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第 04章 混凝土 张洪青 第 2页 4.1混凝土概述 混凝土是指以胶凝材料（胶结料）、集料 （或称骨料）、水（或不加水）及其他材料 为原料，按适当比例配制而成的混合物，再 经硬化形成的复合材料。 根据所用胶凝材料的不同，土木工程中常用 的混凝土有： 水泥混凝土 沥青混凝土 石膏混凝土 聚合物混凝土 第 3页 4.1.1水泥混凝土的发展概况 水泥混凝土自从 19世纪 20年代问世以来，它在土木 工程各领域的应用不断扩展。 水泥混凝土已经成为各种工业与民用建筑、桥梁、铁路、 公路、水利、海洋、矿山和地下工程中的主导材料。 在研究方面， 20世纪 80年代以来，世界各国致力于 对混凝土进行深入的理论研究，并不断推出混凝土 新材料和新工艺。 混凝土外加剂及高性能矿物掺合材料的逐渐推广应用，有 效地克服了混凝土的某些缺陷，并使其性能不断改善。 在应用方面，混凝土不仅是重要的结构材料，而且 成为重要的防水、装饰、耐腐蚀及防护等功能材料。 20世纪末，全世界每年平均消耗的水泥混凝土量约为 90亿 吨，在 21世纪它仍将在众多的工程材料中占居主导地位。 第 4页 在生产水平上，水泥混凝土正逐步摆脱劳动强度大、 生产规模零星分散、技术含量低的落后状态。 20世纪 80年代以来，我国各地纷纷建立了大、中型预拌混 凝土厂，可保质保量地为用户及时提供满足工程要求的商 品混凝土。 高性能水泥混凝土 (HPC)将是未来混凝土的主要发 展方向之一。 未来的水泥混凝土除了具有高强度（抗压强度 60MPa以上） 外，还必须具备良好的使用操作性、体积稳定性，而且必 须具有适应环境的高耐久性。 绿色高性能混凝土 (GHPC）也是未来的发展方向。 未来水泥混凝土及其原材料在生产、开发和应用过程中， 还应尽可能节约资源和能源、减少废气废料排放、减少对 环境的危害，以保护人类赖以生存的自然环境。 第 5页 4.1.2混凝土的分类 1.按表观密度分类 （ 1） 重混凝土 。 它是指干表观密度大于 2600kg/m3 的混凝土 。 又称为防辐射混凝土 。 （ 2） 普通混凝土 。 它是指干表观密度为 1950 2600kg/m3的混凝土 。 （ 3） 轻混凝土 。 它是指干表观密度小于 1950 kg/m3 的混凝土 。 它又可以分为三类： 轻集料混凝土 ， 其表观密度范围是 800 1950kg m3。 多孔混凝土 (泡沫混凝土 、 加气混凝土 )。 其表现密度范 围是 300 1000kg m3。 大孔混凝土 (普通大孔混凝土 、 轻集料大孔混凝土 )， 其 组成中无细集料 。 普通大孔混凝土的表现密度范围为 1500 1900kg m3， 是用碎石 、 卵石 、 重矿渣作集料配制 成的 。 第 6页 2.按用途分类 结构混凝土 水工混凝土 海洋混凝土 道路混凝土 防水混凝土 补偿收缩混凝土 装饰混凝土 耐热混凝土 耐酸混凝土 防辐射混凝土等 第 7页 3.按强度等级分类 低强度混凝土： 抗压强度小于 30MPa；主要应用于 一些承受荷载较小的场合，如地面。 中强度混凝土： 抗压强度 30 60MPa；是现今土木 工程中的主要混凝土类型，应用于各种工程中，如 房屋、桥梁、路面等。 高强度混凝土： 抗压强度大于 60MPa；主要用于大 荷载、抗震及对混凝土性能要求较高的场合，如高 层建筑、大型桥梁、高速公路等。 超高强混凝土： 抗压强度大于 100MPa；主要用于各 种重要的大型工程，如高层建筑的桩基、军事防爆 工程、大型桥梁等。 第 8页 4.按生产和施工方法分类 按混凝土的生产和施工方法不同可分为： 预拌（商品）混凝土 泵送混凝土 喷射混凝土 压力灌浆混凝土（预填骨料混凝土） 离心混凝土 碾压混凝土等 按每立方米混凝土中水泥用量 (C)分为： 贫混凝土 (C170kg/m3) 富混凝土 (C230kg/m3) 还有掺加其他辅助材料的 特种混凝土： 粉煤灰混凝 土、纤维混凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝 土、硅酸盐混凝土等。 第 9页 4.1.3普通水泥混凝土的主要特点 混凝土的优点： 混凝土组成材料来源广泛 。 新拌混凝土有良好的可塑性 。 可按需要配制各种不同性质的混凝土 。 具有较高的抗压强度 ， 且与钢筋具有良好 的共同工作性 。 具有良好的耐久性 ， 可抵抗大多数环境破 坏作用 。 维修费用很低 。 具有较好的耐火性。 第 10页 混凝土的缺点： 抗拉强度小，一般只有其抗压强度的 1/10 1/15，属于一种脆性材料。 自重大，比强度低。 导热系数大。一般为 1.5w/mk，相当于粘 土砖的两倍。 干燥收缩大，徐变大。 生产周期长。 第 11页 4.2 普通混凝土组成材料 普通混凝土是由水泥、水、细集料（天然砂 等）和粗集料（石子等）等为基本材料，或 再掺加适量外加剂、混合材料等制成的复合 材料。 各组成材料的作用： 砂、石等集料在混凝土中起骨架作用，因此也称 为骨料，还可对混凝土起稳定性作用。 由水泥与水所形成的水泥浆在混凝土硬化前起润 滑作用； 在混凝土硬化后，水泥浆形成的水泥石起胶结作 用。 第 12页 4.2.1 水泥 1.水泥品种的选择 工程性质 硅酸盐水泥 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 工程特点 大体积工程 不宜 可 宜 宜 宜 早强混凝土 宜 可 不宜 不宜 不宜 高强混凝土 宜 可 可 不宜 不宜 抗渗混凝土 宜 宜 不宜 宜 宜 耐磨混凝土 宜 宜 可 不宜 不宜 环境特点 普通环境 可 宜 可 可 可 干燥环境 可 宜 不宜 不宜 可 潮湿或水下环境 可 可 可 可 可 严寒地区 宜 宜 可 不宜 不宜 严寒地区并有水位 升降 宜 宜 不宜 不宜 不宜 第 13页 例 某施工队使用以煤渣 掺量为 30的火山灰 水泥铺筑路面，见图。 使用两年后，表面耐 磨性差，已出现露石， 且表面有微裂缝。 露石混凝土路面 按 JTJ 012 94 公路混凝土路面设计规范 ，对于 水泥混凝土路面，“水泥可采用硅酸盐水泥、普通 硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥。中等及轻交通的路 面，也可以采用矿渣硅酸盐水泥。”所以说火山灰 水泥铺筑路面是选用水泥不当。 第 14页 2.水泥强度等级的选择 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。 通常要求水泥的强度为混凝土抗压强度的 1.5 2.0 倍；配制较高强度混凝土时，可取 0.9 1.5倍。 随着混凝土强度等级的不断提高，新工艺的 不断出现以及高效外加剂性能的不断改进， 高强度和高性能混凝土的配比要求将不受此 比例的约束。 第 15页 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 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 C3S: 53， C2S: 25， C3A: 15， C4AF: 7。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。 第 16页 使用受潮水泥 广西百色某车间单层砖房屋盖采用预制空心 板 12 m跨现浇钢筋混凝土大梁， 1983年 10月 开工，使用进场已 3个多月并存放潮湿地方的 水泥。 1984年拆完大梁底模板和支撑， 1月 4 日下午房屋全部倒塌。 事故的主因： 是使用受潮水泥，且采用人工 搅拌，无严格配合比。致使大梁混凝土在倒 塌后用回弹仪测定平均抗压强度仅 5MPa左右， 有些地方竟测不出回弹值。此外振捣不实， 配筋不足等问题。 第 17页 4.2.2 细骨料（砂） 集料按粒径大小分为 : 粗集料 细集料 通常粗、细集料的总体积要占混凝土体积的 70 80。因此，集料质量的优劣对混凝土性能影响很 大。 为获得合理的混凝土内部结构，通常要求所用集料 应具有合理的颗粒级配，其颗粒粗细程度应满足相 应的要求；颗粒形状应近圆形，且应具有较粗糙的 表面以利于与水泥浆的粘结。还要求集料中有害杂 质含量要少，集料的化学性能与物理状态应稳定， 且应具有足够的力学强度以使混凝土获得坚固耐久 的性能。 第 18页 1.细集料的种类及其特性 细集料： 粒径 4.75 mm以下的集料，俗称砂。砂按产 源分为天然砂、人工砂两类。 天然砂： 河砂、湖砂： 其颗粒圆滑，比较洁净，产源广； 山砂： 有棱角，表面粗糙，但含泥量和含有机杂质较多； 海砂： 常混有贝壳碎片和含较多盐分等有害杂质。 人工砂： 机制砂： 是将天然岩石用机械轧碎、筛分后制成的颗粒， 其颗粒富有棱角，比较洁净，但砂中片状颗粒及细粉含量 较多，且成本较高。 混合砂： 是由机制砂和天然砂混合而成，其技术性能应满 足人工砂的要求。 第 19页 依据 GB/T14684-2001 建筑用砂 的规定， 根据混凝土用砂的质量状态不同可分为： I类砂： 适合配制各种混凝土，包括强度为 60MPa 以上的高强度混凝土； 类砂： 适合配制强度在 60MPa以下的混凝土以 及有抗冻、抗渗或其他耐久性要求的混凝土； 类砂： 通常只适合配制强度低于 30MPa的混凝 土或建筑砂浆。 第 20页 2.混凝土用砂的质量要求 （ 1）含泥量、石粉含量和泥块含量 砂中含泥量通常是指天然砂中粒径小于 75m的颗 粒含量； 石粉含量是指人工砂中粒径小于 75m的颗粒含量； 主要是由 40 75m的微粒组成 泥块含量是指砂中所含粒径大于 1.18mm,经水浸 洗、手捏后粒径小于 600m的颗粒含量。 第 21页 天然砂的含泥量和泥块含量 项 目 指 标 类 类 类 含泥量（按质量计）， 1.0 3.0 5.0 泥块含量（按质量计）， 0 1.0 2.0 第 22页 人工砂的石粉含量和泥块含量 类 类 类 1 亚甲蓝试验 MB值 1.40 或合格 石粉含量（按 质量计）， 3.0 5.0 7.0 2 泥块含量（按质量计）， 0 1.0 2.0 3 MB值 1.40 或不合格 石粉含量（按 质量计）， 1.0 3.0 5.0 4 泥块含量（按质量计）， 0 1.0 2.0 根据使用地区和用途，在试验验证的基础上，可由供需双方协商确定 第 23页 （ 2）有害物质含量 有害物质是指各种可能降低混凝土性能与质量的物质。通常， 应限制云母、轻物质、硫化物与硫酸盐、氯盐和有机物等的 含量，且砂中不得混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块、煤 渣等杂物。 类 类 类 云母 （ 按质量计 ） ， ， 1.0 2.0 2.0 轻物质 （ 按质量计 ） ， ， 1.0 1.0 1.0 硫化物及硫酸盐 （ 按 SO3质量计 ） ， ， 0.5 0.5 0.5 氯化物 （ 以氯离子质量计 ） ， ， 0.01 0.02 0.06 有机物 （ 比色法 ） 合格 合格 合格 第 24页 比色试验 将砂试样（ 500g）倒入 250ml的量筒中，然后注入 3 浓度的 NaOH溶液到 200ml刻度处，剧烈摇动后静 置 24小时。 用鞣酸粉和 3浓度的 NaOH溶液配制标准液。 若试样上部溶液的颜色浅于标准液的颜色，则有机物的含 量对混凝土无害。 如果试样上部溶液的颜色比标准液深，则表示砂中可能含 有较多的有机物，但不能肯定这种砂不适用于混凝土。必 须对可疑的砂再用下法检验： 用经清洗有机物含量合格后的砂和未经清洗的砂配制相同配比、 相同流动度的砂浆。若未经清洗的砂配制的砂浆，其 7天和 28天抗 压强度不低于经清洗的砂配制的砂浆强度的 95时，则此砂可采 用。 第 25页 （ 3）砂的粗细程度及颗粒级配 砂的粗细程度 是指不同粒径的砂粒，混合在一起后 的平均粗细程度。 通常砂子按粗细程度分为粗砂、中砂、细砂和特细砂等几 种。 砂子的粗细对于混凝土材料的内部结构及性能具有 明显的影响。 用粗砂配制混凝土要比用细砂配制混凝土所需的水泥浆量 要节省。 但若砂子过粗，则颗粒间难以相互嵌固，使混凝土内部结 构难以形成稳定的相互嵌固堆聚结构，从而造成许多不良 现象。因此，配制混凝土用砂不宜过细，也不宜过粗。 第 26页 砂的颗粒级配 是指不同粒径砂子的颗粒组配情况。也就是指 砂中大小颗粒之间的搭配情况。 要获得稳定的颗粒堆聚结构，并需要较少的水泥浆时，砂的 颗粒级配应该为多种粒径的颗粒相互合理搭配（下图）。 第 27页 筛分法 砂筛分析法是用一套方孔孔径分别为 9.50mm, 4.75mm， 2.36mm， 1.18mm， 600m, 300cm和 150m的 7个标准筛。 将 500g干砂试样由粗到细依次过筛，然后称 得剩余在各筛上的砂质量： 计算出各筛上的分计筛余百分率（各筛上的筛余 量占砂样总质量的百分率），分别以 a1， a2， a3， a4， a5和 a6表示； 再算出各筛的累计筛余百分率（某一筛与孔径更 大的各筛的所有分计筛余百分率之和），分别以 A1， A2， A3， A4， A5和 A6表示。 第 28页 细度模数（ Mx） 砂的细度模数 (Mx)越大，表示砂越粗。 当 Mx 3.7 3.1时为粗砂， 当 Mx 3.0 2.3时为中砂， 当 Mx=2.2 1.6时为细砂， 当 Mx 1.5 0.7时为特细砂。 普通混凝土用砂的细度模数范围一般为 3.7 1.6，通常采用中砂较为适宜。 2 3 4 5 6 1 1 5 100X ( A A A A A ) AM A 第 29页 级配区 累计筛余 筛孔尺寸 级配区 1 2 3 9.50 mm 0 0 0 4.75 mm 10 0 10 0 10 0 2.36 mm 35 5 25 0 15 0 1.18 mm 65 35 50 10 25 0 600 m 85 71 70 41 40 16 300 m 95 80 92 70 85 55 150 m 100 90 100 90 100 90 第 30页 筛分曲线 第 31页 砂的细度模数不能反映砂的级配优劣，细度模数相 同的砂，其级配可能差别很大。因此，在配制混凝 土时，砂的颗粒级配和细度模数应同时考虑。 当砂子的级配较好，且其中含有较多的粗颗粒，并以适量 的中颗粒及少量的细颗粒填充其空隙时，这种砂的级配和 粗细最适宜，其空隙率及总表面积均较小。 配制混凝土时宜优先选用合格的中砂 (2区砂）。 当采用粗砂 (1区砂）时，应适当提高其砂率，并保证有足 够的水泥用量以填满集料间的空隙； 当采用细砂 (3区砂）时，宜适当降低砂率以控制需要水泥 浆包覆的细集料总表面积。 在选择砂源时应本着就地取材的原则。 第 32页 例 4-1 某工程用砂，经烘干、称量、筛分析，测得 各号筛上的筛余量列于下表。试评定该砂的 粗细程度（ Mx）和级配情况。 筛分析试验结果 筛孔尺寸（ mm） 4.75 2.36 1.18 0.600 0.300 0.150 底 盘 合 计 筛余量（ g） 28.5 57.6 73.1 156.6 118.5 55.5 9.7 499.5 第 33页 解： 计算分计筛余率和累计筛余率。 分计筛余和累计筛余计算结果 分计筛余率（ %） a1 a2 a3 a4 a5 a6 5.71 11.53 14.63 31.35 23.72 11.11 累计筛余率（ %） A1 A2 A3 A4 A5 A6 5.71 17.24 31.87 63.22 86.94 98.05 计算细度模数： 第 34页 确定级配区、绘制级配曲线： 该砂样在 0.600mm筛上的累计筛余率 A4=63.22落在 级区，其他各筛上的累计筛余率也均落在 级区规定的 范围内，因此可以判定该砂为 级区砂。级配曲线见图。 结果评定： 该砂的细度模数 Mx=2.85，属中砂； 级区砂，级配良好。 可用于配制混凝土。 第 35页 （ 4）砂的坚固性 坚固性 是指集料在自然风化和其它外界物理 化学因素作用下抵抗破裂的能力。自然因素 包括： 温度变化 干湿变化 冻融循环 通常采用硫酸钠溶液法检验集料的坚固性： 将砂试样在饱和硫酸钠溶液中经 5次循环浸渍后； 依据其质量损失来评定其类别。 人工砂则采用压碎指标试验法进行检测。 第 36页 砂的坚固性指标 类 类 类 质量损失， 8 8 10 压碎指标 类 类 类 单级最大压碎指标， 20 25 30 第 37页 （ 5）表观密度、堆积密度、空隙率 砂的表观密度、堆积密度、空隙率应符合如 下规定： 表观密度大于 2500 kg/m3，一般为 2600 2700 kg/m3； 松散堆积密度大于 1350 kg/m3，一般为 1400 1600kg/m3，在捣实状态下为 1600 1700kg/m3； 空隙率小于 47，一般为 35 45。 第 38页 4.2.3 粗集料（石子） 粒径大于 4.75 mm的集料称为粗集料，俗称石子。常 用的有碎石及卵石两种。 卵石 碎石 第 39页 根据其粒径尺寸分布状况的不同，混凝土用粗集料 有连续粒级和单粒级两种； 依据其有害杂质含量的多少及强度的高低不同，又 可分为 I类、 类、 类三种类别。其中： I类粗集料适合配制各种混凝土，包括强度为 60MPa以上 的高强度混凝土； 类粗集料适合配制强度在 60MPa以下的混凝土，以及有 抗冻、抗渗或其他耐久性要求的混凝土； 类粗集料通常只适合配制强度低于 30MPa的混凝土。 建筑用卵石、碎石应满足国家标准 GB/T 14685 2001 建筑用卵石、碎石 的技术要求。 第 40页 1.粗集料中的含泥量和泥块含量 粗集料的含泥量是指粒径小于 75m的颗粒含量；泥块含量是 指粒径大于 4.75mm,经水洗、手捏后小于 2.36mm的颗粒含量。 它们在混凝土中均影响其强度与耐久性。 类 类 类 0.5 1.0 1.5 泥块含量（按质量计）， 0 0.5 0.7 第 41页 2.粗集料中的有害物质含量 混凝土用粗集料中应严格控制有机物、硫化物及硫 酸盐等有害物质的含量（下表），并且不得混有草 根、树叶、树枝、塑料、煤块、炉渣等杂物。 混凝土用粗集料中有害物质含量要求 项 目 指 标 类 类 类 有机物（比色法） 合格 合格 合格 硫化物及硫酸盐（按 SO3质量计）， 0.5 1.0 1.0 第 42页 3.集料的碱活性 当水泥或混凝土中含有较多的强碱（ Na2O， K2O）物质时， 在潮湿环境下可能与含有活性二氧化硅的集料反应，在集料 表面生成一种复杂的碱 -硅酸凝胶体，这种反应称为 碱 -集料 反应 。这种碱 -硅酸凝胶体吸水时体积将会 膨胀 3倍 以上。碱 - 集料反应的化学反应式可简单表达如下： 若怀疑所用集料有可能含有活性集料时，应根据混凝土结构 的使用条件与要求，按规定方法 (CECS 48： 93)进行集料的 碱活性试验。经碱集料反应试验后，由砂、卵石、碎石制备 的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期 的膨胀率应小于 0.10。 2 2 2 2 2 2 n H ON a O S iO N a O S iO n H O 第 43页 碱 骨 料 反 应 引 起 的 错 位 第 44页 4.粗集料的强度 碎石的强度 可用其母岩岩石的 立方体抗压强 度 或 压碎指标值 来表示。 卵石的强度 则用 压碎指标值 表示。 岩石立方体抗压强度检验是将碎石的母岩制 成边长为 50mm的立方体试件，在浸水饱和状 态下测定其极限抗压强度值。 混凝土用粗集料要求其岩石立方体抗压强度应不 小于混凝土抗压强度的 1.5倍 。通常： 对于火成岩，其抗压强度应不小于 80MPa； 对于变质岩，其抗压强度应不小于 60MPa； 对于水成岩，其抗压强度应不小于 30MPa。 第 45页 压碎指标 将一定质量气干状态下粒径为 9.0 9.5mm的粗集料装入标准 圆筒内，并在压力机上在 3 5min内对粗集料均匀加荷至 200kN，卸荷后称取试样质量 G1，然后用孔径为 2.36mm的筛 筛除被压碎的细粒，称取剩余在筛上的试样质量 G2，精确至 1g。再按下式计算压碎指标值 Qc： Qc 压碎指标值，； G1 试样的质量， g； G2 压碎试验后筛余的试样质量， g。 粗集料的压碎指标值越小，表示其抵抗受压破坏的能力越强。 12 1 100C GGQ G 第 46页 粗集料的压碎指标要求 类 类 类 10 20 30 12 16 16 第 47页 5.粗集料的坚固性 粗集料的坚固性采用硫酸钠溶液法进行检验，并要 求其在硫酸钠饱和溶液中经 5次循环浸渍后的质量损 失不应超过下表的规定值。 类 类 类 质量损失， 5 8 12 第 48页 6.粗集料的颗粒形状及表面特征 针状颗粒 是指其长度大于平均粒径 2.4倍 的颗粒； 片 状颗粒 则是指颗粒厚度小于其平均粒径 0.4倍 的颗粒。 对不同类别的粗集料，其针、片状颗粒含量应符合 下表的要求。 类 类 类 5 15 25 第 49页 集料的表面特征 又称表面结构，是指集料表 面的粗糙程度及孔隙特征等。 集料按表面特征分为光滑的和粗糙的颗粒表 面。 表面粗糙的集料制作的混凝土的和易性较差，但 与胶结料的粘结力较强； 表面光滑的集料制作的混凝土的和易性较好，一 般与胶结料的粘结力较差。 在相同条件下碎石混凝土强度可比卵石混凝 土强度高 10左右。 第 50页 7.粗集料的最大粒径和颗粒级配 筛分析试验 确定粗集料的颗粒级配。 标准方孔筛的孔边长分别为： 2.36mm, 4.75mm, 9.50mm， 16. 0mm， 19.0mm, 26.5mm， 31. 5mm， 37. 5mm， 53.0mm, 63.0mm， 75.0mm及 90.0mm共 12个筛孔级别。 试样筛析时，可按需要选用筛号，分计筛余百分率及累计筛 余百分率的计算与砂相同。 根据不同的颗粒粒径分布，可将粗集料划分为连续粒级和单 粒粒级两种。 连续粒级指 5mm以上至最大粒径 Dmax，各粒级均占一定比例，且在一 定范围内。 单粒级指从 1/2最大粒径开始至 Dmax。单粒级用于组成具有要求级配的 连续粒级，也可与连续粒级混合使用，以改善级配或配成较大密实度 的连续粒级。 第 51页 普通混凝土用粗集料的颗粒级配 第 52页 连续级配 是由连续粒级组成的颗粒级配，它是指粗集料按颗 粒尺寸由小到大连续分级，每级粗集料都占有一定比例。 间断级配 是由单粒粒级组成的颗粒级配，它是用小颗粒的粒 级直接和大颗粒的粒级相搭配组成的粗集料，由于缺少中间 粒径而为不连续的级配。 第 53页 粗集料的最大粒径 最大粒径 是指构成其颗粒级配的公称粒径的 上限值。 粗集料的最大粒径越大，其总表面积和空隙率则 越小，包裹其表面和填充空隙所需的水泥浆量就 越少，因而可以使水泥浆用量减少，有助于提高 混凝土的密实度，减少发热量及混凝土的收缩， 这对大体积混凝土十分有利。 在一般条件许可下，粗集料的最大粒径应尽 量可能选得大一些。 第 54页 选择最大粒径主要考虑的因素 从结构上考虑： 结构混凝土中应适当限制 粗集料的最大粒径。最大粒径不得大于结构 截面最小尺寸的 1/4，同时不得大于钢筋间最 小净距的 3/4；对于混凝土实心薄板，其最大 粒径不允许超过 1/2板厚。 从施工上考虑： 当搅拌机的容量小于 0.8m3 时，石子的最大粒径不得超过 80mm，若是大 容量搅拌机，也不宜超过 150mm。对泵送混 凝土，最大粒径与输送管内径之比，碎石宜 小于或等于 1： 3，卵石宜小于 1： 2.5。 第 55页 从经济上考虑 ：最大粒径超过 150mm时， 节约水泥的效果却不明显。 0 30 50 80 120 150 180 160 140 120 100 Dm（ mm） 水 泥 用 量 百 分 率 第 56页 8.集料的含水状态 普通粗集料的饱和面干吸水率在 1左右，气干状态密实集料 的含水率在 1以下。在设计混凝土配合比时，一般以干燥集 料为基准，而一些大型水利工程常以饱和面干的集料为准。 砂的几种含水状态示意 第 57页 石子形状对混凝土性能的影响 请观察图 4-7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 碎石 1 B 碎石 2 C 卵石 第 58页 4.2.4 混凝土用水 混凝土拌合用水标准 (JGJ63)要求混凝土用水不 得妨碍混凝土的凝结和硬化，不得影响混凝土的强 度发展和耐久性，不得含有加快钢筋混凝土中钢筋 锈蚀的成分，也不得含有污染混凝土表面的成分。 混凝土用水中各种物质含量限值应满足下表的要求。 项目 预应力混凝土 钢筋混凝土 素混凝土 pH值 不溶物（ mg/L） 可溶物（ mg/L） 氯化物（以 Cl 计）（ mg/L） 硫酸盐（以 SO42-计）（ mg/L） 硫化物（以 S2 计）（ mg/L） 4 2000 2000 500 600 100 4 2000 5000 1200 2700 4 5000 10000 3500 2700 第 59页 若对水质有怀疑，应利用待检验水和蒸馏水 分别进行水泥凝结时间、混凝土强度对比试 验。 对比试验所测得的水泥初凝时间差及终凝时间差 均不超过 30min，且符合标准规定的凝结时间要 求时才可以使用。 用待检验水所配制水泥混凝土试件的 28d抗压强度， 不得低于用蒸馏水所配制对比试件抗压强度的 90 。 第 60页 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，浇注 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，请分析此异 常现象的原因。 原因分析： 由于养护水淋于曾装食糖的麻袋， 养护水已成糖水，而含糖份的水对水泥的凝 结有抑制作用，故使混凝土凝结异常。 第 61页 4.3新拌混凝土的性质 将粗细集料、水泥和水等组分按适当比例配 合，并经搅拌均匀而成的塑性混凝土混合材 料称为 新拌混凝土 （也称为混凝土拌合物）； 凝结硬化后的混凝土混合料称为 硬化混凝土 （也简称混凝土）。 混凝土拌合物的性能包括和易性、凝结时间、 塑性收缩和塑性沉降等。国家标准 GB/T 50080 2002 普通混凝土拌合物性能试验方 法 标准规定，其试验为： 稠度试验、凝结 时间试验、泌水与压力泌水试验、表观密度 试验、含气量试验和配合比分析试验。 第 62页 4.3.1新拌混凝土的和易性概念 和易性 是指在搅拌、运输、浇筑、捣实等施工作业 中易于流动变形，并能保持其组成均匀稳定的性能。 和易性包括三方面性能： （ 1）流动性。 流动性是指新拌混凝土在自重或机械 振捣力的作用下，能产生流动并均匀密实地充满模 板的性能。 （ 2）粘聚性。 粘聚性是指新拌混凝土内部组分间具 有一定的粘聚力，在运输和浇筑过程中不致发生分 层离析现象，使混凝土能保持整体均匀稳定的性能。 （ 3）保水性。 保水性是指新拌混凝土具有一定保持 内部水分的能力，在施工过程中不致产生严重的泌 水现象。 第 63页 4.3.2 新拌混凝土和易性的检测 根据 GB/T50080-2002，土木工程建设中常用 坍落度法或维勃稠度法来测定新拌混凝土的 流动性，并辅以经验来目测评定其粘聚性和 保水性，从而综合判定其和易性。其中： 坍落度法： 适用于较稀（自重作用下具有可塑性） 的新拌混凝土； 维勃稠度法： 适用于较干硬的新拌混凝土。 第 64页 1.坍落度试验 标准坍落度圆锥筒为钢皮制成，高度 H 300mm， 上口直径 d l00mm，下底直径 D 200mm。 第 65页 坍落度试验方法只适用于集料最大粒径不大于 40mm， 且坍落度值为 10 220mm的新拌混凝土。 对于坍落度值大于 220mm的新拌混凝土，应以 坍落 度扩展度 检测，即： 测量坍落后混凝土的扩展直径最大和最小两个方向的直径 Dmax， Dmin，当二者的差值小于 50mm时（当二者的差值 大于 50mm时则表示因实验操作失误而无效），则以其平 均值作为坍落度扩展度。 混凝土的坍落度扩展度值越大，则表明其流动性就越高。 坍落度只对富水泥浆的新拌混凝土才比较敏感 ， 而 对贫水泥浆的新拌混凝土则误差较大。 第 66页 依据坍落度值对新拌混凝土流动性的分级 级别 名称 坍落度 T1 低塑性混凝土 10 40 T2 塑性混凝土 50 90 T3 流动性混凝土 100 150 T4 大流动性混凝土 160 第 67页 2.维勃稠度试验 将坍落度筒放在直径为 240mm、 高度为 200mm圆筒中，圆筒安装 在专用的振动台上。按坍落度试 验的方法，将新拌混凝土装入坍 落度筒内后再拔去坍落度筒，并 在新拌混凝土顶上置一透明圆盘。 开动振动台并记录时间，从开始 振动至透明圆盘底面被水泥浆布 满瞬间止，所经历的时间，以 s计 (精确至 1s)，即为新拌混凝土的 维 勃稠度值 。 该法适用于集料最大粒径小于 40mm，维勃稠度在 5 30s之间的 新拌混凝土。 第 68页 混凝土按维勃稠度的分级 级别 名称 维勃稠度 (s) V0 超干硬性混凝土 31 V1 特干硬性混凝土 30 21 V2 干硬性混凝土 20 11 V3 半干硬性混凝土 10 5 第 69页 4.3.3 新拌混凝土和易性的选择 根据 GB 50204-2001 混凝土结构工程施工质量验收规范 规 定，混凝土浇筑时的坍落度，宜参照下表选用。 原则上应在 不妨碍施工操作并能保证振捣密实的条件下，尽可能采用较 小的坍落度 ，以节约水泥并获得质量较好的混凝土。 结构特点 坍落度 (mm) 机械捣实 人工捣实 基础或地面等的垫层 0 30 20 40 无配筋的厚大结构或配筋稀疏 的结构 10 30 30 50 板、梁和大型及中型截面的柱 子等 30 50 50 70 配筋较密的结构 50 70 70 90 配筋特密的结构 70 90 90 120 第 70页 混凝土中的蜂窝 请观察图中混凝土楼面，其中有空洞（俗称蜂窝）。该混凝 土是采用人工振捣，其混凝土坍落度为 30mm。请分析混凝 土不密实的原因。 空洞位置 局部放大 混凝土横梁空洞 第 71页 4.3.4影响新拌混凝土和易性的因素 1.水泥浆数量 在水灰比不变的情况下，新拌混凝土中的水泥浆数 量越多，包裹在集料颗粒表面的浆层越厚，其润滑 能力就越强，则会因集料间摩擦阻力的减小而使新 拌混凝土的流动性越大。反之则小。 若水泥浆量过多，不仅浪费了水泥，而且会出现流浆及泌 水现象，导致新拌混凝土的粘聚性及保水性变差，甚至对 混凝土的强度与耐久性也会产生一定的影响。 若水泥浆数量过少，则不能填满集料间的空隙或不能完全 包裹集料表面时，新拌混凝土的流动性与粘聚性就会变差， 甚至产生崩坍现象。 原则： 新拌混凝土中水泥浆数量不能太少，但也不 能过多，应以满足流动性要求为度。 第 72页 水泥浆量与混凝土和易性 以下是混凝土水泥浆量与和易性关系的试验 录像。请讨论是否水泥浆量增加，混凝土拌 和物的和易性越好。 水泥浆量多时视频演示 水泥浆量少时视频演示 第 73页 2.水泥浆稠度 在水泥用量不变的情况下，水灰比越小，水泥浆就 越干稠，水泥浆的粘滞阻力或粘聚力增大，新拌混 凝土的流动性就越小。 当水灰比过小时，水泥浆就过于干稠，从而导致新拌混凝 土的流动性很低，使其运输、浇注和振实施工操作困难， 难以保证混凝土的成型密实质量。 若水灰比过大时，水泥浆因过稀而几乎失去粘聚力，由于 其粘聚性和保水性的严重下降而容易产生分层离析和泌水 现象，这将严重影响混凝土的强度及耐久性。 工程实际中绝不可以单纯加水的办法来增大流动性， 而应在保持水灰比不变的条件下，以增加水泥浆量 的办法来提高新拌混凝土的流动性。 第 74页 固定加水量定则 在配制混凝土时，当粗、细集料的种类及比 例确定后，对于某一流动性的新拌混凝土， 其拌合用水量基本不变，即使水泥用量有所 变动（如 1m3混凝土水泥用量增减 50 100kg） 时，新拌混凝土的坍落度也可保持基本不变。 这一关系称为 “恒定用水量法则或固定加水 量定则 ” 。 当采用常用水灰比 (0.4 0.8)时，可以根据粗 集料品种、粒径及施工要求的流动性来直接 确定配制 lm3塑性或干硬性混凝土的用水量。 第 75页 3.砂率 砂率 (SP)是指混凝土中砂的质量 (S)占砂、石 (G)总质量的百分率，其表达公式为： 100p S S% SG 第 76页 合理砂率 合理砂率： 在用水量及水泥用量一定的情况下，能使新拌混 凝土获得最大的流动性，保持良好的粘聚性和保水性。 合理砂率： 使新拌混凝土在具有较好流动性、粘聚性与保水 性的同时，而使水泥用量达到最少。 第 77页 4.组成材料性质的影响 （ 1）水泥性质。 水泥的品种、细度、矿物组成以及 混合材料的掺量等都会影响需水量。 用普通水泥的拌和物比矿渣水泥和火山灰水泥的和易性好。 矿渣水泥拌和物的流动性虽大，但粘聚性差，易泌水离析； 火山灰水泥流动性小，但粘聚性最好。 适当提高水泥的细度可改善拌和物的粘聚性相保水性，减 少泌水、离析现象。 （ 2）集料性质。 集料性质多指混凝土所用集料的品 种、级配、粒形、颗粒粗细及表面状态等。 采用卵石及河砂拌制的新拌混凝土流动性要比用碎石及山 砂拌制的新拌混凝土流动性较好。 集料级配与粗细也会影响新拌混凝土的和易性。 （ 3）外加剂。 第 78页 5.时间及环境温度 新拌混凝土会随着存放时间的延长而逐渐变得越来越干稠， 坍落度将逐渐减小，这种现象称为 混凝土的坍落度损失 。 随着环境温度的升高，混凝土坍落度损失将更快。 第 79页 4.3.5改善和易性的主要措施 1.调节混凝土的材料组成 尽可能降低砂率。通过试验采用合理砂率。 有利于提高混凝土的质量和节约水泥。 改善砂、石 (特别是石子 )的级配，好处同上， 但要增加备料工作。 尽量采用较粗的集料。 当混凝土拌合物坍落度太小时，维持水灰比不 变，适当增加水泥和水的用量，或者加入外加剂 等；当拌合物坍落度太大，但粘聚性良好时，可 保持砂率不变，适当加砂、石子。 第 80页 2.掺加各种外加剂 常用的有减水剂、高效减水剂、流化剂、泵送剂等，不仅 可以改善新拌混凝土的和易性，同时还具有提高混凝土强 度，改善混凝土耐久性，降低水泥用量等作用。 3.改进水泥混凝土拌和物的施工工艺 采用高效率的强制式搅拌机，可以提高水的润滑效率； 采用高效振捣设备，也可以在较小的坍落度情况下，获得 较高的密实度。 现代的商品混凝土，在远距离运输时，为了减小坍落度损 失，还经常采用二次加水法，即在搅拌站拌和时只加入大 部分的水，剩下少部分水在快到施工现场时再加入，然后 迅速搅拌以获得较好的坍落度。 4.4 硬化混凝土的性质 4.4.1 硬化混凝土的力学性质 第 82页 1.混凝土受力破坏过程 第 阶段：荷载约为极限荷载的 30以内，界 面裂缝无显著变化，荷载与变形呈直线关系。 第 阶段：荷载超过比例极限，达到极限应力 的 30 50时，尚无明显砂浆裂缝出现。此时 荷载与变形间不再是线性关系。当荷载超过极限 应力的 50时，有些界面裂缝就开始失稳而逐渐 扩展延伸至砂浆基体中。 第 阶段：荷载超过临界荷载（极限荷载的 70 90）后裂缝继续开展，在界面裂缝继续扩 展的同时，砂浆基体中的裂缝也逐渐增生，并与 邻近的界面裂缝连接起来，成为连续裂缝。 第 阶段：达到极限荷载以后，连续裂缝急速 地发展，混凝土的承载能力下降，变形自动增大 直至完全破坏。 第 83页 2.硬化混凝土的强度 混凝土的强度包括： 抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 与钢筋的粘结强度 混凝土强度与混凝土的其他性能关系密切。 混凝土的强度越高，其刚性、不透水性、抵抗风 化和某些介质侵蚀的能力也越强。 混凝土的抗压强度是结构设计的主要参数， 也是混凝土质量评定和控制的主要技术指标。 第 84页 （ 1）混凝土的抗压强度 根据 普通混凝土力学性能试验方法 (GB/T50081-2002)， 按规定方法制作而成 150mm 150mm 150mm的标准立方体 试件，在 标准养护条件 （温度 20 士 2 ，相对湿度大于 90 或在水中）下养护到 28d龄期，用标准试验方法所测得的抗 压强度值称为 混凝土的立方体抗压强度 ，并以 fcu表示。 在工程施工中 ， 常需要制作同期标准试件并与混凝土结构同 条件养护 （ 简称同条件养护试件 ） ， 所测试件的抗压强度作 为现场混凝土施工工艺和进度控制的依据 。 早期推定混凝土强度试验方法 )(JG15)：可利用快速养护 方法所测定的混凝土促硬强度值来推定 28d强度。 对于已形成的混凝土结构物，其抗压强度可采用取芯法检测， 或利用回弹法、超声波法等非破损检验推定。 第 85页 （ 2）混凝土强度等级 按照 GB 50010 2002 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。 立方体抗压强度标准值 (fcu， k) 是以立方体抗压强度为基准 所确定的混凝土强度统计值。它是用标准试验方法测得的 抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不 超过 5（即具有强度保证率为 95的立方体抗压强度）。 根据混凝土不同的强度标准值可划分为大小不同的 强度等级。 C7.5， C10， C15， C20， C25， C30， C35， C40， C45， C50， C55， C60， C65， C70， C75及 C80等。 例如 ,C40表示混凝土立方体抗压强度标准值 fcu， k 40MPa。 第 86页 混凝土强度等级的选用 C10 C15 垫层、基础、地坪及受力不大的结构； C20 C25 梁、板、柱、楼梯、屋架等普通钢筋 混凝土结构； C25 C30 大跨度结构、要求耐久性高的结构、 预制构件等； C40 C45 预应力钢筋混凝土构件、吊车梁及特 种结构等，用于 25 30层； C50 C60 30层至 60层以上高层建筑； C60 C80 采用高性能混凝土的高层建筑； C80 C120 采用超高强混凝土的高层建筑。 第 87页 （ 3）混凝土轴心抗压强度 混凝土轴心抗压强度 fcp又称棱柱体抗压强度， 它是采用 150mm 150mm 300mm的棱柱体 作为标准试件，按照标准养护方法与试验方 法所测得轴向抗压强度的代表值。 当 fcu在 10 50MPa范围内时，轴心抗压强度 fcp (0.7 0.8)fcu，其系数一般取 0.76。 第 88页 （ 4）混凝土的抗折强度 (ftf) 混凝土的 抗折强度（弯拉强度） 是指处于 受弯状态下混凝土抵抗外力的能力。通常 抗折强度是利用 150mm 150mm 550mm 的试梁在三分点加荷状态下测得的（其试 件受力状态见图 4-14）。试件受弯状态下 的抗折强度计算公式为： ftf 混凝土的抗折强度 (MPa)； F 所承受的最大垂直荷载 (N)； L 试件两支点间的间距 (450mm)； b 试件截面宽度 （ 150mm） ； h 试件截面高度 （ 150mm） 。 图 4-14 抗折试验装置图（单位 mm） 1、 2、 6- 3、 5- 4-试件 7- 8- 9-活动 船形垫块 2tf FLf bh 第 89页 道面混凝土抗折强度标准值要求（ MPa） 普通水泥混凝土抗折强度与抗压强度参考关系 交通等级 特重 重 中等 轻 普通水泥混凝土 5.0 5.0 4.5 4.0 钢纤维混凝土 6.0 6.0 5.5 5.0 抗折强 度 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 抗压强 度 5.0 7.7 11.0 14.9 19.8 24.2 19.7 35.8 41.8 48.4 第 90页 （ 5）混凝土的抗拉强度 混凝土抗拉强度 很低，只有抗压强度的 1/10 1/20(通常取 1/15)。 通常采用劈裂抗拉试验法间接得出混凝 土的抗拉强度，并称之为劈裂抗拉强度 （ fts）。混凝土劈裂抗拉强度是采用边 长为 150mm的立方体试件，计算公式为： fts 混凝土劈裂抗拉强度 ， MPa； P 破坏荷载 ， N； A 试件劈裂面面积 ， mm2。 2 0 63 7 ts PPf. AA 1- 2-下压板 3-垫层 4-垫条 第 91页 试验研究证明，在相同条件下，混凝土的劈 裂抗拉强度 (fts)与标准立方体抗压强度 (fcu)之 间具有一定的相关性，对于强度等级为 10 50MPa的混凝土，其相互关系可近似表示为： 340 35 / ts c uf . f 第 92页 （ 6）混凝土与钢筋的粘结强度 在钢筋混凝土结构中，为使钢筋与混凝土间 有效地协同工作，要求它们之间必须有足够 的粘结强度（也称为握裹强度）。 粘结强度通常与混凝土抗压强度近似成正比。 粘结强度还受其他许多因素的影响，如钢筋尺寸 及变形钢筋种类，钢筋在混凝土中的位置（水平 钢筋或垂直钢筋），加载类型（受拉钢筋或受压 钢筋），干湿变化或温度变化等。 第 93页 为了对比不同混凝土的粘结强度，美国材料试验学会提出了 一种拔出试验方法：在边长为 150mm的立方体混凝土试件中 埋入 19mm的标准变形钢筋，以不超过 34MPa/min的加荷速 度对钢筋施加拉力，直到钢筋发生屈服、混凝土开裂或加荷 端钢筋滑移超过 2.5mm时，记录出现上述三种中最早出现的 任一情况时的荷载值 P，并用下式计算混凝土与钢筋的粘结 强度： fN 粘结强度 (MPa)； d 钢筋直径 (mm)； L 钢筋埋入混凝土中的长度 (mm)； P 测定的荷载值 (N)。 N Pf dL 第 94页 3.影响混凝土强度的主要因素 混凝土强度试验的过程表明，正常配比的混 凝土在受力破坏时主要表现为集料与水泥石 的粘结界面开裂或水泥石本身的开裂。因此， 混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与 集料的粘结强度。而粘结强度又与水泥强度、 水灰比及集料的性质有密切关系。 混凝土的强度还受施工质量、养护条件及龄 期的影响。 第 95页 （ 1）水泥强度与水灰比的影响 水泥强度和水灰比是影响混凝土强度的最主要因素。 在水灰比不变的情况下，水泥强度越高，则硬化水泥石的强度越大， 对集料的胶结力也就越强，所配制的混凝土强度也就越高。 当用同一种水泥（品种及强度相同）时，混凝土的强度主要决定于水 灰比。这一规律只适用于新拌混凝土已被充分振捣密实的情况。 第 96页 混凝土的强度 (fcu)与水灰比 (W/C)之间呈近似 双曲线关系，可用方程 fcu K（ W/C）表示， 则 fcu与 C/W之间呈近似线性关系。 第 97页 混凝土强度公式 当混凝土的灰水比在 1.2 2.5之间时，混凝土强度与灰水比、 水泥强度之间的关系可用经验公式 （鲍罗米公式） 表示： fcu 混凝土 28d龄期的抗压强度 (MPa)； C 1m3混凝土中水泥用量 (kg)； W 1m3混凝土中水的用量 (kg)； fce 水泥的实际强度 (MPa) 。 水泥的实际强度通常高于其 强度等级的标准值 (fce,k)。 fce cfce， k代入 ， 其中 c为水泥强 度等级标准值的富余系数 ， 一般取 1.13； A， B 回归系数 ， 它与集料品种及水泥品种等因素有关 。 c u c e Cf A f B W 第 98页 回归系数 A,B的取值 按 JGJ/T55-2000 普通混凝土配合比设计规程 ， 回归系数 A， B按下列规定确定： A， B应根据工程所使用的水泥、集料，通过试验由建立 的水灰比与混凝土强度关系式确定； 当不具备上述试验统计资料时，其回归系数可按下表选用 : 系数 碎石 卵石 A 0.46 0.48 B 0.07 0.33 第 99页 利用混凝土强度计算公式，可初步解决两个 问题： 当水泥强度等级已经选定，配制某一强度的混 凝土时，算出应用的水灰比近似值。 当已知水泥强度等级及选定水灰比时，可以计 算出该混凝土 28d可能达到的强度。 该推算公式主要 适用于流动性混凝土及低流 动性混凝土 ， 对于干硬性混凝土则偏差较大 。 对于 C60以上等级的混凝土，灰水比（胶水比） 与抗压强度之间的线性关系不够明显，不宜 简单套用混凝土强度计算公式。 第 100页 例题 已知某混凝土所用水泥强度为 36.4MPa，水灰比 0.45， 碎石。试估算该混凝土 28天强度值。 解 因为： W/C=0.45 所以 C/W=1/0.45=2.22 碎石： A=0.46， B=0.07 代入混凝土强度公式有： =0.46 36.4(2.22-0.07)=36.0(MPa) 答：估计该混凝土 28天强度值为 36.0MPa。 第 101页 （ 2）集料的影响 不同类型的粗集料直接影响着混凝土的强度（反映 在 A,B系数上）。 通常碎石混凝土的强度要高于卵石混凝土的强度。 颗粒以近似球形或立方形的集料对混凝土强度有利， 而过多的针状或片状颗粒将会导致混凝土强度的下 降。 通常将混凝土中集料质量与水泥质量之比称为 集灰 比 。 在水灰比和坍落度相同的情况下，混凝土强度可随着集灰 比的增大而提高，但当集料过多时也会降低混凝土的强度。 第 102页 （ 3）养护温度及湿度的影响 第 103