课题四　混凝土及钢筋混凝土

一、混凝土

混凝土是由胶凝材料、水、粗骨料和细骨料按适当比例配合，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。按胶凝材料可分为水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等。

水泥混凝土是最常用的一种混凝土。它是由水泥、水、粗骨料和细骨料按适当比例配合，拌制均匀，浇筑成型，经硬化后形成的人造石材。

混凝土是一种最常用的建筑材料，具有许多优点：

1）组成材料中的砂、石等材料取材方便。

2）在凝结硬化前具有良好的塑性，可浇制成各种形状和大小的结构物或构件。

3）硬化后具有较高的抗压强度与耐久性。

4）混凝土与钢筋之间有牢固的粘结力，能制作成钢筋混凝土结构或构件。

混凝土材料的缺点为抗拉强度低，受拉时变形能力小，容易开裂，自重大。

（一）混凝土的类型

根据不同的分类标准，混凝土可分为以下种类：

1．按胶凝材料分

（1）无机胶凝材料混凝土，如水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土等；

（2）有机胶凝材料混凝土，如沥青混凝土、聚合物混凝土等。

2．按表观密度分

（1）重混凝土：干表观密度大于2800 kg/m3，采用特别密实和特别重的骨料（如重晶石、铁矿石、钢屑等）配制而成的。常用于防辐射工程或耐磨结构，也可用于工程配重。

（2）普通混凝土：干表观密度为2000～2800 kg/m3，是以天然的砂、石作骨料配制而成，在建筑工程中最常用，常用于房屋及桥梁的承重结构、道路路面、水工建筑物的堤坝等。

（3）轻混凝土：干表观密度小于2000 kg/m3，是用较轻和多孔的骨料（如浮石、煤渣等）制成。常用做绝热、隔声或承重材料。

3．按使用功能可分为防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、耐碱混凝土、水工混凝土、港工混凝土等。

4．按强度特征可分为早强混凝土、超早强混凝土、高强混凝土、超高强混凝土、高性能混凝土（HPC）等。

5．按坍落度大小可分为低塑性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、大流动性混凝土、流态混凝土。

6．按维勃稠度值可分为超干硬性混凝土、特干硬性混凝土、干硬性混凝土、半干硬性混凝土。

7．按施工工艺可分为普通浇筑混凝土、离心成型混凝土、喷射混凝土、泵送混凝土等。

8．按配筋情况分为素混凝土、钢筋混凝土、纤维混凝土等。

本节主要讲解水泥混凝土，以下简称混凝土。

（二）普通混凝土的组成材料

普通混凝土（简称混凝土）是由水泥、砂、石和水组成，根据需要常加入适量的外加剂和掺合剂，表观密度为1930～2 500 kg/m3。

1．混凝土中各组成材料的作用

在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定和易性，便于施工。在硬化后水泥浆起胶结作用，将骨料胶结成一个坚实的整体。混凝土的结构如图2-8所示。

2．混凝土组成材料的技术要求

混凝土组成材料的性质及其含量对混凝土的技术性质有很大的影响，同时混凝土的施工工艺（搅拌、运输、养护等）对混凝土的技术性质也有影响。

（1）水泥品种的选择。配制混凝土时应根据工程性质、部位、施工条件、环境状况等，按各种水泥的特性做出合理的选择，可参考六种常用水泥的选用表进行选择。水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。基本原则是：配制高强度等级的混凝土，选用高强度等级的水泥；配制低强度的混凝土，选用低强度等级的水泥。

（2）骨料。混凝土体积中骨料的体积占60％～80％，骨料按粒径的大小分为粗骨料和细骨料。骨料的技术性能直接影响到混凝土的性能。

1）细骨料。细骨料是指粒径在0.15～5mm之间的砂。常用的砂有河砂、海砂及山砂。砂的要求有以下几方面：

①有害杂质。砂中常含有云母、粘土、淤泥、粉砂等杂质，如果这些杂质的含量超过规定的标准，会影响混凝土的性能。工程中应严格控制砂的有害杂质的含量。

②颗粒形状及表面特性。砂的颗粒形状及表面特征会影响砂与水泥的粘结及混凝土拌合物的流动性。表面粗糙带有棱角的山砂与水泥拌制的混凝土强度较高，但混凝土拌合物的流动性较差；表面圆滑的河砂、海砂与水泥的粘结较差，拌制的混凝土强度较低，但拌合物的流动性较好。

③颗粒级配及粗细程度。颗粒级配就是大小颗粒的搭配情况。从图2-9可看出：在混凝土中，如果同样粗细的砂，空隙最大［图（a）］；两种粒径的砂搭配起来，空隙减小了［图（b）］；三种粒径的砂搭配，空隙就更小［图（c）］。可见，要想减小砂粒间的空隙，就要选用大小不同的粒径的砂搭配，以提高混凝土的强度。砂按粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。在一般情况下，用粗砂拌制混凝土比用细砂所需的水泥浆少。

④坚固性。砂的坚固性是指砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。砂在长期受到各种自然因素的综合作用下，其物理力学性能会逐渐下降，这些自然因素包括温度变化、干湿度变化和冻融循环等。因此，混凝土对砂的坚固性有相应要求。

2）粗骨料。粗骨料是指粒径大于5mm的骨料，俗称石。常用的有碎石与卵石。碎石是天然岩石经机械破碎、筛分得到的。卵石是由自然风化、水流搬运，分选得到的。配制混凝土的粗骨料有以下几个方面的要求：

①有害杂质

粗骨料中常含有一些有害杂质，如黏土、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机杂质。这些有害杂质会对混凝土的性能产生影响。在工程中同样需严格按照标准控制混凝土用粗骨料中有害杂质的含量。

②颗粒形状及表面特征

粗骨料的颗粒形状及表面特征会影响粗骨料与水泥的粘结及混凝土拌合物的流动性。表面粗糙带有棱角的碎石，与水泥粘结较好，其混凝土强度较高，但拌制的混凝土的流动性较差；表面光滑的卵石，与水泥胶结较差，其混凝土强度较低，但拌制的混凝土的流动性较好。粗骨料的颗粒形状还有属于叶状和片状的，叶、片状颗粒过多，会使混凝土的强度降低及流动性减小。因此，叶、片状颗粒的含量不宜大于10％。

③最大粒径及颗粒级配

粗骨料中公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。粗骨料的最大粒径应尽量选用得大些。但混凝土中粗骨料的选用还受到结构或构件截面最小尺寸、混凝土中布置钢筋的最小净距和混凝土施工工艺的控制。粗骨料的颗粒级配对混凝土的作用和细骨料大致相同。石子级配好坏，对节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性有很大影响。

④强度

为了保证混凝土的强度要求，粗骨料也应质地致密，具有足够的强度。必要时应进行岩石抗压检验。

⑤坚固性

粗骨料的坚固性对混凝土的作用大致与细骨料相同。

3）混凝土拌合水和养护用水。拌制和养护混凝土用水应选用饮用水、清洁的地表水、地下水以及经适当处理后的工业废水——中水。总的要求是：不得影响混凝土的凝结；不得有损于混凝土强度发展；不得降低混凝土的耐久性；不得加快钢筋腐蚀及导致预应力钢筋脆断；不得污染混凝土表面。因此，海水和其他含有害化学物质较多的水不能用。

4）混凝土外加剂。它是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土某种性能的物质，其掺量一般不大于水泥用量的5％。混凝土外加剂对改善混凝土拌合物的和易性，调节凝结硬化时间，控制强度发展和提高耐久性等方面起着显著作用。近年来混凝土外加剂获得迅速发展和推广，已成为混凝土的第五组分。最常用的外加剂有减水剂、早强剂、引气剂（加气剂）、速凝剂、缓凝剂、防水剂、泵送剂等。

（三）普通混凝土的主要技术指标

混凝土在未凝结硬化以前，称为混凝土拌合物。混凝土拌合物要求具有良好的和易性，以方便施工，获得良好的浇灌质量。混凝土拌合物凝结硬化后，要求具有足够的强度，并具有必要的耐久性。

1．混凝土拌合物的和易性

也可称工作性，是指混凝土在搅拌、运输、浇灌、捣实等过程中易于工作，能保持质量均匀而不发生离析的性能。

（1）和易性的概念。混凝土拌合物的和易性是一项综合性能，包括流动性、粘聚性和保水性三方面。流动性是指混凝土拌合物在本身自重或机械振捣作用下产生流动，能均匀密实地填满模板的性能；粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中各组成材料之间有一定的黏聚力，不产生分离和离析现象，保持整体均匀的性能；保水性是指混凝土拌合物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重泌水现象（泌出的水会形成泌水通道，影响混凝土的密实，降低混凝土的强度、抗渗性和耐久性）。

（2）和易性的测定和选择。目前还没有能够比较全面反映混凝土拌合物和易性的测定方法。通常采用坍落度测定混凝土拌合物的流动性，同时目测拌合物的粘聚性和保水性。

（3）坍落度试验。将混凝土拌合物按规定的方法装入标准的坍落筒（无底）内，装满刮平后，垂直向上将筒提起，混凝土拌合物将在自身重力作用下产生坍落，坍落后拌合物最高点与坍落筒之间的高差（mm），即为该混凝土拌合物的坍落度。坍落度数值愈大表示流动性愈大，如图2-10所示。

测定坍落度的同时应观测混凝土拌合物的粘聚性和保水性。粘聚性测定方法是：用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打，若锥体均匀下沉则表示粘聚性较好，若锥体出现崩坍则表示粘聚性不好。保水性测定方法则是当坍落度筒提起后，通过看锥体周围析出水泥浆多少来判定，析出水泥浆较少者，保水性好。

（4）影响和易性的因素。主要是水泥浆的数量、稠度、砂率和外加剂。

①水泥浆使混凝土拌合物产生流动性。在水灰比不变的前提下，单位体积混凝土拌合物内，水泥浆愈多，拌合物的流动性愈大。但水泥浆不宜过多，否则将产生流浆现象。水泥浆数量也不宜过少，否则不能填满骨料之间的空隙。可见，混凝土拌合物中的水泥浆数量应以满足流动性为准。

②水泥浆的稠度由水灰比决定，水灰比愈小，水泥浆愈稠，混凝土拌合物的流动性愈差，不利于混凝土浇筑。但水灰比太大，则会产生流浆等现象。可见水灰比不能过大或过小。

③砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石质量的百分比，表示混凝土中砂与石子的组合关系。砂率愈大，混凝土中砂的比例愈高。所以砂率大的混凝土拌合物显得干稠、流动性差；而砂率过小，则砂的体积不足以填充石子之间的空隙，混凝土拌合物的流动性也不好，所以在配制混凝土时要合理选择砂率。

④外加剂可改变混凝土的性能，所以加入少量的引气剂、减水剂等外加剂，可使混凝土拌合物获得较好的和易性。

2．混凝土的强度

混凝土拌合物经过硬化，应达到规定的强度要求。混凝土的强度包括抗压、抗拉、抗弯、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。

把混凝土制作成边长150mm的立方体标准块，在标准条件下［温度（20±2）℃，相对湿度95％以上］养护到28 d龄期，测得的具有95％保证率的强度值为混凝土立方体试件抗压强度，简称立方体抗压强度。混凝土强度通常是指混凝土抗压强度。

混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压标准强度来划分的。混凝土强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值（单位为MPa）来表示。混凝土强度分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80等十四个等级。混凝土强度等级是混凝土结构设计、施工质量控制和工程验收的重要依据。

影响混凝土抗压强度的因素很多，主要有组成材料的配合比、养护条件、龄期等。

混凝土的强度主要取决于水泥石的强度及其与骨料间的粘结力，两者均随水泥强度和水灰比而变。水灰比较小，混凝土中所加水分除去与水泥化合反应所需之外，剩余水分较少，混凝土内部结构密实，孔隙少，强度较高；水灰比较大，则剩余水分较多，在混凝土中形成较多的孔隙，强度明显下降。

骨料本身强度一般都比水泥石的强度高，不会直接影响混凝土的强度。若使用低强度的岩石，会使混凝土的强度降低，用碎石比用卵石配制的混凝土强度高。

养护条件主要是指环境的温度和湿度。当环境温度较高时，混凝土强度发展就较快。当温度低于0℃以下，混凝土强度不发展。当环境湿度较小时，混凝土会因环境干燥而失水，强度不继续发展。所以，为保证混凝土强度，周围环境需保持尽量高一点的温度和必要的湿度。

混凝土在正常养护条件下，强度随着龄期的增加而增长。最初的7～14 d内，强度增长较快，28 d以后增长缓慢，增长过程可延续数十年。

3．混凝土的耐久性

混凝土的耐久性是指抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性的能力。主要包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱骨料反应等性能。

（1）抗渗性

是指混凝土抵抗水、油等液体的压力作用不渗透的性能。抗渗性直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性，是耐久性性质中重要的指标。

（2）抗冻性

在冰冻作用下，由于混凝土内部孔隙中的水结冰造成体积膨胀，导致混凝土产生裂缝，反复冻融使裂缝不断扩展从而使混凝土强度下降，直到局部或整体破碎。

（3）耐腐蚀性

混凝土发生侵蚀，主要是在外界侵蚀介质作用下受到破坏所引起的。与所选用的水泥品种及混凝土本身的密实有关。

（4）混凝土的碳化

是环境中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用，减弱了混凝土对钢筋的防锈保护作用。碳化还将引起体积收缩，产生细微裂缝，引起强度下降。

（5）碱骨料反应

是指硬化混凝土中所含的碱与骨料中活性成分发生反应，生成具有吸水膨胀性的产物，在有水的条件下吸水膨胀，导致混凝土开裂，影响耐久性。

（6）干缩

混凝土因毛细孔和凝胶体中水分蒸发与散发而引起体积缩小，当干缩受到限制时，混凝土会出现干缩裂缝，从而影响耐久性。

（四）特种混凝土

1．轻骨料混凝土

又称轻集料混凝土，是指粗骨料选用轻骨料，细骨料选用轻骨料或普通砂，表观密度不大于1950 kg/m3的混凝土。

轻骨料一般指多孔的人造陶粒、工业废渣、天然浮石等堆积密度不大于1000 kg/m3的粗骨料，以及粒径不大于5mm，堆积密度不超过1100 kg/m3的轻砂。大部分轻骨料具有微小的气孔，表观密度小，所拌制的混凝土自重小。

与普通混凝土相比，轻骨料混凝土孔隙率高，表观密度小，吸水率大，强度低。可用于房屋维护结构或承重构件，同时具有轻质、保温、绝热等性能。

2．多孔混凝土

是内部均匀分布着大量微小气泡的轻质混凝土。多孔混凝土按其气孔形成的方式不同，分为加气混凝土和泡沫混凝土。

（1）加气混凝土。由硅质材料和石灰、水泥，掺入发气剂，加水拌匀，经蒸压或蒸养而成。加气混凝土表观密度为400～800 kg/m3，可制成配筋条板，用作楼板、墙体和屋面构件。

（2）泡沫混凝土。由水泥浆和泡沫剂搅拌成，经浇筑、养护硬化而成。泡沫混凝土的性能和用途与加气混凝土基本相同，不过泡沫混凝土可现场浇筑。

（3）大孔混凝土。是以粗骨料、水泥和水配制而成的一种轻混凝土，又称无砂大孔混凝土。在大孔混凝土中，水泥浆仅将粗骨料粘在一起，而不填满粗骨料之间的空隙，因而形成大孔结构。因大孔混凝土中孔隙较大，所以大孔混凝土强度较低，为提高其强度，也可掺入少量细骨料，这种混凝土可称少砂大孔混凝土。大孔混凝土的表观密度为800～1500 kg/m3，多用做非承重墙体材料，由于孔隙率大，具有透水性，还可以用于排水工程或建筑工程中的排水暗管或井管。

3．防水混凝土

是指具有良好抗渗性并达到防水要求的混凝土。通常可以用改善骨料颗粒级配，适当增加水泥用量，掺加适当外加剂等办法使混凝土均匀密实，减少甚至杜绝混凝土内部的毛细管通路，以达到较高的抗渗、防水性能。

富水泥浆防水混凝土一般采用较小的水灰比，较高的水泥用量（不低于300 kg/m3），合理的砂率配制而成。富水泥浆防水混凝土适用于环境潮湿的地下结构的防水工程。

骨料级配防水混凝土是指严格控制砂、石级配及其混合比例，使骨料之间的空隙充分填充，混凝土获得最大的密实度，以提高抗渗性能，达到防水效果的混凝土。

外加剂防水混凝土是在混凝土中掺入外加剂来改善其内部结构，提高抗渗性的混凝土。常用的外加剂有密实剂、复合外加剂等。

4．耐热混凝土

通常指长期经受高温（200℃以上）作用，并能在高温下保持其物理力学性能不变的混凝土。根据所用胶凝材料不同可分为硅酸盐水泥耐热混凝土、铝酸盐水泥耐热混凝土等。

5．纤维混凝土

是在普通混凝土中掺加各种纤维而成。如：钢纤维、碳纤维、尼龙、聚丙烯等。纤维的作用是提高混凝土的抗拉强度，降低脆性，提高抗裂性。在纤维混凝土中，纤维的含量以及纤维的特性对其性能有很大影响。主要应用于路面、桥面、机场跑道等工程中。

6．泵送混凝土

是指坍落度在100mm以上适用于用泵输送的混凝土。其拌合物具有较大的流动性、不离析的特性。要保证混凝土在泵送管道中顺利输送，就要求混凝土拌合物在输送中阻力小，不离析，不泌水，不阻塞。为此除对混凝土的组成材料有具体要求外，还应掺入泵送剂或减水剂，必要时还应掺入粉煤灰等拌合物。泵送混凝土已在高层建筑、大型的工业与民用建筑、桥梁工程、港口工程等领域广泛应用。

7．装饰混凝土

是利用混凝土本身的水泥和骨料的颜色、质感而用作饰面工程的混凝土。常用的有彩色混凝土、图案混凝土、图案花饰混凝土、清水混凝土等。

二、钢筋混凝土

钢筋混凝土是在混凝土中配置钢筋形成的复合建筑材料，它既可以充分利用混凝土的抗压强度，又可以发挥混凝土对钢筋的保护作用，充分利用钢筋的抗拉、抗弯强度，因此钢筋混凝土结构广泛应用于建筑工程、桥梁工程等土木工程中。

（一）钢筋混凝土的优点

（1）合理发挥材料的性能

混凝土具有很高的抗压强度，但抗拉强度却很低，而钢筋是一种抗拉强度很高的结构材料，在构件的受压部分用混凝土，在构件的受拉部分用钢筋，大大提高了构件的承载力，充分发挥了材料的性能。

（2）耐久性好

在钢筋混凝土结构中，混凝土的强度随着时间的增加而增长，钢筋受到混凝土的保护而不易锈蚀。

（3）耐火性好

混凝土包裹在钢筋之外，起着保护钢筋的作用，避免钢材因达到软化温度而造成结构整体破坏。

（4）整体性好

钢筋混凝土结构特别是现浇的钢筋混凝土结构整体性好。

（5）就地取材

钢筋和混凝土两种材料都比较容易得到，价格也比较便宜。

（6）灵活性大

可以根据构件的受力情况，合理配置钢筋和确定混凝土等级，经济合理。

（二）钢筋混凝土的缺点

（1）自重大。普通钢筋混凝土本身自重比钢结构大，不宜用于大跨度、高层建筑。

（2）抗裂性差。混凝土的抗拉强度及极限拉应变很小，所以在荷载的作用下，一般均带裂缝工作。

（3）保温效果差。普通钢筋混凝土的导热系数较大，热量容易传递。

另外混凝土还有施工受气候条件限制，修复困难等缺点。

（三）预应力钢筋混凝土

普通钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，为克服这一缺点，充分利用高强度材料，可以设法在结构构件受外荷载作用前，预先对由外荷载引起的混凝土受拉区施加压力，用由此产生的预压应力来减小或抵消外荷载所引起的混凝土拉应力，从而使结构构件的拉应力减小，甚至处于受压状态。这种在构件受荷载以前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。对于裂缝控制严格、密闭性或耐久性要求高、变形要求严格的结构物，宜采用预应力结构。