37、建筑材料与检测（第2版）_在线翻页电子书免费阅读,发布_云展网
阅读云展网其他3D杂志
喜欢这样的3D电子杂志？您也可以在几分钟内把文档免费上传到云展网变成翻页书！[点击上传我的文档]
37、建筑材料与检测（第2版）
目录学习任务 1 绪论................................................1
学习任务 5 建筑砂浆..................................... 114
1.1 建筑材料的分类和作用 .........................3
5.1 砌筑砂浆............................................. 118
1.2 建筑材料的技术标准 .............................6
5.2 干混砂浆............................................. 124
1.3 建筑材料质量检测的有关规定 .............7
5.3 特种砂浆............................................. 126
本任务小结 ...................................................... 8
5.4 抹面砂浆............................................. 127
习题 .................................................................. 8
本任务小结.................................................. 128
习题 ............................................................. 128学习任务 2 建筑材料的基本性质...............9
学习任务 6 墙体材料 ................................. 130
2.1 材料的基本物理性质 ...........................11
2.2 材料的力学性能 ...................................22
6.1 砌墙砖................................................. 133
2.3 材料的耐久性 .......................................25
6.2 砌块..................................................... 145
本任务小结 .................................................... 25
6.3 墙用板材............................................. 150
习题 ................................................................ 26
本任务小结.................................................. 154
习题 ............................................................. 154学习任务 3 胶凝材料....................................28
学习任务 7 建筑钢材 ................................. 156
3.1 气硬性胶凝材料 ...................................32
3.2 水泥.......................................................41
7.1 钢材冶炼与分类................................. 160
本任务小结 .................................................... 55
7.2 钢材的主要技术性能......................... 162
习题 ................................................................ 56
7.3 钢材的加工......................................... 168
7.4 建筑钢材的标准与选用 ..................... 170学习任务 4 混凝土 ........................................58
7.5 钢材的防锈与防火............................. 182
7.6 建筑钢材的验收与储运 ..................... 184
4.1 混凝土概述 ...........................................60
本任务小结.................................................. 185
4.2 普通混凝土用骨料 ...............................62
习题 ............................................................. 185
4.3 普通混凝土的基本材料选用 ...............68
4.4 混凝土拌和物的和易性 .......................69
学习任务 8 建筑功能材料 ........................ 187
4.5 混凝土的强度 .......................................73
4.6 混凝土的变形性能 ...............................80
8.1 防水材料............................................. 189
4.7 混凝土的耐久性 ...................................82
8.2 绝热材料............................................. 202
4.8 混凝土外加剂及外掺料 .......................86
8.3 吸声与隔声材料................................. 206
4.9 混凝土质量控制与评定 .......................93
8.4 建筑塑料............................................. 210
4.10 普通混凝土配合比设计 .....................96
8.5 装饰材料............................................. 215
4.11 其他品种混凝土 ...............................104
本任务小结.................................................. 231
本任务小结 .................................................. 111
习题 ............................................................. 231
习题 .............................................................. 112
参考文献 ............................................................ 233学习任务 4
本章是课程重点之一，主要讲述普通混凝土的组成、技术性质、配合比设计和质量控制，并简单介绍了轻骨料混凝土及其他品种的混凝土。通过学习本章，应达到以下目标。
(1) 掌握普通混凝土的组成及其原材料的质量控制。
(2) 掌握普通混凝土的主要技术性质：和易性、强度、变形和耐久性。
(3) 了解混凝土外加剂的性能特点及使用注意事项。
(4) 熟悉普通混凝土的配合比设计程序。
(5) 了解普通混凝土的质量控制。
(6) 了解其他品种混凝土的特点及应用。学习要求
权重了解普通混凝土的组成材料特点，
普通混凝土的组成材料
20%能合理选用材料
普通混凝土的和易性
10%掌握普通混凝土的和易性、强度、 普通混凝土的强度
10%变形、耐久性
普通混凝土的变形性
普通混凝土的耐久性熟悉混凝土配合比设计
混凝土配合比设计程序了解混凝土的质量控制
混凝土的质量控制主要指标和程序了解高性能混凝土等其他混凝土 高性能混凝土等其他混凝土的主要特点及主要特点
应用学习任务 4
混凝土任 务 导读
混凝土简称为“砼”，是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。它是由胶结材料，集料、骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高、耐久性好、强度等级范围宽的特点，使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，而且在造船业、机械工业、海洋的开发、地热工程中，混凝土也是重要的材料(图 4.1)。(a) 品种多样的混凝土
(b) 施工后养护的混凝土(c) 混凝土搅拌运输车
(d) 混凝土设备
图 4.1 混凝土及相关机械设备
混凝土的发展
混凝土可以追溯到古老的年代，其所用的胶凝材料为黏土、石灰、石膏、火山灰等。从 19世纪 20 年代出现了波特兰水泥后，由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，特别是能耗较低，因而用途极为广泛(见无机胶凝材料)。20 世纪初期，有人发表了水胶比等学说，初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后，相继出现了轻集料
59建筑材料与检测
(第 2 版)混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。60 年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。
2010 年 1 月 12 日 16 时 53 分(北京时间 13 日 5 时 53 分)海地发生里氏 7.0 级地震，首都太子港及全国大部分地区受灾情况严重，截至 2010 年 1 月 26 日，世界卫生组织确认，此次海地地震已造成 11.3 万人丧生，19.6 万人受伤。此次地震中遇难者有联合国驻海地维和部队人员，其中包括 8 名中国维和人员。
而据法国一个建筑工程师组织表示，海地首都太子港在地震中遭遇如此大规模灾难的原因之一就是建筑质量不过关。海地地震发生之后，该建筑专家组经考察发现当地大量建筑为“豆腐渣”工程，钢筋混凝土的质量令人担忧。法国非政府组织“应急建筑工程师基金会”建筑师帕特里克·库隆贝尔和塞尔日·古诺在震后考察时也同样认为，海地不仅建筑材料质量差，盖楼时也有偷工减料之嫌。“人们为省钱，使用劣质钢筋、不足量的水泥和混凝土，这些建筑使用的螺纹钢筋强度很低甚至可以用手把它折弯，如图 4.2 所示。另外，它们表面过于光滑。从混凝土角度来看，水泥调配比例不当，导致混凝土质量不过关。”这些专家所说的表明了一个观点，就是此次“天灾”所造成的很大一部分损失则是由“人祸”所为，而该“人祸”的起因就是因使用不合格的混凝土所建造的房屋建筑。
图 4.2 海地地震中破裂的混凝土
4.1 混凝土概述4.1.1 混凝土的概念及特点
混凝土是指由胶凝材料、粗细骨(集)料、水(有时还加入外加剂和外掺材料)配合拌制而成的并具有一定强度的人造石材。混凝土的胶凝材料多用水泥，也可以使用其他胶结材料，如沥青、石膏、水玻璃、聚合物树脂等。自 1850 年出现第一批钢筋混凝土以来，混凝土已
60学习任务 4
混凝土发展成为当今世界用量最大、用途最广的工程材料。随着材料技术和施工技术的不断发展，混凝土的发展前景十分广阔。
混凝土有着十分显著的优点，包括以下几方面。
(1) 良好的可浇筑性。可浇筑成各种形状和尺寸的制品及结构物。
(2) 性能的多样性。可通过改变混凝土组成成分及其数量比例，获得具有不同物理力学性能的产品。
(3) 良好的耐久性和经济性。混凝土经久耐用，原材料来源广泛，成本低廉。
(4) 水泥混凝土与钢筋可牢固黏结，制得力学、耐久性能俱佳的钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土。
(5) 具有一定的美学特性。经过表面处理，可获得不同的质感与装饰效果。
混凝土同样也存在一些缺点，包括以下几个方面。
(1) 脆性大、延性低、易开裂、抗拉强度小，一般混凝土不单独使用，与钢筋共同工作形成钢筋混凝土。
(2) 自重大、比强度(强度与表观密度之比)低，施工时对于支撑要牢固，必要时必须经过验算。
(3) 对环境因素敏感，需较长时间保证养护条件，需要保证混凝土表面保持湿润，并且在天气寒冷时，要保证混凝土的入模温度不低于 5℃。
鉴于混凝土自重大、易开裂和抗拉强度小的特点，在针对跨度 4m 以上的混凝土现浇梁施工支设模板时，要求起拱范围为 1/1 000～3/1 000。4.1.2 混凝土的结构
水泥混凝土硬化后(即混凝土石)的结构如图 4.3 所示。其中，砂、石起骨架作用，水泥与水形成的水泥浆填充在砂石骨架空隙之中，并将砂、石包裹起来。水泥浆凝结硬化前，赋予混凝土拌和物一定的流动性，水泥浆硬化后，将砂、石胶结为一个整体。
图 4.3 水泥混凝土硬化后结构4.1.3 混凝土的分类
混凝土按照表观密度分为以下几种。
1) 重混凝土
表观密度大于 2 800kg/m3，采用表观密度较大的骨料配制而得，如重晶石、铁矿石等。
61建筑材料与检测
(第 2 版)此类混凝土对 X 射线、R 射线有较高的屏蔽能力，适用于人防、军事、防辐射工程。
2) 普通混凝土
表观密度为 2 000～2 800kg/m3，采用天然砂、石作骨料配制而成，广泛用于各类土木工程，本任务主要讨论此类混凝土。
3) 轻混凝土
表观密度小于 2 000kg/m3，包括轻骨料混凝土、多孔混凝土和无砂大孔混凝土，此类混凝土多用于有保温、隔热要求的部位，强度等级高的轻骨料混凝土也可用于承重结构。
混凝土还可按照其功能及用途分类，如结构混凝土、防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、道路混凝土、大体积混凝土、防辐射混凝土等；按照生产和施工方式分类，如泵送混凝土、预拌(商品)混凝土、喷射混凝土、真空脱水混凝土、离心混凝土、碾压混凝土、压力灌浆混凝土等。
4.2 普通混凝土用骨料
某住宅楼在建成仅 3 个月时出现屋面开裂，后发展至局部垮塌。经调查，事故的主要原因之一是该楼进深梁混凝土强度过低。该梁设计强度等级为 C30，但施工中未按规定预留试件，事故后鉴定混凝土强度仅达到 C15 等级要求。在梁的断口处可以清楚看到砂石未洗净，骨料中混杂有部分黏土块、石灰颗粒和树叶等杂质；同时，该梁混凝土采用了当地生产的 42.5 级普通硅酸盐水泥，事故后经鉴定水泥实测强度仅达到 35MPa 左右。
普通混凝土所用骨料按照粒径大小分为两种：粒径大于 4.75mm 的称为粗骨料，即石子；粒径小于 4.75mm 的称为细骨料，即砂。
普通混凝土用细骨料包括天然砂和机制砂。天然砂是自然生成的，经人工开采和筛分的粒径小于 4.75mm 的岩石颗粒，根据来源不同包括河砂、湖砂、山砂、淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒。其中河砂颗粒表面比较圆滑、洁净，且产源广泛，在建筑工程中应用最为广泛。机制砂系指经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于 4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，同样不包括软质、风化的颗粒。机制砂颗粒尖锐、有棱角、较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多、成本较高。普通混凝土用粗集料有碎石和卵石两种，其中碎石应用较多。
混凝土用骨料的表观密度不小于 2 500kg/m3，松散堆积密度不小于 1 350kg/m3，空隙率不大于 47%。
根据国标《建设用砂》(GB/T 1)、《建设用卵石、碎石》(GB/T 1)。的规定，砂、石按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类 3 种类别。Ⅰ类宜用于强度等级大于 C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度等级为 C30～C60 及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ类宜用于强度等级小于 C30 的混凝土或建筑砂浆。
混凝土中粗、细骨料的总体积一般占混凝土体积的 60%～80%，骨料质量的优劣将直接影响到混凝土各项性质的好坏。下面概括性地介绍对普通混凝土用砂、石的技术质量要求。
62学习任务 4
1．泥和泥块含量
含泥量是指骨料中粒径小于 75μm 颗粒的含量。泥块含量在细骨料中是指粒径大于1.18mm，经水洗、手捏后变成小于 600μm 的颗粒的含量；在粗骨料中则是指粒径大于4.75mm，经水洗、手捏后变成小于 2.36mm 的颗粒的含量。
骨料中的泥颗粒极细，会粘附在骨料表面，影响水泥石与骨料之间的胶结能力。而泥块会在混凝土中形成薄弱部分，对混凝土的质量影响更大。据此，对骨料中泥和泥块含量必须严加限制，如国标规定混凝土强度等级在 C30 或以上时，其砂、石中含泥量分别不得超过 3.0%和 1.0%。
2．有害物质含量
混凝土用的粗、细骨料中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、炉渣、煤块等杂物，并且骨料中硫化物、硫酸盐和有机物等的含量要符合建设用砂、石国标的相应骨料中有害物质含量限值的规定。对于砂，除了上面两项外，还有云母、轻物质(指密度小于 2 000kg/m3的物质)含量也须符合国标相应规定。如果是海砂，还应考虑氯盐含量。
2013 年 3 月 13 日，央视 315 曝光了深圳海砂危楼。深圳曝出居民楼房楼板开裂、墙体裂缝等问题，每逢雨天渗水不止。而根据深圳市政府的调查结果显示，问题的根源就是建设时使用大量海砂。海砂中超标的氯离子将严重腐蚀建筑中的钢筋，甚至倒塌。这样的“海砂危楼”在深圳并非个案，因为海砂可以节省一半的成本，所以很多无良心的开发商选择“海砂”做建筑混凝土。氯离子在混凝土里面对于钢筋的锈蚀引起的腐蚀引起结构的裂化，就像人的体内的癌细胞一样。从建筑结构上看，钢筋混凝土结构的裂化，是钢筋混凝土最主要的而且导致钢筋锈蚀比较重要的因素。不符合国家规定的含有超标氯离子的海砂，如果大量存在于建筑中，这个裂变侵蚀钢筋的过程，被专门划分为潜伏期与发展期，经历这两个阶段之后，使用海砂的建筑基本就可以称之为危楼。相比国家规定的 50 年民用建筑寿命，海砂建筑寿命短了很多。
千万不要轻视这种危害，因为含有氯离子的混凝土，对钢筋起着不间断的化学作用，这种化学作用直接破坏钢筋的保护膜，从而侵蚀钢筋的内部结构，也就是大家常说的钢筋生锈，钢筋一旦持续生锈，就必然会减少原有的支撑力。另外氯离子会使混凝土膨胀，简单地说，就是混凝土会从内部开始开裂，这个过程，消费者在前期是很难察觉的，而到了最后的阶段，大家看到危险的时候，建筑物表面已经出现混凝土的松溃，而整个钢筋混凝土的墙体会直接露出一根根钢筋，混凝土也最终会一点点全面脱离钢筋。而房屋也会失去钢筋的支撑，出现垮塌。
恶劣环境条件下混凝土骨料会发生体积变化从而导致混凝土性能劣化，骨料抵抗此种影响的能力成为坚固性。骨料坚固性一般通过硫酸盐安定性方法检测，须达到国标相应规定。
63建筑材料与检测
骨料中若含有活性成分(如活性氧化硅)，在一定的条件下骨料会与水泥中的碱发生碱-骨料反应，产生膨胀并导致混凝土开裂。因此，当用于重要工程或对骨料有怀疑时，须按标准规定方法对骨料进行碱活性检验。
5．颗粒级配
骨料的级配是指骨料中不同粒径颗粒的分布情况。良好的级配应当能使骨料的空隙率和总表面积均较小，从而不仅使所需水泥浆量较少，而且还可以提高混凝土的密实度、强度及其他性能。若骨料的粒径分布全在同一尺寸范围内，则会产生很大的空隙率，如图 4.4(a)所示；若骨料的粒径分布在更多的尺寸范围内，则空隙率相应减小，如图 4.4(b)所示；若采用较大的骨料最大粒径，也可以减小空隙率，如图 4.4(c)所示。由此可见，只有适宜的骨料粒径分布，才能达到良好级配的要求。
(a) (b) (c)
图 4.4 骨料颗粒组合示意图
骨料的粗细程度是指不同粒径的颗粒混合在一起的平均粗细程度。相同质量的骨料，粒径小，总表面积大；粒径大，总表面积小。因而大粒径的骨料所需包裹其表面的水泥浆量就少，即相同的水泥浆量，包裹在大粒径骨料表面的水泥浆层就厚，便能减小骨料间的摩擦。对砂、石的级配要求如下。
1) 砂的颗粒级配和粗细程度
砂的级配和粗细程度用筛分析方法测定。砂的筛分析方法是用一套孔径分别为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm、150μm 的 7 个标准筛，将抽样所得 500g 烘干砂，由粗到细依次过筛，然后称量留在各筛上砂的质量，并计算出各筛上的分计筛余百分率 al，a2，a3，a4，a5，a6(各筛上的筛余量占砂样总质量的百分率)，及累计筛余百分率 A1，A2，A3，A4，A5，A6(各筛与比该筛粗的所有筛之分计筛余百分率之和)。分计筛余与累计筛余的关系见表 4-1。一组累计筛余(A1～A6)表征一种级配。
表 4-1 分计筛余和累计筛余的关系
分计筛余(%)
累计筛余(%)
A2=al+a264学习任务 4
混凝土筛孔尺寸
分计筛余(%)
续表 1.18mm
累计筛余(%) 600μm
A3=al+a2+a3 300μm
A4=al+a2+a3+a4 150μm
A5=al+a2+a3+a4+a5
A6=al+a2+a3+a4+a5+a6
标准规定，砂按 600μm 筛孔的累计筛余百分率计，按天然砂和机制砂分别分成 3 个级配区，见表 4-2。砂的实际颗粒级配应符合表 4-2，砂的级配类别应符合表 4-3 的规定。配制普通混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂(中砂)；当采用Ⅰ区砂(偏粗砂)时，应提高砂率并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用Ⅲ区砂(偏细砂)时，宜适当降低砂率以保证混凝土强度。
表 4-2 砂的颗粒级配砂的分类
3区 级配区
2区 方筛孔
累计筛余(%)
0～10 4.75mm
0～15 2.36mm
0～25 1.18mm
16～40 600μm
55～85 300μm
75～94 150μm
90～100 85～97类别
表 4-3 砂的级配类别
1、2、3 区
2区砂的粗细程度用细度模数表示，细度模数(Mx)按下式计算。
Mx=[(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1]]/(100-A1)
(4-1)细度模数越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围一般为 1.6～3.7，其中Mx 在 3.1～3.7 为粗砂，Mx 在 2.3～3.0 为中砂，Mx 在 1.6～2.2 为细砂，配制混凝土时，宜优先选用中砂。Mx 在 0.7～1.5 的砂为特细砂，若用于配制混凝土时，要作特殊考虑。应当注意，砂的细度模数并不能反映其级配的优劣，细度模数相同的砂，级配可以相差很大。所以，配制混凝土时必须同时考虑砂的颗粒级配和细度模数。
65建筑材料与检测
2) 石子的颗粒级配和最大粒径
粗骨料的级配有连续级配和单粒级两种。连续级配是按颗粒尺寸由小到大连续分级的，每级骨料都占有一定比例，如天然卵石。连续级配颗粒级差小，颗粒上、下限粒径之比接近，配制的混凝土拌和物和易性好，不易发生离析，目前应用较广泛。单粒级宜用于组合成具有所要求级配的连续粒级，也可与连续粒级配合使用，以改善骨料级配或配成较大粒度的连续粒级。工程中不宜采用单一的单粒级粗骨料配制混凝土。按国家标准规定，普通混凝土用碎石及卵石的颗粒级配见表 4-4。
表 4-4 普通混凝土用碎石及卵石的颗粒级配级
累计筛余(%)
方筛孔径/mm情
9.50 16.0 19.0 26.5 31.5 37.5 53.0 63.0 75.0 90
5～16 95～100 85～100 30～60 0～10
— — — ——连 5～20
— — ——续
— — ——
— — ——
—粒级 5～31.5
— 95～100 70～90
— 30～65 —
5～10 95～100 80～100 0～15
— — — — — — ——
10～16 — 95～100 80～100 0～15
— — — ——单 10～20
95～100 85～100 —
— — ——粒 16～25
— ——级 16～31.5
— 95～100 55～70
— — ——
— 85～100
— 95～100 — 85～100 —
— 0～10 0
— 95～100 —
— 70～100 — 30～60 0～10 0
石子的级配通过筛分析试验确定，其标准筛为孔径为 2.36mm、4.75mm、9.50mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm 及 90.0mm 这 12 个方孔筛，确定某种石子级配时可按需要选用不同孔径筛组合后进行筛分，然后计算得出每个筛号的分计筛余百分率和累计筛余百分率(计算方法与砂相同)。碎石和卵石的级配范围要求相同，均应符合表 4-4。
粗骨料中公称粒级的上限称为该骨料的最大粒径。当骨料粒径增大时，其总表面积减小，包裹它表面所需的水泥浆数量相应减少，可节约水泥，或可保持水泥用量不变而提高强度，所以，一般情况下应尽量选择最大粒径较大的粗骨料。但当普通混凝土(尤其是高强度混凝土)骨料的最大粒径过大(超过 40mm)时，混凝土强度的提高被粗骨料与水泥间较少的黏结面积和大粒径骨料造成的骨架不均匀性影响所抵消，反而会对混凝土性能造成负面影响。
《混凝土结构工程施工质量验收规范(2010 版)》(GB 5)规定，混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的 1/4，同时不得大于钢筋间最小净距的 3/4；对于混凝土实
66学习任务 4
混凝土心板，骨料的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(泵送高度在50m 以下)，骨料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。
6．骨料的形状与表面特征
骨料的颗粒形状近似球状或立方体形时，表面积较小，对混凝土拌和物流动性有利。砂的颗粒较小，一般较少考虑其形貌，但石子必须考虑其针状、片状的含量。石子中的针状颗粒是指长度大于该颗粒所属粒级平均粒径(该粒级上、下限粒径的平均值)的 2.4 倍者，而片状颗粒是指其厚度小于平均粒径 0.4 倍者。针状、片状颗粒不仅受力时易折断，而且会增加骨料间的空隙，对针状、片状颗粒含量的限量要求见表 4-5。
表 4-5 卵石和碎石的针状、片状颗粒含量
Ⅲ类针、片状颗粒(%)，按质量计
≤107．强度骨料的强度是指粗骨料的强度。为了保证混凝土的强度，粗骨料必须致密并具有足够的强度。碎石的强度可用抗压强度和压碎指标值表示，卵石的强度可用压碎指标值表示。碎石的抗压强度测定：将其母岩制成边长为 50mm 的立方体(或直径与高均为 50mm 的圆柱体)试件，在水饱和状态下测定其极限抗压强度值。碎石抗压强度一般在混凝土强度等级≥C60 时才检验。通常，要求岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于 1.5；同时，火成岩(如花岗石)强度不宜低于 80MPa，变质岩(如石灰岩)强度不宜低于 60MPa，水成岩(如大理岩)强度不宜低于 45MPa。碎石和卵石的压碎指标值测定：将一定量气干状态的粒径 10～20mm 石子装入标准筒内，按 1kN/s 速度均匀加荷至 200kN 并稳荷 5s，卸荷后称取试样质量为 G1，再用 2.36mm孔径的筛筛除被压碎的细粒，称出留在筛上的试样质量为 G2，按下式计算压碎指标值：
G1压碎指标值越小，说明粗骨料抵抗受压破坏能力越强。对石子压碎指标值的规定见表 4-6。
表 4-6 卵石和碎石的压碎指标
碎石压碎指标
卵石压碎指标
67建筑材料与检测
8．骨料的含水状态
骨料的含水状态可分为干燥(全干)状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态 4 种，如图 4.5 所示。干燥状态的骨料含水率等于或接近于零；气干状态的骨料含水率与大气湿度相平衡，但未达到饱和状态；饱和面干状态的骨料，其内部孔隙含水达到饱和，而其表面干燥；湿润状态的骨料，不仅内部孔隙含水达到饱和，而且表面还附着一部分自由水。计算普通混凝土配合比时，一般以干燥状态的骨料为基准，而一些大型水利工程，常以饱和面干状态的骨料为基准。(a) 全干
(c) 饱和面干
图 4.5 骨料的含水状态
4.3 普通混凝土的基本材料选用
1．水泥的选用
水泥是混凝土中重要的组分，配制混凝土时，应根据工程性质、部位、施工条件、环境状况等，按各品种水泥的特性合理选择水泥的品种。工程中典型通用水泥的选用原则，见表 3-9。
水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。若用低强度等级的水泥配制高强度等级混凝土，不仅会使水泥用量过多(经济性不佳)，还会对混凝土产生不利影响(如带来过大的水化热和硬化收缩等)。反之，用高强度等级的水泥配制低强度等级混凝土，若只考虑强度要求，会使水泥用量偏少，影响耐久性能；若水泥用量兼顾了耐久性要求，又会导致混凝土超强而不经济。因此，根据经验一般以所选水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的 1.2～2.0 倍为宜，高强度等级混凝土一般要添加外加剂和外掺料，水泥强度等级反而不一定需要很高。
2．骨料的选用
为保证混凝土的质量，一般选用符合如下要求的砂或碎(卵)石：各类有害杂质含量少(达到国标相应规定)；具有良好的颗粒形状、适宜的颗粒级配和细度(多选级配合格的中砂和连续级配石子)；表面粗糙，与水泥黏结牢固(多选碎石)；性能稳定，坚固耐久等。
3．拌和用水的选用
混凝土用水的基本质量要求是：不影响混凝土的凝结和硬化；无损于混凝土强度发展及耐久性；不加快钢筋锈蚀；不引起预应力钢筋脆断；不污染混凝土表面。混凝土用水中的物质含量限值应符合国标相应规定。
68学习任务 4
凡能饮用的水和清洁的天然水(包括地表水和地下水)，都可用于混凝土拌制和养护。因海水含有大量无机盐及有机物，故不得用于拌制钢筋混凝土、预应力混凝土及有饰面要求的混凝土。某些工业废水经适当处理后允许用于拌制混凝土。4.4 混凝土拌和物的和易性
拌制完成的混凝土在尚未凝结硬化之前，称为新拌混凝土或混凝土拌和物。混凝土拌和物必须具备良好的和易性，才能便于进行各项施工操作，以获得均匀而密实的混凝土，保证其硬化后的强度和耐久性。4.4.1 和易性的概念
新拌混凝土的和易性也称工作性，是指混凝土拌和物易于施工操作(拌和、运输、浇筑、振捣等)并获得质量均匀、成型密实的混凝土性能。和易性是一项综合技术性质，它至少包括流动性、黏聚性和保水性三项独立的性能，又称为工作性。
流动性是指混凝土拌和物在自重或机械(振捣)力作用下能产生流动并均匀密实地填满模板的性能。黏聚性是指混凝土拌和物各组成材料之间有一定的黏聚力，不致在施工过程中产生离析(即由于自重或不适当的成型及振动导致混凝土各组分析出，形成不均一的拌和物)和分层现象(指严重的离析)。保水性是指混凝土拌和物具有一定的保水能力，不致在施工过程中出现严重的泌水现象(即在混凝土体积已经固定但尚未凝结之前，水分向上的运动和聚集现象)。
混凝土拌和物的流动性、黏聚性、保水性三者之间既互相关联又互相矛盾。如黏聚性好，则保水性往往也好，但流动性可能较差；当增大流动性时，黏聚性和保水性往往变差。因此，所谓拌和物的和易性良好，就是要使这三方面的性能在某种具体工作条件下得到统一，达到均为良好的状况。4.4.2 和易性的测定方法
新拌混凝土的流动性、黏聚性和保水性有其各自独立的内涵，目前尚没有能够全面反映混凝土拌和物和易性的测定方法。通常是测定混凝土拌和物的流动性，辅以其他方法或直接观察(结合经验)评定混凝土拌和物的黏聚性和保水性，然后综合评定混凝土拌和物的和易性。按《普通混凝土拌和物性能试验方法》的规定，主要采用坍落度法和维勃稠度法。
1．坍落度试验
将搅拌好的混凝土拌和物按一定方法装入坍落度筒内，按规定方式插捣，待装满刮平后垂直平稳地向上提起坍落度筒。量测筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高度差(mm)，即为该混凝土拌和物的坍落度值，如图 4.6 所示。进行坍落度试验时，应同时根据经验考察混凝土的黏聚性及保水性。
69建筑材料与检测
图 4.6 坍落度试验
根据坍落度的不同，可将混凝土拌和物分为：低塑性混凝土(坍落度为 10～40mm)、塑性混凝土(坍落度为 50～90mm)、流动性混凝土(坍落度为 100～150mm)、大流动性混凝土(坍落度大于 160mm)。泵送施工混凝土拌和物的坍落度一般不低于 100mm。
坍落度试验仅适用于骨料最大粒径不大于 40mm、坍落度不小于 10mm 的混凝土拌和物。实际施工时，混凝土拌和物的坍落度要根据构件截面尺寸大小、钢筋疏密、输送方式和捣实方法来确定。当构件截面尺寸较小，或钢筋较密、采用人工插捣时，坍落度选择大一些；反之，若构件截面尺寸较大，或钢筋较疏、采用机械振捣，则坍落度选择小一些。根据《混凝土结构工程施工质量验收规范(2010 版)》的规定，混凝土的浇注坍落度见表 4-7。
表 4-7 混凝土的浇筑时坍落度项目
基础或地面的垫层、无筋的厚大结构或配筋稀疏的结构构件
板、梁和大型及中型截面的柱子等
配筋密列的结构(薄壁、筒仓、细柱等)
配筋特密的结构
2．维勃稠度试验
对于干硬性混凝土拌和物(坍落度小于 10mm)，通常采用维勃稠度法评价其和易性，振实时间愈长，流动性愈差。此方法适用于骨料最大粒径不大于 40mm，维勃稠度在 5～30s之间的混凝土拌和物的稠度测定。
混凝土坍落度经时损失
混凝土坍落度经时损失是指新拌混凝土的坍落度随着拌和物放置时间的延长而逐渐减小。这种现象是水泥持续水化、浆体逐渐变稠凝结的结果，也是拌和物中的游离水分随着水化反应70学习任务 4
混凝土吸附于水化产物表面或者蒸发等原因而逐渐减少造成的结果，是混凝土的正常性能，但对于泵送混凝土而言，损失过大，则混凝土入泵坍落度不能满足施工要求，易造成混凝土堵塞泵管，从而影响施工正常进行。泵送混凝土经时坍落度损失值(掺粉煤灰和木钙，经时 1h)一般可参考以下标准取值：大气温度在 10～20℃时，损失值约 5～25mm；大气温度在 20～30℃时，损失值约 25～35mm；大气温度在 30～35℃时，损失值约 35～50mm。4.4.3 影响和易性的主要因素
1．水泥浆的用量和水泥浆的稠度(水胶比)
混凝土拌和物的流动性主要取决于拌和物流动时内阻力的大小，而内阻力主要来源于两个方面：一是骨料间的摩擦力；二是水泥浆本身的黏稠阻力。因此，在水胶比不变的情况下，水泥浆越多，则骨料间润滑浆层越厚，拌和物的流动性越大；水胶比越大，则水泥浆越稀，水泥浆的流动阻力也越小，拌和物的流动性越大。
但水泥浆过多，不仅增加了水泥用量，还会使拌和物出现流浆现象，导致黏聚性变差，对混凝土的强度和耐久性会产生不利的影响；而水泥浆过稀，则会使拌和物黏聚性和保水性都变差，出现严重的泌水、分层或流浆现象，同时混凝土强度和耐久性也随之降低。因此，混凝土拌和物中水泥浆的用量应以满足流动性和强度的要求为宜，不宜过量；水胶比则应在满足流动性要求的前提下尽量选择较小值(这样有利于混凝土硬化后的强度和耐久性)。
根据试验结果，在使用确定骨料的前提下，如果单位体积用水量一定，单位体积水泥用量增减不超过 50～100kg，混凝土拌和物的坍落度大体可保持不变，这一规律称为固定用水量定则。这一定则为混凝土的配合比设计提供了很大的方便。
砂率指混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率。在混凝土拌和物中，水泥浆量固定时加大砂率，集料的总表面积及空隙率增大，使水泥浆显得比原来贫乏，从而减少了流动性；若减少砂率，使水泥浆显得富余起来，流动性会加大，但不能保证粗集料之间有足够的砂浆润滑层，也会降低拌和物的流动性，并严重影响其黏聚性和保水性。因此，采用合理的砂率(最佳砂率)，可以使拌和物获得较好的流动性以及良好的黏聚性与保水性，而且使水泥用量最省，如图 4.7 和 4.8 所示。图 4.7 砂率与坍落度的关系(水与水泥用量一定)
71建筑材料与检测
图 4.8 砂率与水泥用量的关系(达到相同的坍落度)
3．组成材料性质的影响
水泥对和易性的影响主要表现在水泥的需水性上。需水量大的水泥品种，达到相同的坍落度需要较多的用水量。常用水泥中普通硅酸盐水泥所配制的混凝土拌和物的流动性和保水性较好。
骨料的性质对混凝土拌和物的和易性影响较大。级配良好的骨料，空隙率小，在水泥浆量相同的情况下，包裹骨料表面的水泥浆较厚，和易性好。碎石比卵石表面粗糙，相同条件下碎石所配制的混凝土拌和物流动性较卵石配制的差。细砂的比表面积大，用细砂配制的混凝土比用中、粗砂配制的混凝土拌和物流动性小。
外加剂(如减水剂、引气剂等)对拌和物的和易性有很大的影响，在拌制混凝土时，尤其是拌制泵送混凝土时，合理使用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，而且还能有效地改善混凝土拌和物的黏聚性和保水性。
5．时间和温度
搅拌后的混凝土拌和物随着时间的延长而逐渐变得干稠，和易性变差。其原因是：一部分水已与水泥水化，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，致使混凝土拌和物的流动性变差。因此，混凝土拌和物浇注时的和易性更具实际意义，在施工中测定和易性的时间，应以搅拌完后 15min 为宜。
混凝土拌和物的和易性也受温度的影响。因为环境温度升高，水分蒸发及水化反应加快，相应使流动性降低。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，采取相应的措施，如夏季施工时，为了保持一定的流动性，应适当提高拌和物的用水量。
在实际施工中，可采用如下措施调整混凝土拌和物的和易性。
(1) 通过试验，采用合理砂率，并尽可能采用较低的砂率。
(2) 改善砂、石(特别是石子)的级配。
(3) 在工程条件允许的情况下，尽量采用较粗的砂、石。
(4) 当混凝土拌和物坍落度太小时，保持水胶比不变，增加适量的水泥浆；当坍落度太大时，保持砂率不变，增加适量的砂石。
(5) 有条件时应尽量掺用外加剂(如减水剂、引气剂等)。
72学习任务 4
混凝土知识链 接
泵送混凝土简介
泵送混凝土指可用混凝土泵通过管道输送拌和物的混凝土，其拌和物的坍落度一般不低于 100mm，目前在工程中已普遍应用。泵送混凝土具有集中搅拌、远距离运输、现场泵送输送等特征和施工效率高(一般混凝土泵送量可达 60m3/h)、施工占地较小等优点。对不同泵送高度，入泵时混凝土拌和物的坍落度要求可按下表确定。泵送高度/m
100 以上坍落度/mm
泵送混凝土原材料具有以下特点。
(1) 水泥用量较多。强度等级在 C20～C60 范围内水泥单位用量可达 350～550kg/m3，水胶比宜为 0.4～0.6。
(2) 常添加混合材料或超细掺和料。为改善混凝土性能，节约水泥和降低造价，混凝土中常掺加粉煤灰、矿渣、沸石粉等掺和料。
(3) 砂率偏高、砂用量多。为保证混凝土的流动性、黏聚性和保水性，便于运输、泵送和浇筑，泵送混凝土的砂率要比普通流动性混凝土砂率增大 6%以上，约为 38%～45%。
(4) 石子最大粒径要求。粗骨料宜优先选用卵石，为满足泵送和强度要求，石子最大粒径与管道直径比一般控制在 1∶2.5(卵石)、1∶3(碎石)～1∶4 或 1∶5。
(5) 泵送剂。减水剂、塑化剂、加气剂及增稠剂等均可用作泵送剂，可避免混凝土施工中拌和料分层离析、泌水和堵塞输送管道。
混凝土泵送结束前应正确计算尚需要的混凝土数量，及时通知搅拌站；泵送过程中被废弃的和泵送终止时多余的混凝土应妥善处理；泵送完毕后应将混凝土泵和输送管清洗干净并应防止废混凝土高速飞出伤人。泵送混凝土浇筑时应由远而近进行，在同一区域浇筑混凝土时按先竖向再水平的顺序分层连续浇筑；如不允许留施工缝时在区域之间上下层之间的混凝土浇筑间歇时间不得超过其初凝时间。在泵送时应注意以下事项：①在浇筑竖向结构混凝土时布料设备出口离模板内侧面不小于 50mm，不得向模板内侧面直接冲料，更不能将料直冲钢筋骨架。②浇筑水平结构时不得在同一处连续布料，应在 2～3m 范围内水平布料。③分层浇筑时每层厚度宜为 30～50cm，振捣时捣棒插入间距宜为 40cm 左右，一次振捣时间一般为 15～30s，并且在20～30min 后进行二次复振。④水平结构的混凝土表面应适时用木抹磨平搓毛两遍以上，最后一遍宜在混凝土收水时完成，必要时可先用铁滚筒压两遍以上，防止产生收缩。
4.5 混凝土的强度
某宾馆建筑为大厅部分 22 层，两翼 18 层，建筑面积 1.8 万 m2，主体结构中间大厅部分为框剪结构，两翼均为剪力墙结构，外墙板采用大模板住宅通用构件，内墙为 C20 钢筋混凝土。
73建筑材料与检测
(第 2 版)工程竣工后，检测发现下列部位混凝土强度达不到要求。
(1) 7 层有 6 条轴线的墙体混凝土试块 28d 强度为 13.55MPa，至 90d 后取墙体混凝土芯一组，其抗压强度分别为 11.03MPa、15.15MPa、14.62MPa。
(2) 10 层有 6 条轴线墙柱上的混凝土试块 28d 强度为 14.25MPa，至 60d 后取墙柱混凝土芯一组，其抗压强度分别为 10.08MPa、13.66MPa、12.26MPa，除这条轴线上的混凝土强度不足外，该层其他构件也有类似问题。
思考如下几个问题。
(1) 造成该工程中混凝土强度不足的原因可能有哪些？
(2) 为了避免该工程中出现的混凝土强度不足，在施工过程中浇筑混凝土时应满足哪些要求？
(3) 在检查结构构件混凝土强度时，试件的取样与留置应符合哪些规定？
混凝土的强度包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等。其中抗压强度最大，抗拉强度最小，因此在结构工程中混凝土主要用于承受压力。混凝土强度与混凝土的其他性能关系密切。一般来说，混凝土的强度越高，其刚性、不透水性、耐久性也越好，故通常用混凝土强度来评定和控制混凝土的质量。4.5.1 混凝土立方体抗压强度与强度等级
1．混凝土立方体抗压强度
根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 5)规定，在混凝土浇筑前用规定方法制作标准尺寸的立方体试件，在标准条件(温度 20℃±2℃、相对湿度95%以上)下，或在水中养护到 28d 龄期，所测得的抗压强度值即为混凝土立方体抗压强度，以 fcu 表示，工程中即通过测定混凝土立方体抗压强度来实现对混凝土强度合格性的评定。
混凝土进行现场施工时，应按照施工规范规定原则留置试件，试件为边长 150mm(也可是 100mm 或 200mm)的立方体，留置时以组为单位留置，每组 3 块。工程中留置的标准养护试件用于评定混凝土强度合格性，留置的同条件养护(试件放置在工程现场条件下正常养护)试件在所需龄期进行试验测得立方体试件抗压强度值，可作为现场混凝土施工控制(如拆模、预应力筋张拉、放张等)的依据。
2．混凝土立方体强度等级
混凝土的抗压强度与其他强度有良好的相关性，这是确定混凝土强度等级的依据。根据混凝土立方体抗压强度标准值(以 fcu,k 表示)，可将混凝土划分若干不同的强度等级。混凝土强度等级采用符号 C 与立方体抗压强度标准值(以 N/mm2 即 MPa 计)表示，共划分成 C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80 等强度等级。例如，C30 表示混凝土立方体抗压强度标准值 fcu,k 不低于 30MPa。
混凝土立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作和养护的立方体试件，在 28d 龄期，用标准试验方法测得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%(即具有强度保证率为 95%的立方体抗压强度)。抗压强度标准值是用数理统计的方法计算得到的达到规定保证率的某一强度数值，并非实测立方体试件的抗压强度。
74学习任务 4
混凝土4.5.2 混凝土轴心抗压强度
确定混凝土强度等级采用立方体试件，但实际工程中钢筋混凝土构件形式极少是立方体的，大部分是棱柱体形或圆柱体形。为了使测得的混凝土强度接近于混凝土构件的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件(例如柱子、桁架的腹杆等)时都采用混凝土的轴心抗压强度 fcp 作为设计依据。
根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 5)，轴心抗压强度一般采用 150mm×150mm×300mm 的棱柱体作为标准试件。轴心抗压强度值 fcp 比同截面的立方体抗压强度值 fcu 小，棱柱体试件高宽比(h/a)越大，轴心抗压强度越小，但当 h/a达到一定值后，强度不再降低。在立方体抗压强度 fcu 为 10～55MPa 范围内时，轴心抗压强度 fcp=(0.70～0.80)fcu。4.5.3 混凝土抗拉强度
混凝土的抗拉强度只有自身抗压强度的 1/20～1/10，且拉压比随着混凝土强度等级的提高而减小。在普通钢筋混凝土结构设计中不考虑混凝土受拉力(拉力主要由钢筋来进行承担)，但抗拉强度对混凝土的抗裂性起着重要的作用。4.5.4 影响混凝土强度的主要因素
混凝土在凝结硬化过程中，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面存在着微裂缝。当硬化后的混凝土受力时，由于应力集中现象，这些微裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来；随后，水泥石也开始出现裂缝，最终形成贯通性裂缝，混凝土结构遭到完全破坏。所以，混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与骨料的黏结强度，此外，混凝土强度还受施工质量、养护条件、龄期等因素的影响。1．水泥强度等级与水胶比的影响水泥强度等级和水胶比(混凝土中水的单位用量与水泥及矿物掺合料的合计单位用量的比值)是决定混凝土强度最主要的因素。在水胶比不变时，水泥强度等级越高，则硬化水泥石的强度越大，对骨料的胶结力就越强，配制成的混凝土强度也就越高。在水泥强度等级相同的条件下，混凝土的强度主要取决于水胶比。因为在拌制混凝土时，为了获得施工所要求的流动性，实际加水量一般要比水泥水化所需水量多一些，如常用的塑性混凝土，其水胶比均在 0.4～0.8 之间。当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或通道，大大减小了混凝土抵抗荷载的有效断面，而且可能在孔隙周围引起应力集中。所以，在水泥强度等级相同的情况下，较小的水胶比，意味着水泥用量一定的前提下用水量较少，水泥石的强度就较高，与骨料黏结力也较大，混凝土强度较高。但是，如果水胶比过小，拌和物会过于干稠(即和易性不良)，在一定施工件下混凝土难以被振捣密实，可能出现较多的蜂窝、孔洞，反而会导致混凝土强度严重下降，如图 4.9 所示。根据大量试验结果，在原材料一定的情况下，混凝土 28d 龄期抗压强度(fcu,o)与水胶比、水泥强度等因素之间存在以下线性经验公式。
fcu,o =αa fb (B /W -αb )
(4-3)式中 fcu,o ——混凝土 28d 龄期的抗压强度(MPa)；
75建筑材料与检测
B ——1m3 混凝土中水泥用量(kg)；
W ——1m3 混凝土中水的用量(kg)；
W/B ——混凝土水胶比；
fb ——胶凝材料(水泥与矿物掺合料按使用比例混合)28 天胶砂强度(MPa)[试验方
法应按现行国家标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T 1)
执行；当无实测值时， fb =γγf s fce ，γf ，γs 指的是粉煤灰影响系数和粒化
高炉矿渣影响系数，fce 是指水泥 28d 胶砂抗压强度(MPa)]；
αa,αb——回归系数，根据工程所使用的材料，通过试验建立的水胶比与混凝土强度
关系来确定；当不具备上述试验统计资料时，碎石αa 取 0.53，αb 取 0.20；
卵石αa 取 0.49；αb 取 0.13。
以上的经验公式，一般只适用于流动性混凝土及低流动性混凝土，对于干硬性混凝土则不适用。利用混凝土强度公式，可根据所用的水泥强度和水胶比来估计所配制混凝土的强度，在混凝土配合比设计中，利用水泥强度和要求的混凝土强度等级来计算应采用的水胶比。
图 4.9 混凝土强度与水胶比的关系
2．骨料的影响
当骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了坚强密实的骨架，因而有利于混凝土强度的提高。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黏结力，所以在原材料、配合比及坍落度相同的条件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石拌制的混凝土的强度要高。
一般骨料强度比水泥石强度高，所以不直接影响混凝土的强度。粗骨料粒形以三维长度相等或相近的球形或立方体形为好，若含有较多针状、片状颗粒，会导致混凝土强度的下降。
3．养护温度及湿度的影响
混凝土强度是一个渐进发展的过程，温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因
76学习任务 4
混凝土素。养护温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度的发展也快；反之，在低温下混凝土强度发展迟缓，如图 4.10 所示。当温度降至冰点以下时，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，产生体积膨胀从而使硬化中的混凝土结构遭到破坏，强度受损。同时，混凝土早期强度低，更容易冻坏，所以在冬期施工时，应特别注意采取保温措施，防止混凝土早期受冻。
水是水泥水化反应的必要条件，只有周围环境湿度适当，水泥水化反应才能不断地顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，水泥水化不充分甚至停止水化，不仅会严重降低混凝土强度，还会促使混凝土结构疏松，形成干缩裂缝，增大渗水性，从而影响混凝土的耐久性。如图 4.11 所示潮湿养护对混凝土强度的影响。图 4.10 养护温度对混凝土强度的影响
图 4.11 潮湿养护对混凝土强度的影响 1—空气中养护；2—9 个月后水中养护；3—3 个月后水中养护；4—标准湿度下养护
现场浇筑混凝土绝大多数采用自然养护，即在自然状态下养护混凝土。自然养护的温度随气温变化，而为保持混凝土在凝结后的潮湿状态，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。在夏季施工的混凝土，要特别注意浇水保湿。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混凝土有抗渗要求时，保湿养护应不少于 14d。4．龄期的影响
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 7～14d 内强度发展较快，以后逐渐缓慢，28d 达到设计强度。28d 后强度仍在发展，如果保持良好的养护条件，强度增长过程可延续数十年之久。混凝土强度与龄期的关系如图 4.12 所示。
77建筑材料与检测
图 4.12 混凝土强度与龄期的关系普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，混凝土强度的发展大致与其龄期的常用对数成正比关系：
fn/f28 = lgn/lg28
fn 和 f28 ——第 n 天和 28d 龄期混凝土的抗压强度(MPa)；式中
n ——混凝土龄期(龄期不少于 3d)。但由于影响强度的因素比较复杂，故按此式计算的结果只能作为参考。
【引例原因分析】造成工程中混凝土强度不足的常见原因很多，主要包括以下几方面。
(1) 混凝土配合比设计不当。
(2) 混凝土原材料质量不符合要求。
(3) 混凝土搅拌过程中存在问题，如材料称量不准确、拌制时间短或拌和不均匀等。
(4) 混凝土施工中存在问题，如浇筑方法不妥、振捣不密实、养护不及时等。
(5) 预留的混凝土试件出现问题，如试模变形、出现空洞、养护不当、试件受冻等。4.5.5 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，水泥的强度等级越高，混凝土的强度越高。采用早强型水泥可提高混凝土的早期强度，有利于加快施工进度。
2．降低水胶比和单位用水量
低水胶比(较少单位用水量)的干硬性混凝土拌和物游离水分少，硬化后留下的孔隙少，混凝土密实度高，强度可显著提高。但水胶比过小，将影响拌和物的流动性，造成施工困难，一般采取同时掺加减水剂的方法，使混凝土在低水胶比下，仍具有良好的和易性。
3．采用湿热处理养护混凝土构件
湿热处理可分为蒸汽养护及蒸压养护两类，尤以蒸汽养护常见。蒸汽养护，是将混凝
78学习任务 4
混凝土土置于 60℃以上的常压饱和水蒸气中进行养护。一般混凝土经过不超过 12h 的蒸汽养护，其强度可达正常条件下养护 28d 强度的 70%～80%，蒸汽养护最适于掺活性混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥制备的混凝土。因为蒸汽养护可加速活性混合材料内的活性 SiO2 及活性 Al2O3 与水泥水化析出的 Ca(OH)2 反应，使混凝土不仅提高早期强度，而且后期强度也有所提高，其 28d 强度可提高 10%～20%。而对普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥制备的混凝土进行过高温度或过长时间的蒸汽养护，其早期强度也能得到提高，但因在水泥颗粒表面过早形成水化产物凝胶膜层，阻碍水分继续深入水泥颗粒内部，使后期强度增长速度反而减缓。
4．改善施工工艺
要严格按照施工规范进行操作。机械搅拌较人工拌和更能使混凝土拌和均匀，特别是在拌和低流动性混凝土拌和物时效果更加显著。采用二次投料搅拌工艺，可改善混凝土骨料与水泥砂浆之间的界面缺陷，有效提高混凝土强度。采用先进的高频振动、变频振动及多向振动设备，也可获得更好的振动密实效果。
二次投料法是先将水、水泥、砂子投入拌和机，拌和 30s 成为水泥砂浆，然后再投入粗集料拌和 60s，这时集料与水泥已充分拌和均匀，采用这种方法，因砂浆中无粗集料，便于拌和，粗集料投入后，易被砂浆均匀包裹，有利于提高混凝土强度，并可减少粗集料对叶片和衬板的磨损。
5．掺入混凝土外加剂、掺和料
在混凝土中合理掺用外加剂(如减水剂、早强剂等)可减少用水量，提高混凝土不同龄期强度；掺入高效减水剂的同时掺用磨细的矿物掺和料(如硅灰、优质粉煤灰、超细磨矿渣等)，可显著提高混凝土的强度，配制出强度等级为 C60～C100 的高强度混凝土。
【引例问题分析】
1．为保证混凝土质量，施工中浇筑混凝土应注意以下几点。
(1) 浇筑混凝土时为避免发生离析现象，混凝土自高处倾落的自由高度不应超过 2m，自由下落高度大于 2m 时应使用溜槽或串筒。
(2) 浇筑时应分层浇筑、振捣，在下层混凝土初凝之前，将上层混凝土浇筑并振捣完毕。
(3) 竖向结构(墙、柱等)浇筑混凝土前，底部应先填 50～100mm 厚与混凝土内砂浆成分相同的水泥砂浆。
(4) 在一般情况下，梁和板的混凝土应同时浇筑。
(5) 如混凝土不能连续浇筑完毕，中间间歇时间超过了混凝土的初凝时间，应留置施工缝。
2．《混凝土结构工程施工质量验收规范(2010 版)》(GB 5)中明确指出：检查结构构件混凝土强度的试件，应在混凝土浇筑地点随机抽取。取样与试件留置应符合下列规定。
(1) 每拌制 100 盘且不超过 100m3 的同配合比的混凝土，取样不得少于一次。
(2) 每工作班拌制的同一配合比的混凝土不足 100 盘时，取样不得少于一次。
79建筑材料与检测
(3) 当一次连续浇筑超过 1 000m3 时，同一配合比的混凝土每 200m3 取样不得少于一次。
(4) 每一层楼，同一配合比的混凝土，取样不得少于一次。
(5) 每次取样应至少留置一组标准养护试件，同条件养护试件的留置组数应根据实际需要确定。
4.6 混凝土的变形性能
水泥混凝土的变形对混凝土的结构尺寸、受力状态、应力分布、裂缝开裂等都有明显影响。混凝土的变形主要分为两大类：非荷载型变形和荷载型变形。4.6.1 非荷载型变形
1．化学收缩
指水泥水化物的固体体积小于水化前反应物(水和水泥)的总体积所造成的收缩。混凝土的这种体积收缩是不能恢复的，其收缩量随混凝土的龄期延长而增加，但总的收缩率一般很小。虽然化学减缩率很小，但其混凝土在收缩过程中内部会产生微细裂缝，这些微细裂缝可能会影响到混凝土的承载状态(产生应力集中)和耐久性。
2．干湿变形
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(简称干缩)；混凝土受潮后体积又会膨胀，即为湿胀。干燥收缩又分为可逆收缩(混凝土干燥后再放入水中可恢复的部分收缩)和不可逆收缩两类。混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干缩变形对混凝土危害较大，会导致混凝土表面出现拉应力而开裂，严重影响混凝土耐久性。
在混凝土结构设计中，干缩率取值一般为(1.5～2.0)×10-4mm/mm，即混凝土每 1m 长度收缩 0.15～0.20mm。干缩主要由水泥石产生，因此，降低水泥用量、减小水胶比是减少干缩的关键。
3．温度变形
混凝土与通常的固体材料一样呈现热胀冷缩现象，其热膨胀系数约为(6～12)×10-6/℃，即温度每升降 1℃，每 1m 混凝土收缩 0.006～0.012mm。由于混凝土的导热能力很低，水泥水化初期释放出的大量水化热会聚集在混凝土内部长期难以散失，而混凝土表面散热较快，混凝土内外温差很大(甚至高达 50～70℃)，形成“内胀外缩”，混凝土表面产生很大的拉应力直至出现裂缝。因此，温度变形对大体积混凝土工程极为不利。此类工程施工时，常选用低热水泥，或采取减少水泥用量、掺加缓凝剂及人工降温等措施，以减少温度变形可能带来的质量问题。4.6.2 荷载型变形
1．短期荷载作用下的变形
混凝土在短期荷载作用下的变形是一种弹塑性变形，混凝土静压应力—应变曲线如
80学习任务 4
混凝土图 4.13 所示。混凝土在受荷前内部存在随机分布的不规则微细界面裂缝，当荷载不超过极限应力的 30% 时(阶段Ⅰ)，这些裂缝无明显变化，荷载(应力)与变形(应变)接近直线关系；当荷载达到极限应力的 30%～50% 时(阶段Ⅱ)，裂缝数量开始增加且缓慢伸展，应力-应变曲线随界面裂缝的演变逐渐偏离直线，产生弯曲；当荷载超过极限应力的 50% 时(阶段Ⅲ)，界面裂缝就不再稳定，而且逐渐延伸至砂浆基体中；当荷载超过极限应力的 75% 时(阶段Ⅳ)，界面裂缝与砂浆裂缝互相贯通，成为连续裂缝，混凝土变形加速增大，荷载曲线明显地弯向水平应变轴；当荷载超过极限应力时，混凝土承载能力迅速下降，连续裂缝急剧扩展而导致混凝土完全破坏。
混凝土应力-应变曲线上任一点的应力δ与其应变ε的比值，称作混凝土在该应力下的变形模量，它反映了混凝土的刚度。弹性模量 E 是计算钢筋混凝土结构的变形、裂缝的开展时必不可少的参数。一般取混凝土应力—应变曲线原点与曲线上 40%的极限应力的点之间连线的斜率(即割线模量)为该混凝土的(静)弹性模量。当混凝土强度等级为 C10～C60 时，其割线模量为(1.75～3.60)×104 MPa。当混凝土所含骨料较多、水胶比较小、养护较好、龄期较长时，其弹性模量较大。
2．长期荷载作用下的变形——徐变
混凝土承受持续荷载时，随时间的延长而增加的变形，称为徐变。混凝土徐变在加荷早期增长较快，然后逐渐减缓，当混凝土卸载后，一部分变形瞬时恢复，还有一部分要过一段时间后才恢复，称徐变恢复。剩余不可恢复部分，称残余变形，如图 4.14 所示。图 4.13 混凝土静压应力-应变曲线
图 4.14 混凝土的徐变和恢复
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。徐变应变一般可达(3～15)×10-4mm/mm，即0.3～1.5mm/m。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影响和不利影响。影响混凝土徐变的主要因素包括：环境湿度减小(导致混凝土过快失水)会使徐变增大；混凝土强度越低，水泥用量越多，徐变越大；因骨料的徐变很小，故增大骨料含量会使徐变减小。
81建筑材料与检测
4.7 混凝土的耐久性
混凝土除要求具备一定的强度以承受荷载外，还应具备与所处环境及使用条件相适应的耐久性能。这些性能包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化能力、抗碱-集料反应能力等，统称为混凝土的耐久性。4.7.1 混凝土的耐久性能
1．混凝土的抗渗性
抗渗性是指抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。环境中各种侵蚀性介质均要通过渗透才能进入混凝土内部，因而抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用。
混凝土的抗渗性以抗渗等级来表示。采用标准养护 28d 的标准试件，按规定的方法进行试验，以其所能承受的最大静水压(MPa)来计算其抗渗等级。有 P4、P6、P8、P10、P12，共 5 个等级，如 P6 表示混凝土能抵抗 0.6MPa 的静水压力而不渗透。
混凝土的抗渗性主要与混凝土的密实程度及孔隙构造特征有关——混凝土密实度越小，抗渗性越差；孔隙率一定时，相互连通的孔隙越多，孔径越大，混凝土的抗渗性越差。提高混凝土抗渗性的措施有降低水胶比、掺用减水剂、引气剂、改善施工工艺、加强养护等。
2．混凝土的抗冻性
抗冻性是指混凝土抵抗冻融循环破坏作用的能力。混凝土的冻融破坏是指混凝土毛细孔中的水结冰后体积膨胀，使混凝土产生微细裂缝，反复冻融导致裂缝扩展，混凝土由表及里剥落破坏的现象。在寒冷地区，特别是接触水又受冻的环境下的混凝土，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，在饱水后承受反复冻融循环，以抗压强度损失不超过 25%且质量损失不超过 5%时所能承受的最多的循环次数来表示。混凝土的抗冻等级有 F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250 和 F300 共 9 个等级，如 F50 表示混凝土能承受冻融循环的次数不少于 50 次。
混凝土的孔隙率、孔隙构造和孔隙的充水程度是影响抗冻性的主要因素。密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土(如引气混凝土)，抗冻性较好。掺入引气剂和减水剂，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、碳酸盐侵蚀、一般酸侵蚀与强碱侵蚀等，其侵蚀机理与水泥腐蚀机理接近。随着混凝土在地下工程、海岸与海洋工程等恶劣环境中的大量应用，对混凝土的抗侵蚀性提出了更高的要求。混凝土的抗侵蚀性与所用水泥品种、混凝土密实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。
82学习任务 4
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 CaCO3 和 H2O，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。碳化对混凝土性能有正面和负面两方面的影响。
碳化首先造成混凝土碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用。混凝土中的钢筋处在强碱性环境中(pH 值约为 12～14)而在表面生成一层钝化膜，保护钢筋不易腐蚀。但当混凝土持续碳化，穿透混凝土保护层而达到钢筋表面时，由于混凝土碱性下降，钢筋钝化膜被破坏而发生锈蚀，产生锈蚀体积膨胀，致使混凝土保护层开裂，钢筋锈蚀速度进一步加快。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有利的影响，碳化作用产生的碳酸钙填充了混凝土表面水泥石的孔隙，提高了混凝土表面的密实度和硬度，对提高混凝土抗压强度有利。
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、环境湿度等。当 CO2 浓度高(如铸造车间)时，碳化速度快；当环境中的相对湿度在 50%～75%时，碳化速度最快，当相对湿度小于 25%或在水中时碳化将停止；水胶比小的混凝土较密实，CO2和 H2O 不易侵入，碳化速度较慢；掺混合材料较多的水泥碱度较低，碳化速度随混合材料掺量的增多而加快。
5．混凝土的碱—集料反应
碱-集料反应是指水泥中的碱(Na2O、K2O)与骨料中的活性 SiO2 发生化学反应，在骨料表面生成复杂的碱—硅酸凝胶，凝胶吸水体积剧烈膨胀(体积可增加 3 倍以上)，从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏的现象。
混凝土发生碱—集料反应必须同时具备以下 3 个条件。
(1) 水泥中碱含量高。水泥中碱含量按(Na2O+K2O)%计算大于 0.6%。
(2) 砂、石骨料中含有活性二氧化硅成分。如蛋白石、玉髓、鳞石英等。
(3) 有水存在。在无水情况下，混凝土不可能发生碱—集料反应。
碱—集料反应缓慢，其破坏后果往往要经过几年甚至十几年后才会明显暴露出来，且一旦发现，难以有效抑制其持续发展，故素有混凝土的“癌症”之称，应以预防为主。
预防碱—集料反应的措施有：控制水泥总含碱量不超过 0.6%；选用非活性骨料；降低混凝土单位水泥用量以降低单位混凝土的含碱量；在混凝土中掺入火山灰质混合材料以减少膨胀值；防止水分侵入，设法使硬化后混凝土处于干燥状态。4.7.2 提高混凝土耐久性的措施
当混凝土的环境条件变化时，对其所要求的耐久性具体内容也各有侧重，但混凝土的密实程度是始终影响其耐久性的主要因素。
综合来看，影响混凝土耐久性的主要因素大致有以下几点。
首先，在混凝土工程中为了满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水胶比高，因而导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的 25%～40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其他有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足。
83建筑材料与检测
其次，水泥石中的水化物稳定性不足也会对耐久性产生影响。例如，通用硅酸盐水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等。此外，在水化物中还有数量很大的游离 Ca(OH)2，它的强度很低、稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。因此必须减少这些稳定性低的组分，尤其是游离 Ca(OH)2 的含量。
提高混凝土耐久性的主要措施有以下几种。
(1) 合理选用原材料。具体包括：选择适宜的水泥品种，可根据混凝土工程的特点和所处的环境条件，合理选用水泥(如低碱水泥)；选用质量良好、技术条件合格的砂石骨料；根据工程特点及环境特点合理掺用外加剂(如减水剂、引气剂)，改善混凝土的孔隙结构，提高混凝土的抗渗性和抗冻性。
(2) 保证合理的混凝土配合比。控制水胶比及保证足够的胶凝材料用量是保证混凝土密实度并提高混凝土耐久性的关键。根据不同的环境类别和混凝土等级《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)和《混凝土结构设计规范》(GB 5)规定了工业与民用建筑所用混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量的限值，见表 4-8 和 4-9。
(3) 改进施工操作程序及工艺，保证混凝土施工质量。
表 4-8 混凝土结构的环境类别环境类别
室内干燥环境；
无侵蚀性静水浸没环境
室内潮湿环境；
非严寒和非寒冷地区的露天环境；
非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；
严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
干湿交替环境；
水位频繁变动环境；
严寒和寒冷地区的露天环境；
严寒和寒冷地区的冰冻线以上与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；
受除冰盐影响环境；
盐渍土环境；
受除冰盐作用环境；
四 海水环境
五 受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境注：(1)室内潮湿环境是指结构表面经常处于结露或潮湿状态的环境。
(2)严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规范》(GB 5)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)受除冰盐影响环境为受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境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。84学习任务 4
表 4-9 混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量环境等级 最大水胶比 最低强度等级
最小胶凝材料用量/(kg/m3)
钢筋混凝土
预应力混凝土一 0.60 C20 250
0.50(0.55)
0.45(0.50)
C40注：(1)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。
(2)有可靠工程经验时，二类事到环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级。
(3)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。
混凝土结构工程的耐久性现状
混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题，并非我国所特有，但是至今尚未引起我国有关政府主管部门和广大设计与施工部门的足够重视。长期以来，人们曾一直以为混凝土是非常耐久的材料。直到 19 世纪 70 年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后不到二三十年，甚至在更短的时期内就出现劣化。据 1998 年美国土木工程学会的一份材料估计，他们需要有 1 300 亿美元来处理美国国内基础设施工程存在的问题，仅修理与更换公路桥梁的混凝土桥面板一项就需 80 亿美元。另有资料指出，美国因除冰盐引起钢筋锈蚀需限载通行的公路桥梁已占这一环境下桥梁的 1/4。发达国家为混凝土结构耐久性投入了大量科研经费并积极采取应对措施。如加拿大安大略省的公路桥梁为对付除冰盐侵蚀及冻融损害，钢筋的混凝土保护层最小厚度从 20 世纪 50 年代的 2.5cm 逐渐增加到 4cm、6cm，直到 80 年代后的 7cm，而混凝土强度的最低等级也从 50 年代的 C25 增到后来的 C40。而我国遭受盐冻侵蚀地区的公路桥梁在耐久性设计方面至今仍无明确要求，对混凝土保护层和强度的要求仅为 2.5cm 与 C25，与上面提到的加拿大 50 年代水准一致。
我国建设部于 20 世纪 80 年代的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用 25～30 年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅 15～20 年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持 50 年以上。但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有 30～40年。桥梁、港工等基础设施工程的耐久性问题更为严重。由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂的现象。海港码头一般使用 10 年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落而需要大修。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用，使用 10 多年后就出现问题，有的不得不限载、大修或拆除。盐冻也对混凝土路面造成伤害，东北地区一条高等级公路只经过一个冬天就大面积剥蚀。
耐久性问题的严重性和迫切性在于许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训，还沿着老路重蹈覆辙。一些北方城市新建成的立交桥和高速公路桥，仍没有在材料性能和
85建筑材料与检测
(第 2 版)结构构造等方面采取必要的防治冻融和盐害的综合措施，甚至大型工程如 2000 年投入运行的珠海澳门莲花跨海大桥，其主体结构在浪溅区仍采用不耐海水干湿交替侵蚀的 C30 混凝土与 3～4cm 厚的保护层厚度。
有专家估计，我国“大建”基础设施工程建设的高潮还可延续 20 年，由于忽视耐久性，迎接人们的可能还会有“大修”20 年的高潮，而且这个高潮不用很久就将到来，其耗费将倍增于这些工程的建设投资。
使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因还有以下几方面。
(1) 由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准，导致水泥工业对水泥强度的不适当追求使水泥细度增加，早强的矿物成分比例提高，这些都不利于混凝土的耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定的最低许可值，而国外则同时还要求不高于规定的最高值，如果强度超过了也被认为不合格，这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。
(2) 工程施工单位不适当地加快施工进度，尤其是政府行政领导对工程进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证，早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。国内媒体上大力宣传的所谓几个月就修成一条大路、建成一座大桥或盖成一幢高楼的工程以及抢工献礼工程，很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期的在国外要被罚款，因为意味着工程质量有遭到损害的可能。
(3) 工程使用环境的不断恶化，如废气、酸雨等日益严重的大气污染，也对工程混凝土造成了严重的侵蚀和危害。我国的酸雨面积已超过国土面积的 30%。
4.8 混凝土外加剂及外掺料4.8.1 外加剂的概念及分类
混凝土搅拌过程中掺入的，用以改善混凝土性能的物质称为混凝土外加剂，其掺量一般不超过水泥质量的 5%。外加剂在混凝土工程中的应用非常广泛，已逐渐成为混凝土的第五种组分。外加剂种类较多，一般按其主要功能分为以下四类。
(1) 改善新拌混凝土流变性能的外加剂，包括减水剂、引气剂、泵送剂等。
(2) 调节混凝土凝结硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂、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、阻锈剂等。
(4) 改善混凝土其他性能的外加剂，包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、防水剂、泵送剂等。
工程中常用的外加剂包括减水剂、引气剂、早强剂、缓凝剂、防冻剂、膨胀剂等。4.8.2 外加剂的介绍
1) 减水剂的作用机理
减水剂属于表面活性剂，其分子由亲水基团和憎水基团两部分组成。在水溶液中加入表面活性剂(如减水剂)后，亲水基团指向溶液，而憎水基团指向空气、非极性液体或固体，作定向排列，组成吸附膜，因此降低了水的表面张力。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，如图 4.15(a)所示，这种絮凝结构将一部分
86学习任务 4
混凝土拌和水(游离水)包裹在水泥颗粒之间，降低了混凝土拌和物的流动性。如在水泥浆中加入减水剂，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有相同的电荷。在电性斥力作用下水泥颗粒分开，从而将絮凝结构内的游离水释放出来，如图 4.15(b)、(c)所示。减水剂的这种分散作用使混凝土拌和物在不增加用水量的情况下，增加了流动性。(a) 水泥浆的絮凝结构
(b) 减水剂分子定向排列
(c) 释放拌和用水
图 4.15 减水剂作用机理
2) 减水剂的技术经济效果
混凝土中加入减水剂后，可获得如下几种不同的使用效果。
(1) 增加流动性。在用水量及水胶比不变时，混凝土坍落度可增大 80～200mm，且不影响混凝土强度。
(2) 减水增强。在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可减少拌和水量 8%～45%，从而降低了水胶比，使混凝土 28d 强度提高 10%～35%，早期强度提高则更为显著。
(3) 节约水泥。在保持流动性及水胶比不变的条件下，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%～25%。
(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隙结构，使混凝土的密实度提高，透水性降低，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀等能力。
3) 减水剂的主要品种
(1) 普通减水剂。普通减水剂主要品种有木质素磺酸钙(即木钙)、木质素磺酸钠等。普通减水剂属于缓凝型减水剂，可以改善混凝土拌和物的泌水、离析现象，延缓混凝土拌和物的凝结时间，减慢水泥水化放热速度。但掺量过多，除造成缓凝外，还可能导致强度下降，因而不利于冬季施工。木钙是此类减水剂的代表性品种，一般为棕黄色粉末，掺量为水泥质量的 0.2%～0.3%，该减水剂价格较便宜，应用广泛。
(2) 高效减水剂。高效减水剂主要品种有多环芳香族磺酸盐类减水剂、水溶性树脂磺酸盐类减水剂、脂肪族类减水剂等。
萘系高效减水剂是多环芳香族磺酸盐类减水剂的代表性品种，一般为棕色粉末或黏稠液体，掺量为水泥质量的 0.75%～1.5%(粉剂)或 1.5%～2.5%(液体)。萘系减水剂是我国目前生产量最大、应用最广泛的高效减水剂(占高效减水剂总产量 80%以上)，其特点是减水率较高(15%～25%)、不引气、对凝结时间影响小、与水泥适应性相对较好，能与其他各种外加剂复合使用，价格也相对便宜。萘系减水剂常被用于配制大流动性、高强、高性能混凝土，但单纯掺加萘系减水剂的混凝土坍落度损失较快。
87建筑材料与检测
(3) 高性能减水剂。聚羧酸系高性能减水剂是高性能减水剂的代表性品种，是使混凝土在减水、保坍、增强、收缩及环保等方面具有优良性能的外加剂，掺量为水泥质量的0.8%～1.5%，其主要特点有：减水率高(可高达 45%)、坍落度轻时损失小(预拌混凝土 2h坍落度损失小于 15%，对于商品混凝土的长距离运输及泵送施工极为有利)、混凝土工作性好(即使在高坍落度情况下也不会有明显的离析、泌水现象)、与不同品种水泥和掺和料相容性好、混凝土收缩小、产品无毒无害(绿色环保产品)、经济效益好(虽单价较高，但工程长期综合的成本低于其他类型产品)等，常用于配制高流动性混凝土、自流平混凝土、自密实混凝土、清水饰面混凝土，尤其适用于配制高强及高性能混凝土。
我国减水剂应用现状
2009 年，我国混凝土外加剂总产量达 722.5 万吨，其中各种合成减水剂产量约 484.7 万吨。各种高效减水剂占全部合成减水剂总量的 67%，聚羧酸系高性能减水剂占 26%，普通减水剂(木质素磺酸盐减水剂)占 7%。在高效减水剂中，萘系占总产量的 82.53%、脂肪族占 12.85%、氨基磺酸盐占 2.85%、蒽系占 1.32%、三聚氰胺系占 0.45%。
20 世纪 90 年代国外开始使用聚羧酸系高性能减水剂，日本现在的使用率占高效减水剂的60%～70%，欧美约占 20%。2000 年前后，我国混凝土工程界逐渐认识和应用聚羧酸系高性能减水剂。近几年来，在高速铁路建设的带动下，高性能减水剂发展迅猛，得以大量推广应用。国内
年建设的 26 条高速铁路项目中，截止到 2009 年底未完成施工的线路有 22 条，据测算，这些线路在
年还将至少招标聚羧酸系高性能减水剂 48.2 万吨。而随着我国新一轮大规模基本建设的展开，聚羧酸系高性能减水剂必将在铁路、公路、土木工程等领域得到更大规模的应用。
宜万铁路宜昌长江大桥于 2003 年 11 月 26 日开工，2007 年 2 月 9 日主体工程建成，由中铁大桥局集团—公司施工。大桥主跨结构采用纵横竖三向预应力混凝土连续刚构柔性拱结构，主跨总长度 810(130+2×275+130)m，其跨度之大在当时同类桥梁中居亚洲第一、世界第二。3个主墩的 0#块体，混凝土用量近 3 000m3，材料总共近万吨，故称为“万吨 0＃块”。宜万铁路宜昌长江大桥结构新颖。质量要求高、施工难度大，大桥主梁采用了添加聚羧酸系高效减水剂的C60 高性能混凝土。
工程对混凝土性能的要求是：①4d 强度达到设计强度的 90%以上，以便实施预应力张拉；②要求降低混凝土黏度，减小坍落度损失，以保证混凝土的正常浇筑施工；③降低水化热，延迟水化热峰值出现，以避免温升开裂；④要求混凝土流动性好，能充分满足施工浇筑要求；⑤减少混凝土表面气泡，做到内实外光、棱角分明；⑥要求混凝土低碱、无氯，低收缩、高抗渗，以满足耐久性要求。
经多次试验，最终选定原材料和混凝土配合比如下：①水泥：葛洲坝水泥厂生产的 PO42.5水泥；②细骨料：洞庭湖中砂；③粗骨料：宜昌碎石，粒径 5～20mm；④减水剂：山东某公司
88学习任务 4
混凝土生产的 NOF2AS 型聚羧酸系高效减水剂；⑤矿物外掺料：葛洲坝水泥厂生产的粉煤灰矿渣超细粉，其比例为矿渣∶粉煤灰=1∶3。
如表 4-10 所示为混凝土选定配合比和实验实训性能。
表 4-10 混凝土选定配合比和实验室实测性能水泥
强度/MPa /kg
减水剂/kg 度/cm
4d 7d 28d378
.02 22.5 22.0 55.4 64.3 77.9
工程实践表明：掺聚羧酸系减水剂混凝土工作性好、坍落度损失小、流动性好、可泵性好、不易堵管、含气量易于控制、水化放热平稳，拌和物本身有一定的自密实性，浇筑后混凝土外观光亮、气泡较少且表面密实、棱角分明。混凝土各项性能完全达到设计要求。
引气剂在混凝土搅拌过程中掺入，能引入大量分布均匀的微小气泡，可改善混凝土拌和物的和易性，减少泌水、离析现象，并能显著提高混凝土耐久性。
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性能，使水溶液在搅拌过程中极易产生大量微小(直径多在 200 μm 以下)的封闭气泡，使混凝土含气量增大到3%～5%(不加引气剂的混凝土含气量取 1%)，且气泡稳定不易破裂。这些气泡如同滚珠一样，减少了混凝土各组分颗粒间的摩擦阻力，同时减少了自由移动的水量，改善了混凝土拌和物的和易性；大量均匀分布的封闭气泡切断了混凝土中的毛细管渗水通道，改变了混凝土的孔隙结构，使混凝土抗渗性显著提高；同时，封闭气泡有较大的弹性变形能力，对由水结冰所产生的膨胀应力有一定的缓冲作用，因而混凝土的抗冻性得到提高。但混凝土含气量的增大会导致强度的下降，因此，为保持混凝土的力学性能，引入的气泡应适量。
目前应用较多的引气剂有松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐等。其适宜掺量为水泥质量的 0.005%～0.02%。
早强剂可加速混凝土硬化过程，明显提高混凝土的早期强度(3d 强度可提高 40%～100%)，并对混凝土最终强度无显著影响，多用于冬季施工混凝土和抢修工程，或用于加快模板的周转率。常用早强剂有无机盐(如氯化钙、氯化钠、硫酸钠、硫代硫酸钠)和有机物(如三乙醇胺)两大类。
各类早强剂的掺量均应严格控制。如使用含氯盐早强剂会加速混凝土中钢筋的锈蚀，为防止氯盐对钢筋的锈蚀，一般可采取将氯盐与阻锈剂(如亚硝酸钠)复合使用；硫酸盐对钢筋无锈蚀作用，并能提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性，但若掺入量过多时，会导致混凝土后期性能变差，且混凝土表面易析出“白霜”，影响外观与表面装饰；三乙醇胺对混凝土稍有缓凝作用，掺入量过多时，会造成混凝土严重缓凝和混凝土强度下降。
在实际应用中，早强剂单掺效果不如复合掺加。因此，较多使用由多种组分配成的复合早强剂(如硫酸钠加三乙醇胺、三乙醇胺加亚硝酸钠加二水石膏)，使用效果更好。
89建筑材料与检测
缓凝剂的主要作用是延缓混凝土凝结时间和水泥水化热释放速度，且对混凝土后期强度发展无不利影响。多用于大体积混凝土、泵送和滑模混凝土施工以及高温炎热气候下远距离运输的商品混凝土。在分层浇灌混凝土时，为防止出现冷缝，也常掺加缓凝剂。
缓凝剂主要有四类：糖类，如糖蜜；木质素磺酸盐类，如木钙、木钠；羟基梭酸及其盐类，如柠檬酸、酒石酸；无机盐类，如锌盐、硼酸盐等。常用的缓凝剂是木钙和糖蜜，其中糖蜜的缓凝效果最好，其适宜掺量为 0.1%～0.3%，混凝土凝结时间可延长 2～4h。
缓凝剂对水泥品种适应性十分明显，用于不同品种水泥缓凝效果不相同，甚至会出现相反效果，因而，缓凝剂使用前必须进行试拌，检测其效果。
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(如氯化钙、氯化钠)；氯盐阻锈类(以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、乙酸钠或尿素复合而成)。
氯盐类防冻剂适用于无筋混凝土；氯盐阻锈类防冻剂可用于钢筋混凝土；无氯盐类防冻剂可用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土。硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐易引起钢筋的应力腐蚀，故此类防冻剂不适用于预应力混凝土以及与镀锌钢材相接触部位的混凝土结构。
防冻剂一般适用于-15～0℃的气温条件下施工的混凝土，当在更低气温下施工时，应增加其他混凝土冬季施工措施，如暖棚法、原料(砂、石、水)预热法等。
膨胀剂是能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。使用膨胀剂可在混凝土内产生约0.2～0.7MPa 的膨胀应力，抵消由于干缩而产生的拉应力，增大混凝土密实度，提高混凝土抗裂性和抗渗性，多用于补偿收缩工程(如防水抗渗混凝土)、灌注及接头填缝、自应力混凝土压力管等。
膨胀剂主要有硫铝酸钙类膨胀剂(如明矾石、CSA 微膨胀剂)、氧化钙等。4.8.3 外加剂应用
1．外加剂品种的选择
选择外加剂时，应根据工程特点、材料种类和施工条件，参考外加剂产品说明书选择，如有条件应进行实验验证。混凝土选用外加剂的参考资料，见表 4-11。
表 4-11 混凝土外加剂选用参考资料混凝土类型
应用外加剂目的
适宜的外加剂高强混凝土
1．减少混凝土的用水量，提高混凝土的强度
高效减水剂泵送混凝土
2．提高施工性能，以便用普通的成型工艺施工
3．减少混凝土水泥用量，减少混凝土的徐变和收缩
1．提高可泵送性，控制坍落度 8～16cm，混凝土有
1．减水剂(低坍落度损失)
良好的黏聚性，离析、泌水现象少
2．确保硬化混凝土质量90学习任务 4
续表混凝土类型
应用外加剂目的
适宜的外加剂大体积混凝土
1．降低水泥初期水化热
1．缓凝型减水剂
2．延缓混凝土凝结时间
2．缓凝剂防水混凝土
3．减少水泥用量
4．避免干缩裂缝
4．膨胀剂(如大型设备基础)自然养护预
1．减少混凝土内部孔隙制混凝土
2．改变孔隙的形状和大小
1．减水剂与引气型气减水剂
3．堵塞漏水通路，提高抗渗性
2．膨胀剂大模板施工
3．防水剂混凝土
1．缩短生产周期，提高产量
2．节省水泥 5%～15%
1．普通减水剂滑动模板施
3．改善工作性能，提高构件质量
2．早强型减水剂工混凝土
3．高效减水剂
1．提高和易性，确保混凝土具有良好流动性、保水
4．引气减水剂
性和黏聚性
2．提高混凝土早期强度，以满足快速拆模和一定的
1．夏季：普通减水剂，低掺量的
高效减水剂
2．冬季：早强减水剂或减水剂与
1．夏季延长混凝土的凝结时间，便于滑升和抹光；
早强剂复合使用
2．冬季早强，保证滑升速度
1．夏季宜用木钙等缓凝型减水剂
2．冬季宜用高效减水剂或减水剂
与早强剂复合使用商品(预拌)
1．节约水泥，获得经济效益
1．夏季及运输距离长时，宜用木混凝土
2．保证混凝土运输后的和易性，以满足施工要求确
质磺酸盐、糖蜜等缓凝减水剂
保混凝土的质量
2．为满足各种特殊要求，选用不耐冻融混凝土
3．满足对混凝土的某些特殊要求
同性质的外加剂夏季施工混
1．引入适量的微气泡，缓冲冰胀应力
1．引气减水剂凝土
2．减小混凝土水胶比，提高混凝土抗冻融能力
3．减水剂冬季施工混
1．缓凝型减水剂
1．加快施工进度，提高构件质量
2．防止冻害
1．不受冻地区，用早强减水剂或
单掺早强剂
2．要求防冻地区，应选用防冻剂
3．引气减水剂加早强剂加防冻剂
2．外加剂掺量的确定及掺入方法
一般情况下，外加剂产品说明书都列出推荐的掺量范围，可参照选用。若没有可靠的资料为参考依据时，应尽可能通过试验来确定外加剂掺量。
外加剂的掺量很少，必须保证其均匀分散，一般不能直接加入混凝土搅拌机内。对于可溶于水的外加剂，应先配成一定浓度的溶液，随水加入搅拌机；对于不溶于水的外加剂，应与适量水泥或砂混合均匀后，再加入搅拌机内。另外，外加剂的掺入时间，对其效果的
91建筑材料与检测
(第 2 版)发挥也有很大影响，如减水剂有同掺法、后掺法、分掺法等方法。同掺法指减水剂在混凝土搅拌时一起掺入；后掺法指搅拌好混凝土后间隔一定时间，然后再掺入；分掺法指一部分减水剂在混凝土搅拌时掺入，另一部分在间隔一段时间后再掺入。4.8.4 混凝土掺和料简介
在混凝土拌和物制备时，为了节约水泥、改善混凝土性能、调节混凝土强度等级而加入的天然或人造矿物材料，统称为混凝土掺和料。混凝土掺和料多为活性矿物掺和料，其本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的 Ca(OH)2 发生化学反应，生成具有水硬性的胶凝材料，如粉煤灰(一般是煤在电厂焚烧后的产物)、硅灰、粒化高炉矿渣粉、沸石粉等。
低钙粉煤灰(一般 CaO 百分含量