土木工程材料 4 混凝土 CONCRETE

4.1混凝土概述 混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。 4.1.1土木建筑工程对混凝土质量的基本要求是： 1.具有符合设计要求的强度； 2.具有与施工条件相适应的和易性； 3.具有与工程环境相适应的耐久性； 4.材料组成经济合理、生产制作节约能源。

1、定义 目前全世界年产砼90亿吨，是当今世界使用量最大的材料。 “混凝土”源于拉丁文“concretus”,原意是共同生长的意思。 胶凝材料 ＋ 骨料 ＋ 水 ＝ 砼 无机、有机、复合 颗粒、纤维 水泥 ＋ 天然砂、石 ＋ 水 ＝ 普通砼 混凝土在宏观上是颗粒状骨料均匀分散于水泥浆体中的分散体系，在细观上是不连续的非匀质体系，在微观上是多孔、多相（界面相）、高度无序的非均质材料。

特重砼：ρ0>2800kg/m3 核能工程屏蔽结构 重砼：ρ0＝2000～2800 kg/m3 普通砼 1.分类： 混凝土品种繁多，分类方法各异。通常有以下几种分类： ⑴按表观密度分 特重砼：ρ0>2800kg/m3 核能工程屏蔽结构 重砼：ρ0＝2000～2800 kg/m3 普通砼 轻砼：ρ0<2000kg/m3 轻骨料砼、多孔砼、大孔砼—承重隔热或保温隔热 ⑵按胶凝材料分 水泥砼、沥青砼、聚合物砼、水玻璃砼…

⑶按骨料种类分类 细粒砼：砂浆、豆石砼、喷射砼 无砂大孔砼： 普通砼： 按集料名称分类： 陶粒砼、卵石砼、碎石砼、特细砂砼： 特重集料砼： ⑷按用途分类： 结构砼、装饰砼、防水砼、防辐射砼、耐酸砼、水工砼、道路砼 ⑸按生产工艺分类： 振动砼、离心砼、真空脱水砼、自流平砼、预拌砼、喷射砼、挤压砼、热拌沥青砼… ⑹按照砼种钢筋情况分类： 素砼、钢筋砼、预应力钢筋砼、钢纤维砼、钢丝网砼；

⑺按砼流动性分： 干硬性砼（T<10mm）、低塑性砼（T＝10～40mm）、塑性砼（T＝50～90mm）、流动性砼（T＝100～150mm）、大流动性砼（T≥160mm） ⑻按水泥用量多少分： 富砼、贫砼 ⑼按抗压强度分： 低强砼（<30MPa）、高强砼（≥60MPa）、超高强砼（>100MPa）

3、砼的特点 优点： 　　 由于普通混凝土具有优越的技术性能和经济性能．因此，在建筑工程中能得到广泛的应用。 　　 (1)原材料丰富，造价低廉。混凝十中砂、石骨料约占80％，而砂、石材料资源丰富，可就地取材，造价低廉。 　　 <2)混凝土拌合物打良好的可塑性。混凝土木凝结硬化前，可利用模板浇灌成任何形状及尺寸的整体结构或构件。 　　 (3)性能可以调整。通过改坐混凝土组成材料的品种及比例，可制得不同物理力学性能的混凝土，来满足各种工程的不同需要。 　　 (4)与钢筋有中固的粘结力。混凝土与钢筋的线膨胀系数基本相同。二者复全成钢筋混凝土后．能保证共同工作，从而大大扩展了混凝十的应用范围。

(5)良好的耐久性。配制合理的混凝上．具有良好的抗冻、抗渗、抗风化及耐腐蚀等性能，比木材、钢材等材料更耐久．维护费用低。 (6)生产能耗较低。混凝土牛广：能耗远小于烧土制品及金属堵料。

缺点： 　　 (1)白重大．比强度(强度与表观密度之比)小。每1m普通混凝土重达2400kg左右，致使在建筑丁程中形成肥梁胖柱、厚基础，对高层、大跨度建筑不利。 　　 (2)抗拉强度低。一般基抗拉强度为抗压强度的l／20一1/10，因此受拉时易产生脆性破坏。 　　 (3)导热系数大。普通混凝十导热系数为1．40W/(m．k)。为红砖的两倍．故保温隔热性能差。 　　 (4)硬化较慢．生产周期长。在标准条件卜养护28d后，混凝上强度增长才趋于稳定，在自然条什下养护的混凝土预制构什．一般要养护7—14d方可投入使用。　　

4.2 普通混凝土的组成材料

普通混凝土（简称为混凝土）是由水泥、砂、石和水所组成，另外还常加入适量的掺合料和外加剂。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，便于施工。水泥浆硬化后，则将骨料胶结为一个坚实的整体。

1. 水泥 水泥是混凝土中最重要的组分。水泥品种的选择，应当根据混凝土工程性质与特点，工程的环境条件及施工条件，结合各种水泥特性进行合理的选择。 水泥强度等级的选择应当与混凝土的设计强度等级相适应。经验证明，配制C30以下的混凝土，水泥强度等级为混凝土强度等级的1.1～1.8倍，配制Ｃ40以上的混凝土，水泥强度等级为混凝土强度等级的1.0～1.5倍，同时宜掺入高效减水剂。

2. 细骨料 由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的、粒径小于4.75ｍｍ的岩石颗粒（砂）称为细骨料。混凝土用砂的质量技术要求分述如下。 2.1砂的粗细程度与颗粒级配 砂的粗细程度，是指不同粒径的砂粒，混合在一起后的总体的粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。在相同用量条件下，细砂的总表面积较大，而粗砂的总表面积较小。在混凝土中，砂子的表面需要由水泥浆包裹，砂子的总表面积愈大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆就愈多。因此，一般说用粗砂拌制混凝土比用细砂所需的水泥浆为省。

砂的颗粒级配，即表示砂中大小颗粒的搭配情况。在混凝土中砂粒之间的空隙是由水泥浆所填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，就应尽量减小砂粒之间的空隙。要减小砂粒间的空隙，就必须有大小不同的颗粒搭配。

因此，在拌制混凝土时，砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑。当砂中含有较多的粗粒径砂，并以适当的中粒径砂及少量细粒径砂填充其空隙，则可达到空隙及总表面积均较小，这样的砂比较理想，不仅水泥浆用量较少，而且还可提高混凝土的密实度与强度。

砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。用级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数表示砂的粗细。筛分析的方法，是用一套孔径（净尺寸）为9 砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。用级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数表示砂的粗细。筛分析的方法，是用一套孔径（净尺寸）为9.50、4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15㎜的标准筛，将500g的干砂试样由粗到细依次过筛，然后称得各筛余留在各个筛上的砂的重量，并计算出各筛上的分计筛余百分率ai及累计筛余百分率Ａi（各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和）。

细度模数的计算公式为： 式中 ai-----分计筛余百分率，即该号筛的筛余量除以试样总量； Ａi---累计筛余百分率，即该号筛与大于该号各筛分计筛余百分率之和。

细度模数（Ｍx）愈大，表示砂愈粗，砂的细度模数范围一般为3.7～0.7，其中 国家规范将细度模数为3.7 ～ 1.6的普通混凝土用砂，以0.60㎜筛孔的累计筛余量分成三个级配区，如表4-1所示及图4-1所示。普通混凝土用砂的筛分曲线必须包容在三个级配曲线区域中的任一个区域以内。

图4-1砂的1、2、3级配区曲线

例1．某干砂500g的筛分结果如下表所列。试计算该砂的细度模数并评定其级配

砂按技术要求分为三类： I类宜用于强度等级>C60的混凝土 II类宜用于强度等级C30~C60的混凝土及有抗冻抗渗或其他要求的混凝土； III类宜用于强度等级<C30的混凝土和建筑砂浆

2.2砂中有害杂质的含量 为保证混凝土的质量，砂中有害杂质的含量，应符合国家技术规范的规定。见表4-2。

砂中不应含有活性氧化硅，因为砂中含有的活性氧化硅，能与水泥中的碱分（Ｋ2Ｏ及 Ｎａ2Ｏ）起作用，产生碱骨料反应，使混凝土发生膨胀开裂。

3. 粗骨料 粒径大于4.75ｍｍ的骨料为粗骨料（卵石和碎石）。对用于配制普通混凝土的卵石和碎石有以下技术要求： 3.1最大粒径、颗粒级配 （1）石子最大粒径（Dmax） 石子各粒级的公称上限粒径称为这种石子的最大粒径。石子的最大粒径增大，则相同质量石子的总表面积减小，混凝土中包裹石子所需水泥浆体积减少，即混凝土用水量和水泥用量都可减少。在一定的范围内，石子最大粒径增大，可因用水量的减少提高混凝土的强度。

然而石子最大粒径（Dmax）过大时，则由于骨料与水泥砂浆粘结面积下降等原因造成混凝土的强度下降。同时，最大粒径的选用，要受结构上诸因素和施工条件等方面的限制。根据我国钢筋混凝土施工规范规定：混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构物最小断面的短边长度的１／４；不得大于钢筋最小净距的 ３／４。另外还受搅拌机以及输送管道等条件的限制。

（2）颗粒级配 粗骨料的级配原理和要求与细骨料基本相同。级配试验采用筛分法测定，即用2.36、4.75、9.5、16.0、19.0、26.5、31.5、37.5、53.0、63.0、75.0和90ｍｍ等十二种孔径的圆孔筛进行筛分。 石子的颗粒级配可分为连续级配和间断级配。连续级配是石子粒级呈连续性，即颗粒由小到大，每级石子占一定比例。用连续级配的骨料配制的混凝土混合料，和易性较好，不易发生离析现象。连续级配是工程上最常用的级配。

间断级配也称单粒级级配。间断级配是人为地剔除骨料中某些粒级颗粒，从而使骨料级配不连续，大骨料空隙由小几倍的小粒径颗粒填充，以降低石子的空隙率。由间断级配制成的混凝土，可以节约水泥。由于其颗粒粒径相差较大，混凝土混合物容易产生离析现象，导致施工困难。 石子颗粒级配范围应符合规范要求。碎石、卵石的颗粒级配规格见表4-3 (P84表 4-6)。

3.2 粗骨料的强度及坚固性 （1）粗骨料的强度 粗骨料的强度采用岩石立方体强度或粒状石子的压碎指标来表示。 岩石立方强度试验，是用母岩制成5×5×5㎝ 立方体，或直径与高度均为5㎝的圆柱体试样，浸泡水中４８ｈ，待吸水饱和后进行抗压试验。石子抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比，不应低于1.5。

压碎指标是将一定重量气干状态下10～20ｍｍ的石子装入一定规格的金属圆桶内，在试验机上施加荷载到 200ｋＮ，卸荷后称取试样质量（ｍ0），再用孔径为2.36ｍｍ的筛子筛除被压碎的细粒，称取试样的筛余量（m1），用下式计算压碎指标： 式中 δa---------压碎指标值，%； ｍ0--------试样质量，g； m1--------压碎试验后试样的筛余量，g。 压碎指标值越小，骨料的强度越高。

（2）骨料的坚固性 骨料的坚固性是指在气候、外力和其他物理力学因素作用（如冻融循环作用）下骨料抗碎裂的能力。坚固性试验是用硫酸钠溶液法检验，试样经五次干湿循环后，其质量损失应不超过规范的规定。

3.3有害杂质 粗骨料中的有害杂质主要有：粘土、淤泥及细屑；硫酸盐及硫化物；有机物质；蛋白石及其他含有活性氧化硅的岩石颗粒等。它们的危害作用与在细骨料中相同。各种有害杂质的含量都不应超出规范的规定。 粗骨料中的针状（颗粒长轴长度大于平均粒径的２～４倍）和片状（厚度小于平均粒径的0.4倍）颗粒，不仅影响混凝土的和易性，而且会使混凝土的强度降低。骨料中针状颗粒含量，应符合规范中的规定。

水泥混凝土用粗骨料中有害杂质的含量，应符合GB/T14685-2001的规定，见表4-4

（ａ）全干状态，（ ｂ）气干状态；（c）饱和面干状态（ｄ）湿润状态 3.4 骨料的饱和面干吸水率 骨料的几种含水状态如图４－2所示。 图4－2骨料的含水状态 （ａ）全干状态，（ ｂ）气干状态；（c）饱和面干状态（ｄ）湿润状态

骨料的含水状况除不含水分的绝干状态以外，还有含与大气湿度平衡的水分时的气干状态；颗粒表面干燥，而颗粒内部的孔隙含水饱和的饱和面干状态；颗粒表面吸附了水的润湿状态。 骨料在饱和面干状态时的含水率，称为饱和面干吸水率。当拌制混凝土时，由于骨料含水量的不同，将影响混凝土的用水量和骨料用量。计算混凝土中各项材料的配合比时，一般以干燥骨料为基准，而一些大型水利工程常以饱和面干的骨料为准。

砂石骨料的这一特性，在设计和称料拌合混凝土中应加以注意，并作相应调整。如配合比设计是以干骨料作基准的，确定用水量时应考虑补充干骨料的吸水；当骨料是润湿态时，确定用水量时又应考虑扣除骨料的表面水。

4.混凝土拌合及养护用水 在拌制和养护混凝土用的水中，不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，如油脂、糖类等。凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护混凝土。污水、PH值小于４的酸性水、含硫酸盐（按ＳＯ3计）超过水重１％的水均不得使用，在对水质有疑问时可将该水与洁净水分别制成混凝土试块，然后进行强度对比试验，如果用该水制成的试块强度不低于洁净水制成的试块强度，就可用此水来拌制混凝土。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，对水泥石有侵蚀作用，对钢筋也会造成锈蚀，因此一般不得用海水拌制混凝土。

5.混凝土外加剂 混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物质。掺量不大于水泥质量的5%(特殊情况除外)。 外加剂按其主要功能，一般有减水剂、引气剂、早强剂、缓凝剂、速凝剂、膨胀剂、防冻剂、阻锈剂等。

混凝土外加剂的分类 混凝土外加剂按其主要功能分为四类： （1） 改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。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） 改善混凝土其它性能的外加剂。包括加气剂、膨胀剂、着色剂、防水剂和泵送剂等。

4.3 普通混凝土的 和易性

混凝土在未凝结硬化以前，称为混凝土拌合物。 新拌混凝土是指将水泥、砂、石和水按一定比例拌合但尚未凝结硬化时的拌合物。 它必须具有良好的和易性，便于施工，以保证能获得良好的浇灌质量；混凝土拌合物凝结硬化以后，应具有足够的强度，以保证建筑物能安全地承受设计荷载；并应具有必要的耐久性。

1.和易性的概念 和易性是指混凝土拌合物易于施工操作（拌合、运输、浇灌、捣实）并能获致质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合的技术性质，包括有流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。 （1）流动性是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。流动性的大小取决于混凝土拌合物中用水量或水泥浆含量的多少。

（2）粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中其组成材料之间有一定的粘聚力，不致产生分层和离析的性能。粘聚性的大小主要取决于细骨料的用量以及水泥浆的稠度等。 （3）保水性是指混凝土拌合物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重泌水的性能。保水性差的混凝土拌合物，由于水分分泌出来会形成容易透水的孔隙，从而降低混凝土的密实性。

2.和易性测定及评价指标 目前，尚没有能够全面反映混凝土拌合物和易性的测定方法。在工地和试验室，通常是测定拌合物的流动性，并辅以直观经验评定粘聚性和保水性。 A.坍落筒法 将混凝土拌合物按规定方法装入标准圆锥筒中，逐层插捣并装满刮平后，垂直提起圆锥筒，混凝土拌合物由于自重将会向下坍落。量测坍落的高度（以毫米计），即为坍落度。坍落度越大，则混凝土拌合物的流动性越大。

坍落度测定

在做坍落度试验的同时，应观察混凝土拌合物的粘聚性、保水性及含砂等情况，以更全面地评定混凝土拌合物的和易性。坍落度法适用于骨料最大粒径不大于40㎜，坍落度值不小于10㎜的混凝土拌合物。 根据坍落度的不同，可将混凝土拌合物分为： 大流动性混凝土（坍落度大于160ｍｍ）； 流动性混凝土（坍落度为100～150ｍｍ）； 塑性混凝土（坍落度为50～90ｍｍ）及 低塑性混凝土（坍落度为10～40ｍｍ）。 坍落度值小于10ｍｍ的拌合物为干硬性混凝土。

B.维勃稠度法（ＶＢ法） 对干硬性的混凝土拌合物通常采用维勃稠度仪测定其稠度。维勃稠度测试方法是：在维勃稠度仪上的坍落度筒中按规定方法装满拌合物，垂直提起坍落度筒，在拌合物试体顶面放一透明圆盘，开启振动台，同时用秒表计时，在透明圆盘的底面完全为水泥浆所布满的瞬间，停止秒表，关闭振动台。此时可认为混凝土混合物已密实。读出秒表的秒数，称为维勃稠度。该法适用于粗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。

维勃稠度测定仪

3. 和易性的选择 混凝土拌合物的坍落度，主要依据构件截面大小，钢筋疏密和捣实方法来确定。当截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些。反之，如构件截面尺寸较大，钢筋较疏，或采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。表４－5（p102表４－19)列出《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-1992）关于坍落度选择的规定。

注：①本表系采用机械振捣混凝土时的坍落度，采用人工捣实其值可适当增大； ②需配制泵送混凝土时，应掺外加剂，坍落度宜为120～180㎜。

4.影响和易性的因素 （１）水泥浆的数量 在混凝土拌合物中，水泥浆包裹骨料表面，填充骨料空隙，使骨料润滑，提高混合料的流动性；在水灰比不变的情况下，单位体积混合物内，随水泥浆的增多，混合物的流动性增大。若水泥浆过多，超过骨料表面的包裹限度，就会出现流浆现象，这既浪费水泥又降低混凝土的性能；如水泥浆过少，达不到包裹骨料表面和填充空隙的目的，使粘聚性变差，流动性低，不仅产生崩塌现象，还会使混凝土的强度和耐久性降低。混合物中水泥浆的数量以满足流动性要求为宜。

（２）水泥浆的稠度 水泥浆的稀稠，取决于水灰比的大小。水灰比小，水泥浆稠，拌合物流动性就小，混凝土拌合物难以保证密实成型。若水灰比过大，又会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良，而产生流浆、离析现象。 水泥浆的数量和稠度取决于用水量和水灰比。实际上用水量是影响混凝土流动性最大的因素。当用水量一定时，水泥用量适当变化（增减50～100㎏／ｍ3 ）时，基本上不影响混凝土拌合物的流动性，即流动性基本上保持不变。由此可知，在用水量相同的情况下，采用不同的水灰比可配制出流动性相同而强度不同的混凝土。

塑性混凝土用水量可根据骨料的品种与规格及要求的流动性，参考表4－6(p104表4－21)选取（水灰比：0.40 ～ 0.80）。 注：①本表用水量系采用中砂时的平均取值，采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5 ～ 10㎏，采用粗砂则可减少5～10㎏。 ②掺用各种外加剂或掺合料时，用水量应相应调整。

砂率是指混凝土中砂的用量占砂、石总用量的百分率。 (3) 砂率 砂率是指混凝土中砂的用量占砂、石总用量的百分率。 ｍg0——每立方米混凝土的粗骨料用量（kg）； ｍs0——每立方米混凝土的细骨料用量（kg）； βs——砂率（％）； P_______粗骨料的空隙率（％） ρ0s , ρ0g _______砂、石堆积密度（kg/m3)

在混合料中，砂是用来填充石子的空隙。在水泥浆一定的条件下，若砂率过大，则骨料的总表面积及空隙率增大，混凝土混合物就显得干稠，流动性小。如要保持一定的流动性，则要多加水泥浆，耗费水泥。若砂率过小，砂浆量不足，不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起润滑和填充作用，也会降低混合物的流动性，同时会使粘聚性、保水性变差，使混凝土混合物显得粗涩，粗骨料离析，水泥浆流失，甚至出现溃散现象。因此，砂率既不能过大，也不能过小，应通过试验找出最佳（合理）砂率。也可参照表4-7(p105表4-22)选用。

注：①本表数值系中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减少或增大砂率； ②只用一个单粒级粗骨料配制混凝土时，砂率应适当增大； ③对薄壁构件，砂率取偏大值。

(４）其他影响因素 水泥品种，骨料种类，粒形和级配以及外加剂等，都对混凝土拌合物的和易性有一定影响。水泥的标准调度用水量大，则拌合物的流动性小。骨料的颗粒较大，形状圆整，表面光滑及级配较好时，则拌合物的流动性较大。此外，在混凝土拌合物中加入外加剂时（如减水剂），能显著地改善和易性。 混凝土拌合物的和易性还与时间，温度有关。拌合物拌制后，随时间延长，流动性减小；温度越高，水分丢失越快，坍落度损失越大。

4.3 混凝土的强度

1.混凝土强度 ⑴立方体抗压强度 按标准方法制备150㎜的立方体试件，在标准条件下养护至28d龄期。用标准方法测定其受压极限破坏荷载，计算抗压强度。 ①立方体抗压强度标准值fcu,k 按标准方法制备150㎜的立方体试件，在标准条件下养护至28d龄期。 用标准方法测定的抗压强度总体分布的平均值减去1.645倍的标准差。 强度标准值的保证率不低于95％。

②强度等级 根据“立方体抗压强度标准值”确定的。如：C20，表示混凝土的立方体抗压强度标准值不小于20MPa。 普通水泥混凝土的12个强度等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。

试验结果表明：在立方体抗压强度为10～55 MPa的范围内，轴心抗压强度与立方体抗压强度之比约为0.7～0.8。 ⑵轴心抗压强度fcp 反映实际受力状况，在钢筋混凝土结构设计中，计算轴心受压构件时，均以轴心抗压强度为设计指标。因为大部分钢筋混凝土结构形式为棱形或圆柱体。 测定尺寸：150㎜×150㎜×300㎜。 试验结果表明：在立方体抗压强度为10～55 MPa的范围内，轴心抗压强度与立方体抗压强度之比约为0.7～0.8。

⑶弯拉强度（抗折强度） 在道路和机场工程中，混凝土结构主要承受荷载的弯拉作用，所以弯拉强度是混凝土结构设计和质量控制的重要指标，而将抗压强度作为参考指标。 标准试件：150㎜×150㎜×550㎜的直角棱形小梁；在标准条件下养护28d；按三点加荷方式试验。

⑷劈裂抗拉强度fts 混凝土的抗拉强度较低，通常为抗压强度的1/10～1/20，这个比值随混凝土的抗压强度的增高而减小。 抗拉强度对混凝土的抗裂性起着重要作用，有时也用抗拉强度间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度，或用于预测混凝土构件由于干缩或温缩受约束引起的裂缝。

实验表明：由于直接抗拉强度夹具附近的局部破坏及偏心受力，试件受到弯折作用，试验结果波动较大。目前采用劈裂抗拉强度间接求出混凝土的抗拉强度。 试件：150㎜立方体试件，通过垫条对混凝土施加荷载，直至破坏。 劈裂抗拉强度约为轴心抗拉强度的0.9倍，并与弯拉强度有相关关系

2.影响混凝土强度的主要因素分析 混凝土受力破坏时，破裂可能出现在三个位置 一是集料与水泥石粘结界面破坏，这是混凝土最常见的破坏形式； 二是水泥石的破坏，这种情况在低强度等级混凝土中并不多见； 三是集料自身破裂，多发生在高强度混凝土中。

由此分析，普通水泥混凝土强度取决于水泥石强度及其与集料的界面粘结强度，这些强度与混凝土的组成材料密切相关，并受到施工质量、养护条件及龄期的影响。 ⑴混凝土组成材料的影响 混凝土的组成材料的质量和配合比是决定混凝土强度的主要内因，对强度起重要作用。

①水泥强度和水灰比 混凝土强度主要取决于水泥石质量。 理论上，水泥充分水化所需的水灰比为0.23 水泥石质量又受水泥强度和水灰比大小的支配。当水灰比相同时，水泥强度越高，水泥石强度越高，混凝土强度越高；当水泥品种相同时，混凝土强度取决于水灰比。 理论上，水泥充分水化所需的水灰比为0.23 用此水灰比拌制混凝土过于干硬，不易密实。 水灰比过大时，水分蒸发留下空隙，造成应力集中，降低强度和耐久性。

水灰比公式：抗压强度： 抗折强度： 水灰比定则：fce↑fcu↑；C/W↑ fcu↑ → W/C↑fcu↓

水泥强度、设计混凝土强度、水灰比这三个参数中，可根据其中两个确定另一个指标。 “水灰比定则” 强度和灰水比关系公式表明，水泥强度和水灰比是影响混凝土强度的最主要的因素。 水泥强度、设计混凝土强度、水灰比这三个参数中，可根据其中两个确定另一个指标。 抗压强度： 抗弯拉强度：

②集料的特性 当混凝土受力时，在粗集料与砂浆界面处将产生拉应力和剪应力。若界面粘结强度有保障时，粗集料所受的应力要比砂浆大，如果集料强度不足，混凝土可能因粗集料的破坏而破坏。 粗集料的颗粒形状、表面特征及表面洁净程度主要影响其与砂浆的界面粘结强度，是决定混凝土强度的一个重要因素。

针片状颗粒含量较高，不仅会给施工带来不利。而且会降低混凝土的强度。 碎石表面粗糙，流动性差，粘接性好，强度高；卵石表面光滑，流动性好，粘接性差，用水量减小时强度并不一定降低；集料表面杂质，会降低界面的粘接强度，影响水泥石的强度；集料形状、表面构造、洁净度对混凝土弯拉强度的影响大于对抗压强度的影响。 最大粒径对弯拉强度的影响大于抗压强度的影响；粒径越大，表面积越小，界面强度越低。

连续级配的优点：所配制的混凝土较密实，具有良好的工作性，不易产生离析。 间断级配，配制相同强度混凝土所需水泥量可少些，但易离析。 砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑。 当砂中含有较多粗砂，并以适量的中砂和细砂填充其空隙，砂的空隙率及总表面积较小，是比较理想的级配，不仅水泥浆用量较少，而且还可提高混凝土的密实性和强度。

混凝土形成后必须在一定的温度和湿度下养护，保证水化过程的正常进行。 ⑵养护条件 混凝土形成后必须在一定的温度和湿度下养护，保证水化过程的正常进行。 ①养护温度 混凝土的养护温度与混凝土强度有重要关系。 养护温度较高―早期强度较高，后期强度增长性较小，水化不均匀； 相对较低的养护温度―水化反应慢，水化物在水泥石中分布均匀，后期强度较高； 养护温度过低或降至冰点以下―水化反应停止，容易冻损。

如果湿度不足，水泥水化不能正常进行，甚至停止，将严重降低混凝土强度，而且水泥石结构疏松，形成干缩裂缝，影响混凝土的耐久性。 ②养护湿度 水是水泥水化反应的必要成分。 如果湿度不足，水泥水化不能正常进行，甚至停止，将严重降低混凝土强度，而且水泥石结构疏松，形成干缩裂缝，影响混凝土的耐久性。 夏季施工，注意养护。 1－空气中养护 2－九个月后水中养护 3－三个月后水中养护 4－标准湿度下养护

在标准条件下，混凝土强度与龄期之间有着较好的相关性，通常在对数坐标上呈直线关系。 ⑶龄期 在标准条件下，混凝土强度与龄期之间有着较好的相关性，通常在对数坐标上呈直线关系。 除上述因素外，影响混凝土强度的因素还有：外加剂、养护方式、施工方法。

实际工程中利用混凝土的成熟度来估算混凝土强度也是一种有效的方法。混凝土的成熟度是指混凝土所经历的时间和温度的乘积的总和，单位为h·℃。当混凝土的初始温度在某一范围内，并且在所经历的时间内不发生干燥失水的情况下，混凝土强度和成熟度的对数成线性关系。

（3）施工质量 施工质量的好坏对混凝土强度有非常重要的影响。施工质量包括配料准确，搅拌均匀，振捣密实，养护适宜等。任何一道工序忽视了规范管理和操作，都会导致混凝土强度的降低。 (4) 试验条件 试验条件对混凝土强度的测定也有直接影响。如试件尺寸，表面的平整度，加荷速度以及温湿度等，测定时，要严格遵照试验规程的要求进行，保证试验的准确性。

4.3.3提高混凝土强度的措施 （1）选用高强度水泥和低水灰比 水泥是混凝土中的活性组分，在相同的配合比情况下，所用水泥的强度等级越高，混凝土的强度越高。水灰比是影响混凝土程度的重要因素，试验证明，水灰比增加 １％，则混凝土强度将下降５％，在满足施工和易性和混凝土耐久性要求条件下，尽可能降低水灰比和提高水泥强度，这对提高混凝土的强度是十分有效的。

（2）掺用混凝土外加剂 在混凝土中掺入减水剂，可减少用水量，提高混凝土强度；掺入早强剂，可提高混凝土的早期强度。在混凝土中掺入矿物外加剂（如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、沸石粉等），可以节约水泥，降低成本；减少环境污染，改善混凝土诸多性能。

（3）采用机械搅拌和机械振动成型。 采用机械搅拌、机械振捣的混合料，可使混凝土混合料的颗粒产生振动，降低水泥浆的粘度和骨料的摩擦力，使混凝土拌合物转入液体状态，在满足施工和易性要求条件下，可减少拌合用水量，降低水灰比。同时，混凝土混合物被振捣后，它的颗粒互相靠近，并把空气排出，使混凝土内部孔隙大大减少，从而使混凝土的密实度和强度大大提高。

（4）采用湿热处理 湿热处理可分为蒸汽养护和蒸压养护两类。蒸汽养护就是将成型后的混凝土制品放在100℃以下的常压蒸汽中进行养护。以加快混凝土强度发展的速度。混凝土经16～20ｈ的蒸汽养护后，其强度即可达到标准养护条件下28ｄ强度的70％～ 80％。 蒸压养护混凝土在175℃温度和８个大气压的蒸压釜中进行养护。主要适用于硅酸盐混凝土拌合物及其制品。

4.4 混凝土的变形性能

1.非荷载作用下的变形 （1）化学收缩：混凝土硬化过程中，水化形起的体积收缩。收缩量随混凝土硬化龄期的延长而增加，但收缩率很小，一般在40d后渐趋稳定。 （2）温度变形：温度变化形起的。对大体积混凝土极为不利。 （3）干缩湿胀：处在空气中的混凝土当水分散失时会引起体积收缩，称为干缩；在受潮时体积又会膨胀，称为湿胀。

2.荷载作用下的变形 短期荷载作用下的变形—弹塑性变形和弹性模量：混凝土是一种非匀质材料，属弹塑性体。弹性模量反映了混凝土应力—应变曲线的变化。 徐变：混凝土在持续荷载作用下，随时间增长的变形。徐变有有利一面，也有不利一面。影响混凝土徐变的主要因素是水泥用量多少和水灰比大小。

4.5 硬化混凝土的耐久性 混凝土的抗渗性； 混凝土的抗冻性； 混凝土的抗腐蚀性； 混凝土的碳化； 混凝土的碱-骨料反应； 4.5 硬化混凝土的耐久性 即保证混凝土在长期自然环境及使用条件下保持其使用性能。 常见的耐久性问题有： 混凝土的抗渗性； 混凝土的抗冻性； 混凝土的抗腐蚀性； 混凝土的碳化； 混凝土的碱-骨料反应；

4.6 混凝土的质量与强度评定

硬化混凝土的强度特征 1、混凝土强度分布特征 混凝土承受荷载作用，必须具有足够的强度，耐久性和抗冻性、耐磨性也与强度密切相关，因此强度是水泥混凝土最重要的力学性质，也是评定混凝土质量的重要指标。 1、混凝土强度分布特征 在正常施工条件下，混凝土强度的影响因素是随机的，对测定的强度经过数据整理后，绘制的强度概率分布曲线接近正态分布曲线。

用正态分布反映混凝土强度特征，并检验强度或其它技术指标是否达到质量要求。 ⑴强度特征参数 用正态分布反映混凝土强度特征，并检验强度或其它技术指标是否达到质量要求。 ①强度平均值 ②强度标准差（均方差） σ越大，曲线越平坦，混凝土施工质量越不稳定，即强度的离散程度越大。

③强度的变异系数 CV 即偏差系数： CV越小，说明混凝土质量愈稳定，混凝土生产质量水平愈高。

混凝土强度总体值中大于设计强度等级fcu,k的概率P（f≥fcu,k） ⑵强度保证率 混凝土强度总体值中大于设计强度等级fcu,k的概率P（f≥fcu,k） 即： 可以根据随机变量值直接查表5-2，得到由式5-4'所表示的概率P（t≥tcu,k）值，也可以根据强度保证率P（t≥tcu,k）的要求值，查表确定强度保证率系数tcu,k值。

2、混凝土强度的质量评定 ⑴评定方法（三种） ①已知标准差的统计方法 若在较长时间内，混凝土的生产条件保持一致，且同一品种混凝土的强度性能保持稳定时，应以连续三组试件组成一个验收批，计算强度平均值和最小值等特征值。

当混凝土强度等级≤C20时 当混凝土强度等级＞C20时 式中： m不小于15组

②未知标准差的统计方法 当混凝土的生产条件在较长时间内不能保持一致，且混凝土强度不能保持稳定时，或在前一个检验期内的同一品种混凝土没有足够的数据用以确定验收批混凝土立方体抗压强度的标准差时，应由不少于10组的试件组成一个验收批，其强度应满足：

式中： 试件组数 10~14 15~24 ≧25 λ1 1.70 1.65 1.60 λ2 0.9 0.85

③非统计方法 要求： 当检验结果不能满足上述要求时，则该批混凝土强度判为不合格。 当对强度的代表性有怀疑时，可采取取芯或无破损检验方法推定。

⑵混凝土质量水平的评定 混凝土生产的质量水平，可根据统计周期内混凝土强度标准差（σ0或S fcu）和试件强度不低于强度等级的百分率P，按表5-4中规定进行评定。

4.7 普通混凝土配合比设计

混凝土配合比，是指单位体积的混凝土中各组成材料的质量比例，确定这种数量比例关系的工作，称为混凝土配合比设计。 混凝土配合比设计必须达到以下四项基本要求，即： （１）满足结构设计的强度等级要求； （２）满足混凝土施工所要求的和易性； （３）满足工程所处环境对混凝土耐久性的要求； （４）符合经济原则，即节约水泥以降低混凝土成本。

4.7.1 混凝土配合比设计基本参数确定的原则 水灰比、单位用水量和砂率是混凝土配合比设计的三个基本参数。 混凝土配合比设计中确定三个参数的原则是：在满足混凝土强度和耐久性的基础上，确定混凝土的水灰比；在满足混凝土施工要求的和易性基础上，根据粗骨料的种类和规格确定单位用水量；砂率应以砂在骨料中的数量填充石子空隙后略有富余的原则来确定。混凝土配合比设计以计算1m3混凝土中各材料用量为基准，计算时骨料以干燥状态为准。

4.7.2 普通混凝土配合比设计基本原理 （1）绝对体积法 绝对体积法的基本原理是：假定刚浇捣完毕的混凝土拌合物的体积，等于其各组成材料的绝对体积及混凝土拌合物中所含少量空气体积之和。

（２）质量法（假定表观密度法）。 如果原材料比较稳定，可先假设混凝土的表观密度为一定值，混凝土拌合物各组成材料的单位用量之和即为其表观密度。

4.7.3混凝土配合比设计的步骤 1设计的基本资料 ①混凝土的强度等级、施工管理水平， ②对混凝土耐久性要求， ③原材料品种及其物理力学性质， ④混凝土的部位、结构构造情况、施工条件等。2．初步配合比计算 （１）确定试配强度（fcu,0）

（２）计算水灰比 （W/C） 根据强度公式计算水灰比： 式中fcu,0——混凝土试配强度, ＭＰa； fce——水泥28d的实测强度,ＭＰa； αa,αb—回归系数，与骨料品种、水泥品种有关，其数值可通过试验求得。 《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2000）提供的αa 、αb 经验值为： 采用碎石：αa=0.46 αb＝0.07 采用卵石：αa=0.48 αb =0.33

（３）选定单位用水量（ｍw0）；用水量根据施工要求的坍落度（参考表4－5（p102表４－19)）和骨料品种规格，参考表4－6 (p104表4－21)选用。 注：①本表用水量系采用中砂时的平均取值，采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5~10㎏，采用粗砂则可减少5～10㎏。 ②掺用各种外加剂或掺合料时，用水量应相应调整。

（４）计算水泥用量（ｍc0） 根据已确定的 W/C和ｍw0，可求出ｌm3混凝土中水泥用量ｍc0： 为保证混凝土的耐久性，由上式得出的水泥用量还应大于表4－8 (p126表4－25)规定的最小水泥量。如算得的水泥用量小于表4－8规定值，应取规定的最小水泥用量值。

（５）选择合理的砂率值（βs） 合理砂率可通过试验、计算或查表求得。 试验是通过变化砂率检测混合物坍落度，能获得最大流动度的砂率为最佳砂率。 也可根据骨料种类、规格及混凝土的水灰比，参考表4—7 (p105表4-22)选用。

（6）计算粗、细骨料用量 ①重量法（假定表现密度法）应按下式计算： ｍc0＋ｍg0＋ｍs0＋ｍw0＝ ｍcp

②当采用体积法（绝对体积法）时，应按下式计算：

通过以上计算，得出每立方米混凝土各种材料用量，即初步配合比计算完成。 4 配合比的调整与确定 通过计算求得的各项材料用量（初步配合比），必须进行试验加以检验并进行必要的调整。

（１）调整和易性，确定基准配合比 按初步计算配合比称取材料进行试拌。混凝土拌合物搅拌均匀后测坍落度，并检查其粘聚性和保水性能的好坏。如实测坍落度小于或大于设计要求，可保持水灰比不变，增加或减少适量水泥浆；如出现粘聚性和保水性不良，可适当提高砂率；每次调整后再试拌，直到符合要求为止。当试拌工作完成后，记录好各种材料调整后用量，并测定混凝土拌合物的实际表观密度（ρc，t）。此满足和易性的配比为基准配合比。

（２）检验强度和耐久性，确定试验室配合比 基准配合比能否满足强度要求，需进行强度检验。一般采用三个不同的配合比，其中一个为基准配合比，另外两个配合比的水灰比值，应较基准配合比分别增加及减少0.05，其用水量应该与基准配合比相同，但砂率值可做适当调整并测定表观密度。各种配比制作两组强度试块，如有耐久性要求，应同时制作有关耐久性测试指标的试件，标准养护28d天进行强度测定。

（3）配合比的确定 ①确定混凝土初步配合比 根据试验得出的各灰水比及其相对应的混凝土强度关系，用作图或计算法求出与混凝土配制强度（fcu,0）相对应的灰水比值，并按下列原则确定每立方米混凝土的材料用量： 用水量（Ｗ）——取基准配合比中的用水量，并根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度，进行调整； 水泥用量（Ｃ）——取用水量乘以选定出的灰水比计算而得； 粗、细骨料用量（Ｓ、Ｇ）——取基准配合比中的粗、细骨料用量，并按定出的灰水比进行调整。 至此，得出混凝土初步配合比。

再用初步配合比进行试拌混凝土，测得其表观密度实测值（ρc，t），然后按下式得出校正系数δ，即 ② 确定混凝土正式配合比 在确定出初步配合比后，还应进行混凝土表观密度较正，其方法为：首先算出混凝土初步配合比的表观密度计算值（ρc，c），即 ρc，c= Ｃ十Ｗ十Ｓ十Ｇ 再用初步配合比进行试拌混凝土，测得其表观密度实测值（ρc，t），然后按下式得出校正系数δ，即 当混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的２％时，则上述得出的初步配合比即可确定为混凝土的正式配合比设计值。若二者之差超过２％时，则须将初步配合比中每项材料用量均乘以校正系数得值，即为最终定出的混凝土正式配合比设计值，通常也称实验室配合比。

4.7.5混凝土施工配合比换算 混凝土实验室配合比计算用料是以干燥骨料为基准的，但实际工地使用的骨料常含有一定的水分，因此必须将实验室配合比进行换算，换算成扣除骨料中水分后、工地实际施工用的配合比。其换算方法如下： 设施工配合比1 m3混凝土中水泥、水、砂、石的用量分别为C’、Ｗ’、Ｓ’、Ｇ’；并设工地砂子含水率为a％，石子含水率为b％。则施工配合比1 m3混凝土中各材料用量为 C’=C S’=S· (1+a%) G’=G· (1+b%) W’=W－S·a%－G·b%

例4-2．某框架结构工程现浇钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为 Ｃ30，施工要求混凝土坍落度为３０～５０㎜，根据施工单位历史资料统计，混凝土强度标准差σ＝5MPa。所用原材料情况如下： 水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，水泥密度为ρｃ=3.10ｇ/cm３，水泥强度等级标准值的富余系数为1.08； 砂：中砂，级配合格，砂子表观密度ρos=2.60ｇ/cm３； 石：5～30mm碎石，级配合格，石子表观密度ρog=2.65ｇ/cm3； 试求： １．混凝土计算配合比； 2．若经试配混凝土的和易性和强度等均符合要求，无需作调整。又知现场砂子含水率为 ３％，石子含水率为1％，试计算混凝土施工配合比。

由于框架结构混凝土梁处于干燥环境，由表4-8, 干燥环境容许最大水灰比为0.65，故可确定水灰比为0.53。 解 １．求混凝土计算配合比 (1)确定混凝土配制强度（fcu,0） fcu,0= fcu,k + 1.645σ= 30 + 1.645×5 =38.2 MPa (2)确定水灰比（W/C） fce = γc ×fce,k = 1.08 × 42.5=45.9MPa 由于框架结构混凝土梁处于干燥环境，由表4-8, 干燥环境容许最大水灰比为0.65，故可确定水灰比为0.53。

（3）确定用水量（mw0） 查表4—6，对于最大粒径为30㎜的碎石混凝土，当所需坍落度为３０～５０㎜时,1m3混凝土的用水量可选用185kg。 (4) 计算水泥用量（mc0） 按表 4—8，对于干燥环境的钢筋混凝土，最小水泥用量为260㎏，故可取 mc0＝ 349㎏／ｍ3。

解此联立方程，则得：ｍs0=641㎏， ｍg0=1192㎏ （5）确定砂率（βs） 用体积法计算，将mc0=349㎏；mw0=185㎏代入方程组 解此联立方程，则得：ｍs0=641㎏， ｍg0=1192㎏

（7）该混凝土计算配合比为： ｌm3混凝土中各材料用量为：水泥： 349㎏，水 ：185㎏，砂：641㎏，碎石：1192㎏。以质量比表示即为： 水泥：砂：石=１：1.84 ：3.42，Ｗ／Ｃ＝0.53 2．确定施工配合比 由现场砂子含水率为 ３％，石子含水率为1％，则施工配合比为： 水泥 mc施 = mc0=349㎏ 砂子 ｍs施 = ｍs0×（1+3%）=641×（1+3%）=660㎏ 石子 ｍg施 = ｍg0×（1+1%）=1192×（1+1%）=1204㎏ 水 ｍw施= mw0－ｍs0×3%－ｍg0×1% =185－641×3%－1192×1%=154㎏

4.9 其他混凝土 1、高强混凝土 强度等级达到C60和超过C60的混凝土称为高强混凝土。 2、轻混凝土 4.9 其他混凝土 1、高强混凝土 强度等级达到C60和超过C60的混凝土称为高强混凝土。 2、轻混凝土 是指干密度小于1950kg/m3的混凝土。包括轻骨料混凝土、多孔混凝土和大孔混凝土。 3、防水混凝土（抗渗混凝土） 是通过各种方法提高混凝土的抗渗性能，其抗渗等级等于或大于P6级的混凝土。 防水混凝土按其配制方法大体可分为四类：富水泥浆法防水混凝土、引气剂防水混凝土、密实剂防水混凝土、膨胀水泥防水混凝土。

4、聚合物混凝土 在混凝土组成材料中掺入聚合物的混凝土。一般可分为三种：聚合物水泥混凝土、聚合物胶结混凝土、聚合物浸渍混凝土。 5、纤维混凝土 以普通混凝土为基材，将短而细的分散性纤维，均匀地撒布在普通混凝土中制成的混凝土。其目的是提高混凝土的抗拉及抗冲击等性能与降低混凝土的脆性。

end

谢谢!