水泥混凝土基本知识

1.1.2　水泥混凝土基本知识

一、混凝土的组成及其作用

混凝土是由水泥、砂、石和水组成。硬化前的混凝土称为混凝土拌和物，或新拌混凝土。水和水泥组成水泥浆，硬化后的水泥浆体称为水泥石。水泥浆包裹在砂的表面，并填充于砂的空隙中称为砂浆，砂浆又包裹在石子的表面，并填充石子的空隙。水泥浆和砂浆在混凝土拌和物中分别起到润滑砂、石的作用，使混凝土具有施工要求的流动性，并使混凝土成型密实。硬化后，水泥石将砂，石牢固地胶结为一整体，砂、石在混凝土中起到骨架的作用，故称为骨料。骨料主要起到限制混凝土的干缩、减少水泥用量和水化热、降低成本的作用，并可起到提高混凝土强度和耐久性的作用。混凝土的组成中，骨料一般占混凝土总体积的70%～80%，水泥石占20%～30%。此外，还含有少量的气孔。

1．水泥

（1）水泥品种的正确选择

水泥是混凝土的胶结材料，混凝土的性能很大程度上取决于水泥的质量和数量，在保证混凝土性能的前提下，就尽量节约水泥，降低工程造价。首先根据工程特点、所处环境气候条件，特别是工程竣工后可能遇到的环境因素以及设计、施工的要求进行分析，并考虑当地水泥的供应情况选用行当品种的水泥。

（2）水泥强度等级的正确选择

水泥的强度等级，应与混凝土设计强度等级相适应。用高强度等级的水泥配低强度等级混凝土时，水泥用量偏少，会影响和易性及强度，可掺适量混合材料（火山灰、粉煤灰、矿渣等）予以改善；反之，如水泥强度等级选用过低，则混凝土中水泥用量太多，非但不经济，而且降低混凝土的某些技术品质（如收缩率增大等）。

一般情况下（C30以下），水泥强度为混凝土强度的1.5～2.0倍较合适（高强度混凝土可取0.9～1.5）。若采用某些措施（如掺减水剂和掺和材料），情况则大不相同，用42.5级的水泥也能配制C60～C80的混凝土，其规律主要受水灰比定则控制。

（3）水泥用量的确定

为保证混凝土的耐久性，水泥用量满足有关技术标准规定的最小和最大水泥用量的要求。如果水泥用量少于规定的最小水泥用量，则取规定的最小水泥用量值；如果水泥用量大于规定的最大的水泥用量，应选择更高强度等级的水泥或采用其他措施使水泥用量满足规定要求。水泥的具体用量由混凝土的配合比设计确定。

2．细集料——砂

在混凝土中粗细集料的总体积占混凝土体积的70%～80%，因此混凝土用集料的性能对于所配制的混凝土的性能有很大的影响。集料按粒径大小分为细集料和粗集料，粒径在150µm～4.75mm之间的集料称为细集料，粒径大于4.75mm的集料称为粗集料。根据集料的密度的大小集料又可分为普通集料、轻集料及重集料。

（1）细集料的质量要求

混凝土用砂要求砂粒的质地坚实、清洁、有害杂质含量要少。砂按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。

（2）密度和空隙率要求

密度p_s＞2.5g/cm³；堆积密度p_os＞1400kg/m³；空隙率P_s＜45%。

（3）含泥量、泥块含量和石粉含量

含泥量是指砂中粒径小于75µm的岩屑、淤泥和黏土颗粒总含量的百分数。泥块含量是颗粒粒径大于1.18mm，水浸碾压后可成为小于600µm块状黏土在淤泥颗粒的含量。石粉含量是人工砂生产过程中不可避免的粒径小于75µm的颗粒的含量，粉料径虽小，但与天然砂中的泥成分不同，粒径分布（40～75µm）也不同

（4）有害杂质含量

砂在生产过程中，由于环境的影响和作用，常混有对混凝土性质有害的物质，主要有黏土、淤泥、黑云母、轻物质、有机质、硫化物和硫酸盐、氯盐等。云母为光滑的小薄片，与水泥的黏结性差，影响混凝土的强度和耐久性；硫化物和硫酸盐对水泥有腐蚀作用等。有害杂质含量限制见表1-1。

表1-1　砂中有害杂质含量限制表

（5）坚固性

天然砂的坚固性采用硫酸钠溶液法进行试验检测，砂样经5次循环后其质量损失就符合表1-2中的规定；人工砂采用压碎指标法进行试验检测，压碎指标值就小于表1-2中的规定。

表1-2　坚固性指标

（6）砂的粗细程度

砂的粗细程度，是指不同粒径砂粒混合在一起的平均粗细程度。砂子通常分为粗砂、中砂、细砂三种规格。在混凝土各种材料用量相同的情况下，若砂过粗，砂颗粒的表面积较小，混凝土的黏聚性、保水性较差；若砂过细，砂子颗粒表面积过大，虽黏聚性、保水性好，但因砂的表面积大，需较多水泥浆来包裹砂粒表面，当水泥浆用量一定时，富裕的用于润滑的水泥浆较少，混凝土拌和物的流动性差，甚至还会影响混凝土的强度。所以，拌混凝土用的砂，不宜过粗，也不不宜过细。颗粒大小均匀的砂是级配不良的砂。砂的粗细程度通常用细度模数（M_X）表示。

（7）砂的颗粒级配

砂的颗粒级配是指不同粒径的颗粒互相搭配及组合的情况。级配良好的砂，其大小颗粒的含量适当，一般有较多的粗颗粒，并且适当数量的中等颗粒及少量的细颗粒填充其空隙，砂的总表面积及空隙率均较小。使用级配良好的砂，填充空隙用的水泥浆较少，不仅可以节省水泥，而且混凝土的和易性好，强度耐久性也较高。

砂粗细程度和颗粒级配是由砂的筛分试验来进行测定的。筛分试验是采用过9.50mm方孔筛后500g烘干的待测砂，用一套孔径从大到小（孔径分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、600µm、300µm、150µm）的标准金属方孔筛进行筛分，然后称其各筛上所得的粗颗粒的质量（称为筛余量），将各筛余量分别除以500得到分计筛余百分率（%）a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆，再将其累加得到累计筛余百分率（简称累计筛余率）A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆，其计算过程见表1-3。

表1-3　累计筛余百分率（%）与分计筛余百分率（%）的关系

3．粗集料——石子

粗集料是指粒径大于4.75mm的岩石颗粒。常用的粗集料有卵石（砾石）和碎石。由人工破碎而成的石子称为碎石，或人工石子；由天然形成的石子称为卵石。卵石按其产源特点，也可分为河卵石、海卵石和山卵石。其各自的特点相应的天然砂类似，各有其优缺点。通常，卵石的用量很大，故应按就地取材的原则给予选用。卵石的表面光滑，混凝土拌和物比碎石流动性要好，但与水泥砂浆黏结力差，故强度较低。

卵石和碎石按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三个等级。Ⅰ类用于强度等级大于C60的混凝土；Ⅱ类用于强度等级C30～C60及抗冻、抗渗或有其他要求的混凝土；Ⅲ类适用于强度等级小于C30的混凝土。

与细集料相同，混凝土对粗集料的基本要求也是颗粒的总表面积要小和颗粒大小搭配要合理，以达到节约水泥和逐级填充而形成最大的密实度的要求。

（1）最大粒径

粗集料公称粒径的上限称为该粒级的最大粒径。如公称粒级5～20mm的石子其最大粒径即20mm。最大粒径反映了粗集料的平均粗细程度。拌和混凝土中集料的最大粒径加大，总表面减小，单位用水量有效减少。在用水量和水灰比固定不变的情况下，最大粒径加大，集料表面包裹的水泥浆层加厚，混凝土拌和物可获较高的流动性。若在工作性一定的前提下，可减小水灰比，使强度和耐久性提高。通常加大粒径可获得节约水泥的效果。但最大粒径过大（大于150mm）不但节约水泥的效率不明显，而且会降低混凝土的抗拉强度，会对施工质量，甚至对搅拌机械造成一定的损害。

根据规定；混凝土用的粗集料，其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。对混凝土的实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得超过400mm。

（2）颗粒级配

粗集料与细集料一样，也要有良好的颗粒级配，以减小空隙率，增强密实性，从而节约水泥，保证混凝土和和易性及强度。特别是配制高强度混凝土，粗集料级配特别重要。

粗集料的颗粒级配也是通过筛分实验来确定，所采用的方孔标准筛孔径为2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm、90.0mm12个。根据各筛分计筛余量计算而得的分计筛余百分率及累计筛余百分率的计算方法也与相同。依据国家标准，普通混凝土用碎石及卵石的颗粒级配就符合表1-4规定。

表1-4　卵石或碎石颗粒级配范围

粗集料的颗粒级配按供应情况分为连续和单粒粒级。按实际使用情况分为连续级配和间断级配两种。连续级配是石子的粒径从大到小连续分级，每一级都占适当的比例。连续级配的颗粒大小搭配连续合理（最小粒径为4.75mm起），颗粒上下限粒径之比接近2，用其配制的混凝土拌和物工作性好，不易发生离析，在工程中应用较多。但其缺点是，当最大粒径较大（大于37.5mm）时，天然形成的连续级配往往与理论最佳值有偏差，且在运输，堆放过程中易发生离析，影响到级配的均匀合理性。实际应用时，除直接采用级配理想的天然连续级配外，常采用预先分级筛分形成的单粒粒级进行掺配组合成人工连续级配。

间断级配是石子粒级不连续，人为剔去某些中间粒级的颗粒而形成的级配方式。间断级配更有效降低石子颗粒间的空隙率，使水泥达到最大程度的节约，但由于粒径相差较大，故混凝土拌和物易发生离析，间断级配需按设计进行掺配而成。

（3）强度

粗集料在混凝土中要形成紧实的骨架，故其强度要满足一定的要求。粗集料的强度有立方体挤压强度和压碎指标值两种。

立方体挤压强度是浸水泡和状态下的集料母体岩石制成的50mm×50mm×50mm立方体试件，在标准试验条件下测得的挤压强度值。根据标准规定，要求岩石挤压强度火成岩不小于80MPa，变质岩不小于60MPa，水成岩不小于30MPa。

（4）坚固性

集料颗粒在气候、外力及其物理力学因素作用下抵抗碎裂的能力称为坚固性。集料由于干湿循环或冻融交替等作用引起体积变化会导致混凝土破坏。集料越密实、强度超高、吸水率越小时，其坚固性越好；而结构疏松、矿物成分越复杂、结构不均匀，其坚固越差。

集料的坚固性，采用硫酸溶液浸泡来检验。该种方法是将集料颗粒在硫酸钠溶液中浸泡若干次，取出烘干后，测其在硫酸钠结晶晶体的膨胀作用下集料的质量损失率来说明集料的坚固性，其指标应符合表1-5所示的要求。

表1-5　碎石和卵石的坚固性指标

4．针、片状颗粒

为提高混凝土强度和减小骨料间的空隙，粗集料颗粒的理想形状应为三维长度相等或相近的立方体形或球形颗粒。但实际集料产品中常会出现颗粒长度大于平均粒径4倍的针状颗粒和厚度小于平均粒径0.4倍的片状颗粒。针、片状颗粒的外形和较低的抗折能力，会降低混凝土的密实度和强度，并使其工作性变差，故其含量应予以控制，针、片状颗粒含量按标准规定的针状规准仪来逐粒测定，凡颗粒长度大于针状规准仪上相应间距者为针状颗粒；颗粒厚度小于片状规准仪上相应孔宽者，为片状颗粒。

5．拌和用水

混凝土拌和用水按水源分为饮用水、地表水、地下水、再生水、混凝土企业设备洗刷水和海水。拌制宜采用饮用水。对混凝土拌和用水的质量要求是所含物质对混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土不应产生以下有害作用：

（1）影响混凝土的工作性及凝结；

（2）有碍于混凝土强度发展；

（3）降低混凝土的耐久性，加快钢筋腐蚀及导致预应力钢筋脆断；

（4）污染混凝土表面。

根据以上要求，符合国家标准的生活用水（自来水、河水、江水、湖水）可直接拌制各种混凝土。混凝土拌和用水水质要求应符合表1-6的规定。

表1-6　混凝土拌和用水水质要求

注：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。

对于使用年限为100年的结构混凝土，氯离子含量不超过500mg/L；对使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量不超过350mg/L。

被检验水样应与饮用水样进行水泥凝结时间对比试验。对比试验的水泥初凝时间差及终凝时间差均不应大于30min；同时初凝时间应符合现行国家标准的规定。

被检验水样应与饮用水样进行水泥胶砂强度对比试验，被检验水样配制的水泥胶砂3d和28d强度不低于饮用水配制的水泥胶砂3d和28d强度的90%。

6．掺和料

掺和料包括粉煤灰、火山灰质、粒化高炉矿渣（活性混合材料）等，应由生产专门加工，进行产品检验并出具产品合格证书。使用单位对产品的质量有怀疑时，应对其质量进行复查，掺和料技术条件如下所述。

（1）掺用于混凝土的煅烧砂技术条件

烧失量不得超过8%；含水量不得超过1%；三氧化硫的含量不得超过3%；0.08mm方孔筛筛余量不得超过8%；水泥胶砂需水量不得超过8%。

（2）火山灰质材料作掺和材料的技术条件

人工的火山灰质混合材料烧失量不得超过10%；三氧化硫的含量不得超过3%；火山灰性试验必须合格；水泥胶砂28d抗压强度不得低于62%。

（3）粒化高炉矿渣作掺和材料的技术条件

粒化高炉矿渣质量系数（CaO+MgO+Al₃O₃）/（SiO₂+MnO+TiO₂）不得小于1.2（式中化学成分均为质量百分数）；钛化合物含量（以TiO₂），不得超过10%；氟化物含量（以F计）不得超过2%；锰化合物含量（以MnO计）不得超过4%。冶炼锰铁所得粒化高炉渣，其锰化物的含量（以MnO计）不得超过15%；硫化物的含量（以S计）不得超过2%；高炉矿渣的淬冷的块头矿渣，经直观挑选，不得大于5%，其最大尺寸不得大于100mm；不得混有任何外来杂物。金属铁的含量应严格控制。

二、混凝土的特点

1．混凝土的优点

材料来源广泛；性能可调整范围大，易于加工成型；匹配性好，维修费用少。

2．混凝土的缺点

自重大，比强度小；抗拉强度低，变形能力差而易产生裂缝；硬化时间长，在施工中影响质量的因素较多，质量波动较大。

三、混凝土的应用与发展

随着科学技术的发展，混凝土的缺点下被逐渐克服。如采用轻质骨料可显著降低混凝土的自重，提高强度；掺入纤维或聚合物，可提高抗强度，大大降低混凝土的脆性；掺入减水剂、早强剂等外加剂，可显著缩短硬化时间，改善力学性能。

混凝土的技术性能也在不断地发展，高性能混凝土（HPC）将是今后混凝土的发展方向之一。高性能混凝土除了要求具有高强度（f_cu≥60MPa）等级外，还必须具备良好的工作性、体积稳定性和耐久性。

目前，我国发展高性能混凝土的主要途径主要有以下方面：

（1）采用高性能的原料以及与其相适应的工艺。

采用多种复合途径提高混凝土的综合性能。可在基本组成材料之外加入其他有效材料，好高效减水剂、早强剂、缓凝剂、硅灰、优质粉煤灰、沸石粉等一种或多种复合的外加组分以调整各改善混凝土的浇筑性能及内部结构，综合提高混凝土的性能和质量。

（2）从节约资源、能源，减少工业废料排放和保护自然环境的角度考虑，则要求混凝土及原材料的开发、生产，建筑施工作业等均应既能满足当代人的建设需要，又不危及后代人的延续生存环境，因此绿色高性能混凝土（GHPC）也将成为今后的发展方向。许多国家正在研究开发新技术混凝土，如灭菌、环境调色、变色、智能混凝土等，这些新的发展动态可以说明混凝土的潜力很大，混凝土技术与应用领域有待开拓。

四、混凝土的基本要求

工程上使用的混凝土一般须满足以下四项基本要求。

1．和易性

混凝土拌和物的和易性也称工作性或工作度，是指混凝土拌和物是否易于施工和获得均匀密实结构的性质，是衡量混凝土质量的重要指标之一。混凝土拌和物的和易性主要包括以下三项含义：

（1）流动性。流动性是指在自重力或机械振动力作用下，易于产生流动，易于运输、易于充满混凝土模板的性质。一定的流动性可保证混凝土构件或结构的形状与尺寸以及结构的密实性。流动性过小，不利于施工，并难以达到密实成型，易在混凝土内部造成孔隙或孔洞，影响混凝土的质量；流动性过大，虽然成型方便，但水泥浆用量大，不经济，且易造成混凝土拌和物产生的离析和分层，影响均质性。流动性是和易性中最重要的性质，对混凝土的强度及其他性质有较大影响。

（2）黏聚性。黏聚性是指各组成材料具有一定的黏聚力，在施工过程中保持整体均匀一致的能力。黏聚性差的混凝土在运输、浇筑、成型等过程中，骨料容易与砂浆产生分离，即易产生离析和分层现象（如图1-1所示），造成混凝土内部结构不均匀，使浇筑后的混凝土强度及耐久性受到影响。

（3）保水性。在施工过程中保持水分的能力。保水性的好坏直接关系到混凝土拌和物在运输、成型和凝结硬化过程中是否发生泌水现象。泌水会在混凝土内部产生大量的连通毛细孔隙，成为混凝土中的渗水通道。上浮的水会聚集在钢筋和石子的下部，增加了骨料和钢筋下部水泥浆的水灰比，形成薄弱层，即界面过渡层，严重时会在骨料和钢筋的下部形成水隙或水囊，即孔隙或裂纹，从而严重影响它们和水泥石之间的界面黏结力。上浮到混凝土表面的水会大大增加表面层混凝土的水灰比，造成混凝土表面疏松，若继续浇筑混凝土则会在混凝土内形成薄弱的夹层（如图1-1所示）。保水性对混凝土的强度和耐久性有较大的影响。

图1-1　混凝土的分层现象

混凝土拌和物的流动性、黏聚性及保水性三者相互联系，但有相互矛盾，当流动性较大时，往往黏聚性和保水性较差；反之亦然。因此，混凝土拌和物和易性良好时指三者相互协调，均为良好。

混凝土拌和物和易性是一项综合性质，目前还没有一种能够全面反映和易性的测定方法，通常是按照《普通混凝土拌和物性能试验方法》（GBJ80—85）的规定，对于流动性较大的混凝土拌和物采用坍落度法，对流动性较小的混凝土拌和物采用维勃稠度法，测定混凝土拌和物的流动性（稠度）。

混凝土拌和物流动性的分级见表1-7。

表1-7　混凝土拌和物流动性的分级（GB 50164—92）

2．强度

硬化后的水泥混凝土在路面结构和桥梁构件中，受到复杂的动态复合应力，因此对水泥混凝土材料要求具备各种力学强度（如抗压、抗拉、抗剪、抗弯、耐磨、抗冲击等），但是各种力学强度都与抗压强度有一定的相关性，在结构设计时，各种强度均可通过抗压强度折算，因此，水泥混凝土的强度往往是以抗压强度为基准。《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81—85）规定，将混凝土制作成边长为150mm的立方体试件，在标准养护条件（温度为（20±3）℃，相对湿度为90%以上）下，养护到28d龄期，测得的抗压强度值为立方体抗压强度，简称抗压强度。测定混凝土的抗压强度时，也可用非标准尺寸的试件，但应乘以换算系数以换算成标准尺寸试件的强度值。边长为100mm、200mm的非标准立方体试件的换算系数分别为0.95、1.05。

《混凝土强度检验与评定标准》（GBJ107—87）规定，混凝土的强度等级按立方体抗压强度标准值划分，混凝土的立方体抗压强度标准值（简称抗压强度标准值）是测得的抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值得百分率不超过5%，或具有95%强度保证率的抗压强度值。混凝土的强度等级有符号C和立方体抗压强度标准值（MPa）来表示，分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等十二个等级，道路路面或机场路路面用的水泥混凝土，以抗弯拉强度（或称抗折强度）为重要强度指标，抗压强度作为参考强度指标。根据我国实验研究，道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的关系见表1-8。

表1-8　道路水泥混凝土的抗折强度与抗压强度的关系

3．耐久性

混凝土应具有与环境相适应的耐久性，以保证混凝土结构使用寿命。耐久性包括抗冻性、抗渗性，抗侵蚀性、抗碳化性等。

4．经济性

在满足上述三项要求的前提下，混凝土中的各组成材料应经济合理，即应节约水泥用量，以降低成本。

五、混凝土的质量控制

由于受各种因素的作用或影响，混凝土的生产质量总是有所波动。引起混凝土质量波动的因素主要有原材料质量的波动，组成材料计量的误差，搅拌时间、振捣条件与时间、养护条件等的波动与变化以及试验条件等的变化。

为减小混凝土质量的波动程度，即将其控制在最小范围内，应采取以下措施。

（1）严格控制各组成材料的质量。各组成材料的质量均应满足相应的技术规定与要求，其个组成材料的质量与规定应满足工程设计与施工等的要求。

（2）严格计量。各组成材料的计量误差需满足GBJ50164—92的规定，即水泥、掺和料、水、外加剂的误差不得超过2%，粗细骨料的误差不得超过±3%，且不得随意改变配合比，并应随时测定砂、石骨料的含水率，以保证混凝土配合比的准确性。

（3）加强施工过程的管理。采用正确的搅拌与振捣方式，并严格控制搅拌与振捣时间。按规定的方式运输与浇筑混凝土。加强对混凝土的养护，严格控制养护温度与湿度。

（4）绘制混凝土质量管理图

对混凝土的强度，可通过绘制质量管理图来掌握混凝土质量的波动情况。利用质量管理图分析混凝土质量波动的原因，并采取相应的对策，达到控制混凝土质量的目的。

混凝土质量控制的具体要求、方法与过程详见GBJ50164—92、GBJ50204—92以及CECS40：90（混凝土及预制混凝土构件质量控制规程）。

六、混凝土的配比

混凝土配合比是指混凝土中各组成材料之间的比例关系。混凝土配合比通常用每立方米混凝土中各种材料的质量来表示，或以各种材料用料量的比例表示（水泥的质量为1）。一个好的配合比应具备如下条件：

（1）满足混凝土各项技术要求，包括耐久性要求等：混凝土最普遍的技术要求应属其抗压强度及工作性（包括坍落度、黏聚性及泌水性），其他特殊要求有：抗折强度、抗渗、抗冻、抗化学侵蚀、耐磨、耐酸、耐热等性能。随着混凝土技术的不断发展，其耐久性要求日益突出，国内外混凝土工程由于受外力侵蚀性介质或变形等作用发生破坏的事例屡见不鲜，加之混凝土破坏后很难修复，故耐久性越来越多地受到关注。因此在设计混凝土配合比时，即使没有专门的耐久性要求，也要从百年大计出发，采取相应措施予以保证。

（2）满足混凝土施工性能方面的要求：施工性能要求指混凝土易于搅拌、运输、泵送和成型的性能，即坍落度要适中，经时坍落度损失较小，工作性好，不易泌水或离析。如施工性能不良，混凝土将有可能产生蜂窝、麻面、孔洞及泌水等缺陷，也可能堵泵，甚至成型困难，大大降低施工效率。如果认为施工性能无关大局，可以弃之不顾，那是完全错误的。

（3）经济合理：在满足上述要求的前提下，混凝土成本应尽可能降低。所选用的水泥、砂石、外加剂和矿物掺料应就地取材，价格合理。在设计时应平衡原材料用量与其价格的关系，以求达到最优的技术经济指标。

总之，配合比的优劣不仅仅视其强度高低或水泥用量多少，还应考察其是否满足上述各项要求，是否符合实际情况，全面了解混凝土各项技术要求。