第三节 普通混凝土的主要技术性质
混凝土的主要技术性质包括混凝土拌合物的和易性、凝结特性，硬化混凝土的强度、耐久性及变形性能。
一、混凝土拌合物的和易性
混凝土拌合物是指由水泥、粗细骨料及水等组分，经拌制均匀而成的塑性混凝土混合料，又称新拌混凝土。
（一）和易性的概念
和易性是指混凝土拌合物能保持其组成成分均匀，不发生分层、离析、泌水等现象，便于施工操作，并能获得质量均匀、成型密实的混凝土的性能，也称工作性。
和易性是一项综合技术性能，包括流动性、黏聚性和保水性3个方面。1.流动性
流动性是指混凝土拌合物在自重或外力作用下，能产生流动并均匀密实地填充模型的性能。流动性的大小，反映拌合物的稀稠程度，关系着施工振捣的难易和浇筑的质量。
（1）拌合物太稠，混凝土难以振捣密实，易造成内部孔隙增多。（2）拌合物过稀，易分层离析，影响硬化后混凝土的均匀性。2.黏聚性
黏聚性是指混凝土拌合物内部组分间具有一定的黏聚力，在运输和浇筑过程中不致发生分层离析现象，而使混凝土能保持整体均匀的性能。
黏聚性不好，砂浆与石子容易分离，振捣后会出现蜂窝、孔洞等现象，严重影响混凝土工程质量。
3.保水性
保水性是指混凝土拌合物具有一定的保持水分的能力，在施工过程中不致产生严重的泌水现象。在施工过程中，保水性差的新拌混凝土中的一部分水易从内部析出至表面，在水渗流之处留下许多毛细管孔道，成为以后混凝土内部的透水通道。另外，在水分上升的同时，一部分水还会滞留在石子及钢筋的下缘形成水隙，从而减弱石子或钢筋与水泥浆之间的黏结力。而且水分及泡沫等轻物质浮在表面，易导致混凝土表面干缩开裂，还会使混凝土上下浇筑层之间形成薄弱的夹层。这些都将影响混凝土的密实及均匀性，并降低混凝土的强度和耐久性。
混凝土拌合物的流动性、黏聚性和保水性三者的关系是既互相关联，又互相矛盾。如：流动性较大时，往往黏聚性和保水性差，反之亦然。一般黏聚性好，保水性也较好。
因此，所谓的拌合物和易性良好，就是使这三方面的性能，在某种具体条件下得到统一，达到均为良好的状况。也就是指既具有满足施工要求的流动性，又具有良好的黏聚性和保水性。良好的和易性既是施工的要求也是获得质量均匀密实混凝土的基本保证，和易性合格的混凝土才能进行浇筑成型。
（二）和易性的检测和评定
混凝土拌合物和易性是一项极其复杂的综合指标，通常通过测定流动性，再辅以经验目测评定其黏聚性和保水性，从而综合评定混凝土和易性。流动性的测定方法有坍落度法、维勃稠度法、探针法、斜槽法、流出时间法和凯利球法等10多种。在土木工程建设中，根据现行标准《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T50080—2002），普通混凝土最常用的是坍落度法和维勃稠度法。
1.坍落度法
坍落度法检测混凝土拌合物和易性，是将新拌混凝土分3层装入坍落度筒中，如图35所示，每层插捣25次，抹平后垂直提起坍落度筒，混凝土则在自重作用下坍落，测量筒高与坍落后混凝土试体最高点之间的高差，即为新拌混凝土的坍落度，以mm为单位。以坍落度代表混凝土的流动性，坍落度越大，则流动性越好。
黏聚性通过观察坍落度测试后混凝土所保持的形状，或用捣棒敲击侧面后的形状判定。用捣棒在已坍落的混凝土拌合物锥体侧面轻轻敲打，如果锥体渐渐下沉，表示黏聚性良好；如果突然倒塌，部分崩裂或石子离析，则为黏聚性不好的表现，如图36所示。
图35 混凝土拌合物坍落度测定
图36 混凝土拌合物黏聚性不良
保水性是以水或稀浆从混凝土锥体底部析出的量大小评定。当提起坍落度筒后如有较多的稀浆从底部析出，锥体部分的拌合物也因失浆而骨料外露，则表明保水性不好。如无稀浆或仅有少量稀浆自底部析出，则表明保水性良好。
坍落度检验适用于坍落度值大于等于10mm且骨料最大粒径不大于40mm的拌合物。对于泵送高强混凝土和自密实混凝土宜采用坍落度扩展度检测。坍落扩展度即测量坍落后混凝土的扩展直径，取最大和最小两个方向的直径（二者差值不超过50mm）的平均值。扩展度值越大，则表明其流动性就越高。如果发现粗骨料在中央堆集或边缘有水泥浆析出，表示此混凝土抗离析性不好，即黏聚性较差。
对坍落度小于10mm的干硬性混凝土，坍落度值已不能准确反映其流动性大小，一
般采用维勃稠度法测定。
2.维勃稠度法
维勃稠度法是采用维勃稠度仪测定。其方法是：将坍落度筒放在直径为240mm、高度为200mm圆筒中，圆筒安装在专用的振动台上，按坍落度试验的方法将新拌混凝土装入坍落度筒内后再拔去坍落筒，并在新拌混凝土顶上置一透明圆盘。开动振动台并记录时间，从开始振动至透明圆盘底面被水泥浆布满瞬间止，所经历的时间，以s计（精确至1s），即为新拌混凝土的维勃稠度值。时间越短，流动性越好；时间越长，流动性越差。维勃稠度试验如图37所示。
图37 维勃稠度试验仪
1—容器；2—坍落度筒；3—圆盘；4—滑棒；5—套筒；6、13—螺栓；7—漏斗；
8—支柱；9—定位螺丝；10—荷重；11—元宝螺丝；12—旋转架
维勃稠度法只适用于维勃稠度在5～30s之间的，骨料最大粒径不大于40mm混凝土拌合物。
混凝土拌合物坍落度等级、维勃稠度等级和扩展度等级划分，见表324～表326，混凝土拌合物稠度允许偏差见表327。
表3 24
坍落度等级划分
表3 25
维勃稠度等级划分
表3 26
扩展度等级划分
表3 27
混凝土拌合物稠度允许偏差
3.泵送混凝土的可泵性测定
利用混凝土泵和管道输送浇筑的混凝土，称为泵送混凝土。经研究表明，混凝土拌合物在泵送过程中的摩擦阻力是拌合物的流动性（坍落度）与稳定性（压力泌水值）的综合反映，而且流动性与稳定性又有一定关系。因此，混凝土拌合物的可泵性一般用坍落度和相对压力泌水率两个指标来评定。
稳定性常用相对压力泌水率（S10）来评定，试验仪器采用普通混凝土压力泌水仪。相对压力泌水率的测定方法是：将混凝土拌合物装入料筒内，加压至3.5MPa，分别读取
加压至10s和140s的泌水量V10和V140。混凝土相对泌水率S10=V10/V140（%）。
S10越小，混凝土稳定性越好，S10一般不宜超过40%。
当混凝土较长距离运输或自搅拌出机至浇筑时间间隔较长时，应考虑混凝土拌合物的坍落度经时损失的影响，保证混凝土的正常施工。泵送混凝土拌合物的坍落度经时损失不
宜大于30mm。
（三）坍落度的选择
混凝土拌合物应在满足施工要求的前提下，尽可能采用较小的坍落度。泵送混凝土坍落度不宜大于180mm；泵送高强混凝土的扩展度不宜小于550mm；自密实混凝土的扩展
度不宜小于600mm。
实际施工时采用的坍落度可根据构件截面尺寸、钢筋疏密程度、捣实方式、运输距离及气候条件选择。坍落度可参考表328选用。
泵送混凝土选择坍落度除考虑振捣方式外，还要考虑其可泵性。坍落度过小，泵送所需压力大，泵送困难，影响泵送效率；坍落度过大，易产生泌水、离析，阻塞管道。泵送混凝土的坍落度可按《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T10—2011）的规定选用。对不同泵送高度，入泵时混凝土的坍落度，可按表329选用。
表3 28
混凝土浇筑时的坍落度
表3 29
不同泵送高度入泵时混凝土的坍落度选用值
（四）影响和易性的主要因素1.水泥浆数量
混凝土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，拌合物易出现流浆、泌水现象，使黏聚性及保水性变差，对强度及耐久性产生不利影响。水泥浆用量过小，用于填充骨料空隙的浆少，包裹骨料的润滑层也达不到足够厚度，流动性和黏聚性变差。
因此，水泥浆不能用量太少，但也不能太多，应以满足拌合物和易性要求为宜。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。
在水泥用量和骨料用量不变的情况下，水灰比增大，相当于单位用水量增大，水泥浆很稀，拌合物流动性也随之增大，反之亦然。用水量增大带来的负面影响是严重降低混凝土的保水性，增大泌水，同时使黏聚性也下降，产生流浆及离析现象，严重影响混凝土的强度。但水灰比也不宜太小，否则因流动性过低影响混凝土振捣密实，易产生麻面和孔洞。合理的水灰比是混凝土拌合物流动性、保水性和黏聚性的良好保证。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。但在实际工程中，为增大拌合物的流动性而增加用水量时，必须保持水灰比不变，相应地增加水泥用量，否则将严重影响混凝土质量。
3.含砂率（简称砂率）
砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。砂率对和易性的影响非常显著，并影响拌合物的水泥用量。
砂率过大，石子含量相对过少，骨料的空隙率及总表面积都较大，在水灰比和水泥用量一定的条件下，混凝土拌合物干稠，流动性显著降低；砂率过小，砂浆数量不足，不能在石子周围形成足够的砂浆润滑层，拌合物的流动性降低，且严重影响黏聚性和保水性，使石子分离、水泥浆流失，甚至出现溃散现象。
若保持混凝土拌合物流动性不变，因砂率不合理，会使混凝土的水泥浆用量显著增大。因此，砂率不能过大，也不能过小，应采取合理砂率。
合理砂率是指在水泥用量及用水量一定的情况下，能使混凝土拌合物获得最大的流动性，且能保持黏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黏聚性及保水性，而水泥用量为最少时的砂率值。砂率与坍落度的关系如图38
所示，砂率与水泥用量的关系如图39所示。
图38 砂率与坍落度的关系
（水与水泥用量一定）
图39 砂率与水泥用量的关系
（达到相同的坍落度）
合理砂率可通过试验确定，在大型混凝土工程中经常采用。对普通混凝土工程可根据经验或参照表3 30[《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）]选用，水工混凝土参照表3 31依据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）、《水工混凝土配合比设计规
程》（DL/T5330—2005）选用。
表3 30
普通混凝土砂率选用表
%
注 1.表中数值系中砂的选用砂率。对细砂或粗砂，可相应地减少或增大砂率。
2.本砂率适用于坍落度为10～60mm的混凝土。坍落度大于60mm时，可经试验确定，或以表中数值为基础，
坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度调整；坍落度小于10mm时，砂率应经试验确定。3.采用人工砂配制混凝土时，砂率值应适当增大。
4.掺有各种外加剂或掺合料时，其合理砂率值应经试验或参照其他有关规定选用。
影响合理砂率大小的因素很多，可概括为：
粗骨料最大粒径较大、级配较好时，由于粗骨料的空隙率较小，可采用较小的砂率。砂的细度模数较小时，由于砂中细颗粒较多，混凝土拌合物的黏聚性易于保证，可采
用较小的砂率。
表3 31
水工混凝土砂率初选表
%
续表
注 1.本表适用于卵石、细度模数为2.6～2.8的天然中砂拌制的混凝土。
2.本表中的碾压混凝土适用于维勃稠度值为5～12s。
3.砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减0.5%～1.0%。
4.使用碎石时，砂率需增加3%～5%。5.使用人工砂时，砂率需增加2%～3%。
6.掺用引气剂时，砂率可减小2%～3%；掺用粉煤灰时，砂率可减小1%～2%。
水灰比较小时，水泥浆较稠，由于混凝土拌合物的黏聚性和保水性容易得到保证，故可采用较小的砂率。
当掺用引气剂、减水剂等外加剂，或掺加粉煤灰等掺合料时，可适当减小砂率。
当施工要求混凝土拌合物流动性较大时，为保证黏聚性和保水性，宜采用较大的砂率。
一般情况下，在保证混凝土拌合物不离析，能很好地浇灌、捣实的条件下，应尽量选用较小的砂率，以减少水泥用量。
4.单位用水量
单位用水量是混凝土流动性的决定因素。用水量增大，流动性随之增大。但用水量大带来的不利影响是保水性和黏聚性变差，易产生泌水分层离析，从而影响混凝土的匀质性、强度和耐久性。大量的实验研究证明在原材料品质一定的条件下，单位用水量一旦选定，单位水泥用量增减50～100kg/m3，混凝土的流动性基本保持不变，这一规律称为固定用水量定则。这一定则对普通混凝土的配合比设计带来极大便利，即可通过固定用水量保证混凝土坍落度的同时，调整水泥用量，即调整水灰比，来满足强度和耐久性要求。在进行混凝土配合比设计时，单位用水量可根据施工要求的坍落度和粗骨料的种类、规格，根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）按表332选用，水工混凝土（依
据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）、《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T
5330—2005）按表333选用，再通过试配调整，最终确定单位用水量。
5.浆骨比
浆骨比是指水泥浆用量与砂石用量之比值。在混凝土凝结硬化之前，水泥浆主要赋予其流动性，在混凝土凝结硬化以后，主要赋予其黏结强度。在水灰比一定的前提下，浆骨比越大，即水泥浆量越大，混凝土流动性越大。通过调整浆骨比大小，既可以满足流动性要求，又能保证良好的黏聚性和保水性。浆骨比不宜太大，否则易产生流浆现象，使黏聚性下降。浆骨比也不宜太小，否则因骨料间缺少黏结体，拌合物易发生崩塌现象。因此，合理的浆骨比是混凝土拌和物和易性的良好保证。
表3 32
混凝土单位用水量选用表
单位：kg/m3
注 1.本表用水量系采用中砂时的平均取值，如采用细砂，每立方米混凝土用水量可增加5～10kg，采用粗砂时则
可减少5～10kg。
2.掺用各种外加剂或掺合料时，可相应增减用水量。
3.本表适用于水灰比在0.40～0.80范围的混凝土，不适用于水灰比小于0.40时的混凝土以及采用特殊成型工
艺的混凝土。
表3 33
水工混凝土初选用水量
单位：kg/m3
注 1.本表适用于骨料含水状态为饱和面干状态。
2.常态混凝土是指混凝土拌合物坍落度为10～100mm的混凝土；碾压混凝土是指利用振动碾振动压实的混
凝土。
3.本表适用于细度模数为2.6～2.8的天然中砂。当使用细砂或粗砂时，对采用坍落度控制的普通混凝土，用
水量需增加或减少3～5kg/m3，对采用维勃稠度控制碾压混凝土，用水量需增加或减少5～10kg/m3。
4.采用人工砂时，用水量需增加5～10kg/m3。
5.掺入火山灰质掺合料时，用水量需增加10～20kg/m3；采用Ⅰ级粉煤灰时，用水量可减少5～10kg/m3。6.采用外加剂时，用水量应根据外加剂的减水率作适当调整，外加剂的减水率应通过试验确定。
7.水灰比小于0.4的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土，用水量应通过试验确定。
6.组成材料性质的影响
（1）水泥品种及细度。水泥品种不同时，达到相同流动性的需水量往往不同，从而影响混凝土流动性。另一方面，不同水泥品种对水的吸附作用往往不等，从而影响混凝土的保水性和黏聚性。如火山灰水泥、矿渣水泥配制的混凝土流动性比普通水泥小。在流动性相同的情况下，矿渣水泥的保水性能较差，黏聚性也较差。同品种水泥越细，流动性越差，但黏聚性和保水性越好。
（2）骨料的品种和粗细程度。卵石表面光滑，碎石粗糙且多棱角，因此卵石配制的混凝土流动性较好，但黏聚性和保水性则相对较差。河砂与山砂的差异与上述相似。对级配符合要求的砂石料来说，粗骨料粒径越大，砂子的细度模数越大，则流动性越大，但黏聚性和保水性有所下降，特别是砂的粗细程度，在砂率不变的情况下，影响更加显著。
（3）外加剂。外加剂对拌合物的和易性有显著的影响作用。在拌制混凝土时，加入少量外加剂能使混凝土拌合物在不增加水和水泥用量的条件下，获得良好的和易性，不仅增加流动性，并有效地改善黏聚性和保水性。改善混凝土和易性的外加剂主要有减水剂、引气剂、泵送剂等。
（4）时间和温度。混凝土拌合物随着时间的延长，由于水泥水化和水分蒸发，混凝土的流动性逐渐下降。
混凝土拌合物的和易性也受温度等环境因素的影响，气温高、湿度小、风速大，水分蒸发及水化反应加快，也会加速流动性的损失。因此施工中必须考虑环境条件的变化，采取相应的措施。
（五）混凝土和易性的调整和改善措施
（1）当混凝土流动性小于设计要求时，为了保证混凝土的强度和耐久性，不能单独加水，必须保持水灰比不变的条件下，增加水泥和水的用量，即增加水泥浆数量。
（2）当坍落度大于设计要求，并且黏聚性和保水性良好时，可在保持砂率不变的前提下，增加砂石用量（实际上相当于减少水泥浆数量）。若坍落度大且黏聚性不良，可适当提高砂率，即只增加砂的用量。
（3）采用级配良好的砂、石料，选用细度模数适宜的中砂，尽量采用最大粒径较大的石子。
（4）采用合理砂率，并尽可能采用较低的砂率。
（5）掺用外加剂（减水剂或引气剂）和矿物掺合料，是改善混凝土和易性的最有效措施。
（六）混凝土的凝结时间
混凝土拌合物的凝结时间与水泥的凝结时间有相似之处，但混凝土拌合物的凝结时间会受到其他因素的影响，影响混凝土实际凝结时间的因素主要有水灰比、水泥品种、水泥细度、外加剂、掺合料和气候条件等。如水灰比增大，凝结时间延长；早强剂、速凝剂使凝结时间缩短；缓凝剂则使凝结时间大大延长。
混凝土的凝结时间分初凝和终凝。初凝指混凝土加水至失去塑性所经历的时间，亦即表示施工操作的时间极限；终凝指混凝土加水到产生强度所经历的时间。初凝时间应适当长，以便于施工操作，特别是商品混凝土长距离运输和炎热高温的夏季施工时；终凝与初凝的时间差则越短越好。
混凝土凝结时间的测定通常采用贯入阻力法。二、硬化混凝土的性能
（一）混凝土的强度
强度是硬化混凝土最重要的性质，混凝土的其他性能与强度均有密切关系，混凝土的强度也是配合比设计、施工控制和质量检验评定的主要技术指标。混凝土的强度主要有抗
压强度、抗折强度、抗拉强度、抗剪强度以及握裹钢筋强度。其中抗压强度值最大，故结构工程上混凝土主要承受压力。抗压强度也是最主要的强度指标，混凝土的抗压强度与其他强度间有一定的相关性，可以根据抗压强度的大小来估计其他强度值。
1.混凝土的立方体抗压强度和强度等级
立方体抗压强度标准值系指对按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期或设计规定龄期，用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值。以fcu表示。混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值划分。混凝土强度等级有C10、
C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80、C85、C90、C95、C100共19个等级。《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）规定的
结构混凝土强度等级有C15～C80共14个等级。“C”为混凝土强度符号，“C”后面的数字为混凝土立方体抗压强度标准值。
而对于水利工程混凝土来说，其结构复杂，所以不同工程部位有不同保证率（P）要求，如大体积混凝土一般要求P=80%，体积较大的钢筋混凝土工程要求P=85%～90%，薄壁结构工程要求P=95%等。而且，对于水工大体积混凝土而言，设计龄期一般不采用 28d，而普遍采用 90d或 180d龄期。因此水工混凝土强度等级常用C9030、C18040、…方式表示，其含义是保证率为80%情况下，90d龄期的立方体抗压强度标准值为30MPa、180d龄期的立方体抗压强度标准值为40MPa……
强度等级的选择主要根据建筑物的重要性、结构部位和荷载情况确定。
素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级40MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。
预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40；且不应低于C30。承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。2.轴心抗压强度
轴心抗压强度也称为棱柱体抗压强度。混凝土的立方体抗压强度只是评定强度等级的一个标志，不能直接用来作为结构设计的依据。由于实际结构物（如柱）多为棱柱体构件，为了符合工程实际，在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。轴心抗压强度的测定是采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，经标准养护到28d测试而得。轴心抗压强度设计值以fc表示，轴心抗压强度标准值以fck表示。
同一材料的轴心抗压强度小于同截面的立方体强度，实验表明，在立方体抗压强度fcu=10～55MPa的范围内，其比值大约为0.7～0.8。这是因为抗压强度试验时，试件在上下两块钢压板的摩擦力约束下，侧向变形受到限制，即“环箍效应”，如图310所示，立方体试件整体受到环箍效应的限制，测得的强度相对较高。而棱柱体试件的中间区域未受到“环箍效应”的影响，属纯压区，测得的强度相对较低，如图311所示。当钢压板与试件之间涂上润滑剂后，摩擦阻力减小，环箍效应减弱，立方体抗压强度与棱柱体抗压强度趋于相等。
混凝土标准试件的轴心抗压强度与标准试件的立方体抗压强度之间有着密切的关系，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）混凝土的轴心抗压强度标准值fck和轴心抗压强度设计值以fc按表334采用。
表3 34
混凝土轴心抗压强度标准值
单位：MPa
图310 压板对试件
的约束作用
图311“环箍效应”
下的试件破坏
3.抗拉强度
混凝土的抗拉强度很小，只有抗压强度的1/20～1/10。为此，在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑承受拉力，而是通过配置钢筋，由钢筋来承担结构的拉力。但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要作用，它是结构设计中裂缝宽度和裂缝间距计算控制的主要指标，也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。
用轴向拉伸试验测定混凝土的抗拉强度，由于荷载不易对准轴线而产生偏拉，且夹具处由于应力集中常发生局部破坏，因此试验测试非常困难，测试值的准确度也较低，故国内外普遍采用劈裂法间接测定混凝土的抗拉强度，即劈裂抗拉强度。
劈拉试验的标准试件尺寸为边长150mm的立方体，在上下两相对面的中心线上施加均布线荷载，使试件内竖向平面上产生均布拉应力，此拉应力可通过弹性理论计算得出，用式（32）计算如下：
fts=2πPA=0.637AP
（3 2）
式中 fts———混凝土劈裂抗拉强度，MPa；
P———破坏荷载，N；
A———试件劈裂面积，mm2。
劈拉法不但大大简化了试验过程，而且能较准确地反应混凝土的抗拉强度。试验研究表明，轴拉强度低于劈拉强度，两者的比值约为0.8～0.9。
在混凝土结构设计中，可根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）按表3 35来选取混凝土的轴心抗拉强度标准值ftk和轴心抗拉强度设计值ft。
表3 35
混凝土轴心抗拉强度标准值
单位：MPa
4.抗折强度
混凝土的抗折强度标准试件尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁，在标准条件下养护28d，按三分点加荷方式测定抗折破坏荷载，如图312所示，根据下式计算抗折强度：
fcf=PL
bh2
（3 3）
式中 fcf———抗折强度，MPa；
P———破坏荷载，N；L———支座间距，mm；
b、h———试件的宽度和高度，mm。
如采用跨中单点加荷得到的抗折强度，应乘以折算系数0.85。当试件尺寸为非标准试件时，应乘以尺寸换算系数。
图312 混凝土三分点抗折试验装置示意图
5.影响混凝土强度的主要因素
影响混凝土强度的因素很多，从内因来说主要有水泥强度、水灰比和骨料质量；从外因来说，则主要有施工条件、养护温度和湿度、龄期、试验条件和外加剂等。分析影响混凝土强度各因素的目的，在于可根据工程实际情况，采取相应技术措施，提高混凝土的强度。
（1）水泥强度和水灰比（水胶比）。混凝
土的强度主要来自水泥石以及与骨料之间的黏结强度。水泥强度越高，则水泥石自身强度及与骨料的黏结强度就越高，混凝土强度也越高，试验证明，混凝土强度与水泥强度成正比关系。
水泥完全水化的理论需水量约为水泥质量的23%左右，但实际拌制混凝土时，为获得良好的和易性，水灰比大约在0.40～0.65之间，多余水分蒸发后，在混凝土内部留下孔隙，且水灰比越大，留下的孔隙越大，使有效承压面积减少，混凝土强度也就越小。另一方面，多余水分在混凝土内的迁移过程中遇到粗骨料时，由于受到粗骨料的阻碍，水分往往在其底部积聚，形成水泡，极大地削弱砂浆与骨料的黏结强度，使混凝土强度下降。因此，在水泥强度和其他条件相同的情况下，水灰比越小，混凝土强度越高，水灰比越大，混凝土强度越低。但水灰比太小，混凝土过于干稠，不能保证振捣均匀密实，强度反而降低。试验证明，在相同的情况下，混凝土的强度（fcu）与水灰比呈有规律的曲线关系，而与灰水比则呈线性关系。如图313所示，通过大量试验资料的数理统计分析，建立了混凝土强度经验公式（3 4）（又称鲍罗米公式）。为提高混凝土的强度和耐久性，满足施工工作性能要求以及某些特殊性能要求，混凝土中常掺加一定数量的矿物掺合料，这些矿物掺合料具有活性成分，能有条件地发生水化反应，与水泥合称为混凝土的胶凝材料，此时的水灰比相应改为水胶比。水胶比是指混凝土中用水量与胶凝材料用量的质量比。
fcu=αafb（WB-αb）
（3 4）
图313 混凝土强度与水灰比及灰水比的关系
式中 fcu———混凝土的立方体抗压强度，MPa；
B/W———混凝土胶水比；即1m3混凝土中胶凝材料与水用量之比，其倒数是水胶比；αa、αb———回归系数，与骨料种类有关；
fb———胶凝材料（水泥与矿物掺合料按使用比例混合）28d胶砂强度，MPa。
回归系数αa和αb可通过试验或本地区经验确定，若缺乏统计资料，可按表336取用。
表3 36
回归系数αa、αb选用表
上面的经验公式，一般只适用于流动性混凝土和低流动性混凝土，不适用于干硬性混凝土。
混凝土强度经验公式为配合比设计和质量控制带来极大便利。例如，当选定水泥强度等级（或强度）、水灰比（水胶比）和骨料种类时，可以推算混凝土28d强度值。又例如，根据设计要求的混凝土强度值，在原材料选定后，可以估算应采用的水灰比（水胶比）值。
（2）骨料的品质。骨料中的有害物质含量高，则混凝土强度低。骨料自身强度不足，也可能降低混凝土强度，在配制高强混凝土时尤为突出。
骨料的颗粒形状和表面粗糙度对强度影响较为显著，如碎石表面较粗糙，多棱角，与水泥砂浆的机械啮合力（即黏结强度）提高，混凝土强度较高。相反，卵石表面光洁，强度也较低，这一点在混凝土强度公式中的骨料系数已有所反映。但若保持流动性相等，水泥用量相等时，由于卵石混凝土可比碎石混凝土适当少用部分水，即水灰比略小，此时，两者强度相差不大。砂的作用效果与粗骨料类似。
当粗骨料中针片状颗粒含量较高时，将降低混凝土强度，对抗折强度的影响更显著。所以在骨料选择时要尽量选用接近球状体的颗粒。
（3）施工条件。施工条件主要指搅拌和振捣成型。一般来说机械搅拌比人工搅拌均匀，因此强度也相对较高；搅拌时间越均匀，混凝土强度越高。
投料方式对强度也有一定影响，采用分次投料搅拌工艺，能比一次全部投料搅拌提高
强度10%左右。
一般情况下，采用机械振捣比人工振捣均匀密实，强度也略高。而且机械振捣允许采用更小的水灰比，获得更高的强度。此外，高频振捣，多频振捣和二次振捣工艺等，均有利于提高强度。
（4）养护条件。混凝土浇筑成型后的养护温度、湿度是决定强度发展的主要外部因素。养护环境温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度发展也快，早期强度高；反之亦
然。但是，当养护温度超过40℃以上时，虽然能提高混凝土的早期强度，但28d以后的强度通常比20℃标准养护的低。若温度在冰点以下，不但水泥水化停止，而且有可能因冰冻导致混凝土结构疏松，强度严重降低，尤其是早期混凝土应特别加强防冻措施。
湿度通常指的是空气相对湿度。相对湿度低，空气干燥，混凝土中的水分挥发加快，致使混凝土缺水而停止水化，混凝土强度发展受阻。另一方面，混凝土在强度较低时失水过快，极易引起干缩开裂，影响混凝土耐久性。因此，应特别加强混凝土早期的浇水养护，确保混凝土内部有足够的水分使水泥充分水化。根据有关规定和经验，在混凝土浇筑完毕后12h内应开始对混凝土加以覆盖或浇水，养护开始的具体时间应根据实际情况而定。对硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥配制的混凝土浇水养护不得少于7d；使用粉煤灰水泥和火山灰水泥，以及掺有缓凝剂、膨胀剂、大量掺合料或有防水抗渗要求的混凝土浇水养护不得少于14d。
混凝土的养护除自然养护外，常在冬期施工和预制件厂采取湿热处理。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，其强度可达到标准养护条件下
28d强度的70%～80%。
蒸压养护是将混凝土在175℃温度和0.8MPa的蒸压釜中进行养护，这种方法对掺有混合材料的水泥更为有效。
在温度高、湿度小的环境，以及多风天气，应根据实际情况增加浇水次数，或采取可靠的保湿措施。低温环境或冬期施工，禁止洒水养护。对于大体积混凝土、早强混凝土、抗渗混凝土等特殊混凝土工程，应制定可靠的养护制度。
（5）龄期。龄期是指混凝土在正常养护下所经历的时间。随养护龄期增长，水泥水化程度提高，凝胶体增多，自由水和孔隙率减少，密实度提高，混凝土强度也随之提高。最初的7～14d内强度增长较快，而后增幅减少，28d以后，强度增长更趋缓慢，但如果养护条件得当，则在较长时间内仍将有所增长。
普通硅酸盐水泥配制的混凝土，在标准养护下，混凝土强度的发展大致与龄期（d）的对数成正比关系，因此可根据某一龄期的强度推定另一龄期的强度。特别是以早期强度推算28d龄期强度。如式（35）所示：
fcu，28=llgg2n8fcu，n
（3 5）
式中 fcu，28、fcu，n———28d和第n天时的混凝土抗压强度，n≥3。
当采用早强型普通硅酸盐水泥时，由3～7d强度推算28d强度会偏大。
混凝土实际养护时，强度增长受多种因素影响，用上面经验公式所估算的强度与实测
强度存在一定差异，应以实测强度为评定依据。
根据上式，可根据早期强度估算混凝土28d的强度；或推算28d前混凝土达到某一强度所需的养护天数，如确定生产施工进度：混凝土的拆模、构件的起吊、放松预应力钢筋、制品堆放、出厂等的日期。
【例32】某混凝土在标准条件（温度20℃±3℃，湿度大于95%）下养护7d测得抗压强度为26.0MPa，试估算该混凝土28d的抗压强度值。
解：
fcu.28=llgg2n8fcu，n=llgg278×26=44.5（MPa）
（6）外加剂和掺合料。
现代混凝土常掺加外加剂和掺合料来改变混凝土的强度及强度发展进程。
在混凝土中掺入减水剂，可在保证相同流动性前提下，减少用水量，降低水灰比，从而提高混凝土的强度。掺入早强剂，则可有效加速水泥水化速度，提高混凝土早期强度。
掺加粉煤灰、矿粉等掺合料，会提高混凝土强度，掺加硅灰等超细掺合料可配制高强、超高强混凝土。
（7）试验条件对测试结果的影响。
混凝土强度是根据破坏性试验测得的，试验条件会影响测试结果。试验条件是指试件的尺寸、形状、表面状态、含水率和加载速度等。
1）试件尺寸：试验表明，试件的尺寸越小，测得的强度相对越高，这是由于两方面原因：一是“环箍效应”，二是大试件内存在孔隙、裂缝或局部缺陷的几率增大，使强度降低。因此，当采用非标准尺寸试件时，要乘以尺寸换算系数。100mm×100mm×100mm立方体试件换算成150mm边长立方体标准试件时，应乘以系数0.95；200mm×
200mm×200mm的立方体试件的尺寸换算系数为1.05。
2）试件形状：主要指棱柱体和立方体试件之间的强度差异。由于“环箍效应”的影响，棱柱体强度较低，这在前面已有分析。
3）表面状态：表面平整，则受力均匀，强度较高；而表面粗糙或凹凸不平，则受力不均匀，强度偏低。若试件表面涂润滑剂及其他油脂物质时，“环箍效应”减弱，强度较低。
4）含水状态：混凝土含水率较高时，由于软化作用，强度较低；而混凝土干燥时，则强度较高。且混凝土强度等级越低，差异越大。
5）加载速度：根据混凝土受压破坏理论，混凝土破坏是在变形达到极限值时发生的。当加载速度较快时，材料变形的增长落后于荷载的增加速度，故破坏时的强度值偏高；相反，当加载速度很慢，混凝土将产生徐变，使强度偏低。
综上所述，混凝土的试验条件，将在一定程度上影响混凝土强度测试结果，因此，试验时必须严格执行有关标准规定。
6.提高混凝土强度的措施
根据上述影响混凝土强度的因素分析，提高混凝土强度可从以下几方面采取措施：（1）采用高强度等级水泥。
（2）尽可能降低水灰比，或采用干硬性混凝土。
（3）采用优质砂石骨料（有害杂质少，级配良好，粒径适当），选择合理砂率。（4）采用机械搅拌和机械振捣，确保搅拌均匀性和振捣密实性，加强施工管理。（5）改善养护条件，保证合理的温度和湿度条件，必要时可采用湿热养护。（6）掺入合适的外加剂和掺合料。
（二）混凝土的变形性能
混凝土在凝结硬化过程和凝结硬化以后，均将产生一定量的体积变形。主要包括化学收缩、干湿变形、自收缩、温度变形及荷载作用下的变形。
1.化学收缩
由于水泥水化产物的体积小于反应前水泥和水的总体积，从而使混凝土出现体积收缩。这种由水泥水化和凝结硬化而产生的自身体积减缩，称为化学收缩。其收缩值随混凝土龄期的增加而增大，大致与时间的对数成正比，亦即早期收缩大，后期收缩小。收缩量与水泥用量和水泥品种有关。水泥用量越大，化学收缩值越大。这一点在富水泥浆混凝土和高强混凝土中尤应引起重视。化学收缩是不可逆变形。
2.干湿变形———湿胀干缩
干燥混凝土吸湿或吸水后，其干缩变形可得到部分恢复，这种变形称为混凝土的湿胀。混凝土的湿胀变形量很小，对混凝土的性能基本上无影响。对于已干燥的混凝土，即使长期泡在水中，仍有部分干缩变形不能完全恢复，残余收缩约为总收缩的30%～50%。这是因为干燥过程中混凝土的结构和强度均发生了变化。但若混凝土一直在水中硬化时，体积不变，甚至略有膨胀，这是由于凝胶体吸水产生的溶胀作用，与化学收缩并不矛盾。
因混凝土内部水分蒸发引起的体积变形，称为干燥收缩。干缩变形对混凝土危害较大，干缩能使混凝土表面产生较大的拉应力而导致开裂，从而使混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀等耐久性能降低。在混凝土凝结硬化初期，如空气过于干燥或风速大、蒸发快，可导致混凝土塑性收缩裂缝。在混凝土凝结硬化以后，当收缩值过大，收缩应力超过混凝土极限抗拉强度时，可导致混凝土干缩裂缝。因此，混凝土的干燥收缩在设计时和实际工程中必须十分重视。结构设计中常采用的混凝土干缩率为（1.5～2.0）×10-4，即每米收缩
0.15～0.2mm。
3.自收缩
由于自收缩在普通混凝土中占总收缩的比例较小，几乎被忽略不计。但随着低水胶比高强高性能混凝土的应用，混凝土的自收缩问题重新得以关注。自收缩和干缩产生机理在实质上可以认为是一致的，常温条件下主要由毛细孔失水，形成水凹液面而产生收缩应力。所不同的只是自收缩是因水泥水化导致混凝土内部缺水，外部水分未能及时补充而产生，这在低水胶比高强高性能混凝土中是极其普遍的。干缩则是混凝土内部水分向外部挥发而产生。研
究结果表明，当混凝土的水胶比低于0.3时，自收缩率高达200×10-6～400×10-6。此外，
胶凝材料的用量增加和硅灰、磨细矿粉的使用都将增加混凝土的自收缩值。
影响混凝土收缩值的因素主要有：
（1）水泥用量。砂石骨料的收缩值很小，故混凝土的干缩主要来自水泥浆的收缩，水泥浆的收缩值可达2000×10-6m/m以上。在水灰比一定时，水泥用量越大，混凝土干缩值也越大。故在配制高强混凝土时，尤其要控制水泥用量。相反，若骨料含量越高，水泥
用量越少，则混凝土干缩越小。对普通混凝土而言，相应的干缩比为混凝土∶砂浆∶水泥
浆=1∶2∶4左右。混凝土的极限收缩值约为（500～900）×10-6m/m。
（2）水灰比。在水泥用量一定时，水灰比越大，意味着多余水分越多，蒸发收缩值也越大。因此要严格控制水灰比，尽量降低水灰比。
（3）水泥品种、细度和强度。一般情况下，采用矿渣水泥、火山灰水泥配制的混凝土，其收缩率明显大于采用普通水泥配制的混凝土。水泥颗粒愈细，混凝土干缩率越大；高强度水泥比低强度水泥收缩大。
（4）环境条件。气温越高、环境湿度越小或风速越大，混凝土的干燥速度越快，在混凝土凝结硬化初期特别容易引起干缩开裂，故必须加强早期浇水养护。空气相对湿度越低，最终的极限收缩也越大。
（5）骨料的影响。骨料用量少的混凝土，干缩率较大；骨料的弹性模量越小，混凝土的干缩率越大，故轻骨料混凝土的收缩比普通混凝土大得多；用吸水率大、含泥量大的骨料，混凝土的干缩率较大。
（6）施工质量的影响。在水中养护或在潮湿条件下养护可大大减小混凝土的干缩率；采用湿热处理养护，也可有效减小混凝土的干缩率。延长养护时间能推迟干缩变形的发生和发展，但影响较小。
4.温度变形
混凝土也具有热胀冷缩的性质，这种热胀冷缩的变形称为温度变形。混凝土的温度膨
胀系数约为（6～12）×10-6 ，常取10×10-6m/m·℃。即温度每升高或降低1℃，长1m
的混凝土将产生0.01mm的膨胀或收缩变形。混凝土的温度变形对大体积混凝土、纵长结构混凝土及大面积混凝土工程等极为不利，极易产生温度裂缝。如纵长100m的混凝土，温度升高或降低30℃则将产生30mm的膨胀或收缩，在完全约束条件下，混凝土内部将产生7.5MPa左右拉应力，足以导致混凝土开裂。故纵长结构或大面积混凝土均要采取设置伸缩缝、配置温度钢筋等措施，防止混凝土开裂。
混凝土是热的不良导体，散热较慢，在混凝土硬化初期，水泥水化释放的大量水化热将在混凝土内部蓄积而使混凝土的内部温度升高，这种现象对大体积混凝土来说尤为明显，有时可使内外温差达到20℃以上。水泥用量越多，水化放热量越大，内外温差越大。较大的混凝土内外温差将使内部混凝土的体积产生较大膨胀，而外部混凝土随气温降低而收缩，致使外部混凝土产生拉应力，严重时将导致混凝土产生裂缝———即“温度裂缝”。因此，对大体积混凝土工程，必须设法采取有效措施，以减少因温度变形而引起的混凝土质量问题，如采用低热水泥，减少水泥用量，掺加缓凝剂，采用人工降温，设温度伸缩缝，以及在结构内配置温度钢筋等。
5.荷载作用下的变形
（1）短期荷载作用下的变形。混凝土在外力作用下的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。塑性变形主要由水泥凝胶体的塑性流动和各组成成分间的滑移产生，所以混凝土是一种弹塑性材料，在短期荷载作用下，混凝土既产生可以恢复的弹性变形，又产生不可恢复的塑性变形，其应力与应变关系为一条曲线，如图314所示。
（2）混凝土的静力弹性模量。弹性模量为应力与应变之比值。对纯弹性材料来说，弹
图314 混凝土在荷载作用下
的应力—应变关系
性模量是一个定值，而对混凝土这一弹塑性材料来说，不同应力水平的应力与应变之比值为变数。应力水平越高，塑性变形比重越大，故测得的比值越小。因此，我国标准规定，混凝土的弹性模量是以棱柱体
（150mm×150mm×300mm）试件抗压强度的40%作
为控制值，在此应力水平下重复加荷—卸荷3次以上，以基本消除塑性变形后测得的应力—应变之比值，是一个条件弹性模量，在数值上近似等于初始切线的斜率。表达式为：
Eh=
σε
（3 6）
式中 Eh———混凝土静力抗压弹性模量，MPa；
σ———混凝土的应力取40%的棱柱体强度，MPa；ε———混凝土应力为σ时的弹性应变，m/m无量纲。
混凝土弹性模量与混凝土强度有密切关系，当缺乏试验资料时，根据《混凝土结构设
计规范》（GB50010—2010）按表3 37选用。
表3 37
混凝土弹性模量
单位：×104MPa
在实际工程中，不同用途的混凝土结构，对混凝土弹性模量的要求是不一样的。对于一般建筑物的混凝土结构，要求在受力时仅产生较小的变形，即须有足够的刚度，所以要求混凝土具有足够高的弹性模量；但对于水利水电工程中的混凝土防渗墙来说，为了保持混凝土防渗墙刚性体与坝基柔性体间在受力过程中的变形协调性，要求混凝土在受力时能承受较大的变形，所以要求混凝土具有较小的弹性模量。
影响弹性模量的因素主要有：
1）混凝土强度越高，弹性模量越大。C10～C60混凝土的弹性模量约在1.75×104～
3.60×104MPa。
2）骨料含量越高，骨料自身的弹性模量越大，则混凝土弹性模量越大。3）混凝土水灰比越小，混凝土越密实，弹性模量越大。
4）混凝土养护龄期越长，弹性模量也越大。
5）早期养护温度较低时，弹性模量较大，亦即蒸汽养护混凝土的弹性模量较小。6）掺入引气剂将使混凝土弹性模量下降。
（3）长期荷载作用下的变形———徐变。
混凝土在一定的应力水平（如50%～70%的极限强度）下，保持荷载不变，随着时间的延续而增加的变形称为徐变。其特征是加荷早期的徐变增加较快，后期减缓，2～3年后趋于稳定。徐变产生的原因主要是凝胶体的黏性流动和滑移。混凝土在卸荷后，一部分变形瞬间恢复，这一变形小于最初加荷时产生的弹塑性变形。在卸荷后一定时间内，变
形还会缓慢恢复一部分，称为徐变恢复。最后残留部分的变形称为残余变形。混凝土的徐
变一般可达300×10-6～1500×10-6m/m。
混凝土的徐变在不同结构物中有不同的作用。对普通钢筋混凝土构件，能消除混凝土内部温度应力和收缩应力，减弱混凝土的开裂现象。对预应力混凝土结构，混凝土的徐变使预应力损失大大增加，这是极其不利的。因此预应力结构一般要求较高的混凝土强度等级以减小徐变及预应力损失。
影响混凝土徐变变形的因素主要有：
1）水泥用量越大（水灰比一定时），徐变越大。2）水灰比越小，徐变越小。
3）龄期长、结构致密、强度高，则徐变小。
4）骨料用量多，骨料弹性模量高，级配好，最大粒径大，则徐变小。5）应力水平越高，徐变越大。
（三）混凝土的耐久性
混凝土的耐久性是指在外部和内部不利因素的长期作用下，保持其原有设计性能和使用功能的性质。耐久性是混凝土结构经久耐用的重要指标。外部因素指的是酸、碱、盐的腐蚀作用，冰冻破坏作用，水压渗透作用，碳化作用，干湿循环引起的风化作用，荷载应力作用和振动冲击作用等。内部因素主要指的是碱骨料反应和自身体积变化。根据混凝土所处的环境条件不同，混凝土耐久性应考虑的因素也不同。通常用混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能、抗腐蚀性能和碱骨料反应综合评价混凝土的耐久性。
《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）对混凝土结构耐久性作了明确界定，共分为5大环境类别，见表338。
表3 38
混凝土结构的环境类别
注 1.室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境。
2.严寒和寒冷地区的划分应符合国家标准《民用建筑热工设计规范》（GB50176）的有关规定。
3.海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究
和工程经验确定。
4.受除冰盐影响环境是指受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境是指被除冰盐溶液溅射的环境以及使
用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑。
5.暴露的环境是指混凝土结构表面所处的环境。
一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土的耐久性应符合表3
39的规定。
表3 39
结构混凝土的耐久性基本要求
注 1.氯离子含量系指其占胶凝材料总量的百分比。
2.预应力构件混凝土中最大氯离子含量为0.06%，最低混凝土强度等级宜按表中的规定提高两个等级。3.素混凝土结构的水胶比和最低强度等级的要求可适当放松。
4.当有可靠工程经验时，二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级。
5.处于严寒和寒冷地区二b、三a类环境中的混凝土应使用引气剂，并可采用括号中的有关参数。6.当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。
对一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土，应符合下列规定：钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30；预应力混凝土结构为C40；最大氯离子含量为0.06%；宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，最大碱含量为3.0kg/m3；保护层厚度相应增加40%；使用过程中应定期维护。
对二类和三类环境中设计使用年限为100年的混凝土结构，应采取专门有效措施。三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧树脂涂层带肋钢筋；对预应力钢筋、
锚具及连接器，应采取专门防护措施。
四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。1.混凝土的抗渗性
混凝土的抗渗性是指抵抗压力液体（水、油、溶液等）渗透作用的能力。抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的技术指标。因为混凝土抗渗性好，即混凝土密实性高，外界腐蚀介质不易侵入混凝土内部，从而抗腐蚀性能就好。同样，水不易进入混凝土内部，冰冻破坏作用和风化作用就小。因此混凝土的抗渗性可以认为是混凝土耐久性指标的综合体现。对一般混凝土结构，特别是地下建筑、水池、水塔、水管、水坝、排污管渠、油罐以及港工、海工混凝土结构，更应保证混凝土具有足够的抗渗性能。
混凝土的抗渗性能用抗渗等级表示。因现行行业规范不同，抗渗等级符号的表示方法
也不同，如“Sn”、“Pn”、“Wn”。防水工程的抗渗等级符号分为P6、P8、P10和P12，
分别表示混凝土能抵抗0.6、0.8、1.0MPa和1.2MPa的水压力而不渗漏。水利水电工程
用混凝土抗渗等级分为 W2、W4、W6、W8、W10、W12六级，抗渗等级不小于 W6级的
混凝土称为抗渗混凝土。
混凝土结构设计中，抗渗等级的选择应根据混凝土的用途、承受的水压等选用。过去按《地下工程防水技术规范》（GBJ108—87）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2002）规定的按最大水头与防水混凝土厚度的比值确定混凝土的设计抗渗等级，其值
偏高，施工困难，混凝土质量难以保证。现行《地下工程防水技术规范》（GB50108—2001）改为按工程的埋置深度来确定混凝土的设计抗渗等级，见表340。
表3 40
防水混凝土工程设计抗渗等级
影响混凝土抗渗性的主要因素有：
（1）水灰比和水泥用量。水灰比和水泥用量是影响混凝土抗渗透性能的最主要指标。水灰比越大，多余水分蒸发后留下的毛细孔道就多，亦即孔隙率大，又多为连通孔隙，故混凝土抗渗性能越差。特别是当水灰比大于0.6时，抗渗性能急剧下降。因此，为了保证混凝土的耐久性，对水灰比必须加以限制。如某些工程从强度计算出发可以选用较大水灰比，但为了保证耐久性又必须选用较小水灰比，此时只能提高强度、服从耐久性要求。为保证混凝土耐久性，水泥用量的多少，在某种程度上可由水灰比表示。因为混凝土达到一定流动性的用水量基本一定，水泥用量少，亦即水灰比大。《普通混凝土配合比设计规程》
（JGJ55—2000）中对水灰比值作了如表3 41所示的限制。
（2）骨料含泥量和级配。骨料含泥量高，则总表面积增大，混凝土达到同样流动性所需用水量增加，毛细孔道增多；另一方面，含泥量大的骨料界面黏结强度低，也将降低混凝土的抗渗性能。若骨料级配差，则骨料空隙率大，填满空隙所需水泥浆增多，同样导致毛细孔增加，影响抗渗性能。如水泥浆不能完全填满骨料空隙，则抗渗性能更差。
表3 41
抗渗混凝土最大水灰比
（3）施工质量和养护条件。搅拌均匀、振捣密实是混凝土抗渗性能的重要保证。适当的养护温度和浇水养护是保证混凝土抗渗性能的基本措施。如果振捣不密实留下蜂窝、孔洞，抗渗性就严重下降，如果温度过低产生冻害或温度过高产生温度裂缝，抗渗性能严重降低。如果浇水养护不足，混凝土产生干缩裂缝，也严重降低混凝土抗渗性能。因此，要保证混凝土良好的抗渗性能，施工养护是一个极其重要的环节。
此外，水泥的品种、混凝土拌合物的保水性和黏聚性等，对混凝土抗渗性能也有显著影响。
掺加矿物掺合料，能提高混凝土密实度，细化孔隙，改善孔结构和骨料与水泥石界面的过渡区结构，也可提高抗渗性。
提高混凝土抗渗性的措施，除了对上述相关因素加以严格控制外，可通过掺入引气剂或引气减水剂提高抗渗性。其主要作用机理是引入微细封闭孔隙、阻断连通毛细孔道，同时降低水灰比。但对长期处于潮湿和严寒环境中混凝土的含气量应分别不小于4.5%
（Dmax=40mm）、5.5%（Dmax=25mm）、5.0%（Dmax=20mm）。
2.混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。
混凝土冻融破坏的机理，主要是内部毛细孔中的水结冰时产生9%左右的体积膨胀，在混凝土内部产生膨胀应力，当这种膨胀应力超过混凝土局部的抗拉强度时，就可能产生微细裂缝，在反复冻融作用下，混凝土内部的微细裂缝逐渐增多和扩大，最终导致混凝土强度下降，或混凝土表面（特别是棱角处）产生酥松剥落，直至完全破坏。
混凝土抗冻性以抗冻等级表示。抗冻等级是以28d龄期的标准试件在吸水饱和后于-25～+20℃的冻融液中进行反复冻融循环，以达到相对动弹性模量下降至初始值的60%或质量损失率达5%中任一条件时，所能承受的最大冻融循环次数来确定。混凝土工程的结构（包括构件）混凝土基本采用抗冻等级（快冻法），符号为F；建材行业的混凝土制品基本上还沿用抗冻标号（慢冻法），符号为D；混凝土的抗冻等级可分为：F10、
F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300九级，分别表示混凝土能够承受反复冻融循环的次数为10、15、25、50、100、150、200、250次和300次。水利工程混凝土的抗冻等级可分为：F50、F100、F150、F200、F250和F300六级。抗冻等级≥F50的
混凝土称为抗冻混凝土。
影响混凝土抗冻性的主要因素有：
（1）水灰比或孔隙率。水灰比大，则孔隙率大，吸水率也增大，冰冻破坏严重，抗冻性差。
（2）孔隙特征。连通毛细孔易吸水饱和，冻害严重。若为封闭孔，则不易吸水，冻害就小。故加入引气剂能提高抗冻性。若为粗大孔隙，则混凝土一离开水面水就流失，冻害就小。
（3）吸水饱和程度。若混凝土的孔隙非完全吸水饱和，冰冻过程产生的冰胀压力促使水分向孔隙处迁移，从而降低冰冻膨胀应力，对混凝土破坏作用就小。
（4）混凝土的自身强度。在相同的冰冻破坏应力作用下，混凝土强度越高，冻害程度也就越低。
此外还与降温速度和冰冻温度有关。
从上述分析可知，要提高混凝土抗冻性，关键是提高混凝土的密实性，即降低水灰比；加强施工养护，提高混凝土的强度和密实性，同时也可掺入引气剂等改善孔结构。
3.混凝土的抗碳化性能
（1）混凝土碳化机理。混凝土碳化是指混凝土内水化产物Ca（OH）2与空气中的CO2在一定湿度条件下发生化学反应，产生CaCO3和水的过程。反应式如下：
Ca（OH）2+CO2+H2O═══CaCO3+2H2O
碳化使混凝土的碱度下降，故也称混凝土中性化。碳化过程是由表及里逐步向混凝土内部发展的，碳化深度大致与碳化时间的平方根成正比，可用下式表示：
L=K㊣t
（3 7）
式中 L———碳化深度，mm；
t———碳化时间，d；
K———碳化速度系数。
碳化速度系数与混凝土的原材料、孔隙率和孔隙构造、CO2浓度、温度、湿度等条件有关。在外部条件（CO2浓度、温度、湿度）一定的情况下，它反映混凝土的抗碳化能力强弱。其值越大，混凝土碳化速度越快，抗碳化能力越差。
快速碳化试验碳化深度小于20mm的混凝土，其抗碳化性能较好，通常可满足大气环境下50年的耐久性要求。在大气环境下，有其他腐蚀介质侵蚀的影响，混凝土的碳化会发展得快一些，此种情况下快速碳化试验碳化深度小于10mm的混凝土的碳化性能良好。
（2）碳化对混凝土性能的影响。碳化作用对混凝土的负面影响主要有两方面：一是碳化作用使混凝土的收缩增大，导致混凝土表面产生拉应力，从而降低混凝土的抗拉强度和抗折强度，严重时直接导致混凝土开裂。由于开裂降低了混凝土的抗渗性能，使得CO2和其他腐蚀介质更易进入混凝土内部，加速碳化作用，降低耐久性。二是碳化作用使混凝土的碱度降低，失去混凝土强碱环境对钢筋的保护作用，导致钢筋锈蚀膨胀，严重时，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，直至剥落，进一步加速碳化和腐蚀，严重影响钢筋混凝土结构的力学性能和耐久性能。
碳化作用对混凝土有利的两个方面是：一是碳化生成的CaCO3能填充混凝土中的孔隙，使密实度提高；另一方面，碳化作用释放出的水分有利于促进未水化水泥颗粒的进一步水化。因此，碳化作用能适当提高混凝土的抗压强度，但对混凝土结构而言，碳化作用造成的危害远远大于抗压强度的提高。
（3）影响混凝土碳化速度的主要因素。
1）混凝土的水灰比。水灰比是影响混凝土碳化速度的最主要因素，水灰比的大小主要影响混凝土孔隙率和密实度，水灰比大，混凝土的碳化速度就快。
2）水泥品种和用量。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的水化产物中Ca（OH）2含量高，碳化同样深度所消耗的CO2量要求多，相当于碳化速度减慢。而矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥以及高掺量混合材料配制的混凝土，Ca（OH）2含量低，碱度低，故碳化速度相对较快。
水泥用量大，碳化速度相对较慢。
3）施工养护。搅拌均匀、振捣密实、养护良好的混凝土碳化速度较慢。蒸汽养护的混凝土碳化速度相对较快。
4）环境条件。空气中CO2的浓度大，碳化速度加快。
当空气相对湿度为50%～75%时，碳化速度最快。当相对湿度小于20%时，由于缺少水环境，碳化终止；当相对湿度达100%或水中混凝土，由于CO2不易进入混凝土孔隙内，碳化也将停止。
（4）提高混凝土抗碳化性能的措施。从上述影响混凝土碳化速度的因素分析可知，提高混凝土抗碳化性能的关键是提高混凝土的密实性，降低孔隙率，阻止CO2向混凝土内部渗透。提高混凝土碳化性能的主要措施有：
1）根据环境条件合理选择水泥品种。
2）使用减水剂、引气剂等外加剂降低水灰比或改善孔隙结构。
3）采用水灰比小、单位水泥用量较大的混凝土配合比，提高混凝土的密实度。4）保证混凝土浇筑振捣质量，加强养护。
5）在混凝土表面涂刷保护层，防止CO2侵入等。4.混凝土的碱—骨料反应
碱—骨料反应是指混凝土内水泥中所含的碱（K2O和Na2O），与骨料中的活性SiO2发生化学反应，在骨料表面形成碱—硅酸凝胶，吸水后将产生3倍以上的体积膨胀，从而导致混凝土膨胀开裂而破坏。碱—骨料反应速度极慢，但造成的危害极大，一般要经过若干年后才会发现，而一旦发生则很难修复。从外观上看，在少钢筋约束的部位多产生网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，很多情况下还可看到从裂缝溢出白色或透明胶体的痕迹。
发生碱—骨料反应必须具备的3个条件是：①混凝土中含碱量较高[水泥含碱当量
（Na2O+0.658K2O）%＞0.6%，或混凝土中含碱量超过3.0kg/m3]；②骨料中含有相当
数量活性成分；③潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。
因此，对水泥中碱含量＞0.6%；骨料中含有活性SiO2且在潮湿环境或水中使用的混凝土工程，必须加以重视。大型水工结构、桥梁结构、高等级公路、飞机场跑道一般均要求对骨料进行碱活性试验或对水泥的碱含量加以限制。
避免碱—骨料反应的措施有：（1）尽量采用非活性骨料。
（2）选用低碱水泥，并严格控制混凝土中总的含碱量。
（3）在混凝土中掺入适量的粉煤灰、磨细矿渣等掺合料，可延缓或抑制混凝土的碱—骨料反应。
（4）改善混凝土的结构。如在混凝土中掺用引气剂，使其中含有大量均匀分布的微小气泡，可减小膨胀破坏作用；保证施工质量，防止因振捣不密实产生的蜂窝麻面及因养护不当产生的干缩裂缝等，能防止水分侵入混凝土内部，从而起到制止碱—骨料反应的作用。
（5）改善混凝土的使用条件。应尽量使混凝土结构处于干燥状态，特别是要防止经常受干湿交替变化，必要时还可以在混凝土表面进行防水处理。
5.抗磨性及抗气蚀性
抗磨性是路面、机场跑道和桥梁混凝土的重要性能指标之一，这类工程均要求混凝土具有较好的耐磨性能。受挟砂高速水流冲刷的桥墩、溢洪道表面、管渠、河坝用混凝土、受反复冲击动荷载及循环磨损的道路路面混凝土，要求具有较高的抗冲刷耐磨性。混凝土的抗磨性与混凝土强度、原材料的特性及配比等密切相关。选用坚硬耐磨的骨料与颗粒分布较宽、强度等级较高的硅酸盐水泥配制成的高强度混凝土，若经振捣密实、并保证表面平整光滑，则具有较高的耐磨性。对于有抗磨要求的混凝土，其强度等级应不低于C35。对于受磨损特别严重的部位，可采用耐磨性较强的材料加以防护。
对于表面凹凸不平、断面突变或急速转弯的渠道、溢洪道等结构体，当高速水流流经时会出现气蚀现象，在结构体表面产生高频、局部、具有冲击性的应力而剥蚀混凝土。气蚀现象的产生与建筑物类型、水流条件等因素有关。解决气蚀问题的方法是在设计、施工及运行中消除发生气蚀的原因，并在结构体过水表面采用抗气蚀性较好的材料。对混凝土
来说，提高抗气蚀性的主要途径是采用C50以上等级的混凝土，控制粗骨料的最大粒径不大于20mm，掺用硅粉和高效减水剂，严格控制施工质量，保证所浇筑混凝土结构密实、表面光滑平整。
6.抗侵蚀性
当混凝土所处的环境水有侵蚀性时，混凝土便会遭受侵蚀，通常有软水侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀、碳酸侵蚀、一般酸类侵蚀与强碱侵蚀等，其侵蚀机理详见第二章水泥相关章节。海水中的氯离子还会对钢筋起锈蚀作用，促使混凝土破坏。
一般在混凝土处于硫酸盐侵蚀环境时会对混凝土的抗硫酸盐性能提出要求，一般而言，抗硫酸盐等级为KS120的混凝土具有较好的抗硫酸盐侵蚀性能，抗硫酸盐等级超过KS150的混凝土具有优异的抗硫酸盐侵蚀性能。
混凝土氯离子迁移系数往往是针对海洋等氯离子侵蚀环境的控制指标，此类环境的工程由于耐久性需要，一般都掺入较多的矿物掺合料，规定84d龄期指标相对比较合理，目前84d龄期指标已经被工程广泛采用。一般而言，84d龄期的氯离子迁移系数小于2.5×
10-12m2/s，表明混凝土具有较好的抗氯离子渗透性能。系数小于1.5×10-12m2/s，表明
混凝土具有优异的抗氯离子渗透性能。当采用电通量作为混凝土抗氯离子渗透性能的指标控制时，对于大掺量矿物掺合料（混凝土中水泥混合料与矿物掺合料之和超过胶凝材料用量的50%）的混凝土，28d的试验结果可能不能准确反映混凝土真实的氯离子渗透性能，故允许采用56d的测试值进行判定，见表342、表343。
表3 42
抗氯离子渗透性等级与混凝土耐久性水平关系
表3 43
电通量的等级划分
混凝土的抗侵蚀性与所用水泥品种、混凝土的密实程度和孔隙特征有关。与硅酸盐水泥和普通水泥相比，矿渣水泥、火山灰质水泥、粉煤灰水泥和复合水泥的抗侵蚀性较好；结构密实和具有封闭孔隙的混凝土，环境水不易侵入，故其抗侵蚀性较好。所以，提高混凝土抗侵蚀性的措施，主要是合理选择水泥品种，降低水灰比，提高混凝土密实度和改善孔隙结构。
7.提高混凝土耐久性的措施
虽然混凝土工程因所处环境和使用条件不同，有不同的耐久性要求，但就影响混凝土耐久性的因素来说，混凝土的密实度是关键，因此提高混凝土的耐久性可以从以下几方面进行：
（1）控制混凝土最大水灰比和最小水泥用量。（2）合理选择水泥品种。
（3）选用品质良好、级配合格的骨料。
（4）加强施工质量控制。（5）采用适宜的外加剂。
（6）掺入粉煤灰、磨细矿粉、硅灰或沸石粉等活性混合材料。
耐久性是一项长期性能，而破坏过程又十分复杂。因此，要较准确地进行测试及评价，还存在着不少困难。现在只是采用快速模拟试验，对在一个或少数几个破坏因素作用下的一种或几种性能变化，进行对比并加以测试的方法还不够理想，评价标准也不统一，对于破坏机理及相似规律更缺少深入的研究，因此到目前为止，混凝土的耐久性还难于预测。除了试验室快速试验以外，进行长期暴露试验和工程实物的观测，从而积累长期数据，将有助于耐久性的正确评定。