混凝土技术性质-建材与水利工程施工

混凝土在未凝结硬化以前，称为混凝土拌和物。它必须具有良好的和易性，便于施工，以保证能获得良好的浇筑质量；混凝土拌和物凝结硬化以后，应具有足够的强度，以保证建筑物能安全地承受设计荷载；此外应具有与所处环境相适应的耐久性。

（一）混凝土拌和物的和易性

1.和易性的概念

和易性是指混凝土拌和物易于施工操作（拌和、运输、浇筑、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、黏聚性和保水性等三方面的含义。

（1）流动性。是指混凝土拌和物在本身自重或施工机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。其大小直接影响施工时振捣的难易和成型的质量。

（2）黏聚性。是指混凝土拌和物在施工过程中其组成材料之间有一定的黏聚力，不致产生分层和离析的现象。它反映了混凝土拌和物保持整体均匀性的能力。

（3）保水性。是指混凝土拌和物在施工过程中，保持水分不易析出、不致产生严重泌水现象的能力。有泌水现象的混凝土拌和物，分泌出来的水分易形成透水的开口连通孔隙，影响混凝土的密实性而降低混凝土的质量。

混凝土拌和物的流动性、黏聚性和保水性之间是互相联系、互相矛盾的。和易性就是这三方面性质在某种具体条件下矛盾统一的概念。

2.和易性的测定及指标选择

（1）和易性测定。目前，尚没有能够全面反映混凝土拌和物和易性的测定方法。在工地和试验室，通常是测定拌和物的流动性，同时辅以直观经验评定黏聚性和保水性，来评价和易性。对塑性和流动性混凝土拌和物，用坍落度测定；对干硬性混凝土拌和物，用维勃稠度测定，以下分别介绍两种测定方法。

图2-5　坍落度测定方法示意图（单位：mm）

1）坍落度测定法。在测量坍落度的同时，通过目测可检查拌和物的黏聚性和保水情况，评定其可塑性与稳定性，以便较全面地评定塑性混凝土拌和物的和易性。坍落度测定方法是将被测的混凝土拌和物按规定方法装入高为300mm的标准截圆锥筒（称坍落筒）内，分层插实，装满刮平，垂直向上提起坍落筒，拌和物因自重而下落，其下落的距离，以mm为单位（精确至5mm），即为该拌和物的坍落度，以T 表示。如图2-5 所示。黏聚性的检查方法是用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打，如果锥体逐渐下沉，则表示黏聚性良好，如果锥体倒塌、部分崩裂或出现离析现象，则表示黏聚性不好；保水性以混凝土拌和物中稀浆析出的程度来评定，坍落筒提起后如有较多的稀浆从底部析出，锥体部分的混凝土也因失浆而集料外露，则表明此混凝土拌和物的保水性能不好。如坍落筒提起后无稀浆或仅有少量稀浆自底部析出，则表示此混凝土拌和物保水性良好。坍落度愈大，混凝土拌和物流动性愈大。据坍落度的大小，可将混凝土拌和物分为低塑性混凝土（10～40mm）、塑性混凝土（50～90mm）、流动性混凝土（100～150mm）、大流动性混凝土（160～190mm）、流态混凝土（200～220mm）等五种级别。

2）维勃稠度（V.B稠度值）测定法。对于干硬或较干稠的混凝土拌和物（坍落度小于10mm），坍落度试验测不出拌和物稠度变化情况，宜用维勃稠度测定其和易性。维勃稠度测定仪（简称维勃计）是瑞士V·勃纳（Bahrner）提出的测定混凝土混合料的一种方法，国际标准化协会予以推荐，我国定为测定混凝土拌和物干硬性的试验方法。用图2-6所示装置，将坍落筒置于容器之内，并固定在规定的振动台上。先在坍落筒内填满混凝土，抽出坍落筒。然后，将附有滑杆的透明圆板放在混凝土顶部，开动马达振动至圆板的全部面积与混凝土接触时为止。测定所经过的时间秒数（s）作为拌和物的稠度值，称为维勃稠度值。维勃稠度值越大，混凝土拌和物越干稠。这种测定方法适用于集料不大于40mm、维勃稠度为5～30s的拌和物稠度的测定。混凝土按维勃稠度值大小可分四级：超干硬性（V≥31s）、特干硬性（21s≤V≤30s）、干硬性（11s≤V≤20s）、半干硬性（5s≤V≤10s）。

图2-6　维勃稠度测定示意图

（2）流动性（坍落度）的选择。正确选择混凝土拌和物的坍落度，对于保证混凝土质量及节约水泥有着重要意义。坍落度的选择要根据构件截面的大小、钢筋疏密和捣实方法来确定。当构件截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些；反之，如构件截面尺寸较大，或钢筋较疏，或采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。SL/T 191—1996 《水工混凝土结构设计规范》规定，坍落度的选择见表2-22。GB50204—1992《混凝土结构工程施工及验收规范》中，混凝土浇筑时的坍落度见表2-23，可供参考。

表2-22　水工混凝土在浇筑地点的坍落度（使用振捣器）（SL/T191—1996）

注　表中系指采用机械振捣的坍落度，采用人工振捣时可适当增大。有温控要求或低温季节浇筑混凝土时，混凝土的坍落度可根据具体情况酌量增减。

表2-23　混凝土浇筑时的坍落度（GB50204—1992）

注　表中系指采用机械振捣的坍落度，采用人工振捣时可适当增大。当需要配制大坍落度的混凝土拌和物时，则要掺用外加剂（减水剂）。

3.影响和易性的主要因素

（1）水泥浆的数量。混凝土拌和物中水泥浆的多少直接影响混凝土拌和物流动性的大小。在水灰比不变的条件下，单位体积拌和物中，水泥浆愈多，拌和物的流动性愈大。但若水泥浆过多，将会出现流浆现象，使拌和物的黏聚性变差，对混凝土的强度与耐久性会产生一定影响，且水泥用量也大，不经济；水泥浆过少，则不能填满集料空隙或不能很好包裹集料表面，不宜成型。因此，混凝土拌和物中水泥浆的含量应以满足流动性要求为准。

（2）水灰比。在水泥用量不变的情况下，水灰比愈小，则水泥浆愈稠，混凝土拌和物的流动性愈小。当水灰比过小时，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加大，但水灰比过大，又会造成混凝土拌和物的黏聚性和保水性不良，产生泌水、离析现象，并严重影响混凝土的强度及耐久性。所以，水灰比不能过大或过小，水灰比应根据混凝土强度和耐久性要求，通过混凝土配合比设计确定。无论是水泥浆的多少，还是水泥浆的稀稠，对混凝土拌和物流动性起决定作用的是用水量的大小。

（3）砂率。砂率是指混凝土拌和物内，砂的质量占砂、石总质量的百分数。单位体积混凝土中，在水泥浆量一定的条件下，砂率过小，则砂浆数量不足以填满石子的空隙体积，而且不能形成足够的砂浆层以包裹石子表面，这样，不仅拌和物的流动性小，而且黏聚性及保水性均较差，产生离析、流浆现象。若砂率过大，集料的总表面积及空隙率增大，包裹砂子表面的水泥浆层相对减薄，甚至水泥浆不足以包裹所有砂粒，使砂浆干涩，拌和物的流动性随之减小。砂率对坍落度的影响如图2-7 所示。因此，砂率不能过小也不能过大，应选取最优砂率，即在水泥用量和水灰比不变的条件下拌和物的黏聚性、保水性符合要求，同时流动性最大的砂率。同理，在水灰比和坍落度不变的条件下，水泥用量最小的砂率也是最优砂率。为了节约水泥，在工程中常采用最优砂率。

图2-7　砂率与坍落度及水泥用量的关系曲线

（a）砂率与坍落度的关系曲线；（b）砂率与水泥用量的关系曲线W—水的用量（kg）；C—水泥的用量（kg）

（4）原材料品种及性质。水泥的品种、颗粒细度，集料的颗粒形状、表面特征、级配，外加剂等对混凝土拌和物的和易性都有影响。采用矿渣水泥拌制的混凝土流动性比普通水泥拌制的混凝土流动性小，且保水性差；水泥颗粒越细，混凝土流动性越小，但黏聚性及保水性较好。卵石拌制的混凝土拌和物比碎石拌制的流动性好；河砂拌制的混凝土流动性好；级配好的集料，混凝土拌和物的流动性也好。加入减水剂和引气剂可明显提高拌和物的流动性，引气剂能有效地改善拌和物的保水性和黏聚性。

（5）施工方面。混凝土拌制后，随时间的延长和水分的减少而逐渐变得干稠，流动性减小。施工中环境的温度、湿度变化，搅拌时间及运输距离的长短，称料设备、搅拌设备及振捣设备的性能等都会对混凝土和易性产生影响。因此，施工中为保证一定的和易性，必须注意环境温度的变化，采用相应的措施。

（二）混凝土的强度

混凝土的强度包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等，其中抗压强度最大，故混凝土主要用来承受压力。

1.混凝土的抗压强度

（1）混凝土的立方体抗压强度与强度等级。按照GBJ 81—1985 《普通混凝土力学性能试验方法》，制作边长为150mm的立方体试件，在标准养护[温度（20±3）℃、相对湿度90%以上]条件下，养护至28d龄期，用标准试验方法测得的极限抗压强度，称为混凝土标准立方体抗压强度，以fcu表示。按GB50010—2001《混凝土结构设计规范》的规定，在立方体极限抗压强度总体分布中，具有95%强度保证率的立方体试件抗压强度，称为混凝土立方体抗压强度标准值（以MPa即N/mm2计），以fcu，k表示。立方体抗压强度标准值是按数据统计处理方法达到规定保证率的某一数值，它不同于立方体试件抗压强度。混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压强度标准值来划分的，采用符号C和立方体抗压强度标准值表示，可分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60 等12 个等级。例如，强度等级为C25 的混凝土，是指25MPa≤fcu，k＜30MPa的混凝土。测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以按粗集料最大粒径的尺寸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100mm的立方体试件，换算系数为0.95；边长为200mm的立方体试件，换算系数为1.05。在实际的混凝土工程中，为了说明某一工程中混凝土实际达到的强度，常把试块放在与该工程相同的环境下养护（简称同条件养护），按需要的龄期进行测试，作为现场混凝土质量控制的依据。

（2）混凝土棱柱体抗压强度。按棱柱体抗压强度的标准试验方法，制成规格为150mm×150mm×300mm的标准试件，在标准养护28d的条件下，测其抗压强度，即为棱柱体抗压强度（fck）。通过试验分析，fck≈0.67fcu，k。

（3）影响混凝土抗压强度的因素。影响混凝土抗压强度的因素很多，包括原材料的质量（主要是水泥强度等级和集料品种）、材料之间的比例关系（水灰比、灰骨比、集料级配）、施工方法（拌和、运输、浇筑、养护）以及试验条件（龄期、试件形状与尺寸、试验方法、温度及湿度）等。

1）水泥强度等级和水灰比：水泥强度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，配制的混凝土强度也越高。当用同一种水泥（品种及强度等级相同）时，混凝土的强度主要取决于水灰比。水灰比愈大，混凝土强度愈低，这是因为水泥水化时所需的化学结合水，一般只占水泥质量的23%左右，但在实际拌制混凝土时，为了获得必要的流动性，常需要加入较多的水（占水泥质量的40%～70%）。多余的水分残留在混凝土中形成水泡，蒸发后形成气孔，使混凝土密实度降低，强度下降。水灰比大，则水泥浆稀，硬化后的水泥石与集料粘结力差，混凝土的强度也愈低。但是，如果水灰比过小，拌和物过于干硬，在一定的捣实成型条件下，无法保证浇筑质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，强度也将下降。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（图2-8）。

图2-8　混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

（a）强度与水灰比的关系；（b）强度与灰水比的关系

2）集料的种类与级配：集料中有害杂质过多且品质低劣时，将降低混凝土的强度。集料表面粗糙，则与水泥石粘结力较大，混凝土强度高。集料级配良好、砂率适当，能组成密实的骨架，混凝土强度也较高。

3）混凝土外加剂与掺合料：在混凝土中掺入早强剂可提高混凝土早期强度，掺入减水剂可提高混凝土强度，掺入一些掺合料可配制高强度混凝土。详细内容见混凝土外加剂及掺合料部分。

4）养护温度和湿度：混凝土浇筑成型后，所处的环境温度和湿度，对混凝土的强度影响很大。混凝土的硬化，在于水泥的水化作用，周围温度升高，水泥水化速度加快，混凝土强度发展也就加快。反之，温度降低时，水泥水化速度降低，混凝土强度发展将相应迟缓。当温度降至冰点以下时，混凝土的强度停止发展，并且由于孔隙内水分结冰而引起膨胀，使混凝土的内部结构遭受破坏。混凝土早期强度低，更容易冻坏。湿度适当时，水泥水化能顺利进行，混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，会影响水泥水化作用的正常进行，甚至停止水化。这不仅严重降低混凝土的强度，而且水化作用未能完成，使混凝土结构疏松，渗水性增大，或形成干缩裂缝，从而影响其耐久性。因此，混凝土成型后一定时间内必须保持周围环境有一定的温度和湿度，使水泥充分水化，以保证获得较好质量的混凝土。

5）硬化龄期：混凝土在正常养护条件下，其强度将随着龄期的增长而增长。最初7～14d内，强度增长较快，28d达到设计强度。以后增长缓慢，但若保持足够的温度和湿度，强度的增长将延续几十年。普通水泥制成的混凝土，在标准条件下，混凝土强度的发展大致与其龄期的对数成正比关系（龄期不小于3d），如式（2-18）所示：

式中　fn——n（n≥3）天龄期混凝土的抗压强度，MPa；

f28——28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

lgn、lg28——n和28的常用对数。

根据上述经验公式可由已知龄期的混凝土强度，估算其他龄期的强度。

6）施工工艺：混凝土的施工工艺包括配料、拌和、运输、浇筑、养护等工序，每一道工序对其质量都有影响。若配料不准确，误差过大，搅拌不均匀，拌和物运输过程中产生离析，振捣不密实，养护不充分等均会降低混凝土强度。因此，在施工过程中，一定要严格遵守施工规范，确保混凝土的强度。(www.chuimin.cn)

2.混凝土的抗拉强度

混凝土在直接受拉时，很小的变形就会开裂，它在断裂前没有残余变形，是一种脆性破坏。混凝土的抗拉强度一般为抗压强度的1/20～1/10。我国采用立方体（国际上多用圆柱体）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，劈裂抗拉强度与抗压强度之间的关系可近似地用式（2-19）表示：

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。对于某些工程（如混凝土路面、水槽、拱坝），在对混凝土提出抗压强度要求的同时，还应提出抗拉强度要求。

（三）混凝土的耐久性

硬化后的混凝土除了具有设计要求的强度外，还应具有与所处环境相适应的耐久性，如抗渗性、抗冻性、抗磨性、抗侵蚀性等。

1.混凝土的抗渗性

抗渗性是指混凝土抵抗压力水、油等液体渗透的性能。混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。

混凝土的抗渗性用抗渗等级P表示，即以28d龄期的标准试件，按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水压力MPa来确定。混凝土的抗渗等级可划分为P2、P4、P6、P8、P10、P12等六个等级，相应表示混凝土抗渗试验时一组六个试件中四个试件未出现渗水时的最大水压力分别为0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa。

提高混凝土抗渗性能的措施有：提高混凝土的密实度，改善孔隙构造，减少渗水通道；减小水灰比；掺加引气剂；选用适当品种的水泥；注意振捣密实、养护充分等。

水工混凝土的抗渗等级，应根据结构所承受的水压力大小和结构类型及运用条件来选用，见表2-24。

表2-24　混凝土抗渗等级最小允许值

续表

注　1.表中H 为水头，i 为最大水力梯度；水力梯度系指水头与该处结构厚度的比值。
2.当建筑物的表层设有专门可靠的防水层时，表中规定的抗渗等级可适当降低。
3.承受侵蚀作用的建筑物，其抗渗等级不得低于P4。
4.埋置在地基中的混凝土及钢筋混凝土结构构件（如基础防渗墙等），可根据防渗要求参照表中第三项的规定选择其抗渗等级。
5.对背水面能自由渗水的混凝土及钢筋混凝土结构构件，当水头小于10m时，其抗渗等级可根据表中第三项降低一级。
6.对严寒、寒冷地区且水力梯度较大的结构，其抗渗等级应按表中的规定提高一个等级。

2.混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性能。混凝土受冻后，混凝土中水分受冻结冰，体积膨胀，当膨胀力超过其抗拉强度时，混凝土将产生微细裂缝，反复冻融使裂缝不断扩展，混凝土强度降低甚至破坏，影响建筑物的安全。

混凝土的抗冻性以抗冻等级（F）表示。抗冻等级按28d龄期的试件用快冻试验方法测定，分为F50、F100、F150、F200、F300、F400等六个等级、相应表示混凝土抗冻性试验能经受50、100、150、200、300、400次的冻融循环。

影响混凝土抗冻性能的因素主要有水泥品种、强度等级、水灰比、集料的品质等。提高混凝土抗冻性的最主要的措施是：提高混凝土密实度；减小水灰比；掺加外加剂；严格控制施工质量，注意捣实，加强养护等。

混凝土抗冻等级应根据工程所处环境及工作条件，按有关规范来选择，见表2-25。

表2-25　混凝土抗冻等级

续表

注　1.气候分区划分标准为：严寒，最冷月平均气温低于－10℃；寒冷，最冷月平均气温高于－10℃，但低于－3℃；温和，最冷月平均气温高于－3℃。
2.冬季水位变化区是指运行期可能遇到的冬季最低水位以下0.5～1m至冬季最高水位以上1m（阳面）、2m（阴面）、4m（水电站尾水区）的部位。
3.阳面指冬季大多为晴天、平均每天有4h阳光照射、不受山体或建筑物遮挡的表面，否则均按阴面考虑。
4.最冷月平均气温低于－25℃地区的混凝土抗冻等级应根据具体情况研究确定。
5.在无抗冻要求的地区，混凝土抗冻等级也不宜低于F50。

3.混凝土的抗侵蚀性

混凝土在外界侵蚀性介质（软水，含酸、盐水等）作用下，结构受到破坏、强度降低的现象称为混凝土的侵蚀。混凝土侵蚀的原因主要是外界侵蚀性介质对水泥石中的某些成分（氢氧化钙、水化铝酸钙等）产生破坏作用所致。

4.混凝土的抗磨性及抗气蚀性

磨损冲击与气蚀破坏，是水工建筑物常见的病害之一。当高速水流中挟带砂、石等磨损介质时，这种现象更为严重。因此，水利工程要有较高的抗磨性及抗气蚀性。

提高混凝土抗侵蚀性的主要途径是：选用坚硬耐磨的集料，选C3S含量较多的高强度硅酸盐水泥，掺入适量的硅粉和高效减水剂以及适量的钢纤维；采用C50以上的混凝土；集料最大粒径不大于20mm；改善建筑物的体型；控制和处理建筑物表面的不平整度等。

5.混凝土的碳化

混凝土的碳化作用是空气中二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水。碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。在硬化混凝土的孔隙中，充满了饱和氢氧化钙溶液，使钢筋表面产生一层难溶的三氧化二铁和四氧化三铁薄膜，它能防止钢筋锈蚀。碳化引起水泥石化学组成发生变化，使混凝土碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用，导致钢筋锈蚀；碳化还将显著增加混凝土的收缩，降低混凝土抗拉、抗弯强度。但碳化可使混凝土的抗压强度增大。其原因是碳化放出的水分有助于水泥的水化作用，而且碳酸钙减少了水泥石内部的孔隙。

提高混凝土抗碳化能力的措施有：减小水灰比，掺入减水剂或引气剂，保证混凝土保护层的厚度及质量，充分湿养护等。

6.混凝土的碱—集料反应

混凝土的碱—集料反应，是指水泥中的碱（Na2O和K2O）与集料中的活性SiO2 发生反应，使混凝土发生不均匀膨胀，造成裂缝、强度下降等不良现象，从而威胁建筑物安全。常见的有碱—氧化硅反应、碱－硅酸盐反应、碱－碳酸盐反应三种类型。

防止碱集料反应的措施有：采用低碱水泥（Na2O小于0.6%）并限制混凝土总碱量不超过2.0～3.0kg/m3；掺入活性混合料；掺用引气剂并不用含活性SiO2 的集料；保证混凝土密实性和重视建筑物排水，避免混凝土表面积水和接缝存水。

7.提高混凝土耐久性的措施

（1）合理选择水泥品种。

（2）严格控制混凝土的水灰比及保证足够的水泥用量。有关规范根据工程条件，规定了“水灰比最大允许值”或“最小水泥用量”，见表2-26 或表2-27。

表2-26　水工混凝土最大水灰比

注　1.结构类型为薄壁或薄腹构件时，最大水灰比宜适当减小。
2.处于三、四类环境条件又受冻严重或受冲刷严重的结构，最大水灰比应按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》的规定执行。
3.承受水力梯度较大的结构，最大水灰比宜适当减小。
4.当掺加有效外加剂及高效掺合料时，最小水泥用量可适当减小。

表2-27　混凝土的最大水灰比及最小水泥用量（JGJ/T55—1996）

注　1.当活性掺合料取代部分水时，表中的最大水灰比及最小水泥量即为代替前的水灰比和水泥用量。
2.配制C15 级及其以下等级的混凝土，可不受本表限制。

（3）长期处于潮湿和严寒环境中的混凝土，应掺用引气剂。

（4）严格控制原材料的质量，使之符合规范要求。

（5）掺用加气剂或减水剂。

（6）严格控制施工质量。在混凝土施工中，应搅拌均匀、振捣密实及加强养护。