自考本科《交通土建工程》畢業論文
標題：關于混凝土性能的影響因素

 
 
引  言
 
混凝土廣泛用于各種工程建設項目，是目前用量最大的建筑結構材料。混凝土是一種充滿生命力的建筑材料，具有原料豐富，價格低廉，生產工藝簡單的特點，因而使其用量越來越大。本文論述了混凝土的定義、性能、影響性能的因素、影響性能因素的原因和解決措施等。
 
關鍵詞：混凝土、性能、因素
 
一 混凝土的定義
 
混凝土是當代最主要的土木工程材料之一。混凝土，簡稱為“砼”：是指由膠凝材料將集料膠結成整體的工程復合材料的統稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作集料；與水（可含外加劑和摻合料）按一定比例配合，經攪拌而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土。混凝土具有抗壓強度高，耐久性好，強度等級范圍寬等特點。這些特點使其使用范圍十分廣泛，不僅在各種土木工程中使用，就是造船業，機械工業，海洋的開發，地熱工程等，混凝土也是重要材料。
 
二 混凝土的分類
 
1、膠凝材料
 
（1)無機膠凝材料混凝土，無機膠凝材料混凝土包括石灰硅質膠凝材料混醛土 (如硅酸鹽混凝土)、硅酸鹽水泥系混凝土 (如硅酸鹽水泥、普通水泥，礦渣水泥，粉煤灰水泥、火山灰質水泥、早強水泥混凝土等). 鈣鋁水泥系混凝土 (如高鋁水泥、純鋁酸鹽水泥、噴射水泥，超速硬水泥混凝土等)、石膏混凝土、鎂質水泥混凝土、硫磺混凝土、水玻璃氟硅酸鈉混凝土、金屬混凝土 (用金屬代替水泥作膠結材料 等。
（2)有機膠凝材料混凝土。有機膠凝材料混凝土主要有瀝青混凝土和聚合物水泥混凝土、樹脂混凝土、聚合物浸漬混凝土等。此外，無機與有機復合的膠體材料混凝土，還可以分聚合物水泥混凝土和聚合物輯靛混凝土。
 
2、表觀密度
 
混凝土按照表觀密度的大小可分為：重混凝土、普通混凝土、輕質混凝土。這三種混凝土不同之處就是骨料的不同。
 
重混凝土是表觀密度大于2500公斤立方米，用特別密實和特別重的集料制成的。如重晶石混凝土、鋼屑混凝土等，它們具有不透x射線和γ射線的性能；常由重晶石和鐵礦石配制而成。
普通混凝土即是我們在建筑中常用的混凝土，表觀密度為1950～2500Kg立方米，主要以砂、石子為主要集料配制而成，是土木工程中最常用的混凝土品種。
 
輕質混凝土是表觀密度小于1950公斤立方米的混凝土。它又可以分為三類：
 
（1）．輕集料混凝土，其表觀密度在800～1950公斤立方米，輕集料包括浮石、火山渣、陶粒、膨脹珍珠巖、膨脹礦渣、礦渣等。
（2）．多空混凝土（泡沫混凝土、加氣混凝土），其表觀密度是300～1000公斤立方米。泡沫混凝土是由水泥漿或水泥砂漿與穩定的泡沫制成的。加氣混凝土是由水泥、水與發氣劑制成的。
（3）．大孔混凝土（普通大孔混凝土、輕骨料大孔混凝土），其組成中無細集料。普通大孔混凝土的表觀密度范圍為1500～1900公斤立方米，是用碎石、軟石、重礦渣作集料配制的。輕骨料大孔混凝土的表觀密度為500～1500公斤立方米，是用陶粒、浮石、碎磚、礦渣等作為集料配制的。
 
3、按定額
 
（1）普通混凝土。普通混凝土分為：普通半干硬性混凝土，普通泵送混凝土和水下灌注混凝土，他們每個又分為：碎石混凝土和卵石混凝土；
（2）抗凍混凝土。抗凍混凝土分為：抗凍半干硬性混凝土，抗凍泵送混凝土,他們每個又分為：碎石混凝土和卵石混凝土。
 
4、使用功能
 
結構混凝土、保溫混凝土、裝飾混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防輻射混凝土等。
 
5、施工工藝
 
離心混凝土、真空混凝土、灌漿混凝土、噴射混凝土、碾壓混凝土、擠壓混凝土、泵送混凝土等。按配筋方式分有：素(即無筋)混凝土、鋼筋混凝土、鋼絲網水泥、纖維混凝土、預應力混凝土等。
 
6、按拌合物
 
干硬性混凝土、 半干硬性混凝土、 塑性混凝土、流動性混凝土、高流動性混凝土、流態混凝土等。
 
7、按摻和料
 
粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、礦渣混凝土、纖維混凝土等。另外，混凝土還可按抗壓強度分為：低強混凝土（抗壓強度小于30MPa）、中強度混凝土（抗壓強度30-60Mpa)和高強度混凝土（抗壓強度大于等于60MPa）；按每立方米水泥用量又可分為：貧混凝土（水泥用量不超過170kg）和富混凝土（水泥用量不小于230kg）等。
 
三 混凝土的基本性能要求
 
1、和易性 ：
 
混凝土拌合物最重要的性能。它綜合表示拌合物的稠度、流動性、可塑性、抗分層離析泌水的性能及易抹面性等。測定和表示拌合物和易性的方法和指標很多，中國主要采用截錐坍落筒測定的坍落度(毫米)及用維勃儀測定的維勃時間（秒），作為稠度的主要指標。
 
2、強度：
 
混凝土硬化后的最重要的力學性能，是指混凝土抵抗壓、拉、彎、剪等應力的能力。水灰比、水泥品種和用量、集料的品種和用量以及攪拌、成型、養護，都直接影響混凝土的強度。混凝土按標準抗壓強度(以邊長為150mm的立方體為標準試件,在標準養護條件下養護28天,按照標準試驗方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度)劃分的強度等級,稱為標號,分為C10、C15、C20、C25等。混凝土的抗拉強度僅為其抗壓強度的18～113。提高混凝土抗拉、抗壓強度的比值是混凝土改性的重要方面。
 
3、變形 ：
 
混凝土在荷載或溫濕度作用下會產生變形，主要包括彈性變形、塑性變形、收縮和溫度變形等。混凝土在短期荷載作用下的彈性變形主要用彈性模量表示。在長期荷載作用下,應力不變,應變持續增加的現象為徐變,應變不變,應力持續減少的現象為松弛。由于水泥水化、水泥石的碳化和失水等原因產生的體積變形，稱為收縮。硬化混凝土的變形來自兩方面：環境因素(溫、濕度變化)和外加荷載因素，因此有：
 
（1）荷載作用下的變形
 
1.彈性變形
2.非彈性變形
 
（2）非荷載作用下的變形
 
1.收縮變形（干縮、自收縮）
2.膨脹變形（濕脹）
 
（3）復合作用下的變形
 
徐變
 
4、耐久性：
 
混凝土在使用過程中抵抗各種破壞因素作用的能力。混凝土耐久性的好壞，決定混凝土工程的壽命。它是混凝土的一個重要性能，因此長期以來受到人們的高度重視。
 
在一般情況下，混凝土具有良好的耐久性。但在寒冷地區，特別是在水位變化的工程部位以及在飽水狀態下受到頻繁的凍融交替作用時，混凝土易于損壞。為此對混凝土要有一定的抗凍性要求。用于不透水的工程時，要求混凝土具有良好的抗滲性和耐蝕性。抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性為混凝土耐久性。
 
影響混凝土耐久性的破壞作用主要有6種：
 
冰凍-融解循環作用：是最常見的破壞作用，以致有時人們用抗凍性來代表混凝土的耐久性。凍融循環在混凝土中產生內應力，促使裂縫發展、結構疏松，直至表層剝落或整體崩潰。
 
環境水的作用：包括淡水的浸溶作用、含鹽水和酸性水的侵蝕作用等。其中硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽和酸類溶液在一定條件下可產生劇烈的腐蝕作用，導致混凝土的迅速破壞。環境水作用的破壞過程可概括成為兩種變化：一是減少組分，即混凝土中的某些組分直接溶解或經過分解后溶解；二是增加組分，即溶液中的某些物質進入混凝土中產生化學、物理或物理化學變化，生成新的產物。上述組分的增減導致混凝土體積的不穩定。
 
風化作用：包括干濕、冷熱的循環作用。在溫度、濕度變幅大、變化快的地區以及兼有其他破壞因素（例如鹽、堿、海水、凍融等）作用時，常能加速混凝土的崩潰。中性化作用：在空氣中的某些酸性氣體，如Cl2、H2S和CO2在適當溫、濕度條件下使混凝土中液相的堿度降低，引起某些組分的分解，并使體積發生變化。
 
鋼筋銹蝕作用：在鋼筋混凝土中，鋼筋因電化學作用生銹，體積增加，脹壞混凝土保護層，結果又加速了鋼筋的銹蝕，這種惡性循環使鋼筋與混凝土同時受到嚴重的破壞，成為毀壞鋼筋混凝土結構的一個最主要原因。
 
堿-集料反應：最常見的是水泥或水中的(堿分Na2O、K2O)和某些活性集料(如蛋白石、燧石、安山巖、方石英)中的SiO2起反應，在界面區生成堿的硅酸鹽凝膠，使體積膨脹，最后能使整個混凝土建筑物崩解。這種反應又名堿-硅酸反應。此外還有堿-硅酸鹽反應與堿-碳酸鹽反應。
此外，有人將抵抗磨損、氣蝕、沖擊以至高溫等作用的能力也納入耐久性的范圍。上述各種破壞作用還常因其具有循環交替和共存疊加而加劇。前者導致混凝土材料的疲勞；后者則使破壞過程加劇并復雜化而難于防治。
 
要提高混凝土的耐久性，必須從抵抗力和作用力兩個方面入手。增加抵抗力就能抑制或延緩作用力的破壞。因此提高混凝土的強度和密實性常常有利于耐久性的改善，其中密實性尤為重要，因為孔縫常是破壞因素進入混凝土內部的途徑，所以混凝土的抗滲性和抗凍性密切相關。另一方面通過改善環境以削弱作用力，也能提高混凝土的耐久性。此外，還可采用外加劑（例如引氣劑之對于抗凍性等），謹慎選擇水泥和集料，摻加聚合物，使用涂層材料等，來有效地改善混凝土的耐久性，延長混凝土工程的安全使用期。
 
耐久性是一項長期性能，而破壞過程又十分復雜。因此，要較準確地進行測試及評價，還存在著不少困難。只是采用快速模擬試驗，對在一個或少數幾個破壞因素作用下的一種或幾種性能變化，進行對比并加以測試的方法還不夠理想，評價標準也不統一，對于破壞機理及相似規律更缺少深入的研究，因此到目前為止，混凝土的耐久性還難于預測。除了試驗室快速試驗以外，進行長期暴露試驗和工程實物的觀測，從而積累長期數據，將有助于耐久性的正確評定。
 
5、組成材料與結構
 
普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、細骨料（砂）、外加劑和水拌合，經硬化而成的一種人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收縮；水泥和水形成水泥漿，包裹在粗細骨料表面并填充骨料間的空隙。水泥漿體在硬化前起潤滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后將骨料膠結在一起，形成堅強的整體。
 
6、主要技術性質
 
混凝土的性質包括混凝土拌合物的和易性、混凝土強度、變形及耐久性等。和易性又稱工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工條件下，便于各種施工工序的操作，以保證獲得均勻密實的混凝土的性能。和易性是一項綜合技術指標，包括流動性（稠度）、粘聚性和保水性三個主要方面。
 
強度是混凝土硬化后的主要力學性能，反映混凝土抵抗荷載的量化能力。混凝土強度包括抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗折及握裹強度。其中以抗壓強度最大，抗拉強度最小。
 
混凝土的變形包括非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形。非荷載作用下的變形有化學收縮、干濕變形及溫度變形等。水泥用量過多，在混凝土的內部易產生化學收縮而引起微細裂縫。混凝土耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。包括混凝土的抗凍性、抗滲性、抗蝕性及抗碳化能力等。
 
四 影響混凝土性能的常見因素
 
作為建筑工程的主要材料，混凝土對建筑工程的質量有著重大的影響。混凝土的主要性能有：混凝土強度性能；混凝土工作性能；混凝土耐久性能；混凝土的經濟性等。下面我們將對影響這四個性能的常見因素進行分析介紹。
 
1、影響混凝土和易性的主要因
 
（1）單位用水量：單位用水量是混凝土流動性的決定因素。用水量增大，流動性隨之增大.但用水量大帶來的不利影響是保水性和粘聚性變差，易產生泌水分層離析.從而影響混凝土的勻質性、強度和耐久性。大量的實驗研究明在原材料品質一定的條件下，單位用水量一旦選定.單位水泥用最增減50-100kg每立方米.混凝土的流動性基木保持不變，這一規律稱為固定用水量定則。這一定則對普通混凝土的配合比設計帶來極大便利，即可通過固定用水量保混凝上坍落度的同時.調整水泥用量.即調整水灰比.來滿足強度和耐久性要求。
（2）漿骨比：漿骨比指水泥漿用量與砂石用量之比位。在混凝土凝結硬化之前，水泥漿主要賦予流動性;在混凝土凝結硬化以后，主要賦予粘結強度.在水灰比一定的前提下.漿骨比越大.即水泥漿量越大.混凝土流動性越大。通過調整漿骨比大小.既可以滿足流動性要求.又能保 良好的粘聚性和保水性。漿骨比不宜太大，否則易產生流漿現象，使枯聚性下降。漿骨比也不宜太小.否則因骨料間缺少粘結體。拌合物易發生崩塌現象。因此.合理的漿骨比是混凝土拌合物和易性的良好保。
（3）水灰比：水灰比即水用覺與水泥用量之比。在水泥用量和骨料用量不變的情況下.水灰比增大.相當于單位川水量增大，水泥漿很稀，拌合物流動性也隨之增大，反之亦然。川水量增大帶來的負面影響是嚴重降低混凝土的保水性.增大泌水.同時使粘聚性也下降。但水灰比也不宜太小.否則因流動性過低影響混凝土振搗密實.易產生麻面和空洞。合理的水灰比是混凝土拌合物流動性、保水性和粘聚性的良好保。
（4）砂率：砂率指沙子站砂石總重量的百分率。
（5）水泥品種及細度：水泥品種不同時.達到相同流動性的需水量往往不同。從而影響混凝土流動性。另一方面.不同水泥品種對水的吸附作用往往不等.從而影響混凝土的保水性和粘聚性。同品種水泥越細.流動性越差.但枯聚性和保水性越好。
（6）管料的品種和粗細程度：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動性較好.但粘聚性和保水性則相對較差。河砂與山砂的差異與上述相似。對級配符合要求的砂石料來說，粗骨料第四章混凝土粒徑越大。砂子的細度模數越大，則流動性越大.但粘聚性和保水性有所下降.特別是砂的粗細.在砂率不變的情況下.影響更加顯著。
（7）外加劑：改善混凝土和易性的外加劑主要有減水劑和引氣劑。它們能使混凝土在不增加用水量的條件下增加流動性.并具有良好的粘聚性和保水性。
（8）時間、氣候條件：隨著水泥水化和水分蒸發，混凝土的流動性將隨著時間的延長而下降。氣溫高、濕度小、風速大將加速流動性的損失。
 
2．影響混凝土強度性能的常見因素
 
影響混凝土強度的因素很多，主要與水灰比、水泥等級、集料、養護溫度和濕度等有關。我們著重介紹其中主要的兩種影響因素：
 
（1） 水灰比-WC
 
一般的混凝土強度主要取決于毛細管孔隙Pc=WC-0.36a 或者膠空比X=0.68a（ 0.32+WC ），但實際上這些是微觀指標，所以難以測定。從宏觀上來說，密實的混凝土在任何水灰比程度下毛細管孔由水灰比確定，而由式可以看出混凝土強度和水灰比成正比，也就是水灰比越大，混凝土強度越大，所以當水灰比不變時，想通過增加水泥用量來提高混凝土強度的做法是錯誤的，這樣做只能增加混凝土的和易性。而且根據混凝土強度水灰比定則可知，對于一定材料，混凝土強度僅取決于水灰比一個因素。因此水灰比是影響混凝土強度的一個重要因素。
 
（2）水泥等級
 
水泥對混凝土的影響取決于水泥的礦物成分及細度。水泥的強度主要來自于原材料中的早期強度和后期強度。水泥細度對混凝土強度影響很大，隨著細度增加，水化速率增大，就導致較高的早期強度增長率，而混凝土的后期強度幾乎沒有增長。另外，在同等條件下，改變水泥的粒型和級配，同樣可以改變混凝土的強度。
 
除了以上兩個主要因素以外，還有一些不可忽視的影響因素，比如粗骨料、齡期、溫度、摻合料以及緩凝劑等。
 
3．影響混凝土工作性能的因素
 
影響混凝土工作性能的因素比較多，主要有：砂、水泥特性、摻合料、環境、攪拌時間以及外加劑等。下面我們介紹其中兩個比較重要的因素：
 
（1）砂
 
砂的粗細程度、細顆粒含量、含泥量、級配均嚴重影響高性能混凝土的工作性，質量要求比較高的混凝土采用細度模數在2.6-3.0之間的II區砂，細顆粒含量0.300mm篩以下達到15%，含泥量控制在2%以下，這些嚴格的指標可以保證較好的混凝土性能。而砂率將影響混凝土攪拌物的流動性、粘聚性和保水性，合理的砂率將大大提高混凝土的工作性能。所以在同等條件下，通過調整粗細砂的參配和選擇合理的砂率，可以很好地提高混凝土的工作性能。
 
（2）攪拌時間
 
攪拌時間對混凝土工作性能影響很大，混凝土拌合物塌落度與時間成反比，主要是由拌合物中自由水隨時間蒸發、水泥早期水化引起的。如果攪拌時間過短，外加劑沒有充分的溶解和分散；但是如果攪拌時間過長，則攪拌物的自由水蒸發和水泥早期水化會影響工作性能，所以攪拌時間的把握非常重要。而且對于不同季節的攪拌時間也會有所不同，夏季攪拌時間不應低于120秒，冬季不應低于150秒。
 
4．影響混凝土耐久性能的因素
 
影響混凝土耐久性能的因素有內因和外因之分，內因比如影響鋼筋銹蝕的氯離子，混凝土的碳化，用水量等；外因主要為混凝土使用的環境，比如溫度、濕度等。下面我們就其中的兩個因素加以詳細介紹：
 
（1）材料因素
 
目前對混凝土耐久性的研究成果大多集中在材料方面，因為所有材料比如水泥品種、骨料的級配、外加劑的類型甚至是水的用量都會直接影響到混凝土的耐久性能。其中攪拌用水量和外加劑類型會影響混凝土的抗凍性能；而水泥品種直接影響混凝土的抗侵蝕性能；混凝土中氯離子的含量高會引起鋼筋銹蝕，這與混凝土原材料質量有關。所以材料的選擇和使用對于混凝土的耐久性能有著很重要的影響，所謂“巧婦難為無米之炊”，我們必須選擇合理的材料才能給混凝土的耐久性能以基礎保證。
 
（2）環境因素
 
環境因素也是影響混凝土耐久性能的一個重要因素，它是影響混凝土耐久性能的外因。我們常見的混凝土環境有大氣環境、土壤環境和水域環境等。在不同的環境中，腐蝕性物質都會通過各種方式進入混泥土內部，使混凝土性能惡化，適用性和安全性都降低，這也就能解釋為什么混凝土結構的破壞一般都是從混凝土劣化開始的。環境中的溫度和濕度都是影響混凝土耐久性能的重要因素，而某些特殊環境中的酸、堿物質更是混凝土腐蝕破壞的主要誘因。所以給混凝土一個適應的環境，是保證其耐久性的重要條件。
 
從整體上來說，影響混凝土耐久性能的因素還有施工因素、設計因素，這需要整體考慮才能有效地提高混凝土耐久性能。
 
5．影響混凝土的經濟性的因素
 
近年來，經歷了快速的改革開放發展，我國混凝土使用量已經成為世界上用量最大的幾個國家之一。混凝土的經濟性已經成為一個重要的關注問題，如何在保證混凝土要求質量的情況下，盡量讓其具有經濟性一直是業內人士研究的方向。影響混凝土經濟型的因素也比較多，比如：原材料使用類型和用量；設計方案的選用；施工方法等。下面就其中的一兩個因素作一些具體分析介紹：
 
（1）原材料的影響
 
在混凝土建筑建造時，原材料花費在總費用中占有很大比重，所以合理使用材料、提高材料的使用率對于提高混凝土的經濟性有著很大的影響。比如在混凝土的基本組成材料中，水泥的花費是最多的。所以，在滿足對混凝土質量要求的情況下，單位體積混凝土的水泥用量越少，它的經濟性越好。有時候，減少水泥用量不僅能提高經濟性，而且還會帶來一些技術上的優勢。
 
（2）設計方案選用的影響
 
設計方案對于混凝土經濟性的影響是不言而喻的，因為設計方案決定著一些原材料的使用和施工方法的進行。好的設計方案會對整個混凝土經濟性有一個值的提升，比如混凝土配比設計：一般的設計不太注重經濟性和配比設計之間的平衡，無法按照最優化原則進行，從而造成不必要的資源和經濟浪費。所以我們必須重視設計方案對混凝土經濟性的影響。
 
結   語
 
隨著我國經濟建設不斷發展，混凝土的發展方向也越來越引人注意。 美國特納建筑公司高級副總裁Rod Wille先生2005年在西雅圖舉行的美國西北混凝土協會（Northwest Concrete Alliance）代表大會上演講指出，混凝土行業應該朝著綠色化方向發展，全美國的混凝土工作者都越來越重視墻體保溫混凝土技術。混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料。按預定性能設計和制作混凝土；研制輕質、高強度、多功能的混凝土新品種；利用現代新技術，大力發展新工藝、新設備；廣泛利用工業廢渣作原材料等，都是今后需要不斷解決的課題。
 
參考文獻
 
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