第2节 普通混凝土的性质Word格式文档下载.docx
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坍塌度（mm）
T1
低塑性混凝土
10～40
T2
塑性混凝土
50～90
T3
流动性混凝土
100～150
T4
大流动性混凝土
≥160
2.维勃稠度测定
对于干硬性的混凝土拌合物（坍落度值小于10mm）通常采用维勃稠度仪测定其稠度，见图4-10。
图4-10维勃稠度仪
维勃稠度测定方法是：
开始在坍落度筒中按规定方法装满拌合物，提起坍落度筒，在拌合物试体顶面放一透明圆盘，开启振动台，同时用秒表计时，到透明圆盘的底面完全为水泥浆所布满时，停止秒表，关闭振动台。
此时可认为混凝土拌合物已密实。
所读秒数，称为维勃稠度。
该法适用于骨料最大粒径不超过40mm，维勃稠度在5～30s之间的混凝土拌合物稠度测定。
3.泵送混凝土的稳定性测定
稳定性常用相对压力泌水率（S10）来评定。
试验仪器采用普通混凝土压力泌水仪。
相对压力泌水率（S0）的测定方法是：
将混凝土拌合物按规定方法装入试料筒内，称取混凝土质量G0，尽快给混凝土加压至3.5MPa，立即打开泌水管阀门，同时开始计时，并保持恒压，泌出的水接入1000ml量筒内，加压10s后读取泌水量V10，加压140s后读取泌水量V140。
混凝土加压至10s时的相对泌水率S10=V10/V140（%）
经研究表明，混凝土拌合物在泵送过程中的摩阻力是拌合物的流动性与稳定性的综合反映。
而且流动性与稳定性又有一定的关系。
因此，拌合物的可泵性一般可用坍落度值和相对压力泌水率两个指标来评定。
㈢流动性的选择
混凝土灌注时的坍落度表4-19
项次
结构种类
1
基础或地面等的垫层
无配筋的大体积结构（挡土墙、基础等）或配筋稀疏的结构
10～30
2
板、梁或大型及中型截面的柱子等
30～50
3
配筋密列的结构（薄壁、斗仓、筒仓、细柱等）
50～70
4
配筋特密
70～90
泵送混凝土选择坍落度除考虑振捣方式外，还需要考虑其可泵性。
拌合物坍落度过小，泵送时吸入混凝土缸较困难，即活塞后退汲吸混凝土时，进入缸内的数量少，也就使充盈系数小，影响泵送效率。
这种拌合物进行泵送时的摩阻力也大，要求用较高的泵送压力，使混凝土泵机件的磨损增加，甚至会产生阻塞，造成施工困难；
如坍落度过大，拌合物在管道中滞留时间长，则泌水就多，容易产生离析而形成阻塞。
泵送混凝土的坍落度，可按国家现行《混凝土结构工程施工及验收规范》和行业标准《混凝土泵送施工技术规程》的规定选用。
对不同泵送高度，入泵时混凝土的坍落度，可按表4-20选用。
不同泵送高度入泵时混凝土坍落度选用值表4-20
泵送高度（m）
30以下
30～60
60～100
100以上
塌落度（mm）
100～140
140～160
160～180
180～200
㈣影响和易性的主要因素
混凝土拌合物在自重或外力作用下产生流动的大小，与水泥浆的流变性能以及骨料颗粒间的内摩擦力有关。
骨料间的内摩擦力除了取决于骨料的颗粒形状和表面特征外，还与骨料颗粒表面水泥浆层厚度有关；
水泥浆的流变性能则又与水泥浆的稠度密切相关。
因此，影响混凝土拌合物的和易性的主要因素有以下几个方面：
1.水泥浆的数量
混凝土拌合物中的水泥浆，赋予混凝土拌合物以一定的流动性。
在水灰比不变的情况下，单位体积拌合物内，如果水泥浆愈多，则拌合物的流动性愈大。
但若水泥浆过多，将会出现流浆现象，使拌合物的粘聚性变差，同时对混凝土的强度与耐久性也会产生一定影响，且水泥用量也大。
水泥浆过少，致使其不能填满骨料空隙或不能很好包裹表面时，就会产生崩坍现象，粘聚性变差。
因此，混凝土拌合物中水泥浆的含量应以满足流动性要求为度，不宜过量。
对于泵送混凝土，水泥浆的量不足时，粘聚性差，在泵送管道内就会出现离析现象，不能形成一个很好的润滑层，也会发生堵管现象。
因此，水泥浆的数量要相对多些，以满足泵送的要求。
2.水泥浆的稠度
水泥浆的稠度是由水灰比所决定的。
在水泥用量不变的情况下，水灰比愈小，水泥浆就愈稠，混凝土拌合物的流动性就愈小。
当水灰比过小时，水泥浆干稠，混凝土拌合物的流动性过低，会使施工困难，不能保证混凝土的密实性。
增加水灰比会使流动性增大。
如果过大，又会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良，而产生流浆、离析现象，并严重影响混凝土的强度。
所以水灰比不能过大或过小。
一般应根据混凝土强度和耐久性要求合理地选用。
无论是水泥浆的多少还是水泥浆的稀稠，实际上对混凝土拌合物流动性起决定作用的是用水量的多少。
在保持水灰比不变的条件下用调整水泥浆量的方法来调整混凝土拌合物的流动性。
流动性、大流动性混凝土的用水量按下列步骤计算：
以表4-21中坍落度为90mm的用水量为基础，按坍落度每增大20mm用水量增加5kg，计算出掺外加剂时混凝土的用水量。
干硬性和塑性混凝土的用水量（Kg/m3）表4-21
拌合物稠度
卵石最大粒径（mm）
碎石最大粒径（mm）
项目
指标
10
20
31.5
40
16
维勃稠度（s）
15～20
175
160
145
180
170
155
10～15
165
150
185
5～10
190
200
210
195
220
205
215
230
水泥混凝土路面的混凝土用水量，应按骨料的种类、最大粒径、级配、施工温度和掺用外加剂等通过试验确定。
粗骨料最大粒径为40mm。
粗细骨料均干燥时，混凝土的单位用水量，应按下列经验数值采用：
当用碎石时为150～170kg/m3；
当用卵石时为140～160kg/m3；
掺用外加剂或掺合料时，应相应增减用水量。
3.砂率
⑴定义
砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。
砂率的变动会使骨料的空隙率和骨料的总表面积有显著改变，因而对混凝土拌合物的和易性产生显著影响。
⑵合理砂率
砂率过大时，骨料的总表面积及空隙率就会增大，在水泥浆含量不变的情况下，相对地水泥浆显得少了，减弱了水泥浆的润滑作用，而使混凝土拌合物的流动性减小。
如果砂率过小，又不能保证在粗骨料之间有足够的砂浆层，也会降低混凝土拌合物的流动性，而且会严重影响其粘聚性和保水性，容易造成离析、流浆等现象。
因此，砂率有一个合理值。
当采用合理砂率时，在用水量及水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌合物获得最大的流动性且能保持良好的粘聚性和保水性，如图4-11所示。
或者，当采用合理砂率时，能使混凝土拌合物获得所要求的流动性及良好的粘聚性与保水性，对泵送混凝土则为获得良好的可泵性，而水泥用量为最少，如图4-12所示。
图4-11含砂率与坍落度的关系（水与水泥用量为一定）
图4-12含砂率与水泥用量的关系（达到相同的坍落度）
⑶影响合理砂率大小的因素
石子最大粒径较大、级配较好、表面较光滑时，由于粗骨料的空隙率较小，可采用较小的砂率。
砂的细度模数较小时，由于砂中细颗粒较多，混凝土的粘聚性容易得到保证，而且砂在粗骨料中的拨开作用较小，故可采用较小的砂率；
水灰比较小、水泥浆较稠时，由于混凝土的粘聚性较易得到保证，故可采用较小的砂率；
施工要求的流动性较大时，粗骨料常易出现离析，所以为了保证混凝土的粘聚性，需采用较大砂率；
当掺用引气剂或减水剂等外加剂时，可适当减小砂率。
一般在保证拌合物不离析，又能很好地浇灌、捣实的条件下，应尽量选用较小的砂率。
这样可节约水泥。
对于大工地或混凝土量大的工程应通过试验找出合理砂率，如无使用经验可按骨料的品种、规格及混凝土的水会比值参照表4-22选用合理的数值。
此表适用于坍落度小于或等于60mm，且等于或大于10mm的混凝土。
混凝土的砂率表４－２２
水灰比（W/C）
0.40
26～32
25～31
24～30
30～35
29～34
27～32
0.50
28～33
33～38
32～37
0.60
31～36
36～41
35～40
0.70
34～39
39～44
38～43
坍落度大于60mm的混凝土砂率，应经试验确定，也可在表4-22的基础上，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度予以调整；
坍落度小于10mm的混凝土，其砂率应经试验确定。
水泥混凝土路面的砂率，应按碎（卵）石和砂的用量、种类、规格及混凝土的水灰比确定，并按表4-22规定选用。
4.水泥品种和骨料的性质
用矿渣水泥和某些火山灰水泥时，拌合物的坍落度一般较常用普通水泥时为小，而且矿渣水泥将使拌合物的泌水性显著增加。
从前面对骨料的分析可知，一般卵石拌制的混凝土拌合物比碎石拌制的流动性好。
河砂拌制的混凝土拌合物比山砂拌制的流动性好。
骨料级配好的混凝土拌合物的流动性也好。
5.外加剂
拌制混凝土时，加入少量的减水剂能使混凝土拌合物在不增加水泥用量的条件下，获得很好的和易性，增大流动性和改善粘聚性、降低泌水性。
并且由于改变了混凝土结构，尚能提高混凝土的耐久性。
6.时间和温度
拌合物拌制后，随时间延长而逐渐变得干稠，流动性减小，原因是有一部分水供水泥水化，一部分水被骨料吸收，一部分水蒸发以及凝聚结构的逐渐形成，致使混凝土拌合物的流动性变差。
当加入外加剂的混凝土，会随时间的延长，由于外加剂在溶液中的浓度逐渐下降，导致坍落度损失的增加。
泵送混凝土的坍落度随时间变化较大，其坍落度损失比非泵送混凝土要大。
图4-13是坍落度随时间变化的一个实例。
由于拌合物流动性的这种变化，在施工中测定和易性的时间，推迟至搅拌完后约15min为宜。
图4-13坍落度和拌合后时间之间的关系（拌合物配比1：
2：
4，W/C=0.775）
拌合物的和易性也受温度的影响，如图4-14所示。
因为环境温度的升高，水分蒸发及水泥水化反应加快，拌合物的流动性变差，而且坍落度损失也变快。
泵送混凝土在泵送过程中，由于拌合物与管壁摩擦，温度升高，平均上升0.4℃，最高≤1℃，这与泵送时间长短有关。
一般拌合物温度升高1℃，其坍落度下降0.4cm，因此在盛夏施工时，要充分考虑由于温度的升高而引起的坍落度降低。
施工中为了保证一定的和易性，必须注意环境温度的变化，采取相应的措施。
图4-14温度对拌合物坍落度的影响（曲线上的数字为骨料最大粒径）
㈤改善和易性的措施
在实际工作中调整拌合物的和易性，可采取如下措施：
1.尽可能降低砂率，通过试验，采用合理砂率。
2.改善砂、石的级配，有利于提高混凝土的质量和节约水泥。
3.尽量采用较粗的砂石。
4.当混凝土拌合物的坍落度太小时，维持水灰比不变，适当增加水泥和水的用量，或者加入外加剂等；
当拌合物坍落度太大，但粘聚性良好时，可保持砂率不变，适当增加砂、石。
㈥新拌混凝土的凝结时间
水泥的水化反应是混凝土产生凝结的主要原因，但是混凝土的凝结时间与配制该混凝土所用水泥的凝结时间并不一致，因为水泥浆体的凝结和硬化过程要受到水化产物在空间填充情况的影响。
因此水灰比的大小会明显影响其凝结时间，水灰比越大，凝结时间越长。
混凝土拌合物的凝结时间通常是用贯入阻力法进行测定的。
所使用的仪器为贯入阻力仪。
先用5mm筛孔的筛从拌合物中筛取砂浆，按一定方法装入规定的容器中，然后每隔一定时间测定砂浆贯入到一定深度时的贯入阻力，绘制贯入阻力与时间的关系曲线，以贯入阻力3.5MPa及280MPa划两条平行于时间坐标的直线，直线与曲线的交点的时间即为混凝土拌合物的初凝和终凝时间。
二、混凝土的强度
㈠混凝土的脆性断裂
1.混凝土的理论强度与实际强度
实际上普通混凝土的抗拉强度远低于这个理论值，用格雷菲斯脆性断裂理论来解释，就是说在一定应力状态下混凝土中裂缝达到临界宽度后，便处于不稳定状态，会自发地扩展，以至断裂。
2.混凝土受力裂缝扩展过程---混凝土受力变形与破坏的过程
硬化后的混凝土在未受外力作用之前，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产生了分布极不均匀的拉应力；
另外还因为混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止，因而聚积于粗骨料的下缘，混凝土硬化后就成为界面裂缝；
混凝土受外力作用时，其内部产生了拉应力，这种拉应力很容易在具有几何形状为楔形的微裂缝顶部形成应力集中，随着拉应力的增大，导致微裂缝的进一步延伸、汇合、扩大，最后形成几条可见的裂缝。
试件就随着这些裂缝扩展而破坏。
以混凝土单轴受压为例，汇出的静力受压时的荷载—变形曲线形式如图4-15。
图4-15混凝土受压变形曲线
Ⅰ-界面裂缝无明显变化；
Ⅱ-界面裂缝增长；
Ⅲ-出现砂浆裂缝和连续裂缝；
Ⅳ-连续裂缝迅速发展；
Ⅴ-裂缝缓慢增长；
Ⅵ-裂缝迅速增长
通过显微镜所查明的混凝土内部裂缝的发展可分为图4-15中的四个阶段。
每个阶段的裂缝状态示意图如图4-16。
当荷载到达“比例极限”以前，截面裂缝无明显变化，此时荷载与变形比较接近直线关系（图4-15中的OA段，图4-16中的Ⅰ）。
荷载超过“比例极限”以后，截面裂缝的数量、长度和宽度都不断增大，界面借摩阻力继续承受荷载，但无明显的砂浆裂缝（图4-16Ⅱ）
此时，变形增大的速度超过荷载增大的速度，荷载与变形之间不再接近直线关系（图4-15曲线AB段）。
荷载超过“临界荷载”以后，在界面裂缝继续发展的同时，开始出现砂浆裂缝，并将邻近的界面裂缝连接起来成为连续裂缝（图4-16Ⅲ）。
此时，变形增大的速度进一步加快，荷载—变形曲线明显地弯向变形轴方向（图4-15曲线BC段）。
超过极限荷载以后，连续裂缝急速地扩展（图4-16Ⅳ）。
此时，混凝土的承载能力下降，荷载减小而变形迅速增大，以至完全破坏，荷载—变形曲线逐渐下降而最后结束（图4-15曲线CD段）。
图4-16不同受力阶段裂缝示意
3.混凝土的强度理论
混凝土的强度理论分细观力学理论和宏观力学理论。
细观力学理论是根据混凝土细观非匀质的特征，研究组成材料对混凝土强度所起的作用。
宏观力学理论是假定混凝土为宏观匀质且各向同性材料，研究混凝土在复杂应力作用下的普适化破坏条件。
前者应为混凝土材料设计的主要理论依据之一，而后者对混凝土结构设计则很重要。
㈡混凝土立方体抗压强度
1.定义
按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81-85），制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件（温度20±
3℃，相对湿度90%以上），养护到28d龄期，测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度，以fcu表示。
采用标准试验方法测定其强度是为了能使混凝土的质量有对比性。
在实际的混凝土工程中，其养护条件不可能与标准养护条件一样，为了能说明工程中混凝土实际达到的强度，往往把混凝土试件放在与工程相同条件下养护，再按所需的龄期进行试验测得立方体试件抗压强度值作为工地混凝土质量控制的依据。
2.试块尺寸和强度的关系
测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以按粗骨料最大粒径的尺寸而选用不同的试件尺寸。
但在计算其抗压强度时，应乘以换算系数，以得到相当于标准试件的试验结果（选用边长为10cm的立方体试件，换算系数为0.95；
选用边长为20cm的立方体试件，换算系数为1.05），这是因为试块的尺寸、形状不同，会影响试件的抗压强度值。
试件尺寸愈小，测得的抗压强度值愈大。
因为混凝土立方试块在压力机上受压时，在沿加荷方向发生纵向变形的同时，也按泊松比效应产生横向变形。
压力机上下两块压板的弹性模量比混凝土大5～15倍，而泊松比则不大于混凝土的两倍。
所以在荷载下压板的横向应变应小于混凝土的横向应变，因而上下压板与试件的上下表面之间产生的摩擦力对试件的横向膨胀起着约束作用，对强度有提高的作用（图4-17）。
图4-17压力机压板对试块的约束作用
3.环箍效应及消除方法
㈢混凝土立方体抗压标准强度与强度等级
混凝土立方体抗压标准强度系指按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的强度总体分布中具有不低于95%保证率的抗压强度值，以fcu,k表示。
混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压强度来划分的。
混凝土强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值表示。
普通混凝土划分为下列强度等级：
C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55及C60等十二个等级。
混凝土强度等级是混凝土结构设计时强度计算取值的依据，同时也是混凝土施工中控制工程质量和工程验收时的重要依据。
㈣混凝土的轴心抗压强度fcp
确定混凝土强度等级是采用立方体试件，但实际工程中，钢筋混凝土结构形式极少是立方体的，大部分是棱柱体型或圆柱体型。
为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件时，都是采用混凝土轴心抗压强度fcp作为依据。
关于轴心抗压强度fcp与立方抗压强度fcu间的关系，通过许多组棱柱体和立方体试件的强度试验表明：
在立方抗压强度fcu=10～55Mpa的范围内，轴心抗压强度fcp与fcu之比约为0.70～0.80。
㈤混凝土的抗拉强度
混凝土在直接受拉时，很小的变形就要开裂，它在断裂前没有残余变形，是一种脆性破坏。
混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/20，且随着混凝土强度等级的提高，比值有所降低，也就是当混凝土等级提高时，抗拉强度的增加不及抗压强度提高的快。
因地，混凝土在工作时一般不依靠其抗拉强度，但抗拉强度对于开裂现象有重要意义，在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。
有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度等。
混凝土抗拉试验过去多用8字形试件或棱柱体试件间接测定轴向抗拉强度，但是这种方法由于夹具附近局部破坏很难避免，而且外力作用线与试件轴心方向不易调成一致，所以我国采用立方体的劈裂抗拉试验来测定混凝土的抗拉强度，称为劈裂抗拉强度fts。
该方法的原理是在试件的两个相对的表面素线上，作用着均匀分布的压力，这样就能够在外力作用的竖向平面内产生均布拉伸应力（图4-20），这个拉伸应力可以根据弹性理论计算出。
图4-20劈裂试验时垂直于受力面的应力分布
混凝土按劈裂试验所得的抗拉强度fts换算成轴拉试验所得的抗拉强度ft，应乘以换算系数，该系数可由试验确定。
㈥混凝土的抗折强度
实际工程中常会出现混凝土的断裂破坏现象，因此像在进行路面结构设计以及混凝土配合比设计时是以抗折强度作为主要强度指标。
根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012-94）规定，不同交通量等级的水泥混凝土计算抗折强度见表4-23。
道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的关系见表4-24。
路面水泥混凝土计算抗折强度表４－２３
交通量分级
特重
重
中等
轻
混凝土计算抗折强度fd（Mpa）
5.0
4.5
4.0
道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的关系表４－２４
抗折强度fcf（Mpa）
5.5
抗压强度fcu（Mpa）
25.0
30.0
35.5
40.0
㈦影响混凝土强度的因素
普通混凝土受力破坏一般出现在骨料和水泥石的分界面上，这就是常见的粘结面破坏的形式。
另外，当水泥石强度较低时，水泥石本身破坏也是常见的破坏形式。
在普通混凝土中，骨料最先破坏的可能性小，因为骨料强度经常大大超过水泥石的粘结强度。
而水泥石强度及其与骨料的粘结强度又与水泥标号、水灰比及骨料的性质有密切关系。
此外，混凝土的强度还受施工质量，养护条件及龄期的影响。
1、水灰比和水泥强度等级---决定混凝土强度的主要因素
水泥是混凝土中的活性组分，其强度等级的大小直接影响着混凝土强度的高低。
在配合比相同的条件下，所用的水泥强度等级越高，制成的混凝土强度也越高。
当用同一种水泥时，混凝土强度主要决定于水灰比。
在水泥标号相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力也愈大，混凝土的强度就愈高。
试验证明，混凝土强度，随水灰比的增大而降低，呈曲线关系，而混凝土强度和灰水比的关系则呈直线关系如图4-21）。
图4-21混凝土强度与水灰比的关系（a）强度与水灰比的关系；
（b）强度与灰水比的关系
水泥石与骨料的粘结力还与骨料的表面状况有关，碎石表面粗糙，粘结力比较大，卵石表面光滑，粘结力比较小。
因而在水泥标号和水灰比相同的条件下，碎石混凝土的强度往往高于卵石混凝土的强度。
2、养护的温度与湿度
混凝土所处的环境温度和湿度等，都是影响混凝土强度的重要因素，它们都是通过对水泥水化过程产生的影响而起作用的。
混凝土的硬化，原因在于水泥的水化作用，周围环境的温度对水化作用进行的速度有显著的影响，如图4-22所示。
图4-22养护温度对混
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