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混凝土与砂浆基础知识教程第一节概述第二节 普通混凝土的组成材料第三节 混凝土拌合物的和易性第四节 硬化混凝土的强度第五节 混凝土的变形性能第六节 混凝土的耐久性第七节 混凝土的外加剂第八节 普通混凝土的配合比设计第九节小结第十节 复习思考题 混凝土与砂浆是建筑材料课程的重点之一。主要介绍普通混凝土的组成材料，新拌混凝土的工作性及评定指标，混凝土外加剂及其作用原理和应用，硬化混凝土的力学性能、耐久性及其影响因素，混凝土配合比设计方法及混凝土质量控制等。此外，还简要介绍了其它品种混凝土及建筑砂浆的特性和用途。第一节概述一、混凝土（ Concrete ）的含义 凡由胶凝材料（胶结料）、粗细骨料和水及其它材料，按适当的比例配合、拌合配制并硬化而成的具有所需的形体、强度和耐久性的人造石材，叫做砼，如水泥混凝土、沥青混凝土等。即：胶凝材料粒状材料水其它外加材料（外加剂、混合材料） 硬化得人工石材 水泥砼（Cement Concrete）简称混凝土，是以水泥为胶凝材料，砂石为骨料拌制而成的混凝土，即： 水泥 砂 石水外加剂（混合材料）砼（混凝土） 。水泥混凝土是现代土木工程最主要的结构材料，本章主要介绍水泥混凝土。二、混凝土的分类 最常用：普通水泥混凝土（Ordinary Cement Concrete） （一）按表观密度分类 1.重混凝土：为了屏蔽各种射线的辐射，采用各种高密度骨料配制的混凝土，表观密度 2800kg/m3。骨料为钢屑、重晶石、铁矿石等重骨料，水泥为钡水泥、锶水泥等重水泥。又称防辐射混凝土，用于核能工厂的屏障结构材料。 2.普通混凝土：表观密度 20002800kg/m3，骨料为天然砂、石，密度一般多在2500kg/m3左右，简称砼，用于各种建筑的承重结构材料。 3.轻混凝土：表观密度30）：水泥标号为砼强度等级的0.91.5倍 。二、骨料（Aggregate） 细骨料 （Fine aggregate）：粒径为0.15 4.75mm 粗骨料（Coarse-aggregate）：粒径 4.75mm 通常细、粗骨料的总体积占砼总体积的70%80%。 骨料性能要求：有害杂质含量少；具有良好的颗粒形状，适宜的颗粒级配和细度，表面粗糙，与水泥粘结牢固；性能稳定，坚固耐久。 （一）细骨料（砂） （1）种类及特性 河砂：洁净、质地坚硬，为配制混凝土的理想材料； 海砂：质地坚硬，但夹有贝壳碎片及可溶性盐类 山砂：含有粘土及有机杂质，坚固性差； 人工砂：富有棱角，比较洁净，但细粉、片状颗较多，成本高 。 （2）砼用砂质量要求 一般要求：质地坚实、清洁、有害杂质含量少。 含泥量、石粉含量和泥块含量 天然砂含泥量和泥块含量及人工砂石粉含量和泥块含量应分别符合表6.2.1和表6.2.2的规定。表2.1 天然砂含泥量和泥块含量 项 目指 标类类类含泥量（按质量计）（%）1.03.05.0泥块含量（按质量计）（%）01.02.0 表2.2 人工砂石粉含量和泥块含量项 目指 标类类类亚甲蓝试验MB值1.40 或合格含泥量（按质量计）（%）3.05.07.0泥块含量（按质量计）（%）01.02.0MB值1.40 或不合格 含泥量（按质量计）（%）1.03.05.0泥块含量（按质量计）（%）01.02.0有害物质含量 砂中不应混有草根、树叶、树枝塑料等杂物，如含有云母、有机物及硫酸盐等，其含量应符合表6.2.3的规定。 表2.3 砂中有害物质含量 项 目指 标类类类云母（按质量计）（%），1.02.02.0轻物质（按质量计）（%），1.01.01.0有机物（比色法）合格合格合格硫化物及硫酸盐（按SO3质量计）（%），0.50.50.5氯化物（以氯离子质量计）（%），0.010.020.06 有害物质产生危害的原因：泥块阻碍水泥浆与砂粒结合，使强度降低；含泥量过大，会增加混凝土用水量，从而增大混凝土收缩； 云母表面光滑，为层状、片状物质，与水泥浆粘结力差，易风化，影响混凝土强度及耐久性；泥块阻碍水泥浆与砂粒结合，使强度降低；硫化物及硫酸盐：对水泥起腐蚀作用，降低混凝土的耐久性； 有机质可腐蚀水泥，影响水泥的水化和硬化。 氯盐会腐蚀钢筋。（3）砂的粗细程度（Mx）及颗粒级配 砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒，混合在一起后的总体砂的粗细程度。通常分为粗砂、中砂、细砂等几种。在相同砂用量条件峡，粗砂的总表面积比细砂小，则所需要包裹砂粒表面的水泥浆少。因此，用粗砂配制混凝土比用细砂所用水泥量要省。 砂的颗粒级配是指不同粒径砂颗粒的分布情况。在混凝土中砂粒之间的空隙是由水泥浆所填充，为节省水泥和提高混凝土的强度，就应尽量减少砂粒之间的空隙。要减少砂粒之间的空隙,就必须有大小不同的颗粒合理搭配。如图6.2.2。 图2.2 骨料的颗粒级配 砂的粗细程度及颗粒级配,常用筛分析的方法进行测定。砂的粗细程度用细度模数表示，颗粒级配用级配区表示。 筛分析：用一套方孔孔径为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm的七个标准筛，将500g干砂试样由粗到细依次过筛，然后称量余留在各筛上的砂量，并计算出各筛上的分计筛余百分率（各筛上的筛余量占砂子总量的百分率）a1、 a2、a3、a4、a5、a6及累计筛余百分率（各筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和） A1、 A2、A3、A4、A5、A6计算而得，即 Ai=a1+a2+ai 如：对于2.36mm孔径，其分计筛余百分率为a2，累计筛余百分率为（a1+a2） 。 其中a1=m1/500，a2=m2/500，a3=m3/500，以此类推。m1，m2，m3等分别为对应各筛的筛余量。分计筛余百分率与累计筛余百分率的关系见表6.2.4。表2.4 分计筛余百分率与累计筛余百分率的关系筛孔尺寸分计筛余（）累计筛余（） 4.75a1 A1=a12.36a2 A2=a1+a21.18a3 A3=a1+a2a30.6a4 A4=a1+a2a3a40.3a5 A5=a1+a2a3a4a50.15a6 A6=a1+a2a3a4a5a6 其中0.6mm为控制粒径，它使任一砂样只能处于某一级配区内，不会同时属于两个级配区。 砂的粗细程度（Coarseness） 砂的粗细程度用细度模数（Fineness Modulus）（Mx）表示。 细度模数（Mx）通过累计筛余百分率（Cumulative percentage retained）计算而得。 按Mx将砂分为： 粗砂： Mx=3.73.1；中砂：Mx= 3.02.3； 细砂： Mx= 2.21.6；特细砂：Mx= 1.50.7 普通砼用砂得细度模数： Mx= 3.71.6 砂的颗粒级配（Gradation） 砂的颗粒级配：骨料各级粒径颗粒的分布情况 ，以级配区或筛分曲线判定砂级配的合格性。 a) 级配区 砂按0.6mm孔径筛的累计筛余百分率，划分成三个级配区即区、区、区，如表6.2.5。普通砼用砂的颗粒级配应处于任何一个区内，否则不合格。 表2.5 砂的颗粒级配区 级配区 累计筛余方孔筛径区区区9.50mm0004.75mm1001001002.36mm3552501501.18mm653550102500.6mm8571704140160.3mm9580927085550.15mm100901009010090b)筛分曲线 以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，作出三个级配区的筛分曲线。观察所计算的砂的筛分曲线是否完全落在三个级配区的任一区内，即可判断该砂级配的合格性。 图2.3 筛分曲线（4）砂的选用原则 一般配制砼时，宜优先选用区砂。 若选用区砂，应该适当提高砂率，保证水泥用量。 若选用区砂，应该适当降低砂率，保证强度。 若某一地区砂料过细，可采用人工级配。 图6.2.3和图6.2.4均为级配较差的砂。 图2.3 级配较差的砂图2.4级配较差的砂 例题：特制砼采用河砂，取砂样烘干，特取500g，按规定步骤进行了筛分，称得各筛号上的筛余量如下表。 筛孔尺寸（mm）4.752.361.180.60.30.15 0.15筛 编 号1234567筛余量（ g）15757010012010020 求：（1）该砂的细度模数；（2）判断该砂的级配合格否？ （3）绘制筛分曲线图。 解：（1）求分计筛余百分率 （2）求累计筛余百分率A （3）计算砂的细度模数 （4）判断：用各筛号的A值与表6.5对比，该砂的累计筛余百分率落在区，该砂级配合格。 因Mx= 2.67，所以是中砂 （5）绘制筛分曲线图(如图6.2.4)。 图2.4 筛分曲线（二）粗骨料 粗骨料为粒径4.75mm的岩石颗粒 分为卵石和碎石两类。 卵石（ 砾石）包括河卵石、海卵石和山卵石等，其中河卵石应用较多。碎石大多由天然岩石径破碎筛分而成。碎石和卵石按技术要求分为类、类、类三种类别。类宜用于强度等级大于C60的混凝土；类宜用于强度等级为C30C60及抗冻、抗渗或其它要求的混凝土；类宜用于强度等级小于C30的混凝土。（1）质量及技术要求 a）含泥量及泥块含量，其含量应分别符合表6.2.6的规定。 b）有害物质含量，其含量应分别符合表6.2.7的规定。 表2.6 卵石、碎石含泥量和泥块含量 项目指标类类类含泥量（按质量计）（）0.51.01.5泥块含量（按质量计）（）00.50.7 表2.7 卵石、碎石中有害物质含量 项目指标类类类有机物合格合格合格硫化物及硫酸盐（按SO3质量计）（），0.51.01.0（2）强度 碎石强度采用岩石立方体抗压强度和碎石的压碎指标两种方法检验。 岩石立方体抗压强度检验，是将碎石的母岩制成直径余高均为50mm的圆柱体或边长为50mm的立方体，在水饱和状态峡，测定其极限抗压强度值。一般要求碎石母岩岩石的抗压强度不小于混凝土抗压强度的1.5倍，还要考虑母岩的风化程度。 压碎指标(Aggregate crusing value)是指将一定质量气干状态的9.09.5mm的石子，按一定的方法装入压碎指标值测定仪（内径152mm的圆筒）内，上面加压头后放在试验机上，在35min内均匀加荷到200KN，卸荷后称取试样质量（G0),再用孔径为2.36mm的筛进行筛分，称取试样的筛余量（G1 ）,压碎指标Qc 如下计算： （3）颗粒形状及表面特征 粗骨料比较理想的颗粒形状为三维长度相等或相近的立方体或球形颗粒而三维长度相差较大的针、片状颗粒粒形较差。颗粒长度大于平均粒径2.4倍为针状颗粒，颗粒厚度小于平均粒径0.4倍的为片状颗粒。平均粒径为一个粒级的骨料其上、下限粒径的算术平均值。 骨料表面的粗糙程度及孔隙特征影响混凝土的强度。 卵石：光滑少棱角，孔隙率及总表面积小，工作性好，水泥用量少，但粘结力差，强度低。 碎石：多棱角，孔隙率及总表面积大，工作性差，水泥用量多，但粘结力强，强度高。在相同条件下，碎石混凝土比卵石混凝土的强度约高10左右。（4）最大粒径和颗粒级配 最大粒径 粗骨料公称粒级的上限称该粒级的最大粒径。 最大粒径的选用原则：质量相同的石子，粒径越大，总表面积越小，越节约水泥，故尽量选用大粒径石子。同时应综合考虑以下 几点： a.结构上考虑：建筑构件的截面尺寸及配筋疏密 钢筋砼 ：粗骨料最大粒径 1/4结构截面最小尺寸且人工拌和时S，且搅拌时间长，则S大。 五 、改善新拌混凝土和易性的措施 1、调节混凝土的材料组成:采用合理砂率,并尽可能使用较低的砂率；改善砂、石的级配；在可能的条件下，尽量采用较粗的砂、石；当拌和物坍落度太小时，保持水灰比不变，增加适量的水泥浆；当拌和物坍落度太大时，保持砂率不变，增加适量的砂石。 2、掺加各种外加剂（如减水剂、引气剂等）。 3、提高振捣机械的效能 。思考题： 1.什么是混凝土拌合物的和易性？它有哪些含义？ 2.影响混凝土和易性的因素有哪些？如何影响？ 3.什么是合理砂率？采用合理砂率有何技术及经济意义？ 第四节 硬化混凝土的强度 硬化后混凝土（ Hardened concrete）的强度（Strength）包括立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和与钢筋的粘结强度等。 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗拉强度 一、混凝土的抗压强度与强度等级 混凝土的抗压强度是指其标准试件在压力作用下直到破坏的单位面积所能承受的最大应力。常作为评定混凝土质量的指标，并作为确定强度等级的依据。 1、立方体抗压强度（fcu） 按照标准的制作方法制成边长为150mm的正立方体试件，在标准养护条件（温度203，相对湿度90%以上）下，养护至28d龄期，按照标准的测定方法测定其抗压强度值，称为“混凝土立方体试件抗压强度”（简称“立方抗压强度”以fcu表示），以MPa计。 2、立方体抗压强度标准值（ fcu，k） 按照标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验测定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95%保证率的抗压强度），以N/mm2即MPa计。 3、强度等级（Grading Strength） 混凝土强度等级是根据立方体抗压强度标准值来确定的。它的表示方法 是用“C”和“立方体抗压强度标准值”两项内容表示，如：“C30”即表示混凝土立方体抗压强度标准值fcu，k=30MPa 。 我国现行规范（GBJ1089）规定，普通混凝土按立方抗压强度标准值划分为：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等16个强度等级。 立方体强度强度等级 4、砼强度等级的实用意义 C7.5C15：用于垫层、基础、地坪及受力不大的结构； C15C25：用于普通砼结构的梁、板、柱、楼梯及屋架； C25C30：用于大跨度结构、耐久性要求较高的结构、预制构件等； C30以上：用于预应力钢筋混凝土结构、吊车梁及特种构件等。 5、砼的轴心抗压强度（fcp） 轴心抗压强度采用150mm150mm300mm的棱柱体作为标准试件，如有必要，也可采用非标准尺寸的棱柱体试件，但其高宽比（h/a）应在23的范围。 在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件时，都采用混凝土的轴心抗压强度fcp作为设计依据。fcp比同截面的 fcu小，且h/a越大， fcp 越小。在立方体抗压强度为1055Mpa范围内时，fcp （0.700.80）fcu。二、砼的抗拉强度 劈裂试验测得劈裂抗拉强度（Splitting tension strength）。混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/101/20，故在结构设计中，不考虑混凝土承受拉力，而是在混凝土中配以钢筋，由钢筋来承受拉力 。但确定抗裂度时，须考虑抗拉强度，它是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要指标。 试验方法：劈裂法，测出强度为劈裂抗拉强度fts 。 混凝土的劈裂抗拉强度与混凝土标准立方体抗压强度之间的关系，可用经验公式表达如下： 三、砼与钢筋的粘结强度 强度主要来源：混凝土与钢筋间的摩擦力、钢筋与水泥石间的粘结力、变形钢筋的表面机械咬合力。 影响因素：混凝土质量（强度）、钢筋尺寸及种类、钢筋在混凝土中的位置、加载类型、干湿变化和温度变化等。 四、影响硬化后水泥砼强度的因素 砼破坏:a）硬化水泥石与骨料间破坏（ 与水泥强度、水灰比、骨料性质有关） b）硬化水泥石的破坏（水泥石强度有关） c）骨料本身的破坏 （与骨料强度有关） 主要影响因素有材料组成、制备方法、养护条件、试验条件等。1、材料组成对混凝土强度的影响 （1）水泥的强度和水灰比 fcu混凝土28d龄期的立方体抗压强度（MPa）; fce 水泥实际强度（MPa）， 可取 fce=1.13 fce,k，fce,k为水泥强度的标准值; C/W灰水比； a、b回归系数，碎石： a =0.46；b=0.07 卵石： a =0.48；b=0.33 以上经验公式一般只适用于流动性混凝土、低流动性混凝土 ，不适于干硬性混凝土。 （2）骨料的影响 当骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了坚强密实的骨架，有利于混凝土强度的提高。如果混凝土骨料中有害杂质较多，品质低，级配不好时，会降低混凝土的强度。2、养护条件对混凝土强度的影响 （1）温度及湿度 养护温度高，水泥水化速度快，混凝土强度的发展也快；反之，在低温下混凝土强度发展迟缓。当温度降到冰点以下时，水泥将停止水化，强度停止发展，而且易使硬化的混凝土结构遭到破坏。因此，冬季施工时，混凝土应特别注意保温养护，防止早期受冻破坏。 温度对强度发展的影响如图6.4.1。 水是水泥水化的必要条件。如果湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，会严重降低混凝土强度。因此在混凝土浇筑完毕后，应在12h内进行覆盖；在夏季施工的混凝土，要特别注意浇水保湿。 湿度对强度发展的影响如图6.4.2。 图4.1 温度对强度发展的影响 图4.2 湿度对强度发展的影响 1-空气养护 2-九个月后水中养护 3-三个月后水中养护 4-标准湿度条件下养护 （3）龄期（Age） 龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。 砼的强度随龄期的增长而提高 ，早期显著，后期缓慢。