1A414013混凝土的性能和应用
普通混凝土（以下简称混凝土）一般是由水泥、砂、石和水组成。为改善混凝土的某些性能，还常加入适量的外加剂和掺合料。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料或集料；水泥与水形成水泥浆，包裹在骨料的表面并填充其空隙。在混凝土硬化前，水泥浆、外加剂与掺合料起润滑作用，赋予拌合物一定的流动性，便于施工操作。水泥浆硬化后，则将砂、石骨料胶结成一个结实的整体。砂、石一般不参与水泥与水的化学反应，其主要作用是节约水泥、承担荷载和限制硬化水泥的收缩。外加剂、掺合料除了起改善混凝土性能的作用外，还有节约水泥的作用。
一、混凝土组成材料的技术要求
(一)水泥
配制普通混凝土的水泥，可采用六大常用水泥，必要时也可采用快硬硅酸盐水泥或其他品种水泥。水泥品种的选用应根据混凝土工程特点、所处环境条件及设计施工的要求进行。
水泥强度等级的选择，应与混凝土的设计强度等级相适应。一般以水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5~2.0倍为宜，对于高强度等级混凝土可取0.9~1.5倍。用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土时，会使水泥用量过大、不经济，而且还会影响混凝土的其他技术性质。用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度，导致该混凝土耐久性差，故必须这么做时应掺入一定数量的混合材料。
(二)细骨料
粒径在4.75mm以下的骨料称为细骨料，在普通混凝土中指的是砂。砂可分为天然砂、机制砂和混合砂三类。天然砂包括河砂、湖砂、山砂和净化海砂。机制砂是卵石、岩石、矿山废石和尾矿经除土处理，由机械破碎、整形、筛分、粉控等工艺制成的，级配、粒型和石粉含量满足要求且粒径小于4.75mm的颗粒。混合砂指由天然砂和机制砂按一定比例混合而成的砂。因河砂资源日趋紧张，机制砂和河砂一样在配制混凝土时常用。混凝土用细骨料的技术要求有以下几方面：
1.颗粒级配及粗细程度
砂的颗粒级配是指砂中大小不同的颗粒相互搭配的比例情况，大小颗粒搭配得好时砂粒之间的空隙最少。砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后总体的粗细程度，通常有粗砂、中砂、细砂、特细砂之分。在相同质量条件下，细砂的总表面积较大，而粗砂的总表面积较小。在混凝土中，砂子的表面需要由水泥浆包裹，砂粒之间的空隙需要由水泥浆填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，应尽量减少砂的总表面积和砂粒间的空隙，即选用级配良好的粗砂或中砂比较好。
砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。根据0.63mm筛孔的累计筛余量，将砂分成I、、Ⅲ三个级配区。用所处的级配区来表示砂的颗粒级配状况，用细度模数表示砂的粗细程度。细度模数越大，表示砂越粗，按细度模数砂可分为粗砂、中砂、细砂、特细砂四级。
在选择混凝土用砂时，砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑。配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂。当采用I区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性要求；当采用区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度。对于泵送混凝土，宜选用中砂，且砂中小于0.315mm的颗粒应不少于15%。
2.有害杂质和碱活性
混凝土用砂要求洁净、有害杂质少。砂中所含有的泥块、石粉、有害杂质（云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯化物、贝壳)，都会对混凝土的性能产生不利的影响，需要控制其含量不超过有关规范的规定。重要工程混凝土所使用的砂，还应进行碱活性检验，以确定其适用性。
3.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。砂的坚固性用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其质量损失应符合有关标准的规定。
(三)粗骨料
粒径大于4.75mm的岩石颗粒称为粗骨料。普通混凝土常用的粗骨料分为碎石和卵石，类别分为I类、类、Ⅲ类。由天然岩石、卵石或矿山废石经破碎、筛分等机械加工而成的粗骨料，称为碎石。岩石由于自然条件作用而形成的粗骨料，称为卵石。混凝土用粗骨料的技术要求有以下几方面：
1.颗粒级配及最大粒径
普通混凝土用碎石或卵石的颗粒级配情况有连续粒级和单粒粒级两种。其中，单粒粒级的骨料一般用于组合成具有要求级配的连续粒级，它也可与连续粒级的碎石或卵石混合使用，以改善其级配。如资源受限必须使用单粒粒级骨料时，则应采取措施避免混凝土发生离析。
粗骨料中公称粒级的上限称为最大粒径。当骨料粒径增大时，其比表面积减小，混凝土的水泥用量也减少，故在满足技术要求的前提下，粗骨料的最大粒径应尽量选大一些。在钢筋混凝土结构工程中，粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋间最小净距的3/4。对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1/3板厚的骨料，但最大粒径不得超过40mm。对于采用泵送的混凝土，碎石的最大粒径应不大于输送管径的1/3，卵石的最大粒径应不大于输送管径的1/2.5。
2.强度和坚固性
碎石或卵石的强度可用岩石抗压强度和压碎指标两种方法表示。当混凝土强度等级为C60及以上时，应进行岩石抗压强度检验。用于制作粗骨料的岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5。对经常性的生产质量控制则可用压碎指标值来检验。
有抗冻要求的混凝土所用粗骨料，要求测定其坚固性，即用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其质量损失应符合有关标准的规定。
3.有害杂质和针、片状颗粒
粗骨料中所含的泥块、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机物等是有害物质，其含量应符合有关标准的规定。另外，粗骨料中严禁混入煅烧过的白云石或石灰石块。
重要工程混凝土所使用的碎石或卵石，还应进行碱活性检验，以确定其适用性。
卵石、碎石颗粒的最大一维尺寸大于该颗粒所属粒级的平均粒径2.4倍者为针状颗粒；最小一维尺寸小于该颗粒所属粒级的平均粒径0.4倍者为片状颗粒。粗骨料中针、片状颗粒过多，会使混凝土的和易性变差，强度降低，故粗骨料中的针、片状颗粒含量应符合有关标准的规定。
(四)水
混凝土拌合及养护用水的水质应符合《混凝土用水标准》JGJ63—2006的有关规定。对于设计使用年限为100年的结构混凝土，氯离子含量不得超过500mg/L;对使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量不得超过350mg/L。地表水、地下水、再生水的放射性应符合现行国家标准《生活饮用水卫生标准》GB5749—2006的规定。
混凝土拌合用水的水质检验项目包括pH值、不溶物、可溶物、、、碱含量(采用碱活性骨料时检验)。被检验水样还应与饮用水样进行水泥凝结时间和水泥胶砂强度对比试验。此外，混凝土拌合用水不应漂浮明显的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味；混凝土企业设备洗刷水不宜用于预应力混凝土、装饰混凝土、加气混凝土和暴露于腐蚀环境的混凝土，不得用于使用碱活性或潜在碱活性骨料的混凝土。未经处理的海水严禁用于钢筋混凝土和预应力混凝土。在无法获得水源的情况下，海水可用于素混凝土，但不宜用于装饰混凝土。
混凝土养护用水的水质检验项目包括pH值、、、碱含量（采用碱活性骨料时检验)，可不检验不溶物和可溶物、水泥凝结时间和水泥胶砂强度。
(五)外加剂
外加剂是在混凝土拌合前或拌合时掺入，掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外)，并能按要求改善混凝土性能的物质。各种混凝土外加剂的应用改善了新拌合硬化混凝土的性能，促进了混凝土新技术的发展，促进了工业副产品在胶凝材料系统中更多的应用，还有助于节约资源和环境保护，已经逐步成为优质混凝土必不可少的材料。
混凝土外加剂的质量应符合现行的《混凝土外加剂》GB8076-2008、《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119—2013、《混凝土外加剂中释放氨的限量》GB18588—2001的有关规定。各类具有室内使用功能的混凝土外加剂中释放的氨量必须不大于0.10%（质量分数)。
根据《混凝土外加剂》GB8076—2008，混凝土外加剂的技术要求包括受检混凝土性能指标和匀质性指标。受检混凝土性能指标具体包括减水率、泌水率比、含气量、凝结时间之差、1h经时变化量这些推荐性指标和抗压强度比、收缩率比、相对耐久性(200次)这些强制性指标。匀质性指标具体包括氯离子含量、总碱量、含固量、含水率、密度、细度、pH值和硫酸钠含量。
混凝土膨胀剂的技术要求包括化学成分和物理性能。其中，化学成分包括氧化镁和碱含量两项指标，氧化镁含量应不大于5%，碱含量属选择性指标；物理性能指标包括细度、凝结时间、限制膨胀率和抗压强度，限制膨胀率为强制性指标。
(六)矿物掺合料
为改善混凝土性能、节约水泥、调节混凝土强度等级，在混凝土拌合时加入的天然的或人工的矿物材料，称为矿物掺合料。混凝土掺合料分为活性矿物掺合料和非活性矿物掺合料。非活性矿物掺合料基本不与水泥组分起反应，如磨细石英砂、石灰石、硬矿渣等材料。活性矿物掺合料如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉等本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的起反应，生成具有胶凝能力的水化产物。
粉煤灰来源广泛，是当前用量最大、使用范围最广的矿物掺合料。根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596—2017,拌制混凝土和砂浆用粉煤灰的技术要求包括细度、需水量比、烧失量、含水量、三氧化硫、游离氧化钙、安定性、放射性、碱含量和均匀性。按细度、需水量比和烧失量，拌制混凝土和砂浆用粉煤灰可分为I、、Ⅲ三个等级，其中I级品质最好。
重要的混凝土工程及大体积工程常常掺入较多的矿物掺合料，这时应根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011进行混凝土配合比设计。
二、混凝土的技术性能
混凝土在未凝结硬化前，称为混凝土拌合物（或称新拌混凝土）。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；混凝土拌合物凝结硬化后，应具有足够的强度，以保证建筑物能安全地承受设计荷载，并应具有必要的耐久性。
(一)混凝土拌合物的和易性
和易性是指混凝土拌合物易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能，又称工作性。和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、黏聚性和保水性三方面的含义。流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能；黏聚性是指在混凝土拌合物的组成材料之间有一定的黏聚力，在施工过程中不致发生分层和离析现象的性能；保水性是指混凝土拌合物具有一定的保水能力，在施工过程中不致产生严重泌水现象的性能。
工地上常用坍落度试验来测定混凝土拌合物的坍落度或坍落扩展度，作为流动性指标，坍落度或坍落扩展度越大表示流动性越大。对坍落度值小于10mm的干硬性混凝土拌合物，则用维勃稠度(s)作为流动性指标，稠度值越大表示流动性越小。混凝土拌合物的黏聚性和保水性主要通过目测结合经验进行评定。
影响混凝土拌合物和易性的主要因素包括单位体积用水量、砂率、组成材料的性质、时间和温度等。单位体积用水量决定水泥浆的数量和稠度，它是影响混凝土和易性的最主要因素。砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。组成材料的性质包括水泥的需水量和泌水性、骨料的特性、外加剂和掺合料的特性等几方面。
(二)混凝土的强度
1.混凝土立方体抗压强度
按国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019,制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件（温度，相对湿度95%以上）下，养护到28d龄期，测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度，以表示，单位为或MPa。
2.混凝土立方体抗压标准强度与强度等级
混凝土立方体抗压标准强度（或称立方体抗压强度标准值）是指按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的抗压强度总体分布中具有不低于95%保证率的抗压强度值，以表示。
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，采用符号C与立方体抗压强度标准值（单位为MPa）表示。普通混凝土划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80共14个等级，C30即表示混凝土立方体抗压强度标准值。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。
3.混凝土的轴心抗压强度
轴心抗压强度的测定采用棱柱体作为标准试件。试验表明，在立方体抗压强度的范围内，轴心抗压强度。
结构设计中混凝土受压构件的计算采用混凝土的轴心抗压强度，更加符合工程实际。
4.混凝土的抗拉强度
混凝土抗拉强度只有抗压强度的，且随着混凝土强度等级的提高，比值有所降低。在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标，有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度等。我国采用立方体的劈裂抗拉试验来测定混凝土的劈裂抗拉强度,并可换算得到混凝土的轴心抗拉强度f。
5.影响混凝土强度的因素
影响混凝土强度的因素主要有原材料及生产工艺方面的因素。原材料方面的因素包括水泥强度与水胶比，骨料的种类、质量和数量，外加剂和掺合料；生产工艺方面的因素包括搅拌与振捣，养护的温度和湿度，龄期。
(三)混凝土的变形性能
混凝土的变形主要分为两大类：非荷载型变形和荷载型变形。非荷载型变形指物理化学因素引起的变形，包括化学收缩、碳化收缩、干湿变形、温度变形等。荷载作用下的变形又可分为在短期荷载作用下的变形和长期荷载作用下的徐变。
(四)混凝土的耐久性
混凝土的耐久性是指混凝土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。它是一个综合性概念，包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱骨料反应及混凝土中的钢筋锈蚀等性能，这些性能均决定着混凝土经久耐用的程度，故称为耐久性。
(1)抗渗性。混凝土的抗渗性直接影响到混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土的抗渗性用抗渗等级表示，分P4、P6、P8、P10、P12和>P12共六个等级。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。
(2)抗冻性。混凝土的抗冻性用抗冻等级表示，分F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、共九个等级。 抗冻等级F50以上的混凝土简称抗冻混凝土。
(3)抗侵蚀性。当混凝土所处环境中含有侵蚀性介质时，要求混凝土具有抗侵蚀能力。侵蚀性介质包括软水、硫酸盐、镁盐、碳酸盐、一般酸、强碱、海水等。
(4)混凝土的碳化（中性化）。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，生成碳酸钙和水。碳化使混凝土的碱度降低，削弱混凝土对钢筋的保护作用，可能导致钢筋锈蚀；碳化显著增加混凝土的收缩，使混凝土抗压强度增大，但可能产生细微裂缝，而使混凝土抗拉、抗折强度降低。
(5)碱骨料反应。碱骨料反应是指水泥中的碱性氧化物含量较高时，会与骨料中所含的活性二氧化硅发生化学反应，并在骨料表面生成碱一硅酸凝胶，吸水后会产生较大的体积膨胀，导致混凝土胀裂的现象。
三、混凝土外加剂的功能、种类与应用
(一)外加剂的功能
混凝土外加剂的主要功能包括：(1)改善混凝土或砂浆拌合物施工时的和易性；(2)提高混凝土或砂浆的强度及其他物理力学性能；(3)节约水泥或代替特种水泥；(4)加速混凝土或砂浆的早期强度发展；(5)调节混凝土或砂浆的凝结硬化速度；(6)调节混凝土或砂浆的含气量；(7)降低水泥初期水化热或延缓水化放热；(8)改善拌合物的泌水性；(9)提高混凝土或砂浆耐各种侵蚀性盐类的耐腐蚀性；(10)减弱碱一骨料反应；(11)改善混凝土或砂浆的毛细孔结构；(12)改善混凝土的泵送性；(13)提高钢筋的抗锈蚀能力；(14)提高骨料与砂浆界面的粘结力，提高钢筋与混凝土的握裹力；(15)提高新老混凝土界面的粘结力等。
(二)外加剂的分类
混凝土外加剂包括高性能减水剂（早强型、标准型、缓凝型）、高效减水剂（标准型、缓凝型)、普通减水剂（早强型、标准型、缓凝型）、引气减水剂、泵送剂、早强剂、缓凝剂、引气剂、防冻剂、膨胀剂、防水剂及速凝剂等多种，可谓种类繁多，功能多样。我们可按其主要使用功能分为以下四类：
(1)改善混凝土拌合物流动性的外加剂。包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。
(2)调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。
(3)改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。
(4)改善混凝土其他性能的外加剂。包括膨胀剂、防冻剂、着色剂等。
(三)外加剂的适用范围
目前，建筑工程中应用较多和较成熟的外加剂有减水剂、早强剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂、防冻剂、泵送剂、防水剂等。
(1)混凝土中掺入减水剂，若不减少拌合用水量，能显著提高拌合物的流动性；当减水而不减少水泥时，可提高混凝土强度；若减水的同时适当减少水泥用量，则可节约水泥。同时，混凝土的耐久性也能得到显著改善。
(2)早强剂可加速混凝土硬化和早期强度发展，缩短养护周期，加快施工进度，提高模板周转率，多用于冬期施工或紧急抢修工程。
(3)缓凝剂主要用于高温季节混凝土、大体积混凝土、泵送与滑模方法施工以及远距离运输的商品混凝土等，不宜用于日最低气温5℃以下施工的混凝土，也不宜用于有早强要求的混凝土和蒸汽养护的混凝土。缓凝剂的水泥品种适应性十分明显，不同品种水泥的缓凝效果不相同，甚至会出现相反的效果。因此，使用前必须进行试验，检测其缓凝效果。
(4)引气剂是在搅拌混凝土过程中能引人大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂可改善混凝土拌合物的和易性，减少泌水离析，并能提高混凝土的抗渗性和抗冻性。同时，含气量的增加，混凝土弹性模量降低，对提高混凝土的抗裂性有利。由于大量微气泡的存在，混凝土的抗压强度会有所降低。引气剂适用于抗冻、防渗、抗硫酸盐、泌水严重的混凝土等。
(5)膨胀剂能使混凝土在硬化过程中产生微量体积膨胀。膨胀剂主要有硫铝酸钙类、氧化钙类、金属类等。膨胀剂适用于补偿收缩混凝土、填充用膨胀混凝土、灌浆用膨胀砂浆、自应力混凝土等。含硫铝酸钙类、硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂的混凝土（砂浆）不得用于长期环境温度为80℃以上的工程；含氧化钙类膨胀剂配制的混凝土（砂浆）不得用于海水或有侵蚀性水的工程。
(6)防冻剂在规定的温度下，能显著降低混凝土的冰点，使混凝土液相不冻结或仅部分冻结，从而保证水泥的水化作用，并在一定时间内获得预期强度。含亚硝酸盐、碳酸盐的防冻剂严禁用于预应力混凝土结构；含有六价铬盐、亚硝酸盐等有害成分的防冻剂，严禁用于饮水工程及与食品相接触的工程；含有硝铵、尿素等产生刺激性气味的防冻剂，严禁用于办公、居住等建筑工程。
(7)泵送剂是用于改善混凝土泵送性能的外加剂。它由减水剂、调凝剂、引气剂、润滑剂等多种组分复合而成。泵送剂适用于工业与民用建筑及其他构筑物的泵送施工的混凝土，特别适用于大体积混凝土、高层建筑和超高层建筑，适用于滑模施工等，也适用于水下灌注桩混凝土。
(四)应用外加剂的主要注意事项
外加剂的使用效果受到多种因素的影响，因此，选用外加剂时应特别予以注意。
(1)外加剂的品种应根据工程设计和施工要求选择。应使用工程原材料，通过试验及技术经济比较后确定。所选用的外加剂应有供货单位提供的下列技术文件：①产品说明书，并应标明产品主要成分；②出厂检验报告及合格证；③掺外加剂混凝土性能检验报告。
(2)几种外加剂复合使用时，应注意不同品种外加剂之间的相容性及对混凝土性能的影响。使用前应进行试验，满足要求后，方可使用。如：聚羧酸系高性能减水剂与萘系减水剂不宜复合使用。
(3)严禁使用对人体产生危害，对环境产生污染的外加剂。用户应注意工厂提供的混凝土外加剂安全防护措施的有关资料，并遵照执行。
(4)对钢筋混凝土和有耐久性要求的混凝土，应按有关标准规定严格控制混凝土中氯离子含量和碱的数量。混凝土中氯离子含量和总碱量是指其各种原材料所含氯离子和碱含量之和。
(5)由于聚羧酸系高性能减水剂的掺加量对混凝土性能影响较大，用户应注意按照有关规定准确计量。
