C60自密实混凝土配合比设计探究.docx

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C60自密实混凝土配合比设计探究

C60自密实混凝土配合比设计探究

建管0程珊珊2010010192

【摘要】自密实混凝土是近20年来发明和得到广泛应用的混凝土,由于其优越的工作性能和良好的耐久性而在土木工程各个领域受到越来越多的重视，C60自密实混凝土较为广泛地应用于建筑施工行业。

本文就传统的混凝土配合比设计思路，分析各成分对混凝土工作性和强度的影响，给出合理的C60自密实混凝土配合比设计方案。

【关键字】配合比设计工作性强度

自密实混凝土（SCC）能够自身重力流动密实。

同时又具有足够的粘聚性，不会出现离析和泌水问题，能充分填充任何尺寸和形状的空间形成密实且均匀的结构。

对于浇注困难的工程，自密实混凝土较普通混凝土不仅使用方便，能减少人力、物力，而且还能降低由于振捣产生的噪音，有着无可比拟的优越性。

这项技术是20世纪80年代首先在日本发展起来的，它是在不改变用水量的前提下，增加细料材料的用量，例如粉煤灰或石灰石填料，以达到改善混凝土的流变性能。

混凝土的性质与其组成结构是密切相关的，要保证其高强度，还要保留其良好的流动性，减水剂的掺量、水灰比等对实配混凝土的性能影响巨大。

以下具体探究合理的C60混凝土配合比设计。

1.混凝土组成结构及各组分对其工作性和强度的影响

1.1胶凝材料的作用

1.1.1粉煤灰的作用

粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，亦称飞灰，其化学成分主要是SiO2（45～65%）、Al2O3（20～35%）及Fe2O3（5～10%）和CaO（5％）等，粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以取代部分水泥，降低混凝土的成本，保护环境，而且能与水泥互补短长，均衡协合，改善混凝土的一系列性能，粉煤灰混凝土具有明显的技术经济效益，所以，在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水和外加剂同样重要，是矿物外加剂，也可称为第二胶凝材料，是混凝土的一种组分。

1.掺入粉煤灰可改善新拌混凝土的和易性

新拌混凝土的和易性受浆体的体积、水灰比、骨料的级配、形状、孔隙率等的影响。

掺用粉煤灰对新拌混凝土的明显好处是增大浆体的体积，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。

粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体与骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土拌和物的和易性。

2粉煤灰可抑制新拌混凝土的泌水

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粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下会使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而掺用粉煤灰对防止新拌混凝土的泌水是有利的。

3掺用粉煤灰，可以提高混凝土的后期强度

有试验资料表明，在混凝土中掺入粉煤灰后，随着粉煤灰掺量的增加，早期强度（28天以前）逐减，而后期强度逐渐增加。

粉煤灰对混凝土的强度有三重影响：

减少用水量，增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。

当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要取决于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与水泥浆体中的Ca（OH）2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度和数量。

粉煤灰在混凝土中，当Ca（OH）2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。

但由于在Ca（OH）2薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在层内逐级聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。

随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰混凝土早期强度较低、后期强度增长较高的主要原因。

4掺粉煤灰可降低混凝土的水化热

混凝土中水泥的水化反应是放热反应，在混凝土中掺入粉煤灰由于减少了水泥的用量可以降低水化热。

水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量，例如，若按重量计用粉煤灰取代30％的水泥时，可使因水化热导致的绝热温升降低15％左右。

众所周知，温度升高时水泥水化速率会显著加快，研究表明：

与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快1倍。

一些大型、超大型混凝土结构，其断面尺寸增大，混凝土设计强度等级提高，所用水泥强度等级高，单位量增大，施行新标准后水泥的粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高，这是导致许多混凝土结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。

粉煤灰混凝土可减少水泥的水化热，减少结构物由于温度而造成的裂缝。

5掺粉煤灰可改善混凝土的耐久性

在混凝土中掺粉煤灰对其冻融耐久性有很大影响。

当粉煤灰质量较差，粗颗粒多，含碳量高都对混凝土抗冻融性有不利影响。

质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性降低。

但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻性的效果。

水泥混凝土中如果使用了高碱水泥，会与某些活性集料发生碱集料反应，会引起混凝土产生膨胀、开裂，导致混凝土结构破坏，而且这种破坏会继续发展下去，难以补救。

近年来，我国水泥含碱量的增加、混凝土中水泥用量的提高及含碱外加剂的普遍应用，更增加了碱集料反应破坏的潜在危险。

在混凝土中掺加粉煤灰，可以有效地防止碱集料反应，提高混凝土的耐久性。

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矿渣粉用于配制预拌混凝土，不但可以高比例的等量替代水泥（一般可代替30%～50%的水泥），而且可以大大改善混凝土的性能，如泌水少、流动度和可塑性好，水化热降低，有利于防止大体积混凝土内部温升引起的裂缝和变形。

掺有矿渣微粉的硬化混凝土具有良好的抗硫酸盐、抗氯盐、抗碱性能，并且能大幅度提高长期强度，具有良好的耐久性，可达到节能、降本、环保、利废的目的，已越来越多地应用于各类重点建设工程。

1.在标准养护条件下，水泥硬化28天后，矿渣粉仍继续水化，发挥强度效应，其强度增

长幅度在14%～38%，并与矿渣粉的比表面积呈负相关。

2.混凝土在硬化过程中，水泥水化反应产生大量的水化热，而混凝土的内部和表面散热速

度不一样，致使形成较大的温差，就会导致混凝土不均匀温度变形而产生拉应力，一旦拉应力超过混凝土即时的抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生裂缝，是混凝土早期开裂的主要因素之一，这种裂缝通常是贯穿性有害裂缝，对混凝土的耐久性非常不利。

根据《高炉矿渣微粉生产技术及开发应用研究》资料中实测数据，矿渣微粉能降低水泥水化热峰温值3～4℃，延迟峰温出现的时间。

3.矿渣微粉的主要化学成分有SiO2、AI2O3等，具有超高活性，将其作为掺合料掺入水

泥混凝土中，这些活性的SiO2、AI2O3即可与水泥中C2S水化产生的Ca（OH）2反应，进一步形成水化硅酸钙产物，填充于水泥混凝土的孔隙中，大幅度提高水泥混凝土的致密度，从而改善孔结构，减少孔隙率并减少最大孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系，达到提高混凝土的抗渗性能，同时也防止产生泌水、离析的现象。

4.矿渣微粉对混凝土工作性能的影响矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面，起到了延缓

和减少水泥初期水化物相互搭接的隔离作用。

由于矿渣微粉掺入，降低了新拌混凝土的屈服应力，使屈服应力在较长时间内在较低水平，及矿渣微粉的高比表面积具有优越于水泥的保水效果，减缓水份的蒸发速度。

因此，使坍落度经时损失有所改善。

在同样混凝土配合比及掺用同样高效减水剂的情况下，矿渣混凝土的坍落度经时损失比普通混凝土小，有利于商品混凝土的泵送施工。

5.矿渣是对能源的二次利用，具有显著的环保效益和经济效益。

1.2水泥-粉煤灰-矿渣复合作用

粉煤灰，矿渣都可以改善混凝土过渡区相性质。

二者组合使用可以相互取长补短，将各自作用充分发挥。

矿渣改善粉煤灰取代水泥低早强缺陷，提升早期弹性模量发展，粉煤灰弥补矿渣后期强度不足缺陷。

这样复合混凝土便具有了很好的早期强度和后期强度，对施工、使用有重要意义。

考虑长期作用，粉煤灰可以降低徐变；矿渣提高开裂应力，提升混凝土抗裂性能。

而且矿渣粉的细度高于粉煤灰，复合掺加后使得材料颗粒间相互填充空隙，使各组

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成材料紧密堆积，进一步降低孔隙率，从而增加混凝土结构的密室度，改善混凝土的抗渗透性。

总之，合理复合之后可以进一步改善混凝土的性能。

1.3砂率、粗集料掺量的影响

1.砂率对混凝土性质的影响体现在：

砂率的变动，会使骨料的总表面积有显著改变，从而对混凝土拌合物的和易性有较大影响。

即对流动性、黏聚性和保水性等产生影响

2.粗集料掺量

粗集料的比表面积比较小，但掺量增加会大大增加骨料的表面积，影响流动性。

由于粗骨料不宜板结，因而粗骨料相对掺量增加时，流动性增强

但粗骨料时间连接不密实，因而粘聚性和稳定性又会下降混凝土的弹性模量主要由粗集料决定，砂率增大会导致粗集料掺量下降，从而使整个混凝土的弹性模量下降。

粗集料掺量增加也会增加用水量。

3.细集料掺量

细集料掺量增加会使砂率减小。

由于其滚珠效应，可以增加新拌混凝土的流动性，减少用水量；但当砂率足够高时，骨料表面积过大，由于骨料趋于均匀分布，故粘聚性和稳定性都会增强。

但砂率过大时，水泥浆不能包裹骨料，粘聚性和稳定性又会下降。

存在一个最佳砂率使得混凝土工作性趋于最佳。

4.砂率小时，由于粗集料的抑制作用，收缩裂缝总面积较小，随砂率增加，裂缝总表面积增加，当砂率超过某一临界值时，裂缝总表面积又出现下降

粗集料掺量增加时，由于粗集料的抑制作用，收缩裂缝表面积下降

徐变的原理是由于应力和混凝土内部吸附水的影响。

混凝土中的可蒸发水起主要影响作用。

湿度越大徐变越小。

砂率较高时，若含水量显然会增加整体含水量（砂有一定的含水率），徐变减小。

粗集料掺量增加时，由于空隙率较大，也会增加含水量，徐变减小。

1.4减水剂的作用

减水剂主要能提高砂浆的强度，它的定义是在不影响混凝土施工和易性的条件下，具有减水和增强作用的外加剂称为减水剂。

一般减水率大于8%的称之为高效减水剂，减水剂有很多的功能。

分为引气型减水剂（兼引气作用的减水剂）早强型减水剂（兼早强作用的减水剂），缓凝型减水剂（兼缓凝作用的减水剂）等。

减水剂的功能：

使水泥颗粒分散，改善和易性，降低用水量，从而提高水泥基材料的致密性和硬度，增大其流动性。

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从建筑材料试验“减水剂掺量对混凝土流动度的影响”中我们知道，减水剂的最佳掺量在1.2%左右。

1.5各组分之间的协调作用

经过以上分析，我们知道混凝土各组分及其掺量直接决定了混凝土的工作性、强度和经济性。

但是由于它们的作用是相互交织的，如何合理设计各组分的掺量是混凝土配合比设计的核心。

具体分析见配合比设计过程。

2.设计思路

混凝土的配合比设计就是要在综合权衡混凝土的新拌工作性、强度、耐久性和经济性的前提下，给出混凝土中各组分的适宜比例。

在混凝土所用原材料品质给定的前提下，在混凝土的配合比设计过程中，可改变的参数有：

水胶比、浆集比、砂率、矿物掺合料和减水剂用量等。

对于自密实混凝土，我们参照了日本学者冈村甫在1996年总结的自密实混凝土的配合比设计方法，并在相关文献后得到如下流程图。

图1配合比设计思路图

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3.配合比计算与设计（以1m3混凝土为标准进行计算）

3.1设计要求

C60自密实混凝土设计目标侧重于工作性能和耐久性，强度与经济性处于次要位置。

混凝土强度等级

C60

工作性★★★

强度★★☆

经济性★★☆

耐久性★★★

坍落度--

扩展度650±50mm

（自密实混凝土坍落度大于220mm，扩展度在550~750mm）

3.2设计目标

实验需成型试样的数目和混凝土体积

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3.4实验室可用材料

1.实验室可提供的原材料包括：

1.1）P.O42.5水泥（28天抗压强度55.0MPa）。

1.2）一级粉煤灰。

1.3）凝聚态硅灰。

1.4）5~20mm石灰石质碎石，堆积密度1550kg/m3。

1.5）二区中砂（河砂）。

1.6）萘系粉剂减水剂（减水率20%）。

1.7）聚羧酸液体减水剂（减水率30%）2.实验室可提供的设备包括：

2.1）行星对流式强制搅拌机。

2.2）温度=20摄氏度，相对湿度>90%的养护室

3.5配合比设计

利用实验室已有材料，按照图1的配合比设计思路图，查阅相关资料进行理论计算，初步确定混凝土各组分用量。

按照传统的配合比设计流程如下：

1.选择适宜的工作度

坍落度大于220mm，扩展度在550~750mm粘聚性好，不易离析

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2.确定混凝土试配强度

为了满足强度要求，混凝土的试配强度必须高于设计强度。

超出值取决于实验的标准方差和变异系数。

我国对HPC配合比的强度规定根据我国《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ155—2000）确定：

fcu,o?

fcu,k?

1.645?

（Mpa）

fcu.k=60Mp，取σ=6Mp

fcu.0=60+1.645*6=69.87Mp

3.确定石子用量

根据日本学者冈村甫在1996年总结了自密实混凝土的配合比设计方法，粗基料体积用量固定为固体体积的50%（松堆体积）

石子用量：

ρ（石子堆积）=1550kg/m3

m（石子）=1550x50%=775.0kg

4.确定砂浆密实体积

ρ（石子表观）=2650kg/m3

V（石子密实体积）=775/2650=0.292m3

V（砂浆密实体积）=1-0.292=0.708m3

5.确定砂的用量

设定砂浆中砂的体积含量为0.42

V（砂的密实体积）=0.42*0.708=0.297m3

ρ（砂的表观密度）=2650kg/m3

m（砂）=0.297*2650=788.0kg

6.确定浆体密实体积

V（浆体）=0.708-0.297=0.411m3

7.计算水胶比

由鲍罗米公式W/C=Afb/（fcu,0）+ABfb）

由于粗骨料为碎石，取A=0.53；B=0.20；

fb为胶凝材料胶砂28d强度，根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671，矿物掺合料为粉煤灰和矿渣粉时，可按下式推算fb值：

fb=1.1γf.γs

γf、γs——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数

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fcu,0——水泥强度等级值（Mpa），本实验中为55.0Mp

取粉煤灰掺量为40%，矿渣粉掺量为0%，查表——

γf=0.60~0.65；γs=1.00；

fb=1.1x0.63x55.0=38.115Mp

所以,

W/C=0.53*38.115/（69.87+0.53*0.2*38.115）=0.273

0.273<0.4,符合耐久性要求

8.确定胶凝材料用量

40%的粉煤灰掺量

ρ（水泥）=3150kg/m3ρ（粉煤灰）=2600kg/m3

ρ（凝胶材料表观密度）=（0.6x3.15+0.4x2.6）/1x103=2930kg/m3

V（浆体）=[m（凝胶材料）/ρ（凝胶材料表观密度）+m（水）/ρ（水）]

所以，m（凝胶材料）=669.06kg

m（水）=669.06x0.273=182.65kg

9.确定水泥和粉煤灰用量

V（凝胶材料密实体积）=669.09/2930=0.228m^3

m（水泥）=0.228*0.6*3150=431.58kg

m（粉煤灰）=0.228*0.4*2600=237.12kg

10.确定减水剂类型及掺量

采用萘系粉剂减水剂，减水效率为20%

减水剂掺量为水泥的1%

m（减水剂）=431.58x1%=4.316kg

m（水）=182.65x80%=146.12kg

11.计算结果

实际配制混凝土40dm3

各项配比为

实验材料

理论用量（kg/40ml）水水泥粉煤灰粗骨料细骨料减水剂材料成本（元）5.8417.269.4831.0031.520.1715.7

12.砂石含水率的校正

实验理想状况下，需要砂石的状态是饱和面干状态。

我们计算的用水量实际上就是在这种情况下给出的。

所以为了保证水灰比不变，需要计算砂石的含水率。

计算过程如下：

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计算砂、石的实际用量：

计算水的实际用量：

225g（1%）.加入减水剂后：

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Sand?

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Agg.?

w湿-w烘干w烘干w湿-w烘干w烘干'?

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wagg.再加上没有考虑到高效减水剂。

减水剂的掺量为胶凝材料总重的0.8%-2%。

取减水剂

mw'?

mw（1?

?

）

其实还要考虑到矿物掺合料的水化活性因子。

试验后参数修正，最后需要把修正后结果重新列表。

13配制过程

（1）称量

按算得的配合比，小组内分工称量实验材料。

（2）拌和

用实验室提供的行星对流式强制搅拌机进行拌合。

先将水和减水剂之外的所有材料放入搅拌机中拌合一分钟，然后缓慢、均匀将水和减水剂加入，再拌合三分钟。

（3）成型

采用两次成型法，即先在模具中填入一半的混凝土，放置于振动台上震动90秒；然后将模具填满，再震动90秒。

（4）养护

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在常温下的成型室中放置24小时后拆模，再转入养护室，用于测定抗压强度等性能。

养护条件：

T＝20℃，RH≥90％。

14.骨料的最大粒径选择

混凝土耐久性设计规范（在编）

我们应该根据实际情况选择最小粒径。

4.相关细节讨论和混凝土性能检测

4.1新拌混凝土工作性

2.新拌混凝土工作性测定

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评价指标

坍落度

流动性

粘聚性测定方法严格来说只有当混凝土塌下后仍保持原先的截锥体形状时才有可测量的价值，因此通常认为存在一个可以测定工作度的范围（10-175mm）可直接通过坍落度实验测量。

用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打，此时如果锥体逐渐下

沉，则表示粘聚性良好，如果锥体倒塌，部分崩裂或出现离析现象，则表

示粘聚性不好。

2.混凝土抗压强度测定

抗折强度测定过程相关参数设置：

四点加载，跨距为300mm，对侧面进行实验。

加荷速率取0.08-0.10MPa/s。

对100*100*400的试件，四点加载时，加荷速率为267-333N/s。

3混凝土抗折强度测定

试件规格为100mm×100mm×400mm

抗压强度测定过程相关参数设置：

四点加载，跨距为300mm，对侧面进行实验。

对C60混凝土，加荷速率取0.09Mpa/s（300N/s），直至试件破坏。

混凝土抗压和抗折强度的测定均应以3个试件作为一组。

以三个试件测定值的算术平均值作为该组试件的强度值（精确至0.1MPa）。

三个测定值中最大值或最小值如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍弃，取中间值作为该组试件的测定结果。

如最大值和最小值与中间值的差均超过中间值的15%，则该组试件的测定结果无效。

4混凝土的抗渗透性

（1）典型的评价混凝土抗渗透性的方法

依据实验原理不同可大致分为三类：

<1>渗透系数法

<2>离子扩散系数法

氯离子对混凝土的亲和力较大，可在其表面附近扩散；另外，混凝土中钢筋锈蚀等耐久性问题与氯离子的浓度及扩散有很大的关系，尤其是在沿海和使用除冰盐的地区，氯离子的

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扩散性受到特别的重视，因此常用氯离子在混凝土中的扩散系数来评价混凝土的抗渗透性。

该方法又包括如下两种测试方法：

氯离子自然扩散法，氯离子电迁移法。

<3>电参数法

（2）NEL方法测定混凝土抗渗透性

这次实验采用离子扩散系数法中的一种——NEL法测定仪评价本组配制混凝土的渗透性。

对厚度为50mm的混凝土试件先在4M的NaCl溶液中进行真空饱盐，然后在DC5V的电压下，利用Nernst-Einstein方程，计算该混凝土的氯离子扩散系数。

根据混凝土氯离子扩散系数测定结果，按照下表:

混凝土氯离子扩散系数（10-8cm2/s）

>10

5-10

1-5

0.5-1

<0.5

对照试验数据，评价渗透性是否合理。

混凝土渗透性评价高中等低很低极低

5.思考

5.1本次实验结果，混凝土的抗渗性随着混凝土强度的增加而提高，分析其具体原因，有以下几点：

1）水灰比

强度高的混凝土水灰比较低。

水灰比的大小直接影响混凝土的密实性和抗渗透性。

水灰比越小，混凝土的密实性和抗渗透性就越好。

水灰比较大时，混凝土在凝结过程中将蒸发出的多余水分，在混凝土内部形成孔隙和毛细管通路，由此造成混凝土强度低、抗渗透性较差。

当然，水灰比不能过小，水灰比过小，混凝土施工和易性差，影响混凝土的密实性。

2）减水剂的使用

强度高的混凝土使用的减水剂量较大。

掺用减水剂的混凝土可大大降低拌合混凝土的用水量，从而使混凝土拌合物在凝结硬化过程中蒸发游离水所形成的毛细孔大大减少，提高了混凝土结构的密实性和抗渗性。

3）粉煤灰的掺量

掺粉煤灰会使混凝土的抗渗性提高。

粉煤灰的掺入改善了混凝土内部的微观结构和水化产物的组成，混凝土孔隙率降低，孔径细化，使混凝土对氯离子渗透的扩散阻力提高。

粉煤灰的火山灰效应减少了粗大结晶、稳定性差的水化产物氢氧化钙的数量及其在水泥石-集料

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界面过渡区的富集与定向排列，从而优化了界面结构，同时粉煤灰的密实填充效应使水泥石结构和界面过渡区结构更加致密，阻塞了氯离子的渗透通道。

本组C60混凝土的粉煤灰掺量较大，故抗渗性较好。

5.2思考题

如何考虑各组分对混凝土新拌工作性、强度、耐久性和经济性的影响的?

以下分成4种组分考虑其对混凝土各方面性能及经济性的影响。

1）水泥和水

不同品种和质量的水泥，其矿物组成、细度、所掺混合材料种类的不同都会影响到拌合用水量。

水泥的细度越细，在相同用水量情况下其混凝土拌合物流动性越小，但粘聚性及保水性较好。

增减1kg水，意味着增减1L水泥浆量，同时还影响水泥浆粘度的大小。

只增加用水量时，坍落度加大而稳定性降低。

水灰比是决定混凝土强度的主要因素之一，水灰比降低，孔隙率减小，过渡区强度改善，混凝土强度提高。

水灰比较低，扩散系数较小，所以混凝土的耐久性也会较好。

水泥的单价较高，对混凝土的经济性影响较大