第四章水泥混凝土

二、砼分类

重砼(

0≥2600kg/m3);普通砼(1950kg/m3＜

0＜2600kg/m3);轻砼(

0≤1950kg/m3)

按表观密度分按抗压强度分低强砼(fcu＜30MPa);中强砼(fcu=30-60MPa)高强砼(fcu≥60MPa);超高强砼(fcu≥100MPa)按胶凝材料分水泥砼(水泥);石膏砼(石膏);沥青砼(沥青)三、砼特点混凝土在土建工程中能够得到广泛的应用，是由于它具有优越的技术性能及良好的经济效益。

1.优点

就地取材；造价低；可塑性好；耐久性

高；与钢筋有牢固的粘结；性能可调整。2.缺点

自重大；比强度小；抗拉强度低，性脆；

导热系数大；硬化慢；生产周期长。

四、砼中各组成材料的作用

砼组成材料

水泥、水、细骨料和粗骨料，以及

适量外加剂和掺合料

水泥

砼未硬化前(freshconcrete)

起润滑作用

水泥浆

水

砼硬化后(concrete)

起胶结作用砼

细骨料

起骨架作用、抗风化

骨料

粗骨料

抑制水泥浆收缩、耐磨5.002.501.250.6300.3150.16010080.063.050.040.031.525.020.016.010.05.0骨料（aggregate)的定义与分类碎石卵石天然砂人工砂混合砂粗骨料细骨料mmmm

骨料的作用

⑴

骨架作用,传递应力

⑵

抑制收缩,防止开裂为什么把砂石称为骨料?在传统观念中把砂石叫做骨料的原因是认为骨料起强度作用而作为混凝土的骨架,这是一种误解。骨料的骨架作用主要是稳定混凝土的体积而不是强度。纯的水泥浆体硬化后收缩过大,无法用于结构,必须有骨料对水泥浆体的收缩起约束作用,而且骨料在混凝土中必须占据大部分体积。

决定混凝土强度的不是骨料对混凝土的强度其决定作用的是混凝土的水灰比（水胶比)，所以目前用强度很低的轻骨料（陶粒)已能配制出C50的泵送混凝土。

如果不能用足够包裹骨料的最少量的浆体和最大量的骨料组成具有工程所需要的良好施工性能的拌和物，是不可能得到耐久的混凝土的。我国混凝土质量比西方国家的差，主要原因在于骨料的质量;骨料质量首先不是强度，重要的是使用级配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的拌和物。一、水泥(cement)1.品种

依据工程结构特点、使用环境及水泥特性选择2.强度等级

水泥强度等级应与砼强度等级相适应

（1）中、低强度等级砼（﹤C60），水泥强度等级=(1.5-2.5)砼强度等级

（2）高强度等级砼（≥C60），水泥强度等级=(0.8-1.5)砼强度等级二、水(water)基本要求

不影响砼的凝结和硬化；无损于砼强度发展和耐久性；

不加快钢筋锈蚀;不引起预应力钢筋脆断;不污染砼表面。三、细骨料(fine-aggregate)1.定义

粒径在0.15mm-4.75mm的骨料称为细骨料，常称作砂(sand)。

按产源分

天然砂河砂、湖砂、山砂、淡化海砂2.分类

人工砂机制砂、混合砂

按细度模数分—粗砂、中砂、细砂种类颗粒形状表面特征和易性强度河砂

圆、椭圆

光滑

好

低

海砂山砂多棱角

粗糙

差

高

盲目无度的非法采砂导致河床下陷，使位于晋江上游西溪上的漳（平)泉（州)线跨河铁路桥的桥墩基础严重裸露，直接威胁着铁路桥列车运行的安全海砂含盐要警惕!3.泥、泥块、有害物质

⑴含泥量----粒径小于0.075mm的颗粒；

石粉含量----人工砂中粒径小于0.075mm的颗粒；

泥块含量----粗（细)集料中粒径大于4.75（1.18)，水洗后小于2.23（0.6)mm的颗粒(2)有害物质—包括云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等(3)危害泥,泥块,云母,轻物质——粘附在砂的表面,妨碍水泥与砂的粘结,降低砼的强度,增加砼的用水量,加大砼的收缩,降低砼的抗渗性和抗冻性。硫化物及硫酸盐——对水泥有(硫酸盐)腐蚀作用有机物——会分解出有机酸对水泥有腐蚀作用氯盐——对钢筋有腐蚀作用。4.粗细程度(1)定义—不同粒径的砂粒混合在一起后的平均（总体)粗

细程度(2)目的—使砂的总表面积较小,包裹砂粒表面的水泥浆较少,

从而节约水泥用量(3)测定—用筛分析方法(简称筛析法)测定筛孔尺寸mm筛余量（g）

分计筛余百分率（%）累计筛余百分率（%）5m1a1A1=a12.50m2a2A2=a1+a21.25m3a3A3=a1+a2+a30.63m4a4A4=a1+a2+a3+a40.315m5a5A5=a1+a2+a3+a4+a50.16m6a6A6=a1+a2+a3+a4+a5+a6(4)指标—细度模数

(5)分类—

f=3.1-3.7为粗砂,

f=2.3-3.0为中砂,

f=1.6-2.2为细砂,

f=0.7-1.5为特细砂

配制砼时优先选用中粗砂5.颗粒级配(1)定义—砂中不同粒径颗粒的搭配情况(2)目的—使砂的总空隙率较小,填充砂粒空隙的水泥浆较

少,从而节约水泥用量。(3)测定—用筛分析方法(简称筛析法)测定(4)评定—按0.6mm筛孔累计筛余百分率分成三个级配区

I、II、III区。

区累计筛余百分率%筛孔尺寸

区累计筛余百分率%筛孔尺寸

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区累计筛余百分率%筛孔尺寸

区累计筛余百分率%筛孔尺寸级配区砂的级配曲线/%1区2区3区/mm图4.2砂的级配曲线/mm/%

筛分曲线超过3区往左上偏时，表示砂过细，拌制混凝土时需要的水泥浆量多，易使混凝土强度降低，收缩增大;超过1区往右下偏时，表示砂过粗，配制的混凝土，其拌合物的和易性不易控制，而且内摩擦大，不易振倒成型。一般认为，处于2区级配的砂，其粗细适中，级配较好，是配制混凝土的最理想的级配区。

(5)级配合格的标志

各筛孔累计筛余百分率(Ai)落在任一级配区,级配合格

除4.75mm、0.6mm外，允许有少量超出，但超出总量不大于5%，级配合格

配制砼时优先选用II区砂合理级配的砂:粗细颗粒含量适当空隙率小总表面积小水泥浆的用量少混凝土的和易性好密实度高强度及耐久性高砂的筛分析试验

(1)标准筛孔(方孔)—4.75㎜,2.36㎜,1.18㎜,0.6㎜,0.3㎜,0.15㎜(2)标准试样M=500g

筛孔尺寸

mm筛余量

mi(g)

分计筛余

ai(%)

累计筛余

Ai(%)4.75152.36751.18700.61000.31200.15100〈0.1520计算公式miai=(mi/M)100Ai=∑ai4.75㎜2.36㎜1.18㎜0.6㎜0.3㎜0.15㎜筛底（1)该砂的细度模数；（2)判断该砂的级配合格否？

四、粗骨料(coarse-aggregate)1.定义粒径在4.75mm-90mm的骨料称为粗骨料，常称作石子(gravel)。2.分类——按产源分—碎石、卵石—按粒径尺寸分—连续级配、单粒级（间断级配)四、粗骨料(coarse-aggregate)1.定义粒径在4.75mm-90mm的骨料称为粗骨料，常称作石子(gravel)。2.分类——按产源分—碎石、卵石—按粒径尺寸分—连续级配、单粒级（间断级配)3.泥、泥块、有害物质

有害物质—包括有机物、硫化物及硫酸盐等4.颗粒形状(粒形)

（1)最佳形状—球形、正方体形

（2)最差形状—针状颗粒、片状颗粒

针状、片状颗粒—定义详教材

危害—拌合物和易性差，砼强度降低，耐久性差（骨料空隙率大)骨料形状棱角状浑圆状针状片状≥C30，含量≤15%；＜C30，含量≤25%5.最大粒径(粒径)(1)定义→粗骨料公称粒级的上限(2)目的→表示粗骨料的粗细程度。→粗骨料总表面积较小→节约水泥

条件许可时，粗骨料的最大粒径大应尽量大。(3)《砼结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)规定：

①砼梁、柱、墙的粗骨料的最大粒径：≤1/4截面最小尺寸，且≤3/4钢筋净距。

②砼板的粗骨料的最大粒径≤1/2板厚，且≤40mm。

某砼柱截面为300

400mm，柱中受力钢筋直径为22mm，受力筋间距为66mm。则该柱砼所用石子最大粒径为多少mm?

解：依据GB50204—2002规定：

例题骨料粒径大于保护层厚度造成的缺陷6.强度(1)强度

岩石强度（仅用于碎石，且砼≥C60时才检验)

压碎指标（用于碎石、卵石)a)岩石强度——用母岩制作50mm立方体（或直径和高均为50mm圆柱体)浸水48h，

测定抗压强度，要

求：岩石抗压强度≥1.5砼强度等级。b)压碎指标——一定重量气干状态的9.5mm～19mm碎石装

入标准筒内，按规定速度加荷至200KN，卸

荷后称取试样重M0,用2.36mm筛筛去细粒，

称取筛余重M1。

压碎指标—是表示粗骨料强度的间接指标。

压碎指标越小,粗骨料强度越高。反之。粗骨料强度越低。

7.颗粒级配(1)定义—石子中不同粒径颗粒的搭配情况(2)目的—使石子的总空隙率较小→节约水泥用量(3)测定—用筛分析方法(简称筛析法)测定(4)类型—连续级配和单粒级(间断级配)

连续级配—石子由小到大各粒级相连的级配.

间断级配—小颗粒粒径石子直接与大颗粒粒径石子相配,中间

缺了一段粒级的级配。

8.坚固性—定义与要求同细骨料

碎石—表面粗糙，棱角多，且较洁净，与水泥石粘结牢固;

卵石—表面光滑，有机杂质含量较多，与水泥石粘结力较差;在相同条件下，卵石砼强度较碎石砼强度低;

在单位用水量相同条件下，卵石砼流动性较碎石砼大;五、外加剂(admixture)1.定义在拌制砼过程中掺入的用以改善砼性能的物质，掺量一般不大于水泥重量5%(特殊情况除外)。2.分类按主要功能分为四类。3.常用种类减水剂、引气剂、早强剂和缓凝剂等普通减水剂——在保持混凝土稠度不变的条件下，具有一般减水增强作用的外加剂。高效减水剂——在保持混凝土稠度不变的条件下，具有大幅度减水增强作用的外加剂

引气剂——在混凝土搅拌过程中，能引入大量分布均匀的微小气泡，以减少混凝土拌合物泌水离析、改善和易性，并能显著提高硬化混凝土抗冻融耐久性的外加剂。引气减水剂——兼有引气和减水作用的外加剂。

缓凝剂——能延缓混凝土凝结时间，并对其后期强度发展无不利影响的外加剂。

早强剂——能提高混凝土早期强度，并对其后期强度无显著影响的外加剂。早强减水剂——兼有早强和减水作用的外加剂。防冻剂——在规定温度下，能显著降低混凝土的冰点，使混凝土液相不冻结或仅部分冻结，以保证水泥的水化作用，并在一定的时间内获得预期强度的外加剂。膨胀剂——能使混凝土（砂浆)在水化过程中产生一定的体积膨胀，并在有约束条件下产生适宜自应力的外加剂。

钢筋阻锈剂——加入混凝土中能阻止或减缓钢筋腐蚀的外加剂。

缓凝减水剂——兼有缓凝和减水作用的外加剂。早强剂——能提高混凝土早期强度，并对其后期强度无显著影响的外加剂。

六.掺合料(additive)1.定义与砼其他组分一起，直接加入的人造或天然的矿物材料以及工业废

料，掺量一般大于水泥重量5%。2.作用

改善砼性能，节约水泥3.常用种类

粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉磨细煤矸石等采用外加剂和掺合料是提高混凝土强度、改善性能、节约水泥和能源的最有效的方法之一。近几十年来混凝土外加剂和掺合料的发展很快，国外许多国家外加剂和掺合料的使用率达到60-80%，有的甚至高达100%，当前外加剂和掺合料已成为混凝土的第五大组分。

思考请观察此使用一年多的水泥混凝土道路表面,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

。

第三节.砼的性能

拌合物(freshconcrete)的性能—和易性(Workability)

砼性能强度(Strength)

硬化砼的性能变形(Deformation)

耐久性(Durability)QualityStrengthDurabilityWorkabilityDeformation一、和易性和易性的综合含义流动性+粘聚性+保水性=和易性流动性

指砼拌和物在自重或施工机械振捣的作用下,能够流动并均匀密实地填满摸板的性能。粘聚性

保持整体均匀的能力。保水性

保持一定水分不使泌出的能力。

和易性测试坍落度试验和易性分析和判断流动性

坍落度大→流动性大粘聚性－用捣棒在的拌和物的侧面轻轻敲打,出现三种情况真实坍落→粘聚性好沿斜面下滑或骨料外露→粘聚性差

崩裂保水性－观察稀浆析出

较多的稀浆析出→保水性差

无稀浆析出→保水性好由坍落度的不同可将砼拌和物分为:

大流动性砼T

160mm

流

动

性

砼100~150mm

塑

性

砼50~90mm

低

塑

性

砼10~40mm和易性测试维勃稠度试验干硬性或低塑性混凝土ThinCompositeLowVebeConsistometerGreatMobilityHighVebeConsistometerThickCompositeSmallMobility分析和判断维勃稠度值小→拌和物稀→流动性大维勃稠度值大→拌和物稠→流动性小在不影响施工操作和保证密实成型的前提下,应尽量选择较小的流动性。总原则选择根据构件截面的大小、捣实方法和钢筋疏密等条件确定流动性的选择与应用坍落度(mm)拌合物类型应用范围>160大流动性泵送、不易浇注的窄面及钢筋密布的结构100-150流动性泵送、不易浇注的窄面及钢筋密布的结构50-90塑性普通结构,最常用10-40低塑性(低流动性)强力振捣、预制构件及基础、无配筋的厚大结构等4.影响和易性的因素组成材料的影响水灰比水泥浆数量Sp骨料环境因素的影响时间温度水灰比(水泥浆稠度)－

当水泥用量一定时

水灰比小→混凝土干→坍落度小→不易密实成型;水灰比过小→崩溃→粘聚性差→硬化后混凝土的强度及耐久性降低

水灰比大→混凝土稀→坍落度大→易离析、分层、泌水→硬化后强度及耐久性降低水灰比合适→拌合物能均匀且密实成型←必须根据混凝土的强度和耐久性的要求来选择W/C组成材料的影响W/C的影响水泥浆数量(用水量或浆/集比)－W/C一定水泥浆多→流动性大;过多→流浆→粘聚性差→影响硬化后的性质

水泥浆数量少→流动性小→不密实;过少崩溃→粘聚性差→影响硬化后的性质

水泥浆数量适量→满足流动性的要求且有较好的粘聚性和保水性←根据施工要求的坍落度选择

水泥浆数量的影响砂率Sp指混凝土中砂的质量占砂石总量的比例Sp=S/(S+G)当W和C一定时,Sp决定了骨料的空隙率和总表面积砂率过小→砂浆数量不足→对骨料的润滑作用差→流动性差且易离析

砂率过大→总表面积大→水泥浆多用于包裹砂子及填空→润滑作用小→流动性小砂率Sp的影响颗粒形状与表面特征碎石或山砂的表面粗糙、多棱角→流动性差卵石或河砂的表面光滑、圆润→流动性好级配级配好→W一定时,空隙小→流动性好级配差→W一定时,空隙大→流动性差Dmax大→水泥浆一定时,表面积小→流动性好最大粒径Dmax骨料的影响时间的影响时间延长→水化作用+水分蒸发+骨料吸水→流动性↓施工中,测坍落度在混凝土拌合物拌好15分钟内进行环境因素的影响SlumpTime温度升高→流动性↓施工中为了保证一定的工作性,必须注意环境温度的影响,夏季混凝土拌合物用水量>冬季用水量.SlumpTemperature温度的影响5.改善和易性的措施①尽可能降低砂率，或采用合理砂率;②改善砂、石的级配;③尽量采用较粗的砂、石;④当拌合物的坍落度太小时，保持水灰比不变，增加水泥和水的用量;当拌合物的坍落度太大，但粘聚性良好时，保持砂率不变，增加砂、石用量。当粘聚性、保水性不良时，增大砂率。⑤采用添加剂二、强

度(Strength)1.定义

标准试件：150×150×150mm，一组3块；

①立方体抗压强度fcu标准养护：t=20±2℃；RH≥95%；

（砼强度的特征值)标准试验方法：测得28d的抗压强度

▲

非标准试件100×100×100mm的强度换算系数为0.95200×200×200mm的强度换算系数为1.05

②立方体抗压强度标准值(或称：立方体抗压标准强度)fcu,k—具有95%保证率的立方体抗压强度

P（t）＝95%t0tψ(l)概率强度保证率P(t)f设f配强度平均强度普通混凝土的十二个等级如下图所示:GradesC60C7.5C10C55C50C35C15C20C25C30C45C40C25concretefcu,k其它强度①轴心(棱柱体)抗压强度fcp—用150×150×300mm标准试件,养护条件和试验方法同立方体抗压强度。

fcp=(0.7-0.8)fcu②抗拉强度ftp—一般采用劈裂抗拉强度fts代表。ftp=(1/10-1/20)fcp③抗弯拉强度ftf(又称:抗折强度)—是路面水泥砼的主要强度指标2.影响砼强度的因素(1)水泥强度等级和水灰比━影响砼强度的决定性因素

▲在相同条件下，水泥强度等级越高，配制的砼强度越高，二者呈直线关系

▲试验证明:砼强度随水灰比增大而降低，二者呈曲线关系

砼强度随灰水比的增大而增大，二者呈直线关系

水泥等级提高水泥石强度提高混凝土强度提高

与骨料的粘结强度提高▲水灰比定则（鲍罗米公式）

式中：fcu—砼28d抗压强度,MPa

C/W—灰水比（水泥/水）A.B—回归系数，碎石：A=0.46,B=0.07；卵石：A=0.48,B=0.33fce—水泥28d抗压强度的实测值，MPa。

▲当无水泥28d抗压强度的实测值时，fce=kcfce,kkc—水泥强度等级值的富余系数，一般取1.06-1.18。

fce，k—水泥强度等级标准值。32.5级水泥，fce，k=32.5MPa，以此类推。

▲鲍罗米公式的用途

①已知：水泥强度fce，水灰比W/C，骨料种类(A.B),求:砼28d抗压强度fcu

②已知：水泥强度fce，砼强度等级fcu，骨料种类(A.B)；求：水灰比W/C

用32.5P·O水泥配制卵石砼，制作100×100×100mm的试件三块，在标准条件下养护7d，测得破坏荷载分别为140KN、135KN、144KN。

①试计算该砼28d的标准立方体抗压强度，

②试计算该砼的水灰比（kc=1.13)例题(2)骨料的影响粗骨料的强度、粒径及级配等是影响混凝土强度的重要因素。裂纹扩展至骨料时绕界面而过骨料强度高混凝土强度高Dmax强度无影响W/C＞0.65fcu

碎石=1.38fcu卵石W/C＜0.4(3)养护温度和湿度温度越高,水泥的水化速度越快,混凝土强度越高。湿度越大,水泥水化程度越高。

温度水泥水化速度混凝土强度温度水泥水化速度混凝土强度(4)龄期

正常养护条件下，砼强度随龄期的增长而增长

▲标准养护条件下，

砼强度与龄期的关系如下:

公式适用于:用普通水泥配制，标准条件养护，中等强度等级的普通砼。

自然养护—砼在自然条件下（平均气温高于5℃且表面潮

湿)的养护蒸汽养护—将砼放在温度低于100℃的常压蒸汽中进

行养护蒸压养护—将砼构件放在温度低于175℃及8个大气压

的压蒸锅中进行养护砼养护条件耐久性定义

混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性,从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。

内容

混凝土耐久性是一项综合性能,主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化性及碱骨料抑制性。

三、耐久性1.混凝土的碳化（中性化）(1).混凝土碳化的定义

混凝土内水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳,在湿度相宜时发生化学反应,生成碳酸钙和水,使混凝土碱度降低的过程,叫碳化,也称中性化。

(2)混凝土碳化的危害降低pH值,当pH从12－13降至10.8时,钢筋开始锈蚀。

消耗Ca(OH)2,使混凝土中水化物分解,产生大量硅胶和铝胶。

碳化收缩,导致混凝土表面裂缝。

（3)碳化的优点增大了表面硬度。

促使水泥进一步水化,混凝土密实度提高,适当碳化可使混凝土抗压强度提高。

2.碱—骨料反应是指水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。

碱－骨料反应必须具备以下三个条件:可溶性碱（NaOH、KOH)（Na2O＋0.658K2O)。

骨料中具有碱活性成分。

存在水分。干燥状态下不会发生碱－骨料反应。

第六节.砼配合比设计

普通混凝土是由水泥、砂、石和水组成,它们之间的数量关系直接影响着混凝土的拌合物的和易性、强度及耐久性。

如何确定各材料间数量关系?1.定义：是指混凝土各组成材料之间的数量关系。2.表示方法：1)单位体积混凝土内各项材料的用量，如：mc=270.0㎏;ms=706.1kg;mg=1255.3㎏;mw=180㎏。2)单位体积内各项材料用量的比值。如：水泥：砂子：石子=1：2.3：4.0，W/C=0.63一、普通混凝土配合比设计的表示方法二、混凝土配合比设计的基本要求

混凝土配合比设计必须达到以下三项基本要求:

1.混凝土硬化之前的性能要求:和易性。

2.混凝土硬化之后的性能要求:强度和耐久性。

3.经济性要求:节约水泥，降低成本。

三、混凝土配合比设计的资料准备1.设计要求的强度等级;2.了解工程所处环境对混凝土耐久性的要求;3.掌握原材料的性能指标。

四、混凝土配合比设计的三参数

水泥、水、砂子、石子

（1)水和水泥的关系（水灰比)

（2)砂和石子的关系（砂率)

（3)水泥浆与骨料的关系（单位用水量)四个基本变量:三个关系:确定三参数的原则水灰比——满足确定和耐久性要求单位用水量——满足和易性要求砂率——砂填充石子空隙后略有富余五、混凝土配合比设计的步骤