課題四　混凝土及鋼筋混凝土

一、混凝土

混凝土是由膠凝材料、水、粗骨料和細骨料按適當比例配合，拌制成拌合物，經一定時間硬化而成的人造石材。按膠凝材料可分為水泥混凝土、瀝青混凝土、聚合物混凝土等。

水泥混凝土是最常用的一種混凝土。它是由水泥、水、粗骨料和細骨料按適當比例配合，拌制均勻，澆筑成型，經硬化后形成的人造石材。

混凝土是一種最常用的建筑材料，具有許多優點：

1）組成材料中的砂、石等材料取材方便。

2）在凝結硬化前具有良好的塑性，可澆制成各種形狀和大小的結構物或構件。

3）硬化后具有較高的抗壓強度與耐久性。

4）混凝土與鋼筋之間有牢固的粘結力，能制作成鋼筋混凝土結構或構件。

混凝土材料的缺點為抗拉強度低，受拉時變形能力小，容易開裂，自重大。

（一）混凝土的類型

根據不同的分類標準，混凝土可分為以下種類：

1．按膠凝材料分

（1）無機膠凝材料混凝土，如水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土等；

（2）有機膠凝材料混凝土，如瀝青混凝土、聚合物混凝土等。

2．按表觀密度分

（1）重混凝土：干表觀密度大于2800 kg/m3，采用特別密實和特別重的骨料（如重晶石、鐵礦石、鋼屑等）配制而成的。常用于防輻射工程或耐磨結構，也可用于工程配重。

（2）普通混凝土：干表觀密度為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，常用于房屋及橋梁的承重結構、道路路面、水工建筑物的堤壩等。

（3）輕混凝土：干表觀密度小于2000 kg/m3，是用較輕和多孔的骨料（如浮石、煤渣等）制成。常用做絕熱、隔聲或承重材料。

3．按使用功能可分為防水混凝土、耐熱混凝土、耐酸混凝土、耐堿混凝土、水工混凝土、港工混凝土等。

4．按強度特征可分為早強混凝土、超早強混凝土、高強混凝土、超高強混凝土、高性能混凝土（HPC）等。

5．按坍落度大小可分為低塑性混凝土、塑性混凝土、流動性混凝土、大流動性混凝土、流態混凝土。

6．按維勃稠度值可分為超干硬性混凝土、特干硬性混凝土、干硬性混凝土、半干硬性混凝土。

7．按施工工藝可分為普通澆筑混凝土、離心成型混凝土、噴射混凝土、泵送混凝土等。

8．按配筋情況分為素混凝土、鋼筋混凝土、纖維混凝土等。

本節主要講解水泥混凝土，以下簡稱混凝土。

（二）普通混凝土的組成材料

普通混凝土（簡稱混凝土）是由水泥、砂、石和水組成，根據需要常加入適量的外加劑和摻合劑，表觀密度為1930～2 500 kg/m3。

1．混凝土中各組成材料的作用

在混凝土中，砂、石起骨架作用，稱為骨料；水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥漿起潤滑作用，賦予拌合物一定和易性，便于施工。在硬化后水泥漿起膠結作用，將骨料膠結成一個堅實的整體。混凝土的結構如圖2-8所示。

2．混凝土組成材料的技術要求

混凝土組成材料的性質及其含量對混凝土的技術性質有很大的影響，同時混凝土的施工工藝（攪拌、運輸、養護等）對混凝土的技術性質也有影響。

（1）水泥品種的選擇。配制混凝土時應根據工程性質、部位、施工條件、環境狀況等，按各種水泥的特性做出合理的選擇，可參考六種常用水泥的選用表進行選擇。水泥強度等級的選擇應與混凝土的設計強度等級相適應。基本原則是：配制高強度等級的混凝土，選用高強度等級的水泥；配制低強度的混凝土，選用低強度等級的水泥。

（2）骨料。混凝土體積中骨料的體積占60％～80％，骨料按粒徑的大小分為粗骨料和細骨料。骨料的技術性能直接影響到混凝土的性能。

1）細骨料。細骨料是指粒徑在0.15～5mm之間的砂。常用的砂有河砂、海砂及山砂。砂的要求有以下幾方面：

①有害雜質。砂中常含有云母、粘土、淤泥、粉砂等雜質，如果這些雜質的含量超過規定的標準，會影響混凝土的性能。工程中應嚴格控制砂的有害雜質的含量。

②顆粒形狀及表面特性。砂的顆粒形狀及表面特征會影響砂與水泥的粘結及混凝土拌合物的流動性。表面粗糙帶有棱角的山砂與水泥拌制的混凝土強度較高，但混凝土拌合物的流動性較差；表面圓滑的河砂、海砂與水泥的粘結較差，拌制的混凝土強度較低，但拌合物的流動性較好。

③顆粒級配及粗細程度。顆粒級配就是大小顆粒的搭配情況。從圖2-9可看出：在混凝土中，如果同樣粗細的砂，空隙最大［圖（a）］；兩種粒徑的砂搭配起來，空隙減小了［圖（b）］；三種粒徑的砂搭配，空隙就更小［圖（c）］。可見，要想減小砂粒間的空隙，就要選用大小不同的粒徑的砂搭配，以提高混凝土的強度。砂按粗細程度，通常有粗砂、中砂與細砂之分。在一般情況下，用粗砂拌制混凝土比用細砂所需的水泥漿少。

④堅固性。砂的堅固性是指砂在氣候、環境變化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。砂在長期受到各種自然因素的綜合作用下，其物理力學性能會逐漸下降，這些自然因素包括溫度變化、干濕度變化和凍融循環等。因此，混凝土對砂的堅固性有相應要求。

2）粗骨料。粗骨料是指粒徑大于5mm的骨料，俗稱石。常用的有碎石與卵石。碎石是天然巖石經機械破碎、篩分得到的。卵石是由自然風化、水流搬運，分選得到的。配制混凝土的粗骨料有以下幾個方面的要求：

①有害雜質

粗骨料中常含有一些有害雜質，如黏土、淤泥、細屑、硫酸鹽、硫化物和有機雜質。這些有害雜質會對混凝土的性能產生影響。在工程中同樣需嚴格按照標準控制混凝土用粗骨料中有害雜質的含量。

②顆粒形狀及表面特征

粗骨料的顆粒形狀及表面特征會影響粗骨料與水泥的粘結及混凝土拌合物的流動性。表面粗糙帶有棱角的碎石，與水泥粘結較好，其混凝土強度較高，但拌制的混凝土的流動性較差；表面光滑的卵石，與水泥膠結較差，其混凝土強度較低，但拌制的混凝土的流動性較好。粗骨料的顆粒形狀還有屬于葉狀和片狀的，葉、片狀顆粒過多，會使混凝土的強度降低及流動性減小。因此，葉、片狀顆粒的含量不宜大于10％。

③最大粒徑及顆粒級配

粗骨料中公稱粒級的上限稱為該粒級的最大粒徑。粗骨料的最大粒徑應盡量選用得大些。但混凝土中粗骨料的選用還受到結構或構件截面最小尺寸、混凝土中布置鋼筋的最小凈距和混凝土施工工藝的控制。粗骨料的顆粒級配對混凝土的作用和細骨料大致相同。石子級配好壞，對節約水泥和保證混凝土具有良好的和易性有很大影響。

④強度

為了保證混凝土的強度要求，粗骨料也應質地致密，具有足夠的強度。必要時應進行巖石抗壓檢驗。

⑤堅固性

粗骨料的堅固性對混凝土的作用大致與細骨料相同。

3）混凝土拌合水和養護用水。拌制和養護混凝土用水應選用飲用水、清潔的地表水、地下水以及經適當處理后的工業廢水——中水。總的要求是：不得影響混凝土的凝結；不得有損于混凝土強度發展；不得降低混凝土的耐久性；不得加快鋼筋腐蝕及導致預應力鋼筋脆斷；不得污染混凝土表面。因此，海水和其他含有害化學物質較多的水不能用。

4）混凝土外加劑。它是指在拌制混凝土過程中摻入的用以改善混凝土某種性能的物質，其摻量一般不大于水泥用量的5％。混凝土外加劑對改善混凝土拌合物的和易性，調節凝結硬化時間，控制強度發展和提高耐久性等方面起著顯著作用。近年來混凝土外加劑獲得迅速發展和推廣，已成為混凝土的第五組分。最常用的外加劑有減水劑、早強劑、引氣劑（加氣劑）、速凝劑、緩凝劑、防水劑、泵送劑等。

（三）普通混凝土的主要技術指標

混凝土在未凝結硬化以前，稱為混凝土拌合物。混凝土拌合物要求具有良好的和易性，以方便施工，獲得良好的澆灌質量。混凝土拌合物凝結硬化后，要求具有足夠的強度，并具有必要的耐久性。

1．混凝土拌合物的和易性

也可稱工作性，是指混凝土在攪拌、運輸、澆灌、搗實等過程中易于工作，能保持質量均勻而不發生離析的性能。

（1）和易性的概念。混凝土拌合物的和易性是一項綜合性能，包括流動性、粘聚性和保水性三方面。流動性是指混凝土拌合物在本身自重或機械振搗作用下產生流動，能均勻密實地填滿模板的性能；粘聚性是指混凝土拌合物在施工過程中各組成材料之間有一定的黏聚力，不產生分離和離析現象，保持整體均勻的性能；保水性是指混凝土拌合物在施工過程中，具有一定的保水能力，不致產生嚴重泌水現象（泌出的水會形成泌水通道，影響混凝土的密實，降低混凝土的強度、抗滲性和耐久性）。

（2）和易性的測定和選擇。目前還沒有能夠比較全面反映混凝土拌合物和易性的測定方法。通常采用坍落度測定混凝土拌合物的流動性，同時目測拌合物的粘聚性和保水性。

（3）坍落度試驗。將混凝土拌合物按規定的方法裝入標準的坍落筒（無底）內，裝滿刮平后，垂直向上將筒提起，混凝土拌合物將在自身重力作用下產生坍落，坍落后拌合物最高點與坍落筒之間的高差（mm），即為該混凝土拌合物的坍落度。坍落度數值愈大表示流動性愈大，如圖2-10所示。

測定坍落度的同時應觀測混凝土拌合物的粘聚性和保水性。粘聚性測定方法是：用搗棒在已坍落的混凝土錐體側面輕輕敲打，若錐體均勻下沉則表示粘聚性較好，若錐體出現崩坍則表示粘聚性不好。保水性測定方法則是當坍落度筒提起后，通過看錐體周圍析出水泥漿多少來判定，析出水泥漿較少者，保水性好。

（4）影響和易性的因素。主要是水泥漿的數量、稠度、砂率和外加劑。

①水泥漿使混凝土拌合物產生流動性。在水灰比不變的前提下，單位體積混凝土拌合物內，水泥漿愈多，拌合物的流動性愈大。但水泥漿不宜過多，否則將產生流漿現象。水泥漿數量也不宜過少，否則不能填滿骨料之間的空隙。可見，混凝土拌合物中的水泥漿數量應以滿足流動性為準。

②水泥漿的稠度由水灰比決定，水灰比愈小，水泥漿愈稠，混凝土拌合物的流動性愈差，不利于混凝土澆筑。但水灰比太大，則會產生流漿等現象。可見水灰比不能過大或過小。

③砂率是指混凝土中砂的質量占砂、石質量的百分比，表示混凝土中砂與石子的組合關系。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顯得干稠、流動性差；而砂率過小，則砂的體積不足以填充石子之間的空隙，混凝土拌合物的流動性也不好，所以在配制混凝土時要合理選擇砂率。

④外加劑可改變混凝土的性能，所以加入少量的引氣劑、減水劑等外加劑，可使混凝土拌合物獲得較好的和易性。

2．混凝土的強度

混凝土拌合物經過硬化，應達到規定的強度要求。混凝土的強度包括抗壓、抗拉、抗彎、抗剪強度等，其中抗壓強度最大，故混凝土主要用來承受壓力。

把混凝土制作成邊長150mm的立方體標準塊，在標準條件下［溫度（20±2）℃，相對濕度95％以上］養護到28 d齡期，測得的具有95％保證率的強度值為混凝土立方體試件抗壓強度，簡稱立方體抗壓強度。混凝土強度通常是指混凝土抗壓強度。

混凝土強度等級是按混凝土立方體抗壓標準強度來劃分的。混凝土強度等級采用符號C與立方體抗壓強度標準值（單位為MPa）來表示。混凝土強度分為C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80等十四個等級。混凝土強度等級是混凝土結構設計、施工質量控制和工程驗收的重要依據。

影響混凝土抗壓強度的因素很多，主要有組成材料的配合比、養護條件、齡期等。

混凝土的強度主要取決于水泥石的強度及其與骨料間的粘結力，兩者均隨水泥強度和水灰比而變。水灰比較小，混凝土中所加水分除去與水泥化合反應所需之外，剩余水分較少，混凝土內部結構密實，孔隙少，強度較高；水灰比較大，則剩余水分較多，在混凝土中形成較多的孔隙，強度明顯下降。

骨料本身強度一般都比水泥石的強度高，不會直接影響混凝土的強度。若使用低強度的巖石，會使混凝土的強度降低，用碎石比用卵石配制的混凝土強度高。

養護條件主要是指環境的溫度和濕度。當環境溫度較高時，混凝土強度發展就較快。當溫度低于0℃以下，混凝土強度不發展。當環境濕度較小時，混凝土會因環境干燥而失水，強度不繼續發展。所以，為保證混凝土強度，周圍環境需保持盡量高一點的溫度和必要的濕度。

混凝土在正常養護條件下，強度隨著齡期的增加而增長。最初的7～14 d內，強度增長較快，28 d以后增長緩慢，增長過程可延續數十年。

3．混凝土的耐久性

混凝土的耐久性是指抵抗環境介質作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性的能力。主要包括抗滲、抗凍、抗侵蝕、碳化、堿骨料反應等性能。

（1）抗滲性

是指混凝土抵抗水、油等液體的壓力作用不滲透的性能。抗滲性直接影響混凝土的抗凍性和抗侵蝕性，是耐久性性質中重要的指標。

（2）抗凍性

在冰凍作用下，由于混凝土內部孔隙中的水結冰造成體積膨脹，導致混凝土產生裂縫，反復凍融使裂縫不斷擴展從而使混凝土強度下降，直到局部或整體破碎。

（3）耐腐蝕性

混凝土發生侵蝕，主要是在外界侵蝕介質作用下受到破壞所引起的。與所選用的水泥品種及混凝土本身的密實有關。

（4）混凝土的碳化

是環境中的二氧化碳與水泥石中的氫氧化鈣作用，減弱了混凝土對鋼筋的防銹保護作用。碳化還將引起體積收縮，產生細微裂縫，引起強度下降。

（5）堿骨料反應

是指硬化混凝土中所含的堿與骨料中活性成分發生反應，生成具有吸水膨脹性的產物，在有水的條件下吸水膨脹，導致混凝土開裂，影響耐久性。

（6）干縮

混凝土因毛細孔和凝膠體中水分蒸發與散發而引起體積縮小，當干縮受到限制時，混凝土會出現干縮裂縫，從而影響耐久性。

（四）特種混凝土

1．輕骨料混凝土

又稱輕集料混凝土，是指粗骨料選用輕骨料，細骨料選用輕骨料或普通砂，表觀密度不大于1950 kg/m3的混凝土。

輕骨料一般指多孔的人造陶粒、工業廢渣、天然浮石等堆積密度不大于1000 kg/m3的粗骨料，以及粒徑不大于5mm，堆積密度不超過1100 kg/m3的輕砂。大部分輕骨料具有微小的氣孔，表觀密度小，所拌制的混凝土自重小。

與普通混凝土相比，輕骨料混凝土孔隙率高，表觀密度小，吸水率大，強度低。可用于房屋維護結構或承重構件，同時具有輕質、保溫、絕熱等性能。

2．多孔混凝土

是內部均勻分布著大量微小氣泡的輕質混凝土。多孔混凝土按其氣孔形成的方式不同，分為加氣混凝土和泡沫混凝土。

（1）加氣混凝土。由硅質材料和石灰、水泥，摻入發氣劑，加水拌勻，經蒸壓或蒸養而成。加氣混凝土表觀密度為400～800 kg/m3，可制成配筋條板，用作樓板、墻體和屋面構件。

（2）泡沫混凝土。由水泥漿和泡沫劑攪拌成，經澆筑、養護硬化而成。泡沫混凝土的性能和用途與加氣混凝土基本相同，不過泡沫混凝土可現場澆筑。

（3）大孔混凝土。是以粗骨料、水泥和水配制而成的一種輕混凝土，又稱無砂大孔混凝土。在大孔混凝土中，水泥漿僅將粗骨料粘在一起，而不填滿粗骨料之間的空隙，因而形成大孔結構。因大孔混凝土中孔隙較大，所以大孔混凝土強度較低，為提高其強度，也可摻入少量細骨料，這種混凝土可稱少砂大孔混凝土。大孔混凝土的表觀密度為800～1500 kg/m3，多用做非承重墻體材料，由于孔隙率大，具有透水性，還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

是指具有良好抗滲性并達到防水要求的混凝土。通常可以用改善骨料顆粒級配，適當增加水泥用量，摻加適當外加劑等辦法使混凝土均勻密實，減少甚至杜絕混凝土內部的毛細管通路，以達到較高的抗滲、防水性能。

富水泥漿防水混凝土一般采用較小的水灰比，較高的水泥用量（不低于300 kg/m3），合理的砂率配制而成。富水泥漿防水混凝土適用于環境潮濕的地下結構的防水工程。

骨料級配防水混凝土是指嚴格控制砂、石級配及其混合比例，使骨料之間的空隙充分填充，混凝土獲得最大的密實度，以提高抗滲性能，達到防水效果的混凝土。

外加劑防水混凝土是在混凝土中摻入外加劑來改善其內部結構，提高抗滲性的混凝土。常用的外加劑有密實劑、復合外加劑等。

4．耐熱混凝土

通常指長期經受高溫（200℃以上）作用，并能在高溫下保持其物理力學性能不變的混凝土。根據所用膠凝材料不同可分為硅酸鹽水泥耐熱混凝土、鋁酸鹽水泥耐熱混凝土等。

5．纖維混凝土

是在普通混凝土中摻加各種纖維而成。如：鋼纖維、碳纖維、尼龍、聚丙烯等。纖維的作用是提高混凝土的抗拉強度，降低脆性，提高抗裂性。在纖維混凝土中，纖維的含量以及纖維的特性對其性能有很大影響。主要應用于路面、橋面、機場跑道等工程中。

6．泵送混凝土

是指坍落度在100mm以上適用于用泵輸送的混凝土。其拌合物具有較大的流動性、不離析的特性。要保證混凝土在泵送管道中順利輸送，就要求混凝土拌合物在輸送中阻力小，不離析，不泌水，不阻塞。為此除對混凝土的組成材料有具體要求外，還應摻入泵送劑或減水劑，必要時還應摻入粉煤灰等拌合物。泵送混凝土已在高層建筑、大型的工業與民用建筑、橋梁工程、港口工程等領域廣泛應用。

7．裝飾混凝土

是利用混凝土本身的水泥和骨料的顏色、質感而用作飾面工程的混凝土。常用的有彩色混凝土、圖案混凝土、圖案花飾混凝土、清水混凝土等。

二、鋼筋混凝土

鋼筋混凝土是在混凝土中配置鋼筋形成的復合建筑材料，它既可以充分利用混凝土的抗壓強度，又可以發揮混凝土對鋼筋的保護作用，充分利用鋼筋的抗拉、抗彎強度，因此鋼筋混凝土結構廣泛應用于建筑工程、橋梁工程等土木工程中。

（一）鋼筋混凝土的優點

（1）合理發揮材料的性能

混凝土具有很高的抗壓強度，但抗拉強度卻很低，而鋼筋是一種抗拉強度很高的結構材料，在構件的受壓部分用混凝土，在構件的受拉部分用鋼筋，大大提高了構件的承載力，充分發揮了材料的性能。

（2）耐久性好

在鋼筋混凝土結構中，混凝土的強度隨著時間的增加而增長，鋼筋受到混凝土的保護而不易銹蝕。

（3）耐火性好

混凝土包裹在鋼筋之外，起著保護鋼筋的作用，避免鋼材因達到軟化溫度而造成結構整體破壞。

（4）整體性好

鋼筋混凝土結構特別是現澆的鋼筋混凝土結構整體性好。

（5）就地取材

鋼筋和混凝土兩種材料都比較容易得到，價格也比較便宜。

（6）靈活性大

可以根據構件的受力情況，合理配置鋼筋和確定混凝土等級，經濟合理。

（二）鋼筋混凝土的缺點

（1）自重大。普通鋼筋混凝土本身自重比鋼結構大，不宜用于大跨度、高層建筑。

（2）抗裂性差。混凝土的抗拉強度及極限拉應變很小，所以在荷載的作用下，一般均帶裂縫工作。

（3）保溫效果差。普通鋼筋混凝土的導熱系數較大，熱量容易傳遞。

另外混凝土還有施工受氣候條件限制，修復困難等缺點。

（三）預應力鋼筋混凝土

普通鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，為克服這一缺點，充分利用高強度材料，可以設法在結構構件受外荷載作用前，預先對由外荷載引起的混凝土受拉區施加壓力，用由此產生的預壓應力來減小或抵消外荷載所引起的混凝土拉應力，從而使結構構件的拉應力減小，甚至處于受壓狀態。這種在構件受荷載以前預先對混凝土受拉區施加壓應力的結構稱為“預應力混凝土結構”。對于裂縫控制嚴格、密閉性或耐久性要求高、變形要求嚴格的結構物，宜采用預應力結構。