《建筑工程材料》图文-第三章.pptx

第第3章章 水泥混凝土和砂浆水泥混凝土和砂浆3.1 水泥混凝土水泥混凝土3.2 建筑砂浆建筑砂浆3.1 水泥混凝土水泥混凝土3.1.1 水泥混凝土的概念水泥混凝土的概念 水泥混凝土是以水泥为胶凝材料，以石为粗集料、砂为细集料、水和外加剂为掺和料，按专门设计的配合比，经搅拌、成型、养护而得到的具有一定力学性能的一种人工石材。3.1.2 水泥混凝土的分类水泥混凝土的分类 1按表观密度分类按表观密度分类按表观密度分类普通混凝土轻混凝土 干表观密度约为2 400 kg/m3，是道路路面和桥梁结构中最常用的混凝土；干表观密度约为1 900 kg/m3。现代大跨度钢筋混凝土桥梁为减轻结构自重，往往采用各种轻集料配制成轻集料结构混凝土，以达到轻质高强、增大桥梁的跨度的目的；重混凝土 干表观密度达3 200 kg/m3 。是为了屏蔽各种射线的辐射采用各种高密度集料配制的混凝土。2按强度等级分类按强度等级分类 按强度等级分类低强度混凝土中强度混凝土 抗压强度小于30 MPa；抗压强度3060 MPa；高强度混凝土 抗压强度不小于60 MPa；超高强度混凝土 抗压强度在100 MPa以上。3按混凝土流动性分类按混凝土流动性分类按混凝土流动性分类干硬性混凝土塑性混凝土 其坍落度一般小于10 mm；其坍落度一般为1090 mm；流动性混凝土 其坍落度一般为100150 mm；大流动性混凝土 其坍落度一般大于160 mm。4按用途分类按用途分类 可分为结构混凝土、防水混凝土、道路混凝土、防辐射混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、大体积混凝土、膨胀混凝土等。5按生产和施工方法分类按生产和施工方法分类 可分为泵送混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土、预拌混凝土（商品混凝土）等。3.1.3 水泥混凝土的组成材料水泥混凝土的组成材料 水泥混凝土的质量和技术性能很大程度上由原材料的性能及其相对含量决定，同时也与施工工艺（配料、搅拌、捣实成型、养护等）有关。因此，首先必须了解混凝土原材料的性能、作用及质量要求，合理选择原材料，以保证混凝土的质量。水泥混凝土的组成及各材料的大致比例如表3-1所示。此外，常在混凝土中加入各种外加剂以改善混凝土性能，外加剂已成为混凝土的第五种组分，但用量一般只占水泥用量的1%2%，最多不超过5%。1水泥水泥 （1）水泥品种的选择 配制水泥混凝土一般可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。必要时也可采用快硬硅酸盐水泥或其他水泥。水泥的性能必须符合现行国家有关标准的规定。常用水泥的选用可参照表3-2。（2）水泥强度等级的选择 选用水泥强度等级应与要求配制的混凝土等级相适应。如用高强度等级水泥，配制低强度等级混凝土，会使水泥量偏小，影响和易性和密实性，应加入一定数量的混合材料；如必须用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土，则会使水泥用量过大，不经济，而且会影响混凝土其他技术性能，如造成收缩率增大等。经验表明，一般选择水泥强度等级（以MPa为单位）为混凝土强度等级的0.71.2倍。但是，随着混凝土工程要求的强度等级不断提高，高强混凝土并不受此比例的约束。水泥混凝土路面用水泥的强度等级选择，应根据路面的交通等级所要求的抗弯拉强度确定，如表3-3所示。如果水泥供应条件允许，应优先选用早强型水泥，以缩短养护时间。经过大量试验，配置水泥混凝土所用的水泥强度等级推荐如表3-4所示。2细集料细集料 混凝土用集料按其粒径大小不同分为细集料和粗集料。粒径在0.154.75 mm之间的岩石颗粒称为细集料；粒径大于4.75 mm的岩石颗粒称为粗集料。粗细集料的总体积占混凝土体积的70%80%，因此集料的性能对所配制的混凝土性能有很大影响。为保证混凝土的质量，对集料技术性能的要求主要有：具有稳定的物理性能和化学性能，不与水泥发生有害反应；有害杂质含量尽可能少，坚固耐久，具有良好的颗粒形状，表面与水泥石黏结牢固；有适宜的颗粒级配和细度模数。水泥混凝土用细集料（砂）的主要技术要求如下。（1）砂的粗细程度和颗粒级配 砂的级配反映大小砂粒的搭配情况，级配影响砂的空隙率的大小，为节约水泥和提高混凝土的密实度，应该使用级配良好的砂以达到最小的空隙率。混凝土用砂的级配范围根据建筑用砂（GB/T146842011）的规定，砂按细度模数分为粗砂（3.73.1）、中砂（3.02.3）和细砂（2.21.6）。在相同用砂量情况下，细砂的总表面积较大，粗砂的总表面积较小。在混凝土中砂表面需用水泥浆包裹，赋予流动性和黏结强度，砂的总表面积愈大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆就愈多。一般用粗砂配制的混凝土比用细砂所用水泥量要少。砂按技术要求分为、类。类砂宜用于强度等级大于C60混凝土，类砂宜用于强度等级为C30C60的混凝土，类砂宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。砂的颗粒级配是指不同粒径和数量比例的砂的组合或搭配情况。在混凝土中砂粒之间的空隙由水泥浆所填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，就应尽量减少砂粒之间的空隙。如图3-1所示，如果用同样粒径的砂，空隙率最大（如图3-1a所示）；两种粒径的砂搭配起来，空隙率就减小（如图3-1b所示）；三种粒径的砂搭配，空隙率就更小（如图3-1c所示）。因此，要减小砂粒间的空隙，就必须用粒径不同的颗粒搭配。（a）（b）（c）图3-1 集料的颗粒级配 在拌制混凝土时，砂的粗细程度和颗粒级配应同时考虑。当砂中含有较多的粗颗粒，并以适当的中颗粒及少量的细颗粒填充其空隙，则该种颗粒级配的砂，其空隙率及总表面积均较小，是比较理想的，不仅水泥用量少，而且还可以提高混凝土的密实性与强度。砂的颗粒级配和粗细程度用筛分试验进行测定。累计筛余百分率与分计筛余百分率的关系如表3-5所示。如图3-2、表3-6所示，混凝土用砂的颗粒级配应在规定的三个级配区范围内。区砂属粗砂范畴，拌制混凝土时其内摩阻角较大，保水性差，适宜配制水泥用量多的富混凝土或低流动混凝土；区砂宜优先选用以配不同等级混凝土；区砂细砂颗粒多，配制的混凝土黏性较大，保水性能好，易插捣成型，但因其比表面积大，使用时宜降低砂率。（a）区砂 （b）区砂 （c）区砂图3-2 水泥混凝土用砂级配范围曲线 对要求耐磨的混凝土，小于0.074 mm的颗粒不应超过3%，其他混凝土则不应超过5%，当采用石屑作为细集料时，此限值分别为5%和7%。细度模数只反映全部颗粒的粗细程度，而不能反映颗粒分布情况，因为细度模数相同而级配不同的砂，可配制出性能不同的混凝土，所以考虑砂的颗粒分布情况时，只有同时应用细度模数和级配两项指标，才能真正反映其全部性能。（2）有害杂质含量 砂中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块、炉渣等杂物，砂中如含有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等，其含量应符合现行标准的规定，这些物质会妨碍水泥水化或降低集料与水泥石黏附性，以及与水泥水化物产生不良化学反应。现行国家标准建筑用砂对混凝土用砂的有害物质含量限值规定如表3-7所示。（3）含泥量、石粉含量和泥块含量 混凝土用砂的含泥量是指粒径小于0.074 mm的尘屑、淤泥和黏土的总含量百分数；泥块是指原粒径大于1.18 mm，经水洗、手压后可破碎成小于0.6 mm的颗粒含量。这些细微颗粒的材料或者在集料表面形成包裹层，妨碍集料与水泥石的黏附，或者以松散的颗粒存在，大大地增加了集料的表面积，因而增加了需水量，特别是黏土颗粒，体积不稳定，干燥时收缩，潮湿时膨胀，对混凝土有很大的破坏作用。天然砂的含泥量和泥块含量应符合如表3-8所示的规定。人工砂的石粉含量和泥块含量应符合如表3-9所示的规定。（4）砂的坚固性 砂的坚固性是指砂在自然风化和其他外界物理化学元素作用下抵抗破坏的能力 天然砂的坚固性采用硫酸钠溶液法进行试验检测，砂样经5次循环后其质量损失应符合表3-10所示数据的规定。人工砂采用压碎指标法进行试验检测，压碎指标值小于表3-11所示数据的规定。压碎指标试验是将一定质量（通常330 kg）在烘干状态下单粒级（0.300.60 mm，0.601.18 mm，1.182.36 mm及2.364.75 mm四个粒级）的砂子装入受压钢模内，以每秒500 N的速度加荷，加荷至25 kN时稳荷5 s，然后以同样速度卸荷。再用该粒级的下限筛（如粒级为2.364.75 mm时，则其下限筛孔径为2.36 mm的筛）进行筛分，称出试样的筛余量G1和通过量G2，压碎指标Yi可按下式计算：压碎值指标越小，表示砂子抵抗受压破坏的能力越强，砂子越坚固。（5）表观密度、堆积密度、空隙率 砂的表观密度、堆积密度、空隙率是砂的三项重要指标，应符合如下规定：表观密度大于2 500 kg/m3，松散堆积密度大于1 350 kg/m3，空隙率小于47%。（6）碱集料反应 经碱集料反应试验后，由砂制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期膨胀率应小于0.01%。3粗集料粗集料 普通混凝土常用的粗集料有卵石（砾石）和碎石。卵石是由自然风化、水流搬运和分选堆积形成的粒径大于4.75 mm的岩石颗粒，按其产源可分为河卵石、海卵石、山卵石等几种，其中河卵石应用较多。碎石是由天然岩石或卵石经机械破碎、筛分制成的粒径大于4.75 mm的岩石颗粒 根据建筑用卵石、碎石（GB/T 146852011）的规定，按卵石、碎石技术要求，可将碎石、卵石分为、类。类宜用于强度等级大于C60混凝土；类宜用于强度等级为C30C60及抗冻、抗渗或有其他要求的混凝土；类宜用于强度等级小于C30的混凝土。粗集料的主要技术要求包括：颗粒级配、含泥量和泥块含量、针片状颗粒含量、有害物质含量、坚固性、强度、密度、空隙率和碱集料反应等。（1）强度 为保证水泥混凝土的强度，要求粗集料必须具备足够的强度。碎石或卵石的强度，可用岩石立方体强度和压碎指标两种方法检验。岩石抗压强度检验，是将轧制混凝土用碎石的母岩制成边长50 mm正立方体，或高与直径分别为50 mm的圆柱体试件，在水饱和状态下，测定其极限抗压强度值。火成岩的抗压强度应不小于80 MPa，变质岩的抗压强度应不小于60 MPa，水成岩的抗压强度应不小于30 MPa。压碎指标检验，是指将一定质量的气干状态粒径9.5019.0 mm的石子装入一标准圆筒内，放在压力机上以1 kN/s速度均匀加荷至200 kN并稳荷5 s，然后卸荷，用孔径2.36 mm的筛筛除被压碎的细粒，称出留在筛上的试样质量，压碎指标Qe可按下式计算：压碎指标Qe值愈小，表示粗骨料抵抗受压破坏的能力愈强。普通混凝土用碎石和卵石的压碎指标值如表3-12所示，水泥混凝土用粗集料压碎指标值如表3-13所示。压碎指标检验实用方便，用于经常性的质量控制；而在选择采石场或对粗骨料有严格要求，以及对质量有争议时，宜采用岩石立方体强度检验。（2）坚固性 碎石或卵石的坚固性是指集料在气候、环境变化，或其他物理因素作用下，抵抗碎裂的能力。为保证混凝土的耐久性，用作混凝土的粗集料应具有足够的坚固性，以抵抗冻融和自然因素的风化作用。当骨料由于干湿循环或冻融交替等风化作用引起体积变化而导致混凝土破坏时，即认为坚固性不良。具有某些特征孔结构的岩石会表现出坚固性不良。骨料越密实，强度越高，吸水率越小时，其坚固性越好；而结构疏松，矿物成分越复杂、不均匀，其坚固性越差。混凝土用粗集料坚固性用硫酸钠溶液法检验，试样经5次循环后，其质量损失应符合表3-12的规定。（3）最大粒径及颗粒级配 粗集料公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。集料的粒径大，其总表面积相应减小，因而包裹在其表面所需的水泥浆量减少，可节约水泥；而且，在一定和易性和水泥用量条件下，能减少用水量并提高强度，对大体积混凝土有利。但对于用普通配合比配制的结构混凝土，尤其是高强混凝土时，当粗集料的最大粒径超过40 mm后，由于减少用水量获得的强度提高被较少的黏结面积及大粒径集料造成的不均匀性的不利影响所抵消，因而并没有什么好处。根据混凝土结构工程施工质量验收规范（GB 502042002）规定，混凝土用粗集料最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，且不得超过钢筋间最小净距的3/4；对于混凝土实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/3，且最大粒径不得超过40 mm；对泵送混凝土，碎石最大粒径与输送管内径之比，宜小于或等于1:3，卵石宜小于或等于1:2.5。粗集料颗粒级配的好坏，直接影响混凝土的技术经济指标，颗粒级配粗骨料与细骨料一样，也要求有良好的颗粒级配，以减少空隙率，增强密实性，从而可以节约水泥，保证混凝土的和易性及混凝土的强度。特别是配制高强度混凝土，粗骨料级配特别重要。因而粗集料级配的选定，是保证混凝土质量的重要一环。如表3-14所示，依据国家标准建筑用卵石、碎石的规定，混凝土用碎石及卵石的颗粒级配范围应符合相应的规定。表3-14 碎石或卵石的颗粒级配与范围 （4）颗粒形状及表面特征 为提高混凝土的强度和减小集料间的空隙，粗集料的颗粒形状以正方体为佳，不宜含有过多的针、片状颗粒，否则将显著影响混凝土的抗折强度，同时影响新拌混凝土的工作性。针状颗粒指颗粒料长度大于平均粒径的2.4倍的颗粒，片状颗粒指颗粒厚度小于平均粒径的0.4倍的颗粒。如表3-15所示，混凝土用粗集料的针、片颗粒含量应符相应的规定。骨料表面特征主要是指骨料表面的粗糙程度及孔隙特征等。它主要影响骨料与水泥石之间的黏滞性能，从而影响混凝土的强度，尤其是抗弯强度，这对高强混凝土更为明显。碎石表面粗糙而且具有吸收水泥浆的孔隙特征，所以它与水泥石的黏结能力较强；卵石表面光滑且少棱角，与水泥石的黏结能力较差，但混凝土拌和物的和易性较好。在相同条件下，碎石混凝土比卵石混凝土强度高10%左右。（5）有害物质含量 粗集料中常含有一些有害杂质，如黏土、淤泥、云母、硫酸盐、硫化物和有机物等。它们的危害与细集料的杂质危害相同。它们的含量不能超过如表3-16所示的要求。含泥量是指卵石、碎石中粒径小于0.075 mm的颗粒含量，泥块含量是指卵石、碎石中原粒径大于4.75 mm，经水浸洗、手捏后小于2.36 mm的颗粒含量。（6）碱集料反应 当集料中含有活性氧化硅时，如果混凝土中的水泥又含有较多的碱，就可能发生碱集料反应。碱集料反应是水泥中碱性氧化物（Na2O和K2O）水解后的氢氧化钠和氢氧化钾与集料中活性二氧化硅发生化学反应，在集料表面生成复杂的碱硅酸凝胶，这种凝胶吸水体积膨胀，使集料与水泥石界面胀裂，黏结强度下降，引起混凝土结构破坏。另外，也可能发生其他类型的碱集料反应，如含有黏土的白云石或石灰石会与水泥中碱发生碳酸盐反应。因此，应采用含碱量小于0.6%的水泥，不宜采用含有活性二氧化硅和碳酸盐的石料，同时，在粗集料中严禁混入煅烧过的白云石或石灰石块。经碱集料反应试验后，由碎石、卵石制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期膨胀率应小于0.1%。4混凝土拌和及养护用水混凝土拌和及养护用水 混凝土拌和用水不应有漂浮明显的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味。混凝土企业设备洗刷水不宜用于预应力混凝土、装饰混凝土、加气混凝土和暴露于腐蚀环境的混凝土；不得用于使用碱活性或潜在碱活性的混凝土。未经处理的海水严禁用于钢筋混凝土和预应力混凝土。在无法获得水源的情况下，海水可用于素混凝土，但不宜用于装饰混凝土。被检验水样与饮用水进行水泥凝结时间和砂浆或混凝土强度对比试验。对比试验测得的水泥初凝时间差和终凝时间差，均不得大于30 min，同时，初凝及终凝时间应符合通用硅酸盐水泥（GB1752007）的规定。用待检验水配制的水泥胶砂3 d和28 d强度不应低于饮用水配制的水泥胶砂3 d和28 d强度的90%。混凝土用水中各种物质含量限值如表3-17所示。对于设计使用年限为100年的结构混凝土，氯化物含量不得超过500 mg/L；对于使用钢丝或热处理钢筋的预应力混凝土，氯化物含量不超过350 mg/L。混凝土养护用水可不检验不溶物和可溶物，其他检验项目应符合表3-17所示的规定，地表水、地下水、再生水的放射性应符合生活饮用水卫生标准（GB57492006）的规定。对于设计使用年限为100年的结构混凝土，氯离子含量不得超过500 mg/L；对于使用钢丝或热处理钢筋的预应力混凝土，氯化物含量不超过350 mg/L。5混凝土外加剂混凝土外加剂 在拌制混凝土过程中掺入量不大于水泥质量5%（特殊情况除外），用于改善混凝土性能的材料，称为混凝土外加剂。混凝土外加剂品种繁多，通常每种外加剂具有一种或多种功能，一般按照主要功能分类，如表3-18所示。外加剂名称、主要功能及组成材料如表3-19所示。各种混凝土工程对外加剂的选择如表3-20所示。有些外加剂含氯、硫和其他杂质，对混凝土的耐久性有影响，应限制使用，其限制规定如表3-21所示。6掺和料掺和料 掺和料包括粉煤灰、火山灰质材料、粒化高炉矿渣等，应由生产单位专门加工、进行产品检验并出具产品合格证书。使用单位对产品的质量有怀疑时，应对其质量进行复查，掺和料技术条件如下。（1）掺和于混凝土的粉煤灰技术条件掺和于混凝土的粉煤灰技术条件 烧失量不得超过8%；含水量不得超过1%；三氧化硫的质量分数不得超过3%；0.08 mm方孔筛筛余量不得超过8%；水泥胶砂需水量不得超过105%。（2）火山灰质掺和材料的技术条件火山灰质掺和材料的技术条件 人工的火山灰质混合材料烧失量不得超过10%；三氧化硫的质量分数不得超过3%；火山灰性能试验必须合格；水泥胶砂28 d抗压强度不得低于62%。（3）粒化高炉矿渣掺和材料的技术条件粒化高炉矿渣掺和材料的技术条件 粒化高炉矿渣质量系数（CaO+MgO+Al3O3）/（SiO2+MnO+TiO2）不得小于1.2（式中化学成分均为质量分数）。钛化合物质量分数（以TiO2计），不得超过10%；氟化物质量分数（以F计），不得超过2%；锰化合物质量分数（以MnO计）不得超过4%。冶炼锰铁所得粒化高炉渣，其锰化物的质量分数（以MnO计）不得超过15%；硫化物的质量分数（以S计）不得超过2%。高炉矿渣淬冷的块状矿渣，经直观挑选，不得大于5%，最大尺寸不得大于100 mm。不得混有任何外来杂物，金属铁的含量应严格控制。3.1.4 普通水泥混凝土的主要技术性能普通水泥混凝土的主要技术性能 普通水泥混凝土的主要技术性能包括：新拌混凝土的工作性，硬化后混凝土的力学性能和耐久性。新拌混凝土在尚未凝结硬化以前，称为新拌混凝土或称混凝土拌和物。新拌混凝土具有良好的工艺性能，称之为工作性（或称和易性）。1工作性的含义工作性的含义 工作性（和易性），是指混凝土拌和物在一定的施工条件下（如设备、工艺、环境等）易于每个工序（搅拌、运输、浇注、捣实）施工操作，并获得质量稳定，整体均匀，成形密实的性能。工作性是一项综合性的技术指标，包括流动性、可塑性（黏聚性）、保水性（稳定性）等三方面性能。优质的新拌混凝土应具有：满足输送和浇捣要求的流动性；不为外力作用产生脆断的可塑性；不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣密致的密实性。2工作性的测定方法工作性的测定方法 坍落度与坍落扩展度法试验。将新拌混凝土按规定方法装入标准坍落度筒内，装满刮平后，立即将筒垂直提起，此时，混合料将产生一定程度的坍落，坍落的高度（mm）即为坍落度，如图3-3所示。当混凝土拌和物的坍落度大于220 mm时，应采用坍落扩展度值。坍落度与坍落扩展度法试验所用的混凝土坍落度仪应符合混凝土坍落度仪（JG/T 2482009）中有关技术要求的规定。做坍落度试验时，还需要观察混凝土试体的黏聚性及保水性以评定新拌混凝土的工作性。坍落度与坍落扩展度法试验只适用于集料最大粒径不大于40 mm、坍落度不小于10 mm的混凝土拌和物稠度测定。1坍落度筒；2拌合物试体；3木尺；4钢尺图3-3 混凝土坍落度测定 维勃稠度试验。将坍落度筒放在直径为240 mm、高度为200 mm圆筒内，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满后再拔去坍落度筒，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完全被水泥浆布满止所经历的时间以s计（精确至1 s），即为新拌混凝土的维勃稠度值，如图3-4所示。该方法适用于集料粒径不大于40 mm、维勃稠度在5 s30 s之间的混凝土拌和物稠度测定。坍落度不大于10 mm或干硬性混凝土拌和物的稠度可采用增实因数法来测定。1圆柱形容器；2坍落度筒；3漏斗；4测杆；5透明圆盘；6振动台图3-4 维勃稠度仪 3影响工作性（和易性）的主要因素影响工作性（和易性）的主要因素 （1）组成材料质量及其用量 水泥浆的数量和集浆比。混凝土拌和物中的水泥浆，除了填充集料间的空隙外，包裹在集料表面并略有富余，使拌和物有一定的流动性。在水灰比一定的条件下，水泥浆愈多，流动性愈好。但如水泥浆过多，集料则相对减少，即集浆比小，将出现流浆现象，拌和物的稳定性变差，不仅浪费水泥，而且会使拌和物的强度和耐久性降低；若水泥浆用量过少，则无法很好包裹集料表面及填充其空隙。拌和物中水泥浆的数量应以满足流动性为宜。水泥浆的稠度。水泥浆的稠度取决于水灰比。在固定用水量的条件下，水灰比小时，会使水泥浆变稠，拌和物流动性差；若加大水灰比，可使水泥浆变稀，流动性增大，但会使拌和物流浆、离析，严重影响混凝土强度，因此，应合理地选用水灰比。科学试验证明，无论是水泥浆的影响还是水灰比的影响，实际上都是用水量的影响。因此，影响混凝土拌和物和易性的决定性因素是单位用水量。在采用一定集料的情况下，如果单位用水量一定，单位水泥用量增减不超过50100 kg，坍落度大体上保持不变，这一规律通常称为固定用水量定则，用于混凝土配合比设计非常方便。砂率。砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石质量的百分率。砂率反映了粗细集料的相对比例，它影响混凝土集料的空隙和总比表面积。砂率对混凝土拌和物的和易性影响很大，一方面是砂形成的砂浆在粗集料间起润滑作用，在一定砂率范围内随着砂率的增大，润滑作用愈明显，流动性将提高；另一方面，在砂率增大的同时，集料的总表面积随之增大，需要润滑的水分增多，在用水量一定的条件下，拌和物流动性降低，所以当砂率超过一定范围后，流动性反而随砂率的增大而降低，如图3-5所示。另如果砂率过小，砂浆数量不足会使混凝土拌和物的黏聚性和保水性降低，产生离析和流浆现象。所以，应在用水量和水泥用量不变的情况下，选取保证流动性、黏聚性和保水性的合理砂率。图3-5 砂率与混凝土拌和物流动性的关系 组成材料性能。通常普通水泥的混凝土拌和物比矿渣水泥、火山灰水泥的工作性好，矿渣水泥拌和物的流动性虽好，但黏聚性差，易产生泌水离析；火山灰水泥则流动性差，但黏聚性最好。此外，水泥的细度对拌和物的和易性也有很大的影响，提高水泥的细度可改善混凝土拌和物的黏聚性和保水性，减少拌和物泌水、离析现象，但其流动性变差。集料对混凝土拌和物和易性影响的主要因素有：集料级配、颗粒形状、表面特征及粒径大小等。一般情况下，级配好的集料，其流动性较好，黏聚性与保水性较好；表面光滑的集料，其流动性较好，总表面积减小，流动性增大；集料棱角较少者，其流动性较好。外加剂对混凝土拌和物的影响较大，在混凝土拌和物中加入少量的外加剂，可在不增加用水量和水泥用量的情况下，有效地改善混凝土拌和物的工作性。（2）环境条件与搅拌时间 对混凝土拌和物和易性有影响的环境因素主要有湿度、温度、风速。在组成材料性能和配合比例一定的条件下，混凝土拌和物和易性主要受水泥的水化率和水分的蒸发率所支配。若搅拌时间不足，拌和物的工作性就差，质量也不均匀。4混凝土拌和物和易性的选择混凝土拌和物和易性的选择 选择混凝土拌和物和易性时，对于结构物的断面尺寸大、钢筋配置稀疏、易于施工的结构，尽可能选用较小的坍落度，以节约水泥。反之，对断面尺寸较小、形状复杂或者配筋特密的结构，尽可能选用较大的坍落度，易于浇捣密实，以保证施工质量。对于公路桥梁与道路路面所用的混凝土，可按以下两点选用：首先，公路桥涵用混凝土拌和物的和易性，应根据公路桥涵施工技术规范（JTG/T F502011）的有关规定选择，如表3-22所示，表中数据可供施工时参考。其次，水泥混凝土路面所用道路混凝土拌和物的和易性，按照公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTG F302003）的规定，对于滑模摊铺机施工的碎石混凝土最佳工作坍落度为2550 mm，卵石混凝土为2040 mm 5硬化混凝土的强度硬化混凝土的强度 强度是混凝土硬化后的主要力学指标，按普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 500812002）的规定，混凝土的强度有：立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等。（1）混凝土的抗压强度标准值和强度等级 按照标准规定的制作方法制成边长为150 mm的正方体试件，在标准养护室中（温度202，相对湿度为95%以上，试件应放在支架中，彼此间隔1020 mm，试件表面应保持潮湿，并不得被水直接冲淋）或在温度为202的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中养护28 d龄期，按标准方法测定其抗压强度值，称为混凝土立方体抗压强度fcu，计算方法为：用非标准尺寸试件测得的立方体强度，应乘以换算系数，折算为标准试件的立方体抗压强度。混凝土强度等级C60时，边长为200 mm试件换算系数为1.05；对于边长为100 mm试件换算系数为0.95。当混凝土强度等级C60时，宜采用标准试件；使用非标准试件时，尺寸折算系数应由试验确定，其试件数量不应少于30个对组。混凝土强度检验评定标准（GB/T 501072010）规定：按照标准方法制作和养护的边长为150 mm的立方体试件，在28 d龄期，用标准试验方法测定的抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的概率应为5%（即具有95%保证率的抗压强度），以N/mm2（即MPa）计，用fcu,k表示。立方体抗压强度标准值是按数理统计方法确定，具有不低于95%的保证率的立方体抗压强度。混凝土强度等级是根据立方体抗压强度标准值来确定的。强度等级的表示方法，用符号“C”和“立方体抗压强度标准值”两项内容来表示，如C20即表示混凝土立方体抗压强度标准值为20 MPa。普通混凝土力学性能试验方法标准规定，普通混凝土按立方体抗压强度标准值划分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80共14个等级。（2）混凝土的轴心抗压强度（fcp）为使混凝土试件抗压强度试验时的受力状态更接近其在结构中承压状态，通常采用棱柱体（高宽比h/b=2或圆柱体高径比h/d=2）试件，测定其轴心抗压强度。普通混凝土力学性能试验方法标准规定，采用150 mm150 mm300 mm的棱柱体作为标准试件，测定其轴心抗压强度cp。混凝土的轴心抗压强度cp可按式3-4计算：关于轴心抗压强度与立方体抗压强度间关系，通过许多棱柱体和立方体试件的强度试验表明：在立方体抗压强度为1050 MPa的范围内，轴心抗压强度与立方体抗压强度之比为0.70.8。（3）混凝土的劈裂抗拉强度（ts）普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 500812002）规定：采用150 mm150 mm150 mm的立方体作为标准试件，在立方体试件（或圆柱体）中心平面内用圆弧为垫条施加两个方向相反、均匀分布的压应力，当压力增大至一定程度时试件就沿此平面劈裂破坏，这样测得的强度称为劈裂抗拉强度。计算方法为：关于劈裂抗拉强度与标准立方体抗压强度之间的关系，可用经验公式表示：（4）混凝土的抗折强度（f）道路路面或机场跑道用水泥混凝土，以抗折强度（也称抗弯拉强度）为主要强度指标，抗压强度作为参考指标。普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 500812002）规定，测定道路路面用水泥混凝土的抗折强度时以标准方法制备成150 mm150 mm550 mm的梁形试件，在标准条件下，经养护28 d后，按三分点加荷方式测定其抗折强度（ff），计算方法如下：如跨中单点加荷得到的抗折强度，按断裂力学推导应乘以系数0.85。不同交通分级的水泥混凝土弯拉强度标准值如表3-23所示。（5）影响水泥混凝土强度的因素 水泥强度与水灰比。水泥混凝土的强度主要取决于其内部起胶结作用的水泥石的质量，水泥石的质量则取决于水泥的特性和水灰比。在混凝土配合比相同的条件下，水泥强度等级越高，则配制的混凝土强度越高。在水泥强度等级相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与集料黏滞力愈大，混凝土的强度愈高。但是，如果水灰比太小，拌和物过于干稠，在一定的捣实成形条件下，混凝土拌和物将出现较多的孔洞，导致混凝土的强度下降。混凝土抗压强度与水灰比之间的关系（“水灰比定则”），如图3-6所示。图3-6 混凝土抗压强度与水灰比之间的关系 根据各国大量工程实践资料统计结果，总结出的水灰比、水泥实际强度与混凝土28 d立方体抗压强度的关系公式为：集料特性与水泥浆用量。集料的强度不同，使混凝土的破坏机理有所差别，如集料强度大于水泥石强度，则混凝土强度由界面强度及水泥石强度所支配，在此情况下，集料强度对混凝土强度几乎没有影响；如集料强度小于水泥石强度，则集料强度与混凝土强度有关，会使混凝土强度下降。集料形状以接近球形或立方形为好，若使用扁平或细长颗粒，会对施工带来不利影响，增加混凝土的孔隙率，扩大混凝土的表面积，增加混凝土的薄弱环节，导致混凝土强度降低。水泥浆用量由强度、耐久性、和易性、成本几个方面因素确定，选择时需兼顾。养护温度与湿度。为了获得质量良好的混凝土，成形后必须在适宜的环境中进行养护。一般情况下，水泥的水化和混凝土强度发展速度随环境温度的高低而增减，如图3-7所示。图3-7 养护温度条件对混凝土强度的影响 当温度降至零度时，混凝土中的水分大部分结冰，水泥几乎不再发生水化反应，混凝土强度不仅停止增长，严重时由于孔隙内水分结冰而引起膨胀，产生相当大的膨胀压力，特别当水化初期，混凝土强度较低时遭遇严寒会引起混凝土的崩溃。混凝土浇注后，必须有较长时间在潮湿环境中养护，湿度适当，水泥水化得以顺利进行，使混凝土强度得到充分发展；如果湿度不够，混凝土会失水干燥，影响水泥水化的正常进行，甚至停止水化。这不仅严重降低混凝土强度，而且因水泥水化作用未能完成，使混凝土结构疏松，渗水性增大，或形成干缩裂缝，从而影响混凝土的耐久性。养护湿度条件对混凝土强度的影响如图3-8所示。1空气养护；29个月后水中养护；33个月后水中养护；4标准湿度条件下养护图3-8 养护湿度条件对混凝土强度的影响 龄期。在正常条件下，混凝土的强度随着龄期的增长而提高，在最初37 d内发展较快，28 d达到设计强度规定的数值，以后强度发展逐渐缓慢，甚至可持续百年左右。在相同养护条件下，其增长规律如图3-9所示。（a）龄期为常数坐标 （b）龄期为对数坐标图3-9 水泥混凝土强度增长规律 在标准养护条件下，混凝土强度与其龄期的对数大致成正比，工程中常常利用这一关系，根据混凝土早期强度，估算其后期强度，其表达式为：此公式仅适用于普通硅酸盐水泥拌制的混凝土，且龄期3 d时才适用。由于对混凝土强度的影响因素很多，强度发展不可能完全一样，故此公式只作为一般参考。（6）提高混凝土强度的技术措施提高混凝土强度的措施 采用高强度水泥和特种水泥。采用低水灰比和浆集比。掺加外加剂。采用湿热处理方法。采用机械搅拌的振捣。蒸汽养护蒸压养护 蒸汽养护：蒸汽养护是使浇注好的混凝土构件经13 h预养后，在90%以上的相对湿度、60以上的温度的饱和水蒸气中进行养护，以加速混凝土强度的发展。普通水泥混凝土经过蒸汽养护后，其早期强度提高很快，一般经过24 h的蒸汽养护，混凝土的强度能达到设计强度的70%，但对后期强度增长有影响，所以用普通水泥混凝土养护温度不宜太高，时间不宜太长，一般养护温度为6080，恒温养护时间以58 h为宜。用火山灰水泥和矿渣水泥配制的混凝土，蒸汽养护的效果比普通水泥混凝土好。蒸压养护：蒸压养护是将浇筑成形混凝土构件静置810 h，放入蒸釜内，通入高压（8个大气压）、高温（175）饱和蒸汽进行养护。6混凝土的变形混凝土的变形 （1）弹性变形和弹性模量 弹性变形是指对材料施加荷载出现、荷载卸除后消失的变形。而水泥混凝土是一种复合材料，在持续增加的荷载作用下，它的应力应变关系曲线如图3-10所示，当卸荷后，其变形并未能恢复到原点。图3-10 加荷及卸荷时混凝土的应力应变关系曲线 在应力应变关系曲线上任一点的应力与应变的比值为混凝土在该应力下的弹性模量。但混凝土在短期荷载作用下，并非线性关系，故弹性模量有3种表示方法，如图3-11所示。图3-11 水泥混凝土弹性模量分类 （2）徐变 混凝土在持续荷载的作用下。随时间增长的变形称为徐变，也称为蠕变。当混凝土卸载后，一部分变形瞬间恢复，还有一部分要若干天内才能逐渐稳定，称为徐变恢复，剩下不可恢复部分称为残余变形。混凝土的徐变变形在早期增长很快，然后逐渐减慢，一般要23年才可能基本趋于稳定。混凝土的徐变与许多因素有关。混凝土水灰比大，龄期短，徐变量大；荷载作用时大气湿度小，徐变大；荷载应力大，徐变大；混凝土水泥用量多时，徐变量大。另外，混凝土弹性模量小，徐变大。混凝土无论是受压、受拉或受弯时，均有徐变现象。在预应力钢筋混凝土桥梁构件中，混凝土的徐变可使钢筋的预加应力受到损失，但是，徐变也能消除钢筋混凝土的部分应力集中，使应力较均匀地分布，对于大体积混凝土，能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力。混凝土的变形与荷载作用时间的关系如图3-12所示。图3-12 混凝土的变形与荷载作用时间的关系曲线 （3）温度变形 混凝土具有热胀冷缩的性质，温度变化引起的热胀冷缩对大体积及大面积混凝土极为不利，因为混凝土是不良导体，水泥水化初期放出大量热量难于散发，浇注后大体积混凝土内部温度远远高于外部，有时高出5070，这将使内部混凝土产生显著的体积膨胀，而外部混凝土却随气温降低而冷却收缩。内部膨胀和外部收缩相互制约，将产生应力，当混凝土所受拉应力一旦超过混凝土当时的极限抗拉强度，就将产生裂缝。因此对大体积混凝土工程，应设法降低混凝土的发展热量，应每隔一段长度设置伸缩缝，在结构物内配置温度钢筋。（4）化学收缩 混凝土拌和物由于水化产物的体积比反应前物质的总体积要小，因而产生收缩，称为化学收缩。这种收缩随龄期增长而增加，40 d以后渐趋稳定，化学收缩是不能恢复的，一般对结构没有什么影响。（5）干湿变形 这种变形主要表现为湿胀干缩，混凝土在干燥空气中硬化时，随着水分的逐渐蒸发，体积也将逐渐发生收缩；如在水中或潮湿条件下养护时，则混凝土的干缩将随之减少或略产生膨胀。混凝土收缩值较膨胀值为大，当混凝土产生干缩后，即使再长期放在水中，仍有残余变形，残余收缩约为收缩量的30%60%。试验表明，混凝土的干缩率可达（35）10-4，由于实际构件尺寸较大，其实际干缩率远远小于试验干缩率。设计上常采用的混凝土干缩率一般为（1.52.0）10-4，即1 m长度的混凝土收缩0.150.20 m。混凝土干缩主要是水泥石所产生，因此尽量降低水泥用量，减少水灰比是减少混凝土干缩的关键。另外用水量、水泥品种及细度、集料种类和养护条件都对混凝土的干缩有一定的影响。7混凝土的耐久性混凝土的耐久性 耐久性的首要要求是抗冻性；其次对道路混凝土而言，因受车辆轮胎作用，要求其有耐磨性；桥梁墩台混凝土受海水或污水的侵蚀，还要求具有抗化学侵蚀的耐蚀性；此外，碱集料反应必须引起关注。（1）抗冻性 混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下遭受冰冻时，抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。冻融破坏的原因是混凝土中的水结冰后发生体积膨胀，当冰胀应力超过混凝土的抗拉强度时，便使混凝土产生微细裂缝，反复冻融使裂缝不断扩大，导致混凝土强度降低直至破坏。为评价混凝土的抗冻性，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 500822009）规定，抗冻性能试验方法，可分为慢冻法和快冻法两种。对于道路与桥梁工程混凝土的抗冻性要求，公路工程水泥混凝土试验规程（JTG E302005）规定采用“快冻法”试验。“快冻法”试验是以100 mm100 mm400 mm棱柱体混凝土试件3块，在标准养护室内或同条件