混凝土主要技术性质掌握

【任务背景】　混凝土主要技术性质通常分为混凝土拌合物（即混凝土各组成材料按一定比例搅拌后尚未凝结硬化的混合料）和硬化混凝土的技术性质。混凝土拌合物技术性质主要是指混凝土拌合物的和易性；硬化后混凝土的技术性质主要包括混凝土强度、变形及耐久性。

在施工中经常会出现混凝土浇筑体顶面产生横向裂纹，拆模后侧表面有砂粒或石子露头，混凝土分层或不密实，产生蜂窝等质量事故，究其原因，与混凝土拌合物工作性不良有很大关联。混凝土的和易性不良除了导致外观质量缺陷外，严重时还会导致混凝土硬化后的强度不足。而混凝土作为结构施工材料，其硬化后的强度决定了整个建筑物的承载力是否达到设计要求，对结构安全、可靠度和耐久性起着至关重要的作用。故全方位了解其性能及相关影响因素，掌握提高其主要性能的途径与措施，将有助于保证混凝土施工质量及整个建筑物的承载力达到设计要求。

1.混凝土拌合物的和易性

混凝土各组成材料按一定比例搅拌后尚未凝结硬化的混合料称为混凝土拌合物或新拌混凝土。混凝土拌合物的主要技术性质是和易性。混凝土的和易性对商品混凝土的工作性能有非常的重要性，是商品混凝土适合于泵送施工等现代化施工工艺的技术保证，是保证混凝土施工质量的技术基础。

1）和易性的概念

混凝土拌合物的和易性又称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得质量稳定、均匀密实的混凝土的性能。

和易性是一项综合技术指标，包括流动性、黏聚性和保水性3个主要方面：

①流动性是指混凝土拌合物在自重或施工机械振捣作用下，产生流动并均匀密实地填满模具的性能。流动性的大小将影响施工浇灌、振捣的难易和混凝土的质量。混凝土拌合物的流动性也称“稠度”。

②黏聚性是指混凝土拌合物各组成材料间具有一定的黏聚力，在施工过程中不致产生分层（拌合物在停放、运输、成型过程中受重力或外力作用发生各组分出现层状分离的现象）和离析（拌合物中某组分产生分离、析出的现象），仍能保持整体均匀的性质。

③保水性是指混凝土拌合物保持水分的能力。保水性差的混凝土拌合物在振实后，会有水分泌出，并在混凝土内形成贯通的孔隙。这不但会影响混凝土的密实性，降低强度，而且还会影响混凝土的抗渗、抗冻等耐久性能。

和易性是上述3种性能的综合。这3个方面的性能有它们各自的内容，既互相联系，又存在矛盾，不可片面强调某一性能。

2）和易性的选择

混凝土拌合物的和易性应根据结构构件截面尺寸大小、配筋疏密、施工振捣方法等条件来确定。由于拌合物和易性的3个性质中，只有稠度可通过科学试验法测定出准确的衡量指标，黏聚性、保水性只能凭借经验、通过观察粗略确定，故在选择和易性时，往往以表征稠度的指标（坍落度、维勃稠度或扩展度）作为确定拌合物工作性的参考。

对截面尺寸较小、形状复杂或配筋较密的构件，或采用人工插捣时，常选择较大的坍落度；在便于施工操作和保证振捣密实的情况下，尽可能地采用较小的坍落度，以节约水泥并获得质量较好的混凝土。

根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204—2015）规定，不同混凝土坍落度的适用范围见表3-29。

表3-29　混凝土坍落度的适用范围

3）和易性的影响因素

影响混凝土拌合物和易性的因素主要有内部因素和外部因素。内部因素主要与各组成材料的品种、规格（水泥品种、骨料种类及规格）及各组成材料间的比例关系（水灰比、砂率、浆骨比）有关。外部因素主要有时间和外界环境。

（1）水泥品种

不同的水泥品种，因其需水量不同，在相同配合比时，混凝土拌合物的和易性也有所不同。一般采用火山灰水泥、矿渣水泥时，拌合物的坍落度较普通水泥要小些。

（2）骨料种类及规格

河砂和卵石表面光滑无棱角，多呈卵球状，拌制的混凝土拌合物比碎石拌制的拌合物流动性好。在相同配合比时，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。当水泥浆与骨料的比例不变时，水灰比越小，水泥浆越稠，拌制的拌合物的流动性便越小。当水灰比过小时，水泥浆干稠，制得的拌合物流动性过低，就会造成施工困难，不易保证混凝土质量。若水灰比过大，又会造成拌合物黏聚性和保水性不良，产生流浆、离析现象，降低混凝土强度。因此，在施工中不得随意增大水灰比。

（4）砂率

砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。在混凝土中，砂比石子的粒径小很多，具有很大的比表面积。砂主要用来填充粗骨料的空隙。砂率的改变会使骨料的空隙率及骨料总比表面积有显著变化，故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，在水泥浆不变的情况下，骨料表面的水泥浆层厚度会减小，水泥浆的润滑作用减弱，使拌合物的流动性差。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，而且会影响黏聚性和保水性。因此，砂率有一个合理值，称为合理砂率。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，且保持良好的黏聚性和保水性，或者说在保证拌合物获得所要求的流动性及良好的黏聚性与保水性时，水泥用量最少。砂率与坍落度、砂率与水泥用水量之间的关系分别如图3-16、图3-17所示。

（5）浆骨比

浆骨比是指水泥浆与骨料的数量比。在骨料一定的情况下，水泥浆数量的多少，反映了浆骨比的大小。在混凝土拌合物中，水泥浆赋予拌合物一定的流动性，它是影响和易性的主要因素。在水泥浆稠度（水灰比）一定时，增加水泥浆量，拌合物的流动性就随之增加。如水泥浆过多，不仅浪费水泥，而且会使黏聚性变差，出现流浆现象；如水泥浆过少，也会使黏聚性变差，产生崩坍现象。在施工中为了保证要求的强度，其水灰比不能任意改动，因此，通常是在保证一定水灰比的条件下，用增减水泥浆数量的方法使拌合物达到施工要求的流动性。

图3-16　砂率与坍落度的关系

（水与水泥用量为一定）

图3-17　砂率与水泥用量的关系

（达到相同的坍落度）

（6）外加剂

在拌制混凝土时，加入适量的外加剂（减水剂、塑化剂等）能使混凝土的拌合物在不增加水泥和水用量的情况下获得很好的和易性，使流动性显著增加，且具有较好的黏聚性和保水性。

（7）环境条件

新搅拌的混凝土的工作性在不同的施工环境条件下往往会发生变化。尤其是当前推广使用集中搅拌的商品混凝土与现场搅拌最大的不同就是要经过长距离的运输才能到达施工面。在这个过程中，若空气湿度较小、气温较高、风速较大、混凝土的工作性就会因失水而发生较大的变化。

（8）时间

新拌制的混凝土随着时间的推移，部分拌合水挥发被骨料吸收，同时水矿物会逐渐水化，进而使混凝土拌合物变稠，流动性减小，造成坍落度损失，影响混凝土的施工质量。

2.混凝土的强度

强度是混凝土硬化后的主要力学性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。其中，以抗压强度最大，抗拉强度最小。

抗压强度与其他强度之间有一定的关系，因此，可由抗压强度的大小来估计其他强度。抗压强度是混凝土最重要的性能指标，它常作为结构设计的主要参数，也是评定混凝土质量的指标。

1）混凝土立方体抗压强度与强度等级

国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2019）中规定，按标准成型方法制成立方体试件（其标准试件为150mm×150mm×150mm的立方体试件，非标准试件常有100mm×100mm×100mm和200mm×200mm×200mm两种），每组3个试件，在标准条件下养护到28d龄期进行抗压强度试验（具体试验过程及试验数据处理详见后面子任务二），所测得的抗压强度（代表）值称为混凝土立方体抗压强度，用fcu，表示。

为了正确进行设计和控制混凝土质量，根据混凝土立方体抗压强度标准值（以fcu，k表示，单位：MPa），将混凝土强度划分为若干等级，即强度等级。混凝土立方体抗压强度标准值是指按标准试验方法测得的具有95%以上保证率的混凝土立方体抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的概率不超过5%。混凝土强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值来表示。普通混凝土通常划分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80等14个强度等级（≥C60为高强混凝土）。例如，强度等级为C20的混凝土，则表示混凝土立方体抗压强度标准值fcu，k=20MPa，即抗压强度大于或等于20MPa的保证率为95%以上。

2）混凝土轴心抗压强度

《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2019）中规定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，测得的抗压强度为轴心抗压强度fcp。

混凝土的轴心抗压强度fcp与立方体抗压强度fcu之间具有一定的关系，通过大量试验表明：在立方体抗压强度fcu为10~55MPa时，fcp=（0.7~0.8）fcu。

3）混凝土的抗拉强度

混凝土是典型的脆性材料，其抗拉强度很低，只有抗压强度的1/20~1/10（通常取1/15），且随着混凝土强度等级的提高比值有所降低，也就是当混凝土强度提高时，抗拉强度的增加不及抗压强度提高得快。因此，在钢筋混凝土结构设计中，通常不考虑混凝土的抗拉能力，而由钢筋来承担结构中的拉力。尽管如此，抗拉强度对混凝土的抗裂性仍具有重要作用，它通常是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要依据。

由于混凝土的脆性特点，其抗拉强度难以直接测定，通常采用劈裂抗拉试验法间接得出混凝土的抗拉强度，并称为劈裂抗拉强度fts。混凝土劈裂抗拉强度采用边长为150mm的立方体试件，试验时先在立方体试件的两个相对的上下表面加上垫条，然后施加均匀分布的压力，使试件在竖向平面内产生均匀分布的拉应力，该拉应力可根据弹性理论计算求得且劈裂抗拉强度计算式为

式中　fts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa，计算结果应精确至0.01MPa；

　　　F——破坏荷载，N；

　　　A——试件劈裂面积，mm2。

4）影响混凝土强度的主要因素

混凝土在凝结硬化过程中，由水泥水化造成的物理收缩和化学收缩而引起的水泥石体积变化、水泥石与骨料界面上变形不均匀所产生的拉应力，以及由于拌合物泌水而在粗骨料下缘形成水囊水膜等因素，在界面过渡区上都形成许多原生微裂缝。当混凝土受力时，这些界面裂纹会逐渐扩展并汇合连通起来，形成可见的裂缝，直至导致混凝土结构丧失连续性而被破坏。因此，混凝土强度主要取决于水泥石强度和水泥石与骨料间的黏结强度，而黏结强度与水泥强度等级、水灰比及骨料的性质等有密切关系；同时，龄期及养护条件等因素对混凝土强度也有较大影响。

（1）水泥强度等级和水灰比

水灰比相同时，水泥强度等级越高，混凝土强度也越大。(www.chuimin.cn)

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（为水泥重的40%~70%），而水泥完全水化需要的结合水为水泥重的23%左右。混凝土硬化后，多余的水分挥发而使得混凝土内形成众多的孔隙，这些孔隙的存在，减小了混凝土抵抗荷载作用的有效面积。因此，在水泥强度等级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，水灰比越小，混凝土的强度越大。

工程实践与试验研究表明，在材料相同的情况下，当水灰比在0.33~0.80时，混凝土强度随水灰比的增大而降低，呈曲线关系（图3-18）；而混凝土强度和灰水比C/W的关系则呈直线关系（图3-19），可用经验公式（又称鲍罗米公式）表示

式中　fce——水泥的实际强度，MPa；

　　　C/W——灰水比；

　　　αa，αb——回归系数。与粗骨料的种类有关，无试验资料时可按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）提供的参考值取用：粗骨料为碎石时，αa=0.53，αb=0.20；粗骨料为卵石时，αa=0.49，αb=0.13。

图3-18　混凝土强度与水灰比的关系（呈曲线关系）

图3-19　混凝土强度与灰水比的关系（呈直线关系）

（2）粗骨料

水泥浆体和骨料的黏结力与骨料（特别是粗骨料，它是硬化后混凝土的骨架）的表面特征有关。碎石表面粗糙，黏结力较大；卵石表面光滑，黏结力较小。因而在水泥强度等级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。

（3）养护温度和湿度

混凝土浇筑后为了满足水泥水化的需要，必须保持一定时间的足够湿度和维持较高的温度，才能保证水泥的不断水化，以使混凝土的强度不断产生与发展。

周围的湿度对水泥的水化作用能否正常进行有显著影响：湿度适当，水泥水化便能顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，过早失水，混凝土会失水干燥而影响水泥水化作用的正常进行，导致混凝土结构疏松，或形成干缩裂缝，从而影响混凝土强度与耐久性。如图3-20所示，混凝土强度的发展因保持湿度条件的不同，各龄期呈现出不同的发展趋势。

图3-20　混凝土强度与保持潮湿时间的关系

1—长期保持潮湿；2—保持潮湿14d；
3—保持潮湿7d；4—保持潮湿3d；5—保持潮湿1d

由图3-21可知，养护温度高可以增大初期水化速度，混凝土初期强度也高。但急速的初期水化会导致水化物分布不均匀，水化物稠密程度低的区域将成为水泥石中的薄弱点，从而降低整体强度；水化物稠密程度高的区域，水化物包裹在水泥粒子的周围会妨碍水化反应的继续进行，对后期强度的发展不利。而在养护温度较低的情况下，由于水化缓慢，具有充分的扩散时间，因此使水化物在水泥石中均匀分布，有利于后期强度的发展。

图3-21　养护温度对混凝土强度的影响

为了使混凝土正常硬化，必须在成型后一定时间内维持周围环境有一定温度和湿度。《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204—2015）规定，在混凝土浇筑完毕后，应在12h内覆盖并保湿养护。对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土，浇水保湿不得少于7d；对使用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥，掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土，浇水保湿不得少于14d；当日平均气温低于5℃时，不得浇水；混凝土表面不便浇水或使用塑料布时，宜涂刷养护剂。

（4）龄期

龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。混凝土的强度随龄期的增长而逐步提高。在正常养护条件下，强度在最初几天内发展较快，以后发展渐慢，28d可达到设计强度。28d后强度仍旧在发展，只是速度缓慢。如外界湿度和温度适当，混凝土的强度增长过程可延续数十年之久。

（5）试验条件

试验过程中，试件的尺寸、形状、表面状态及加荷速度等试验条件都会影响混凝土强度的测试值。

①试件尺寸。相同的混凝土，试件尺寸越小，测得的强度越高。主要原因是试件大时，内部缺陷出现的概率也大，导致受力有效面积减小及应力集中，从而引起强度的降低。国家标准规定，在测定混凝土强度时，如采用非标准试件，试验结果要乘以换算系数。

②试件的形状。当试件受压面积相同而高度不同时，高宽比越大，抗压强度试验值越小。因为混凝土与压力试验机承压板之间存在摩擦力作用，该摩擦力对混凝土的横向拉伸起约束作用，如同受到一种环箍作用，故称环箍效应。环箍效应的作用是使混凝土强度测试值高于无环箍效应试件的强度值，如在混凝土试件端面和压力试验机承压板涂抹润滑油，消除界面摩擦力，便可去除环箍效应的影响。

③加荷速度。试验时加荷速度越快，混凝土强度测试值就越大，当加荷速度超过1.0 MPa/s时，这种趋势越显著，因此，国家标准规定，在试验过程中应连续均匀地加荷。

除上述影响混凝土强度的因素外，施工条件（搅拌与振捣）、掺入外加剂（减水剂或早强剂）等也会影响混凝土强度的发展。

5）提高混凝土强度的主要措施

根据影响混凝土强度的因素分析，提高混凝土强度可从以下几个方面采取措施：

①采用高强度等级的水泥。提高水泥强度等级，可有效增长混凝土的强度；但不能单纯依靠提高水泥强度来达到提高混凝土强度的目的。

②尽可能降低水灰比。为使混凝土拌合物中的游离水分减少，采用较小的水灰比，可降低硬化后混凝土的孔隙率，明显增强水泥与骨料间的黏结力，使强度提高。

③改善粗细骨料的颗粒级配。级配良好的砂，空隙率较小，不仅可以节省水泥，而且可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实度、强度和耐久性。

④掺入外加剂是提高混凝土强度的有效方法之一。工程实践证明，减少剂、早强剂等都对混凝土的强度发展起到明显作用。

⑤采用湿热养护、蒸汽养护、蒸压养护、冬季骨料预热等技术措施处理，可有效促进水泥水化反应，提高强度的增长速度。

⑥改进混凝土施工工艺，如采用机械搅拌和振捣，使混凝土拌合物在低水灰比的情况下更加均匀、密实地浇筑，从而获得更高的强度。

3.混凝土的耐久性

混凝土除要求具有足够强度来安全地承受荷载外，还要求混凝土具有与工程所处环境条件相适应的耐久性来延长工程的使用寿命。混凝土的耐久性是指混凝土在使用环境下抵抗各种破坏因素作用并长期保持良好的使用性能和外观完整性的能力。混凝土的耐久性是一项综合性概念，主要包含抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗炭化等性能。

1）混凝土耐久性的性能

（1）抗渗性

抗渗性是指混凝土抵抗压力水（或其他液体）渗透的性能，混凝土抗渗性用抗渗等级表示，抗渗等级是以28d龄期的标准试件按规定方法进行试验，以其所能承受的最大水压力（单位为MPa）来确定的。

抗渗性主要与密实度及内部孔隙的大小和构造有关。混凝土本质上是一种多孔的材料，其内部互相连通的孔以及成型时由于振捣不实而产生的蜂窝、孔洞都会造成混凝土渗水。因此，施工中加强捣固、提高混凝土的密实度或引入引气剂、减水剂、密实剂等都会有效地提高抗渗性。

（2）抗冻性

抗冻性是指混凝土抵抗冻融循环作用的能力。混凝土受冻遭损是其内部孔隙中水的冻结膨胀引起孔隙破坏而致的，因此，密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土都有较好的抗冻性能。

混凝土的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以龄期为28d的试块在吸水饱和后，承受反复冻融，以抗压强度下降不超过25%且质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数来确定的。混凝土的抗冻等级分为F300，F250，F200，F150，F100，F50，F25共7个等级，如F100表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为100次，强度下降不超过25%，质量损失不超过5%。

（3）抗侵蚀性

抗侵蚀性是指混凝土在含有侵蚀性介质环境中遭受化学侵蚀、物理作用不被破坏的能力。

混凝土的抗侵蚀性与所用水泥品种、混凝土的密实程度和孔隙特征有关。密实和有封闭孔的混凝土，环境水不易浸入，故其抗侵蚀性较强。

（4）抗炭化性

抗炭化性是指混凝土抵抗炭化作用的能力，即抵抗空气中的二氧化碳及水通过混凝土的裂隙与水泥石中氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水的能力。

炭化作用会导致混凝土的碱度降低，减弱混凝土对钢筋的保护作用，进而可能导致钢筋腐蚀；炭化作用还会引起混凝土收缩，并可能导致产生微细裂缝。

2）提高耐久性的主要措施

混凝土的耐久性主要取决于组成材料的品种与质量、混凝土本身的密实度、施工质量、孔隙率和孔隙特征等，其中最关键的是混凝土的密实度。提高混凝土耐久性的主要措施有：

①根据工程所处的环境及要求，合理选用水泥品种。

②改善骨料级配，控制有害杂质含量。

③控制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量是保证混凝土密实度并提高混凝土耐久性的关键。水灰比的大小直接影响混凝土的密实性，从而保证水泥的用量，也是提高混凝土密实度的前提条件，大量实践证明，耐久性控制的两个有效指标是最大水灰比和最小水泥用量，这两项指标在国家相关规范中都有规定（详见配合比设计相关内容）。

④掺入减水剂、引气剂等外加剂，提高混凝土的抗冻性和抗渗性。

⑤严格控制施工质量，做到搅拌均匀、浇捣密实、加强养护，避免出现裂缝、蜂窝等现象。

⑥用涂料、防水砂浆、瓷砖、沥青等进行表面防护，防止混凝土的腐蚀和炭化。