土木工程材料Civil Engineering Materials孙家瑛教授 第三节 普通砼的主要技术性质§在砼凝结硬化前：良好的和易性，便于施工§在砼凝结硬化后：足够的强度，良好的体积稳定性和耐久性，保证结构安全§一、和易性§1、定义§和易性：砼拌合物易于施工操作（拌合、运输、浇灌、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能包括流动性、粘聚性和保水性§国外：工作性（Workability） §①流动性：砼拌合物在本身自重或施工机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实的填满模板的性能§②粘聚性：砼拌合物在施工过程中其组成材料之间的粘聚力，不致产生分层和离析的性能 §③保水性：砼拌合物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象 §砼拌和物的流动性、粘聚性、保水性，三者之间互相关联又互相矛盾§如粘聚性好则保水性往往也好，但当流动性增大时，粘聚性和保水性往往变差，反之亦然§所谓拌和物的和易性良好，就是要使这三方面的性能在某种具体条件下，达到均为良好§矛盾的统一 §2、和易性的测定§和易性的主要测试方法有坍落度法和维勃稠度法 §①坍落度法§适用范围：骨料最大粒径不大于40mm，坍落度值不小于10mm的砼。
§坍落度试验方法：将砼拌合物按规定方法装入标准圆锥坍落度筒内，装满刮平后，垂直向上将筒提起，移到一旁砼拌合物由于自重将会产生坍落现象然后量出向下坍落的尺寸，该尺寸（mm）就是坍落度，作为流动性指标，坍落度越大表示流动性越好 §在进行坍落度试验的同时，应观察砼拌合物的粘聚性、保水性，以便全面地评定砼拌合物的和易性§粘聚性的评定方法：用捣棒在已坍落的砼锥体侧面轻轻敲打，若锥体逐渐下沉，则表示粘聚性良好；如果锥体倒塌，部分崩裂或出现离析现象，则表示粘聚性不好 §保水性的评定方法：以砼拌合物中的稀水泥浆析出的程度来评定坍落度筒提起后，如有较多稀水泥浆从底部析出，锥体部分砼拌合物也因失浆而骨料外露，则表明砼拌合物的保水性能不好如坍落度筒提起后无稀水泥浆或仅有少量稀水泥浆自底部析出，则表示此砼拌合物保水性良好 当坍落度不符合要求，怎么办？？§①坍落度小于设计要求§保持W/C不变，加水泥浆：每增加1cm坍落度，加5％～10％的水泥浆§②坍落度大于设计要求§保持Sp不变，加粗细骨料：每减小1cm坍落度，加6％～12％粗细骨料 视频 §根据坍落度的不同，可将砼拌合物分为4级：§T1级—低塑性砼（坍落度10～40mm）；§T2级—塑性砼（坍落度50～90mm）;§T3级—流动性砼（坍落度100～150mm）；§T4级—大流动性砼（坍落度≥160mm）§②维勃稠度法 §适用于干硬性砼 。
§坍落度值小于10mm §仪器：维勃稠度仪 §3、流动性的选择§砼拌合物的坍落度要根据构件截面的大小、钢筋的疏密和捣实方法来确定 §案例：请观察图中砼楼面，其中有空洞（俗称蜂窝）该砼是采用人工振捣，其砼坍落度为30 mm请分析砼不密实的原因§该砼未采用振动器振捣，仅人工振捣，而砼的坍落度偏低，流动性较差，故易产生蜂窝，应增大砼的坍落度，具体按GB 50204-2001《砼结构工程施工质量验收规范》进行§实际施工时，砼的坍落度要根据构件截面尺寸大小、钢筋疏密和捣实方法来确定当构件截面钢筋较密，或采用人工捣实时，坍落度可选择大一些反之，若构件截面尺寸较大，或钢筋较疏，或采用机械振捣，则坍落度可选择小一些 §4、影响和易性的主要因素§（1）水泥浆的数量§水泥浆的作用：在砼凝结硬化以前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，便于施工§在水灰比不变的情况下，单位体积拌和物内，如果水泥浆愈多，则拌和物的流动性愈大§若水泥浆过多，将会出现流浆现象，使拌和物的粘聚性变差，同时对砼的强度与耐久性也会产生一定的影响，且水泥用量也大§水泥浆过少，不能填满骨料间空隙或不能很好包裹骨料表面时，就会产生崩塌现象，粘聚性变差。
§因此，砼拌和物中水泥浆的数量应以满足流动性流动性要求为度，不宜过量 §（2）水泥浆的稠度（W/C）§在水泥用量不变的情况下，水灰比愈小，水泥浆就愈稠，砼拌合物流动性就愈小§水灰比过小，水泥浆干稠，砼拌和物的流动性过低，会使施工困难，不能保证砼的密实性§水灰比过大，会造成砼拌合物的粘聚性和保水性差，产生流浆、离析现象，并严重影响砼的强度§水灰比不能过大或过小，依据砼强度和耐久性砼强度和耐久性要求合理地选用 §无论是水泥浆的多少还是水泥浆的稀稠，实际上对砼流动性起决定作用的是用水量的多少无论是提高水灰比还是增加水泥浆用量最终都表现为砼用水量的增加§恒定用水量法则：恒定用水量法则：在使用粗细骨料的种类和比例一定时，使砼拌和物获得一定的流动性，所需的单位用水量基本上是一个定值，即使水泥用量有所变动（1m3砼水泥用量增减50～100kg）也无甚影响§砼用水量的选择可参考标准§对砼拌和物流动性的调整，应在保证水灰比不变的条件下，用调整水泥浆量的方法来调整绝对不允许采用单纯改变用水量的方法来调整砼的流动性 §（3）砂率 §砂的作用：填充石子间空隙，并与水泥形成水泥砂浆包裹在石子外表面减少粗骨料颗粒间的摩阻力，赋予砼拌合物一定的流动性。
§砂率过大：骨料的总表面积增大，在水泥浆含量不变的情况下，相对地水泥浆显得少了，减弱了水泥浆的润滑作用，导致砼拌和物流动性降低§砂率过小：又不能保证粗骨料之间有足够的砂浆层，也会降低砼拌和物的流动性，而且会严重影响其粘聚性和保水性，容易造成离析、流浆 §合理砂率：合理砂率： §从技术角度出发：采用合理砂率时，可使砼在用水量及水泥用量一定的情况下，其可获得最大的流动性，且保持良好的粘聚性和保水性砂率（合理）坍落度mm §从经济角度出发：采用合理砂率时，可使砼在水泥用量最少的情况下，获得所要求的流动性及良好的粘聚性和保水性 （合理）砂率水泥用量 砼砂率的选择水灰比/（W/C）卵石最大粒径/mm碎石最大粒径/mm1020401620400.4026～3225～3124～3030～3529～3427～320.5030～3529～3428～3333～3832～3730～350.6033～3832～3731～3636～4135～4033～380.7036～4135～4034～3939～4438～4336～41 §（4）水泥品种和骨料的性质§用矿渣水泥配制的砼其坍落度比用普通水泥的小§用卵石配制的砼其坍落度大于碎石配制的砼。
§（5）外加剂§加入减水剂可在不提高单位用水量的情况下使砼获得较好的和易性，表现为增大流动性、改善粘聚性、降低泌水性 §（6）时间和温度§①时间§随着时间的增加，砼拌合物的坍落度逐渐降低，称为坍落度的经时损失§原因：水泥水化消耗水、骨料吸水、水分蒸发、水化产物凝聚结构的形成§②温度§拌合物的和易性也受温度的影响温度每提高10℃，坍落度降低20～40mm§原因：温度升高导致水分蒸发及水泥水化反应加快 §5、改善和易性的措施§a、通过试验、采用最佳砂率；§b、改善砂、石级配§c、在可能的条件下，尽可能采用较粗的砂、石§d、当砼拌合物坍落度太小时，保持水灰比不变，适当增加水泥和水（水泥浆）；§e、当砼坍落度太大时，保持砂率不变，适当增加砂、石；§f、有条件尽量使用外加剂－减水剂、引气剂 §6、新拌砼的凝结时间§水泥的水化反应是砼凝结硬化的主要原因凡是影响水泥凝结硬化的因素都会对砼的凝结硬化产生影响；§但是砼的凝结时间并不等于水泥的凝结时间§砼的凝结时间使用贯入阻力仪进行测定 §二、强度§1、砼受压破坏过程§在砼受荷载之前，其内部已存在一定的界面微裂缝，当砼受荷载时，这些界面微裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来，形成可见裂缝，致使砼结构丧失连续性而遭到完全破坏。
§砼在外力作用下的变形和破坏过程，是内部裂缝的发生和扩展的过程，它是一个从量变到质变的过程，只有砼内部的微观破坏发展到一定量时才使砼的整体遭受破坏 §2、立方体抗压强度§1）立方体抗压强度的测定§根据砼试件尺寸的不同，抗压强度可分为：§立方体抗压强度、棱柱体抗压强度（轴心抗压强度） §国家标准GB/T 50081－2002《普通砼力学性能试验方法标准》规定，将砼拌合物制成边长为150mm的立方体试件，在标准条件（温度20℃±2℃，相对湿度95％以上）下，养护到28d龄期，测得的抗压强度值为砼立方体试件抗压强度（简称立方体抗压强度），以fcu表示 §影响砼强度测定值测定值的因素§①试件尺寸§砼采用标准试件在标准条件下测定抗压强度，是为了使数据具有可比性 抗压强度换算系数 试件边长（mm）抗压强度换算系数1000.951501.002001.05 §原因：§a、环箍效应：在压力作用下，钢压板与砼试件都要产生横向变形，但是钢压板的横向变形小于砼的横向变形，造成上下压板与砼试件接触的表面之间产生摩阻力，它对砼试件的横向膨胀起着约束作用，从而对其强度起到提高作用砼试件尺寸越大，环箍效应的相对作用越小，测得的强度值偏低。
Flash2）§消除环箍效应的方法： §b、砼试件中存在的微裂缝和孔隙等缺陷，将减少砼试件的受力面积以及引起应力集中，导致砼强度降低，显然，大尺寸砼试件中存在缺陷的几率较大，因此其所测得的强度要比较小尺寸的低 §②加荷速度§加荷速度越快，强度测定值越大§原因：砼内部裂缝来不及扩展 §2）砼强度等级§砼强度等级是按立方体抗压强度标准值确定的标准值是指按照标准方法制作养护的边长150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的强度总体分布中具有不低于不低于95％保证率％保证率的抗压强度值，以 表示§普通砼：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共12个等级§结构砼： C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、 C50 、C55、C60、C65、 C70、C75、C80共14个等级§砼强度等级是结构设计时强度计算取值的依据，同时也是砼施工中控制工程质量和验收时的重要依据 §①C7.5～C15：可用于垫层、基础、地坪及受力不大的素砼结构； §②C15～C30：可用于普通砼结构的梁、板、柱、楼梯及屋架等钢筋砼结构； §③C30以上：可用于大跨度及耐久性要求较高的结构，还可用于预应力钢筋砼结构、吊车梁及特种结构。
§C40～C45：用于25～30层；§C50～C60：用于30层至60层以上高层建筑；§C60～C80：用于高层建筑，采用高性能砼 §3）轴心抗压强度§砼立方体抗压强度只是评定强度等级的一个标志，不能作为结构设计的依据为了符合工程实际，在结构设计中砼受压构件的计算采用砼轴心抗压强度以fcp表示 §标准试件：150mm×150mm×300mm棱柱体§试验表明，轴心抗压强度fcp比同截面的立方体强度值fcu小，棱柱体试件高宽比越大，轴心抗压强度越小，但当高宽比达到一定值后，强度就不再降低但是过高的试件在破坏前由于失稳产生较大的附加偏心，又会降低其抗压的试验强度值§试验表明：在立方抗压强度fcu=10～55MPa的范围内，轴心抗压强度fcp与fcu之比约为0.70～0.80 §3、抗拉强度§砼是一种典型的脆性材料，即抗压强度高，抗拉强度低，且脆性随砼强度等级的提高而增大一般砼的抗拉强度仅为其抗压强度的1/10～1/20，砼强度等级越高，该比值有所降低§抗拉强度主要对砼的开裂现象有重要意义 §试验方法：§①直接拉伸法§目前混凝土抗拉强度很难采用直接拉伸的方法进行测定，主要是很难对中，同时夹具附近混凝土会产生破坏 。
PPft = P/A §②劈拉法§劈裂抗拉强度（劈拉强度）§标准试件：150×150×150§非标准试件：100×100×100，修正系数为0.85 §4、抗折强度（弯曲抗拉强度）§《公路水泥砼路面设计规范》（JTJ 012-94）规定：砼的设计强度以龄期为28天的弯拉强度为标准§各交通等级砼路面要求的砼设计弯拉强度不得低于下表规定砼设计弯拉强度交通等级特重重中等轻抗折强度fcf(MPa)5.04.54.54.0 §砼抗折强度试验试件为：150mm×150mm×550mm直角棱柱体小梁，采用三分点加荷§如图所示§当采用100mm×100mm×400mm非标准试件时，换算系数为0.85 §5、影响砼强度的因素 §（1）水灰比和水泥强度等级§砼的强度主要取决于水泥石的强度水泥石的强度及其与骨骨料接触面的粘结强度料接触面的粘结强度而水泥石的强度及其与骨料的粘结强度主要取决于水泥标号、水灰比以及骨料的表面质地 §水泥标号越高，所配制的砼强度越高 §水灰比越小，水泥石强度越高，与骨料的粘结力越大，砼强度越高§若水灰比过小，拌合物过于干硬，在一定的捣实成型条件下，无法保证灌注质量，砼中将会出现较多的蜂窝、孔洞，强度也将下降。
如图所示 §此外，骨料表面粗糙（如碎石），则其与水泥的粘结力较高，砼强度较高，反之亦然所以相同配合比下碎石配制的砼强度高于卵石配制的砼 §鲍罗米公式：§鲍罗米只适用于流动性及低流动性砼，不适用于干硬性砼§系数A、B可通过试验求得，一般可采用规范的规定：§碎石：A＝0.46，B＝0.07，卵石：A＝0.48，B＝0.33 §（2）养护的温度和湿度§养护：保持环境的温度与湿度，使砼强度不断提高的措施称为养护 §①温度§a、温度升高，有助于砼早期强度的提高，但对后期强度会造成不利影响；§b、在低温下砼强度发展迟缓当温度降至冰点以下时，则由于砼中水分大部分结冰，不但水泥停止水化，砼强度停止发展，而且由于砼孔隙中的水结冰产生体积膨胀，从而使硬化中的砼结构遭受破坏，导致砼已获得的强度受到损失 §②湿度§a、湿度适当，水泥水化反应顺利进行，使砼强度得到充分发展，因为水是水泥水化反应的必要成份§b、湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，严重降低砼强度，而且使砼结构疏松，形成干缩裂缝，增大了渗水性，从而影响砼的耐久性§施工规范规定：在砼浇筑完毕后，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发过快在夏季施工砼进行自然养护时，使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥时，浇水保湿应不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求时，应不少于14d。
§砼强度与保持潮湿日期的关系如图所示 §（3）龄期§龄期：指混凝土在正常养护条件下所经历的时间§在正常养护的条件下，混凝土的强度将随龄期的增长而不断发展，最初7～14天内强度发展较快，以后逐渐变缓，28天达到设计强度28天后强度仍在发展，其增长过程可延续数十年之久 §在标准养护条件下，混凝土强度的发展，大致与其龄期的常用对数成正比关系§例：某混凝土养护7d后，测得其150mm立方体抗压强度为15MPa，试推定其28d强度 作业§ 4.11、4.12、4.14 、4.22 自自密密实实砼砼 泵送砼Pumping Concrete 返回返回 粘聚性与保水性骨骨料料水水可可见见泌泌水水内内泌泌水水 坍落度 蜂窝蜂窝 结构种类坍落度/mm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 10～30板、梁和大型及中型截面的柱子等30～50 配筋密列的结构（薄壁、斗仓、筒仓、细柱等）50～70 配筋特密的结构70～90 本表是采用机械振捣砼时的坍落度，当采用人工捣实砼时坍落度可适当增大 坍落度选择范围坍落度选择范围 贯入阻力仪 砼用水量（kg/m3)拌合物稠度卵石最大粒径（mm）碎石最大粒径（mm）项目指标102031.540162031.540坍落度（mm）10～3019017016015020018517516530～5020018017016021019518517550～7021019018017022020519518570～90215195185175230215205195 §I阶段：荷载达到“比例极限”（约为极限荷载的30％）以前，界面裂缝无明显变化，荷载与变形近似呈线性（OA段）；砼受压破坏过程砼受压破坏过程 §II阶段：荷载超过比例极限后，界面裂缝的数量、长度及宽度不断增长，界面借摩阻力继续分担荷载，而砂浆内部尚未出现明显的裂缝，此时荷载与变形呈非线性（AB段）；砼受压破坏过程砼受压破坏过程 §III阶段：荷载超过“临界荷载”（约为极限荷载的70～90％）以后，界面裂缝继续发展，砂浆中开始出现裂缝，部分界面裂缝连接形成连续裂缝，变形速度进一步加快，曲线明显弯向变形轴方向（BC段）；砼受压破坏过程砼受压破坏过程 §IV阶段：荷载超过极限荷载以后，连续裂缝急速发展，砼承载能力下降，荷载减小而变形迅速增大，以致完全破坏，曲线下弯而终止（CD段）。
砼受压破坏过程砼受压破坏过程 裂缝扩展的裂缝扩展的路径和方向路径和方向骨料骨料水泥石水泥石骨料骨料周围周围的过的过渡区渡区返回 压力机压压力机压板对试件板对试件的约束的约束压板压板环箍效应 环箍效应 试件破坏后形态 试件破坏后形态试件破坏前形态 §a、在试件与上下压板接触的表面涂润滑油；§b、采用棱柱体试件因为环箍效应随离试件端部越远而变小，当采用棱柱体试件时，在试件的中间区段已无环箍效应，形成了纯压状态因此，棱柱体抗压强度较同截面立方体抗压强度要小棱柱体立方体 砼的脆性 返回 水灰比抗压强度充分密实手工捣实振动砼强度与水灰比的关系 砼强度与保湿时间的关系图 。