混凝土在未凝结硬化以前，称为混凝土拌和物，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灌质量。混凝土拌和物凝结硬化以后，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。

5.3.1　混凝土拌和物的和易性

1.和易性的概念

和易性是指混凝土拌和物易于施工操作（拌和、运输、浇灌、捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能。和易性是一项综合的技术性质，它包括流动性、黏聚性和保水性等3方面的含义。

（1）流动性（稠度）。流动性是指混凝土拌和物在本身自重或施工机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。流动性的大小取决于混凝土拌和物中用水量或水泥浆含量的多少。其大小直接影响施工时振捣难易和成型的质量。

（2）黏聚性。黏聚性是指混凝土拌和物在施工过程中其组成材料之间有一定的黏聚力，不致产生分层和离析的性能。黏聚性的好坏主要取决于细骨料的用量以及水泥浆的稠度等。它反映了混凝土拌和物保持整体均匀性的能力。

（3）保水性。保水性是指混凝土拌和物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重泌水的性能。保水性差的混凝土拌和物，由于水分泌出来会形成容易透水的孔隙，从而降低混凝土的密实性。混凝土拌和物的流动性、黏聚性、保水性三者之间互相关联又互相矛盾。如黏聚性好则保水性往往也好，但当流动性增大时，黏聚性和保水性往往变差。因此，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得到统一，达到均为良好的状况。

2.和易性测定

目前，尚没有能够全面反映混凝土拌和物和易性的测定方法。在工地和试验室，通常是测定拌和物的流动性，并辅以直观经验评定黏聚性和保水性。对塑性和流动性混凝土拌和物，用坍落度测定法，对干硬性混凝土拌和物，用维勃稠度测定法。

（1）坍落筒法。

坍落度测定方法是将被测混凝土拌和物装入高为300mm的标准圆锥筒中，逐层插捣并装满刮平后，垂直提起圆锥筒，混凝土拌和物由于自重将会向下坍落。量测坍落的高度（以mm为单位且精确至5mm），即为坍落度，以T表示。坍落度越大，则混凝土拌和物的流动性越大。如图5.6所示。

图5.6　坍落度测定方法示意（单位：mm）

黏聚性的检查方法是用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打。若锥体逐渐下沉，则表示黏聚性良好；如果锥体倒塌、部分崩裂或出现离析现象，则表示黏聚性不好。

保水性以混凝土拌和物中稀浆析出的程度来评定，坍落筒提起后如有较多的稀浆从底部析出，锥体部分的混凝土也因失浆而骨料外露，则表明此混凝土拌和物的保水性不好。反之，则表示保水性好。

国家标准GB／T50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》规定，当混凝土拌和物坍落度大于220mm时应用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，当这两个直径之差小于50mm时，用其算术平均值作为坍落度扩展值；否则，此次试验无效。坍落度法适用于骨料最大粒径不大于40mm，坍落度值不小于10mm的混凝土拌和物。

根据坍落度的不同，可将混凝土拌和物分为：大流动性混凝土（T＞160mm）；流动性混凝土（T＝100～150mm）；塑性混凝土（T＝50～90mm）、低塑性混凝土（T＝10～40mm）及干硬性混凝土（T＜10mm）。

（2）维勃稠度法（VB法）。对于干硬或较干稠的混凝土拌和物（坍落度小于10mm），坍落度试验测不出拌和物稠度变化情况，宜用维勃稠度仪测定其稠度。维勃稠度测试的方法是：在维勃稠度仪上的坍落度筒中按规定方法装满拌和物，垂直提起坍落度筒，在拌和物试体顶面放一透明圆盘，开启振动台，同时用秒表计时，在透明圆盘的底面完全为水泥浆所布满的瞬间，停止秒表，关闭振动台。此时可认为混凝土拌和物已密实。读出秒表的秒数，称为维勃稠度。该法适用于粗骨料最大粒径不超过40mm，维勃稠度值在5～30s之间的混凝土拌和物的稠度测定。混凝土按维勃稠度值大小可分为4级：超干硬性（V≥31s）；特干硬性（V＝30～21s）；干硬性（V＝20～11s）；半干硬性（V＝10～5s）。

表5.12　水工混凝土在浇筑地点的坍落度（使用振捣器）（SL／T191—1996）

3.流动性（坍落度）的选择

混凝土拌和物的坍落度，主要依据构件截面大小，钢筋疏密和捣实方法来确定。当截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些。反之，如构件截面尺寸较大，钢筋较疏，或采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。在SL／T191—1996《水工混凝土结构设计规范》规定，坍落度的选择如表5.12所示。在GB50204—1992《混凝土结构工程施工及验收规范》中，混凝土浇筑时的坍落度如表5.13所示，可供参考。

表5.13　混凝土浇筑时的坍落度（GB50204—1992）

注　1.本表系采用机械振捣混凝土时的坍落度，采用人工捣实其值可适当增大。
2.需配制泵送混凝土时，应掺外加剂，坍落度宜为120～180mm。
3.有温控要求或低温季节浇筑混凝土时，混凝土的坍落度可根据具体情况酌量增减。
4.当需要配制大坍落度的混凝土拌和物时，则要掺用外加剂（减水剂）。

4.影响和易性的因素

（1）水泥浆的数量。在混凝土拌和物中，水泥浆包裹骨料表面，填充骨料空隙，使骨料润滑，提高拌和物的流动性；在水灰比不变的情况下，单位体积拌和物内，随水泥浆的增多，拌和物的流动性增大。若水泥浆过多，超过骨料表面的包裹限度，就会出现流浆现象，这既浪费水泥又降低混凝土的性能；如水泥浆过少，达不到包裹骨料表面和填充空隙的目的，使黏聚性变差，流动性低，不仅产生崩塌现象，还会使混凝土的强度和耐久性降低。拌和物中水泥浆的数量以满足流动性要求为宜。

（2）水泥浆的稠度。水泥浆的稀稠，取决于水灰比的大小。水灰比小，水泥浆稠，拌和物流动性小，混凝土拌和物难以保证密实成型。若水灰比过大，又会造成混凝土拌和物的黏聚性和保水性不良，而产生流浆、离析现象。水灰比的大小由混凝土的强度和耐久性确定。

水泥浆的数量和稠度取决于用水量。当用水量一定时，水泥用量在一定范围内变化（50～100kg／m3）时，基本上不影响混凝土拌和物的流动性，即流动性基本上保持不变。由此可知，用水量与混凝土拌和物流动性之间成正比例关系。

（3）砂率。砂率是指混凝土中砂的用量占砂、石总用量的百分率。按式（5.3）计算：

式中　βs——砂率，%；

ms0、mg0——每立方米混凝土的细、粗骨料用量，kg。

在混凝土拌和物中，砂是用来填充石子的空隙的。在水泥浆一定的条件下，若砂率过大，则骨料的总表面积及空隙率增大，混凝土混合物就显得干稠，流动性小。如要保持一定的流动性，则要多加水泥浆，耗费水泥。若砂率过小，砂浆量不足，不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起润滑和填充作用，也会降低混合物的流动性，同时会使黏聚性、保水性变差，使混凝土混合物显得粗涩，拌和物的流动性随之减少，粗骨料离析，水泥浆流失，甚至出现溃散现象。砂率对坍落度的影响如图5.7所示。

图5.7　砂率与坍落度及水泥用量的关系曲线

（a）砂率与坍落度的关系曲线；（b）砂率与水泥用量的关系曲线

因此，砂率既不能过大，也不能过小，应通过试验找出最优（合理）砂率。即在水泥用量和水灰比不变的条件下，拌和物的黏聚性、保水性符合要求，同时流动性最大的砂率。同理，在水灰比和坍落度不变的条件下，水泥用量最小的砂率也是最优砂率。为了节约水泥，在工程中常采用最优砂率。

（4）其他影响因素。水泥品种，骨料种类、细度、粒形、表面特征、级配，外加剂等，都对混凝土拌和物的和易性有一定影响。水泥的标准调度用水量大，则拌和物的流动性小。骨料的颗粒较大，形状圆整，表面光滑及级配较好时，则拌和物的流动性较大。此外，在混凝土拌和物中加入外加剂时（如减水剂），能显著地改善和易性。

混凝土拌和物的和易性还与时间，温度有关。拌和物拌制后，随时间延长，流动性减小；温度越高，水分丢失越快，坍落度损失越大。

5.3.2　混凝土的强度

混凝土的强度是其最重要的力学性质，它包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度等，其中抗压强度最高，抗拉强度最低，故混凝土主要用来承受压应力。

1.混凝土的强度与强度等级

（1）抗压强度标准和强度等级。

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±2）℃，相对湿度95%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，称为混凝土立方体抗压强度（以fcu表示，以MPa为单位）。

测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以按粗骨料最大粒径的尺寸而选用不同的试件尺寸。但在计算其抗压强度时，应乘以换算系数，以得到相当于标准试件的试验结果。（对于边长为100mm的立方体试件，换算系数为0.95；边长为200mm的立方体试件，换算系数为1.05）。

2）立方体试件抗压强度标准值（fcu，k）。立方体抗压强度（fcu）只是一组混凝土试件抗压强度的算术平均值，并未涉及数理统计和保证率的概念。而立方体抗压强度标准值（fcu，k）是按数理统计方法确定，具有不低于95%保证率的立方体抗压强度（以fcu，k表示，以MPa为单位）。

3）强度等级。混凝土的强度等级是根据“立方体抗压强度标准值”来确定的。我国现行GB／T50081—2002规定，普通混凝土按立方体抗压强度标准值划分为：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等16个强度等级。例如，强度等级为C25的混凝土，是指25MPa≤fcu，k＜30MPa的混凝土。钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构的混凝土强度等级分别不小于C15和C30。

（2）轴心抗压强度（fcp）。确定混凝土强度等级是采用立方体试件，但实际工程中混凝土结构形式极少是立方体型，大多是棱柱体型（正方形截面）或圆柱体型。因此在混凝土结构（如桥墩、柱子、衍架的腹杆等轴心受压构件）设计时，都是采用混凝土轴心抗压强度作为设计依据。我国现行标准GB／T50081—2002规定，测定轴心抗压强度采用150mm×150mm×300mm棱柱体作为标准试件。试验证明，棱柱体强度与立方体强度的比值为0.7～0.8。

（3）劈裂抗拉强度（fts）。混凝土在直接受拉时，很小的变形就会开裂，它在断裂前没有残余变形，是一种脆性破坏。混凝土的抗拉强度一般为抗压强度的1／20～1／10。我国现行标准规定，采用标准试件150mm立方体，按规定的劈裂抗拉试验装置测得的强度为劈裂抗拉强度，简称劈裂抗拉强度fts。

混凝土劈裂抗拉强度应按式（5.4）计算：

式中　fts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；

F——破坏荷载，N；

A——试件劈裂面面积，mm2。

（4）混凝土抗弯强度（fcf）。道路路面或机场跑道用混凝土，是以抗弯强度（或称抗折强度）为主要设计指标。水泥混凝土的抗弯强度试验是以标准方法制备成150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下养护28d后，按三分点加荷，测定其抗弯强度（fcf），按式（5.5）计算：

式中　fcf——混凝土抗弯强度，MPa；

F——破坏荷载，N；

L——支座间距，mm；

b——试件截面宽度，mm；

h——试件截面高度，mm。

如为跨中单点加荷得到的抗折强度，按断裂力学推导应乘以折算系数0.85。

2.影响混凝土强度的因素

影响混凝土强度的主要因素有很多，包括原材料的质量（主要是水泥强度等级和集料品种）、材料之间的比例关系（水灰比、灰骨比、集料级配）、施工方法及试验条件（龄期、试件性状与尺寸、试验方法、温度及湿度）等。

（1）水泥强度与水灰比。水泥是混凝土中的活性组分，其强度大小直接影响着混凝土强度的高低。在配合比相同的条件下，所用的水泥强度越高，制成的混凝土强度也越高。当用同一品种同一强度等级的水泥时，混凝土的强度主要取决于水灰比。因为水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥重量的23%左右，但在拌制混凝土拌和物时，为了获得必要的流动性，常需用较多的水（约占水泥质量的40%～70%）。混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残存在混凝土中，形成毛细管、气孔或水泡，它们减少了混凝土的有效断面，并可能在受力时于气孔或水泡周围产生应力集中，使混凝土强度下降。

在保证施工质量的条件下，水灰比愈小，混凝土的强度就愈高。但是，如果水灰比太小，拌和物过于干涩，在一定的施工条件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，也将显著降低混凝土的强度和耐久性。试验证明，混凝土强度，随水灰比增大而降低，呈曲线关系，而混凝土强度与灰水比呈直线关系（图5.8）。

图5.8　混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

（a）强度与水灰比的关系；（b）强度与灰水比的关系

水泥石与骨料的黏结力与骨料种类和骨料表面性质有关，表面粗糙的碎石比表面光滑的卵石（砾石）的黏结力大，硅质骨料与钙质骨料也有差别。在其他条件相同的情况下，碎石混凝土的强度比卵石混凝土的强度高。

应用数理统计方法，水泥的强度、水灰比与混凝土强度之间的线性关系也可用以下经验公式（强度公式）计算：

上两式中　fcu，0——混凝土28天抗压强度，MPa；

C／W——灰水比；

C——每立方米混凝土中水泥用量，kg；

W——每立方米混凝土中用水量，kg；

αa，αb——回归系数，与骨料品种、水泥品种有关，其数值可通过试验求得。JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》提供的αa、αb经验值为：

采用碎石：αa＝0.46，αb＝0.07；

采用卵石：αa＝0.48，αb＝0.33。

fce——水泥的实际强度，MPa，当无水泥28d抗压强度实测值时，fce值式5.7确定；

γc——水泥强度富余系数；

fce，k——水泥强度等级标准值，MPa。

（2）养护的温度和湿度。混凝土强度的增长是水泥的水化、凝结和硬化的过程，必须在一定的温度和湿度条件下进行。在保证足够湿度情况下，不同养护温度，其结果也不相同。温度高，水泥凝结硬化速度快，早期强度高，所以在混凝土制品厂常采用蒸汽养护的方法提高构件的早期强度，以提高模板和场地周转率。低温时水泥混凝土硬化比较缓慢，当温度低至0℃以下时，硬化不但停止，且具有冰冻破坏的危险。水泥的水化必须在有水的条件下进行。因此，混凝土浇筑完毕后，必须加强养护，保持适当的温度和湿度，以保证混凝土不断地凝结硬化。一般情况下，使用硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥浇水养护时间不少于7d，使用火山灰水泥和粉煤灰水泥，应不少于14d。炎热季节，由于水分蒸发较快更应特别注意浇水。

（3）龄期。在正常养护条件下，混凝土强度将随着龄期的增长而增长。最初7～14d内，强度增长较快，28d达到设计强度，以后增长较慢。但只要温度、湿度适宜，其强度仍随龄期增长。普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，其强度的发展大致与其龄期的对数成正比（龄期不小于3d），可用式（5.8）计算：

式中　fn——n（n≮3）d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

f28——28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

lgn、lg28——n和28d的常用对数。

（4）施工质量。施工质量的好坏对混凝土强度有非常重要的影响。施工质量包括配料准确、搅拌均匀、振捣密实、养护适宜等任何一道工序忽视了规范管理和操作，都会导致混凝土强度的降低。

（5）试验条件。试验条件对混凝土强度的测定也有直接影响。如试件尺寸及形状、表面的平整度、加荷速度以及温湿度等，测定时，要严格遵照试验规程的要求进行，保证试验的准确性。(www.daowen.com)

3.提高混凝土强度的措施

（1）选用高强度水泥和较小水灰比。水泥是混凝土中的活性组分，在相同的配合比情况下，用水泥的强度等级越高，混凝土的强度越高。水灰比是影响混凝土程度的重要因素，试验证明，水灰比增加1%，则混凝土强度将下降5%，在满足施工和易性和混凝土耐久性要求条件下，尽可能减小水灰比，提高混凝土的强度和耐久性。

（2）掺用混凝土外加剂和混合材料。在混凝土中掺入减水剂，可减少用水量，提高混凝土强度；掺入早强剂，可提高混凝土的早期强度。在混凝土中掺入矿物混合材料（如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、氟石粉等），可以节约水泥，降低成本；减少环境污染，改善混凝土诸多性能。

（3）采用机械搅拌和机械振动成型。采用机械搅拌、机械振捣的拌和物，可使混凝土拌和物的颗粒产生振动，降低水泥浆的黏度和骨料的摩擦力，使混凝土拌和物转入液体状态，在满足施工和易性要求条件下，可减少拌和用水量，降低水灰比。同时，混凝土拌和物被振捣后，它的颗粒互相靠近，并把空气排出，使混凝土内部孔隙大大减少，从而使混凝土的密实度和强度大大提高。

（4）采用湿热处理。湿热处理可分为蒸汽养护和蒸压养护两类。蒸汽养护就是将成型后的混凝土制品放在100℃以下的常压蒸汽中进行养护。以加快混凝土强度发展的速度。混凝土经16～20h的蒸汽养护后，其强度即可达到标准养护条件下28d强度的70%～80%。蒸压养护是将静停8～10h后的混凝土构件放在175℃温度和8个大气压的蒸压釜中进行养护。主要适用于掺混合材料的硅酸盐水泥混凝土拌和物及其制品。

5.3.3　混凝土的变形性质

引起混凝土变形的因素很多，归纳起来有两类：非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。

1.混凝土在非荷载作用下的变形

（1）化学收缩。混凝土在硬化过程中，由于水泥水化产物的体积小于反应物（水和水泥）的体积，引起混凝土产生收缩，称为化学收缩。其收缩量是随着混凝土龄期的延长而增加，大致与时间的对数成正比，一般在混凝土成型后40d内收缩量增加较快，以后逐渐趋向稳定。化学收缩是不可恢复的，可使混凝土内部产生微细裂缝。

（2）塑性收缩。混凝土成型后尚未凝结硬化时属塑性阶段，在此阶段往往由于表面失水而产生收缩称为塑性收缩。新拌混凝土表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，毛细管内部会产生负压，因而使浆体中固体粒子间产生一定引力，便产生了收缩，如果引力不均匀作用于混凝土表面，则表面将产生裂纹。

预防塑性收缩开裂的方法是降低混凝土表面失水速率，采取防风、降温等措施。最有效的方法是凝结硬化前保持混凝土表面的湿润，如在表面覆盖塑料膜、喷洒养护剂等。

（3）干湿变形。混凝土的干湿变形主要取决于周围环境湿度的变化，表现为干缩湿胀。混凝土在干燥空气中存放时，混凝土内部吸附水分蒸发而引起凝胶体失水产生紧缩，以及毛细管内游离水分蒸发，毛细管内负压增大，也使混凝土产生收缩。如干缩后的混凝土再次吸水变湿后，一部分干缩变形是可以恢复的。

混凝土在水中硬化时，体积不变，甚至有轻微膨胀。这是由于凝胶体中胶体粒子的吸附水膜增厚，胶体粒子间距离增大所致。混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干缩变形对混凝土危害较大，干缩可能使混凝土表面出现拉应力而导致开裂，严重影响混凝土的耐久性。

设计上常采用的混凝土干缩率一般为（1.5～2.0）×10－4，即1m3混凝土收缩0.15～0.20mm。

影响混凝土干缩的因素有：水泥品种和细度、水泥用量和用水量等。火山灰质硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥干缩大；水泥越细，收缩也越大；水泥用量多，水灰比大，收缩也大；混凝土中砂石用量多，收缩小；砂石越干净，捣固越好，收缩也越小。

（4）温度变形。混凝土与其他材料一样，也具有热胀冷缩的性质，混凝土的热胀冷缩的变形，称为温度变形。混凝土温度膨胀系数约为1×10－5，即温度升高1℃，每立方米膨胀0.01mm。温度变形对大体积混凝土极为不利。混凝土在硬化初期，水泥水化放出较多的热量，而混凝土是热的不良导体，散热很慢，使混凝土内部温度升高，但外部混凝土温度则随气温下降，致使内外温差达50～70℃，造成内部膨胀及外部收缩，使外部混凝土产生很大的拉应力，严重时使混凝土产生裂缝。因此，对大体积混凝土工程，应设法降低混凝土的发热量，如采用低热水泥，减少水泥用量，采用人工降温措施以及对表层混凝土加强保温保湿等，以减小内外温差，防止裂缝的产生和发展。对纵向长度较大的混凝土及钢筋混凝土结构，应考虑混凝土温度变形所产生的危害，每隔一段长度应设置温度伸缩缝，以及在结构内配置温度钢筋。

2.混凝土在荷载作用下的变形

（1）混凝土的受压变形与破坏特征。硬化后的混凝土在未施加荷载前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起的砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了拉应力，同时混凝土成型后的泌水聚积于粗骨料的下缘，混凝土硬化后形成为界面裂缝。混凝土受外力作用时，其内部产生了拉应力，这种拉应力很容易在具有几何形状为楔形的微裂缝顶部形成应力集中，随着拉应力的逐渐增大，导致微裂缝的进一步延伸、汇合、扩大，形成可见的裂缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破坏。当用混凝土立方体试件进行单轴静力受压试验时，混凝土的荷载—变形曲线如图5.9所示，通过显微观察所查明的混凝土破坏过程各阶段的裂缝状态如图5.10所示。混凝土的受压破坏发展过程及各阶段情况如下：

图5.9　混凝土在荷载作用下的变形曲图

Ⅰ阶段：荷载到达比例极限（约为极限荷载的30%）以前，界面裂缝无明显变化，荷载与变形比较接近直线关系（图5.9中曲线OA段）。

Ⅱ阶段：荷载超过比例极限以后，界面裂缝的数量、长度和宽度都不断增大，界面借摩阻力继担荷载，但尚无明显的砂浆裂缝。此时，变形增大的速度超过荷载增大的速度，荷载与变形之间不再为线性关系（图5.9中曲线AB殷）。

图5.10　混凝土不同受力破坏阶段的裂缝状态示意图

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，开始出现砂浆裂缝，并将邻近的界面裂缝连接起来成为连续裂缝。此时，变形增大的速度进一步加快，荷载一变形曲线明显地弯向变形轴方向（图5.9中曲线BC段）。

Ⅳ阶段：荷载超过极限荷载以后，连续裂缝急速发展，此时，混凝土的承载能力下降，荷载减小而变形迅速增大，以至完全破坏，荷载一变形曲线逐渐下降而最后结束（图5.9中曲线CD段）。

（2）弹性模量。弹性模量是反应应力与应变关系的物理量，由于混凝土是弹塑性体，随荷载不同，应力与应变之间的比值成为一个变量，也就是说混凝土的弹性模量不是定值。按我国GBJ81—85的规定，混凝土弹性模量的测定，是采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，取其轴心抗压强度值的40%作为试验控制应力荷载值，经4～5次反复加荷和卸荷后，测得应力与应变的比值，即为混凝土的弹性模量。混凝土强度等级为C10～C60时，其弹性模量约为（1.75～3.60）×104MPa。影响混凝土弹性模量的因素有：

1）混凝土的强度等级越高，弹性模量越高。水泥用量少，水灰比小，粗细骨料用量较多，弹性模量大。

2）骨料弹性模量大，则混凝土弹性模量也大。

3）早期养护温度较低的混凝土具有较大的弹性模量。在相同强度情况下，蒸汽养护混凝土弹性模量较在标准条件下养护的混凝土弹性模量小。

4）引气混凝土弹性模量较普通混凝土低20%～30%。

（3）徐变。混凝土在恒定荷载长期作用下，随时间增长而沿受力方向增加的非弹性变形，称为混凝土的徐变。一般认为，徐变是由于水泥石中凝胶体在外力作用下，粘滞流变和凝胶粒子间的滑移而产生的变形，还与水泥石内部吸附水的迁移等有关。影响混凝土徐变因素很多，混凝土所受初应力越大，在混凝土制成后龄期较短时加荷，水灰比越大，水泥用量越多，都会使混凝土的徐变增大；另外混凝土弹性模量大，会减小徐变，混凝土养护条件越好，水泥水化越充分，徐变也越小。徐变可消除或减小钢筋混凝土内的应力集中，使应力均匀地重新分布。对大体积混凝土，徐变能消除一部分由温度变形所产生的破坏应力，对工程有利。对预应力钢筋混凝土结构，混凝土的徐变将使钢筋的预应力受到损失，故对预应力混凝土是不利的。

5.3.4　混凝土的耐久性

混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能的能力称为混凝土的耐久性。提高混凝土耐久性，对延长结构寿命，减少修复工作量，提高经济效益具有重要的意义。混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、耐磨性与抗侵蚀性、碳化和碱—骨料反应等6个方面。

1.抗渗性

混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。

混凝土渗水的原因，是由于内部孔隙形成连通的渗水孔道。这些孔道主要来源于水泥浆中多余水分蒸发而留下的气孔、水泥浆泌水所产生的毛细管孔道、内部的微裂缝以及施工振捣不密实产生的蜂窝、孔洞，这些都会导致混凝土渗漏水。

混凝土的抗渗性以抗渗等级来表示。抗渗等级是以28d龄期的标准抗渗试件，按规定方法试验，以不渗水时所能承受的最大水压力（MPa）来表示，划分为P2、P4、P6、P8、P12等6个等级，相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件能抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.2MPa的最大水压力而不渗透。

混凝土的抗渗性与水灰比有密切关系，还与水泥品种、骨料级配、施工质量、养护条件以及是否掺外加剂、掺和料有关。

水工混凝土的抗渗等级，应根据结构所承受的水压力大小和结构类型及应用条件按DL／T5057—1996《水工混凝土结构设计规范》的规定选用，参见表5.14。

表5.14　混凝土抗渗等级最小允许值（DL／T5057—1996）

注　1.表中H为水头，i为最大水力梯度。水力梯度是指水头与该处结构厚度的比值。
2.当建筑物的表层设有专门可靠的防水层时，表中规定的抗渗等级可适当降低。
3.承受侵蚀作用的建筑物，其抗渗等级不得低于P4。
4.对严寒、寒冷地区且水力梯度较大的结构，其抗渗等级应按表中的规定提高1个等级。
5.对背面能自由渗水的混凝土及钢筋混凝土结构构件，当水头小于10m时，其抗渗等级可根据表中第三项降低一级。

2.抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。

混凝土抗冻性一般以抗冻等级表示。抗冻等级是采用龄期28d的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25%，而且质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数来确定的。GBJ50164—92将混凝土划分为以下抗冻等级：F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等9个等级，分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10次、15次、25次、50次、100次、150次、200次、250次和300次。

混凝土受冻融作用破坏的原因，是混凝土内部的孔隙水在负温下结冰后体积膨胀造成的静水压力，因冷冻水蒸气压的差别推动未冻水向冻结区的迁移造成的渗透压力，当这两种压力所产生的内应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，多次冻融使裂缝不断扩展直至破坏。

影响混凝土抗冻性的因素有：

（1）混凝土强度愈高，抵抗冻融破坏的能力越强，抗冻性越好。

（2）混凝土密实度、混凝土孔隙构造及数量。密实度越小，开口孔隙愈多，水分愈易渗入，静水压力越大，抗冻性越差。

（3）混凝土孔隙充水程度。饱水程度愈高，冻结后产生的冻胀作用就大，抗冻性越差。

（4）水灰比。水灰比与孔隙率成正比，水灰比越大，且开口孔隙率大，抗冻性越差。

（5）外加剂。在混凝土中掺入引气剂，可在水泥石中形成无数细小、均匀的气泡，使之成为压力水进出的“水库”，使静水压力和渗透压力得以释放，对冰冻破坏起到很好的缓冲作用。适宜的引气量以4%～6%为宜。

水工混凝土的抗冻等级，应根据结构所处环境及工作条件，按DL／T5057—1996《水工混凝土结构设计规范》的规定选用，参见表5.15。

表5.15　混凝土抗冻等级（DL／T5057—1996）

续表

注　1.气候分区划分标准，严寒：最冷月平均气温低于－10℃；寒冷：最冷月平均气温高于－10℃，但低于－3℃；温和：最冷月平均气温高于－3℃。
2.冬季水位变化区是指运行期可能遇到的冬季最低水位以下0.5～1m至冬季最高水位以上1m（阳面）、2m（阴面）、4m（水电站尾水区）的部位。
3.阳面指冬季大多为晴天，平均每天有4h阳光照射，不受任何遮挡的表面，否则按阴面考虑。
4.最冷月平均气温低于－25℃地区的混凝土抗冻等级应根据具体情况研究确定。
5.在无抗冻要求的地区，混凝土抗冻等级也不宜低于F50。

3.抗侵蚀性

抗侵蚀性是指混凝土在含有侵蚀性介质（软水，含酸、盐水等）环境中遭受到化学侵蚀、物理作用不破坏的能力。混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥的品种、混凝土密实度与孔隙特征等。参阅第4章。

4.混凝土的抗磨性及抗气蚀性

磨损冲击与气蚀破坏，是水工建筑物常见的病害之一。当高速水流中挟带砂、石等磨损介质时，这种现象更为严重。因此水利工程要有较高的抗磨性及抗气蚀性。

提高混凝土抗磨性及抗气蚀性的主要途径是：选用坚硬耐磨的骨料，选用C3S含量较多的高强度硅酸盐水泥，掺入适量的硅粉和高效减水剂以及适量的钢纤维；采用强度等级C50以上的混凝土；骨料最大粒径不大于20mm；改善建筑物的体型；控制和处理建筑物表面的不平整度等。

5.混凝土的碳化

混凝土的碳化作用是指空气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。碳化又叫中性化。

碳化对混凝土性能有明显的影响，首先是减弱对钢筋的保护作用。由于水泥水化过程中生成大量氢氧化钙，使混凝土孔隙中充满饱和的氢氧化钙溶液，其pH值可达到12.6～13。这种强碱性环境能使混凝土中的钢筋表面生成一层钝化薄膜，从而保护钢筋免于锈蚀。碳化作用降低了混凝土的碱度，当pH值低于10时，钢筋表面钝化膜破坏，导致钢筋锈蚀。其次，当碳化深度超过钢筋的保护层时，钢筋不但易发生锈蚀，还会因此引起体积膨胀，使混凝土保护层开裂或剥落，进而又加速混凝土进一步碳化。

碳化作用还会引起混凝土的收缩，使混凝土表面碳化层产生拉应力，可能产生微细裂缝，从而降低了混凝土的抗折强度。

影响混凝土碳化速度的主要因素有：

（1）水泥品种。掺混合材料的水泥，因其氢氧化钙含量较少，碳化比普通水泥快。

（2）水灰比。水灰比大的混凝土，因孔隙较多，二氧化碳易于进入，碳化也快。

（3）环境湿度。相对湿度为50%～75%的环境，碳化最快。相对湿度小于25%或达到100%时，碳化停止。因为碳化需要水分，但不能堵塞二氧化碳的通道。此外，空气中二氧化碳浓度越高，碳化速度也越快。

（4）硬化条件。空气中或蒸汽中养护的混凝土，比在潮湿环境或水中养护的混凝土碳化快。因为前者促使水泥石形成多孔结构或产生微裂缝，后者水化程度高，混凝土较密实。

混凝土的碳化深度大体上与碳化时间的平方成正比。为防止钢筋锈蚀，必须设置足够的钢筋保护层。

6.碱—骨料反应

碱—骨料反应是指混凝土中所含的碱（Na2O或K2O）与骨料中的活性成分（活性SiO2），在混凝土硬化后潮湿条件下逐渐发生化学反应，反应生成复杂的碱—硅酸凝胶，这种凝胶吸水膨胀，导致混凝土开裂的现象。碱—骨料反应的速度很慢，需几年或几十年，因而对混凝土的耐久性十分不利。常见的有碱—氧化硅反应、碱—硅酸盐反应、碱—碳酸盐反应3种类型。

骨料中含有活性二氧化硅的矿物有：蛋白石、玉髓、鳞石英等。含有活性氧化硅的岩石有：安山岩、凝灰岩、流纹岩等。用这种骨料配制混凝土时，必须用低碱水泥，控制混凝土碱含量（折算成Na2O）小于0.60%并限制混凝土总碱量不超过2.0～3.0kg／m3，或采用掺混合材料的水泥。对有怀疑的骨料，需做碱—骨料试验，防止混凝土由于出现碱—骨料反应而被破坏。

7.提高混凝土耐久性的主要措施

（1）合理选择水泥品种。

（2）适当控制混凝土的水灰比，并保证足够的水泥用量。水灰比的大小是决定混凝土密实性的主要因素，它不仅影响混凝土的强度，而且也严重影响其耐久性，故必须严格控制水灰比。保证足够的水泥用量，同样可以起到提高混凝土密实性和耐久性的作用。DL／T5057—1996《水土混凝土结构设计规范》、JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》对建筑工程所用混凝土的最大水灰比及最小水泥用量作了规定，见表5.16、表5.17。

表5.16　水工混凝土最大水灰比积最小水泥用量（DL／T5057—1996）

注　1.结构类型为薄壁或薄腹构件时，最大水灰比宜适当减小。
2.承受水力梯度较大的结构，最大水灰比宜适当减小。
3.当掺加有效外加剂及高效掺和料时，最小水泥用量可适当减小。

表5.17　混凝土最大水灰比和最小水泥用量限值（JGJ55—2000）

注　1.当用活性掺合料取代部分水泥时，表中的最大水灰比及最小水泥用量即为代替前的水灰比和水泥用量。
2.配制C15级及其以下等级的混凝土，可不受本表限制。

（3）选用质量良好的砂石骨料。质量良好、技术条件合格的砂、石骨料，是保证混凝土耐久性的重要条件。改善粗、细骨料级配，在允许的最大粒径范围内尽量选用较大粒径的粗骨料，可减小骨料的空隙率和比表面积，也有助于提高混凝土的耐久性。

（4）掺入引气剂或减水剂。掺入引气剂或减水剂对提高混凝土的抗渗、抗冻等有良好的作用，在某些情况下，还能节约水泥。

（5）加强混凝土的施工质量控制。混凝土施工中，应当搅拌均匀、浇灌和振捣密实并加强养护，以保证混凝土的施工质量。

（6）长期处于潮湿和严寒环境中的混凝土，应掺用引气剂。