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第6章 水泥混凝土和砂浆
主要内容
6.1 概述
6.2 普通水泥混凝土的组成材料
6.3 普通水泥混凝土的技术性质
6.4 混凝土外加剂与掺合料
6.5 普通水泥混凝土配合比设计
6.6 普通水泥混凝土的质量控制
6.7 其他功能混凝土
6.8 建筑砂浆
6.1 概 述
6.1.1 水泥混凝土的定义
混凝土一般是指由胶凝材料（胶结料），粗、细骨料（或称集料），水及其它材料，按适当比例配制并硬化而成的具有所需的形状、强度和耐久性的人造石材。以水泥为胶凝材料的，即为水泥混凝土。
6.1.2 水泥混凝土的分类
1．按表观密度分类
（1）普通混凝土：其表观密度为2000~2800kg/m3,是用普通的天然砂石为骨料配制而成，为建筑工程中常用的混凝土。
（2）轻混凝土：其表观密度小于1950kg/m3, 采用各种轻集料配制成轻集料结构混凝土，主要用作轻质结构材料和隔热保温材料 。
（3）重混凝土：其表观密度大于2800kg/m3，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. 按用途分类
可分为结构混凝土、装饰混凝土、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。
3．按强度等级分类
（1）低强度混凝土：抗压强度小于30MPa；
（2）中强度混凝土：抗压强度30~60MPa；
（3）高强度混凝土：抗压强度大于60MPa；
（4）超高强混凝土：抗压强度大于100MPa。
4．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、真空脱水混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土、预拌混凝土（商品混凝土）等。
6.1.3 水泥混凝土的特点
（1）组成材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济原则。
（2）易于加工成型。新拌混凝土有良好的可塑性和浇注性，可满足设计要求的形状和尺寸。
（3）匹配性好。各组成材料之间有良好匹配性，可组成共同的具有互补性的受力整体。
（4）可调整性强。可根据使用性能的要求与设计来配制相应的混凝土。
（5）钢筋混凝土结构可代替钢、木结构，而节省大量的钢材和木材。
（6）耐久性好，维修费少。
但混凝土自重大、比强度小、抗拉强度低、变形能力差和易开裂等缺点，也有待研究改进。由于混凝土有上述重要优点，所以广泛应用于工业与民用建筑工程、水利工程、地下工程、公路、铁路、桥涵及国防军事各类工程中。
6.2 普通水泥混凝土的组成材料
普通混凝土的基本组成材料是天然砂、石子、水泥和水，为改善混凝土的某些性能还常加入适量的外加剂或外掺料。
在混凝土中，砂、石起骨架作用，因此也称为骨料。水泥和水形成水泥浆，包裹在砂粒表面并填充砂粒间的空隙而形成水泥砂浆，水泥砂浆又包裹在石子表面并填充石子间的空隙。在混凝土硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予混凝土拌合物一定的流动性，便于施工。硬化后，则将骨料胶结成一个坚实的整体，并产生一定的力学强度。
（1）示意图 （2）实物图
混凝土结构
6.2.1 水泥
1、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。
例：路面抢修工程——硅酸盐水泥
高温车间路面和抗硫酸盐——矿渣水泥
水库大坝——火山灰水泥
2、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。
当水泥强度等级过高：水泥用量过低，和易性和耐久性差；
当水泥强度等级过低——水泥用量太多，降低水泥混凝土品质，收缩率加大。
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。
6.2.2 细集料
混凝土用细集料一般应采用粒径小于4.75mm的级配良好、质地坚硬、颗粒洁净的天然砂，也可使用加工的机制砂。
根据《建设用砂》（GB/T14684—2011）的规定，砂按细度模数（Mx）大小分为粗、中、细三种规格；按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。
1、有害杂质
粘土、淤泥——粘附在砂粒表面妨碍水泥与砂的粘结，增大用水量，降低混凝土的强度和耐久性，并增大混凝土的干缩；
云母——表面光滑的层、片状物质，与水泥粘结性差，影响混凝土的强度和耐久性；
硫化物及硫酸盐——对水泥有侵蚀作用；
有机质——影响水泥的水化硬化；
海砂——含的氯化钠等氯化物对钢筋有锈蚀作用，因此，对使用海砂配制混凝土时，其氯盐含量(折算成NaCl)不应大于0.1%，对预应力钢筋混凝土结构，不宜采用海砂。
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。
2. 砂的颗粒级配及粗细程度
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。
骨料的颗粒级配
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，砂的表面需要由水泥浆包裹，砂的总表面积愈大，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。
筛分试验：用一套孔径（径尺寸）为9.5mm，4.75mm，2.36mm，1.18mm，0.6mm，0.3mm，0.15mm的标准筛（方孔筛）。称量500g的砂样过筛，称量筛子上残余的砂，计算出分计筛余、累计筛余、通过百分率。
分计筛余ai（%）：某号筛上的筛余量占试样总质量的百分率。
累计筛余Ai（%）：某号筛的分计筛余和大于某号筛的各筛分计筛余的总和。
通过百分率Pi（%）：通过某号筛的质量占试样总质量的百分率，即100与某号筛的累计筛余之差。
细度模数
细度模数是用于评价细集料粗细程度的指标：
粗砂：Mx=3.7～3.1；
中砂：Mx=3.0～2.3；
细砂：Mx =2.2～1.6。
细度模数越大，砂越粗。
国家规范将细度模数为3.7～1.6的普通混凝土用砂，以0.60mm筛孔（控制粒级）的累计筛余百分率，划分成为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区三个级配区。
砂的级配区范围
筛孔尺寸 （mm） 级 配 区 1区 2区 3区
累计筛余（%） 9.50 0 0 0
4.75 10-0 10-0 10-0
2.36 35-5 25-0 15-0
1.18 65-35 50-10 25-0
0.60 85-71 70-41 40-16
0.30 95-80 92-70 85-55
0.15 100-90 100-90 100-90
砂的级配区曲线
配制混凝土时宜优先选用2区砂。当采用1区砂时，应适当提高砂率，并保证足够的水泥用量，以满足混凝土的工作性；当采用3区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度。
在实际工程中，若砂的级配不符合级配区的要求，可采用人工掺配的方法来改善，即将粗、细砂按适当比例进行试配，掺合使用；或将砂过筛，筛除过粗或过细的颗粒。
3、砂的坚固性
坚固性是指砂在气候、环境或其它物理因素作用下抵抗破裂的能力。天然砂采用硫酸钠溶液进行坚固性试验，经5次循环后测其质量损失。
人工砂应进行压碎值测定。
6.2.3 粗集料
普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石。
碎石是由天然岩石、卵石或矿山废石经破碎、筛分制成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。
卵石是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。
卵石、碎石按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。
1.含泥量和泥块含量
卵石、碎石的含泥量是指粒径小于75μm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。
2.有害杂质含量
粗集料中常含有一些有害杂质，如硫化物、硫酸盐、氯化物和有机质。
粗骨料比较理想的颗粒形状是三维长度相等或相近的球形或立方体形颗粒，而三维长度相差较大的针、片状颗粒粒形较差。
3.最大粒径及颗粒级配
（1）最大粒径
石子最大粒径增大，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。
条件允许时应尽可能把石子选得大一些，以节约水泥。
从结构的角度规定，混凝土用粗骨料最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1／4；同时不得超过钢筋间最小净距的3／4。对混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1／2，且不得超过50mm。
（2）颗粒级配
粗骨料的级配好坏对节约水泥、保证混凝土拌合物良好的和易性及混凝土强度有很大关系。
粗骨料的级配原理和要求与细骨料基本相同。
石子的颗粒级配可分为连续级配和间断级配。石子颗粒级配范围应符合规范要求。碎石和卵石的颗粒级配范围见课本表5-10 。
4.骨料的强度
为保证混凝土强度的要求，粗骨料都必须是质地坚实、具有足够的强度。碎石和卵石强度可采用岩石立方体强度和压碎指标两种方法来检验。
岩石立方体强度检验，是将轧制碎石的母岩制成边长为50mm的立方体（或直径为高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下，测定其极限抗压强度值。岩石的抗压强度与设计要求的混凝土强度之比，不应小于1.5，对于成岩其强度不宜低于80Mpa，变质岩试件不宜低于80Mpa，水成岩不宜低于45Mpa。
压碎指标检验，是将一定质量气干状态下9.5~19.0mm的石子除去针、片状颗粒，装入一定规格的圆筒内，在压力机上按1kN/s速度均匀加荷至200kN，并稳荷5kN/s，卸荷后用孔径为2.36mm的筛筛去被压碎的细粒，称取试样的筛余量，压碎指标可按下式计算：
式中：Qe——压碎指标，%；
　 G1——试样质量，g；
　 G2——试样的筛余量，g。
5.坚固性
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，即认为体积稳定性不良。骨料的体积稳定性，可用硫酸钠溶液浸渍法检验其坚固性来判定。
采用硫酸钠溶液法检验，碎石和卵石经5次循环后，其质量损失应符合下表的规定。
碎石、卵石的坚固性指标表
项　　目 指　　　标 I类 Ⅱ类 Ⅲ类
质量损失﹙＜）/% 5 8 12
6.骨料的含水状态
骨料的含水状态可分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态等四种。
（a）全干状态 （b）气干状态 （c）饱和面干状态 （d）湿润状态
图5.5 骨料的含水状态
6.2.4 拌合用水
混凝土用水，按水源可分为饮用水、地表水、地下水、海水以及经适当处理或处置后的工业废水。符合国家标准的生活用水，可拌制各种混凝土。地表水和地下水常溶有较多的有机质和矿物盐类，首次使用前，应进行检验，合格后方可使用。海水中含有较多的硫酸盐和氯盐，影响混凝土的耐久性和加速混凝土中钢筋的锈蚀，因此，海水可用于拌制素混凝土，但不得用于拌制钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土，不宜采用海水拌制有饰面要求的素混凝土，以免因表面产生盐析而影响装饰效果。工业废水经检验合格后方可用于拌制混凝土。生活污水的水质比较复杂，不能用于拌制混凝土。
6.3 普通水泥混凝土的技术性质
6.3.1 混凝土拌合物的和易性
1.和易性的概念
和易性是指混凝土拌合物易于各工序(搅拌、运输、浇注、捣实)施工操作，并获得质量均匀、成型密实的混凝土性能。
和易性是一项综合的技术指标，包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。
流动性：混凝土拌合物在自重或机械振捣作用下能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。
粘聚性：混凝土各组成材料间具有一定粘聚力，在运输和浇注过程中不致产生分层和离析现象，使混凝土保持整体均匀的性能。
保水性：混凝土拌和物具有一定的保持内部水分的能力，在施工过程中不致产生严重泌水现象。
混凝土拌合物的流动性、粘聚性、保水性之间互相联系又存在矛盾。
所谓拌合物的和易性良好，就是要使这三方面的性能在某种具体条件下，达到均为良好，即使矛盾得到统一。
2、和易性的测定方法
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。根据我国现行标准《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T50080-2002)，用坍落度和维勃稠度测定混凝土拌合物的流动性，并辅以直观经验评定粘聚性和保水性。
（1）坍落度试验
将混凝土拌合物分三层装入标准坍落度筒中，每层插捣25次并装满刮平。垂直向上将筒提起，混凝土拌合物由于自重将会向下坍落。量测筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差（以mm计），即为坍落度。
坍落度越大，表示混凝土拌合物的流动性越大。
在进行坍落度试验的同时，应观察混凝土拌合物的粘聚性、保水性，以便全面地评定混凝土拌合物的和易性。
坍落度筒
坍落度示意图
坍落度
粘聚性的评定方法：用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打，若锥体逐渐下沉,则表示粘聚性良好；如果锥体倒塌，部分崩裂或出现离析现象,则表示粘聚性不好。
保水性的评定方法：坍落度筒提起后，如有较多稀浆从底部析出，锥体部分混凝土拌合物也因失浆而骨料外露，则表明混凝土拌合物保水性能不好；无稀浆或仅有少量稀浆自底部析出，则表示保水性良好。
（2）维勃稠度试验
对坍落度值小于10㎜的干硬性混凝土，采用维勃稠度试验。
在维勃稠度仪上的坍落度筒中按规定方法装满拌合物，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，当水泥浆完全布满透明圆盘底面的瞬间，记下秒表的秒数，称为维勃稠度。
3. 流动性(坍落度)的选择
根据坍落度的不同，可将混凝土拌合物分为低塑性混凝土(坍落度值为10～40 mm)、塑性混凝土(坍落度值为40—90mm)、流动性混凝土(坍落度值为90～150mm)及大流动性混凝土(坍落度值≥150mm)。
选择混凝土拌和物的坍落度，要根据结构类型、构件截面大小、配筋疏密、输送方式和施工捣实方法等因素来确定。当构件截面较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选大些；反之，如构件截面尺寸较大，或钢筋较疏，或采用机械振捣时，坍落度可选择小些。
根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）的规定，混凝土浇筑时的坍落度宜按下表选用。
混凝土浇筑时的坍落度
结 构 种 类 坍落度(mm)
基础或地面等的垫层、无配筋的大体积结构（挡土墙、基础等）或配筋稀疏的结构 10～30
板、梁和大型及中型截面的柱子等 30～50
配筋密列的结构（薄壁、斗仓、筒仓、细柱等） 50～70
配筋特密的结构 70～90
4、影响和易性的主要因素
（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，会使施工困难，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，并严重影响混凝土的强度。
水灰比不能过大或过小，依据混凝土强度和耐久性要求合理地选用。
无论是水泥浆的多少或是水泥浆的稀稠，实际上都反映了用水量是对混凝土拌合物流动性起决定性作用的因素。因为在一定条件下，要使混凝土拌合物获得一定的流动性，所需的单位用水量基本上是一个定值。
单纯加大用水量会降低混凝土的强度和耐久性，因此，对混凝土拌合物流动性的调整，应在保持水灰比不变的条件下，以改变水泥浆量的方法来调整，使其满足施工要求。
（3）砂率
砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。
在混合料中，砂是填充石子间空隙，并以砂浆包裹在石子外表面减少粗骨料颗粒间的摩擦阻力，赋予混凝土拌和物一定的流动性。
砂率过大时，骨料的总表面积及空隙率都会增大，在水泥浆含量不变的情况下，相对地水泥浆显得少了，减弱了水泥浆的润滑作用，导致混凝土拌和物流动性降低。
如果砂率过小，又不能保证粗骨料之间有足够的砂浆层，也会降低混凝土拌和物的流动性，而且会严重影响其粘聚性和保水性，容易造成离析、流浆。
因此，砂率既不能过大，也不能过小，应有一个合理砂率值。
当砂率适宜时，砂不但填满石子间的空隙，而且还能保证粗骨料间有一定厚度的砂浆层以减小粗骨料间的摩擦阻力，使混凝土拌和物有较好的流动性且能保持粘聚性和保水性良好，这个适宜的砂率称为合理砂率。
合理砂率可通过试验、计算、查表等方法确定。
砂率与坍落度的关系 砂率与水泥用量的关系
（水与水泥用量一定） （达到相同的坍落度）
（4）组成材料的品种及性质
水泥品种，集料种类、形状和级配等，都对混凝土拌合物的和易性有一定影响。
水泥的标准稠度用水量大，则拌合物流动性小。如普通水泥的混凝土拌合物比矿渣和火山灰的和易性好。
在相同用水量条件下，集料表面光滑、少棱角、形状较圆的卵石所拌制的拌合物流动性较碎石的大。
（5）外加剂
在拌制混凝土时，加入少量的外加剂能使混凝土拌和物在不增加水泥用量的条件下，获得良好的和易性，不仅流动性显著增加，而且有效地改善混凝土拌和物的粘聚性和保水性。
（6）时间及温度
拌合后的混凝土拌合物，随时间延长而逐渐变得干稠，流动性减小，原因是一部分水供水泥水化，一部分水被骨料吸收，一部分水蒸发以及混凝土凝聚结构的逐渐形成，致使混凝土拌合物的流动性变差。
拌合物的和易性也受温度的影响。因为环境温度的升高，水分蒸发及水化反应加快，坍落度损失也变快。因此施工中为保证一定的和易性，必须注意环境温度的变化，并采取相应的措施。
5、改善和易性的主要措施
（1）改善砂、石(特别是石子)的级配；
（2）尽量采用较粗大韵砂、石；
（3）尽可能降低砂率，通过试验采用合理砂率；
（4）混凝土拌合物坍落度太小时，保持水灰比不变，适当增加水泥浆用量，当坍落度太大，但粘聚性良好时，可保持砂率不变，适当增加砂、石用量；
（5）掺用外加剂。
6.3.2 硬化混凝土的强度
强度是混凝土最重要的力学性质。混凝土的强度包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度及与钢筋的粘结强度等。
混凝土强度与混凝土的其他性能关系密切，通常混凝土的强度越大，其刚度、不透水性、抗风化及耐蚀性也越高，通常用混凝土强度来评定和控制混凝土的质量。
1.混凝土的抗压强度与强度等级立方体抗压强度
按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)，制作150mm×l50mm×l50mm的标准立方体试件，在标准条件（温度20℃±2℃，相对湿度95%以上）下，养护到28d龄期，所测得抗压强度值为混凝土立方体抗压强度，以fcu表示，可按下式计算：
式中：f cu——立方体抗压强度，Mpa；
F——试件破坏荷载，N；
A——试件承压面积，mm2。
按照标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，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，以f cu，k表示。
混凝土强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值(以MPa计)表示。分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75和C80等14个强度等级。
2、混凝土轴心抗压强度
现行国家标准（GB/T50081—2002）规定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，测定其轴心抗压强度。混凝土的轴心抗压强度可按下式计算：
式中：f cp——混凝土的轴心抗压强度，Mpa；
F——试件破坏荷载，N；
A——试件承压面积，mm2。
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10~55Mpa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。
3、混凝土的抗拉强度
现行国家标准（GB/T50081—2002）规定，采用150mm×150mm×150mm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。混凝土的劈裂抗拉强度（ f ts ）可按下式计算：
式中：fts——混凝土的劈裂抗拉强度，Mpa；
F——试件破坏荷载，N；
A——试件承压面积，mm2。
4、混凝土的抗折强度
道路路面或机场跑道用水泥混凝土，以抗折强度为主要强度指标，抗压强度作为参考指标。
根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2002）规定，道路路面用水泥混凝土的抗折强度是以标准方法制备成150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下，经养护28天后，按三分点加荷方式测定其抗折强度（fcf），可按下式计算：
式中：fcf——混凝土的抗弯拉（抗折）强度，Mpa
F ——试件破坏荷载，N；
L ——支座间距，mm；
b ——试件宽度，mm；
h ——试件高度，mm。
当采用100mm×100mm×400mm非标准试件时，取得的抗折强度应乘以换算系数0.85。
5.混凝土与钢筋的粘结强度
目前美国材料试验学会(ASTMC 234)提出了一种较标准的试验方法能准确测定混凝土与钢筋的粘结强度，该试验方法是：混凝土试件边长为150mm的立方体，其中埋入φ19的标准变形钢筋，试验时以不超过34MPa/min的加荷速度对钢筋施加拉力，直到钢筋发生屈服；或混凝土裂开；或加荷端钢筋滑移超过2.5mm。记录出现上述三种情况中任一情况的荷载值——Fp，用下式计算混凝土与钢筋的粘结强度：
式中：fN——粘结强度，MPa；
d——钢筋直径，mm；
l——钢筋埋人混凝土中的长度，mm；
FP——测定的荷载值，N。
6. 影响混凝土强度的因素
普通混凝土受力破坏一般出现在骨料和水泥石的界面上，即常见的粘结面破坏的形式。另外，当水泥石强度较低时，水泥石本身破坏也是常见的破坏形式。
所以，混凝土强度主要取决于水泥石强度和骨料与水泥石间的粘结强度。而水泥石强度和粘结面强度又取决于水泥的实际强度、水灰比及骨料性质，也受施工质量、养护条件及龄期的影响。
（1）水泥实际强度与水灰比
水泥实际强度和水灰比是决定混凝土强度最主要的因素。
水灰比不变时，水泥实际强度越高，则硬化水泥石强度越大，对骨料的胶结力也就越强，配制成的混凝土强度也就愈高。
水泥实际强度相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力愈大，混凝土强度愈高。
但水灰比过小，拌和物过于干稠，在一定的施工振捣条件下，混凝土不能被振捣密实，出现较多的蜂窝、孔洞，反将导致混凝土强度严重下降。
混凝土强度与水灰比及灰水比的关系
（ａ）强度与水灰比的关系；（ｂ）强度与灰水比的关系
混凝土强度经验公式：
根据工程实践经验，可建立混凝土强度与水泥实际强度及灰水比等因素之间的线性经验公式（又称鲍罗米公式）：
式中：fcu——混凝土立方体抗压强度，Mpa；
αa、αb——粗骨料回归系数(根据工程所使用的水泥和粗、细骨料通过试验建立的灰水比与混凝土强度关系式来确定。若无上述试验统计资料，可按《普通混凝土配合比计规程》JGJ55—2011，提供的αa，αb系统取用，对于碎石混凝土αa＝0.53，αb＝0.20；对于卵石混凝土αa＝0.49，αb＝0.13 )；
C/W——灰水比；
fce——水泥28d抗压强度实测值，Mpa。
在无法取得水泥实测强度时，可用下式计算：
式中：fce,g——水泥强度等级值，Mpa；
　 γc——水泥强度等级值的富余系数，该值各地可按水泥品种、产地、等级统计得出。
（2）骨科
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。
由于碎石表面粗糙有棱角，提高了骨料与水泥砂浆之间的机械啮合力和粘结力，所以在坍落度相同的条件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石的强度要高。
骨料的强度影响混凝土的强度，一般骨料强度越高所配制的混凝土强度越高，这在低水灰比和配制高强度混凝土时，特别明显。骨料粒形以三维长度相等或相近的球形或立方体为好，若含有较多扁平颗粒或细长的颗粒，会增加混凝土的孔隙率，扩大混凝土中骨料的表面积，增加混凝土的薄弱环节，导致混凝土强度下降。
（3）养护温度及湿度
混凝土强度是一个渐进发展的过程，其发展的程度和速度取决于水泥的水化状况，而温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因素。
因此，混凝土浇捣成型后，必须在一定时间内保持适当的温度和足够的湿度，以使水泥充分水化，这就是混凝土的养护。
养护温度
养护温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度的发展也快；
在低温下混凝土强度发展迟缓。当温度降至冰点以下时，则由于混凝土中水分大部分结冰，不但水泥停止水化，混凝土强度停止发展，而且由于混凝土孔隙中的水结冰产生体积膨胀（约9％），而对孔壁产生相当大的压应力（可达100MPa），从而使硬化中的混凝土结构遭受破坏，导致混凝土已获得的强度受到损失。
混凝土早期强度低，更容易冻坏。冬季施工时，要特别注意保温养护，以免混凝土早期受冻破坏。
湿度
水泥水化必须在有水的条件下进行，湿度适当，水泥水化反应顺利进行，使混凝土强度得到充分发展，因此，周围环境的湿度对水泥的水化能否正常进行有显著影响。
如果湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，严重降低砼强度，而且使砼结构疏松，形成干缩裂缝，增大了渗水性，从而影响混凝土的耐久性。
施工规范规定：在混凝土浇筑完毕后，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发过快。
在夏季施工混凝土进行自然养护时，使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥时，浇水保湿应不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求时，应不少于14d。
混凝土强度与保湿养护时间的关系
（4）龄期
龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。
在正常养护的条件下，混凝土的强度将随龄期的增长而不断发展，最初7～14天内强度发展较快，以后逐渐变缓，28天达到设计强度。28天后强度仍在发展，其增长过程可延续数十年之久。
普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，其强度的发展，大致与其龄期的对数成正比（龄期不小于3ｄ）：
式中： fn ——n d龄期混凝土的抗压程度，MPa；
f28——28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；
ｎ——养护龄期（ｎ≥3），d。
根据上式，可以由所测混凝土早期强度估算其28d龄期的强度，或者由混凝土的28d强度，推算28d前混凝土达到某一强度需要养护的天数，如确定混凝土拆模、构件起吊、放松预应力钢筋、制品养护、出厂等日期。
但由于影响混凝土强度的因素很多，故按此公式计算的结果只能作为参考。
（5）试验条件对混凝土强度的影响
①试件尺寸
相同配合比的混凝土，试件的尺寸越小，测得的强度越高，反之亦然。
试件尺寸影响的主要原因是：试件尺寸大时，内部孔隙、缺陷等出现的机率也越大，导致有效受力面积的减小及应力集中，从而引起强度的降低。
我国标准规定采用150mm×150mm×150mm的立方体试件作为标准试件，当采用非标准的其它尺寸试件时，所测得的抗压强度应乘以下表的换算系数。　
混凝土试件不同尺寸的强度换算系数表
骨料最大粒径（mm） 试件尺寸（mm） 换算系数
30 100×100×100 0.95
40 150×150×150 1.0
60 200×200×200 1.05
②试件的形状 ?
当试件受压面积(a×a)相同，高度(h)不同时，高宽比(h/a)越大，抗压强度越小。
原因：
环箍效应——这是由于试件受压时，试件受压面与试件承压板之间的摩擦力，对试件相对于承压板的横向膨胀起着约束作用，该约束有利于强度的提高。愈接近试件的端面，这种约束作用就愈大，在距端面大约 的范围以外，约束作才消失。试件破坏后，其上下部分各呈现一个较完整的棱柱体，这就是这种约束作用的结果。通常称这种作用为环箍效应。　
混凝土受压试验
混凝土试件受压的环箍效应
③表面状态
试件表面有、无润滑剂，其对应的破坏形式不一，所测强度值大小不同。
当试件受压面上有油脂类润滑剂时，试件受压时的环箍效应大大减小，试件将出现直裂破坏，测出的强度值也较低。
④加荷速度
加荷速度较快时，材料变形的增长落后于荷载的增加，所测强度值偏高。当加荷速度超过1.0Mpa/s时，这种趋势更加显著。
我国标准规定混凝土抗压强度的加荷速度为0.3～0.8MPa/s，且应连续均匀地加荷。
6.3.3 混凝土的变形性能
混凝土在硬化和使用过程中，由于受物理、化学及力学等因素的影响，常会发生各种变形，这些变形是导致混凝土产生裂缝的主要原因之一，从而影响混凝土的强度及耐久性。
1．化学收缩
混凝土在硬化过程中，由于水泥水化生成物的固相体积，小于水化前反应物的总体积，从而致使混凝土产生体积收缩，此称化学减缩。
混凝土的化学收缩是不能恢复的，其收缩量随混凝土硬化龄期的延长而增加，一般在40 d内渐趋稳定。泥凝土的化学收缩值很小(小于1％)，对混凝上结构物没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细裂缝。
2．干湿变形
混凝土因周围环境的湿度变化，会产生干缩湿胀变形，这种变形是由于混凝土中水分的变化所致。混凝土中的水分自由水(即孔隙水)、毛细管水及凝胶粒子表面的吸附水等三种。当后两种水发生变化时，混凝土就会产生干湿变形。
当混凝土在水中硬化时，由于凝胶体中胶体粒子表面的吸附水膜增厚，胶体粒子间距离增大，这时混凝土会产生微小的膨胀，这种湿胀对混凝土无危害影响。
当混凝土在空气中硬化时，首先失去自由水，继续干燥时则毛细管水蒸发，这时将使毛细孔中负压增大而产生收缩力。再继续受干燥则吸附水蒸发，从而引起胶体失水而紧缩。以上这些作用的结果就致使混凝土产生干缩变形。
干缩后的混凝土若再吸水变湿时，具干缩变形大部分可恢复。混凝土的干缩变形对混凝土危害较大，它可使混凝土表面产生较大的拉应力而引起许多裂纹，从而降低混凝土的抗渗、抗冻、执侵蚀等耐久性能。
影响混凝土干缩变形的主要因素：
(1)水泥的用量、细度及品种的影响
(2)水灰比的影响
(3)骨料质量的影响
(4)混凝土施工质量的影响
3．温度变形
混凝土和其他材料一样．也会随着温度的变化而产生热胀冷缩变形。
混凝土的温度膨胀系数为(0.6~1.3)×10-5/℃之间，一般取1.0×10-5/℃，即温度每改变1℃，1m长的混凝土将产生0.01mm的膨胀或收缩变形。混凝土的温度变形对大体积混凝土(指最小边尺寸在1 m以上的混凝土结构)、纵长的混凝土结构及大面积混凝土工程等极为不利，易使这些混凝土造成温度裂缝。
混凝土是热的不良导体，传热很慢，因此在大体积混凝土硬化初期，由于内部水泥水化放热而积聚较多热量，造成混凝土内外温差很大，从而导致混凝土内部热胀大大超过混凝土表面的膨胀变形，使混凝土表面产生较大拉应力而遭开裂破坏。为此，大体积混凝土施工常采用低热水泥，并掺加缓凝剂及采取人工降温等措施。
对纵长的混凝土结构和大面积混凝土工程，为防止其受大气温度影响而产生开裂，常采取每隔一段距离设置一道伸缩缝，以及在结构中设置温度钢筋等措施。
4．在荷载作用下的变形
（1）混凝土在短期荷载作用下的变形
混凝土是一种多相复合材料，它是一种弹塑性体，其应力与应变的关系不是直线，而是曲线。
混凝土在压力作用下的应力-应变曲线
在应力—应变曲线上任一点的应力σ与其应变ε的比值，称作混凝土在该应力下的弹性模量。它反应混凝土所受应力与所产生应变之间的关系。
影响混凝土弹性模量的因素：
①混凝土的强度。混凝土的强度越高，弹性模量越大；
②骨料的含量。骨料的含量越多，弹性模量越大，混凝土的弹性模量越高；
③混凝土的水灰比较小，养护较好及龄期较长时，混凝土的弹性模量就较大。
（2）混凝土在长期荷载作用下的变形
在长期荷载作用下，随时间而增长的变形称为徐变。
　
混凝土的应变与持荷时间的关系
混凝土产生徐变的原因，一般认为是由于在长期荷载作用下，水泥石中的凝胶体产生粘性流功，向毛细管内迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细管迁移渗透所致。
混凝土的徐变对结构物的影响有有利方面，也有不利方面。有利的是徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力产生重分配，从而使结构物中局部集中应力得到缓和。对大体积混凝土则能消除一部分内于温度变形所产生的破坏应力。不利的是使预应力钢筋混凝土的预应力值受到损失。
5.3.4 混凝土的耐久性
混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构安全、正常使用的能力称为耐久性。
混凝土耐久性主要包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗碳化、抗碱—集料反应及混凝土中的钢筋耐锈蚀等性能。
1、混凝土的抗渗性
混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗有压介质（水、油、溶液等）渗透作用的能力。
抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因素，若混凝土的抗渗性差，不仅周围水等液体物质易渗入内部，而当遇有负温或环境水中含有侵蚀性介质时，混凝土就易遭受冰冻或侵蚀作用而破坏，对钢筋混凝土还将引起其内部钢筋锈蚀并导致表面混凝土保护层开裂与剥落。
因此，对地下建筑、水坝、水池、港工、海工等工程，必须要求混凝土具有一定的抗渗性。
混凝土的抗渗性用抗渗等级表示。
抗渗等级是以28d龄期的标准试件，在标准试验方法下所能承受的最大静水压来确定。抗渗等级有P4、P6、P8、P10、P12等五个等级，表示能抵抗0.4 MPa，0.6MPa，0.8MPa，1.0MPa，1.2MPa的静水压力而不渗透。
混凝土渗水的主要原因是由于内部的空隙形成连通的渗水通道。这些孔道除产生于施工振捣不密实外，主要来源于水泥浆中多余水分的蒸发而留下的气孔、水泥浆泌水所形成的毛细孔及粗骨料下部界面水富集形成的孔穴。
渗水通道的多少，主要与水灰比大小有关，随着水灰比的增大，抗渗性逐渐变差，当水灰比大于0.6时，抗渗性急剧下降。
提高混凝土抗渗性的主要措施是提高混凝土的密实度和改善混凝土中的孔隙结构；减少连通孔隙，这些可通过采用低的水灰比、选择好的骨料级配、充分振捣和养护、掺入引气剂等方法来实现。
2.混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时也不严重降低其所具有的性能的能力。
在寒冷地区，特别是接触水又受冻环境条件下，混凝土要求具有较高的抗冻性。
混凝土的抗冻性用抗冻等级来表示。
抗冻等级是以28d龄期的混凝土标准试件，在饱和水状态下承受反复冻融循环，以抗压强度损失不超过25％，且质量损失不超过5％时所能承受的最大循环次数来确定。混凝土的抗冻等级有F10，F15，F25，F50，F100，F150，F200，F250和F300等九个等级，分别表示混凝土能承受冻融循环的最大次数不小于10，15，25，50，100，150，200，250和300次。
混凝土的密实度、孔隙率、孔隙构造和孔隙的充水程度是影响抗冻性的主要因素。
低水灰比、密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土(如引气混凝土)抗冻性较高。掺入引气剂、减水剂和防冻剂可有效提高混凝土的抗冻性。
3.混凝土的抗侵蚀性
当混凝土所处环境中含有侵蚀性介质时，混凝土便会遭受侵蚀。通常有软水侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀、碳酸侵蚀、一般酸侵蚀与强碱侵蚀等。
混凝土的抗侵蚀性与所用水泥品种、混凝土的密实程度和孔隙特征等有关，密实和孔隙封闭的混凝土，环境水不易侵入，抗侵蚀性较强。
提高混凝土抗侵蚀性的主要措施是合理选择水泥品种、降低水灰比、提高混凝土密实度和改善孔隙结构。
4.混凝土的碳化
混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中的Ca(OH)2与空气中的CO2，在湿度适宜时发生化学反应，生成CaC03和水，也称中性化。
混凝土的碳化是CO2由表及里逐渐向混凝土内部扩散的过程。碳化引起起水泥石化学组成及组织结构的变化，对混凝土碱度、强度和收缩产生影响。
碳化对混凝土性能既有有利的影响，也有不利的影响。
其不利影响首先是碱度降低减弱了对钢筋的保护作用。另外，碳化作用会增加混凝土的收缩，引起混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。
碳化作用对混凝土也有一些有利影响，即碳化作用产生的碳酸钙填充了水泥石的孔隙，以及碳化时放出的水分有助于未水化水泥的水化，从而可提高混凝土碳化层的密实度，对提高抗压强度有利。
5.混凝土的碱—骨料反应
碱—骨料反应是指水泥、外加剂等混凝土构成物及环境中的碱与骨料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。
混凝土发生碱—集料反应必须具备三个条件：
水泥中碱含量高。以等当量Na2O计，即（Na2O＋0.658K2O）％大于0.6％。
砂、石骨料中含有活性二氧化硅成分。
有水存在。在无水情况下，混凝土不可能发生碱—骨料反应。
抑制碱—骨料反应的措施：
使用含碱量小于0.6％ 的水泥；
掺用活性混合材（掺合料）
增加混凝土密实度，减小水份的渗透。
6、提高混凝土耐久性的措施
（1）合理选择水泥品种。
（2）选用质量良好，技术条件合格的砂石骨料。
（3）控制水灰比及保证足够的水泥用量，是保证混凝土密实度的重要措施，是提高混凝土耐久性的关键。
（4）掺入减水剂或引气剂，改善混凝土的孔结构，对提高混凝土的抗渗性和抗冻性有良好作用。
（5）改善施工操作，保证施工质量。
6.4 混凝土外加剂与掺合料
6.4.1 混凝土外加剂
1. 混凝土外加剂的定义和分类
（1）混凝土外加剂的定义
混凝土外加剂是指在混凝土拌合前或拌合时掺入的用以改善混凝土性能的物质。掺量一般不超过水泥质量的5％。
混凝土外加剂的使用是混凝土技术的重大突破 ，外加剂已逐渐成为混凝土中必不可少的第五种组分。
（2）混凝土外加剂的分类　
根据国标《混凝土外加剂定义、分类、命名与术语》(GB/T 8075—2005)的规定，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动性能的外加剂，包括各种减水剂和泵送剂等。
②调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、促凝剂和速凝剂等。
③改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂、阻锈剂和矿物外加剂等。
④改善混凝土其他性能的外加剂，包括膨胀剂、防冻剂、着色剂等。
目前在工程中常用的外加剂主要有减水剂、引气剂、早强剂、缓凝剂、防冻剂等。
2.减水剂
减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下，能显著减少混凝土拌和水量的外加剂。
（1）减水剂的作用原理
常用减水剂均属表面活性剂，是由亲水基团和憎水基团两个部分组成。当水泥加水拌和后，由于水泥颗粒间分子凝聚力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，包裹了一定的拌和水（游离水），从而降低了混凝土拌和物的和易性。
图5.17 水泥浆的絮凝结构
如在水泥浆中加入适量的减水剂，由于减水剂的表面活性作用，致使憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团指向水溶液，使水泥颗粒表面带有相同的电荷。在电斥力作用下，使水泥颗粒互相分开，絮凝结构解体，包裹的游离水被释放出来，从而有效地增加了混凝土拌和物的流动性。
图5.18 减水剂作用示意图
当水泥颗粒表面吸附足够的减水剂后，使水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化膜层，它阻止了水泥颗粒间的直接接触，并在颗粒间起润滑作用，也改善了混凝土拌和物的和易性。
此外，由于水泥颗粒被有效分散，颗粒表面被水分充分润湿，增大了水泥颗粒的水化面积，使水化比较充分，从而也提高了混凝土的强度。
（2）减水剂的技术经济效果
①增加流动性：在用水量及水灰比不变时，混凝土坍落度可增大100~200mm，且不影响混凝土的强度。
②提高混凝土强度：在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可减少拌和水量10％~15％，从而降低了水灰比，使混凝土强度提高15％~20％，特别是早期强度提高更为显著。
③节约水泥：在保持流动性及水灰比不变的条件下，可以在减少拌和水量的同时，相应减少水泥用量，即在保持混凝土强度不变时，可节约水泥用量10％~15％。
④改善混凝土的耐久性：由于减水剂的掺入，显著地改善了混凝土的孔结构，使混凝土的密实度提高，透水性可降低40％~80％，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及抗锈蚀等能力。
（3）目前常用的减水剂
减水剂是使用最广泛、效果最显著的外加剂。其种类很多，目前有木质系、萘系、树脂系、糖蜜系和腐殖酸减水剂等。
我国目前常用的主要有木质素系和萘系减水剂和水溶性树脂系减水剂等，如M型减水剂、NNO型、MF型、建I型减水剂以及SM树脂减水剂等。
3.早强剂
早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂可促进水泥的水化和硬化进程，加快施工进度，提高模板周转率，特别适用于冬季施工或紧急抢修工程。
目前广泛使用的混凝土早强剂有三类，即氯盐类(如CaCl2，NaCl等)、硫酸盐类(如NaS04等)和有机胺类，但更多的是使用以它们为基材的复合早强剂。其中氯化物对钢筋有锈蚀作用，常与阻锈剂(NaNO2)复合使用。
4.引气剂
引气剂是指搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。
引气剂属憎水性表面活性剂，由于能显著降低水的表面张力和界面能，使水溶液在搅拌过程中极易产生许多微小的封闭气泡，气泡直径多在50～250 gm，同时因引气剂定向吸附在气泡表面，形成较为牢固的液膜，使气泡稳定而不破裂。
按混凝土含气量3％～5％计(不加引气剂的混凝土含气量为1％)，1m3混凝土拌合物中含数百亿个气泡。
引气剂能改善混凝土的以下性能：
(1)改善混凝土拌合物的和易性
(2)显著提高混凝土的抗渗性、抗冻性
(3)降低混凝土强度
引气剂可用于抗渗混凝土、抗冻混凝土、抗硫酸侵蚀混凝土、泌水严重的混凝土、轻混凝土以及对饰面有要求的混凝土等，但引气剂不宜用于蒸养混凝土及预应力钢筋混凝土。
5.缓凝剂
缓凝剂是指能延缓混凝土凝结时间，并对混凝土后期强度发展无不利影响的外加剂。常用的缓凝剂是木钙和糖蜜，其中糖蜜的缓凝效果最好。
缓凝剂具有缓凝、减水、降低水化热和增强作用，对钢筋也无锈蚀作用。主要适用于大体积混凝土、炎热气候下施工的混凝土，以及需长时间停放或长距离运输的混凝土。缓凝剂不宜用于在日最低气温5℃以下施工的混凝土，也不宜单独用于有早强要求的混凝土及蒸养混凝土。
6.防冻剂
防冻剂是指在规定温度下，能显著降低混凝土的冰点，使混凝土液相不冻结或仅部分冻结，以保证水泥的水化作用，并在一定的时间内获得预期强度的外加剂。常用的防冻剂有氯盐类、氯盐阻锈类、无氯盐类。
7.速凝剂
速凝剂是指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。速凝剂主要有无机盐类和有机物类两类。我国常用的速凝剂是无机盐类，主要型号有红星Ⅰ型、7Ⅱ、728型、8604型等。
8.膨胀剂
膨胀剂能使混凝土在硬化过程中产生微量体积膨胀。膨胀剂种类有硫铝酸盐类、氧化钙类等。
9.外加剂的选择和使用
外加剂品种的选择——根据工程需要，现场的材料条件，参考有关资料，通过试验确定。
外加剂掺量确定——通过试验试配确定最佳掺量。
外加剂的掺加方法：对于可溶于水，应先配成一定浓度的溶液，随水加入搅拌机。对于不溶于水的，应与适量水泥或砂混合均匀后再加入搅拌机内。
外加剂的掺入时间——有同掺法、后掺法、分次掺入等。
6.4.2 混凝土掺合料
混凝土掺合料不同于生产水泥时与熟料一起磨细的混合材料，它是在混凝土(或砂浆)搅拌前或在搅拌过程中，与混凝土(或砂浆)其他组分一样，直接加入的一种外掺料。
用于混凝土的掺合料绝大多数是具有一定活性的固体工业废渣。掺合料不仅可以取代部分水泥、减少混凝土的水泥用量、降低成本，而且可以改善混凝土拌合物和硬化混凝土的各项性能。因此，混凝土中掺用掺合料，其技术、经济和环境效益是十分显著的。
1．粉煤灰
（1）粉煤灰的种类及技术要求
拌制混凝土和砂浆用的粉煤灰分为F类粉煤灰和C类粉煤灰两类。F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤燃烧收集的，其CaO含量不大于10％或游离CaO含量不大于1％；C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤燃烧收集的，其CaO含量大于10％或游离CaO含量大于1％，又称高钙粉煤灰。
F类和C类粉煤灰又根据其技术要求分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级三个等级。
(2)粉煤灰效应及其对混凝土性质的影响
①活性效应。粉煤从中所含的SiO2和Al2O3具有化学活性，它们能与水泥水化产生的Ca(OH)2反应，生成类似水泥水化产物中的水化硅酸钙和水化铝酸钙，可作为胶凝材料一部分而起增强作用。
②颗粒形态效应。煤粉在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠，掺入混凝土中可减小内摩阻力，从而减少混凝土的用水量，起减水作用。
③微骨料效应。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构和增大密实度。
(3)混凝土掺用粉煤灰的规定及方法
混凝土工程掺用粉煤灰时，应按《粉煤灰混凝土应用技术规范的规定，对于不同的混凝土工程，选用相应等级的粉煤灰 。
混凝土中掺用粉煤灰，一般有以下三种方法：
①等量取代法
②超量取代法
③外加法
2．粒化高护矿渣粉
用作混凝土掺合料的粒化高炉矿渣粉．是由粒化高炉矿渣经干燥、粉磨达到相当细度的一种粉体。粉磨时也可添加适量酌石膏和助磨剂。粒化高炉矿渣粉简称矿渣粉，又称矿渣微粉。
3．硅灰
硅灰又称凝聚硅灰或硅粉，为电弧炉冶炼硅金属或硅铁合金的副产品。在温度高达2000℃下．将石英还原成硅时，会产生Si气体，到低温区再氧化成SiO2，最后冷凝成极微细的球状颗粒固体。
6.5 普通水泥混凝土配合比设计
6.5.1 混凝土配合比表示方法
（1）单位用量表示法
以每1 m3混凝土中各种材料的质量表示：
水泥：水：砂：石子=300 kg：180 kg：720 kg：1200 kg
（2）相对用量表示法
以各种材料的质量比来表示（以水泥质量为1）
水泥：水：砂：石子＝1：0.6：2.4：4
6.5.2 混凝土配合比设计的基本要求
①达到混凝土结构设计的强度等级；
②满足混凝土施工所要求的和易性；
③满足工程所处环境和使用条件对混凝土耐久性的要求；
④符合经济原则，节约水泥，降低成本。
6.5.3 混凝土配合比设计的三参数
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，它们与混凝土各项性质之间有着非常密切的关系。
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，根据祖骨料的种类和规格确定混凝土的单位用水量；砂在骨科中的数量应以填充石于空隙后赂有富余的原则来确定。
6.5.4 混凝土配合比设计的准备资料
(1)了解工程设计要求的混凝土强度等级，以便确定混凝土配制强度；
(2)了解工程所处环境对混凝土耐久性的要求，以便确定所配制混凝土的适宜水泥品种、最大水灰比和最小水泥用量；
(3)了解结构断面尺寸及钢筋配置情况，以便确定混凝土骨料的最大粒径；
(4)了解混凝土施工方法及管理水平，以便选择混凝土拌和物坍落度及骨料的最大粒径；
(5)掌握原材料的性能指标。
6.5.5 混凝土配合比设计的步骤
（1）计算初步配合比；
（2）试拌调整，确定基准配合比；
（3）检验强度，提出实验室配合比；
（4）按现场砂、石含水情况，换算施工配合比
6.5.6 混凝土配合比设计方法（以抗压强度为指标的设计方法）
1.确定混凝土配制强度
混凝土配制强度按下式计算：
式中：fcu,0——混凝土配制强度（MPa）
fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）
σ——混凝土强度标准差（MPa）。
σ的确定：
（1）施工单位有强度历史资料时，按课本公式5-22计算。
当混凝土强度为C20或C25时，若计算值小于2.5MPa时， σ取2.5MPa；
当强度等级大于C30时，若计算值小于3.0MPa，σ取3.0MPa。
（2）施工单位无强度历史资料时，按下表取用。
标准差σ值
强度等级 (M pa) 低于C20 C25~C45 C50~C55
标准差σ (M pa) 4.0 5.0 6.0
2.初步确定水灰比（W/C）
根据已确定的混凝土配制强度fcu,o，按下式计算水灰比：
为了满足耐久性要求，计算所得混凝土水灰比值应与课本表6-19中的规定值进行复核。如果计算所得水灰比大于表中的规定值，应按表中规定取值。
3.选取每立方米混凝土的用水量（mwo）
设计混凝土配合比时，应该力求采用最小单位用水量，应按骨料品种、粒径、施工要求的流动性指标(如：坍落度)等，根据本地区或本单位的经验数据选用。用水量也可参考课本表6-26选取。
1m3混凝土拌合物的用水量，一般应根据选定的坍落度，参考课本表6-26选用。
对流动性和大流动性混凝土的用水量的确定，按
下列步骤进行：
1、以上表中坍落度为90mm的用水量为基础，按坍落度每增加20mm用水量增加5kg计算；
2、掺外加剂时的混凝土用水量mwα：
mwα＝ mwo(1-β)
式中： mwo ——未掺外加剂时混凝土的用水量
β——外加剂的减水率，％
4.计算每立方米混凝土的水泥用量(mco )
根据已确定的用水量、水灰比计算水泥用量，即
式中：mco ——水泥用量，kg/m3；
　 mwo ——用水量，kg/m3。
为保证混凝土耐久性，应进行复核，由上式计算所得的水泥用量若小于课本表6-20规定的最小水泥量时，应按表中规定的最小水泥用量选取。
5.选取合理砂率
应当根据混凝土拌合物的和易性，通过试验求出合理砂率。如无试验资料，可按集料品种、粒径及混凝土的水灰比，按课本表6-27规定的范围选用。
6、计算砂、石用量 （mgo、mso）
（1）体积法(又称绝对体积法)
这种方法是假设混凝土拌合物的体积等于各组成材料绝对体积和混凝土拌合物中所含空气体积之总和。
式中：ρc──水泥密度,可取2900～3100 （kg/m3）
ρg──粗骨料的表观密度（ kg/m3 ）；
ρs ──细骨料的表观密度（ kg/m3 ）；
ρw──水的密度,可取1000 （ kg/m3 ）；
α——混凝土的含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，可取为1。
联立两式，即可求出m go、m so。
（2）质量法
这种方法先假定一个混凝土拌和物湿表观密度值(又称湿表观密度计算值)，根据各材料之间的质量关系，计算各材料的用量。
式中：mco──每立方米混凝土的水泥用量（kg）
mgo──每立方米混凝土的粗骨料用量（kg
mso──每立方米混凝土的细骨料用量（kg）
βs──砂率（％）
mcp──1m3混凝土拌和物的假定质量，其值可取2350～2450kg。
联立两式，即可求出m go 、m so。
7.初步配合比
经上述计算，即可取得初步配合比，即1m3混凝土各组成材料用量mco、mso,mgo、mwo，也可求出以水泥用量为1的各材料的比值。
以上混凝土配合比计算公式和表格，均以干燥状态集料（指含水率小于0.5%的细集料或含水率小于0.2%的粗集料）为基准。当以饱和面干集料为基准进行计算时，则应做相应的修正。
8.试配与调整
（1）试配拌和物的用量
以上求出的初步配合比的各材料用量，是借助于经验公式、图表算出或查得，能否满足设计要求，还需要通过试验及试配调整来完成。
（2）和易性检验与调整
当试拌出的拌和物坍落度或维勃稠度不能满足要求，或粘聚性和保水性不良时，应在保持水灰比不变的条件下相应调整用水量或砂率，直到符合要求为止。
（3）强度复核
混凝土配合比除和易性满足要求外，还要进行强度复核。为了满足混凝土强度等级及耐久性要求，应进行水灰比调整。
复核检验混凝土强度时至少应采用三个不同水灰比的配合比，其中一个为基准配合比，另两个配合比是以基准配合比的水灰比为准，在此基础上水灰比分别增加和减少0.05，其用水量应与基准配合比相同，但砂率值可增加和减少1％。经试验、调整后的拌合物均应满足和易性要求，并测出各自的“湿表观密度实测值”，以供最后修正材料用。
9.确定设计配合比(又称试验室配合比)
按强度和湿表观密度检验结果再修正配合比，即可得设计配合比。
（1）按强度检验结果修正配合比
用水量m′wa，取基准配合比中的用水量值，并根据制作强度试块时测得坍落度值加以适当调整；
水泥用量m′ca取用水量乘以由强度一灰水比关系直线上定出的为达到试配强度(fcu,o)所必须的灰水比值；
砂石用量m′sa,m′ga，取基准配合比中的砂石用量。
（2）按拌合物实测湿表观密度值修正配合比
混凝土拌合物湿表观密度实测值与混凝土拌合物计算湿表观密度值的比，为湿表观密度校正系数δ值
将混凝土配合比中每项材料用量均乘以修正系数δ，即得到最终确定的设计配合比。
10.换算施工配合比
实验室配合比是以干燥材料为基准的，而工地存放的砂、石的水分随着气候的变化。所以现场材料的实际称量应按工地砂、石的含水情况进行修正，修正后的配合比，叫做施工配合比。
现假定工地存放砂的含水率为a（%），石子的含水率为b（％），则将设计配合比换算为施工配合比，其材料称量为：
6.6 普通水泥混凝土的质量控制
6.6.1 混凝土质量的波动
混凝土质量是影响混凝土结构可靠性的一个重要因素。混凝土质量受多种因素的影响，质量是不均匀的。即使是同一种混凝土，它也受原材料质量的波动、施工配料的误差限制条件和气温变化等等的影响。在正常施工条件下，这些影响因素都是随机的。因此，混凝土的质量也是随机的。为保证混凝土结构的可靠性，必须在施工过程的各个工序对原材料、混凝土拌合物及硬化后的混凝土进行必要的质量检验和控制。
6.6.2 新拌混凝土的质量检验与控制
用于材料的计量装置应定期检验，使其保持准确，原材料计量按质量计的允许偏差不能超过下列规定：
(1)水泥、水 ±2％
(2)粗细骨料 ±3％
混凝土在搅拌、运输和浇筑过程中应按下列规定检查：
(1)检查混凝土组成材料的质量和用量，每一工作班至少两次
(2)检查混凝土在拌制地点及浇筑地点的稠度，每一工作班至少两次。评定时应以浇筑地点的检测值为准。
在预制混凝土构件厂(场)，如混凝土拌和物从搅拌机出料起至浇筑人模时间不超过15 min时，其稠度可仅在搅拌点取样检测。
在检测坍落度时，还应观察拌和物的粘聚性和保水性。
(3)混凝土的搅拌时间应随时检查。混凝土搅拌的最短时间应符合课本表6-30的规定。
(4)混凝土从搅拌机中卸出到浇筑完毕的持续时间不宜超过课本表6-31的规定。
6.6.3 混凝土强度的检验与评价方法
1.检验
对硬化后的质量检验，主要是检验混凝土的抗压强度。因为混凝土质量波动直接反映在强度上，通过对混凝土强度的管理就能控制住整个混凝土工程质量。对混凝土的强度检验是按规定的时间与数量在搅拌地点或浇筑地点抽取有代表性的试样，按标准方法制作试件、标准养护至规定的龄期后，进行强度试验(必要时也需进行其他力学性能及抗渗、抗冻试验)，以评定混凝土质量。对已建成的混凝土，也可采用非破损试验方法进行检查。
2．评价
在正常生产控制的条件下， 用数理统计方法，求出混凝土强度的算术平均值、标准差和混凝土强度保证率等指标，用以综合评定混凝土强度。
（1）混凝土强度平均值、标准差、保证率
①强度平均值
式中： n──试件组数；
fcu,i──第i组试验值。
②混凝土强度标准差
③保证率
在统计周期内混凝土强度大于或等于要求强度等级值的百分率按下式计算：
式中：No──统计周期内同批混凝土试件强度大于或等于
规定强度等级值的组数；
N──统计周期内同批混凝土试件总组数，N≥25。
（2）用统计方法评定
①标准差已知方案
当混凝土的生产条件在较长时间内能保持一致，且同一品种混凝土的强度变异性能保持稳定时，每批的强度标准差σ可按常数考虑。
强度评定应由连续的三组试件组成一个验收批，其强度应同时满足：
fcu≥fcu,k+0.7σ
fcu,min≥fcu,k－0.7σ
当混凝土强度等级不高于C20时，其强度的最小值尚应满足下式要求：
fcu,min≥0.85fcu,k
当混凝土强度等级高于C20时，其强度的最小值尚应满足下式要求：
fcu,min≥0.90fcu,k
式中：fcu——同一验收批混凝土强度的平均值，Mpa
fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值， Mpa
fcu,min——同一验收批混凝土强度的最小值，Mpa
σ ——验收批混凝土强度的标准差， Mpa
验收批混凝土强度的标准差，应根据前一个检验期内同一品种混凝土试件的强度，按下式计算：
式中：△fcu,i——前一检验期第i批试件强度最大与最小值之
差；
m ——前一检验期内验收的总批数(m ≮15)
②当混凝土的生产条件在较长时间内不能保持一致，且混凝土强度变异性不能保持稳定时，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，其强度应满足下列要求：
fcu－λ1Sfcu≥0.9fcu,k
fcu,min≥ λ2fcu,k
式中：Sfcu—同一验收批混凝土立方体抗压强度标准差
λ1 、λ2 —合格判定系数
混凝土强度的合格判定系数
试件组数 10～14 15～19 ≥20
λ1 1.15 1.05 0.95
λ2 0.90 0.85 0.85
验收批混凝土强度的标准差Sfcu ：
式中：fcu,i ——验收批第i组试件的强度值，Mpa ；
n——验收批混凝土试件的总组数。
（3）非统计方法评定
按非统计方法评定混凝土强度，其强度同时满足下列要求时，该验收批混凝土强度为合格：
fcu≥1.15fcu,k
fcu,min≥ 0.95fcu,k
此方法规定一定验收批的试件组数为2—9组。当一个验收批的混凝土试件仅有一组时，则该组试件强度值应不低于强度标准值的15％。
6.7 其他功能混凝土
6.7.1 高性能混凝土
6.7.2 轻集料混凝土
6.7.3 纤维混凝土
6.7.4 泵送混凝土
6.7.5 碾压混凝土
6.7.6 耐热混凝土
6.7.7 喷射混凝土
6.7.8 防辐射混凝土
6.7.9 防水混凝土
6.7.10 绿化混凝土
6.7.11 智能混凝土
6.8 建筑砂浆
建筑砂浆是由胶凝材料、细骨料、掺合料、外加剂和水按适当比例配合、拌制并经硬化而成的材料。它与混凝土的主要区别是在组成材料中没有粗骨料。因此，建筑砂浆也称为细骨料混凝土。
建筑砂浆根据用途不同,分为砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂浆及特种砂浆。
根据胶凝材料的不同，又可分为水泥砂浆、石灰砂浆和混合砂浆等。
6.8.1 砌筑砂浆
能将砖、石、砌块等粘结成为整个砌体的砂浆称为砌筑砂浆。
其作用主要是把块状材料胶结成为一个坚固的整体，从而提高砌体的强度、稳定性，并使上层块状材料所受的荷载能均匀地传递到下层。同时，砌筑砂浆填充块状材料之间的缝隙，提高建筑物保温、隔音、防潮等性能。
1 砌筑砂浆的组成材料
1）胶凝材料
　　砂浆的胶凝材料主要是指水泥，常用的水泥品种有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥及聚合物等。
在设计和配制建筑砂浆时，应根据工程所处的环境条件，选用合适的水泥品种。水泥的强度等级应根据砂浆的强度等级进行选择。对于有特殊用途的砂浆，可选用特种水泥和聚合物。
2）细骨料
砂是建筑砂浆中最常用的细骨料，应符合混凝土用砂的技术要求。此外，由于砂浆层较薄，对砂子的最大粒径应有限制。为保证建筑砂浆的质量，应选用质地坚硬、洁净的砂，尤其对砂中泥土杂质的含量应严格控制。
3）水
拌制建筑砂浆的水，应采用不含有害杂质的洁净水，一般与混凝土用水要求相同。
4）掺和料
为了改善砂浆的和易性和节约水泥用量，可在拌制的砂浆中加入一些无机的细颗粒掺和料，如石灰膏、粘土膏、粉煤灰等。石灰膏要经过一定时间的陈伏，粉煤灰经磨细后使用效果更好。
5）外加剂
外加剂是指在拌制砂浆的过程中掺入，用以改善砂浆性能的物质。为使砂浆具有良好的和易性和其他施工性能，可在砂浆中掺入外加剂（如引气剂、减水剂、早强剂、缓凝剂、防冻剂等），外加剂的品种和掺量及物理力学性能等都应通过试验确定。
2 砌筑砂浆的技术性质
1）新拌砂浆的和易性
新拌砂浆和易性是指砂浆易于施工并能保证其质量的综合性能。包括流动性和保水性两方面内容。
(1) 流动性?
　　砂浆流动性(又称稠度)，即表示砂浆在自重或外力作用下的流动性能。流动性的大小用“沉入度”表示，用砂浆稠度测定仪测定。适宜的流动性可参考下表选用。
　砌筑砂浆的稠度
砌体种类 砂浆稠度(mm)
烧结普通砖砌体 70~90
轻骨料混凝土小型空心砌块砌体 60~90
烧结多孔砖，空心砖砌体 60~80
烧结普通砖平拱式过梁 空斗墙，筒拱 普通混凝土小型空心砌块砌体 加气混凝土砌块砌体 50~70
石砌体 30~50
(2) 保水性?
　　新拌砂浆保持其内部水分不泌出流失的能力，称为保水性。砂浆的保水性以“分层度”表示，用砂浆分层度测定仪测定。
分层度大，表示砂浆的保水性不好，泌水离析现象严重，即在运输、存放时，砂浆混合物容易分层而不均匀，上层变稀，下层变得干稠；分层度太小，砂浆易出现干缩裂纹。
2）砂浆的强度
砂浆硬化后应具有足够的强度，强度的大小用强度等级表示，抗压强度是划分砂浆强度等级的主要依据。
砂浆的强度等级是以边长为70.7mm×70.7mm　×70.7mm的3个立方体试块，按规定方法成型养护至28d测定的抗压强度平均值(MPa)确定的。
　 砂浆强度等级有M20、M15、M10、M7.5、M5、M2.5。
影响砂浆强度因素比较多，除了与砂浆的组成材料、配合比和施工工艺等因素外，还与基面材料的吸水率有关。
（1）不吸水基层材料
用于不吸水基层（如密实石材）的砂浆强度，与普通混凝土基本相似，主要取决于水泥的强度和水灰比。
（2）吸水基体材料
用于吸水基体材料（如砖和其他多孔材料）时，砂浆的强度主要取决于水泥强度等级和水泥用量，而与水灰比无关。当原材料质量一定时，砂浆的强度主要取决于水泥的强度等级与水泥用量。
3）砂浆的粘结力
砂浆的粘结力大小，对砌体的强度、耐久性、抗震性都有较大影响。因此，要求砂浆有一定的粘结力。
砂浆的粘结力由其本身的抗压强度决定。一般情况下，砂浆的抗压强度越高其粘结力越大。此外，砂浆的粘结力与基面状态、清洁程度、湿润情况以及施工养护条件等都有密切关系。
4）砂浆的变形性
砂浆在温度发生变化或承受荷载时，均容易产生变形。如果变形过大或变形不均匀，则会降低砌体及面层质量，甚至引起沉陷或开裂。使用轻骨料（如粉煤灰、轻砂等）拌制的砂浆，其收缩变形比普通砂浆大。应采取措施防止砂浆开裂。如在抹面砂浆中，为防止产生干裂可掺入一定量的麻刀、纸筋等纤维材料。
5）砂浆的耐久性
砂浆的耐久性是指砂浆在各种环境的作用下，具有经久耐用的性能。耐久性包括的内容比较广泛，对于道路与桥梁工程所用的砂浆，主要有抗冻性和 抗渗性两个方面的要求。
（1）砂浆的抗冻性
砂浆的抗冻性是指砂浆抗冻融循环作用的能力。
（2）砂浆的抗渗性
砂浆的抗渗性是指砂浆抵抗压力水渗透的能力。
3 砌筑砂浆的配合比设计
1）水泥混合砂浆配合比设计
(1) 计算试配强度
(2) 每立方米砂浆中的水泥用量按下式计算：
?
(3) 确定1m3水泥混合砂浆的掺加料用量：
QD=QA-QC
(4) 每立方米砂浆中的砂子用量，应按干燥状态(含水率小于0.5%)的堆积密度值作为计算值(kg)。?
(5) 每立方米砂浆中的用水量，根据砂浆稠度等要求可选用240~310kg。
2）水泥砂浆配合比选用
水泥砂浆材料用量可按下表选用。
每立方米水泥砂浆材料用量
强度等级 每立方米砂浆水泥用量 (kg) 每立方米砂子用量(kg) 每立方米砂浆用水量(kg)
M2.5~M5 200~230 1m3砂子的堆积密度值 270~330
M7.5~M10 220~280 M15 280~340 M20 340~400 3）砂浆配合比试配、调整与确定
按计算或查表所得配合比进行试拌时，应测定其拌合物的稠度和分层度，当不能满足要求时，应调整材料用量，直到符合要求为止。然后确定为试配的砂浆基准配合比。试配时至少应采用3个不同的配合比。在保证稠度、分层度合格的条件下，可将用水量或掺加料用量作相应调整。分别按规定成型试件，测定砂浆强度，并选用符合试配强度要求且水泥用量最低的配合比作为砂浆配合比。?
6.8.2 抹面砂浆
抹面砂浆也称抹灰砂浆，凡涂抹在建筑物或建筑构件表面的砂浆统称为抹面砂浆。
抹面砂浆既可保护建筑物，增加建筑物耐久性，又使其表面平整、光洁美观。抹面砂浆对强度的要求不高，但对保水性要求较高，与基层的粘附性要好。按其使用要求不同，抹面砂浆可分为普通抹面砂浆、防水砂浆、装饰砂浆和具有特殊功能的抹面砂浆等。
6.8.3 装饰砂浆
直接施工于建筑物内外表面，以提高建筑物装饰艺术性为主要目的的抹面砂浆，称为装饰砂浆。其作用是增加建筑物的美观，同时使建筑物具有特殊的表面形式及不同的色彩和质感。
1 装饰砂浆的种类
1）灰浆类饰面
2）石碴类饰面
2 装饰砂浆的组成材料
1）胶凝材料
2）骨料
3）颜料
6.8.4 其他砂浆
1 防水抹面砂浆
2 保温砂浆
3 吸声砂浆
4 聚合物砂浆

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