矿物掺合料

4　混 凝 土

(1)掌握普通混凝土组成材料的技术性质。

(2)掌握普通混凝土拌合物及硬化混凝土的技术指标、影响因素及检测方法。

(3)掌握普通混凝土的配合比设计方法及质量评定方法。

(4)了解其他混凝土。

4.1　混凝土概述

混凝土是由胶凝材料、水、粗细骨料以及必要时掺入的外加剂或矿物掺合料，按适当比例配合、搅拌均匀、密实成型、养护硬化而成的具有一定强度和耐久性的人造石材。

1)混凝土的分类

(1)按胶凝材料分类

混凝土按照所用胶凝材料可分为石膏混凝土、水玻璃混凝土、水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等。

(2)按表观密度分类

① 重混凝土。表观密度大于2800kg/m3，采用密度很大的重晶石、铁矿石、钢屑等重骨料和钡水泥、锶水泥等重水泥配制而成。重水泥具有屏蔽射线的能力，因此又称为防辐射混凝土，主要用作核能工程的屏蔽结构材料。

② 普通混凝土。表观密度为2000～2800kg/m3，以水泥为胶凝材料，以天然砂、石为骨料配制而成，是建筑工程常用的混凝土，主要用作承重构件材料。

③ 轻混凝土。表观密度小于2000kg/m3，按组成材料可分为3类：轻骨料混凝土(以陶粒、蛭石等轻质多孔材料为骨料)、多孔混凝土(不使用骨料而是掺入加气剂或泡沫剂)、无砂大孔混凝土(只用粗骨料而无细骨料)，主要用作轻质结构材料和保温隔热材料。

(3)按用途分类

分为结构混凝土、装饰混凝土、防水混凝土、道路混凝土、水工混凝土、防辐射混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、大体积混凝土及膨胀混凝土等。

(4)按生产和施工方法分类

分为泵送混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土、预拌混凝土(商品混凝土)等。

(5)按强度等级分类

① 普通混凝土。强度等级低于C60。其中，强度等级低于C30的为低强度混凝土，强度等级在C30～C60(不低于C30且小于C60)的为中强度混凝土。

② 高强混凝土。强度等级不低于C60，但小于C100的混凝土。

③ 超高强混凝土。强度等级不低于C100。

2)混凝土的特性

混凝土能够广泛应用于土木工程中，具有其他建筑材料不能取代的优良性能和良好的经济效益。

(1)成本低。原材料中的砂、石约占混凝土体积的70%～80%，其来源丰富，方便就地取材，经济便捷。

(2)易于配制，适应性好。混凝土的性能取决于其组成材料的性能和用量。因此，适当调整组成材料的品种、质量和用量，可以得到不同物理、力学性能的混凝土，以满足实际工程的需要。

(3)可塑性好。混凝土拌合物具有良好的可塑性，可根据工程的需要浇筑成各种形状和尺寸的构件。

(4)匹配性好。混凝土各组成材料之间具有良好的匹配性。例如，水泥与粗细骨料按设计要求的比例配合，可以制成结构致密、强度及耐久性良好的结构混凝土；钢筋与混凝土的线膨胀系数相近且黏结力好，能够共同承受外力作用，形成互补型受力体系——钢筋混凝土，明显改善了混凝土的性能，拓展了混凝土的应用范围。

(5)耐火性好。混凝土的耐火性比钢材、木材、塑料等材料好，可以承受数小时的高温作用。

(6)耐久性好。按照设计要求配制、按标准方法成型的混凝土具有良好的耐久性。使用过程中，无需特别保养，维护费用低。

除此之外，混凝土也有很多缺点：混凝土是脆性材料，抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/20，受拉变形能力差，易开裂；自重大，比强度小于钢材和木材，轻质高强性能不佳；导热系数大，必要时需做绝热措施；凝结硬化比较慢，因此工程的工期较长，增加了成本；生产工艺复杂，质量难以精确控制，管理困难等。当然，这些不足可通过合理设计和选材、严格控制施工过程等措施，使混凝土的性能得以改善。

4.2　普通混凝土的组成材料

普通混凝土(简称混凝土)是由水泥、砂、石子、水、矿物掺合料组成，根据需要有时还会掺入适量的外加剂，用以调整混凝土的某些性能。混凝土中的砂、石起骨架作用，可抑制混凝土收缩，所以称为骨料(也称集料)，占混凝土体积的70%～80%。水泥和矿物掺合料是胶凝材料，与水拌合后形成胶凝材料浆(约占混凝土体积的25%)，包裹在砂子的表面并且填充砂子之间的空隙形成砂浆；砂浆又包裹在石子的表面，砂浆量以填充石子之间的空隙且略有富余为度，此时，胶凝材料浆的作用是润滑骨料，并赋予混凝土拌合物(也称新拌混凝土，是指混凝土未凝结硬化之前的混合物)一定的流动性，以便于施工，而砂石主要起到填充的作用；待混凝土硬化成型后，胶凝材料浆将骨料黏结成为结实的整体，并具有一定的强度和耐久性。各组成材料在混凝土硬化前后的作用见表4.1。

表4.1　混凝土各组成材料在其硬化前后的作用

混凝土是一个宏观匀质、微观非匀质的堆聚结构，其宏观结构如图4.1所示。混凝土的技术性质与原材料的技术性质密切相关，因此，合理选用原材料、仔细确定其掺量、选择适当的施工工艺(搅拌、浇筑、捣实、养护等)才能保证混凝土的质量。

图4.1　混凝土的宏观结构

4.2.1　水泥

水泥是混凝土中起胶凝作用的主要材料，它的品种、强度等级和掺量是影响混凝土强度、耐久性和经济性的重要因素。

1)水泥品种

水泥品种应根据工程的性质和特点、环境条件及设计、施工要求进行合理选择。常用水泥的选用详见第3章水泥。

2)强度等级

水泥的强度等级应与混凝土的设计强度等级适宜，遵循“低对低、高对高”的原则，即低强度等级的水泥用来配制低强度等级的混凝土，高强度等级的水泥用来配制高强度等级的混凝土。这是因为，如果用低强度等级的水泥配制高强度等级的混凝土，为满足强度要求必然加入过量的水泥，会增加混凝土的水化热和干缩，使成本明显提高；如果用高强度等级的水泥配制低强度等级的混凝土，从强度上考虑可以少用些水泥，但是为了满足混凝土的和易性、强度及耐久性要求，必然要增加水泥的用量，导致成本增加，造成浪费。

一般情况下，水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5～2.0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；配制高强混凝土时，可不考虑上述比例。

4.2.2　细骨料

粒径为0.15～4.75mm的岩石颗粒称为细骨料(砂)。

混凝土用砂按产源可分为两类：天然砂和机制砂。天然砂是指自然生成的，经人工开采和筛分的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂等，但不包括软质、风化的岩石颗粒。河砂、湖砂和淡化海砂由于受水流长期的冲刷作用，颗粒表面较光滑洁净，天然级配良好，但海砂常含有贝壳碎片及可溶性盐类等有害物质，故在使用之前需洗砂；山砂则表面粗糙且多棱角，杂质含量高。建筑工程中常选用河砂配制混凝土。

机制砂(俗称人工砂)是指经除土处理、由机械破碎、筛分而成的粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒。机制砂颗粒尖锐，棱角多，较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多，成本较高。

1)颗粒级配与粗细程度

颗粒级配是指不同粒径的颗粒搭配的比例情况。级配良好的砂，不同粒径的颗粒搭配的比例适当，使得空隙率较小，如图4.2；而混凝土中砂粒之间的空隙是由胶凝材料浆填满的，降低空隙率可以节约胶凝材料，使混凝土结构更加密实，有助于提高其强度和耐久性。

粗细程度是指不同粒径砂粒混合在一起的总体粗细程度，据此可将砂分为粗砂、中砂、细砂等几种。质量相同时，颗粒越粗，表面积越小，所以粗砂的总表面积较细砂小，包裹其表面所需的胶泥材料浆量就少，可节约胶凝材料，降低成本；但是混凝土拌合物的黏聚性较差，易发生离析、泌水现象。若不减少胶凝材料的用量，相对来讲，胶凝材料浆就比较多，可以润滑骨料，提高混凝土拌合物的流动性。细砂拌制的混凝土黏聚性好，胶凝材料浆用量较多，使得混凝土拌合物流动性变差；若保证流动性不变，则需加入较多的胶凝材料浆，提高了成本。因此，混凝土用砂不宜过粗也不宜过细，以中砂为宜。

图4.2　骨料的颗粒级配

混凝土用砂需同时考虑颗粒级配和粗细程度两方面，使骨料的总空隙率和总表面积都比较小。砂的颗粒级配和粗细程度采用筛分法测定，用级配曲线和级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数表示砂的粗细程度。筛分实验采用标准的方孔套筛，由孔径分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm六个标准筛及筛底和筛盖组成。将500g粒径小于9.50mm的烘干砂样由粗到细依次通过各筛，称取各筛的筛余量m1、m2、m3、m4、m5、m6,计算各筛的分计筛余百分率ai(各筛的筛余量/500×100%)和累计筛余百分率Ai(各筛和比该筛孔径大的筛的分计筛余百分率之和)，计算方法见表4.2。

表4.2　分计筛余百分率和累计筛余百分率的关系

砂的颗粒级配以级配区或筛分曲线(级配曲线)来判定。砂按颗粒级配情况可分为1、2、3区3个级配区间，根据技术要求又可将砂分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类3个级配类型，砂的颗粒级配和级配类型应分别符合表4.3和表4.4的规定。普通混凝土用砂的颗粒级配应符合1、2、3区任何一个区间，才满足级配要求。

表4.3　砂的颗粒级配(GB/T 14684—2011)

注：砂的实际颗粒级配除4.75mm、0.6mm筛档外，可略有超出，但各级累计筛余超出值总和应不大于5%；对于砂浆用砂，4.75mm筛的累计筛余应为0。

表4.4　砂的级配类别(GB/T 14684—2011)

根据砂的颗粒级配情况可以绘出1、2、3区砂的筛分曲线，如图4.3所示。砂的筛分曲线应完全落于3个级配区间中的任何一个，才符合砂的级配要求。

图4.3　砂的筛分曲线

砂的粗细程度用细度模数(Mx)表示，按下式计算：

(4-1)

建筑用砂的细度模数为3.7～1.6之间，Mx越大，砂越粗。Mx在3.7～3.1为粗砂，Mx在3.0～2.3为中砂，Mx在2.2～1.6为细砂。

配制混凝土时，宜优先选用2区中砂。当采用1区砂时，由于砂颗粒偏粗，配制的混凝土拌合物流动性较大，但黏聚性和保水性较差，应适当提高砂率，以保证混凝土拌合物的和易性；当采用3区砂时，由于颗粒偏细，配制的混凝土拌合物黏聚性和保水性较好，但流动性较差，应适当减小砂率，以保证硬化混凝土的强度。

砂的细度模数相同，颗粒级配可以不同，在选砂时二者应同时考虑，且遵循就地取材的原则。若砂的级配不满足要求，可以用人工掺配的方法进行改善。

2)含泥量、石粉含量和泥块含量

含泥量是指天然砂中粒径小于0.075mm的颗粒含量；石粉含量是指机制砂中粒径小于0.075mm的颗粒含量；泥块含量是指砂中粒径大于1.18mm，经水浸洗、手捏后小于0.60mm的颗粒含量。

含泥量过大不仅会增加混凝土拌合用水量，而且会降低砂与水泥石的黏结力，导致混凝土的强度降低、耐久性变差、干缩增大。机制砂中适量的石粉可以丰富细骨料级配，改善机制砂表面特征与形状对混凝土拌合物和易性的影响，是有益的。泥块在混凝土拌合时会分散成小泥块或泥，影响混凝土各方面性能；泥块自身没有强度，若存在于硬化混凝土中，会形成空洞而导致应力集中，引起混凝土的过早破坏。

天然砂中含泥量和泥块含量应符合表4.5的规定。

表4.5　天然砂的含泥量和泥块含量(GB/T 14684—2011)

机制砂中石粉含量和泥块含量应符合表4.6的规定。

表4.6　机制砂中石粉含量和泥块含量(GB/T 14684—2011)

注：亚甲蓝MB值，用于判定机制砂中粒径小于0.075mm颗粒的吸附性能的指标。

3)有害物质

砂中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块等杂物，且云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯化物、贝壳含量应符合表4.7的规定。

表4.7　砂中有害物质限量(GB/T 14684—2011)

注：贝壳限量只适用于海砂，其他砂种不作要求。

云母为表面光滑的层、片状物质，自身强度低、易折断，且与水泥石黏结性能差，影响混凝土的强度和耐久性。轻物质是指表观密度小于2000kg/m3的物质，孔隙率较大，会削弱混凝土的强度。有机物影响水泥水化及硬化，增加混凝土的干缩。氯离子对混凝土中的钢筋有锈蚀作用，硫化物及硫酸盐影响混凝土的凝结硬化，且对水泥石有腐蚀作用。海砂中的贝壳危害类似于云母，而且还含有较多的氯离子和硫酸盐。

4)坚固性

坚固性是指砂在自然风化或其他外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力。

(1)硫酸钠溶液法

混凝土用砂采用Na2SO4溶液检验，砂样经5次浸泡、烘干循环过程，其质量损失应符合表4.8的规定。

表4.8　砂的坚固性指标(GB/T 14684—2011)

(2)压碎指标法

将烘干后冷却到室温的砂筛分成0.3～0.6mm、0.6～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm四个粒级。每粒级取1000g试样按规定方法装入圆模内(如图4.4)，以500N/s 的速度加荷至25kN并稳荷5s后，以同样的速度卸荷。取每粒级下限筛进行筛分，称出筛余量和通过量。每粒级试样的压碎指标值为筛余量与筛余量和通过量之和的比值来表示，以百分数计，取最大单粒级压碎指标值作为该砂的压碎指标值。

图4.4　压碎指标试验受压钢模示意图

机制砂除须满足表4.8的规定外，压碎指标还应满足表4.9的规定。

表4.9　砂的坚固性指标(GB/T 14684—2011)

5)表观密度、松散堆积密度与空隙率

根据《建设用砂》(GB/T 14684—2011)规定，砂的表观密度应不小于2500kg/m3,松散堆积密度不小于1400kg/m3,空隙率不大于44%。

6)碱集料反应(碱骨料反应)

水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与骨料中的碱活性物质在潮湿环境下会缓慢发生导致混凝土开裂的膨胀性化学反应，即碱集料反应。因此，砂应进行碱集料反应实验，实验后，制备的砂试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，并在规定的试验龄期内膨胀率应小于0.10%。

4.2.3　粗骨料

建筑工程中使用的粗骨料分为卵石和碎石两类。卵石是指由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒，按产源可分为河卵石、海卵石、山卵石等；碎石是由天然岩石、卵石经机械破碎、筛分制成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。

石子按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类3种类别。

1)颗粒级配和最大粒径

石子级配分为连续粒级和单粒粒级两种。连续粒级是指颗粒从小到大连续分级，每级的颗粒都占有一定的比例。连续粒级的大小颗粒搭配合理，使得混凝土拌合物和易性较好，且不易发生分层、离析现象，工程中应用得比较广泛。单粒粒级的石子一般不单独使用，主要用以改善级配或配制成连续级配使用。此外还有一种间断级配，是指人为去除某些中间粒级的颗粒，形成不连续级配，大颗粒之间的空隙直接由粒径小很多的小颗粒填充，空隙率小，能充分发挥骨料的骨架作用。间断级配石子拌制混凝土时可节约水泥，但混凝土拌合物易发生离析现象，增加施工难度。间断级配适用于机械拌合、振捣的低塑性及干硬性混凝土。

石子的级配原理和要求与砂基本相同。石子的颗粒级配也用筛分实验来测定，采用孔径为2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm和90mm的方孔筛共12个进行筛分，计算出各筛的分计筛余百分率和累计筛余百分率。混凝土用卵石、碎石的颗粒级配应符合表4.10的规定。

表4.10　卵石、碎石的颗粒级配(GB/T 14685—2011)

石子公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径，用Dmax表示。石子粒径越大，表面积越小，包裹其表面所需的胶凝材料浆越少，可节约水泥，降低造价；而在和易性和胶凝材料用量一定的情况下，则可以减少混凝土拌合用水量，从而提高强度。

根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2002，2011年版)规定，混凝土用粗骨料的最大粒径不得超过构件截面最小尺寸的1/4，且不得超过钢筋最小净间距的3/4；对于混凝土实心板，最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得超过40mm；对于泵送混凝土，最大粒径与输送管内径之比，碎石宜不大于1∶3，卵石宜不大于1∶2.5。

2)含泥量和泥块含量

含泥量是指卵石、碎石中粒径小于0.075mm的颗粒含量。泥块含量是指卵石、碎石中原粒径大于4.75mm，经水浸洗，手捏后小于2.36mm的颗粒含量。混凝土中卵石、碎石的含泥量和泥块含量应符合表4.11的规定。

表4.11　卵石、碎石的含泥量和泥块含量(GB/T 14685—2011)

3)针、片状颗粒含量

卵石、碎石颗粒的长度大于该颗粒所属粒级平均粒径2.4倍的为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.4倍的为片状颗粒。平均粒径为该颗粒所属粒级上、下限粒径的平均值。针、片状颗粒由于三维尺寸相差悬殊，受力时易折断，而且增加了石子的空隙率，对混凝土的和易性及强度均有不良影响。针、片状颗粒应用针状规准仪和片状规准仪逐粒测定，其含量应符合表4.12的规定。

表4.12　卵石、碎石的针、片状颗粒含量(GB/T 14685—2011)

最佳的石子形状是三维尺寸相近的立方体或球形颗粒，有助于降低石子的空隙率，提高混凝土的强度。

4)有害物质

卵石、碎石中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块等杂物，其有害物质含量应符合表4.13的规定。

表4.13　卵石、碎石的有害物质含量(GB/T 14685—2011)

5)坚固性

卵石、碎石在自然风化和其他外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力称为坚固性。用硫酸钠溶液法进行实验，卵石、碎石经5次浸泡、烘干循环过程后，质量损失应符合表4.14的规定。

表4.14　卵石、碎石的坚固性指标(GB/T 14685—2011)

6)强度

粗骨料应具有良好的强度，以保证混凝土能够达到设计的强度和耐久性。卵石、碎石的强度有岩石抗压强度和压碎指标两种表示方法。

(1)岩石抗压强度

将母岩制成50mm×50mm×50mm的立方体或直径与高均为50mm的圆柱体试件，6个为一组，水中浸泡48h后，在压力机上按0.5～1MPa/s的速度均匀加荷至试件破坏，测得其吸水饱和后的极限抗压强度。国家标准规定岩石抗压强度：火成岩应不小于80MPa，变质岩应不小于60MPa，水成岩应不小于30MPa。仲裁检验时，以圆柱体试件的抗压强度为准。

(2)压碎指标

将一定质量风干状态下粒径为9.50～19.0mm的石子(剔除针、片状颗粒)装入标准圆模内，在压力机上按1kN/s速度均匀加荷至200kN并稳荷5s，卸载后称取试样质量G1，然后过孔径为2.36mm的筛，筛除被压碎的颗粒，称出剩余在筛上的试样质量G2(筛余质量)，按下式计算压碎指标值Qc：

%

(4-2)

压碎指标值越小，则表示石子抵抗压碎的能力越强。卵石、碎石的压碎指标值应符合表4.15的规定。

表4.15　卵石、碎石的压碎指标(GB/T 14685—2011)

7)表观密度、连续级配松散堆积空隙率

卵石、碎石的表观密度应不小于2600kg/m3，连续级配松散堆积空隙率应符合表4.16的规定。

表4.16　卵石、碎石连续级配松散堆积空隙率(GB/T 14685—2011)

8)吸水率

卵石、碎石的吸水率应符合表4.17的规定。

表4.17　卵石、碎石的吸水率(GB/T 14685—2011)

9)碱集料反应(碱骨料反应)

水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与骨料中的碱活性物质在潮湿环境下会缓慢发生导致混凝土开裂的膨胀性化学反应，即碱集料反应。因此，卵石、碎石应进行碱集料反应实验，实验后，制备的砂试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，并在规定的试验龄期内膨胀率应小于0.10%。

10)骨料的含水状态

骨料的含水状态可分为干燥状态、气干(风干)状态、饱和面干状态和湿润状态四种，如图4.5所示。含水率接近或等于零的为干燥状态；含水率与大气湿度相平衡，但未达到饱和的为气干状态；骨料吸水达到饱和且表面干燥的为饱和面干状态；骨料吸水饱和且表面吸附一层自由水的为湿润状态。在进行混凝土配合比设计时，建筑工程中以干燥状态骨料为基础，大型水利工程常以饱和面干状态骨料为基准。

图4.5　骨料的含水状态

4.2.4　混凝土用水

混凝土拌合用水及养护用水统称为混凝土用水，包括饮用水、地表水、地下水、再生水、混凝土企业设备洗刷水和海水等。混凝土用水的质量要求：不影响混凝土凝结和硬化、不影响混凝土拌合物的和易性、不影响混凝土的强度发展及耐久性、不加快钢筋锈蚀和预应力钢筋脆断、不污染混凝土表面等。符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—1985)规定的饮用水，可不经检验直接作为混凝土用水。混凝土拌合用水应符合表4.18的规定。

表4.18　混凝土拌合用水水质要求(JGJ 63—2006)

注：(1)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500mg/L；对于使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量不得超过350mg/L。
(2)　碱含量按Na2O+0.658K2O计算值来表示。采用非碱活性骨料时，可不检验碱含量。

混凝土拌合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骨料的混凝土。在无法获得水源的情况下，海水可用于拌制素混凝土，但不宜用于装饰混凝土中；且严禁用于钢筋混凝土及预应力混凝土中。

当混凝土用水水质不明时，应取水样与饮用水做水泥凝结时间对比实验，水泥初凝时间差、终凝时间差均不应大于30min，且应符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)对水质的规定。此外，被检验水样还应与饮用水做水泥胶砂强度对比实验，其水泥胶砂3d和28d强度不应低于饮用水配制的水泥胶砂3d和28d强度的90%。符合上述条件的水，方可用于拌制混凝土。

混凝土养护用水的水质如符合表4.18的规定，可不检验不溶物和可溶物含量，不进行水泥凝结时间和水泥胶砂强度检测试验。

4.2.5　外加剂

混凝土外加剂是指在混凝土拌合之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土和(或)硬化混凝土性能的材料，简称为外加剂。掺量一般不超过水泥质量的5%。外加剂在工程中的应用越来越广泛，已逐渐成为混凝土中必不可少的组成材料。

根据《混凝土外加剂定义、分类、命名与术语》(GB/T 8075—2005)规定，混凝土外加剂按照其主要使用功能分为4类：①改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，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、早强剂和速凝剂等；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。

工程中常用的外加剂主要有减水剂、早强剂、引气剂、缓凝剂、防冻剂等。

1)减水剂

减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少混凝土拌合用水量的外加剂。

(1)减水剂的作用机理

水泥加水拌合后，由于水泥颗粒比较细小，易吸附在一起而形成内部包裹部分拌合水(游离水)的絮凝结构，使得混凝土因拌合用水不足而导致流动性降低。常用的减水剂属于离子型表面活性剂，其分子由亲水基团和憎水基团组成。在水泥浆中，憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团则指向水溶液，使得水泥颗粒表面带有相同的电荷；水泥颗粒在电斥力的作用下分散开来，破坏了絮凝结构，释放出内部包裹的游离水，使得混凝土拌合物的流动性得到明显改善，其作用机理如图4.6所示。

图4.6　减水剂的作用示意图

(2)减水剂的作用效果

混凝土中掺入减水剂后，通常具有以下几项技术经济效果：

① 提高流动性。当混凝土各组成材料用量不变时，加入减水剂能明显提高混凝土拌合物的流动性，坍落度可增加100～200mm，而不影响混凝土强度。

② 提高混凝土强度。在保证混凝土拌合物流动性和水泥用量不变的条件下，可减少混凝土拌合用水量10%～15%，从而降低混凝土的水胶比，使混凝土强度提高15%～20%。

③ 节约水泥。在保证混凝土拌合物流动性和强度(水胶比)不变的条件下，可减少胶凝材料浆的用量，进而减少拌合用水量和水泥用量。

④ 改善混凝土拌合物的其他性能。掺入减水剂，可改善混凝土拌合物的泌水、离析现象；延缓混凝土拌合物的凝结时间；减缓水泥水化放热速度；增加混凝土密实度，显著提高硬化混凝土的抗渗性、抗冻性和抗腐蚀能力，改善混凝土的耐久性。

(3)减水剂的分类

按减水剂的作用效果可将其分为3类：普通减水剂、高效减水剂和高性能减水剂。普通减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂；高效减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能大幅度减少拌合用水量的外加剂；高性能减水剂与高效减水剂相比，其减水率更高、坍落度保持性能更好、干缩更小，且具有一定的引气性能。

此外，按减水剂对混凝土凝结时间的影响可将其分为早强型、标准型和缓凝型；按引气效果可分为引气型和非引气型；按其化学成分可分为木质素系、萘系、水溶性树脂系、糖蜜类和复合型减水剂等。

① 木质素系(木质素磺酸盐系)减水剂。主要有木质素磺酸钙(木钙)、木质素磺酸钠(木钠)、木质素磺酸镁(木镁)等品种，属普通减水剂。

工程中常用的木质素磺酸钙又称M型减水剂，简称M剂，适宜掺量为水泥质量的0.2%～0.3%。在混凝土配合比不变的情况下，掺入木钙减水剂后坍落度可增加80～100mm；在保持混凝土强度和坍落度不变的情况下，可减水10%～15%，节约水泥约10%；在保持混凝土坍落度和水泥用量不变的情况下，可减水10%，且使混凝土强度提高10%～20%。木钙减水剂还有缓凝作用，通常可缓凝1～3h；增加掺量或降低温度，均可显著增强其缓凝效果，同时还可能削弱混凝土强度，使用时应注意。

木钙减水剂适用于一般混凝土工程，尤其适用于大体积混凝土、泵送混凝土、滑模施工及夏季施工等；不宜单独用于冬季施工，在日最低气温低于5℃时，应与早强剂或防冻剂复合使用；不宜单独用于蒸养混凝土及预应力混凝土，以免蒸养后混凝土表面出现酥松现象。

② 萘系(萘磺酸盐系)减水剂。萘系减水剂多为非引气型的阴离子表面活性剂，属高效减水剂，适宜掺量为水泥质量的0.5%～1%，减水率为10%～15%，混凝土28d抗压强度可提高20%以上。在保持混凝土强度和坍落度基本不变时，可节约水泥10%～20%。

萘系减水剂减水增强效果好，与不同品种水泥适应性好，且能改善混凝土的抗渗性和耐久性，不腐蚀钢筋。适用于配制早强、高强、大流动性泵送混凝土及蒸养混凝土。工程中常用的有NNO、NF、UNF、FDN、MF等几种。

③ 水溶性树脂系减水剂。也称树脂系减水剂，属高效减水剂。我国产品主要为SM减水剂等。

SM减水剂为非引气型阴离子表面活性剂，适宜掺量为水泥质量的0.5%～2%，减水率为20%～27%。SM减水剂可明显提高各龄期混凝土强度，1d强度可提高100%以上，3d强度可提高30%～100%，28d强度可提高20%～30%。在保持混凝土强度不变的情况下，可节约水泥约25%。此外，SM减水剂还能提高混凝土的弹性模量，改善混凝土的抗渗、抗冻等性能，增强与钢筋的黏结力。适用于配制早强、高强、流态及蒸养混凝土，也可用于配制耐火、耐高温(1000～1200℃)混凝土。

2)早强剂

早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂。适用于早拆模、抢修及低温施工的工程，而且可缩短工期。工程中常用的早强剂主要有无机盐类(氯盐类、硫酸盐类)、有机胺类和复合早强剂。

(1)氯盐类早强剂

氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铝等，其中氯化钙应用最为广泛。氯化钙为白色粉末，能与C3A和Ca(OH)2迅速反应生成不溶性复盐，增加了混凝土拌合物中固相的比例，使混凝土3d强度提高50%～100%，7d强度提高20%～40%，并且可以降低混凝土中水的冰点，避免混凝土因受冻而影响早期强度的发展。

氯化钙中的氯离子会引起钢筋的锈蚀，使用时须严格控制掺量。《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119—2003)规定：在钢筋混凝土中氯化钙的掺量不得超过水泥质量的1%；在无筋混凝土中掺量不得超过3%；在使用冷拉或冷拔低碳钢筋混凝土结构、大体积混凝土结构、骨料具有碱活性的混凝土结构、预应力钢筋混凝土结构中，不允许掺入氯盐早强剂。

为了抑制氯化钙对钢筋的锈蚀作用，常将氯化钙与阻锈剂亚硝酸钠(NaNO2)复合使用。

(2)硫酸盐类早强剂

硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠、硫代硫酸钠(Na2S2O3)、硫酸钙、硫酸铝、硫酸铝钾等，其中硫酸钠应用最广。硫酸钠为白色粉末，适宜掺量为0.5%～2%。硫酸钠对钢筋无锈蚀作用，但它会与Ca(OH)2反应生成强碱NaOH，使用时应注意防止碱骨料反应发生，因此，硫酸钠严禁应用于含有碱活性骨料的混凝土中。

(3)有机胺类早强剂

有机胺类早强剂主要有三乙醇胺、三异丙醇胺等，其中三乙醇胺的早强效果明显。三乙醇胺为无色或淡黄色油状液体，呈碱性，能溶于水，可加速水泥的水化进程，而使水泥的早期强度提高，与其他外加剂(如氯化钠、氯化钙、硫酸钠等)复合使用效果更佳。适宜掺量为水泥质量的0.03%～0.05%。

三乙醇胺对混凝土稍有缓凝作用，过量会导致混凝土严重缓凝或强度下降。

3)引气剂

引气剂是指在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，而且气泡能保留在硬化混凝土中的外加剂。常用的引气剂有松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐等。松香热聚物适宜掺量为水泥质量的0.005%～0.02%，混凝土含气量为3%～5%，减水率约为8%。

引气剂属憎水性表面活性剂，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生成大量微小的封闭气泡。由于这些均匀分布的微小气泡的存在，明显改善了混凝土的某些性能。

(1)改善混凝土拌合物的和易性。大量微小的封闭气泡在混凝土拌合物内如同滚珠一样，起到润滑的作用，能够削弱骨料之间的摩擦阻力，从而改善混凝土拌合物的流动性；水分子均匀分布在气泡的表面，降低了浆体中的自由水量，减少了混凝土拌合物的泌水、离析现象，使混凝土拌合物的保水性和黏聚性也得到改善。

(2)显著提高混凝土的耐久性。大量均匀分布的微小封闭气泡隔断了混凝土中毛细管渗水通道，改变了混凝土的孔隙特征，使混凝土的抗渗性明显提高；封闭气泡具有较强的弹性变形能力，可缓解水变冰时产生的膨胀应力，可显著改善混凝土的抗冻性。

(3)降低混凝土强度。大量气泡的存在，导致混凝土有效受力面积减小，削弱了混凝土的强度。在保持混凝土配合比不变的情况下，含气量每增加1%，混凝土抗压强度损失4%～6%。由于掺入引气剂可改善混凝土拌合物的和易性，为保证和易性不变，可降低水胶比而使混凝土的强度得到部分补偿或不降低。

引气剂可用于抗渗混凝土、抗冻混凝土、抗硫酸盐侵蚀混凝土、泌水严重的混凝土、轻混凝土，以及有饰面要求的混凝土中，特别对于改善处于严酷环境的水泥混凝土路面、水工结构有良好效果。但引气剂不宜用于蒸养混凝土及预应力混凝土。

4)缓凝剂

缓凝剂是指能延长混凝土凝结时间，并对混凝土后期强度发展无不利影响的外加剂。缓凝剂主要分为四类：糖类(如糖蜜)、木质素磺酸盐类(如木钙、木钠)、羟基羧酸及其盐类(如柠檬酸、酒石酸钾钠)、无机盐类(如锌盐、硼酸盐)等，其中常用的缓凝剂是木钙和糖蜜，而糖蜜的缓凝效果最好。

缓凝剂可延缓混凝土凝结时间，使拌合物保持较长时间的塑性状态，以便于浇注成型；而且能延长水化放热时间，适用于长时间或长距离运输的混凝土、气温较高时施工的混凝土和大体积混凝土等。但不适用于日最低气温在5℃以下的混凝土、有早强要求的混凝土及蒸养混凝土。

5)防冻剂

防冻剂是能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。常用的防冻剂有氯盐类(氯盐或以氯盐为主与早强剂、引气剂、减水剂复合而成)、氯盐阻锈类(氯盐与亚硝酸钠阻锈剂复合而成)、无氯盐类(以硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐、乙酸钠或尿素为主复合而成)。

防冻剂能够降低混凝土拌合物液相的冰点，使混凝土液相不冻结或部分冻结，以保证水泥水化能够持续进行，并在一定时间内获得预期强度。防冻剂基本都是复合的，由防冻组分、早强组分、引气组分、减水组分复合而成。防冻组分能够降低水的冰点，使水泥在负温下能够继续水化；早强组分能提高混凝土的早期强度，以抵抗水变冰而产生的膨胀力；引气组分向混凝土中引入适量的封闭气泡，可以缓和冰胀应力；减水组分可减少混凝土拌合用水量，降低负温时混凝土中冰的含量，使冰粒细小分散，减轻对混凝土的破坏作用。防冻剂广泛应用于房屋、道路、桥梁及水工建筑的冬季施工；在钢筋混凝土结构中，要严格控制防冻剂中氯离子的掺入，防止钢筋锈蚀或预应力钢筋脆断。

6)泵送剂

泵送剂是指能改善混凝土拌合物泵送性能的外加剂，常用掺量为水泥质量的1.5%～2%。所谓泵送性能，就是混凝土拌合物具有能顺利通过输送管道、不阻塞、不离析、粘塑性良好的性能。泵送剂是由减水剂、调凝剂、引气剂、润滑剂等多组分复合而成。

泵送剂塑化作用好，在保持水胶比和胶凝材料用量不变的情况下，坍落度可由50～70mm提高到150～220mm，3d、7d、28d龄期强度可提高30%～50%，而且混凝土不易发生离析现象，黏聚性能好。泵送剂具有良好的减水效果，减水率为10%～25%，在保持混凝土坍落度和强度不变的情况下，可节约水泥约10%。

泵送剂能润滑骨料，改善混凝土拌合物的和易性，减少泌水、离析现象发生；还能提高混凝土抗压、抗折、抗拉强度，延缓水化放热速度，避免温度裂缝的出现，增加混凝土的密实度以改善其耐久性。泵送剂适用于配制泵送混凝土、商品混凝土、大体积混凝土、大流动性混凝土及夏季施工、滑模施工、大模板施工等。

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、711型、728型、8604型等。

速凝剂掺入混凝土后，能使混凝土在5min内初凝，10min内终凝，1h即可产生强度，1d强度提高2～3倍，但后期强度会有所下降，28d强度约为不掺时的80%～90%。速凝剂的速凝早强作用机理是使水泥中的石膏变成Na2SO4而失去缓凝作用，从而促使C3A迅速水化，导致混凝土迅速凝固。

速凝剂主要用于矿山井巷、铁路隧道、引水涵洞、地下工程以及喷锚支护时的喷射混凝土或喷射砂浆中。

8)外加剂的掺法

外加剂掺量很少，需均匀地分散于混凝土中，通常不直接放入搅拌机内与混凝土同拌。可溶性的外加剂应与水配制成一定浓度的溶液，随水加入搅拌机内；不溶性的外加剂应与适量的水泥或砂混合均匀后加入搅拌机内。

外加剂的掺入时间会影响其使用效果，例如减水剂就有以下几种方法：先掺法是将粉状减水剂与水泥先混合后，再与骨料和水一起搅拌；同掺法是先将减水剂溶解于水中，再以此溶液拌制混凝土；后掺法是指拌合混凝土时先不掺入减水剂，在运输途中或运至施工现场再分一次或几次掺入，经两次或多次搅拌成均匀的混凝土拌合物，此方法特别适用于远距离、长时间运输的商品混凝土。

4.2.6　矿物掺合料

矿物掺合料是在混凝土拌合过程中掺入的，以硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成分，且具有规定细度的能改善混凝土性能的活性粉体材料。矿物掺合料与硅酸盐水泥共同组成胶凝材料(国外称其为辅助胶凝材料)，已经成为高性能混凝土不可缺少的第六组分，通常掺量不超过水泥质量的5%。常用的矿物掺合料有粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、钢渣粉、磷渣粉、沸石粉等。

粉煤灰(FA)是从煤粉炉烟道气体中收集的粉体材料，包括原状粉煤灰和磨细粉煤灰，分为F类(由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰)和C类(由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10%)。粉煤灰颗粒绝大多数为表面光滑、致密的铝硅酸盐玻璃微珠，在混凝土中起到“滚珠”的作用，削弱了骨料之间的摩擦阻力而使混凝土拌合用水量减少，改善了混凝土的和易性，提高了混凝土的强度(尤其是后期强度)，这种作用称为“颗粒形态效应”；细小的粉煤灰颗粒可以填充到骨料颗粒无法填充的空隙中，丰富了骨料颗粒级配，可减少混凝土拌合用水量，这种作用称为“微骨料效应”。粉煤灰还可以降低水化热，减少混凝土收缩(尤其是干缩)，因此广泛应用于泵送混凝土中。

粒化高炉矿渣粉(SG)是从炼铁高炉中排出的，以硅酸盐和铝硅酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后粉磨所得的粉体材料。粒化高炉矿渣粉与粉煤灰一样，也具有颗粒形态效应和微骨料效应。

硅灰是在冶炼硅铁合金或工业硅时通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料。硅灰也具有微骨料效应，适用于配制高强、超高强、抗冲磨、抗化学腐蚀(氯盐、硫酸盐)及喷射混凝土，还可抑制碱骨料反应发生。由于硅灰颗粒极细，比表面积特别大，只有在高效减水剂的共同作用下，才能较好地发挥其效用。

钢渣粉是从炼钢炉中排出的，以硅酸盐为主要成分的熔融物，经消解稳定化处理后粉磨所得的粉体材料。

磷渣粉是用电炉法制黄磷时，所得到的以硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后粉磨所得的粉体材料。

沸石粉是将天然斜发沸石岩或丝光沸石岩磨细制成的粉体材料。

复合矿物掺合料是由两种或两种以上矿物掺合料按一定比例复合后的粉体材料。工程上常用粉煤灰与磨细矿渣粉组成的复合矿物掺合料或粉煤灰、矿渣和硅灰复合而成的三组分矿物掺合料来拌合混凝土。研究表明，当复合矿物掺合料各组分比例适当时，将产生“超叠加”效应。

混凝土中矿物掺合料的掺量应通过实验确定，且应符合表4.19、表4.20的规定。

表4.19　钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量(JGJ 55—2011)

注：(1)采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材掺量20%以上的混合材量计入矿物掺合料；
(2)　复合掺合料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量。

表4.20　预应力钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量(JGJ 55—2011)

注：(1)采用其他通用硅酸盐水泥时，宜将水泥混合材掺量20%以上的混合材量计入矿物掺合料；
(2)　复合掺合料各组分的掺量不宜超过单掺时的最大掺量。

矿物掺合料不同于传统的水泥混合材料，虽然两者材质相同，但前者细度更高。组成高性能混凝土的矿物掺合料要求颗粒更细，级配更合理，表面活性更好，才能充分发挥掺合料的粉体效应，其掺量也远高于水泥混合材料。

4.3　普通混凝土的技术性质

4.3.1　混凝土拌合物的和易性

混凝土拌合物必须具备良好的和易性，以便于施工，待其凝结硬化以后，才能获得理想的强度及耐久性。

1)和易性概念

和易性是指混凝土拌合物易于施工操作(搅拌、运输、浇筑、捣实)，并能获得质量均匀、成型密实的硬化混凝土的性能。和易性是一项综合性的技术指标，包括流动性、黏聚性和保水性3个方面的性能。

(1)流动性。是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。流动性反映了混凝土拌合物的稀稠程度，直接影响施工时浇注振捣的难易程度和成型的质量。

(2)黏聚性。是指混凝土拌合物各组成材料之间具有一定的黏聚力，在运输和浇注过程中不至于发生分层、离析现象，使混凝土拌合物保持整体均匀的性能。

(3)保水性。是指混凝土拌合物具有一定的保水能力，在施工过程中不至于产生严重泌水现象(部分水分从内部析出)的能力。保水性差的混凝土拌合物，易出现泌水现象而在混凝土内部形成渗水通道，从而影响混凝土的密实度、强度和耐久性。

混凝土拌合物的流动性、黏聚性和保水性，三者之间既相互关联又相互矛盾。流动性好的混凝土拌合物，其黏聚性和保水性可能较差；黏聚性较好的拌合物，往往保水性也好，但是流动性可能较差。在实际工程中，应使三者在某种条件下实现统一，既要满足混凝土施工过程中要求的流动性，同时也具有良好的黏聚性和保水性。

2)和易性的测定

混凝土拌合物的和易性无法直接测定，通常是分别进行流动性、黏聚性和保水性的测定。流动性采用定量测定的方法，再辅以直观经验法评定黏聚性和保水性。对于流动性的测定，塑性和流动性混凝土拌合物，采用坍落度法；干硬性混凝土拌合物，采用维勃稠度法。

(1)坍落度法

图4.7　坍落度测定方法示意图

坍落度法是将混凝土拌合物按规定方法分3层装入坍落度筒(高为300mm的截顶圆锥筒)内，逐层捣实并装满刮平，垂直向上提起坍落度筒，混凝土拌合物会因自重的作用而向下坍塌，测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差，即为坍落度，用符号T表示，单位mm，如图4.7所示。坍落度越大，混凝土拌合物的流动性越大。当混凝土拌合物坍落度大于220mm时，应用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，当两个直径之差小于50mm时，用其算术平均值作为坍落拓展度值；否则，此次实验无效。

黏聚性的检查方法是用捣棒在已坍落的拌合物锥体侧面轻轻敲打，若锥体逐渐均匀下沉，则表示黏聚性良好；如果锥体突然倒塌、部分崩裂或出现离析现象，则表示黏聚性不好。

保水性以混凝土拌合物底部稀浆析出的程度来评定。坍落度筒提起后，如有较多稀浆从底部析出，锥体部分的混凝土也因失浆而骨料外露，则表明此混凝土拌合物的保水性不好；如坍落度筒提起后，无稀浆或仅有少量稀浆从底部析出，则说明保水性良好。

坍落度法适用于骨料最大粒径不大于40mm、坍落度不小于10mm的混凝土拌合物稠度的测定。根据《混凝土质量控制标准》(GB 50164—2011)规定，混凝土拌合物按坍落度值可分为5个等级，如表4.21所示。

表4.21　混凝土拌合物的坍落度等级划分(GB 50164—2011)

图4.8　维勃稠度仪示意图

坍落拓展度适用于泵送高强混凝土(拓展度不宜小于500mm)和自密实混凝土(拓展度不宜小于600mm)。

(2)维勃稠度法

当混凝土拌合物的坍落度小于10mm(即干硬性混凝土)时，其流动性需用维勃稠度仪测定，如图4.8所示。将混凝土拌合物按标准方法装入维勃稠度测定仪容量桶的坍落度筒内，垂直提起坍落筒，并将透明圆盘置于拌合物试体顶面；开启振动台，同时用秒表计时，测出透明圆盘底面被水泥浆布满所需的时间，即为维勃稠度值，单位s(秒)。维勃稠度值越大，混凝土拌合物越干稠，流动性越差。

维勃稠度法适用于骨料粒径不大于40mm、维勃稠度在5～30s 之间的混凝土拌合物稠度的测定。混凝土拌合物的维勃稠度值可分为5个等级，见表4.22。

表4.22　混凝土拌合物的维勃稠度等级划分(GB 50164—2011)

3)流动性(坍落度)的选择

混凝土拌合物流动性的选用原则，是在满足施工条件和混凝土成型密实的条件下，尽可能选择较小的流动性，以节约胶凝材料并能获得质量较好的混凝土。选用时应考虑工程环境、构件截面尺寸、配筋情况、施工方法等因素。若构件截面尺寸较小、钢筋较密或采用人工拌合与振捣时，坍落度应选择大些；反之，若构件截面尺寸较大、钢筋较疏或采用机械振捣时，坍落度应选择小些。混凝土浇筑时的坍落度可参考表4.23。

表4.23　混凝土浇筑时的坍落度

4)影响和易性的主要因素

(1)胶凝材料浆的数量

混凝土拌合物的胶凝材料浆具有包裹及润滑骨料、填充骨料空隙、提供流动性的作用。在水胶比不变的情况下，胶凝材料浆越多，对骨料的填充及润滑作用越充分，混凝土拌合物的流动性越大。若胶凝材料浆过多，不仅浪费胶凝材料，而且会使拌合物的黏聚性、保水性变差，出现分层离析、泌水现象；若胶凝材料浆过少，不足以包裹骨料表面或填充骨料间的空隙，会导致骨料摩擦阻力增大，拌合物流动性降低、黏聚性变差，甚至出现崩塌现象，而影响混凝土的强度和耐久性。

(2)胶凝材料浆的稠度(水胶比)

水胶比(W/B)为混凝土拌合物中水的质量与胶凝材料的质量之比，是用来反映胶凝材料浆的稀稠程度(即稠度)的。水胶比越小，胶凝材料浆越稠，混凝土拌合物的流动性越小；若水胶比过小，混凝土拌合物会因流动性过低而难以施工，从而影响混凝土的密实度及质量。水胶比增大会提高混凝土拌合物的流动性；若水胶比过大，会导致混凝土拌合物黏聚性和保水性不良，出现流浆、离析现象，严重影响混凝土的强度。因此，水胶比应根据强度和耐久性进行合理选用。

胶凝材料浆的数量和稠度对混凝土拌合物流动性的影响，起决定性作用的还是单位用水量(1m3混凝土的用水量)。在骨料性质确定且单位用水量一定的条件下，1m3混凝土的胶凝材料用量(单位胶凝材料用量)增减50～100kg，混凝土拌合物的坍落度基本保持不变，这就是“固定用水量法则”。若要增加混凝土拌合物的流动性，应采用水胶比不变、增加胶凝材料浆的方法，确保混凝土的强度和耐久性。

(3)砂率

砂率是指混凝土拌合物中砂的质量占砂、石子总质量的百分率。按下式计算：

%

(4-3)

式中：βs——砂率，%；

ms——1m3混凝土中砂的质量，kg；

mg——1m3混凝土中石子的质量，kg。

砂率的变化会影响骨料的空隙率和总表面积，从而影响混凝土拌合物的和易性。在胶凝材料浆量一定的条件下，若砂率过小，砂不足以填满石子之间的空隙，或不能形成足够厚度的砂浆层来润滑石子，会导致拌合物的流动性降低，同时黏聚性和保水性变差。若砂率过大，骨料的总表面积及空隙率会增大，使得包裹骨料表面的水泥浆数量相对减少，导致润滑作用减弱，拌合物的流动性变差。砂率对坍落度和胶凝材料用量的影响，如图4.9所示。

图4.9　合理砂率的确定

由图4.9可知，砂率既不能过大，也不能过小，应选取合理砂率(又称最佳砂率或最优砂率)。在用水量和水胶比不变的条件下，混凝土拌合物的流动性最大，且黏聚性、保水性良好的砂率即为合理砂率。同理，在水胶比和坍落度不变的条件下，拌合物和易性满足要求且胶凝材料用量最小的砂率也是合理砂率。工程中通常采用合理砂率配制混凝土，在节约水泥的同时可保证混凝土拌合物具有良好的和易性。

(4)组成材料性质的影响

水泥的品种及细度、骨料的颗粒形状及级配、外加剂等均对混凝土拌合物的和易性有影响。需水量大的水泥，使拌合物达到相同坍落度时的用水量较多。普通水泥配制的混凝土拌合物流动性和保水性好；矿渣水泥配制的混凝土拌合物流动性大，黏聚性、保水性差，易泌水；火山灰水泥需水量大，用水量相同时，流动性降低，但黏聚性、保水性好。水泥颗粒越细，表面积越大，需水量越多；在水量不变的情况下，混凝土流动性越小，但黏聚性及保水性较好。

卵石表面光滑、棱角少，所以卵石拌制的混凝土比碎石拌制的流动性好。同理，河砂拌制的混凝土流动性也比较好。级配好的骨料空隙率小，在胶凝材料浆用量不变的情况下，包裹及润滑骨料的浆体较厚，混凝土拌合物的流动性也好。加入减水剂和引气剂能明显提高拌合物的流动性，且黏聚性和保水性良好。

(5)施工方面

拌制好的混凝土拌合物，随时间的延长，水分不断减少(一部分水参与胶凝材料的水化，一部分水被骨料吸收，另一部分水蒸发)，混凝土凝聚结构开始缓慢形成，使得混凝土拌合物逐渐变得干稠，流动性减小。

环境的温度也会影响混凝土拌合物的和易性。温度越高，水泥水化反应速度及水分蒸发速度越快，坍落度损失越大。

采用机械振捣的混凝土拌合物的和易性要好于人工插捣的混凝土。

5)改善混凝土拌合物和易性的措施

(1)采用合理砂率。

(2)改善砂、石(特别是石子)的级配，尽量选择颗粒较粗的砂、石。

(3)当混凝土拌合物的坍落度过小而黏聚性和保水性良好时，应保持水胶比不变，适当增加胶凝材料浆(胶凝材料+水)的用量；当坍落度过大时，应保持砂率不变，适当增加砂、石的用量；若流动性良好，而黏聚性和保水性差时，应适当提高砂率。

(4)适量掺入外加剂和矿物掺合料。

4.3.2　混凝土的强度

混凝土强度是衡量其承受荷载和各种外界作用的重要指标。混凝土强度包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度以及与钢筋的黏结强度等，其中抗压强度最大，因此混凝土主要用来承受压力。

混凝土的强度关系到混凝土的很多性能。混凝土强度越高，其刚度、抗渗性、抗风化及抗某些介质侵蚀的能力就越好，通常用混凝土的强度来评定和控制混凝土质量。

1)立方体抗压强度与强度等级

(1)立方体抗压强度(fcu)

《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定，按标准方法将混凝土制成150mm×150mm×150mm的标准立方体试件，在(20±2)℃的温度下成型后脱膜，再在标准条件下(温度为(20±2)℃，相对湿度95%以上或在温度为(20±2)℃的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中)养护至28d(从搅拌加水开始计时)，用标准方法测得的极限抗压强度即为混凝土立方体抗压强度，用fcu表示，单位为MPa。

混凝土立方体抗压强度与骨料的粒径有关，应按骨料的最大粒径进行合理选择，见表4.24。非标准试件测定的结果必须乘以相应的换算系数，将强度转化为标准试件的强度方可使用。

表4.24　混凝土试件尺寸及强度的尺寸换算系数(GB 50204—2011)

(2)立方体抗压强度标准值(fcu,k)

混凝土立方体抗压强度标准值是按标准方法制作、养护边长为150mm混凝土立方体试件，在28d或设计规定龄期以标准实验方法测定具有95%的强度保证率的混凝土立方体抗压强度值，用fcu,k表示，单位为MPa。

(3)强度等级

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)规定，混凝土的强度等级是根据立方体抗压强度标准值来确定的，可分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80十四个强度等级。例如，强度等级为C30的混凝土，其立方体抗压强度标准值fcu,k=30MPa。

混凝土强度等级的选用须满足以下规定：素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。

2)轴心抗压强度(fcp)

工程中的钢筋混凝土结构构件极少为正方体，多为棱柱体或圆柱体。在混凝土结构设计时，轴心受压构件(如柱子、桥墩、桁架腹杆)均使用混凝土轴心抗压强度为设计依据，测得的混凝土强度更接近混凝土结构实际受力情况。

轴心抗压强度是以150mm×150mm×300mm的棱柱体试件为标准试件，在标准条件下养护28d，测得的抗压强度，用fcp表示，单位为MPa。实验表明，混凝土轴心抗压强度值比立方体抗压强度小，当立方体强度为10～55MPa时，fcp=(0.7～0.8)fcu，在结构设计计算时，一般取fcp=0.67fcu。

3)抗拉强度(fts)

图4.10　劈裂实验时试件内部
　的应力分布情况

混凝土的抗拉强度有两种测定方法：轴拉法和劈裂法。轴拉法在实验时，结果易受实验过程(如荷载未对准构件轴线、夹具处发生破坏)影响，偏差较大，故劈裂法比较常用。劈裂抗拉试验采用边长为150mm的正方体标准试件，实验时试件的应力分布情况如图4.10所示。

按规定方法测得试件劈裂破坏时的极限荷载，可按下式计算出劈裂抗拉强度：

(4-4)

式中：fts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；

F——破坏荷载，N；

A——试件劈裂面积，mm2。

混凝土的抗拉强度很低，仅为抗压强度的1/10～1/20，混凝土强度等级越高比值越小。混凝土属脆性材料，破坏时没有明显的变形，故在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑混凝土的抗拉强度，而是用钢筋来承受拉力。但是混凝土的抗拉强度对其抗裂性的意义重大，是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要技术指标。

4)影响混凝土强度的因素

(1)胶凝材料的强度及水胶比

胶凝材料是混凝土中的活性组分，在水胶比不变的情况下，其强度越高，混凝土的强度就越高。当胶凝材料的品种及强度等级不变时，混凝土的强度主要取决于水胶比，水胶比越大，混凝土的强度越低。这是因为水泥水化时理论需水量约占水泥质量的23%，为获得施工需要的流动性，通常加入较多的水(约占水泥质量的40%～60%)；多余的水分蒸发后形成孔隙，使混凝土密实度降低，强度下降，影响混凝土的耐久性。在保证混凝土质量的前提下，水胶比越小，混凝土强度和耐久性越好。但是，如果水胶比过小，拌合物过于干稠，难以捣实而影响浇筑质量，混凝土会出现较多的蜂窝、孔洞，强度和耐久性也会下降。

实验证明，混凝土强度随水胶比的增大而降低，二者之间呈曲线关系；而混凝土强度与胶水比呈直线关系，如图4.11所示。

图4.11　混凝土强度与水胶比及胶水比的关系

通过对实验数据进行数理统计后得出，混凝土强度与胶凝材料强度和胶水比等因素之间的线性关系可按下面的经验公式(鲍罗米混凝土强度公式)计算：

(4-5)

式中：fcu——混凝土28d龄期抗压强度，MPa；

B/W——胶水比；

B——胶凝材料用量，kg；

W——水的用量，kg；

fb——胶凝材料的实际强度，MPa；

αa、αb——回归系数，与骨料及胶凝材料的品种等有关。若有试验条件，其数值可利用试验数据统计得出；若不具备试验统计资料，可按表4.25选用。

表4.25　回归系数(αa,αb)取值表(JGJ 55—2011)

混凝土强度公式可解决两个问题：一是在混凝土配合比设计时，可依据混凝土的配制强度、胶凝材料的实际强度及骨料性质，估算水胶比；二是在进行混凝土质量控制时，依据胶凝材料的强度、水胶比及骨料性质，估算混凝土28d龄期可以达到的强度。

(2)骨料的品种及质量

骨料针片状颗粒少、级配良好、砂率适当，可形成坚固密实的空间骨架结构，配制的混凝土强度较高；反之，若骨料中杂质过多、级配不好，会严重影响混凝土的强度。

碎石表面粗糙且棱角多，提高了骨料与硬化后胶凝材料间的啮合力和黏结力，在坍落度相同的情况下，碎石混凝土的强度要高于卵石混凝土；在配合比相同的情况下，碎石混凝土的流动性比卵石混凝土要差。

通常来讲，骨料的强度越高，混凝土的强度就越高，尤其是在配制高强混凝土或水胶比较小时，效果比较明显。骨料颗粒以三向尺寸相近的球形或立方体为宜。

(3)养护温度和湿度

混凝土强度发展是胶凝材料不断水化、硬化的过程，必须在周围环境的温度和湿度适宜的情况下进行，这就是混凝土的养护。养护温度高，胶凝材料水化速度加快，混凝土强度发展也加快；反之，低温时混凝土强度发展比较迟缓，当温度降至冰点以下时，不但胶凝材料停止水化、混凝土的强度不再发展，甚至会因孔隙内的水结冰而导致混凝土发生冻胀破坏；若混凝土早期强度低，则更易冻坏。

适当的湿度才能保证胶凝材料的水化顺利进行，使混凝土强度得到良好的发展。若湿度不够，胶凝材料水化不充分，导致混凝土结构疏松，甚至形成干缩裂缝，严重影响混凝土的强度和耐久性。《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2002)规定：混凝土浇筑完毕后的12h以内，应加以覆盖(可采用锯末、塑料薄膜、麻袋片等)并保湿养护。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土，浇水养护时间不得少于7d；对掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土，浇水养护不得少于14d；当日平均气温低于5℃时，不得浇水，以免发生冻胀破坏。混凝土养护用水与拌制用水要求相同，浇水次数应使混凝土表面保持潮湿状态即可。

(4)龄期

龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。正常养护条件下，混凝土的强度将随着龄期的增长而增长，最初7～14d内强度增长较快，之后速度逐渐减缓，28d达到设计强度。若温度和湿度适宜，强度会一直缓慢发展数十年。在标准养护条件下，通用硅酸盐水泥制成的混凝土，其强度的发展大致与龄期的常用对数成正比关系(龄期不少于3d)，可按下式计算：

(4-6)

式中：fn——nd龄期混凝土的抗压强度，MPa；

f28——28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

n——养护龄期，n≥3。

上述公式可以解决以下两类问题：一是根据混凝土的早期强度，估算其28d的强度，或是根据混凝土的设计强度，估算其nd的强度，以预测混凝土强度能够满足设计要求；二是根据混凝土的设计强度，估算28d内混凝土达到某一强度所需养护的天数，以确定混凝土拆模、放松预应力钢筋、构件起吊和出厂日期等。由于影响混凝土强度的因素较多，故上式结果仅能作为参考。

(5)混凝土外加剂与掺合料

混凝土中掺入减水剂，尤其是高效减水剂，可明显降低水胶比及用水量，提高混凝土强度；掺入早强剂，可提高混凝土的早期强度；掺入缓凝剂会影响混凝土早期强度的发展。详见混凝土外加剂部分。

混凝土中掺入的优质矿物掺合料(如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅粉等)，可以参与水泥的水化过程，生成大量的胶凝物质来密实混凝土，从而提高混凝土强度。

(6)施工质量

混凝土的施工过程包括配料、拌合、运输、浇筑、振捣、养护等，每一道工序都会影响混凝土的质量，应严格遵守施工规范要求。若配合比不准确、配料质量差或称量不准、振捣不密实、拌合物发生分层离析现象、养护不良等均会导致混凝土强度下降。

(7)实验条件对混凝土测定值的影响

① 试件尺寸。配合比相同的混凝土，试件尺寸越小，强度越高。这是因为试件尺寸越小，内部的孔隙、缺陷等出现的几率越小，截面有效受力面积被削弱的就小，应力集中程度较低，使得混凝土强度较高。《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定，混凝土立方体抗压强度标准试件的尺寸为150mm×150mm×150mm，非标准试件测得的强度应乘以表4.24中的换算系数。

② 试件形状。试件受压面积(a×a)相同而高度(h)不同时，高宽比越大，抗压强度越低。这是因为试件受压时，试件受压面与承压板之间的摩擦力约束了试件的横向膨胀，有助于试件强度提高。越接近试件受压面，约束作用就越大，在距受压面约a的范围以外，约束作用才消失，这种约束作用称为“环箍效应”。试件破坏后，上下部分均呈现出一个棱锥体，并且在锥尖一定长度内对接在一起，如图4.12(a)所示。

③ 试件表面状态。环箍效应对混凝土的强度的提高，利用的是试件表面与承压板之间的摩擦力。若在受压表面涂刷油脂类润滑剂时，环箍效应被大大削弱，试件会发生直裂破坏，如图4.12(b)所示。此时测出的强度值偏低。

图4.12　混凝土试件的压碎实验

④ 加荷速度。加荷速度越快，测得的混凝土强度越高，这是由于混凝土内部的微裂缝及缺陷还未能充分发展、连通，延迟了混凝土的破坏。《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定，在测定混凝土立方体抗压强度时，荷载应连续均匀地施加，当混凝土强度等级<C30时，加荷速度为0.3～0.5MPa/s；当混凝土强度等级≥C30且<C60时，加荷速度为0.5～0.8MPa/s；当混凝土强度等级≥C60时，加荷速度为0.8～1.0MPa/s。

5)提高混凝土强度的措施

(1)采用高强度等级水泥或早强型水泥。在混凝土配合比相同的情况下，水泥强度等级越高，混凝土的强度也越高。早强型水泥可促进水泥早期强度的发展，有利于加快施工进度。

(2)采用低水胶比的干硬性混凝土。水胶比低的干硬性混凝土拌合物，游离水分少，使得硬化后的混凝土孔隙率低、密实度高、强度好。实验证明，水胶比每增加1%，混凝土强度将下降5%左右。因此，降低水胶比是提高混凝土强度、改善混凝土耐久性最有效的措施。但是水胶比过小，将导致混凝土拌合物流动性变差，无法振捣密实，质量差。通常做法是掺入减水剂，使混凝土拌合物在水胶比较低的情况下仍保持良好的和易性。

(3)掺入外加剂和矿物掺合料。掺入减水剂可减少混凝土拌合用水量，使水胶比降低，混凝土强度提高；掺入早强剂，可提高混凝土早期强度。矿物掺合料可以参与水泥的水化过程，填充孔隙，使混凝土密实度提高，强度和耐久性都得到改善。

(4)采用质量好的骨料，优化骨料级配。骨料质量越好，强度越高，则配制的混凝土的强度就越高。骨料级配好，总空隙率小，需要包裹骨料表面和填充骨料空隙的胶凝材料浆就较少，可减少混凝土拌合用水量，提高混凝土强度。

(5)采用机械搅拌和机械振捣。机械搅拌的混凝土拌合物比人工搅拌更均匀，尤其是拌合低流动性的混凝土拌合物，可提高拌合物的流动性；若混凝土配合比不变，可降低水胶比，提高混凝土强度。机械振捣可使混凝土拌合物的颗粒产生振动、互相靠近，使胶凝材料浆体的稠度减小，孔隙率降低。

(6)湿热处理。湿热处理分为蒸汽养护和蒸压养护两类。蒸汽养护是将成型的混凝土制品在100℃以下的常压蒸汽中进行养护，16～20h后其强度可达正常养护条件下28d强度的70%～80%。适用于矿渣水泥、火山灰水泥等配制的混凝土，其蒸汽养护适宜温度为90℃。普通水泥配制的混凝土蒸汽养护适宜温度为80℃，但28d强度比标准条件养护时低10%～20%。

蒸压养护是将静停8～10h的混凝土构件放在175℃和8个大气压的蒸压釜中进行养护，主要适用于掺混合材料的硅酸盐水泥制品。

4.3.3　混凝土的变形

混凝土的变形包括两类：非荷载作用下的变形(包括化学收缩、干湿变形及温度变形)和荷载作用下的变形。

1)混凝土在非荷载作用下的变形

(1)化学收缩

由于胶凝材料水化产物的体积小于胶凝材料浆的体积，所以在混凝土凝结硬化过程中体积会减小，称为化学收缩，属不可恢复变形。化学收缩随混凝土龄期的延长而增加，在混凝土成型后40d内增长较快，之后逐渐趋于稳定。化学收缩量很小，对混凝土结构没有破坏作用，但会导致混凝土内部产生微裂缝，影响承载状态和耐久性。

(2)干湿变形

由于周围湿度的变化而引起混凝土体积的改变称为干湿变形，即湿胀干缩。当混凝土在水中硬化时，体积会有微小膨胀，这是由于凝胶体中胶体粒子的吸附水膜增厚，粒子间距离增大的缘故。湿胀变形量很小，一般无破坏作用。

混凝土在干燥过程中，胶体颗粒的吸附水蒸发导致凝胶体由于失水而紧缩，同时，毛细孔内水分的蒸发引起管内负压，使得混凝土体积收缩。干缩变形对混凝土危害较大，可使混凝土表面产生拉应力而开裂，严重影响混凝土的强度和耐久性。混凝土的干缩变形在吸水之后大部分是可以恢复的。设计中混凝土的干缩率为(1.5～2.0)×10-4m/m，即1m混凝土收缩量为0.15～0.2mm。

影响混凝土干缩变形的因素主要有胶凝材料的品种、细度、用量、水胶比及施工质量等。火山灰水泥比普通水泥干缩大；水泥颗粒越细、水泥用量越多、水胶比越大，收缩越大；砂石杂质少、级配好、振捣密实，收缩小；湿热处理可有效减小混凝土的收缩。延长养护时间只能延迟干缩发展的时间，对干缩量影响甚微。

(3)温度变形

由于周围环境温度的升降而引起混凝土体积的改变称为温度变形，即热胀冷缩。混凝土的温度线膨胀系数为(1.0～1.5)×10-5/℃，即温度每升降1℃，1m混凝土胀缩0.01～0.015mm。温度变形对大体积混凝土极为不利，会导致混凝土产生温度裂缝。

2)混凝土在荷载作用下的变形

(1)混凝土的受压破坏特征

硬化后的混凝土在无外力作用之前，由胶凝材料水化造成的化学收缩和物理收缩导致砂浆体积发生变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了非均匀分布的拉应力，形成许多细微的界面裂缝；混凝土成型过程的泌水现象，导致水分积聚于粗骨料下方，在硬化混凝土中形成界面裂缝。当混凝土受到外力作用时，应力集中导致这些微裂缝逐渐扩展、连通，形成可见性裂缝，混凝土结构因失去连续性而破坏。

(2)弹性模量

弹性模量是应力与应变的比值。混凝土是弹塑性变形体，受力时既产生弹性变形，又产生塑性变形，因此弹性模量是个变量。静力受压弹性模量试验要求，混凝土标准试件(150mm×150mm×300mm的棱柱体)在预定荷载的反复作用(加荷、卸荷)下，应力与应变基本成直线关系，弹性模量趋于定值。混凝土强度越高，弹性模量越大，当混凝土强度等级为C10～C60时，弹性模量从1.75×104 MPa增长到3.60×104 MPa；骨料含量越高、弹性模量越大，混凝土的弹性模量也越大；水胶比较小、养护良好且龄期较长时，混凝土的弹性模量较大。

混凝土的弹性模量是计算钢筋混凝土变形、裂缝开展及大体积混凝土温度应力时所必需的技术参数，具有重要的实际意义。

(3)徐变

混凝土在恒定荷载长期作用下，随时间增加而增长的非弹性变形，称为混凝土的徐变。徐变是混凝土受力后，硬化的胶凝材料石中凝胶粒子发生滑移而导致凝胶体黏性流动的结果，此外，骨料与硬化的胶凝材料石之间的界面裂缝持续开展，也会加剧混凝土的徐变。

混凝土的徐变受很多因素影响。混凝土的初始应力越大或施加得越早、水胶比越大、胶凝材料用量越多、骨料级配不良、养护条件越差，混凝土的徐变越大。徐变可减小或消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力均匀地重新分配。在大体积混凝土中，徐变能消除部分由温度变形所引起的破坏应力；而在预应力钢筋混凝土中，徐变将导致钢筋的预应力损失，是不利的。

4.3.4　混凝土的耐久性

混凝土除了具有设计要求的强度以抵抗荷载的作用外，还应具有与所处环境相适应的耐久性。混凝土抵抗环境条件的作用且长期保持其稳定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，称为混凝土的耐久性。混凝土的耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化及抗碱骨料反应等。

1)抗渗性

抗渗性是指混凝土抵抗有压介质(水、油等液体)渗透的能力，是混凝土耐久性的重要技术指标，直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。

混凝土渗水的根本原因是由胶凝材料浆中多余水分蒸发留下的孔隙、浆体泌水形成的孔隙、粗骨料底部界面处集水而成的孔隙，以及振捣不密实和干缩裂缝等形成了渗水通道。抗渗性的好坏，归根结底是由水胶比决定的。

混凝土的抗渗性用抗渗等级P表示，是以28d龄期的标准试件按规定方法试验，在不渗水时所能承受的最大水压力来划分，可分为P2、P4、P6、P8、P10、P12六个等级，表示混凝土试件能抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的静水压力而不渗水。

2)抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。

混凝土的抗冻性用抗冻等级F表示，采用28d龄期的混凝土标准试件，在吸水饱和状态下，承受反复冻融循环作用，以抗压强度损失不超过25%，且质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数来表示。混凝土抗冻等级分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300等，分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10、15、25、50、100、150、200、250和300次。

混凝土的抗冻性主要受混凝土的孔隙率、孔隙特征、饱水程度及外加剂等因素的影响。孔隙率小且多为封闭孔隙的混凝土，抗冻性好；饱水程度越高，冻胀破坏就越严重；引气剂、减水剂和防冻剂可有效提高混凝土的抗冻性。

3)抗侵蚀性

混凝土处于含有侵蚀性介质(如软水、酸、碱、盐等)的环境中时会遭受侵蚀，侵蚀作用主要是对水泥石的侵蚀，其侵蚀机理详见第3章水泥部分。随着混凝土在恶劣环境(如地下工程、海岸与海洋工程)中的应用，混凝土的抗侵蚀作用越来越受到重视。

混凝土的抗侵蚀性与水泥品种、混凝土的孔隙率和孔隙特征等有关。孔隙率小且多为封闭孔隙的混凝土，环境水不易侵入，抗侵蚀性较强。

4)抗碳化性

混凝土的碳化是指水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳，在适宜的湿度下发生化学反应，生成碳酸钙和水的过程，碳化也称为中性化。碳化是二氧化碳由表及里逐渐扩散的过程，会导致水泥石化学组成及组织结构发生变化，对混凝土的碱度、强度和收缩产生影响。

碳化对混凝土性能的作用可分为两方面：有利影响和不利影响。有利影响是碳化作用的产物碳酸钙可以填充混凝土表面的孔隙，而碳化反应生成的水有助于水泥继续水化，从而提高混凝土碳化层的密实度及抗压强度。不利影响是混凝土碱度降低削弱了对钢筋的保护作用。水泥水化生成大量的氢氧化钙，在这种碱性环境下，混凝土中的钢筋表面会生成一层钝化膜，保护钢筋免受腐蚀。当碳化深度穿透混凝土保护层到达钢筋表面时，钢筋因钝化膜遭到破坏而发生锈蚀，且体积膨胀，导致混凝土保护层产生开裂或剥落，进而加速了混凝土的碳化进程。碳化作用还会增加混凝土的收缩，使混凝土表面碳化层产生拉应力而出现细微裂缝，从而降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。

影响碳化速度的主要因素有环境中二氧化碳的浓度、水泥品种、水胶比及环境湿度等。环境中二氧化碳的浓度越高，碳化速度越快；掺混合材料的硅酸盐水泥，其水化产物中氢氧化钙的含量比硅酸盐水泥低，碳化速度比较快；水胶比大的混凝土，其碱度低且孔隙率大，碳化速度快；当周围环境的相对湿度为50%～75%时，碳化速度最快，当相对湿度小于25%或大于100%时，碳化作用停止。此外，混凝土养护得越好，抗碳化能力越好，必要时可涂刷保护层，以防止二氧化碳侵入。

混凝土的碳化深度大致与碳化时间的平方成正比。在钢筋混凝土结构中，为防止钢筋锈蚀，必须设置足够厚度的混凝土保护层，使得结构在使用过程中，碳化作用不会到达钢筋表面。

5)抗碱骨料反应(抗碱集料反应)

水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱(多为水泥中的碱Na2O或K2O)与骨料中的碱活性物质(活性SiO2)在潮湿环境下会缓慢发生化学反应，生成碱-硅酸凝胶，吸水体积膨胀，导致混凝土开裂，甚至会导致结构破坏，这就是碱骨料反应。

混凝土发生碱骨料反应必须具备3个条件：一是水泥、外加剂等混凝土原材料中的碱或环境中的碱的含量比较高；二是砂、石骨料中含有碱活性物质；三是反应需要水，因此在干燥的环境中，碱骨料反应是不会发生的。

碱骨料反应的速度很慢，一般需要几年或几十年，严重影响混凝土的耐久性。因此，必须采取相关措施抑制碱骨料反应的发生，如控制混凝土原材料中碱的含量，必要时采用低碱水泥；减少混凝土中水泥的用量，以降低碱度；采用非活性骨料；尽可能保持结构干燥，可设置防水层等。

6)提高混凝土耐久性的措施

(1)合理选择水泥品种。根据混凝土工程的特点和所处的环境条件，参照本书第3章水泥的内容，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)控制水胶比，保证足够的胶凝材料用量。混凝土水胶比和胶凝材料用量应根据环境条件进行选择，结构混凝土环境等级划分见表4.26；为保证混凝土的耐久性，其最大水胶比和最小胶凝材料用量应满足表4.27的要求。

表4.26　混凝土结构的环境类别(GB 50010—2010)

注：(1)室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境；
(2) 严寒和寒冷地区的划分应符合现行国家标准《民用建筑热工设计规范》(GB 50176)的有关规定；
(3) 海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定；
(4) 受除冰盐影响环境是指受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境是指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑；
(5) 暴露的环境是指混凝土结构表面所处的环境。

表4.27　混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量要求(GB 50010—2010)(JGJ 55—2011)

注：(1)预应力混凝土构件的最低混凝土强度等级宜按表中的规定提高两个等级；
(2)　素混凝土构件的水胶比及最低强度等级的要求可适当放松；
(3)　有可靠工作经验时，二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级；
(4)　处于严寒和寒冷地区二b、三a类环境中的混凝土应使用引气剂，并可采用括号中的有关参数。
(4)掺入引气剂或减水剂。掺入引气剂和减水剂可明显改善混凝土的抗渗性和抗冻性。
(5)施工质量控制。混凝土施工须严格按照操作规则进行，应拌合均匀、振捣密实、加强养护等，以提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的耐久性。
(6)采用浸渍或涂层的方法提高混凝土表面的耐久性。

4.4　普通混凝土的配合比设计

混凝土配合比是指混凝土各组成材料的用量之比，确定这个比例关系的工作称为配合比设计。混凝土配合比通常有两种表示方法：一是质量法，用1m3混凝土中各组成材料的质量来表示，如1m3混凝土中水泥(mc)310kg，粉煤灰(mf)78kg，砂(ms)630kg，石子(mg)1300kg，水(mw)170kg；二是以各组成材料的质量比来表示，且胶凝材料的质量为1，如胶凝材料∶砂∶石子∶水=1∶2.03∶4.19∶0.55,若粉煤灰的掺量为25%，则水泥∶粉煤灰=3∶1，也可表示为水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水=1∶0.33∶2.71∶5.58∶0.73。

4.4.1　混凝土配合比设计的基本要求

(1)满足混凝土结构设计要求的强度等级。

(2)满足混凝土施工要求的和易性。

(3)满足工程所处环境对混凝土耐久性的要求。

(4)符合经济原则，节约胶凝材料，降低混凝土成本。

4.4.2　混凝土配合比设计的三个重要参数

1)水胶比

水胶比是混凝土中水与胶凝材料的质量比，应在满足混凝土强度和耐久性的基础上来选取。

2)单位用水量

单位用水量是1m3混凝土中水的质量，反映胶凝材料浆与骨料之间的比例关系，应在满足混凝土施工要求的和易性的基础上，根据粗骨料的种类和规格来选用。

3)砂率

砂率是指混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分比，应遵循砂量能填充粗骨料的空隙后略有富余的原则来确定。

4.4.3　混凝土配合比设计的步骤

混凝土的配合比设计是计算、试配、调整的复杂过程，共需确定4个配合比：初步配合比、试拌配合比、试验室配合比和施工配合比。根据混凝土的设计要求、原材料的技术性质、工程环境特点等，利用经验公式和图表计算出初步配合比；将混凝土按照初步配合比在实验室试拌，检测其和易性是否满足要求，若不合格，调整至合格后的配合比即为试拌配合比；将满足试拌配合比的混凝土做强度和耐久性检验并调整，使其符合设计要求，这个配合比称为实验室配合比。上述过程均假定骨料处于干燥状态，实际上现场的骨料均含水，将实验室配合比按骨料的实际含水率进行调整，得到施工配合比。

1)初步配合比设计

(1)确定混凝土的配制强度(fcu,0)

混凝土的强度受多种因素影响，其数值分布遵循正态分布曲线。为使混凝土的强度保证率满足设计要求，须保证混凝土的配制强度(fcu,0)高于设计强度(fcu,k)。当混凝土设计强度等级小于C60时，配制强度按下式计算：

fcu,0≥fcu,k+1.645σ

(4-7)

式中：fcu,0——混凝土的配制强度，MPa；

fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值，即设计要求的混凝土强度等级值，MPa；

σ ——混凝土强度标准差，MPa，其值越小，说明混凝土的施工质量越好。

当混凝土设计强度等级不小于C60时，配制强度按下式计算：

fcu,0≥1.15fcu,k

(4-8)

混凝土强度标准差应根据下列规定来确定：

① 当具有近1～3个月的同一品牌、同一强度等级混凝土的强度资料，且试件组数不少于30组时，其混凝土强度标准差σ应按下式计算：

(4-9)

式中：fcu,i——第i组混凝土试件的强度值，MPa；

mfcu——n组混凝土试件的强度平均值，MPa；

n——混凝土试件的组数，n≥30。

对于强度等级不大于C30的混凝土，当混凝土强度标准差计算值不小于3.0MPa时，应取式(4-9)的计算结果；当混凝土强度标准差计算值小于3.0MPa时，应取3.0MPa。

对于强度等级大于C30且小于C60的混凝土，当混凝土强度标准差计算值不小于4.0MPa时，应取式(4-9)的计算结果；当混凝土强度标准差计算值小于4.0MPa时，应取4.0MPa。

② 当没有近期的同一品牌、同一强度等级混凝土强度资料时，混凝土强度标准差应根据现行国家标准《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)取用，如表4.28所示。

表4.28　混凝土强度标准差取值(JGJ 55—2011)

(2)确定水胶比(W/B)

① 满足强度要求的水胶比。当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按下式计算：

(4-10)

式中：αa、αb——回归系数，应根据工程所使用的原材料，通过实验建立的水胶比与混凝土强度关系式来确定；当不具备上述实验统计资料时，可取碎石αa=0.53，αb=0.20，卵石αa=0.49，αb=0.13。

fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度的实测值，MPa，无实测值时可按下式计算：

fb=γfγsfce

(4-11)

式中：γf、γs——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数，见表4.29取值；

fce——水泥28d胶砂抗压强度实测值，无实测值时可按下式计算：

fce=γcfce,g

(4-12)

式中：γc——水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定；当缺乏实际统计资料时，可按表4.30选用；

fce,g——水泥强度等级值，MPa。

表4.29　粉煤灰影响系数γf和粒化高炉矿渣粉影响系数γs(JGJ 55—2011)

续表4.29

注：(1)采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰宜取上限值；
(2)　采用S75级粒化高炉矿渣粉宜取下限值，采用S95级粒化高炉矿渣粉宜取上限值，采用S105级粒化高炉矿渣粉可取上限值加0.05；
(3)　当超出表中的掺量时，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数应经实验确定。

表4.30　水泥强度等级值的富余系数γc(JGJ 55—2011)

② 满足耐久性要求的水胶比。为保证建筑工程中混凝土的耐久性，式(4-10)计算出来的水胶比还应满足表4.27的要求。

因此要得到同时满足强度和耐久性要求的水胶比，应取以上两种方法求得的水胶比的较小值。

此外，抗渗混凝土和抗冻混凝土的最大水胶比还应满足表4.31和表4.32的要求。

表4.31　抗渗混凝土最大水胶比(JGJ 55—2011)

表4.32　抗冻混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量(JGJ 55—2011)

(3)确定单位用水量(mw0)

① 干硬性和塑性混凝土单位用水量的确定

当水胶比在0.40～0.80范围内时，根据粗骨料的品种、粒径及施工要求的混凝土拌合物稠度，按表4.33和表4.34进行选取；当水胶比小于0.40时，混凝土的单位用水量应通过试验确定。

表4.33　干硬性混凝土的用水量(kg/m3)(JGJ 55—2011)

表4.34　塑性混凝土的用水量(kg/m3)(JGJ 55—2011)

注：(1)本表用水量系采用中砂时的平均取值。采用细砂时，每立方米混凝土用水量可增加5～10kg；采用粗砂时，则可减少5～10kg。
(2)　掺用矿物掺合料和外加剂时，用水量应相应调整。

② 流动性和大流动性混凝土的单位用水量的确定

未掺外加剂时混凝土的单位用水量是以表4.34中90mm坍落度时的用水量为基础，按坍落度每增大20mm，用水量增加5kg/m3来计算，当坍落度增大到180mm以上时，随坍落度相应增加的用水量可减少。

掺外加剂时混凝土的单位用水量可按下式计算：

(4-13)

式中：mwa——掺外加剂时混凝土的单位用水量，kg；

w0——未掺外加剂时混凝土的单位用水量，kg；

β——外加剂的减水率，%，经实验确定。

(4)确定外加剂用量(ma0)

每立方米混凝土中外加剂用量可按下式计算：

ma0=mb0βa

(4-14)

式中：ma0——每立方米混凝土中外加剂的用量，kg/m3；

mb0——每立方米混凝土中胶凝材料的用量，kg/m3；

βa——外加剂的掺量，%，经实验确定。

(5)计算胶凝材料用量(mb0)、矿物掺合料用量(mf0)和水泥用量(mc0)

每立方米混凝土的胶凝材料用量mb0(kg/m3)可按下式计算：

(4-15)

每立方米混凝土的矿物掺合料用量mf0(kg/m3)可按下式计算：

mf0=mb0βf

(4-16)

式中：βf——矿物掺合料掺量，%，经实验确定。

每立方米混凝土的水泥用量mc0(kg/m3)可按下式计算：

mc0=mb0-mf0

(4-17)

(6)确定砂率(βs)

砂率应根据骨料的技术指标、混凝土拌合物性能和施工要求，参考历史资料确定。当无历史资料可供参考时，混凝土砂率的确定应符合下列规定：

① 坍落度小于10mm的混凝土，其砂率应经试验确定。

② 坍落度为10～60mm的混凝土，可根据粗骨料品种、最大公称粒径及水胶比按表4.35选取。

③ 坍落度大于60mm的混凝土，砂率可经实验确定，也可在表4.35的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增加1%的幅度予以调整。

表4.35　混凝土的砂率(%)(JGJ 55—2011)

注：(1)本表数值系中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减少或增大砂率；
(2)　采用人工砂配制混凝土时，砂率可适当增大；
(3)　只用一个单粒级粗骨料配制混凝土时，砂率应适当增大。

(7)计算细骨料用量(ms0)、粗骨料用量(mg0)

① 体积法。假定混凝土拌合物的体积等于各组成材料绝对体积及拌合物中所含空气的体积之和，1m3混凝土拌合物中的砂、石用量按下式计算：

(4-18)

式中：mc0、mf0、ms0、mg0、mw0——1m3混凝土中水泥、矿物掺合料、砂、石子、水的用量；

ρc——水泥的密度，kg/m3，可按现行国家标准进行测定，也可取2900～3100kg/m3；

ρf——矿物掺合料密度，kg/m3，可按现行国家标准进行测定；

ρs——细骨料的表观密度，kg/m3；

ρg——粗骨料的表观密度，kg/m3；

ρw——水的密度，kg/m3，可取1000kg/m3；

βs——砂率，%；

α——混凝土的含气量百分数，在不使用引气剂或引气型外加剂时，α可取1。

解式(4-18)，即可求出ms0、mg0。

② 质量法。如果原材料情况比较稳定，所配制的混凝土拌合物的表观密度将接近一个固定值，可先假设每立方米混凝土拌合物的质量为mcp(kg)，通常取2350～2450kg/m3，则混凝土中ms0、mg0可按下式计算：

(4-19)

(8)得出初步配合比

将计算出的混凝土各种原材料的质量表示出来，也可以用比例来表示。

2)试配、调整，确定试拌配合比

(1)取料

混凝土试配时使用的原材料及搅拌方法，应与实际工程相同。每盘混凝土的最小搅拌量应符合表4.36的规定，并不应小于搅拌机公称容量的1/4，且不应大于搅拌机公称容量。

表4.36　混凝土试配的最小搅拌量(JGJ 55—2011)

(2)调整和易性，确定试拌配合比

按计算出的初步配合比试拌，检验混凝土拌合物的和易性。当试拌得出的拌合物坍落度(或维勃稠度)不能满足要求，或黏聚性和保水性不好时，应进行调整。具体调整方法如下：若流动性大于设计值，可在砂率不变的条件下，适当增加砂、石用量；若流动性小于设计值，在保持水胶比不变的条件下，适量增加水和胶凝材料用量；若黏聚性和保水性不良，主要是混凝土拌合物中砂浆不足或砂浆过多，可适当增大砂率或适当降低砂率，调整到和易性满足要求时为止。

试拌调整至和易性合格后，应测出混凝土拌合物的表观密度(ρc,t)及各组成材料的实际用量，据此计算出各组成材料调整后的拌合用量：水泥mcj、掺合料mfj、水mwj、砂msj、石子mgj，则试拌配合比为：

(4-20)

式中：mcb、mfb、mwb、msb、mgb——初步配合比调整至和易性合格时水泥、掺合料、水、砂、石子的用量，kg/m3；

mcj、mfj、mwj、msj、mgj——混凝土试拌配合比中水泥、掺合料、水、砂、石子的用量，kg/m3；

ρc,t——混凝土拌合物表观密度实测值，kg/m3。

3)检验强度及耐久性，确定试验室配合比(又称设计配合比)

在试拌配合比的基础上进行强度和耐久性检验。强度检验时，应采用3个不同的配合比，其中一个是试拌配合比，另外两个配合比的水胶比应较试拌配合比的水胶比分别增加和减少0.05，其用水量与试拌配合比相同，砂率值可分别增加和减少1%。每种配合比至少制作1组(3块)试件，在标准条件下养护至28d时进行强度实验(若有耐久性要求，应同时制作有关耐久性测试指标的试件)。

根据实验测定的结果，绘制混凝土强度与胶水比的线性关系图，或用插值法确定略大于配制强度对应的胶水比。按下列原则确定各种材料用量：

(1)用水量(mw)和外加剂用量：在试拌配合比的基础上，根据制作强度试件时测得的坍落度或维勃稠度值，进行调整确定。

(2)胶凝材料用量(mb)：用水量乘以确定的胶水比计算得出。

(3)掺合料用量(mf)：胶凝材料用量乘以掺合料掺量，即mf=mbβf。

(4)水泥用量(mc)：胶凝材料用量减去掺合料用量，即mc=mb-mf。

(5)细、粗骨料用量(ms、mg)：取试拌配合比中细骨料和粗骨料用量，根据选定的用水量和胶凝材料用量进行调整。

(6)将得出的配合比进行校正。

配合比进行上述调整后，其混凝土拌合物的表观密度应按下式计算：

ρc,c=mc+mf+ms+mg+mw

(4-21)

式中：ρc,c——混凝土拌合物的表观密度计算值，kg/m3；

mc、mf、ms、mg、mw——上述配合比中水泥、掺合料、砂、石子、水的用量，kg/m3。

混凝土配合比校正系数(δ)按下式计算：

(4-22)

当混凝土拌合物的表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2%时，上述配合比(mc、mf、ms、mg、mw)即为设计配合比；当二者之差超过2%时应将配合比中每项材料用量均乘以校正系数δ，即为确定的设计配合比。

对耐久性有设计要求的混凝土应进行相关耐久性实验。

4)确定施工配合比

在建筑工程中，设计配合比中的骨料是以干燥状态下的用量为准。而实际施工现场的骨料常含有一定水分，因此须将设计配合比按下式进行含水量的调整，即为施工配合比。

(4-23)

式中：mc、mf、ms、mg、mw——混凝土设计配合比中水泥、掺合料、砂、石子、水的用量，kg/m3；

混凝土施工配合比中水泥、掺合料、砂、石子、水的用量，kg/m3；

a——砂的含水率，%；

b——石子的含水率，%。

【例4-1】　某地下钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C30，掺入Ⅰ级粉煤灰。施工要求坍落度为35～50mm，采用机械搅拌和机械振捣，该施工单位无历史统计资料。采用的原材料如下：

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，密度ρc=3.1g/cm3；

矿物掺合料：Ⅰ级粉煤灰，密度ρf=2.30g/cm3；

砂：细度模数2.7，2区砂，密度ρs=2.65g/cm3；

碎石：5～40mm，级配合格，密度ρg=2.70g/cm3；

水：自来水。

对该混凝土进行初步配合比设计。若施工现场砂的含水率为3%，石子含水率为1%，求该混凝土的施工配合比。

【解】　(1)计算混凝土初步配合比

① 选择Ⅰ级粉煤灰的掺量βf

混凝土设计强度等级为C30，普通水泥的强度为42.5MPa，Ⅰ级粉煤灰活性好，为降低成本，可选择较大的粉煤灰掺量。参考表4.19，粉煤灰最大掺量为30%，取βf=30%。

② 确定胶凝材料的强度fb

因胶凝材料和普通水泥均没有28d胶砂抗压强度实测值，因此fb=γfγsfce，且fce=γcfce,g。其中，由于粉煤灰掺量βf=30%，查表4.29可知粉煤灰影响系数γf=0.75；因未掺有粒化高炉矿渣粉，查表4.29可知粒化高炉矿渣粉影响系数γs=1.00；由于使用的是42.5MPa的普通水泥，查表4.30可知水泥强度等级值富余系数γc=1.16。

因此，fb=γfγsγcfce,g=0.75×1.00×1.16×42.5=36.98MPa

③ 确定混凝土配制强度fcu,0

因施工单位无历史统计资料，查表4.28可知σ=5.0MPa。

fcu,0=fcu,k+1.645σ=30+1.645×5.0=38.23MPa

④ 确定水胶比W/B

a.满足强度要求的水胶比：干燥的碎石骨料，则αa=0.53，αb=0.20。

b.满足耐久性要求的水胶比

该混凝土为与无侵蚀性的水或土壤接触的环境，属二a类环境，查表4.27可知，满足耐久性要求的最大水胶比为0.55；而满足强度要求的最大水胶比为0.46，则同时满足强度和耐久性的水胶比W/B=0.46。表4.27中允许使用的混凝土最低强度等级为C25，本混凝土的设计强度等级为C30，满足要求。

⑤ 确定单位用水量mw

混凝土拌合物设计坍落度为35～50mm，粗骨料为碎石，最大公称粒径Dmax=40mm，查表4.34可知该混凝土的单位用水量mw=175kg。

⑥ 计算胶凝材料用量mb

=380kg

该混凝土所处环境类别为二a，查表4.27可知，满足耐久性要求的最小胶凝材料用量为300kg/m3，上述计算结果满足要求。

粉煤灰掺量为　mf=mbβf=380×30%=114kg

水泥用量为　mc=mb-mf=380-114=266kg

⑦ 确定砂率βs

根据水胶比W/B=0.46、碎石最大公称粒径Dmax=40mm，查表4.35可知，砂率为27%～32%，取βs=30%。

⑧ 计算砂质量ms和石子质量mg

a.体积法

解得　ms=547kg，mg=1277kg

b.质量法

假定1m3混凝土拌合物的表观密度为2400kg/m3，则

解得　ms=554kg，mg=1292kg

质量法与体积法计算结果相近。

初步配合比为mc=266kg，mf=114kg，ms=554kg，mg=1292kg，mw=175kg；或用比例表示mc∶mf∶ms∶mg∶mw=1∶0.43∶2.08∶4.86∶0.66。

(2)计算混凝土施工配合比

c=mc=266kg

f=mf=114kg

s=(1+3%)ms=1.03×554=571kg

g=(1+1%)mg=1.01×1292=1305kg

w=mw-a%×ms-b%×mg=175-554×3%-1292×1%=145kg

施工配合比为；或用比例表示mc∶mf∶ms∶mg∶mw=1∶0.43∶2.15∶4.91∶0.55。

4.5　混凝土质量控制与强度评定

混凝土的质量是影响结构安全性及耐久性的重要因素，因此，必须对混凝土生产的全过程进行质量检验和控制，确保混凝土的技术性能能够满足设计需求。由于混凝土的抗压强度与混凝土的其他性能有良好的关联性，且能较好地反映混凝土的质量，所以通常用混凝土的抗压强度作为评定和控制其质量的主要指标。

4.5.1　混凝土质量波动原因

混凝土在施工过程中由于受原材料质量(如水泥的强度和细度、骨料的规格级配与含水率等)的波动、施工工艺(如称量、拌合、运输、浇筑、振捣及养护等)的不稳定性、施工条件、环境温湿度的变化、施工人员的素质及操作误差等因素的影响，使得混凝土的强度发生波动，进而导致混凝土的质量呈波动性变化。

4.5.2　混凝土强度的波动规律

图4.13　混凝土强度正态分布曲线

在相同强度等级和施工条件下，混凝土的强度波动规律符合正态分布曲线。该正态分布曲线是以强度为横坐标，以某一强度出现的概率为纵坐标绘出的，如图4.13所示，以强度平均值为对称轴，左、右两侧的曲线是对称的。由图可知，距离对称轴越远的强度值，出现的概率越小，并逐渐趋近于零；曲线和横坐标之间的面积为概率的总和，等于100%；对称轴两边的强度，出现的概率相等；在对称轴两侧的曲线上各有一个拐点(曲线凹凸变化的转折点)，拐点到强度平均值的距离为标准差。

4.5.3　混凝土的质量控制

1)混凝土强度的数理统计参数

(1)混凝土强度平均值cu

混凝土的强度平均值cu可按下式计算：

(4-24)

式中：n——实验组数；

fcu,i——第i组试件的立方体强度值，MPa。

(2)混凝土强度标准差σ

混凝土强度标准差也称为均方差，可按下式计算：

(4-25)

标准差σ是评定混凝土质量均匀性的主要指标，是混凝土强度正态分布曲线图中拐点到强度平均值的距离。σ值越大，正态分布曲线就越矮越宽，强度离散程度越大，混凝土质量也越不稳定。

(3)变异系数Cv

变异系数也称为离差系数，可按下式计算：

(4-26)

变异系数Cv是评定不同强度等级的混凝土质量均匀性的指标，反映混凝土强度的相对离散程度。Cv值越小，混凝土的质量越稳定。

2)混凝土强度保证率P

混凝土强度保证率P(%)是指混凝土强度总体分布中，不小于设计要求的强度等级标准值(fcu,k)的概率，以正态分布曲线的阴影部分面积表示，如图4.13所示。强度保证率的确定方法如下：首先根据混凝土设计要求的强度等级(fcu,k)、混凝土的强度平均值cu)、标准差(σ)或变异系数(Cv)，计算出概率度t。

　或　

(4-27)

然后根据计算出的概率度t值，查表4.37，得出强度保证率P(%)。

表4.37　不同t值的保证率P(GB 50010—2010)

工程中P(%)可根据统计周期内，混凝土试件强度不低于要求强度等级标准值的组数与试件总组数之比来求得，按下式计算：

%

(4-28)

式中：P——统计周期内实测混凝土强度达到强度标准值组数的百分数；

N0——统计周期内同强度等级混凝土的强度实测值达到强度标准值的试件组数；

N——统计周期内同强度等级混凝土的试件组数，N≥30。

3)混凝土配制强度(fcu,0)

实际配制混凝土时，若混凝土配制强度取其设计强度等级，根据正态分布曲线可知，此时混凝土的强度保证率只有50%。为了保证混凝土的强度保证率满足设计要求，在进行配合比设计时，必须使混凝土的配制强度高于设计强度，按下式计算：

fcu,0≥fcu,k+tσ

(4-29)

根据混凝土强度保证率的要求，在表4.37中查出概率度t值。施工水平越差，设计要求的混凝土保证率就越高，配制强度就越高。《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)规定，混凝土的强度保证率为95%，对应的概率度t=1.645。

4.5.4　混凝土的质量评定

根据《混凝土强度检验评定标准》(GB/T 50107—2010)规定，混凝土强度评定方法分为两种：统计方法和非统计方法。

1)统计方法

(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保持稳定时，标准差可根据前一时期生产积累的同类混凝土强度数据确定，则每批混凝土的强度标准差为常数。

强度评定应由连续3组试件组成一个检验批，其强度应同时符合下列要求：

mfcu≥fcu,k+0.7σ0

(4-30)

fcu,min≥fcu,k-0.7σ0

(4-31)

式中：mfcu——同一检验批混凝土立方体抗压强度平均值，MPa；

fcu,min——同一检验批混凝土立方体抗压强度最小值，MPa；

fcu,k——混凝土强度标准值，MPa。

检验批混凝土立方体抗压强度的标准差σ0应按下式计算：

(4-32)

式中：fcu,i——前一检验期内同一品种、同一强度等级的第i组混凝土试件的立方体抗压强度，MPa；该检验期不应少于60d，也不得大于90d；

mfcu——前一检验批混凝土强度平均值，MPa；

n——前一检验期内的样本容量，n≥45。

当混凝土强度等级不高于C20时，强度的最小值尚应满足下式要求：

fcu,min≥0.85fcu,k

(4-33)

当混凝土强度等级高于C20时，强度的最小值尚应满足下式要求：

fcu,min≥0.9fcu,k

(4-34)

(2)标准差未知方案

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、同一强度等级混凝土，无足够的数据用以确定检验批混凝土强度的标准差时，应由不少于10组的试件组成一个检验批，其强度应同时满足下列要求：

mfcu-λ1Sfcu≥fcu,k

(4-35)

fcu,min≥λ2fcu,k

(4-36)

同一检验批混凝土立方体抗压强度的标准差应按下式计算：

(4-37)

式中：fcu,i——同一检验批同一品种、同一强度等级的第i组混凝土试件的立方体抗压强度，MPa；

mfcu——同一检验批混凝土强度平均值，MPa；

Sfcu——同一检验批混凝土强度标准差，MPa；当检验批混凝土强度标准差计算值小于2.5MPa时，应取2.5MPa；

n——检验期内的样本容量，n≥10；

λ1、λ2——合格评定系数，按表4.38取用。

表4.38　混凝土强度的合格评定系数(GB/T 50107—2010)

2)非统计方法

当样本容量小于10组时，混凝土强度的评定应采用非统计方法。混凝土强度应同时符合下列规定：

mfcu≥λ3fcu,k

(4-38)

fcu,min≥λ4fcu,k

(4-39)

式中：λ3、λ4——合格评定系数，按表4.39取用。

表4.39　混凝土强度的非统计方法合格评定系数(GB/T 50107—2010)

3)混凝土强度的合格性评定

混凝土强度应分批进行检验评定，当检验结果满足以上规定时，则该批混凝土强度评定为合格；反之，评定为不合格。对不合格批混凝土制成的结构或构件，可采用钻芯法或其他非破损检验方法进行进一步鉴定。对不合格的结构或构件，必须及时处理。

4.6　其他品种混凝土

4.6.1　高强混凝土

《高强混凝土结构技术规程》(CECS 104:99)规定：高强混凝土是采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物掺合料，以常规工艺配制的强度等级为C50～C80的混凝土。

高强混凝土的抗压强度高，一般为普通强度混凝土的4～6倍，可缩小构件的截面积，减轻自重；抗变形能力强，可提高构件刚度，改善建筑物的变形性能；密实度大，抗渗、抗冻性均优于普通混凝土，除应用于高层、大跨度结构外，还多用于海洋及港口工程；耐海水侵蚀及海浪冲刷性也比较好，可提高工程使用寿命。

配制高强混凝土宜选用强度等级不低于52.5MPa的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥；对于C50混凝土，必要时可采用42.5MPa的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。粗、细骨料应质地坚硬，级配良好。高强混凝土的配合比应根据施工工艺要求的和易性和结构设计要求的强度、充分考虑施工运输和环境温度等条件进行设计；当处于侵蚀性介质作用的环境时，还应考虑耐久性的要求。高强混凝土的水胶比为0.25～0.42，强度等级越高，水胶比越低。拌制高强混凝土不得采用自落式搅拌机，配料应采用自动计量装置，严格控制用水量，严禁在拌合物出搅拌机后加水，必要时可采用后掺法加入粉状或水状的高效减水剂。

4.6.2　高性能混凝土(HPC)

高性能混凝土是高强混凝土的重要发展方向，具有广阔的发展前景。《高性能混凝土应用技术规程》(CECS 207:2006)规定：高性能混凝土是采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求的各项力学性能，且具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。处于多种劣化因素综合作用下的混凝土结构宜采用高性能混凝土。

高性能混凝土的水胶比较低，掺入高效减水剂可保证混凝土在用水量较小的情况下，具有满足施工要求的和易性。粗、细骨料应质地坚硬，级配良好，针、片状颗粒含量应严格控制，且粗骨料粒径不宜过大。掺入适量的矿物掺合料粉，可提高混凝土的密实度，进而提高混凝土强度和耐久性，减少结构的维修费用，延长使用寿命。

高性能混凝土适用于桥梁工程、高层建筑、海港工程、水工建筑物等。

4.6.3　轻骨料混凝土

轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土。由轻砂做细骨料配制而成的轻骨料混凝土为全轻混凝土；由普通砂或部分轻砂做细骨料配制而成的为砂轻混凝土；由轻粗骨料、水泥和水配制而成的无砂或少砂混凝土为大孔轻骨料混凝土；在轻粗骨料中掺入适量普通粗骨料，干表观密度大于1950kg/m3，且小于或等于2300kg/m3的混凝土为次轻混凝土。

按轻骨料品种，可将轻骨料混凝土分为3类：天然轻骨料混凝土，如浮石混凝土、火山渣混凝土、多孔凝灰岩混凝土；人造轻骨料混凝土，如页岩陶粒混凝土、黏土陶粒混凝土、膨胀珍珠岩混凝土；工业废料轻骨料混凝土，如粉煤灰陶粒混凝土、膨胀矿渣珠混凝土、自燃煤矸石混凝土、炉渣混凝土等。

按照在建筑工程中的用途，可将轻骨料混凝土分为3类：保温轻骨料混凝土，主要用于围护结构或热工构筑物；结构保温轻骨料混凝土，用于配筋或不配筋的围护结构；结构轻骨料混凝土，用于承重的配筋构件、预应力构件或构筑物。

轻骨料混凝土的强度等级按立方体抗压强度标准值划分为LC5.0、LC7.5、LC10、LC15、LC20、LC25、LC30、LC35、LC40、LC45、LC50、LC55和LC60。

轻骨料混凝土主要特点是轻质高强，LC30以上的轻骨料混凝土的干表观密度为1600～1900kg/m3，比同强度等级的普通混凝土轻25%～30%；轻骨料的孔隙率比较大，故其绝热性能好；弹性模量较小，对地震带来的冲击能吸收得快，抗震效果好。轻骨料混凝土主要适用于高层建筑、大跨度结构、软土地基、抗震结构以及有节能要求的建筑物等。

4.6.4　泵送混凝土

混凝土在泵压作用下经管道输送到指定地点进行浇筑的，称为泵送混凝土。泵送混凝土不但要满足混凝土强度和耐久性的要求，还应满足可泵性要求，可用压力泌水实验结合施工经验进行控制。

《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T 10—1995)规定：泵送混凝土最小胶凝材料总量为300kg/m3；水胶比为0.4～0.6；砂率为38%～45%；掺入引气型外加剂时，混凝土含气量不宜超过4%；粗骨料最大粒径与输送管径之比应满足表4.40；不同泵送高度混凝土入泵时的坍落度应满足表4.41；混凝土随时间而引起坍落度损失见表4.42。

表4.40　粗骨料最大粒径与输送管径之比(JGJ/T 10—1995)

续表4.40

表4.41　不同泵送高度混凝土入泵时的坍落度选用值(JGJ/T 10—1995)

表4.42　混凝土坍落度经时损失值(JGJ/T 10—1995)

泵送混凝土尤其适用于无法浇筑或不宜捣实的部位，广泛应用于建筑工程、市政工程及水利工程等。

4.6.5　纤维混凝土

纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向均匀分散的纤维而制成的复合材料，包括钢纤维混凝土、合成纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、天然植物纤维混凝土、混杂纤维(不同类别、不同规格的短纤维混合而成)混凝土等。纤维的主要作用是限制外力作用下混凝土中裂缝的开展，对抗压强度没有明显影响。

钢纤维混凝土适用于对抗拉强度、抗折强度、抗剪强度、弯曲韧性、抗裂性能、抗冲击性能、抗疲劳性能以及抗震、抗爆等性能要求较高的混凝土工程或其局部部位。合成纤维混凝土适用于混凝土早期收缩裂缝控制和对混凝土抗冲击、抗疲劳、弯曲韧性以及对混凝土整体性能有一定要求的混凝土工程或其局部部位。

复习思考题

1.填空题

(1)混凝土由________、________、________、________、________组成。其中，适量的________具有缓凝作用。

(2)混凝土用砂按产源可分为________和________，按照颗粒级配可分为1、2、3区砂。

(3)混凝土用石子按产源可分为________和________。

(4)石子的压碎指标值越大，石子的强度越________。

(5)在配合比相同的情况下，碎石混凝土的和易性________于卵石混凝土；碎石混凝土的强度________于卵石混凝土。

(6)混凝土拌合物的和易性包括________、________和________三方面内容。和易性的评定时，定量评定的是________；根据直观经验进行定性分析的是________和________。

(7)混凝土按照流动性可分为________和________，分别用________和________来表示。

(8)混凝土立方体抗压强度试验标准试件的尺寸________，混凝土轴心抗压强度试验标准试件的尺寸________。

(9)为保证混凝土的耐久性，必须满足________水胶比和________胶凝材料用量的要求。

(10)混凝土配合比设计中，水胶比主要由________和________确定；砂率依据________和________确定。

(11)配制混凝土过程中，若拌合物流动性过大，应保证________不变，加________；若拌合物流动性过小，应保证________>不变，加________；若黏聚性和保水性不好，则应提高________>。

2.简述题

(1)普通混凝土的组成材料分为几种？在混凝土凝固硬化前后各有什么作用？

(2)什么是骨料级配？骨料级配对混凝土性能有何影响？

(3)什么是混凝土拌合物的和易性？影响和易性的因素有哪些？如何改善混凝土拌合物的和易性？

(4)什么是最佳砂率？在混凝土中选择最佳砂率有什么意义？

(5)混凝土配合比设计有什么要求？如何确定配合比设计中的3个重要参数？

(6)什么是碱骨料反应？怎样抑制碱骨料反应？

(7)影响混凝土耐久性的因素有哪些？

3.计算题

(1)烘干天然砂样500g，筛分结果如下表，试评定该砂的颗粒级配及粗细程度。

(2)某钢筋混凝土梁的截面尺寸为200mm×400mm，钢筋最小净间距为45mm，钢筋混凝土实心板厚100mm，施工时混凝土梁和板一起浇筑，试确定该混凝土中石子的最大粒径。

(3)某混凝土结构设计强度为C30，要求具有95%的强度保证率，当强度发展为设计强度的65%时可以拆模，试确定几天后可以拆模。若实测7d龄期的抗压强度为21MPa，则该混凝土能否满足设计要求？若采用碎石、42.5MPa普通水泥、河砂配制该混凝土，其中粒化高炉矿渣粉掺量为40%，则实际水胶比为多少？

(4)某混凝土拌合物的设计配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水=1∶0.33∶2.71∶5.58∶0.73，混凝土拌合物的表观密度为2445kg/m3，则1m3混凝土中各种材料的用量为多少？若现场砂的含水率为2.5%，石子含水率为1%，求施工配合比。

(5)已知混凝土的实验室配合比为水泥∶矿渣粉∶砂∶石子∶水=1∶0.55∶2.88∶5.65∶0.77，且水泥用量为300kg/m3混凝土。若施工现场砂的含水率为3%，石子的含水率为0.85%，搅拌机的出料容量为800L，求混凝土拌合物的表观密度及每次搅拌的投料量。

(6)某现浇室内钢筋混凝土梁，混凝土设计强度等级为C30，施工要求坍落度为35～50mm，施工采用机械搅拌，机械振捣，施工单位混凝土标准差为3.5MPa。采用原材料情况如下：

水泥：42.5MPa的普通硅酸盐水泥，实测强度为45.4MPa，密度为ρc=3.1g/cm3；

矿物掺合料：不掺入；

砂：2区中砂，Mx=2.6，表观密度ρs=2.65g/cm3；

石子：碎石，最大粒径Dmax=40mm，连续级配且级配合格，表观密度ρg=2.75g/cm3；

水：自来水。

试设计该混凝土的初步配合比。

(7)某室内钢筋混凝土结构，混凝土设计强度等级为C30，掺入S95级粒化高炉矿渣粉。施工要求坍落度为35～50mm，采用机械搅拌和机械振捣，该施工单位无历史统计资料。采用的原材料如下：

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，密度ρc=3.1g/cm3；

矿物掺合料：S95级粒化高炉矿渣粉，密度ρ=2.30g/cm3；

砂：细度模数2.7，2区砂，密度ρs=2.60g/cm3；

碎石：5～40mm，级配合格，密度ρg=2.70g/cm3；

水：自来水。

试设计该混凝土的初步配合比。若施工现场砂的含水率为2.8%，石子含水率为0.9%，求该混凝土的施工配合比。