混凝土的构成及特性

普通混凝土
普通混凝土（以下简称混凝土）是由水泥、水、砂、石所组成，各种原料按一定比例配合，经均匀的浆体称为混凝土拌合物，再经凝结硬化后成为坚硬的人造石材称为混凝土。

一、混凝土的组成材料
普通混凝土由水泥、水和砂石骨料组成，有时为了改善性能还可加入外加剂和掺合料。
（一）水泥
1.水泥品种的选择 配制混凝土用的水泥应符合国家现行标准的有关规定。选用水泥时，应根据工程特点，所处环境以及设计、施工的要求，选用适当品种和标号。常用水泥品种选择参见表4-1。

2. 水泥标号的选用应与混凝土的强度相适应。一般水泥的强度约为混凝土强度的1.5~2.0倍较为适宜。若水泥标号过低会使水泥用量过大而不经济。若水泥标号过高，则水泥用量偏少对混凝土的工作性和耐久性均带来不利影响。表4-1常用水泥的选用

（二） 细骨料——砂 ?颗粒直径在0.16~5mm之间的骨料称为砂。砂可分为天然砂和人工砂。天然砂是由岩石风化所得，按产源天然砂分为河砂、海砂和山砂。

1.物理性质 常用砂一般为硅质砂，其视密度与密度值非常接近，约为2.6~2.7克/cm3，在干燥状态下松散堆积时，其堆积密度为1350~1650千克/立方米。砂在自然状态下，往往含有一定水分，其含水状态可 分为四种，见砂的四种含水状态

（1） 完全干燥状态（烘干状态） 在100~110度温度下烘干，达到恒重状态； 

（2） 气干状态（风干状态 ） 在环境中达到平衡含水率时的状态； 

（3） 饱和面干状态 （表干状态 ）颗粒表面干燥，内部孔隙吸水饱和时的状态 ； 

（4）湿润状态 （潮湿状态 ） 颗粒 内部吸水饱和，表面附有吸附水的状态 。

砂处于潮湿状态时，因含水率不同，其堆积密度随之改变，使得砂的堆积体积也不同（图4-4）。在采用体积法验收、堆放及配料时，都应该注意湿砂的体积变化问题。在拌遮混凝土时，砂含水状态不同将会影响混凝土的拌合水量及砂的用量，在配制混凝土时规定，以干燥状态为准计算，在含水状态是应进行换算。

2.有害杂质含量  
   JGJ52-79《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》中规定，规定了砂中的有害杂质（包括黏土，淤泥，云母，轻物质，硫化物，和硫酸盐及有机物质）的含量范围以保证混凝土的质量。砂中的黏土 ，淤泥，云母及轻物质会粘附在骨料表面，防碍骨料与水泥石的黏结，从而降低了混凝土的抗冻性和抗渗性，硫化物与硫酸盐及一些有机物质会腐蚀水泥石降低混凝土的强度和耐久性。

3. 颗粒形状与表面状态  ?河砂、海砂等颗粒圆滑，拌制的混凝土流动性好，但海砂中常含有贝壳碎片及可溶性盐类 ，影响混凝土强度，所以配制混凝土时多采用河砂。山砂颗粒多棱角、表面粗糙，与水泥石粘结好，故拌制的混凝土强度较高。

4.粗细程度与颗粒级配 ?砂的粗细程度是只不同粒径的颗粒混合在一起后总体的粗细程度。在混凝土中砂的表面有水泥浆包裹，砂的总表面积越大，需要包裹沙砾的水泥浆越多。因此一般说用较粗的砂拌制混凝土可比用细砂拌制节省水泥浆。

砂的颗粒级配是只指砂中不同颗粒互相搭配的比例情况，粒径相同的砂堆积起来空隙率最大；两种粒径的砂搭配起来，空隙就减少；三种粒径的砂搭配，空隙率就更小了，在混凝土中，砂颗粒间的空隙是由水泥浆来填充的，因此，级配良好的砂可以节省水泥。在拌制混凝土时应同时考虑砂的颗粒程度和级配。选择较粗的、级配良好的砂，既能保证混凝土的质量，又能节省水泥。

砂的粗细程度和颗粒级配用筛分析的方法来确定（详见实验部分 ）

（三）粗骨料 （碎石和卵石）

粒径大于5mm的骨料称为粗骨料。常用的粗骨料有天然卵石和人工碎石两种。 

1.物理性质 粗骨料的视密度一般在2.50~2.70~克/cm3。在干燥状态下，松散堆积时，其堆积密度约为1450~1650~Kg/m3。粗骨料在自然状态下也有四种含水状态。计算混凝土中的各种材料的配合比时，一般内以干燥骨料为准。

2.有害杂质含量

JGJ53-79《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》中，规定了包括黏土，淤泥，云母，轻物质，硫化物，和硫酸盐及有机物质均为有害物质，其含量应该控制4-6的范围内。如石子含泥量过大，应过筛或冲洗后才能使用。当粗骨料中含有活性二氧化硅成分（如蛋白质，玉髓和鳞石英等）时，遇到水泥中的碱在有水存在的情况下，能相互作用生成复杂的碱-硅酸凝胶，并吸水膨胀，破坏混凝土结构。这种碱性氧化物与骨料中活性氧化硅之间的化学作用称为碱-骨料反应。因此，当水泥含碱量大于0.6%时需对骨料中活性氧化硅的有害作用进行检验以确定能否使用。

3.颗粒形状与表面特征 天然卵石是由岩石经过自然条件形成的，可分为可河卵石，海卵石和山卵石。它们表面叫为光华呈圆形无棱角，山卵石和海卵石常含有些杂质，河卵石比较清洁，多为采用河卵石拌制混凝土。人工碎石表面粗糙，多棱角，与水泥石黏结比卵石好，因此在性同水泥用量的情况下，卵石混凝土拌合物比碎石混凝土有较好的流动性，但在相同配合比的情况下，卵石混凝土的强度却比碎石混凝土的低。

在石子中，常含有针状颗粒和片状颗粒会使骨料空隙增大，增加水泥用量和降低拌合物的流动性，而且硬化后会降低混凝土的强度及耐久性，因此应控制其含量C30及C30以上的混凝土，粗骨料中 针，片状颗粒含量应该不大于15%；C30以下的混凝土应不大雨15%；C10及C10以下的混凝土含量可放宽到40%。

4.其强度和坚固性

粗骨料在混凝土中起骨架作用，必须有足够的强度和坚固性。碎石和卵石的强度可用岩石立方体强度和压碎指标两种方法表示。有抗冻要求的混凝土用粗骨料，应具有在冻融作用下，抗碎裂的能力，其坚固性必须合格。

5. 最大粒径与颗粒级配 

工称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。例如，5-40mm粒级，40mm是该粒级的上限值，该粒级的最大粒径就是40mm。粗骨料的最大粒径反映了骨料的粗细程度。《混凝土结构工程施工及验收规范》GB50204-92中规定：粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，且不得超过钢筋间最小净距的3/4；混凝土实心板骨料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不得超过50mm。

粗骨料的级配与细骨料级配的原理基本相同，级配良好的石子可实现最密实的堆积。 

粗骨料继配的好坏对保证混凝土的流动性、强度和节省水泥等方面影响起着重要作用。粗骨料颗粒级配也通过筛分析实验确定（具体见实验部分）。

四） 水 

混凝土拌合用水及养护水应符合JGJ63-89《混凝土拌合用水标准》的规定，凡符合国家标准的生活饮用水，均可拌制各种混凝土。海水可用于拌制素混凝土，但不得用于拌制钢筋混凝土和预应力混凝土。不宜用海水拌制有饰面要求的素混凝土。

地表水、地下水以及经适当处理或处置的工业废水，若水的PH值、不溶物、可溶物、氯化物、硫酸盐、硫化物的含量符合JGJ63-89规定的数值，且凝结时间对比试验，水泥的初终凝时间差不大于30min并尚符合水泥国标规定；强度对比试验抗压强度不低于标准试样混凝土抗压强度的90%，也可以用用于拌制混凝土。

二、普通混凝土的主要性质

混凝土在凝结硬化前称为混凝土拌合物。混凝土拌合物必须具有良好的和易性（或称工作性），硬化后的混凝土应具有足够的强度和必要的耐久性。

（一）混凝土拌合物的和易性

1.和易性含义  ?混凝土拌合物的和易性是指混凝土拌合物易于浇注、捣实，且保持组成材料均匀稳定的性质。和易性良好的混凝土拌合物应具有较好的流动能力，这样浇注时才能在自重或外力（振捣）的作用下充满模具，并且在振捣时容易密实。混凝土 拌合物的流动性主要取决于拌合物的稠度。在混凝土施工中，不同的施工条件和施工方法应采用相应的稠度。因此，混凝土拌合物和易性的好与差应该用拌合物的稠度能否适应所浇注结构的构造特征以及采用的运输和捣实方法来衡量。

和易性良好的混凝土拌合物除具有一定的稠度，易于成型外，还应在搅拌后，直至成型结束，组成材料都能保持在混凝土中均匀分布，即粘聚性和保水性。对于均匀稳定性较差的混凝土拌合物在静置、运输、浇注和捣实的过程中都可能发生离析和泌水。

离析是指拌合物中大颗粒和细颗粒间产生分离的现象。对于流动性较大的混凝土拌合物，因各组分粒度及密度不同，易引起砂浆与石子间的分层离析现象。对于硬性或少砂的混凝土拌合物，若装卸及浇注方法不当，也会发生离析现象。

泌水是指拌合水按不同方式从拌合物中分离出来的现象。固体材料在混凝土拌合物中下沉使水被排出并上升至表面，使表面形成浮浆；有些水达钢筋及粗骨料下沿而停留；有些水通过模板接缝渗漏；都是泌水的表现。

无论是离析，还是泌水对硬化后混凝土的强度和耐久性都将有很大的影响。显然，混凝土拌合物的和易性是一项综合的技术性质，它包括流动性和均匀稳定性两方面的含义。这两者相互联系，又相互矛盾。流动性过大将影响均匀稳定性；反之亦然。因此在实际工程中，应在流动性基本满足施工的条件下，力求保证均匀稳定性，使两者统一起来。

2. 混凝土拌合物和易性的测定 

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GBJ80—85）规定，混凝土拌合物的稠度可采用塌落度法和维勃稠度法测定。
由于和易性是一项综合的技术性制，因此很难找到一种能全面反映拌合物和易性的测定方法。通常以测定流动性（即稠度）为主，而对均匀稳定性主要通过观察进行评定。

a．塌落度法
塌落度法适用于骨料最大粒径不大于40mm、塌落度值大于10mm的塑性和流动性混凝土拌合物稠度测定。方法是将拌合物按规定的试验方法装入塌落度筒内，提起塌落度筒后拌合物因自重而向下塌落，下落的尺寸即为混凝土拌合物的塌落度值，以毫米为单位，用T表示，见图4-5。在测定塌落度的同时，应观察拌合物的均匀稳定性情况，以全面地评定混凝土的和易性。
混凝土拌合物根据其塌落度大小可分为四级，见表4-8．塌落度值小于10mm的干硬性混凝土拌合物应采用维勃稠度法测定。
b.维勃稠度法
维勃稠度法适用于骨料最大粒径不大于40mm，维勃稠度在5~30s之间的混凝土拌合物稠度的测定。这种方法是先按规定方法在圆柱形容器内做塌落度试验，提起塌落度筒后在拌合物试体顶面上放一透明圆盘，开启振动台，同时启动秒表并观察拌合物下落情况。当透明圆盘下面全部布满水泥浆时关闭振动台，停秒表，此时拌合物已被振实。秒表的读数“s”即为该拌合物的维勃稠度值，以“秒”为单位，用V表示

3.影响和易性的因素 ?混凝土拌合物的和易性主要取决于各组成材料的品种、规格及组成材料之间数量的比例关系（水灰比、砂率、浆骨比）。

1）水泥品种 不同品种的水泥，需水量不同，因此在相同配合比时，拌合物的稠度也有所不同。需水量大者，其拌合物的塌落度较小。一般采用火山灰水泥、矿渣水泥时，拌合物的塌落度较用普通水泥时小些。

2）骨料的种类、粗细程度及颗粒级配  ?河砂和卵石表面光滑无棱角，多呈球状，拌制的混凝土拌合物比碎石拌制的拌合物流动性好。采用最大粒径较大的级配良好的砂石，因其总表面积和空隙率小，包裹骨料表面和填充空隙用的水泥浆用量小，因此拌合物的流动性也好。

3）水灰比 水灰比的大小决定了水泥浆的稠度。水灰比愈小，水泥浆就愈稠，当水泥浆与骨料用量比一定时，拌制成的拌合物的流动性便愈小。当水灰比过小时，水泥浆较干稠，拌制的拌合物的流动性过低会使施工困难，不易保证混凝土质量。若水灰比过大，会造成拌合物均匀稳定性变差，产生流浆、离析现象。因此，水灰比不易过小或过大，应根据混凝土的强度和耐久性要求合理地选用。

4）砂率 ?砂率是指拌合物中砂的质量占砂石总质量的百分率。砂的粒径比石子小得多，具有很大的比表面积，而且砂在拌合物中填充粗骨料的空隙。因而，砂率的改变会使骨料的总表面积和孔隙率有显著的变化，可见砂率对拌合物的和易性有显著的影响。

砂率过大，骨料的总表面积及空隙率都会增大啊，在水泥浆量一定的条件下，骨料表面的水泥浆层厚度减小，水泥浆的润滑作用减弱，使拌合物的流动性变差。若砂率过小，砂填充石子空隙后，不能保证粗骨料间有足够的砂浆层，也会降低拌合物的流动性，而且会影响拌合物的均匀稳定性，使拌合物粗涩，松散，粗骨料易发生离析现象。当砂率适宜时，砂不但填满石子的空隙，而且还能保证粗骨料间有一定厚度的砂浆层以便减小粗骨料的滑动阻力，使拌和物有较好的流动性。这个适宜的砂率称为合理砂率。采用合理砂率时，在用水量和水泥用量一定的情况下，能使拌合物获得最大的流动性，且能保证良好的粘聚性和保水性。或者，在保证拌合物获得所要求的流动性及良好的粘聚性和保水性时，水泥用量为最小，  

5）浆骨比
水泥浆与骨料的数量比称为浆骨比。在骨料量一定的情况下，浆骨比的大小可用水泥浆的数量表示，浆骨比愈大，表示水泥浆用量愈多。在混凝土拌合物中，水泥浆赋予拌合物以流动性，是影响拌合物稠度的主要因素。在水泥浆稠度（即水灰比）一定时，增加水泥浆数量，拌合物流动性随之增大。但水泥浆过多，不仅不经济，而且会使拌合物均匀稳定性变差，出现流浆现象。

6）外加剂
在拌制混凝土时，掺用外加剂（减水剂、引气剂）能使混凝土拌合物在不增加水泥和水用量的条件下，显著地提高流动性，且具有较好的均匀稳定性。
此外，由于混凝土拌和后水泥立即开始水化，使水化产物不断增多，游离水逐渐减少，因此拌合物的流动性将随时间的增长不断降低。而且，塌落度降低的速度随温度的提高而显著加快。

（二）混凝土的强度 

混凝土的强度包括抗压、抗拉、抗弯、抗剪以及握裹强度等，其中以抗压强度最大，故工程上混凝土主要承受压力，混凝土的抗压强度与其它强度间有一定的相关性，可以割据抗压强度的大小来估计其它强度值，因此混凝土的抗压强度是最重要的一项性能指标。

①混凝土的立方体抗压强度及强度等级
按照国家标准BGJ81—85《普通混凝土力学性能试验方法》的规定，以边长为150mm的立方体试件为标准试件，在标准养护条件（温度20±3℃，相对湿度90%以上）下养护28d，测得其抗压强度，所测得的抗压强度值称为立方体抗压强度，以fcu表示。测定混凝土立方体抗压强度时，也可以采用非标准尺寸的试件，其尺寸应根据混凝土中粗骨料的最大粒径而定，单其测定结果应乘以相应的尺寸换算系数见表

根据国家标准GBJ107—87《混凝土强度检验评定标准》规定，混凝土的强度等级按立方体抗压强度标准值划分。混凝土的强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值fcu,k(以N/mm2)表示。立方体抗压强度标准值系指对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%。混凝土的强度等级分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55及C60十二个等级，例如强度等级C25表示该混凝土的立方体抗压强度标准值为25Mpa。
工程设计时应根据建筑物的不同部位及承受荷载情况的不同，选取不同强度等级的混凝土。

②轴心抗压强度  ?混凝土的强度等级只是评价混凝土力学性能的依据，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（如柱子）时都采用轴心抗呀强度作为标准试件，测定其标养28天的抗压强度值。

3.混凝土强度的因素  

1） 水泥标号 水泥是混凝土中的胶凝材料，水泥粘结骨料使混凝土成为人造石材。在相同配合比的条件下，水泥标号越高，水泥浆体与骨料的粘结力越大，混凝土的强度就越高。混凝土强度与水泥的强度成正比例关系。

2）水灰比 即用水量与水泥用量之比。在配制混凝土时，为了使拌合物具有良好的和易性，往往要加入较多的水，而水泥完全水化要的结合水大约只为水泥重的23%左右，多余的水在混凝土硬化后，或残留在混凝土中，或蒸发，使得混凝土内形成各种尺寸的孔隙。这些孔隙的存在，减少了混凝土抵抗荷载作用的有效面积。因此在水泥标号及其他条件相同的情况下，混凝土的强度主要取决于水灰比。水灰比愈小，混凝土的强度越大。

3）粗骨料 ?水泥降体与骨料的粘结力还与骨料特别是粗骨料，它是硬化后混凝土的骨架的表面有关。碎石表面粗糙，粘结力就比较大，卵石表面光滑，粘结力就比较小，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。根据工程时间经验，混凝土的强度与上述各因素之间保证近似的恒定关系，可采用下面的经验工式来表示：

4） 养护条件 混凝土强度的生产与发展通过水泥的水化而实现的周围环境的温度对水化作用的进行有显著的影响。当温度降低至冰点以下时，由于混凝土中水分结冰，水泥不能与冰发生化学反应，则混凝土强度停止发展，而且由于孔隙中的水结冰后体积膨胀，使混凝土内部结构 遭到损坏，使强度降低。

周围的环境湿度对水泥的水化作用是否能正常进行有显著的影响：温度适当，水泥水化便能顺利进行；若湿度不够，混凝土表面水分蒸发，内部水分将不断地向表面迁移，这样会影响水泥的正常水化，使表面干裂，内部疏松，严重地影响强度和耐久性。所以，为了使混凝土正常硬化，必须在成型后的一段时间内使周围的环境有一定的温度和湿度。
?常见的自然养护是将成型后的混凝土放在自然环境 中，随气温变化，用覆盖或浇水等措施使混凝土保持潮湿状态的一种养护方法。当使用硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥时，浇水保湿不应少于7天，使用火山灰水泥 或在施工中掺用缓凝剂时，应该不少于14天。为了加速混凝土强度的发展，提高混凝土的 早期强度，还可以采用蒸汽养护和压蒸养护的方法来实现。

5）龄期 龄期是指混凝土拌合、成型所经过的养护时间。混凝土的强度随强度的增长，逐步提高。在正常养护条件下，强度在最初的几天内发展较快，以后发展渐慢，28天可达到设计强度，28以后发展缓慢，增长时间可延续数十年之久。不同的养护龄期的强度增长情况见 表。混凝土强度发展，大致与龄期成正比关系：

（三） 混凝土的耐久性  ?混凝土耐久性的概念：
混凝土的耐久性是指混凝土在使用条件下抵抗周围环境各种因素长期作用的能力。根
据混凝土所处的环境条件不同，其耐久性的含义也有所不同，如处于水中或潮湿环境并遭受反复冻融的混凝土应具有较高的耐水性和抗冻性；水下或地下建筑物用的混凝土应具有一定的抗渗性等等。通常结构用混凝土的耐久性可包含抗冻、抗渗、抗腐蚀、抗碳化、防碱集料反应等方面内容。

1.抗渗性（不透水性）
混凝土抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土渗水的原因是由于内部孔隙形成连通渗水通道的缘故。这些渗水通道源于水泥石中的孔隙；水泥浆泌水形成的泌水通道；各种收缩形成的微裂纹以及骨料下部积水形成的水囊等。

水泥品种、水灰比的大小是影响抗渗性的主要因素，所以应选择适当的水泥品种和足够的水泥用量；采用较小的水灰比；良好的骨料级配和合理的砂率值；采用减水剂、引气剂；加强养护及精心施工。
?混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，它是以28d龄期的标准试件，按规定方法进行试验，所能承受的最大静水压力来确定。混凝土的抗渗等级有P4、P6、P8、P10、P12五个等级，表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的静水压力而不渗透。

2. 抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在使用环境中，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。在寒冷地区，特别是在潮湿环境下受冻的混凝土工程，其抗冻性是评定该混凝土耐久性的重要指标。混凝土抗冻性主要取决于混凝土的结构特征。

混凝土的孔隙率及孔隙特征（孔的数量、孔径大小、分布、开口连通与闭口等）和含水程度等因素。较密实的或具有闭口孔隙的混凝土是比较抗冻的。选用适当的水泥品种（硅酸盐水泥、普通水泥）、采用较高标号水泥以及掺入外加剂（引气剂）等措施，可提高混凝土的抗冻性能。

混凝土抗冻性以抗冻标号表示，它是以28d龄期的混凝土标准试件，在水饱和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%时最大循环次数来确定。混凝土的抗冻等级有F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300等九个等级，表示混凝土能承受冻融循环的最大次数不小于、25、50、100、150、200、250和300次。

3.抗侵蚀性
混凝土中的骨料一般具有良好的抗侵蚀性。环境介质对混凝土的侵蚀，主要是对水泥石的侵蚀。选用适当的水泥品种、提高混凝土的密实度或使其具有封闭孔隙都可以有效地提高混凝土的抗侵蚀性。

4.提高混凝土耐久性的措施
混凝土所处的环境及使用条件不同，其耐久性的主要含义也有所不同，因此应根据具体条件，采取相应的措施来提高混凝土的耐久性。虽然混凝土在环境条件下破坏过程各不相同，但对于提高其耐久性的措施来说，却有很多共同之处。

除了合理的选择适当原材料，提高混凝土的密实度是提高混凝土耐久性的一个重要措施。此外 ，改善混凝土内部的孔结构也可以影响混凝土耐久性的因素。