混凝土与砂浆基础知识教程

混凝土与砂浆基础知识教程

第一节 概述

第二节 普通混凝土的组成材料 第三节 混凝土拌合物的和易性 第四节 硬化混凝土的强度 第五节 混凝土的变形性能 第六节 混凝土的耐久性 第七节 混凝土的外加剂

第八节 普通混凝土的配合比设计 第九节小结

第十节 复习思考题

混凝土与砂浆是建筑材料课程的重点之一。主要介绍普通混凝土的组成材料，新拌混凝土的工作性及评定指标，混凝土外加剂及其作用原理和应用，硬化混凝土的力学性能、耐久性及其影响因素，混凝土配合比设计方法及混凝土质量控制等。此外，还简要介绍了其它品种混凝土及建筑砂浆的特性和用途。

第一节 概述

一、混凝土（ Concrete ）的含义

凡由胶凝材料（胶结料）、粗细骨料和水及其它材料，按适当的比例配合、拌合配制并硬化而成的具有所需的形体、强度和耐久性的人造石材，叫做砼，如水泥混凝土、沥青混凝土等。 即：胶凝材料＋粒状材料＋水＋其它外加材料（外加剂、混合材料） → 硬化得人工石材

水泥砼（Cement Concrete）简称混凝土，是以水泥为胶凝材料，砂石为骨料拌制而成的混凝土，

即： 水泥 ＋ 砂 ＋石＋水＋外加剂（混合材料） → 砼（混凝土） 。 水泥混凝土是现代土木工程最主要的结构材料，本章主要介绍水泥混凝土。

二、混凝土的分类

最常用：普通水泥混凝土（Ordinary Cement Concrete） （一）按表观密度分类

1.重混凝土：为了屏蔽各种射线的辐射，采用各种高密度骨料配制的混凝土，表观密度> 2800kg/m。骨料为钢屑、重晶石、铁矿石等重骨料，水泥为钡水泥、锶水泥等重水泥。又称防辐射混凝土，用于核能工厂的屏障结构材料。

2.普通混凝土：表观密度 2000～2800kg/m，骨料为天然砂、石，密度一般多在2500kg/m左右，简称砼，用于各种建筑的承重结构材料。

3.轻混凝土：表观密度<1950kg/m，骨料为多孔轻质骨料，或无砂的大孔混凝土或不采用骨料而掺入加气剂或泡沫剂形成的多孔结构混凝土。主要用作轻质结构（大跨度）材料和隔热保温材料。 （二）按用途分类

可分为结构砼（普通砼）、 防水砼 、耐热砼 、耐酸砼 、大体积砼、道路砼等。 （三）按所用胶凝材料分类

可分为水泥砼、石膏砼 、沥青砼、聚合物砼、水玻璃混凝土 等。 （四）按强度等级分

可分为低强度砼（fcu≤ 30MPa）、 中强度砼（ fcu= 30 ～60MPa）、 高强度砼（ fcu= 60～100MPa）； 超高强度砼（ fcu＞ 100MPa）。 （五）按生产和施工方法分类

可分为普通浇筑砼、预拌砼 、泵送砼、喷射砼、压力灌浆砼 等。

三、混凝土的特点

3

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（一）优点

1.原材料丰富，造价低廉；

2.砼拌和物具有良好的可塑性和浇注性，易加工成型；

3.可调整性强 ，可根据使用性能的要求与设计来配制相应的混凝土； 4.抗压强度高；

5.匹配性好，与钢筋及钢纤维等有牢固的粘结力； 6.耐久性良好；

7.耐火性好，维修费少 ； 8.生产能耗低。

（二）缺点

1.自重大，比强度小； 2.抗拉强度低；

3.变形能力差，易开裂；

4.导热系数大，保温隔热性能较差； 5.硬化较慢，生产周期长，

四、砼的发展趋向

1.高性能混凝土（HPC）

要求有高强度等级（fcu≥60Mpa）和良好的工作性、体积稳定性和耐久性。 发展途径：

（1）采用高性能的原料以及与之相适应的工艺；

（2）采用多元复合途径提高混凝土的综合性能。如掺入高效减水剂，缓凝剂、引气剂、硅灰、优质粉煤灰、稻壳灰及沸石粉等。 2.绿色高性能混凝土（GHPC）

从节约能源、资源，减少工业废料排放和保护自然环境角度考虑，要求混凝土及其原材料的开发、生产、建筑施工作业等既能满足建设需要，又不危及后代人的延续生存环境。 3.其它新技术混凝土

灭菌、环境调节、变色、智能混凝土等。

第二节 普通混凝土的组成材料

普通混凝土组成材料是水泥、天然砂、石、水、掺合剂和外加剂 。 其组成过程为：水＋水泥 → 水泥浆＋砂 → 水泥砂浆＋粗骨料 → 砼

各成分的作用：1.水泥浆能充填砂的空隙，起润滑作用，赋予混凝土拌合物一定的流动性。 2.水泥砂浆能充填石子的空隙，起润滑作用，也能流动。

3.水泥浆在砼硬化后起胶结作用，将砂石胶结成整体，产生强度，成为坚硬的 水泥石。 由上可知，在混凝土硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予混凝土拌合物一定的流动，便于施工。水泥浆硬化后起胶结作用，将砂石骨料胶结成整体，产生强度，成为坚硬的水泥石。

土的结构

一、水泥

图2.1 硬化混凝

1.水泥品种的选择

水泥品种应根据工程性质及特点、工程所处环境及施工条件，依据各种水泥的特性，合理选择。常用水泥品种的选用见通用水泥的选用。 2.水泥强度等级的选择

选用原则：选择与砼的设计强度等级相适应的水泥标号。 普通砼：水泥强度等级为砼强度等级的1.5～2.0倍 ；

高强度砼（C>30）：水泥标号为砼强度等级的0.9～1.5倍 。

二、骨料（Aggregate）

细骨料 （Fine aggregate）：粒径为0.15 ～ 4.75mm 粗骨料（Coarse-aggregate）：粒径> 4.75mm 通常细、粗骨料的总体积占砼总体积的70%～80%。

骨料性能要求：有害杂质含量少；具有良好的颗粒形状，适宜的颗粒级配和细度，表面粗糙，与水泥粘结牢固；性能稳定，坚固耐久。 （一）细骨料（砂） （1）种类及特性

河砂：洁净、质地坚硬，为配制混凝土的理想材料；

海砂：质地坚硬，但夹有贝壳碎片及可溶性盐类 山砂：含有粘土及有机杂质，坚固性差；

人工砂：富有棱角，比较洁净，但细粉、片状颗较多，成本高 。 （2）砼用砂质量要求

一般要求：质地坚实、清洁、有害杂质含量少。 ①含泥量、石粉含量和泥块含量

天然砂含泥量和泥块含量及人工砂石粉含量和泥块含量应分别符合表6.2.1和表6.2.2的规定。 表2.1 天然砂含泥量和泥块含量

指 标 Ⅰ类 <1.0 0 Ⅱ类 <3.0 <1.0 Ⅲ类 <5.0 <2.0 项 目 含泥量（按质量计）（%） 泥块含量（按质量计）（%） 表2.2 人工砂石粉含量和泥块含量

指 标 Ⅰ类 <3.0 0 <1.0 0 Ⅱ类 <5.0 <1.0 <3.0 <1.0 Ⅲ类 <7.0 <2.0 <5.0 <2.0 项 目 含泥量（按质量MB值<1.40 计）（%） 计）（%） MB值≥1.40 或不合格 含泥量（按质量计）（%） 泥块含量（按质量计）（%） 或合格 泥块含量（按质量亚甲蓝试验 ②有害物质含量

砂中不应混有草根、树叶、树枝塑料等杂物，如含有云母、有机物及硫酸盐等，其含量应符合表6.2.3的规定。

表2.3 砂中有害物质含量

指 标 Ⅰ类 1.0 Ⅱ类 2.0 Ⅲ类 2.0 项 目 云母（按质量计）（%），＜

图3.3 维勃稠度仪

根据混凝土拌合物维勃稠度t值大小，可将混凝土进行如下分级： V0超干硬性砼 t≥31s V1特干硬性砼 t＝30～21s V2干硬性砼 t＝20～11s V3半干硬性砼 t＝10～5s

三、流动性（坍落度）的选择

1.原则

（1）结构构件类型及截面尺寸大小。构件截面尺寸较大时，选用较小的坍落度。 （2）结构构件的配筋疏密。钢筋较疏时，选用较小的坍落度。

（3）输送方式及施工捣实方法。机械振捣时，选用较小的坍落度；人工振捣时，选用较大的坍落度。 2.选用

根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204）规定，混凝土浇注的坍落度宜按表6.3.1选用。

表3.1 混凝土浇注时的坍落度

项目 1 2 结构种类 基础或地面等的垫层、无配筋的大体积结构（挡土墙、基础等）或配筋稀疏的结构 板、梁或大型及中型截面的柱子等 坍落度（mm） 10～30 30～50 3 4 配筋密列的结构（薄壁、斗仓、筒仓、细柱等 配筋特密的结构 50～70 70～90 四、影响新拌混凝土的和易性的因素

1.水泥浆数量的影响

水泥浆作用为填充骨料空隙，包裹骨料形成润滑层，增加流动性。

砼拌合物保持水灰比不变的情况下，水泥浆用量越多，流动性越大，反之越小。但水泥浆用量过多，粘聚性及保水性变差，对强度及耐久性产生不利影响。水泥浆用量过小，粘聚性差。

因此，水泥浆不能用量太少，但也不能太多，应 以满足拌合物流动性、粘聚性、保水性要求为宜。 2. 水泥浆的稠度

当水泥浆用量一定时 ，水泥浆的稠度决定于水灰比大小，水灰比（W/C）为用水量与水泥质量之比。

但W/C过小时，水泥浆干稠，拌合物流动性过低，给施工造成困难。W/C过大，水泥浆稀使拌合物的粘聚性和、保水性变差，产生流浆及离析现象，并严重影响混凝土的强度。 故水灰比大小应根据混凝土强度和耐久性要求合理选用，取值范围为0.40～0.75之间。 无论是水泥浆的数量还是水泥浆的稠度，实际上对混凝土拌合物流动性起决定作用的是单位体积用水量的多少，即恒定用水量法则：在配制混凝土时，若所用粗、细骨料种类及比例一定，水灰比在一定范围内（0.4～0.8）变动时，为获得要求的流动性，所需拌合用水量基本是一定的。即骨料一定时，混凝土的坍落度只与单位用水量有关。 3.砂率的影响

（1）砂率：是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。 （2）砂率对和易性的影响

砂率过大 ，孔隙率及总表面积大，拌合物干稠,流动性小； 砂率过小，砂浆数量不足，流动性降低，且影响粘聚性和保水性 。 故砂率大小影响拌合物的工作性及水泥用量。

（3）合理砂率：是指在用水量及水泥用量一定的情况下，能使砼拌合物获得最大的流动性，且能保持粘聚性及保水性良好时的砂率值。或指混凝土拌合物获得所要求的流动性及良好的粘聚性及保水性，而水泥用量为最少时的砂率值。如图6.3.4和图6.3.5。

图3.4 砂率与坍落度的关系 图3.5 砂率与水泥用量的关系 （水与水泥用量一定） （达到相同的坍落度）

4、组成材料性质的影响 （1）水泥品种的影响

水泥对和易性的影响主要表现在水泥的需水性上。使用不同水泥拌制的混凝土其和易性由好至坏：粉煤灰水泥——普通水泥、硅酸盐水泥——矿渣水泥（流动性大，但粘聚性差） ——火山灰水泥（流动性差，但粘聚性和保水性好） （2）骨料性质的影响

最大粒径：粒径越大，总比表面积越小，拌合物流动性大； 品种：卵石拌制的砼拌合物优于碎石；

级配：具有优良级配的砼拌合物具有较好的和易性和保水性。 5、外加剂的影响

外加剂（如减水剂、引气剂等）对混凝土的和易性有很大的影响。少量的外加剂能使混凝土拌合物在不增加水泥用量的条件下，获得良好的和易性。 不仅流动性显著增加，而且还有效地改善拌合物 的粘聚性和保水性。

6、 拌合物存放时间及环境温度的影响

（1）温度：环境温度升高，水分蒸发及水化反应加快，相应坍落度下降。 （2）时间：时间延长，水分蒸发，坍落度下降。

7、施工工艺：

同样的配合比设计：机械拌和时S>人工拌和时S，且搅拌时间长，则S大。

五 、改善新拌混凝土和易性的措施

1、调节混凝土的材料组成:

①采用合理砂率,并尽可能使用较低的砂率； ②改善砂、石的级配；

③在可能的条件下，尽量采用较粗的砂、石；

④当拌和物坍落度太小时，保持水灰比不变，增加适量的水泥浆；当拌和物坍落度太大时，保持砂率不变，增加适量的砂石。

2、掺加各种外加剂（如减水剂、引气剂等）。 3、提高振捣机械的效能 。 思考题：

1.什么是混凝土拌合物的和易性？它有哪些含义？ 2.影响混凝土和易性的因素有哪些？如何影响？

3.什么是合理砂率？采用合理砂率有何技术及经济意义？

第四节 硬化混凝土的强度

硬化后混凝土（ Hardened concrete）的强度（Strength）包括立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和与钢筋的粘结强度等。 抗压强度 > 抗弯强度 > 抗剪强度> 抗拉强度

一、混凝土的抗压强度与强度等级

混凝土的抗压强度是指其标准试件在压力作用下直到破坏的单位面积所能承受的最大应力。常作为评定混凝土质量的指标，并作为确定强度等级的依据。 1、立方体抗压强度（fcu）

按照标准的制作方法制成边长为150mm的正立方体试件，在标准养护条件（温度20±3℃，相对湿度90%以上）下，养护至28d龄期，按照标准的测定方法测定其抗压强度值，称为“混凝土立方体试件抗压强度”（简称“立方抗压强度”以fcu表示），以MPa计。

2、立方体抗压强度标准值（ fcu，k ）

按照标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验测定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%（即具有95%保证率的抗压强度），以N/mm即MPa计。

3、强度等级（Grading Strength）

混凝土强度等级是根据立方体抗压强度标准值来确定的。它的表示方法 是用“C”和“立方体抗压强度标准值”两项内容表示，如：“C30”即表示混凝土立方体抗压强度标准值fcu，k =30MPa 。 我国现行规范（GBJ10—89）规定，普通混凝土按立方抗压强度标准值划分为：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等16个强度等级。 立方体强度>强度等级 4、砼强度等级的实用意义

C7.5～C15：用于垫层、基础、地坪及受力不大的结构； C15～C25：用于普通砼结构的梁、板、柱、楼梯及屋架；

C25～C30：用于大跨度结构、耐久性要求较高的结构、预制构件等； C30以上：用于预应力钢筋混凝土结构、吊车梁及特种构件等。 5、砼的轴心抗压强度（fcp）

轴心抗压强度采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，如有必要，也可采用非标准尺寸的棱柱体试件，但其高宽比（h/a）应在2～3的范围。 在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件时，都采用混凝土的轴心抗压强度fcp作为设计依据。fcp比同截面的 fcu小，且h/a越大， fcp 越小。在立方体抗压强度为10～55Mpa范围内时，fcp ≈（0.70～0.80）fcu。

二、砼的抗拉强度

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劈裂试验测得劈裂抗拉强度（Splitting tension strength）。混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/20，故在结构设计中，不考虑混凝土承受拉力，而是在混凝土中配以钢筋，由钢筋来承受拉力 。但确定抗裂度时，须考虑抗拉强度，它是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要指标。 试验方法：劈裂法，测出强度为劈裂抗拉强度fts 。

混凝土的劈裂抗拉强度与混凝土标准立方体抗压强度之间的关系，可用经验公式表达如下：

（三） 施工配合比确定

设计配合比是以干燥状态骨料为基准，而工地存放的砂、石都含有一定的水分。所以，现场材料的实际称量应按工地砂石的含水情况进行修正，修正后的配合比为施工配合比。 根据砂、石的实际含水率，将试验室配合比换算为施工配合比。 设施工现场实测砂、石含水率分别为a%、b%，则

第九节小结

本章以普通混凝土为学习重点，通过较为详尽的讨论，可以获知有关混凝土的品种、组织结构、技术性能和影响性能诸多因素的知识。对新拌混凝土的和易性、硬化混凝土的力学性能和耐久性等基本原理必须十分清楚，这样才能设计配制出完全满足建筑工程要求的符合标准的优质混凝土。 在混凝土组成材料中，水泥胶结材是关键的、最重要的成分，应将已学过的水泥知识运用到混凝土中来。砂和石子是同一性状而只是粒径不同的骨料，而所起的作用基本相同，应掌握它们在配制混凝土时的技术要求。

混凝土配合比设计，要求掌握水灰比、砂率、用水量及其它一些因素对混凝土全历程性能的影响。正确处理三者之间的关系及其定量的原则，熟练的掌握配合比计算及调整方法。应当明确，配合比设计正确与否必须通过试验的检验确定。

外加剂已成为改善混凝土性能的极有效措施之一，在国内外已得到广泛应用，被视为组成混凝土的第五种原材料。应着重了解它们的类别、性质和使用条件，同时也应知道它们的作用机理。 掌握了普通混凝土的基本原理，则对其它品种混凝土的学习就比较容易融会贯通了。通过对比普通混凝土与其它混凝土的异同之处，掌握其它混凝土所独具的特性及配制、施工特点和方法。 砂浆实质上也是一种混凝土。它在工程中用量也很大。它与混凝土有很多的共性，注意了解各种砂浆的配制方法及用途。

第十节 复习思考题

1、普通混凝土的组成材料有哪几种？在混凝土凝固硬化前后各起什么作用？ 2、何谓骨料级配？混凝土的骨料为什么要级配？骨料级配良好的标准是什么？ 3、什么是混凝土拌和物的和易性？它有哪些含义？ 4、影响混凝土拌和物和易性的因素有哪些？如何影响？ 5、什么是合理砂率？合理砂率有何技术及经济意义？

6、影响混凝土强度的因素有哪些？采用哪些措施可提高混凝土强度？

7、采用矿渣水泥、卵石和天然砂配制混凝土，水灰比为0.5，制作10cm×10cm×10cm试件三块，在标准养护条件下养护7d后，测得破坏荷载分别为140kN、135kN、142kN。试估算：（1）该混凝土28d的标准立方体抗压强度？（2）该混凝土采用的矿渣水泥的强度等级？ 8、引起混凝土产生变形的因素有哪些？采用什么措施可减小混凝土的变形？

9、采用哪些措施可提高混凝土的抗渗性？抗渗性大小对混凝土耐久性的其它方面有何影响？ 10、什么是减水剂？简述减水剂的作用机理和掺入减水剂的技术经济效果。 11、常用的早强剂有哪些？试评价其优缺点。

12、混凝土配合比设计的任务是什么？需要确定的三个参数是什么？怎样确定？ 13、简述混凝土质量控制的方法。

14、轻骨料混凝土的物理力学性能与普通混凝土相比，有何特点？

15、现浇框架结构梁，混凝土设计强度等级C25，施工要求坍落度30～50mm，施工单位无历史统计资料。采用原材料为：普通水泥强度等级为42.5，ρc ＝3000kg/m3 ，Mx ＝2.6；卵石Dmax ＝20mm， ρg ＝2650kg/m3 ；自来水。试求初步计算配合比。

16、某混凝土试拌调整后，各材料用量分别为水泥3.1kg、水1.86kg、砂6.24kg、碎石12.84kg，并测得拌和物表观密度为2450kg/m3 。试求1m3 混凝土的各材料实际用量。 17、砌筑砂浆的主要技术性质包括哪几个方面？

18、新拌砂浆的和易性如何测定？和易性不良的砂浆对工程质量会有哪些影响？

19、计算用于砌筑粉煤灰砌块的强度等级为M2.5的水泥混合砂浆的试配比例。采用强度等级为32.5的普通硅酸盐水泥，其28d抗压强度实测值为34.5MPa；石灰膏的稠度为120mm；中砂（含水率为2.5％），堆积密度为1450kg/m3 ；施工水平一般。

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