第四章混凝土

第一節概述

混凝土是由膠凝材料、骨料和水（也可不加水）按適當比例配合，經攪拌、振搗、成型，在一定條件下硬化而成的人造石材。必要時也可加入一些外加劑、礦物摻合料及纖維材料等。混凝土是當代最重要的土木工程材料之一，廣泛應用于建筑、水利、道路、橋梁、地下、國防等土木工程中，在國家基本建設中占有重要地位。

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一、混凝土的分類（一）按表觀密度大小分類重混凝土、普通混凝土和輕混凝土

（二）按膠凝材料不同分類水泥混凝土、瀝青混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土等

（三）按用途分類結構用混凝土、防水混凝土、裝飾混凝土、防射線混凝土、裝飾混凝土、隔熱混凝土、耐酸混凝土、耐火混凝土等。

（四）按摻合料不同分類粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、磨細高爐礦渣混凝土、纖維混凝土等。

第四章混凝土二、混凝土的特點1、優點：（1）成本低（2）配置靈活，適應性好（3）可塑性好（4）抗壓強度高（5）復合性能好（6）耐火性好（7）耐久性好2、缺點：自重大，抗拉強度低，易開裂、模板需求量大，施工周期長

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第二節混凝土的組成材料

普通混凝土的組成材料主要有水泥、細骨料（砂）、粗骨料（碎石或卵石）、水。有時，為了改善混凝土的性能，還常加入外加劑和礦物摻合料。混凝土的各組成材料在混凝土中起著不同的作用。砂、石子統稱為骨料，主要起骨架作用。水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充在骨料的空隙中。在混凝土硬化前的拌合物中，水泥漿主要起潤滑作用，賦予混凝土拌合物一定的流動性，以便于施工。硬化后，水泥將砂、石骨料膠結成為一個整體，并使混凝土產生強度，成為堅硬的人造石材。

混凝土的組成結構如圖4-1所示。

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第四章混凝土圖4-1混凝土的組成結構

一、水泥（一）水泥品種的選擇配制混凝土用的水泥，應根據混凝土的工程特點和所處的環境，結合各種水泥的不同特性進行選用。（二）水泥強度等級的選擇配制混凝土所用水泥的強度等級應與混凝土的設計強度等級相適應。原則上是配制高強度等級的混凝土，選用高強度等級水泥；配制低強度等級的混凝土，選用低強度等級水泥。對于一般強度混凝土，水泥強度等級宜為混凝土強度等級的1.5～2.0倍。如配制C25混凝土，可選用強度等級為42.5的水泥；配制C30混凝土，可選用強度等級為52.5的水泥。

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二、細骨料—砂子粒徑小于4.75mm的巖石顆粒稱為細骨料（砂）。砂按產源分為天然砂和人工砂兩類。天然砂是由自然風化、水流搬運和分選、堆積形成的巖石顆粒（不包括軟質巖、風化巖石的顆粒），包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。人工砂是經除土處理的機制砂、混合砂的統稱。一般混凝土用砂應優先采用天然砂。

《建筑用砂》（GB/T14684—2001）規定，砂按技術要求分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。Ⅰ類宜用于強度等級大于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強度等級C30~C60及抗凍、抗滲或其他要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強度等級小于C30的混凝土和建筑砂漿。

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（一）砂中有害物質含量、堅固性用來配制混凝土的砂要求清潔不含雜質，以保證混凝土的質量。在實際工程中，砂中常含泥和泥塊，還有云母、輕物質、有機物、硫化物及硫酸鹽、氯鹽等有害物質。這些物質粘附在砂的表面，妨礙水泥與砂的粘結，從而降低混凝土的強度和耐久性。另外，硫化物和硫酸鹽對水泥石有腐蝕作用，氯鹽容易加劇鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕。砂中的有害物質含量、堅固性應符合表4-1的規定。

（二）含泥量、石粉含量和泥塊含量

天然砂的含泥量和泥塊含量、人工砂的石粉含量和泥塊含量應符合表4-2的要求。（三）表觀密度、堆積密度、空隙率、堿骨料反應

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（四）粗細程度與顆粒級配

砂的粗細程度是指不同粒徑的砂混合在一起的平均粗細程度。砂的顆粒級配是指大小不同粒徑的砂粒相互間的搭配情況。混凝土用砂應同時考慮砂的粗細程度和顆粒級配。當砂的顆粒較粗且級配良好時，砂的空隙率和總表面積均較小，這樣不僅可以節約水泥，而且還可提高混凝土的強度和密實性。可見，控制混凝土砂的粗細程度和顆粒級配有很大的技術經濟意義。砂的粗細程度和顆粒級配常用篩分析的方法進行測定，用細度模數來判斷砂的粗細程度，用級配區來表示砂的顆粒級配。

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國家標準《建筑用砂》（GB/T14684—2001）對細度模數為的普通混凝土用砂，根據0.6mm篩孔的累計篩余百分率分成三個級配區，見表4-3和圖4-3（級配曲線）。混凝土用砂的顆粒級配，應處于表4-3或圖4-3的任何一個級配區內，否則認為砂的顆粒級配不合格。混凝土用砂的級配必須合理，否則難以配制出性能良好的混凝土。當現有的砂級配不良時，可采用人工級配方法來改善，最簡單措施是將粗、細砂按適當比例進行試配，摻和使用。

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三、粗骨料—石子

粗骨料一般指粒徑大于4.75mm的巖石顆粒，有卵石和碎石兩大類。卵石是由于自然風化、水流搬運和分選、堆積形成的巖石顆粒，分為河卵石、海卵石和山卵石；碎石是由天然巖石或卵石經機械破碎、篩分而制成的。配制混凝土選用碎石還是卵石，要根據工程性質、當地材料的供應情況、成本等各方面綜合考慮。

《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685—2001）規定，卵石、碎石分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。Ⅰ類宜用于強度等級大于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強度等級C30~C60及抗凍、抗滲或其他要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強度等級小于C30的混凝土。

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（一）有害物質、針片狀顆粒、含泥量和泥塊含量、堅固性用來配制混凝土的卵石和碎石要求清潔不含雜質，以保證混凝土的質量。在實際工程中，卵石和碎石中常含泥和泥塊，針狀（顆粒長度大于相應粒級平均粒徑的2.4倍）和片狀（厚度小于平均粒徑的0.4倍）顆粒，以及有機物、硫化物、硫酸鹽等有害物質。針、片狀顆粒易折斷，其含量多時，會降低新拌混凝土的流動性和硬化后混凝土的強度。泥、泥塊和有害物質對混凝土的危害作用與細骨料相同。卵石和碎石中的有害物質、針片狀顆粒、含泥量和泥塊含量、堅固性應符合表4-4的規定。

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（二）強度

為了保證混凝土的強度，粗骨料必須具有足夠的強度。碎石的強度可用壓碎指標和巖石抗壓強度指標表示，卵石的強度可用壓碎指標表示。對經常性的生產質量控制常用壓碎指標值來檢驗石子的強度。當混凝土強度等級大于或等于C60時，對粗骨料強度有嚴格要求或對骨料質量有爭議時，宜用巖石抗壓強度作檢驗。（三）表觀密度、堆積密度、空隙率、堿骨料反應表觀密度應大于2500kg/m3，松散堆積密度大于1350kg/m3，孔隙率小于47%。經堿骨（集）料反應試驗后，由碎石、卵石制備的試件應無裂縫、酥裂、膠體外溢等現象，在規定的試樣齡期的膨脹率應小于0.10%。

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（四）最大粒徑和顆粒級配

1.最大粒徑

《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB50204—2002）對粗骨料的最大粒徑做了以下規定：粗骨料的最大粒徑不得超過結構截面最小尺寸的1/4，同時不得超過鋼筋間最小凈距的3/4；對混凝土實心板，粗骨料最大粒徑不宜超過板厚的1/2，且不得超過40mm。對于泵送混凝土，為防止混凝土泵送時堵塞管道，保證泵送施工的順利進行，《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2000）規定，泵送混凝土粗骨料最大粒徑與輸送管的管徑之比應符合表4-7的規定。

2.顆粒級配

混凝土用粗骨料的顆粒級配應符合表4-8的規定。

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四、水混凝土用水包括混凝土拌合用水和養護用水。對混凝土用水的質量要求是：不影響混凝土的凝結和硬化；無損于混凝土的強度發展和耐久性，不加快鋼筋的銹蝕；不引起預應力鋼筋脆斷；不污染混凝土表面等。海水不能用來拌制鋼筋混凝土和預應力混凝土，也不能用來拌制對飾面要求高的混凝土。混凝土用水宜采用飲用水，當采用其它水源時，水質應符合《混凝土用水標準》（JGJ63—2006）的規定，見表4-9。對于設計使用年限為100年的結構混凝土，氯離子含量不得超過500mg/L；對使用鋼絲或熱處理鋼筋的預應力混凝土，氯離子含量不得超過350mg/L。

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五、外加劑

混凝土外加劑是指在拌制混凝土過程中摻入的用以改善混凝土性能的物質，其摻量一般不超過水泥質量的5%。混凝土外加劑的使用是混凝土技術的重大突破，外加劑的摻量雖然很小，卻能顯著的改善混凝土的某些性能，是生產各種高性能混凝土和特種混凝土必不可少的第五種重要組成材料，在現代混凝土技術中發揮了極其重要的作用。

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（一）混凝土外加劑的類型

1、改善混凝土拌合物流變性能的外加劑，如各種減水劑、泵送劑等。

2、調節混凝土凝結時間、硬化性能的外加劑，如緩凝劑、早強劑、速凝劑等。

3、改善混凝土耐久性的外加劑，如引氣劑、防水劑、阻銹劑等。

4、改善混凝土其它性能的外加劑，如引氣劑、膨脹劑、防凍劑、著色劑、脫模劑、防水劑等。

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（二）常用混凝土外加劑

1、減水劑

減水劑是指在保證混凝土坍落度不變的條件下，能減少拌合用水量的外加劑。減水劑起到以下經濟技術效果：（1）在保持水灰比和水泥用量不變的情況下，提高混凝土拌合物的流動性；（2）在保證混凝土強度和坍落度不變的情況下，可節約水泥用量；（3）在保證混凝土拌合物和易性和水泥用量不變的條件下，可減少用水量，降低水灰比，提高混凝土的強度和耐久性。

第四章混凝土2、引氣劑

引氣劑是一種在攪拌混凝土過程中能引入大量分布均勻、穩定而封閉的微小氣泡的外加劑。目前常用的引氣劑主要有松香樹脂類、烷基磺酸鹽類、脂肪醇磺酸鹽類、蛋白鹽等多種。其中，以松香樹脂類應用最廣。引氣劑能有效減少混凝土拌合物的泌水離析，明顯改善混凝土拌合物的和易性，提高硬化混凝土的抗凍性和抗滲性。但摻入引氣劑會引起混凝土的強度降低，一般混凝土中含氣量增加1%，抗壓強度將降低4%~6%，所以引氣劑的摻量必須適當。

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3、早強劑

早強劑是指能加速混凝土早期強度發展的外加劑。常用早強劑的品種有氯鹽類、硫酸鹽類、有機胺類及以它們為基礎組成的復合早強劑。早強劑能促使水泥的水化和凝結硬化，提高早期強度，縮短混凝土的養護周期，提高模板和場地的周轉率，加快施工速度。早強劑可用于蒸汽養護混凝土和在常溫、低溫條件下（不小于-5℃）施工的有早強和防凍要求的混凝土，特別適合冬季施工和緊急搶修工程。

第四章混凝土4、緩凝劑緩凝劑是指能延緩混凝土凝結時間，并對混凝土后期強度發展無不利影響的外加劑。緩凝劑具有緩凝、減水、降低水化熱等多種功能，適用于大體積混凝土、炎熱氣候條件下施工的混凝土、長期停放及遠距離運輸的商品混凝土。

5、防凍劑防凍劑是指能使混凝土在負溫下硬化，并在規定時間內達到足夠防凍能力和強度的外加劑。防凍劑的作用是在負溫條件下能確保混凝土中有液相存在，從而保證水泥的水化和凝結硬化。防凍劑能使混凝土在負溫下免受凍害，適用于負溫條件下施工的混凝土。

第四章混凝土6、膨脹劑膨脹劑是指能使混凝土產生一定體積微膨脹的外加劑。一般常用的有明礬石膨脹劑（主要成分是明礬石和無水石膏或二水石膏）、CSA膨脹劑（主要成分是無水硫鋁酸鈣）等。膨脹劑摻量一般為水泥質量的10%～15%，摻量較大時可在鋼筋混凝土中產生自應力。在混凝土中摻入膨脹劑后不會對力學性質帶來大的影響，卻可大幅度提高混凝土的抗裂性和抗滲性。

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7、泵送劑泵送劑是指能改善混凝土拌合物泵送性能的外加劑。

隨著高層建筑及超高層建筑的普及，傳統的混凝土水平及垂直運輸方式已遠遠滿足不了現代施工工藝及質量的要求，促進了混凝土泵送技術的快速發展，而泵送劑是泵送混凝土發展的技術關鍵。在混凝土工程中，泵送劑一般由減水劑、緩凝劑、引氣劑等復合而成。泵送劑能減少混凝土的用水量，顯著增加混凝土拌合物的流動性，同時對混凝土強度的增強效果顯著。泵送劑適用于需要泵送施工的混凝土，特別適用于大體積混凝土、高層建筑和超高層建筑、滑模施工的混凝土、水下灌注樁混凝土等。

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（三）使用外加劑的注意事項

1．外加劑品種的選擇

2．外加劑摻量的選擇

3．外加劑的摻入方法

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六、礦物摻合料礦物摻合料是指在混凝土攪拌過程加入的、具有一定細度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能（特別是耐久性）的礦物粉體材料，也稱礦物外加劑。礦物摻合料用于混凝土中，不僅可以節約部分水泥，降低成本，而且還能顯著改善混凝土的各項性能。目前，常用的礦物摻合料（外加劑）有磨細礦渣（S）、磨細粉煤灰（F）、磨細天然沸石（Z）、硅灰（SF）等。

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（一）磨細礦渣粉

磨細礦渣粉是粒化高爐礦渣經干燥、磨細達到一定的細度且符合相應活性指數的粉狀材料，其摻量為10%~70%。礦渣微粉作為混凝土摻合料，不僅能取代一部分水泥，取得良好的經濟效果，而且對混凝土性能的改進和提高具有顯著作用，如能改善混凝土拌合物的和易性，降低水化熱，提高后期強度，提高混凝土抗腐蝕能力和抗滲性等。礦渣微粉適用于配制高強混凝土、高性能混凝土、大體積混凝土，以及各類地下和水下混凝土。

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（二）粉煤灰粉煤灰是煤粉燃燒后，由煙氣自鍋爐中帶出的粉狀殘留物，經除塵收集到的細粉末。我國的粉煤灰絕大多數來自電廠。粉煤灰顆粒多呈球形，表面光滑，有高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰之分。

在混凝土中摻入粉煤灰，可改善混凝土拌合物的和易性、可泵性和抹面性，降低水化熱，提高混凝土的抗滲性、抗侵蝕性等耐久性。

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（三）沸石粉沸石粉是一種由天然沸石磨細而成的火山灰質硅鋁酸鹽礦物摻合料，其摻量為10%~20%。在混凝土中摻入沸石粉，可起到減少混凝土拌合物的泌水性，改善可泵性，提高混凝土強度，提高混凝土密實性、抗滲性和抗凍性，抑制堿-骨料反應等作用。

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（四）硅灰硅灰又稱硅粉或硅煙灰，是從生產硅鐵合金或硅鋼等所排放煙氣中收集到的顆粒極細的煙塵，主要成分為無定形SiO2。硅灰作為混凝土摻合料取代水泥，可節約成本，改善混凝土拌合物和易性，大幅度提高混凝土的早期強度和后期強度，降低水化熱，提高耐磨性、抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性等。

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第三節混凝土的主要技術性能一、混凝土拌合物的和易性

（一）和易性的概念

和易性是指混凝土拌合物易于各種施工工序（拌合、運輸、澆筑、振搗等）操作并能獲得質量均勻、成型密實的性能。和易性是一項綜合技術性質，包括流動性、黏聚性和保水性三方面含義。

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（二）和易性的測定方法

《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080-2002）規定，可用坍落度試驗和維勃稠度試驗來測定混凝土拌合物的流動性。坍落度試驗適用于粗骨料最大粒徑不大于40mm，坍落度不小于10mm的混凝土拌合物的流動性測定。對于坍落度小于10mm的干硬混凝土拌合物，用維勃稠度試驗來測定其流動性。

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（三）影響和易性的主要因素

1.水泥漿的數量

2.水泥漿的稠度（水灰比）

3.砂率

4.溫度和時間

5.其他因素的影響

第四章混凝土

二、混凝土的強度

（一）立方體抗壓強度與強度等級

制成邊長為150mm的立方體試件，在標準條件（溫度2℃，相對濕度95%以上）下，養護至28天齡期，按照標準試驗方法測得的抗壓強度，稱為混凝土立方體抗壓強度。根據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)，混凝土強度等級按照混凝土立方體抗壓強度標準值劃分為十四個強度等級，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。

第四章混凝土

（二）軸心抗壓強度采用150X150X300mm的棱柱體作為標準試件，在標準條件）下養護至28d齡期，按照標準試驗方法測得的抗壓強度為混凝土的軸心抗壓強度。

（三）抗拉強度混凝土的抗拉強度采用立方體劈裂抗拉試驗來測定。劈裂抗拉試驗方法是采用邊長為150mm的立方體標準試件，按規定的劈裂抗拉試驗方法測定混凝土的劈裂抗拉強度。

第四章混凝土

（四）影響混凝土強度的主要因素

1.水泥強度等級和水灰比

2.養護的溫度、濕度

3.齡期

4.骨料的種類、質量、表面狀況

5.施工方法和施工質量

6.試驗條件

第四章混凝土

（五）提高混凝土強度的主要措施

1.采用高強度等級水泥或快硬早強型水泥

2.采用干硬性混凝土或較小的水灰比

3.采用級配好、質量高、粒徑適宜的骨料

4.采用機械攪拌和振搗

5.加強養護

6.摻加外加劑和礦物摻合料

第四章混凝土

三、混凝土的變形性能

（一）荷載作用下的變形

1.短期荷載作用下的變形

混凝土是由水泥石、砂、石子等組成的不均勻復合材料，是一種彈塑性體。混凝土受力后既會產生可以恢復的彈性變形，又會產生不可恢復的塑性變形。全部應變是由彈性應變與塑性應變組成。在鋼筋混凝土構件設計中，常采用一種按標準方法測得的靜力受壓彈性模量作為混凝土的彈性模量。

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2.徐變混凝土在荷載長期作用下，隨時間增長而沿受力方向增加的非彈性變形，稱為混凝土的徐變。混凝土的徐變對混凝土構件來說，能消除混凝土內的應力集中，使應力較均勻地重新分布；對大體積混凝土，則能消除一部分由于溫度變形所產生的破壞應力。但是，徐變會使構件的變形增加；在預應力鋼筋混凝土結構中，徐變會使鋼筋的預加應力受到損失，從而降低結構的承載能力。

第四章混凝土（二）非荷載作用下的變形

1.化學收縮一般水泥水化生成物的體積比水化反應前物質的總體積要小，因此會導致水化過程的體積收縮，這種收縮稱為化學收縮。

2.干濕變形當混凝土在水中硬化時，產生微小膨脹。當混凝土在干燥空氣中硬化時，混凝土產生收縮。

3.溫度變形混凝土的熱脹冷縮變形稱為溫度變形。

第四章混凝土

四、混凝土的耐久性

（一）抗滲性

混凝土的抗滲性是指混凝土抵抗壓力液體（水、油等）滲透的能力。抗滲性的大小用抗滲等級表示。