普通水泥混凝土的组成材料、设计方法和质量控制

第三章 水泥混凝土、建筑砂浆和稳定土
　 [重点内容和学习要求]
本章重点阐述普通水泥混凝土的组成材料、设计方法和质量控制。同时对其他性能的混凝土、砂浆和无机结合料稳定材料也作了介绍。
通过学习，必须掌握普通水泥混凝土的主要技术性质及其影响因素，现行配合比设计方法和质量评定。对混凝土常用外加剂的作用及品种、其它混凝土的特性、建筑砂浆和无机结合料稳定材料也应作一定的了解。
3.1 普通水泥混凝土
水泥混凝土是道路与桥梁工程建设中，应用最广泛、用量最大的建筑材料之一。随着现代高等级公路的发展，水泥混凝土与沥青混凝土一样，成为高等级路面的主要建筑材料。在现代公路桥梁中，钢筋混凝土桥是最主要的一种桥型。
水泥混凝土是按照一定的比例以水泥和水组成的水泥浆体为粘结介质，将分散其间的不同粒径的粗、细集料胶结起来，在一定的条件下，硬化成为具有一定技术性能的一种人造石材。
水泥混凝土可按其组成、特性和功能等进行分类。
①轻混凝土:现代大跨度钢筋混凝土桥梁为减轻结构自重，往往采用各种轻集料配制成轻集料结构混凝土，达到轻质高强，以增大桥梁的跨度。这种混凝土通常干表观密度可轻达1900kg／m3。
②普通混凝土:由天然砂、卵石或碎石为集料的混凝土，一般干表观密度约为2400kg／m3通常波动在2350～2500kg／m3范围，是道路路面和桥梁结构中最常用的混凝土。
③重混凝土:为了屏蔽各种射线的辐射采用各种高密度集料配制的混凝土，这种混凝土的干表观密度可达3200kg／m3。
2．按抗压强度水泥混凝土可分为以下三大类：
①低强度混凝土:抗压强度标准值小于20MPa。
②中强度混凝土:抗压强度标准值为20～60MPa。
③高强度混凝土:抗压强度标准值大于、等于60MPa。
3．按工作性水泥混凝土可分为以下三大类：
①干硬混凝土:坍落度值小于10mm。
②常态混凝土:坍落度值为10～100mm。
③流态混凝土:坍落度值大于100mm。
4．按施工方法水泥混凝土可分为以下四大类：
①泵送混凝土:主要用于大跨度桥梁结构和高层建筑中。
②碾压混凝土:主要用于道路路面结构中。
③喷射混凝土:主要用于土坡加固。
④灌浆混凝土:特殊处理。
虽然世界各国对混凝土强度分级划分的界限不一，但这种分级对混凝土结构性能的认识会有很大帮助，这也是大型桥梁和高速公路选用高强度混凝土修筑的原因。
此外，为改善水泥混凝土的性能，适应现代道路与桥梁工程的需要，还发展了不同功能的混凝土，如各种高聚物改性混凝土、纤维增强混凝土、补偿收缩混凝土等等。本书主要介绍在道路桥梁中运用最广泛的普通水泥混凝土。
普通水泥混凝土是以水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，并以水为原材料，按专门设计的配合比例，经搅拌、成型、养护而得到的复合材料。现代水泥混凝土中，为了调节和改善其工艺性能和力学性能，还加入各种化学外加剂和磨细矿质掺合料。
普通水泥混凝土具有料源丰富，就地取材，便于施工和浇筑成各种形状的构件，硬化后性能优越，节约能源，成本低廉等优点。所以普通水泥混凝土广泛应用于道路与桥梁工程。
3.1.1组成材料和基本要求
普通水泥混凝土的基本组成材料为水泥、细集料、粗集料和水，各组成材料技术质量的要求分述如下：
1．水泥水泥是混凝土的胶结材料，混凝土的性能很大程度上取决于水泥的质量。又因在混凝土组成材料中水泥成本最高，所以我们在选择混凝土组成材料时，对水泥的品种和强度的选择必须特别慎重。
(1)水泥品种的选择:配制混凝土用水泥，通常采用第二章所述的五大品种水泥。在特殊情况下，可采用特种
水泥。常用五大品种水泥可根据混凝土工程的特点、所处环境、气候和施工条件等因素，参照表3-1中的建议选用。
表3-1 常用水泥品种的选用参考表
硅酸盐水泥
（P）
普通水泥（P.O）
矿渣水泥（P.S）
火山灰水泥（P.P）
粉煤灰水泥（P.F）

工程特点
1、厚大体积混凝土
×
△
☆
☆
☆

2、快硬混凝土
☆
△
×
×
×

3、高强（大于C40）混凝土
☆
△
△
×
×

4、有抗渗要求的混凝土
☆
☆
×
☆
☆

5、耐磨混凝土
☆
☆
△
×
×

环境条件
1、在普通气候环境中混凝土
△
☆
△
△
△

2、在干燥环境中混凝土
△
☆
△
×
×

3、在高湿度环境中或永远在水下混凝土
△
△
☆
☆
△

4、在严寒地区的露天混凝土，寒冷地区处在水位升降范围内的混凝土
☆
☆
△
×
×

5、严寒地区处在水位升降范围内的混凝土
☆
☆
×
×
×

注：1.符号说明：☆表示优先选用；△表示可以使用；×表示不得使用。
2.对蒸汽养护的混凝土，水泥品种宜根据具体条件通过试验选用。对受侵蚀性水或侵蚀性气体作用的混凝土，水泥品种根据侵蚀性介质的种类和浓度等具体条件按专门规定(或设计)选用。
3.寒冷地区是指最寒冷月份里的平均温度处在-5℃～-15℃之间者；严寒地区是指最寒冷月份里的平均温度低于-15℃者。
4.本表参照《混凝土质量控制(方法)标准》(C113N—94)编制。
(2)水泥强度的选择:选用水泥的强度应与要求配制的混凝土强度等级相适应。如水泥强度选用过高，则混凝土中水泥用量过低，影响混凝土的和易性和耐久性。反之，如水泥强度选用过低，则混凝土中水泥用量太多，非但不经济，而且降低混凝土的某些技术品质(如收缩率增大等)。通常，配制一般混凝土时，水泥强度为混凝土抗压强度的1.1～1.6倍；配制高强度混凝土时，水泥强度为混凝土抗压强度的0.7～1.2倍。但是，随着混凝土要求的强度等级不断提高，近代高强度混凝土并不受此比例的约束。
水泥混凝土路面用水泥的强度的选择，应根据路面的交通等级所要求的设计抗弯拉强度确定，参照表3-2。水泥供应条件允许，应优先选用早强型水泥，以缩短养护时间。
表3-2各交通等级路面水泥各龄期的抗压强度、抗弯拉强度 交通等级
特 重
重
中、轻

龄期/d
3
28
3
28
3
28

抗压强度/ MPa,≥
25.5
57.5
22.0
52.5
16.0
42.5

抗弯拉强度/ MPa,≥
4.5
7.5
4.0
7.0
3.5
6.5

2．细集料 混凝土用细集料的主要技术要求如下。
(1)级配和细度模数
1)级配。优质的混凝土用砂希望具有高的密度和小的比面，这样才能达到既保证新拌混凝土有适宜的工作性和硬化后混凝土有一定的强度、耐久性，同时又达到节约水泥的目的。
混凝土用细集料的级配要求，应与一定的粗集料级配所组成的矿质混合料一并考虑。但是，如细集料的级配不良，则很难配制成良好的矿质混合料。级配范围见表1-10。
I区砂属于粗砂范畴，用I区砂配制混凝土时，应较Ⅱ区砂采用较大的砂率；否则，新拌混凝土的内摩擦阻力较大、保水差、不易捣实成型。Ⅱ区砂是中砂和一部分偏粗的细砂组成，Ⅲ区砂系细砂和一部分偏细的中砂组成。当应用Ⅲ区砂配制混凝土时，应较Ⅱ区砂采用较小的砂率，因应用Ⅲ区砂所配制成的新拌混凝土粘性略大，比较细软，易插捣成型，而且由于Ⅲ区砂的级配细、比面大，所以对新拌混凝土的工作性影响比较敏感。
对要求耐磨的混凝土，小于0.075mm的颗粒不应超过3％,对其他混凝土,则不应超过5％。当其颗粒成分为石粉时，此限值可分别增至7％。
2)细度模数。砂的粗细程度，用细度模数来表示。砂按细度模数分为：粗砂(MX=3.7～3.1)、中砂(MX=3.0～2.3)、细砂(MX=2.2～1.6)三级。
在这里应该特别指出，细度模数只反映全部颗粒的平均粗细程度，而不能反映颗粒的级配情况。因为细度模数相同而级配不同的砂，可配制出性质不同的混凝土。所以考虑砂的颗粒分布情况时，只有同时应用细度模数和级配两项指标，才能真正反映其全部性质。
2．有害杂质含量集料中含有妨碍水泥水化，或能降低集料与水泥石粘附性以及能与水泥水化产物产生不良化学反应的各种物质，称为有害杂质。我国现行标准(GB／14684—2001)对混凝土用砂的有害杂质含量限值规定于表3-3。
砂中常含有的有害杂质，主要有泥和泥块、云母、轻物质、硫酸盐和硫化物以及有机质等。
(1)含泥量和泥块含量:砂石中含泥量是指粒径小于0.075mm的颗粒的含量。泥块是指原颗粒粒径大于4.75mm，经水洗手捏后变成小于2.36mm颗粒。泥块主要有三种类型：①纯泥块是由纯泥组成粒径大于4.75mm的团块；②泥砂团或石屑团是由砂或石屑与泥混成粒径大于4.75mm的团块；③包裹型的泥是包裹在砂石表面的泥。这三种存在形式中，包裹型的泥是以表面覆盖层的型式存在，它妨碍集料与水泥净浆的粘结，影响混凝土的强度和耐久性。
表3-3 混凝土用砂的有害杂质及坚固性要求项 目
指 标

Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类

云母(按质量计,%)
＜1.0
＜2.0
＜2.0

轻物质(按质量计,%)
＜1.0
＜1.0
＜1.0

有机物(比色法)
合格
合格
合格

硫化物及硫酸盐(按SO3,质量计,%)
＜0.5
＜0.5
＜0.5

氯化物(以氯离子质量计,%)
＜0.01
＜0.02
＜0.06

含泥量(按质量计,%)
＜1.5
＜3.0
＜5.0

泥块含量(按质量计,%)
0
＜1.0
＜2.0

硫酸钠溶液干湿五次循环后的质量损失(%)
＜8
＜8
＜10

(2)云母含量:某些砂中含有云母。云母呈薄片状，表面光滑，且极易沿节理裂开，因此它与水泥石的粘附性极差。砂中含有云母，对混凝土拌和物的工作性以及硬化后混凝土的抗冻性和抗渗性都有不利的影响。白云母较黑云母更为有害。对于有抗冻性、抗渗性要求的混凝土，则应通过混凝土试件的相应试验，确定其有害量。
(3)轻物质含量:砂中的轻物质是指相对密度小于2.0的颗粒(如煤和褐煤等)。规范规定，轻物质含量不宜大于1％。轻物质的含量用相对密度为1.95～2.00的重液进行分离测定。
(4)有机质含量 天然砂中有时混杂有有机物质(如动植物的腐殖质、腐殖土等)，这类有机物质将延缓水泥的硬化过程，并降低混凝土的强度，特别是早期强度。
规范规定，应用比色法测定砂中有机物含量，试液颜色不应深于标准颜色，如深于标准颜色时，则应进行混凝土(或砂浆)强度的对比试验。
为了消除砂中有机物的影响，可采用石灰水淘洗，或在拌和混凝土时加入少量消石灰。此外，亦可将砂在露天摊成薄层，经接触空气和阳光照射后也可消除有机物的不良影响。
(5)硫化物和硫酸盐含量:在天然砂中，常掺杂有硫铁矿(FeS2)或石膏(CaSO4·2H2O)的碎屑，它们含量过多，将在已硬化的混凝土中与水化铝酸钙发生反应，生成水化硫铝酸钙结晶，体积膨胀，在混凝土内产生破坏作用。对无筋混凝土，砂中硫化物和硫酸盐含量可酌情放宽。
砂中有无硫化物及硫酸盐，可先用氯化钡溶液作定性试验，如有白色沉淀，再作定量试验。
3.粗集料 混凝土用粗集料的主要技术要求如下。
(1)强度。为保证混凝土强度，要求碎石必须具有一定的强度。碎石的强度可用岩石的抗压强度和压碎值指标表示。
为保证混凝土的强度和耐久性，现行国标《建筑用卵石、碎石》(GB／T14685—2001)中，根据各项技术指标将混凝土用粗集料分为三类。其中I类适用于C60以上的混凝土；Ⅱ类适用于C30～C60的混凝土；Ⅲ类适用于C30以下的混凝土。此外，如对碎石质量有怀疑或特殊需要，亦可进行岩石抗压强度检验。岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5，且岩浆岩不宜低于80MPa，变质岩不宜低于60MPa，沉积岩不宜低于30MPa。碎石和卵石的压碎指标值要求见表3-4。
表3-4 水泥混凝土用碎石和卵石的压碎值及坚固性指标项 目
指 标

Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类

碎石压碎指标(%)<
10
20
30

卵石压碎指标(%)<
12
16
16

硫酸钠溶液冻融五次循环后质量损失(%)
5
8
12

(2)坚固性。为保证混凝土的耐久性，用作混凝土的粗集料应具有足够的坚固性，以抵抗冻融和自然因素的风化作用。混凝土用粗集料的坚固性用硫酸钠溶液法检验，试样经五次循环后，其质量损失如表3-4所示。
(3)级配。为获得密实、高强的混凝土，并能节约水泥，要求粗细集料组成的矿质混合料有良好的级配。矿质混合料的级配首先取决于粗集料的级配。混凝土用粗集料的级配，采用连续级配或间断级配均可。
连续级配矿质集料的要求级配范围，可按第一章所述级配理论计算，亦可参考《建筑用卵石、碎石》(GB／T14685—2001)(见表3-5)的连续粒级的矿质混合料。当连续粒级不能配合成满意的混合料时，可掺加单粒级集料配合。连续级配矿质混合料的优点是所配制的新拌混凝土较为密实，特别是具有优良的工作性，不易产生离析等现象，故为经常采用的级配。但与间断级配矿质混合料相比较，连续级配配制相同强度的混凝土，所需要的水泥耗量较高。
间断级配矿质混合料的最大优点是它的空隙率低，可以配制成密实高强的混凝土，而且水泥耗量较小，但是间断级配混凝土拌和物容易产生离析现象，适宜于配制干硬性拌和物，并须采用强力振动。
表3-5 碎石或卵石的颗粒级配范围 级配情况
公称
粒级
/ mm
筛(方孔筛)孔尺寸 / mm

2.36
4.75
9.5
16.0
19.0
26.5
31.5
37.5
53.0
63.0
75.0
90

累计筛余(按质量计,%)

连续粒级
5-10
95-100
80-100
0-15
0
-
-
-






5-16
95-100
85-100
30-60
0-10
-
-
-
-
-
-
-
-

5-20
95-100
90-100
40-80
-
0-10
0
-
-
-
-
-
-

5-25
95-100
90-100
-
30-70
-
0-5-
0
-
-
-
-
-

5-31.5
95-100
90-100
70-90
-
15-45
-
0-5
0
-
-
-
-

5-40
-
95-100
70-90
-
30-65
-
-
0-5
0
-
-
-

单粒级
5-20
-
95-100
85-100
-
0-15
0
-
-
-
-
-
-

16-31.5
-
95-100
-
85-100
-
-
0-10
0
-
-
-
-

20-40
-
-
95-100
-
80-100
-
-
0-10
0
-
-
-

31.5-63
-
-
-
95-100
-
-
75-100
45-75
-
0-10
0
-

40-80
-
-
-
-
95-100
-
-
70-100
-
30-60
0-10
0

(4)最大粒径的选择:粗集料中公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。对5～25mm粒级而言，其上限粒径26.5mm即为最大粒径。新拌混凝土随着最大粒径的增大，单位用水量相应减少。在固定的用水量和水灰比的条件下，加大最大粒径，可获得较好的和易性，或减少水灰比而提高混凝土强度和耐久性。通常在结构截面允许条件下，尽量增大最大粒径以节约水泥(应当注意：增大粒径虽可增加混凝土的抗压强度，但会降低其抗拉强度)。根据规范规定，混凝土用粗集料。其最大颗粒粒径不得大于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，允许采用最大粒径为1/2板厚的颗粒级配，但最大粒径不得超过40mm。
(5)表面特征和形状。表面粗糙且多棱角的碎石与表面光滑且圆形的卵石相比较，碎石配制成的混凝土，由于它对水泥石的粘附性好，故具有较高的强度，但是在相同单位用水量(即相同水泥浆用量)条件下，卵石配制的新拌混凝土具有较好的工作性，
粗集料的粒形接近正立方体者为佳，不宜含有较多针片状颗粒，否则将显著降低水泥混凝土的抗弯拉强度，同时影响新拌混凝土的工作性．按照《建筑用卵石、碎石》(GB／T14685—2001)的规定，颗粒的长度大于该颗粒所属相应粒级的平均粒径2.4倍者为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.4倍者为片状颗粒(平均粒径指该粒级上、下限粒径的平均值)。
(6)有害杂质的含量。粗集料中的有害杂质主要有：粘土、淤泥及细屑、硫酸盐及硫化物、有机质、蛋白石及其他含有活性氧化硅的岩石颗粒等，这些有害杂质的限值如表3-6所示。
表3-6 水泥混凝土用粗集料的有害物质含量限值项 目
指 标

Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类

含泥量(按质量计,%)
＜0.5
＜1.0
＜1.5

泥块含量(按质量计,%)
＜0
＜0.5
＜0.7

有机物
合格
合格
合格

硫化物及硫酸盐(按SO3质量计,%)
＜0.5
＜1.0
1.0

针片状颗粒含量(按质量计,%)
＜5
＜15
＜25

(7)碱活性检验。对于重要混凝土工程用集料，应进行集料碱活性检验。首先应用岩相法确定活性集料的种类和数量。若岩石中含有活性二氧化硅时，应用化学法或砂浆长度法检验，确定其是否含有潜在危险。(参见本节混凝土耐久性中碱-集料反应)
4.混凝土拌和用水 水是混凝土的主要组成材料之一，拌和用水的水质不符合要求，可能产生多种有害作用，最常见的有：①影响混凝土的和易性和凝结；②有损于混凝土强度发展；③降低混凝土的耐久性、加快钢筋的腐蚀和导致预应力钢筋的脆断；④使混凝土表面出现污斑等。为保证混凝土的质量和耐久性，必须使用合格的水拌制混凝土。
混凝土拌和用水水源，可分为饮用水、地表水、地下水、海水以及经适当处理或处置后的工业废水。
符合国家标准的生活饮用水，可以用来拌制混凝土，不需再进行检验。地表水或地下水
首次使用，必须进行适用性检验，合格才能使用。海水只允许用来拌制素混凝土，不宜用于拌制有饰面要求的混凝土、耐久性要求高的混凝土、大体积混凝土和特种混凝土。工业废水必须经过检验，经处理合格后方可使用。
3.1.2普通水泥混凝土主要技术性质
水泥混凝土的主要技术性质包括新拌混凝土的工作性，以及硬化后混凝土的力学性和耐久性。
1．新拌水泥混凝土的工作性(和易性)水泥混凝土在尚未凝结硬化以前，称为新拌混凝土或称混凝土拌和物。新拌水泥混凝土是不同粒径的矿质集料粒子的分散相在水泥浆体的分散介质中的一种复杂分散系，它具有弹、粘、塑性质。目前在生产实践上，对新拌混凝土的性质，主要用工作性或称和易性来表征。
(1)工作性的含义:工作性(或称和易性)，通常认为它包含流动性、可塑性、稳定性和易密性这四方面的含义。优质的新拌混凝土应该具有：满足输送和浇捣要求的流动性；不为外力作用产生脆断的可塑性；不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣密致的密实性。
(2)工作性的测定方法:按我国现行行业标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30－2005)规定，混凝土拌和物的工作性可用稠度试验方法和泌水与压力泌水试验方法测定。
1)稠度试验
①坍落度试验。我国现行试验法规定：坍落度试验是用标准坍落度圆锥筒测定。该筒为钢皮制成的圆锥筒，高度H=300mm，上口直径d=100mm，下底直径D=200mm。试验时，将圆锥筒置于平板上，然后将混凝土拌和物分三层装入标准圆锥筒内(使捣实后每层高度为筒高的1／3左右)，每层用捣棒均匀地捣插25次。多余试样用镘刀刮平，然后垂直提取圆锥筒，将圆锥筒与混合料并排放于平板上，测量筒高与坍落后混凝土试体顶面中心的垂直距离(如图3-1)，即为新拌混凝土拌和物的坍落度，以mm为单位(精确至5mm)。
本方法适用于骨料最大粒径不大于31.5mm、坍落度为10～100mm的塑性混凝土拌和物稠度测定；进行坍落度试验同时，应观察混凝土拌和物的粘聚性、保水性和含砂情况等，以便全面地评价混凝土拌和物的工作性。坍落度是新拌混凝土自重引起的变形，坍落度只有对富水泥浆的新拌混凝土才比较敏感。相同性质的新拌混凝土,不同试样，坍落度可能相差很大；相反，不同组成的新拌混凝土，它们工作性虽有很大的差别，但却可得到相同的坍落度。因此，坍落度不是满意的工作性能指标。
根据坍落度不同，可将混凝土分为大流动性混凝土(坍落度大于160mm)；流动性混凝土(坍落度为100～150mm)；塑性混凝土(坍落度为10～100mm)；干硬性混凝土(坍落度小于10mm)。
②维勃稠度试验。维勃稠度试验方法是将坍落度筒放在圆筒中，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度筒，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。
本方法适用于骨料最大粒径不大于31.5mm，维勃稠度在5～30s之间的干硬性混凝土拌和物稠度测定
③流动度试验
a．坍扩度试验。当混凝土的坍落度大于100mm时，在坍落度测试完毕后，用钢尺测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；否则，此次试验无效。坍扩度是用于补充评价高性能混凝土流动度的最简便的附加指标，混凝土拌和物的坍落度与坍扩度的关系见图3-3。
b．L型坍落度试验。L型流动度仪见图3-4所示，试验时，将垂直部分的混凝土捣实后，上提隔板，测混凝土向水平方向移动的距离Lƒ，移动开始到停止的时间t，垂直部分混凝土下沉量Ls（L型坍落度），其与传统的坍落度之间有良好的相关性见图3-5。Lƒ/t称为L型流动速度。在剪切应力不变的条件下，代表粘度参数，既能表示与传统坍落度同样的屈服值，又能反映拌和物的粘度，被认为是评价高性能混凝土拌和物流动度的适宜方法。
2）泌水及压力泌水试验
①泌水试验。混凝土拌和物的泌水性能是混凝土拌和物在施工中的重要性能之一，尤其是对于大流动性的泵送混凝土来说更为重要。在混凝土的施工过程中泌水过多，会使混凝土丧失流动性，从而影响混凝土的可泵性和工作性，会给工程质量造成严重后果。将混凝土试样装入容量5L的试样筒内，可采用振动台振实法或捣棒捣实。用振动台振实时将试样一次装入试筒内，开启振动台，振动到表面出浆为止并使混凝土拌和物表面低于试样筒筒口30mm土3mm，用抹刀抹平后，立即计时并称量；盖好容量筒盖子，保持室温在20℃±2℃，从计时开始后60min内，每隔10min吸取1次试样表面渗出的水；60min后，每隔30min吸1次水，直至认为不再泌水为止。式(3-1)及式(3-2)分别为计算泌水量和泌水率公式。
(3-1)
式中 Ba——泌水量(mL／mm2)；
V——最后一次吸水后累计的泌水量(mL)；
A——试样外露的表面面积(mm2)。
(3-2)
式中 B——泌水率(%)
VW——泌水总量(mL)；
GW——试样质量(g)；
W ——混凝土拌和物总用水量(mL)；
G ——混凝土拌和物总质量(g)。
②压力泌水试验。压力泌水性能是泵送混凝土的重要性能之一，它是衡量混凝土拌和物在压力状态下的泌水性能，关系到混凝土在泵送过程中是否会离析而堵泵。将混凝土拌和物分两层装入压力泌水仪的缸体容器内，每层插捣20次并振实，压力泌水仪按规定安装完毕后应立即给混凝土试样施加压力至3.2MPa，并打开泌水阀门同时开始计时，加压至10s时读取泌水量饩。，加压至140s时读取泌水量V140，计算压力泌水率。
(3-3)
式中 BV——压力泌水率(%)；
V10——加压至10s时的泌水量(mL)；
V140——加压至140s时的泌水量(mL)。
(3)影响新拌混凝土的工作性的因素。影响因素主要有：内因——组成材料的质量及其用量，外因——环境条件(如温度、湿度和风速)以及时间两个方面。归纳分析如下。
1)组成材料质量及其用量的影响
①水泥特性的影响。水泥的品种、细度、矿物组成以及混合材料的掺量等都会影响需水量。由于不同品种的水泥达到标准稠度的需水量不同，所以不同品种水泥配制成的混凝土拌和物具有不同的工作性。通常普通水泥的混凝土拌和物比矿渣和火山灰的工作性好。矿渣水泥拌和物的流动性虽大，但粘聚性差，易泌水离析；火山灰水泥流动性小，但粘聚性最好。此外，水泥细度对混凝土拌和物的工作性亦有影响，适当提高水泥的细度可改善混凝土拌和物的粘聚性和保水性，减少泌水、离析现象。
②集料特性的影响。集料的特性包括集料的最大粒径、形状、表面纹理(卵石或碎石)、级配和吸水性等，这些特性将不同程度地影响新拌混凝土的工作性。其中最为明显的是，卵石拌制的混凝土拌和物较碎石的好。集料的最大粒径增大，可使集料的总表面积减小，拌和物的工作性也随之改善。此外，具有优良级配的混凝土拌和物具有较好的工作性。
③集浆比的影响。集浆比就是单位混凝土拌和物中，集料绝对体积与水泥浆绝对体积之比。水泥浆在混凝土拌和物中，除了填充集料间的空隙外，还包裹集料的表面，以减少集料颗粒间的摩阻力，使混凝土拌和物具有一定的流动性。在单位体积的混凝土拌和物中，如水灰比保持不变，则水泥浆的数量越多，拌和物的流动就越大。但若水泥浆数量过多，则集料的含量相对减少，达到一定限度时，将会出现流浆现象，使混凝土拌和物的粘聚性和保水性变差，同时对混凝土的强度和耐久性也会产生一定的影响。此外水泥浆数量增加，就要增加水泥用量。相反若水泥浆数量过少，不足以填满集料的空隙和包裹集料表面，则混凝土拌和物的粘聚性变差，甚至产生崩坍现象。因此，混凝土拌和物中水泥浆数量应根据具体情况决定，在满足工作性要求的前提下，同时要考虑强度和耐久性要求，尽量采用较大的集浆比(即较少的水泥浆用量)，以节约水泥用量。
④水灰比的影响。在单位混凝土拌和物中，集浆比确定后，即水泥浆的用量为一固定数值时，水灰比即决定水泥浆的稠度。水灰比较小，则水泥浆较稠，混凝土拌和物的流动性亦较小，当水灰比小于某一极限以下时，在一定施工方法下就不能保证密实成型；反之，水灰比较大，水泥浆较稀，混凝土拌和物的流动性虽然较大，但粘聚性和保水性却随之变差。当水灰比大于某一极限以上时，将产生严重的离析、泌水现象。因此，为了使混凝土拌和物能够密实成型，所采用的水灰比值不能过小；为了保证混凝土拌和物具有良好的粘聚性和保水性，所采用的水灰比值又不能过大。在实际工程中，为增加拌和物的流动性而增加用水量时，必须保证水灰比不变，同时增加水泥用量，否则将显著降低混凝土的质量。因此，决不能以单纯改变用水量的办法来调整混凝土拌和物的流动性。在通常使用范围内，当混凝土中水量一定时，水灰比在小的范围内变化，对混凝土拌和物的流动性影响不大。
⑤砂率的影响。砂率是混凝土中砂的质量占砂石总质量的百分率。砂率表征混凝土拌和物中砂与石相对用量比例的组合。由于砂率变化，可导致集料的空隙率和总表面积的变化，
因而混凝土拌和物的工作性亦随之产生变化。
混凝土拌和物坍落度与砂率的关系见图3-6所示。从图中可以看出，当砂率过大时集料的空隙率和总表面积增大，在水泥浆用量一定的条件下，混凝土拌和物就显得干稠，流动性小。当砂率过小时，虽然骨料的总表面积减小，但由于砂浆量不足，不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层来起润滑作用，因而使混凝土拌和物的流动性降低。更严重的是影响了混凝土拌和物的粘聚性与保水性，使拌和物显得粗涩、粗骨料离析、水泥浆流失，甚至出现溃散等不良现象。因此，在不同的砂率中应有一个合理砂率值。
混凝土拌和物的合理砂率是指在用水量和水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌和物获得最大的流动性，且能保持粘聚性和保水性能良好的砂率。
⑥外加剂的影响。在拌制混凝土拌和物时，加入少量外加剂，可在不增加水泥用量的情况下，改善拌和物的工作性，同时尚能提高混凝土的强度和耐久性。
2)环境条件的影响。引起混凝土拌和物工作性降低的环境因素，主要有温度、湿度和风速。对于给定组成材料性质和配合比例的混凝土拌和物，其工作性的变化主要受水泥的水化率和水分的蒸发率所支配。因此，混凝土拌和物从搅拌至捣实的这段时间里，温度的升高会加速水化率以及水由于蒸发而损失，这些都会导致拌和物坍落度的减小。同样，风速和湿度因素会影响拌和物水分的蒸发率，因而影响坍落度。在不同环境条件下，要保证拌和物具有一定的工作性，必须采取相应的改善工作性的措施。
3)时间的影响。混凝土拌和物在搅拌后，其坍落度随时间的增长而逐渐减小，称为坍落度损失。主要是由于拌和物中自由水随时间而蒸发、集料的吸水和水泥早期水化而损失的结果。混凝土拌和物工作性的损失率，受组成材料的性质(如水泥的水化和发热特性、外加剂的特性、集料的空隙率等)以及环境因素的影响。
(4)改善新拌混凝土工作性的措施
①调节混凝土的材料组成。在保证混凝土强度、耐久性和经济性的前提下，适当调整混凝土的组成配合比例以提高工作性。
②掺加各种外加剂。如减水剂、流化剂等均能提高新拌混凝土的工作性，同时提高强度、耐久性以及节约水泥。
③提高振捣机械的效能。由于振捣效能提高，可降低施工条件对混凝土拌和物工作性的要求，因而保持原有工作性亦能达到捣实的效果。
(5)混凝土拌和物的工作性选择。混凝土拌和物的工作性，依据结构物的断面尺寸、钢筋配置的疏密以及捣实的机械类型和施工方法等来选择。一般对无筋大结构、钢筋配置稀疏易于施工的结构，尽可能选用较小的坍落度，以节约水泥。反之，对断面尺寸较小、形状复杂或配筋特密的结构，则应选用较大的坍落度，可易于浇捣密实，以保证施工质量。
公路桥涵用混凝土拌和物的工作性根据公路桥涵技术规范有关规定选择，表3-7可供选用参考。
表3-7 公路桥涵用混凝土拌和物的坍落度 项次
结构种类
坍落度

1
桥涵基础、墩台、仰拱、挡土墙及大型制块等便于灌注捣实的结构
0～20mm

2
上列桥涵墩台等工程中较不便施工处
10～30mm

3
普通配筋的钢筋混凝土结构
30～50mm

4
钢筋较密、断面较小的钢筋混凝土结构（梁、柱、墙）
50～70mm

5
钢筋配置特密、断面高而狭小极不便灌注捣实的特殊结构部位
70～90mm

水泥混凝土路面用道路混凝土拌和物的工作性，按《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG30—2003）规定，对于滑模摊铺机施工的碎石混凝土最佳工作性坍落度为25～50mm，卵石混凝土为20～40mm。
2.硬化混凝土的力学性质 硬化后混凝土的力学性质，主要包括强度和变形两方面。
(1)强度：强度是混凝土硬化后的主要力学性能，按我国现行行业标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30－2005)规定，混凝土强度有立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯拉强度等。
1)抗压强度标准值和强度等级
①立方体抗压强度(ƒcu)：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℃土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“混凝土立方体试件抗压强度”(简称“立方抗压强度”)，以ƒcu表示，按下式计算，以MPa计。
(3-4)
式中 F——破坏荷载(N)；
A——试件承压面积(mm2)。
以三个试件为一组，取三个试件强度的算术平均值作为每组试件的强度代表值。
当用非标准尺寸试件测得的立方体强度，应乘以换算系数，折算为标准试件的立方体抗压强度。混凝土强度等级低于C60时，200mm×200mrn×200mm试件换算系数为1.05；对于100mm×l00mm×l00mm试件，换算系数为0.95。当混凝土强度等级高于C60时，宜采用标准试件；使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。
②立方体抗压强度标准值(ƒcu,k)：混凝土立方体抗压强度标准值的定义是按照标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测定的具有95％保证率的抗压强度，以MPa计。立方体抗压强度标准值以ƒcu,k表示。
从以上定义可知，立方体抗压强度(ƒcu)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、保证率的概念。而立方体抗压强度标准值(ƒcu,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。
③强度等级：混凝土强度等级是根据“立方体抗压强度标准值”来确定的。强度等级表示方法，是用符号“C”和“立方体抗压强度标准值”两项内容表示。例如“C30”即表示混凝土立方体抗压强度标准值ƒcu,k=30MPa。
我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010--2002)规定，普通混凝土按立方体抗压强度标准值划分为：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80等14个强度等级。
2)轴心抗压强度(ƒcp)：混凝土立方体试件在进行抗压强度试验时，由于材料试验机的承压板对试件端部的摩阻效应，使其强度有较大的提高。为使混凝土试件中抗压强度试验时的受力状态更接近其在结构中的承压状态，通常采用棱柱体(高宽比h／b=2或圆柱体高径比h／d=2)的试件，测定其轴心抗压强度;一般轴心抗压强度为抗压强度的0.7～0.8。我国现行行业标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30－2005)规定，采用150mm×l50mm×300mm棱柱体作为标准试件，轴心抗压强度以ƒcp表示，按下式计算，以MPa计。

(3-5)
式中 F——破坏荷载(N)；
A——试件承压面积(mm2)。
3)劈裂抗拉强度(ƒts)：由于混凝土轴心抗拉强度试验的装置设备制作困难以及握固设备易引入二次应力等原因，我国现行标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30－2005)规定，采用150mm×l50mm×l50mm的立方体作为标准试件，按规定的劈裂抗拉试验装置检测劈裂抗拉强度，由于混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度很小，仅为抗压强度的1/10～1/20。混凝土劈拉强度按下式计算，以MPa计。
(3-6)
式中 F——破坏荷载(N)；
A——试件劈裂面面积(mm2)。
4)抗弯拉强度(ƒf)：道路路面或机场道面用水泥混凝土，以抗弯拉强度(或称抗折强度)控制。根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2002)规定，不同交通量等级的水泥混凝土弯拉强度标准值如表3-8所示。
表3-8路面水泥混凝土抗弯拉强度标准值 交通等级
特重
重
中等
轻

抗弯拉强度标准值/MPa
5.0
5.0
4.5
4.0

道路水泥混凝土的抗弯拉强度是以标准操作方法制备成150mm×l50mm×550mm的梁形试件，在标准条件下，经养护28d后，按三分点加荷方式(见图3-7)，测定其抗弯拉强度(ƒf)，按下式计算，以MPa计。
　　①如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中MgO含量允许放宽到6.0%。

(3-7)
式中 F——破坏荷载(N)；
l——支座间距(mm)；
b——试件宽度(mm)；
h——试件高度(mm)。
(2)影响硬化后水泥混凝土强度的因素
1)材料组成对混凝土强度的影响。材料组成是混凝土强度形成的内因，主要取决于组成材料的质量及其在混凝土中的数量。
①水泥的强度和水灰比：水泥混凝土的强度主要取决于其内部起胶结作用的水泥石的质量，水泥石的质量则取决于水泥的特性和水灰比。
水灰比对强度的影响虽不是唯一的影响因素，但在实用中，由于水灰比公式计算简便，仍为各国广泛采用。我国根据大量的实验资料统计结果，提出了灰水比、水泥实际强度与混凝土28d立方体抗压强度的关系式：
(3-8)
式中 ——混凝土28d龄期的立方体抗压强度(MPa)；
fce——水泥实际强度(MPa)；
C／w——灰水比；
aa、ab——回归系数。
按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2000)规定，混凝土强度公式的回归系数列于表3-9中。
3-9 混凝土强度公式的回归系数 集料品种
回归系数

aa
ab

碎石
0.46
0.07

卵石
0.48
0.33

②集料特性：对混凝土的强度有明显的影响，特别是粗集料的形状与表面特性对强度有着直接的关系。在我国现行混凝土强度公式中，对表面粗糙、有棱角的碎石以及表面光滑浑圆的卵石，它们的回归系数不同。
③浆集比：混凝土中水泥浆的体积和集料体积之比值，对混凝土的强度也有一定的影响。特别是高强度的混凝土更为明显，在水灰比相同的条件下，在达到最优浆集比后，混凝土的强度随着浆集比的增加而降低。
2)养护条件对混凝土强度的影响。对于相同配合组成和相同施工方法的水泥混凝土，其力学强度取决于养护的湿度、温度和养护的时间(龄期)。
①湿度:混凝土浇筑成型后，如能保持湿润的状态,混凝土的强度将随龄期按水泥的特性成对数关系增长。J.S.格林(Green)的研究表明,以潮湿状态下养护28d龄期的强度为100％，其他各种养护条件相对强度的变化如图3-8所示。
②温度:养护温度对混凝土强度发展有很大影响。在相同湿度的养护条件下，低温养护强度发展较慢，为了达到一定强度，低温养护较高温养护需要更长的龄期。图3-9为相同湿度条件下，以21℃、28d龄期的强度为100％时，不同温度和龄期的相对强度。
③龄期:混凝土的强度随着龄期的增长而提高。一般早期增长比例较为显著，后期较为缓慢。在相同养护条件下，其增长规律如图3-10所示。其关系可用下式表达。
(3-9)
式中 ƒc，a——a天龄期的混凝土抗压强度；
ƒc，n——n天龄期的混凝土抗压强度。
由于影响混凝土强度的因素较为复杂，目前尚无准确的推算方法，按上式推算的混凝土强度结果只能作为参考。
3)试验条件对混凝土强度的影响。相同材料组成、相同制备条件和养护条件制成的混凝土试件，其力学强度还取决于试验条件。影响混凝土力学强度的试验条件主要有：试件形状与尺寸、试件湿度、试件温度、支承条件和加载方式等。
(3)提高混凝土强度的措施
1)选用高强度水泥和早强型水泥。为提高路面用混凝土的强度，应选用高强度的水泥，目前重型交通的路面，抗折强度应大于5.0MPa，水灰比不大于0.46，水泥用量不大于360kg／m3的条件下，必须采用高强水泥或道路水泥，才能满足混凝土强度高且水泥用量少的要求。为缩短养护时间，及早通车，在供应条件允许时，应优先选用早强型水泥。
2)采用低水灰比和浆集比。为提高路面混凝土的强度，通常采用的水灰比对于高速公路、一级公路不超过0.44，二级公路不超过0.46，对于滑模摊铺机施工的用水量不超过160kg/m3(卵石不超过155kg/m3)。对于掺加外加剂的混凝土还可采用更低的水灰比和用水量。采用低的水灰比，以减少混凝土中的游离水，从而减小混凝土中的空隙，提高混凝土的密实度和强度。另一方面降低了浆集比，减薄水泥浆层的厚度，可以充分发挥集料的骨架作用，对混凝土强度的提高亦有帮助。如采用适宜的最大粒径，可调节抗压和抗折强度之间的关系，以达到提高抗折强度的效果。
3)掺加混凝土外加剂和掺合料。目前桥梁工程用预应力混凝土，通常要求设计强度为C50以上，除了采用42.5MPa或52.5MPa强度等级的普通硅酸盐水泥外，水灰比必须在0.35～0.40之间才能达到强度要求。而混凝土拌和物的坍落度又要求在50mm以上，必须采用高效减水剂等外加剂，才能保证混凝土拌和物的工作性和混凝土的强度。
4)采用湿热处理-蒸汽养护和蒸压养护。桥梁预制构件，除了采用前述措施外，还适合采用湿热处理来提高混凝土的强度。
①蒸汽养护。蒸汽养护是使浇筑好的混凝土构件经1～3h预养后，在90％以上的相对湿度60℃以上温度的饱和水蒸汽中养护，以加速混凝土强度的发展。
普通水泥混凝土经过蒸汽养护后，早期强度提高快，一般经过一昼夜蒸汽养护，混凝土强度能达到标准强度的70％，但对后期强度增长有影响，所以用普通水泥配制的混凝土养护温度不宜太高，时间不宜太长，一般养护温度为60～80℃，恒温养护时间5～8h为宜。
用火山灰质水泥和矿渣水泥配制的混凝土，蒸汽养护效果比普通水泥混凝土好，不但早期强度增加快，而且后期强度比自然养护还稍有提高。这两种水泥混凝土可以采用较高的温度养护，一般可达90℃，养护时间不超过12h。
②蒸压养护。蒸压养护是将浇筑完的混凝土构件静停8～10h后，放入蒸压釜内，在高压、高温(如大于或等于8个大气压，温度为175℃以上)饱和蒸汽中进行养护。
在高温、高压蒸汽下，水泥水化时析出的氢氧化钙不仅能充分与活性的氧化硅结合，而且也能与结晶状态的氧化硅结合而生成含水硅酸盐结晶，从而加速水泥的水化和硬化，提高混凝土的强度。此法比蒸汽养护的混凝土质量好，特别是对采用掺活性混合材料水泥及掺入磨细石英砂的混合硅酸盐水泥更为有效。
5)采用机械搅拌和振捣。混凝土拌和物在强力搅拌和振捣作用下，水泥浆的凝聚结构暂时受到破坏，因而降低了，水泥浆的粘度和集料间的摩阻力，提高了拌和物的流动性，从而混凝土拌和物能更好地充满模型并均匀密实，混凝土强度得到提高。
(4)混凝土的变形。硬化后水泥混凝土的变形，包括非荷载作用下的化学变形，干湿变形和温度变形以及荷载作用下的弹-塑性变形和徐变。
1)非荷载作用的变形
①化学收缩。混凝土拌合物由于水泥水化产物的体积比反应前物质的总体积要小，因而产生收缩，称为化学收缩。这种收缩随龄期增长而增加，40d以后渐趋稳定，化学收缩是不能恢复的，一般对结构没有什么影响。
②干缩变形。这种变形主要表现为湿胀干缩。混凝土在干燥空气中硬化时，随着水分的逐渐蒸发，体积也将逐渐发生收缩，如在水中或潮湿条件下养护时，则混凝土的干缩将随之减少或略产生膨胀。混凝土收缩值较膨胀值大，混凝土的干缩往往是表面较大，常在表面产生细微裂缝。当干缩变形受到约束时，常会引起构件的翘曲或开裂，影响混凝土的耐久性。因此，应通过调节集料级配、增大粗集料的粒径，减少水泥浆用量，适当选择水泥品种，以及采用振动捣实，早期养护等措施来减小混凝土的干缩变形。
③温度变形。混凝土具有热胀冷缩的性质，对大体积及大面积混凝土工程极为不利。因为混凝土是不良导体，水泥水化初期放出大量热量难于散发，浇注后大体积混凝土内部温度远较外部为高，温差有时可达50～70，这将使内部混凝土产生显著的体积膨胀，而外部混凝土却随气温降低而冷却收缩。内部膨胀和外部收缩互相制约，将产生很多应力，当外部混凝土所受拉应力一旦超过混凝土当时的极限抗拉强度，就将产生裂缝。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，采用人工降温等措施。对于纵长的钢筋混凝土结构物，应每隔一段长度设置伸缩缝，在结构物内配置温度钢筋。
2)荷载作用变形
①弹-塑性变形与弹性模量:混凝土是一种弹-塑性体，在持续荷载作用下会产生可以恢复的弹性变形()和不可恢复的塑性变形()，其应力与应变关系见图3-11。
在桥梁工程中以应力为棱柱体极限抗压强度的40%时的割线弹性模量，作为混凝土的弹性模量。
在道路路面及机场跑道工程中水泥混凝土应测定其抗折时的平均弹性模量作为设计参数，取抗折强度50%时的加荷割线模量。
在路面工程中混凝土要求有高的抗折强度，而且要有较低的抗折弹性模量以适应混凝土路面受荷载后具有较大的变形能力。
②徐变。混凝土在持续荷载作用下，随时间增加的变形称为徐变，也称蠕变。徐变是在恒定荷载作用下随着时间的增长而产生的变形，是不可恢复的。初期增长较快，以后逐渐变慢，到一定时期后，可以稳定下来。一般为2～3年。
混凝土的徐变与许多因素有关，混凝土水灰比愈大，龄期愈短，徐变量愈大；荷载作用时大气湿度小，徐变大；荷载应力大，徐变大；混凝水泥用量多时，徐变量大。另外，混凝土弹性模量小，徐变大。混凝土无论是受压、受拉或受弯时，均有徐变现象。在预应力钢筋混凝土桥梁构件中，混凝土的徐变可使钢筋的预加应力受到损失，但是，徐变也能消除钢筋混凝土的部分应力集中，使应力较均匀地分布，对于大体积混凝土，能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力。混凝土的变形与荷载作用时间的关系见图3-12
3．耐久性 道路与桥梁工程用混凝土除了要满足前述的工作性和强度要求外，还要求具有优良的耐久性。对道路与桥梁建筑用混凝土，由于无遮盖而裸露在大气中，长期受风霜雨雪的侵蚀，因此耐久性的首要要求是抗冻性，其次对道路混凝土，因受车辆轮胎的作用，还要求其有耐磨性；桥梁墩台混凝土受海水或污水的侵蚀，还要求具抗化学侵蚀的耐蚀性。此外，近年来，碱一集料反应对高速公路及桥梁的破坏，它引起人们的关注。
(1)抗冻性。混凝土遭受冻融的循环作用，可导致强度降低甚至破坏。为评价混凝土的抗冻性，采用抗冻性能试验方法，我国现行标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30－2005)规定采用“快冻法”。该方法是以100mm×100mm×400mm棱柱体混凝土试件，经28d的试件有吸水饱和后，于-17℃和5℃条件下快速冻结和融化循环。每25次冻融循环，对试件进行一次横向基频的测试并称重。当冻融至300次，或相对动弹模量下降至60％以下，或质量变化率达到5％，即停止试验。此时的循环次数即为混凝土的抗冻标号。抗冻标号分为D10、D15、D25、D50、D100、D150、D200、D250和D300等。
①混凝土相对动弹模量按下式计算：
(3-10)
式中 P——经n次冻融循环后试件的相对动弹模量；
ƒn——n次冻融循环后试件的横向基频(Hz)；
ƒo——试验前试件的横向基频(Hz)。
②混凝土质量变化率按下式计算：
(3-11)
式中 Wn——n次冻融循环后试件的质量变化率(%)；
mo——冻融试验前的试件质量(kg)；
mn——n次冻融循环后的试件质量(kg)。
当混凝土相对动弹模量降低至小于或等于60％，或质量损失达5％时的循环次数，即为混凝土的抗冻标号。
①混凝土抗冻性亦可用相对耐久性指数表示。按下式计算：
(3-12)
式中 Kn——混凝土耐久性指数(％)；
N——达到前述规定的冻融循环次数；
P——经n次冻融循环后试件的相对动弹性模量(％)。
(2)耐磨性:耐磨性是路面和桥梁用混凝土的重要性能之一。作为高级路面的水泥混凝土，必须具有抵抗车辆轮胎磨耗和磨光的性能。作为大型桥梁的墩台用水泥混凝土也需要具有抵抗湍流空蚀的能力。混凝土耐磨性评价，按我国现行标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30－2005)规定：以150mm×l50mm×l50mm立方体试件，养护至27d龄期，在60℃烘干至恒重，然后在带有花轮磨头的混凝土磨耗试验机上，在200N负荷下磨削50转。按下式计算磨损量：
(3-13)
式中 CC——单位面积磨损量(ks／m2)；
m1——试件的初始质量(kg)；
m2——试件磨损后的质量(kg)；
0.0125——试件磨损面积(m2)。
3)碱一集料反应:水泥混凝土中水泥的碱与某些碱活性集料发生化学反应，可引起混凝土膨胀、开裂，甚至破坏，这种化学反应称为碱一集料反应。含有这种碱活性矿物的集料，称为碱活性集料(简称碱集料)。碱一集料反应会导致高速公路路面或大型桥梁墩台的开裂和破坏，并且这种破坏会继续发展下去，难以补救，因此引起世界各国的普遍关注。近年来，我国水泥含碱量的增加、水泥用量的提高以及含碱外加剂的普遍应用，增加了碱一集料反应破坏的潜在危险，因此，对混凝土用砂石料的碱活性问题，必须引起重视。
碱一集料反应有两种类型：①碱一硅反应是指碱与集料中活性二氧化硅反应；②碱一碳酸盐反应是指碱与集料中活性碳酸盐反应。
碱一集料反应机理甚为复杂，而且影响因素较多，但是发生碱一集料反应必须具备三个条件：①混凝土中的集料具有活性；②混凝土中含有一定量可溶性碱；③有一定的湿度。对重要工程的混凝土使用的碎石(卵石)应进行碱活性检验。进行碱活性检验时，首先应采用岩相法检验活性集料的品种、类型(硅酸类或碳酸类岩石)和数量。若岩石中含有活性二氧化硅时，应采用化学法和砂浆长度法进行检验；含有活性碳酸岩集料时，应采用岩石柱法进行检验。
为防止碱一硅反应的危害，按现行规范规定：①应使用含碱量小于0.6％的水泥或采用抑制碱一集料反应的掺合料；②当使用钾、钠离子的混凝土外加剂时，必须专门试验。
3.1.3普通水泥混凝土的配合比设计(以抗压强度为指标的计算)
混凝土配合比，是指混凝土中各组成材料之间的比例关系。普通水泥混凝土的配合比设计包括两个方面：
a.选料：选择适合制备所需混凝土材料。
b.配料：选择混凝土各组成材料的最佳配合和用料量。
1.混凝土配合比表示方法 混凝土配合比表示方法，通常有下列两种：
(1)单位用量表示方法：以1m3混凝土中各种材料的用量（kg/m3）表示
水泥：水：细集料：粗集料=mco：mwo ：mso：mgo =330:165:706:1265
(2)相对含量表示方法：以各种材料用料量的比例即(以水泥质量为1)表示

2．混凝土配合比设计的基本要求
①满足结构物的设计强度要求；
②满足现场施工条件的工作性要求；
③满足工程所处环境的耐久性要求；
④在满足上述要求的前提下，尽量减少水泥用量，降低混凝土成本，以便取得较好的经济效果。
3．混凝土配合比设计参数
(1)水灰比:混凝土中水与水泥的比例称为水灰比。如前所述，水灰比对混凝土和易性、强度和耐久性都具有重要的影响，因此，通常是根据强度和耐久性来确定水灰比的大小。一方面，水灰比较小时可以使强度更高且耐久性更好；另一方面，在保证混凝土和易性所要求用水量基本不变的情况下，只要满足强度和耐久性对水灰比的要求，选用较大水灰比时，可以节约水泥。
(2)砂率:砂子占砂石总量的百分率称为砂率。砂率对混合料的和易性影响较大，若选择不恰当，还会对混凝土强度和耐久性产生影响。砂率的选用应该合理，在保证和易性要求的条件下，宜取较小值，以利于节约水泥。
(3)用水量：用水量是指1m3混凝土拌和物中水的用量(kg／m3)。在水灰比确定后，混凝土中单位用水量也表示水泥浆与集料之间的比例关系。为节约水泥和改善耐久性，在满足流动性条件下，应尽可能取较小的单位用水量。
4．混凝土配合比设计的基本原理
(1)绝对体积法:该法是假定混凝土拌和物的体积等于各组成材料绝对体积与混凝土拌和物中所含空气体积之和。
(2)假定表观密度法(假定容重法):如果原材料比较稳定，可先假设混凝土的表观密度为一定值，混凝土拌和物各组成材料的单位用量之和，即为其表观密度。通常普通混凝土的表观密度为2350～2450kg／m3。
(3)查表法:它是根据大量试验结果进行整理，将各种配比列成表，使用时根据相应条件查表，选取适当的配比。因为它是直接从工程实际中总结的结果，比较实用，所以在工程中应用较广。
5．混凝土配合比设计的方法与步骤
(1)混凝土配合比设计的基本资料
1)设计要求的混凝土强度等级，承担施工单位的管理水平；
2)工程所处的环境和设计对混凝土耐久性的要求；
3)原材料品种及其物理力学性能指标；
4)混凝土所处的部位、结构构造情况，施工条件等。
(2)混凝土配合比计算初步配合比
1)确定试配强度
(3-14)
式中 ƒcu,o——混凝土的配制强度(MPa)；
ƒcu,k——设计要求的混凝土强度等级(MPa)；
——混凝土强度标准差(MPa)；
t——置信度界限，决定保证率P的积分下限。
现行规范对一般工程中混凝土要求为强度保证率P≥95％，对应的t=-1.645，上式应写为：
(3-15)
混凝土强度标准差按下式计算：
(3-16)
混凝土标准差()可根据近期同类混凝土强度资料求得，其试件组数不应少于25组。对C20～C25级混凝土，若强度标准差计算值低于2.5MPa时，则计算配置强度时的标准差取为2.5MPa；对不低于C30级混凝土，若强度标准差计算值低于3.0MPa时，则计算配置强度时的标准差取为3.0MPa。
若无历史统计资料时，强度标准差可根据要求的强度等级按表3-10规定选用。
表3-10 标准差表值表 强度等级/MPa
低于C20
C20～C35
高于C35

标准差/MPa
4.0
5.0
6.0

2)计算水灰比(W／C)
①按混凝土强度等级计算水灰比和水泥实际强度，将已确定的各参数代入混凝土强度公式。
(3-17)
式中 ƒcu,0——混凝土配制强度(MPa)。
aa、ab——回归系数(根据使用的粗、细集料经过试验得出的灰水比与混凝土强度关系式确定，若无上述试验统计资料时可采用表3-9数值；
ƒce——水泥28d抗压强度实测值(MPa)。
当无水泥28d抗压强度实测值时，可按下式确定：
(3-18)
式中 ——水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定；
——水泥强度标准值，MPa。
值也可根据3d强度或快速强度推定28d强度关系式推定得出。
由式(3-17)计算水灰比
(3-19)
②按耐久性校核水灰比:根据上式计算所得的水灰比只能满足强度要求，还应根据混凝土所处的环境条件进行耐久性校核，参见表3-11。
表3-11 混凝土的最大水灰比和最小水泥用量 环境条件
结构物类别
最大水灰比
最小水泥用量/kg

素混
凝土
钢筋
混凝土
预应力
混凝土
素混
凝土
钢筋
混凝土
预应力
混凝土

干燥环境
正常的居住和办公用房室内部件
不作
规定
0.65
0.60
200
260
300

潮湿
环境
无冻害
1.高湿度的室内部件
2.室外部件
3.在非侵蚀性土和（或）水中的部件
0.70
0.60
0.60
225
280
300

有冻害
1.经受冻害的室外部件
2.在非侵蚀性土和（或）水中且经受冻害的部件
3.高湿度且经受冻害的室内件
0.55
0.55
0.55
250
280
300

有冻害和除冰剂的潮湿环境
经受冻害和除冰剂作用的室内和室外部件
0.50
0.50
0.50
300
300
300

3)选定单位用水量(W0)
根据粗集料的品种、数量、粒径及施工要求的混凝土拌和物稠度值(坍落度或维勃稠度)选择每立方米混凝土拌和物的用水量。一般可根据施工单位对所用材料的经验选定。如使用经验不足，可参照表3-12选取。
3-12 混凝土的用水量选用表 拌和物稠度
卵石最大粒径/ mm
碎石最大粒径/ mm

项目
指标
10
20
31.5
40
16
20
31.5
40

坍落度
/ mm
10-30
190
170
160
150
200
185
175
165

35-50
200
180
170
160
210
195
185
175

55-70
210
190
180
170
220
205
195
185

75-90
215
195
185
175
230
215
205
195

维勃稠度/s
16-20
175
160
-
145
180
170
-
155

11-15
180
165
-
150
185
175
-
160

5-10
185
170
-
155
190
180
-
165

注：1.本表用水量系采用中砂时的平均取值。采用细砂时，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，用水量应相应调整。
3.本表所列集料最大粒径为10mm、16mm、20mm、31.5mm、40mm的圆孔筛，分别约相当于9.5mm、13.2mm、16mm、26.5mm和31.5mm的方孔筛(编者注，下同)。
4)计算单位水泥用量(mco)
①按强度要求计算单位用灰量。每立方米混凝土拌和物的用水量(mwo)选定后，即可根据强度或耐久性要求已求得的水灰比(W／C)值计算水泥单位用量。
(3-20)
②按耐久性要求校核单位用灰量。根据耐久性要求，普通水泥混凝土的最小水泥用量，依结构物所处环境条件分别规定，见表3-10。
按强度要求由式(3-20)计算得的单位水泥用量，应不低于表3-11规定的最小水泥用量。
5)选定砂率()。根据粗骨料品种、最大粒径和混凝土拌和物的水灰比确定砂率。一般可根据施工单位所用材料的使用经验选定，如使用经验不足，可参照表3-13选取。
表3-13 混 凝 土 的 砂 率 水灰比（W/C）
卵石最大粒/mm
碎石最大粒径/mm

10
20
40
16
20
40

0.40
26-32
25-31
24-30
30-35
29-34
27-32

0.50
30-35
29-34
28-33
33-38
32-37
30-35

0.60
33-38
32-37
31-36
36-41
35-40
33-38

0.70
36-41
35-40
34-39
39-44
38-43
36-41

注:(1)本表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)本表适用于坍落度为10-60mm的混凝土，坍落度如大于60mm或小于10mm的混凝土，应相应地增大或减少砂率，按坍落度每增大20mm，砂率增大1％的幅度予以调整；坍落度小于10mm的混凝土