每增大20mm，用水量增加5kg，计算出mw0。 2）水灰比<0.4时，mw0由试验确定拌合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（mm）10~3019017016015020018517516535~5020018017016021019518517555~7021019018017022020519518575~90215195185175230215205195§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料 3）加入外加剂后的用水量mwa，可按下式计算：

确定水泥用量mc0：由已求得的水灰比W/C和用水量mw0，可计算出胶凝材料用量mb0：注：若计算而得的水泥用量小于最小水泥用量（见教材）时，应选取最小水泥用量，以保证混凝土的耐久性。§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

确定砂率：砂率可由试验或历史经验资料选取。如无历史资料，坍落度为10~60mm的混凝土的砂率可根据粗集料品种，最大粒径及水灰比按下表选取。

坍落度大于60mm有混凝土的砂率，可经试验确定，也可在下表的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予以调整。

坍落度小于10mm的混凝土，基砂率应经试验确定。水灰比（C/W）卵石最大粒径（mm）碎石最大粒径（mm）1020401620400.426~3225~3124~3030~3529~3427~320.530~3529~3428~3333~3832~3730~350.633~3832~3731~3636~4135~4033~380.736~4135~4034~3939~4438~4336~41§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

计算砂、石用量ms0、mg0：

体积法:

砼拌合物的体积等于各组成材料的体积之和。其中：ρc、ρw—分别为水、水泥的密度；

ρf—矿物掺合料的密度；

ρg、ρs—分别为粗骨料和细骨料的密度；

𝛼—砼含气量百分数(％)。§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

计算砂、石用量ms0、mg0：

质量法:

假定1m3混凝土拌合物质量，等于其各种组成材料质量之和，据此可得以： mcp——每立方米混凝土拌和物的假定质量，可根据实际经验在2350~2450kg之间选取。

解出mso和mgo，则混凝土的初步计算配合比(初步满足强度和耐久性要求)为：mc0：mw0：ms0：mg0。§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

基准配合比：→和易性的调整

试配：试配量：20L（Dm

≤31.5mm）或25L（Dm

=40mm）

和易性调整：（调整过程中需随时记录调整掺加量）

坍落度过小：W/C不变，增加水和水泥（水泥浆）

坍落度过大：βS不变，增加砂和石子

粘聚性、保水性差：适当加大砂率§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

基准配合比计算：

令工作性调整后的混凝土试样总质量为：

mQb=mcb+mfb+mwb+msb+mgb(体积≥1m3)

则基准配合比(kg/m3)：§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

实验室配合比：→强度的检验，水胶比的修正

试配

初步配合比的水胶比三种配合比

初步配合比+0.05 各制一组（三块）

初步配合比−0.05

强度试验

画出fcc与三个B/C对应的强度分布图，找出与fcu对应的(B/C)。fccB/Cfcu(B/C)0§5-4混凝土的质量控制及配合比设计建筑材料

最终确定实验室配合比：

经试配确定配合比后，尚应按下列步骤进行校正：

据前述已确定的材料用量按下式计算混凝土的表观密度计算值再按下式计算混凝土配合比校正系数δ

——混凝土表