第五节硬化混凝土的耐久性

混凝土的耐久性：用于构筑物的混凝土，不仅要具有能安全承受荷载的强度，还应具有耐久性，即要求混凝土在长期使用环境条件的作用下，能抵抗内、外不利影响，而保持其使用性能不变的性质。

一、混凝土的抗渗性：

是指其抵抗水、油等压力液体渗透作用的能力。

它对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为环境中的各种侵蚀介质只有通过渗透才能进入混凝土内部产生破坏作用。

1、提高混凝土抗渗性的关键：提高密实度，改善混凝土的内部孔隙结构。

2、具体措施：降低水灰比，采用减水剂，，掺加引气剂，选用致密、干净、级配良好的骨料，加强养护等。

3、表示方法：以抗渗标号来表示，如S4、S8等，即表示混凝土能抵抗0.4Mpa、0.8Mpa等的水压力而不渗水。

二、混凝土的抗冻性：

是指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。

混凝土的冻融破坏原因是混凝土中水结冰后发生体积膨胀，当膨胀力超过其抗拉强度时，便使混凝土产生微细裂缝，反复冻融裂缝不断扩展，导致混凝土强度降低直至破坏。

1、提高混凝土抗冻性的关键：提高密实度。措施是减小水灰比，掺加引气剂或减水型引气剂等。

2、表示方法：以抗冻标号来表示，抗冻标号是以龄期28天的石块在吸水饱和后于-15~20⁰ C反复冻融循环，用抗压强度下降不超过25%，且重量损失不超过5%时，所能承受的最大冻融循环次数来表示。混凝土分以下九个抗冻等级：D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250、D300，分别表示混凝土能够承受反复动融循环次数不小于10、15、25、50、100、150、200、250和300次。

以上是用慢冻法确定抗冻性，对于抗冻性要求高的混凝土，也可用快冻法，即同时满足相对弹性模量值不小于60%，重量损失率不超过5%时的最大循环次数来表示其抗冻性指标。

三、混凝土的抗侵蚀性：

环境介质对混凝土的化学侵蚀主要是对水泥石的侵蚀，提高混凝土的抗侵蚀性主要在于选用合适的水泥品种，以及提高混凝土的密实度。

四、混凝土的碳化：

是指环境中的CO₂ 和混凝土内水泥石中的Ca(OH)₂ 反应，生成碳酸钙和水，从而使混凝土的碱度降低（也称中性化）的现象。

碳化对混凝土的作用，利少弊多，由于中性化，使混凝土中的钢筋因失去碱性保护而锈蚀，碳化收缩会引起微细裂缝，使混凝土强度降低。碳化对混凝土的性能也有有利的影响，表层混凝土碳化时生成的碳酸钙，可填充水泥石的孔隙，提高密实度，对防止有害介质的侵入具有一定的缓冲作用。

提高抗碳化能力的措施：降低水灰比，采用减水剂以提高混凝土密实度，

五、混凝土的碱-骨料反应：

是指混凝土中含有活性二氧化硅的骨料与所用水泥中的碱（Na₂ O和K₂ O）在有水的条件下发生反应，形成碱—硅酸凝胶，此凝胶吸水肿胀并导致混凝土胀裂的现象。

由上可知，水泥中含碱量高、骨料中含有活性二氧化硅及有水存在是碱骨料反应的主要因素。

预防措施：可采用低碱水泥，对骨料进行检测，不用含活性SiO₂ 的骨料，掺用引气剂，减小水灰比及掺加火山灰质混合材料等。

第六节硬化混凝土的变形性

硬化混凝土除了受荷载作用产生变形外，在不受荷载作用的情况下，由于各种物理的或化学的因素也会引起局部或整体的休积变化。

如果混凝土处于自由的非约束状态，那么体积变化一般不会产生不利影响。但是，实际使用中的混凝土结构总会受到基础、钢筋或相邻部件的牵制，而处于不同程度的约束状态。即使单一的混凝土试块没有受到外部的制约，其内部各组成相互之间也还是互相制约，因而仍处于约束状态。因此，混凝土的体积变化会由于约束的作用在混凝土内部产生拉应力。众所周知，混凝土能承受较高的压应力，而其抗拉强度却很低，一般不超过抗压强度10%。从理论上讲，在完全约束条件下，混凝土内部产生的拉应力约有3至十几兆帕（取决于混凝土的休积变化特性和弹性特性）。所以，混凝土受约束时，由于体积变化过大产生的拉应力一旦超过其自身的抗拉强度时，就会引起混凝土开裂，产生裂缝。裂缝不仅是影响混凝土承受设计荷载能力的一个弱点，而且还会严重损害混凝土的耐久性和外观。

1、化学减缩：

混凝土体积的自发化学收缩是在没有干燥和其它外界影响下的收缩，其原因是水泥水化物的固体体积小于水化前反应物（水和水泥）产总体积。因此，混凝土的这种体积收缩是由水泥的水化反应所产生的固有收缩，亦称为化学减缩。

2、温度变形：

混凝土与通常固体材料一样呈现热胀冷缩。一般室温变化对于混凝土没有什么大影响。但是温度变化很大时，就会对混凝土产生重要影响。

混凝土的温度变形稳定性取决于：

（1）温度升高或降低的程度；

（2）其组成的热膨胀系数；当温度变化引起的骨料颗粒体积变化与水泥石体积变化相差很大时，或者骨料颗粒之间的膨胀系数有很大差别时，都会产生有破坏性的内应力。许多混凝土的裂缝与剥落实例都与此有关。

（3）混凝土内部与外部的温差对体积稳定性产生的影响。即大体积混凝土存在的温度变形问题。

为了减少大体积混凝土体积变形引起的开裂，目前常用的方法有：

①用低水化热水泥和尽量减少水泥用量；

②尽量减少用水量，提高混凝土强度；

③选用热膨胀系数低的骨料，减小热变形；

④预冷原材料；

⑤合理分缝、分块、减轻约束；

⑥在混凝土中埋冷却水管；

⑦表面绝热，调节表面温度的下降速率等。

3、混凝土的干缩湿胀：

处于空气中的混凝土当水分散失时，会引起体积收缩，称为干燥收缩；但受潮后体积又会膨胀，即为湿胀。

混凝土在第一次干燥后，若再放入水中（或较高湿度环境中），将发生膨胀。可是，并非全部初始干燥产生的收缩都能为膨胀所恢复，即使长期置于水中也不可能全部恢复。因此，干燥收缩可分为可逆收缩两类。可逆收缩属于每次干湿循环所产生的总收缩的一部分；不可逆收缩则属于每次干燥总收缩的一部分，在继续的干湿循环过程中不再产生。事实上，经过第一次干燥、再潮湿后的混凝土的后期干燥收缩将减小，即第一次干燥由于存在不可逆收缩，改善了混凝土的体积稳定性，这有助于混凝土制品的制造。

4、荷载作用下的变形：

（1）混凝土在短期荷期作用下的变形：

混凝土在短期荷载作用下的变形可分为四个阶段

第一阶段是混凝土承受的压应力低于30%极限应力时；混凝土内部产生基本稳定的微裂缝，混凝土的受压应力应变曲线近似呈直线状。

第二阶段是混凝土承受的压应力约为30%~50%极限应力时；裂缝缓慢伸展，但仍很独立，混凝土的受压力应变曲线随界面裂缝的演变逐渐偏离直线，产生弯曲。

第三阶段是混凝土承受的压应力约为50%~75%极限应力时；裂缝逐渐增生发展，并相互搭接。

第四阶段是混凝土承受的压应力超过75%极限应力时；裂缝逐渐扩展为连续的裂缝体系，此时混凝土产生非常大的应变，其受压应力应变曲线明显弯曲，直到达到极限应力。

（2）混凝土在长期荷期作用下的变形—徐变：

混凝土承受持续荷载作用时，随时间的延长而增加的变形，称为徐变。

混凝土的徐变在加荷早期增长较快，然后逐渐减慢，当混凝土卸载后，一部分变形迅速恢复，还有一部分要过一段时间才恢复，称徐变恢复。剩余不可恢复部分称残余变形。

混凝土的徐变对混凝土及钢筋混凝土结构物的应力和应变状态有很大影响。徐变可能超过弹性变形，甚至达到弹性变形的2-4倍。在某些情况下，徐变有利于削弱由温度、干缩等引起的约束变形，从而防止裂缝的产生。但在预应力结构中，徐变将产生应力松弛，引起预应力损失，造成不利影响。因此在混凝土结构设计时，必须充分考虑徐变的有利和不利影响。

影响混凝土徐变大小的主要因素，也是水泥用量多少和水灰比大小，即水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。

第七节混凝土的质量检验和评定

一、混凝土质量波动的原因：
在混凝土施工过程中，原材料、施工养护、试验条件、气候因素的变化，均可能造成混凝土质量的波动，影响到混凝土的和易性、强度及耐久性。由于强度是混凝土的主要技术指标，其他性能可从强度得到间接反映，故以强度为例分析波动的因素。

（一）原材料的质量波动：

原材料的质量波动主要有：砂细度模数和级配的波动；粗骨料最大粒径和级配的波动；骨料含泥量的波动；骨料含水量的波动；水泥强度（不同批或不同厂家的实际强度可能不同）的波动；外加剂质量的波动（如液体材料的含固量、减水剂的减水率等）等等。所有这些质量波动，均将影响混凝土的强度。在现场施工或预拌工厂生产混凝土时，必须对原材料的质量加以严格控制，及时检测并加以调整，尽可能减少原材料质量波动对混凝土质量的影响。
（二）施工养护引起的混凝土质量波动：
混凝土的质量波动与施工养护有着十分紧密的关系。如混凝土搅拌时间长短；计量时未根据砂石含水量变动及时调整配合比；运输时间过长引起分层、析水；振捣时间过长或不足；浇水养护时间，或者未能根据气温和湿度变化及时调整保温保湿措施等等。
（三）试验条件变化引起的混凝土质量波动：
试验条件的变化主要指取样代表性，成型质量（特别是不同人员操作时），试件的养护条件变化，试验机自身误差以及试验人员操作的熟练程度等等。

三、混凝土的质量控制：

加强质量控制是现代化科学管理生产的重要环节。混凝土质量控制的目标，是生产出质量合格的混凝土，其质量控制包括以下三个过程：

（1）混凝土生产前的初步控制；主要包括人员配备、设备调试、组成材料的检验及配合比的确定和调整等项目。

（2）混凝土生产过程中的控制；包括控制称量、搅拌、运输、浇筑、振捣及养护等项内容。

（3）混凝土生产后的合格性控制。包括批量划分、确定批取样数、确定检测方法和验收界限等项内容。

在以上过程的任意步骤中都存在着质量的随机波动。故进行混凝土质量控制时如做出质量评定就必须用数理统计方法。在混凝土生产质量管理中，由于混凝土的抗压强度与其它性能有较好的相关性，能较好的反映出混凝土整体的质量情况，因此，工程中通常以混凝土抗压强度作为评定和控制其质量的主要指标。

四、混凝土强度质量的评定：
（一）、混凝土强度的波动的规律：

在正常的原材料供应和施工条件下，混凝土的强度有时偏高，有时偏低，但总是在配制强度的附近波动，质量控制越严，施工管理水平越高，则波动的幅度越小；反之，则波动的幅度越大。通过大量的数理统计分析和工程实践证明，混凝土的质量波动符合正态分布规律，正态分布曲线见图4-19。

图4-19正态分布曲线

正态分布的特点：
1．曲线形态呈钟型，在对称轴的两侧曲线上各有一个拐点。拐点至对称轴的距离等于1个标准差。
2．曲线以平均强度为对称轴两边对称。即小于平均强度和大于平均强度出现的概率相等。平均强度值附近的概率（峰值）最高。离对称轴越远，出现的概率越小。
3．曲线与横座标之间围成的面积为总概率，即100%。
4．曲线越窄、越高，相应的标准差值（拐点离对称距离）也越小，表明强度越集中于平均强度附近，混凝土匀质性好，质量波动小，施工管理水平高。若曲线宽且矮，相应的标准差越大，说明强度离散大、匀质性差、施工管理水平差。因此从概率分布曲线可以比较直观地分析混凝土质量波动的情况。
混凝土强度的均匀性，通常采用数理统计方法加以评定，主要评定参数有：
①、强度平均值：
混凝土强度平均值按下式计算：

理论上，平均强度与该批混凝土的配制强度相等，它只反映该批混凝土强度的总平均值，而不能反映混凝土强度的波动情况。例如平均强度20MPa，可以由15 MPa、20 MPa、25MPa求得，也可以由18 MPa、20 MPa、22MPa求得，虽然平均值相等，但它们的均匀性显然后者优于前者。
②、标准差：
混凝土强度标准差按下式计算：

式中：n——该批混凝土试件立方体抗压强度的总组数；（n≥25）

f_{cu ， i} ——第i组试件的抗压强度值；MPa

——n组抗压强度的算术平均值；Mpa

σ——n组抗压强度的标准差。Mpa

由正态分布曲线可知，标准差在数值上等于拐点至对称轴的距离。其值越小，反映混凝土质量波动越小，均匀性越好。对平均强度相同的混凝土而言，标准差能确切反映混凝土质量的均匀性，但当平均强度不等时，并不确切。例如平均强度分别为20MPa和50MPa的混凝土，当均等于5MPa时，对前者来说波动已很大，而对后者来说波动并不算大。因此，对不同强度等级的混凝土单用标准差值尚难以评判其匀质性，宜采用变异系数加以评定。

σ值越大，强度分布曲线越矮越宽，说明强度的离散程度越大，反应了生产水平低下，强度质量不稳定。
③、变异系数C_v ：
变异系数C_v 根据下式计算：

变异系数亦即为标准差与平均强度的比值，实际上反映相对于平均强度而言的变异程度。其值越小，说明混凝土质量越均匀，波动越小。根据GBJ107—87中规定，混凝土的生产质量水平，可根据不同强度等级，在统计同期内混凝土强度的标准差和试件强度不低于设计等级的百分率来评定。并将混凝土生产单位质量管理水平划分为“优良”、“一般”及“差”三个等级。见表4-20。

（二）混凝土的强度保证率（P%）：
根据数理统计的概念，强度保证率指混凝土强度总体中大于设计强度等级的概率，亦即混凝土强度大于设计等级的组数占总组数的百分率。可根据正态分布的概率函数计算求得。

首先计算出概率度t：

式中：t——概率度，或称为保证率系数；

f_{cu ， k} ——混凝土强度等级标准值。
根据t值，可计算强度保证率P。由于计算比较复杂，一般可根据表4-21直接查取P值。

（三）混凝土的配制强度：
从上述分析可知，如果混凝土的平均强度与设计强度等级相等，强度保证率系数t=0，此时保证率为50%，亦即只有50%的混凝土强度大于等于设计强度等级，工程质量难以保证。因此，必须适当提高混凝土的配制强度，以提高保证率。这里指的配制强度实际上等于混凝土的平均强度。根据我国JGJ55—2000的规定，混凝土强度保证率必须达到95%以上，此时对应的保证率系数t=1.645。

由下式得：f_cu,t =f_cu,k +t σ

式中：
f_cu,t ——混凝土的配制强度（MPa）；
σ ——当生产单位或施工单位具有统计资料时，可根据实际情况自行控制取值，当无统计资料和经验时，可参考下表4-22取值。

第八节普通混凝土的配合比设计

一、混凝土配合比设计基本要求：
混凝土配合比是指1m³ 混凝土中各组成材料的用量，或各组成材料之重量比。

（一）、配合比设计的四项基本要求：
1．满足施工要求的和易性。
2．满足设计的强度等级，并具有95%的保证率。
3．满足工程所处环境对混凝土的耐久性要求。
4．经济合理，最大限度节约水泥，降低混凝土成本。
（二）、混凝土配合比设计中的三个基本参数：
为了达到混凝土配合设计的四项基本要求，关键是要控制好水灰比（W/C）、单位用量（W₀ ）和砂率（S_p ）三个基本参数。

这三个基本参数的确定原则如下：
1．水灰比：水灰比根据设计要求的混凝土强度和耐久性确定。

确定原则为：在满足混凝土设计强度和耐久性的基础上，选用较大水灰比，以节约水泥，降低混凝土成本。
2．单位用水量：单位用水量主要根据坍落度要求和粗骨料品种、最大粒径确定。

确定原则为：在满足施工和易性的基础上，尽量选用较小的单位用水量，以节约水泥。因为当W/C一定时，用水量越大，所需水泥用量也越大。
3．砂率：合理砂率的确定原则为：砂子的用量填满石子的空隙略有富余。砂率对混凝土和易性、强度和耐久性影响很大，也直接影响水泥用量，故应尽可能选用最优砂率，并根据砂子细度模数、坍落度要求等加以调整，有条件时宜通过试验确定。
（三）、混凝土配合比设计的算料基准：
1、计算1m³ 混凝土拌合物中各材料的用量，以重量计。

2、计算时，骨料以干燥状态重量为准，所谓干燥状态，是指细骨料含水率小于0.5%，粗骨料含水率小于0.2%。

二、混凝土配合比设计的方法和步骤：
（一）、设计方法和原理：

混凝土配合比设计的基本方法有两种：一是体积法（又称绝对体积法）；二是重量法（又称假定表观密度法），基本原理如下：
1.体积法基本原理：体积法的基本原理为混凝土的总体积等于砂子、石子、水、水泥体积及混凝土中所含的少量空气体积之总和。

若以V_h 、V_c 、V_w 、V_s 、V_g 、V_k 分别表示混凝土、水泥、水、砂、石子、空气的体积，则有：

V_h =V_c ＋V_w ＋V_s ＋V_g ＋V_k

若以C₀ 、W₀ 、S₀ 、G₀ 分别表示1m³ 混凝土中水泥、水、砂、石子的用量（kg），以ρ _{w 、} ρ_c、 ρ_s、 ρ_g 分别表示水、水泥的密度和砂、石子的表观密度（g/cm³ ），

10α表示混凝土中空气体积，则上式可改为：

式中，为混凝土含气量百分率（%），在不使用引气型外加剂时，可取=1。
2.重量法基本原理：重量法基本原理为混凝土的总重量等于各组成材料重量之和。当混凝土所用原材料和三项基本参数确定后，混凝土的表观密度（即1m³ 混凝土的重量）接近某一定值。若预先能假定出混凝土表观密度，则有：

C₀ ＋W₀ ＋S₀ ＋G₀ = ρ₀

式中ρ₀ 为1m³ 为混凝土的重量（kg），即混凝土的表观密度。可根据原材料、和易性、强度等级等信息在2400～2450kg/m³ 之间选用。
混凝土配合比设计中砂、石料用量指的是干燥状态下的重量。水工、港工、交通系统常采用饱和面干状态下的重量。
（二）、混凝土配合比设计步骤：
混凝土配合比设计步骤为：首先根据原始技术资料计算“初步计算配合比”；然后经试配调整获得满足和易性要求的“基准配合比”；再经强度和耐久性检验定出满足设计要求、施工要求和经济合理的“试验室配合比”；最后根据施工现场砂、石料的含水率换算成“施工配合比”。
第一步：计算配合比的确定
1．计算混凝土配制强度（f_cu,t ）

f_cu,t =f_cu,k ＋1.645σ

2．计算水灰比（W/C）
（1）根据强度要求计算水灰比。
由式：，则有：
（2）根据耐久性要求查p47页表4-14，得最大水灰比限值。
（3）比较强度和耐久性要求的水灰比，取两者中的最小值。
3．确定1m³ 混凝土的用水量（W₀ ）

根据施工要求的坍落度和骨料品种、粒径、由p47页表4-15选取
4．计算1m³ 混凝土的水泥用量（C₀ ）
（1）计算水泥用量：
（2）查P47页表4-14，复核是否满足耐久性要求的最小水泥用量，取两者中的较大值。
5．确定合理砂率（S_p ）
（1）可根据骨料品种、粒径及W/C查P48页表4-16选取。实际选用时可采用内插法，并根据附加说明进行修正。
（2）在有条件时，可通过试验确定最优砂率。
6．计算砂、石用量（S₀ 、G₀ ），并确定初步计算配合比。
（1）重量法：

C₀ ＋W₀ ＋S₀ ＋G₀ = ρ₀

（2）体积法：

（3）配合比的表达方式：
①根据上述方法求得的C₀ 、W₀ 、S₀ 、G₀ ，直接以每立方米混凝土材料的用量（kg）表示。
②根据各材料用量间的比例关系表示：C₀ ：S₀ ：G₀ ＝1：S₀ /C₀ ：G₀ /C₀ ，再加上W/C值。
第二步：基准配合比和试验室配合比的确定
初步计算配合比是根据经验公式和经验图表估算而得，因此不一定符合实际情况，必经通过试拌验证。当不符合设计要求时，需通过调整使和易性满足施工要求，使W/C满足强度和耐久性要求。
1．和易性调整——确定基准配合比：根据初步计算配合比配成混凝土拌合物，先测定混凝土坍落度，同时观察粘聚性和保水性。如不符合要求，按下列原则进行调整：
（1）当坍落度小于设计要求时，可在保持水灰比不变的情况下，增加用水量和相应的水泥用量（水泥浆）。
（2）当坍落度大于设计要求时，可在保持砂率不变的情况下，增加砂、石用量（相当于减少水泥浆用量）。
（3）当粘聚性和保水性不良时（通常是砂率不足），可适当增加砂用量，即增大砂率。
（4）当拌合物显得砂浆量过多时，可单独加入适量石子，即降低砂率。
直到和易性满足要求后，调整和易性后提出的配合比即是可供混凝土试验用的基准配合比。

2．强度和耐久性复核——确定试验室配合比：

根据和易性满足要求的基准配合比和水灰比，配制一组混凝土试件；并保持用水量不变，水灰比分别增加和减少0.05再配制二组混凝土试件，用水量应与基准配合比相同，砂率可分别增加和减少1%。制作三组混凝土强度试件时，应同时检验混凝土拌合物的流动性、粘聚性、保水性和表观密度，并以此结果代表相应配合比的混凝土拌合物的性能。

三组试件经标准养护28天，测定抗压强度，以三组试件的强度和相应灰水比作图，确定与配制强度相对应的灰水比，并重新计算水泥和砂石用量。计作C_b 、 W_b 、 S_b 、 G_b 。

在混凝土和易性满足要求后，测定拌合物的实测表观密度（ρ_{c, t} ），并按下式计算每1m³ 混凝土的各材料用量——即实验室配合比：
令：混凝土计算表观密度ρ_{c, c} ＝C_b +W_b +S_b +G_b
则有：校正系数

C_sh =C_b ·δ

W_sh =W_b ·δ

S_sh =S_b ·δ

G_sh =G_b ·δ

式中：
ρ_c,c ——试拌调整后，各材料的实际总用量（kg）；
ρ_c,t ——混凝土的实测表观密度（kg/m³ ）；
C_b 、W_b 、S_b 、G_b ——试拌调整后，水泥、水、砂子、石子实际拌合用量（kg）；
C_sh 、W_sh 、S_sh 、G_sh ——实验室配合比中1m³ 混凝土的各材料用量（kg）。
如果初步计算配合比和易性完全满足要求而无需调整，也必须测定实际混凝土拌合物的表观密度，并利用上式计算C_sh 、W_sh 、S_sh 、G_sh 。否则将出现“负方”或“超方”现象。亦即初步计算1m³ 混凝土，在实际拌制时，少于或多于1m³ 。

当混凝土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，则初步计算配合比即为基准配合比，无需调整。

当对混凝土的抗渗、抗冻等耐久性指标有要求时，则制作相应试件进行检验。强度和耐久性均合格的水灰比对应的配合比，称为混凝土试验室配合比。
第三步：施工配合比的计算
试验室配合比是以干燥（或饱和面干）材料为基准计算而得，但现场施工所用的砂、石料常含有一定水分，因此，在现场配料前，必须先测定砂石料的实际含水率，在用水量中将砂石带入的水扣除，并相应增加砂石料的称量值。设砂的含水率为a%；石子的含水率为b%，则施工配合比按下列各式计算：

[例4-4]：某框架结构钢筋混凝土，混凝土设计强度等级为C30，现场机械搅拌，机械振捣成型，混凝土坍落度要求为50～70mm，并根据施工单位的管理水平和历史统计资料，混凝土强度标准差σ取4.0MPa。所用原材料如下：
水泥：听听加气混凝土砌块重度 。普通硅酸盐水泥32.5级，密度ρ_c =3.1，水泥强度富余系数K_c =1.12；
砂：河砂M_x =2.4，Ⅱ级配区，ρ _s =2.65g/cm³ ；
石子：碎石，D_max =40mm，连续级配，级配良好，ρ _g =2.70g/cm³ ；
水：自来水。
求：混凝土初步计算配合比。

[解] 1、确定混凝土配制强度（f_{cu, t} ）。
f_{cu, t} ＝f_cu,k +1.645σ＝30+1.645×4.0＝36.58（MPa）
2、确定水灰比（W/C）。
（1）根据强度要求计算水灰比（W/C）：

（2）根据耐久性要求确定水灰比（W/C）：
由于框架结构混凝土梁处于干燥环境，查47页表得最大水灰比为0.65，故取满足强度要求的水灰比0.45即可。
3、确定用水量（W₀ ）。
查表4-15可知，坍落度55～70mm时，用水量185kg；
4、计算水泥用量（C₀ ）。

根据表4-14，满足耐久性对水泥用量的最小要求。
5、确定砂率（S_p ）。
参照表4-16，通过插值（内插法）计算，取砂率S_p =32%。
6、计算砂、石用量（S₀ 、G₀ ）。
采用体积法计算，因无引气剂，取＝1。

解上述联立方程得：S₀ =577kg；G₀ =1227kg。
因此，该混凝土初步计算配合比为：C₀ =411kg，W₀ =185kg，S₀ =577kg，G₀ =1227kg。或者：C：S：G=1：1.40：2.99，W/C=0.45
[例4-5]：承上题，根据初步计算配合比，称取12L各材料用量进行混凝土和易性试拌调整。测得混凝土坍落度T=20mm，小于设计要求，增加5%的水泥和水，重新搅拌测得坍落度为65mm，且粘聚性和保水性均满足设计要求，并测得混凝土表观密度2392kg/m³ ，求基准配合比。又经混凝土强度试验，恰好满足设计要求，已知现场施工所用砂含水率4.5%，石子含水率1.0%，求施工配合比。
[解] 1、实验室配合比：
（1）根据初步计算配合比计算12L各材料用量为：

将初步配合比各种材料用量分别乘以0.012得：
C=4.932kg，W=2.220kg，S=6.92kg，G=14.72kg
（2）增加5%的水泥和水用量为：
ΔC＝0.247kg，ΔW＝0.111kg

（3）各材料总用量（计算表观密度）为；
ρ_c,c ＝（4.932+0.247）+（2.220+0.111）+6.92+14.92＝29.35（kg）

（4）根据式

校正系数·V=81.5·V（V是现有拌合物的实有体积）

C_{b 、} W_{b 、} S_b 、 G_b 分别等于调整后各材料用量除以现有拌和物的实有体积V

如C_b =5.179/V

C_sh =C_b ·δ

W_sh =W_b ·δ

S_sh =S_b ·δ

G_sh =G_b ·δ

计算得实验室配合比为：C_sh =422，W_sh =190，S_sh =564，G_sh =1215。
2、施工配合比：
根据题意，施工配合比为：
C＝C_sh ＝422kg
S=564×（1+4.5%）＝589kg
G＝1215×（1+1%）＝1227kg
W＝190-564×4.5%-1215×1%＝152kg
［例4-6］：承上题求得的混凝土实验室配合比，若掺入减水率为18%的高效减水剂，并保持混凝土落度和强度不变，实测混凝土表观密度ρ_h ＝2400kg/m³ 。求掺减水剂后混凝土的配合比。1m³ 混凝土节约水泥多少千克？
[解]（1）减水率18%，则实际需水量为：
W＝190-190×18%＝156kg
（2）保持强度不变，即保持水灰比不变，则实际水泥用量为：
C=156/0.45=347kg
（3）掺减水剂后混凝土配合比如下：
各材料总用量＝347+156+564+1215=2282

∴实际每立方米混凝土节约水泥：422-365=57kg。

第九节其它种类混凝土

一、轻混凝土：

轻混凝土是指表观密度小于1950kg/m³ 的混凝土。

可分为轻集料混凝土、多孔混凝土和无砂大孔混凝土三类。

轻混凝土的主要特点为：
1、表观密度小：轻混凝土与普通混凝土相比，其表观密度一般可减小1/4～3/4，使上部结构的自重明显减轻，从而显著地减少地基处理费用，并且可减小柱子的截面尺寸。又由于构件自重产生的恒载减小，因此可减少梁板的钢筋用量。此外，还可降低材料运输费用，加快施工进度。
2、保温性能良好：材料的表观密度是决定其导热系数的最主要因素，因此轻混凝土通常具有良好的保温性能，降低建筑物使用能耗。
3、耐火性能良好：轻混凝土具有保温性能好、热膨胀系数小等特点，遇火强度损失小，故特别适用于耐火等级要求高的高层建筑和工业建筑。
4、力学性能良好：轻混凝土的弹性模量较小、受力变形较大，抗裂性较好，能有效吸收地震能，提高建筑物的抗震能力，故适用于有抗震要求的建筑。
5、易于加工：轻混凝土中，尤其是多孔混凝土，易于打入钉子和进行锯切加工。这对于施工中固定门窗框、安装管道和电线等带来很大方便。
轻混凝土在主体结构中应用尚不多，主要原因是价格较高。但是，若对建筑物进行综合经济分析，则可收到显著的技术和经济效益，尤其是考虑建筑物使用阶段的节能效益，其技术经济效益更佳。
（一）、轻骨料混凝土：
用轻粗骨料、轻细骨料（或普通砂）和水泥配制而成的混凝土，其干表观密度不大于1950kg/m³ ，称为轻骨料混凝土。

当粗细骨料均为轻骨料时，称为全轻混凝土；当细骨料为普通砂时，称砂轻混凝土。
轻骨料的种类：凡是骨料粒径为5mm以上，堆积密度小于1000kg/m³ 的轻质骨料，称为轻粗骨料。粒径小于5mm，堆积密度小于1200kg/m³ 的轻质骨料，称为轻细骨料。
轻骨料按来源不同分为三类：

①天然轻骨料（如浮石、火山渣及轻砂等）；

②工业废料轻骨料（如粉煤灰陶粒、膨胀矿渣、自燃煤矸石等）；

③人造轻骨料（如膨胀珍珠岩、页岩陶粒、粘土陶粒等）。
轻骨料混凝土按干表观密度一般为800～1950kg/m³ ，共分为12个等级。强度等级按立方体抗压强度标准值分为CL5.0、CL7.5、CL10、CL15、CL20、CL25、CL30、CL35、CL40、CL45、CL50等11个等级。
按用途不同，轻骨料混凝土分为三类，其相应的强度等级和表观密度要求见表4-26。

轻骨料混凝土由于其轻骨料具有颗粒表观密度小、总表面积大、易于吸水等特点，所以其拌合物适用的流动范围比较窄，过大的流动性会使轻骨料上浮、离析；过小的流动性则会使捣实困难。流动性的大小主要取决于用水量，由于轻骨料吸水率大，因而其用水量的概念与普通混凝土略有区别。加入拌合物中的水量称为总用水量，可分为两部分，一部分被骨料吸收，其数量相当于1h的吸水量，这部分水称为附加用水量，其余部分称为净用水量，使拌合物获得要求的流动性和保证水泥水化的进行。净用水量可根据混凝土的用途及要求的流动性来选择。另外，轻骨料混凝土的和易性也受砂率的影响，尤其是采用轻细骨料时，拌合物和易性随着砂率的提高而有所改善。轻骨料混凝土的砂率一般比普通混凝土的砂率略大。
对于轻骨料混凝土，由于轻骨料自身强度较低，因此其强度的决定因素除了水泥强度与水灰比（水灰比考虑净用水量）外，还取决于轻骨料的强度。与普通混凝土相比，采用轻骨料会导致混凝土强度下降，并且骨料用量越多，强度降低越大，其表观密度也越小。
轻骨料混凝土的另一特点是，由于受到轻骨料自身强度的限制，因此，每一品种轻骨料只能配制一定强度的混凝土，如要配制高于此强度的混凝土，即使降低水灰比，也不可能使混凝土强度有明显提高，或提高幅度很小。
轻骨料混凝土与普通混凝土配合比设计中的不同之处主要有两点，一是用水量为净用水量与附加用水量两者之和；二是砂率为砂的体积占砂石总体积之比值。

（二）、多孔混凝土：

多孔混凝土中无粗、细骨料，内部充满大量细小封闭的孔，孔隙率高达60%以上。

多孔混凝土可分为加气混凝土和泡沫混凝土两种。近年来，也有用压缩空气经过充气介质弥散成大量微气泡，均匀地分散在料浆中而形成多孔结构。这种多孔混凝土称为充气混凝土。
根据养护方法不同，多孔混凝土可分为蒸压多孔混凝土和非蒸压（蒸养或自然养护）多孔混凝土两种。由于蒸压加气混凝土在生产和制品性能上有较多优越性，以及可以大量地利用工业废渣，故近年来发展应用较为迅速。
多孔混凝土质轻，其表观密度不超过1000kg/m³ ，通常在300～800kg/m³ 之间；保温性能优良，导热系数随其表观度降低而减小，一般为0.09～0.17W/m·k；可加工性好，可锯、可刨、可钉、可钻，并可用胶粘剂粘结。
（一）、蒸压加气混凝土：

蒸压加气混凝土是用钙质材料（水泥、石灰）、硅质材料（石英砂、尾矿粉、粉煤灰、粒状高炉矿渣、页岩等）和适量加气剂为原料，经过磨细、配料、搅拌、浇注、切割和蒸压养护（在压力为0.8MPa～1.5MPa下养护6～8h）等工序生产而成。

蒸压加气混凝土砌块可用作保温层。

蒸压加气混凝土砌块适用于承重和非承重的内墙和外墙。也可用作框架结构中的非承重墙。
（二）、泡沫混凝土：
泡沫混凝土是将由水泥等拌制的料浆与由泡沫剂搅拌造成的泡沫混合搅拌，再经浇注、养护硬化而成的多孔混凝土。
配制自然养护的泡沫混凝土时，水泥强度等级不宜低于32.5，否则强度太低。

泡沫混凝土的技术性质和应用，与相同表观密度的加气混凝土大体相同。也可在现场直接浇注，用作屋面保温层。
（三）、无砂大孔混凝土：

大孔混凝土指无细骨料的混凝土，按其粗骨料的种类，可分为普通无砂大孔混凝土和轻骨料大孔混凝土两类。普通大孔混凝土是用碎石、卵石、重矿渣等配制而成。轻骨料大孔混凝土则是用陶粒、浮石、碎砖、煤渣等配制而成。有时为了提高大孔混凝土的强度，也可掺入少量细骨料，这种混凝土称为少砂混凝土。
普通大孔混凝土的表观密度在1500～1900kg/m³ 之间，抗压强度为3.5～10MPa。轻骨料大孔混凝土的表现密度在500～1500kg/m³ 之间，抗压强度为1.5～7.5MPa。
大孔混凝土的导热系数小，保温性能好，收缩一般较普通混凝土小30%～50%，抗冻性优良。
大孔混凝土适用于制做墙体小型空心砌块、砖和各种板材，也可用于现浇墙体。普通大孔混凝土还可制成滤水管、滤水板等，广泛用于市政工程。

二、纤维混凝土
纤维混凝土是以普通混凝土为基体，外掺各种纤维材料而成。

掺入纤维的目的是提高混凝土的抗拉、抗弯、冲击韧性，也可以有效改善混凝土的脆性性质。

常用的纤维材料有钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维和合成纤维等。所用的纤维必须具有耐碱、耐海水、耐气候变化的特性。国内外研究和应用钢纤维较多，因为钢纤维对抑制混凝土裂缝的形成，提高混凝土抗拉和抗弯、增加韧性效果最佳，但成本较高，因此，近年来合成纤维的应用技术研究较多，有可能成为纤维混凝土主要品种之一。

在纤维混凝土中，纤维的含量，纤维的几何形状以及纤维的分布情况，对其性质有重要影响。以钢纤维为例：为了便于搅拌，一般控制钢纤维的长径比为60～100，掺量为0.5%～1.3%（体积比），尽可能选用直径细、截面形状非圆形的钢纤维，钢纤维混凝土一般可提高抗拉强度2倍左右，抗冲击强度提高5倍以上。
纤维混凝土目前主要用于复杂应力结构构件、对抗冲击性要求高的工程，如飞机跑道、高速公路、桥面面层、管道等。随着纤维混凝土技术的提高，各类纤维性能的改善，成本的降低，在建筑工程中的应用将会越来广泛。
三、聚合物混凝土：

聚合物混凝土是由有机聚合物、无机胶凝材料和骨料结合而成的新型混凝土，常用的有以下两类。
（一）聚合物浸渍混凝土（PIC）
将已硬化的混凝土干燥后浸入有机单体中，用加热或辐射等方法使混凝土孔隙内的单体聚合，使混凝土与聚合物形成整体，称为聚合物浸渍混凝土。
由于聚合物填充了混凝土内部的孔隙和微裂缝，从而增加了混凝土的密实度，提高了水泥与骨料之间的粘结强度，减少了应力集中，因此具有高强、耐蚀、抗冲击等优良的物理力学性能。与基材（混凝土）相比，抗压强度可提高2～4倍，一般可达150MPa。
聚合物浸渍混凝土适用于要求高强度、高耐久性的特殊构件，特别适用于输送液体的有筋管道、无筋管和坑道。
（二）聚合物水泥混凝土（PCC）
聚合物水泥混凝土是用聚合物乳液拌和水泥，并掺入砂或其他骨料而制成。生产工艺与普通混凝土相似，便于现场施工。
聚合物可用天然聚合物（如天然橡胶）和各种合成聚合物（如聚醋酸乙烯、苯乙烯、聚氯乙烯等）代替普通混凝土中的部分水泥而引入混凝土，使密实度的以提高。矿物胶凝材料可用普通水泥和高铝水泥。
通常认为，在混凝土凝结硬化过程中，聚合物与水泥之间没有发生化学作用，只是水泥水化吸收乳液中水分，使乳液脱水而逐渐凝固，水泥水化产物与聚合物互相包裹填充形成致密的结构，从而改善了混凝土的物理力学性能，表现为粘结性能好，耐久性和耐磨性高，抗折强度明显提高，但不及聚合物浸渍混凝土显著，抗压强度有可能下降。
聚合物水泥混凝土多用于无缝地面，也常用于混凝土路面和机场跑道面层和构筑物的防水层。

（三）、聚合物胶结混凝土：

聚合物胶结混凝土是一种以合成树脂为胶结材料，以砂、石及粉料为骨料的混凝土，又称树脂混凝土。它用聚合物有机胶凝材料完全取代水泥而引入混凝土。

树脂混凝土与普通混凝土相比，具有强度高和耐化学腐蚀性、耐磨性、耐水性、抗冻性好等优点。但由于成本高，所以应用不太广泛，仅限于要求高强、高耐蚀的特殊工程或修补工程用。另外，树脂混凝土外表美观，称为人造大理石，也被用于制成桌面、地面砖、浴缸等。

四、高强高性能混凝土:

根据《高强混凝土结构技术规程》（CECS104：99），将强度等级大于等于C50的混凝土称为高强混凝土；将具有良好的施工和易性和优异耐久性，且均匀密实的混凝土称为高性能混凝土；同时具有上述各性能的混凝土称为高强高性能混凝土；

而《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ55－2000）中则将强度等级大于等于C60的混凝土称为高强混凝土；《混凝土结构设计规范》（GB－2002）则未明确区分普通混凝土或高强混凝土，只规定了钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15，混凝土强度范围从C15～C80。

综合国内外对高强混凝土的研究和应用实践，以及现代混凝土技术的发展，将由常规材料和常规工艺配制的强度等级大于等于C60的混凝土称为高强度混凝土是比较合理的。
（一）、获得高强高性能混凝土的最有效途径：

1、改善原材料的性能：

主要有掺高性能混凝土外加剂和活性掺合料，并同时采用高强度等级的水泥和优质骨料。对于具有特殊要求的混凝土，还可掺用纤维材料提高抗拉、抗弯性能和冲击韧性；也可掺用聚合物等提高密实度和耐磨性。常用的外加剂有高效减水剂、高效泵送剂、高性能引气剂、防水剂和其它特种外加剂。

2、优化配合比：

普通混凝土配合比设计的强度-水灰比关系式在这里不再适用，必须通过试配优化后确定。

3、加强生产管理，严格控制每个生产环节。

目前我国应用较广泛的是C60～C80高强混凝土，主要用于桥梁、轨枕、高层建筑的基础和柱、输水管、预应力管桩等。

（二）、高强混凝土的特点：

1、高强混凝土的早期强度高，但后期强度增长率一般不及普通混凝土。故不能用普通混凝土的龄期—强度关系式（或图表），由早期强度推算后期强度。如C60～C80混凝土，3天强度约为28天的60%～70%；7天强度约为28天的80%～90%。
2．高强高性能混凝土由于非常致密，故抗渗、抗冻、抗碳化、抗腐蚀等耐久性指标均十分优异，可极大地提高混凝土结构物的使用年限。
3．由于混凝土强度高，因此构件截面尺寸可大大减小，从而改变“肥梁胖柱”的现状，减轻建筑物自重，简化地基处理，并使高强钢筋的应用和效能得以充分利用。
4．高强混凝土的弹性模量高，徐变小，可大大提高构筑物的结构刚度。特别是对预应力混凝土结构，可大大减小预应力损失。
5．高强混凝土的抗拉强度增长幅度往往小于抗压强度，即拉压比相对较低，且随着强度等级提高，脆性增大，韧性下降。
6．高强混凝土的水泥用量较大，故水化热大，自收缩大，干缩也较大，较易产生裂逢。
五、高强高性能混凝土的应用：
高强高性能混凝土作为建设部推广应用的十大新技术之一，是建设工程发展的必然趋势。发达国家早在20世纪50年代即已开始研究应用。我国约在20世纪80年代初首先在轨枕和预应力桥梁中得到应用。高层建筑中应用则始于80年代末，进入90年代以来，研究和应用增加，北京、上海、广州、深圳等许多大中城市已建起了多幢高强高性能混凝土建筑。
随着国民经济的发展，高强高性能混凝土在建筑、道路、桥梁、港口、海洋、大跨度及预应力结构、高耸建筑物等工程中的应用将越来越广泛，强度等级也将不断提高，C50～C80的混凝土将普遍得到使用，C80以上的混凝土将在一定范围内得到应用。

第四章课后习题与复习思考题

1、砂颗粒级配、细度模数的概念。
2、石子最大粒径、针片状颗粒的概念。
3、粗骨料最大粒径的限制条件。
4、混凝土拌合物和易性的概念、测试方法、主要影响因素。
5、影响混凝土强度的主要因素及提高强度的主要措施有哪些？
6、混凝土的砂率及合理砂率确定的原则是什么？
7、已知混凝土的水灰比为0.60，每m³ 混凝土拌合用水量为180kg，采用砂率33%，水泥的密度ρ_c ＝3.10g/cm³ ，砂子和石子的表观密度分别为ρ_s ＝2.62g/cm³ 及