混凝土基本知识
1824年阿斯普丁发明波特兰水泥以后，水泥和混凝土的生产技术迅速发展，混凝土的用量急剧增加，使用范围日益扩大。特别是1850年法国人朗波特用加钢筋网的方法制造了一条小水泥船后，出现了用钢筋来增强混凝土，以弥补混凝土抗拉强度及抗折强度的缺陷，使混凝土的应用发生了根本变化，其用途和用量都有了更大的提高。至今，它已成为世界上用量最多的人造材料。
一、混凝土的定义
由胶结材（无机的、有机的或无机有机符合的）、颗粒状集料以及必要时加入化学外加剂和矿物掺合料组分合理组成的混合料经硬化后形成的复合材料称为混凝土。
二、混凝土分类
（一）按胶结材分
1、无机胶结材混凝土：水泥混凝土、硅酸盐混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、碱矿渣混凝土等。
2、有机胶结才混凝土：沥青混凝土、聚合物胶结混凝土、聚合物水泥混凝土、聚合物浸渍混凝土等。
（二）按混凝土的结构分 1、普通结构混凝土 2、细粒混凝土 3、大孔混凝土 4、多孔混凝土 （三）按容重分
1、特重混凝土 容重大于2500kg/m3 2、重混凝土 容重在19002500kg/m3之间 3、轻混凝土 容重在5001900kg/m3之间 4、特轻混凝土 容重小于500kg/m3 （四）按用途分
主要有：结构用混凝土、隔热混凝土、装饰混凝土、耐酸混凝土、耐碱混凝土、耐火混凝土、道路混凝土、大坝混凝土、收缩补偿混凝土、海洋混凝土、防护混凝土
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等。
此外还有按混凝土性能和制造工艺分类等等。
三、普通混凝土的定义及分类
（一）普通混凝土的定义
普通混凝土是指由水泥、粗细集料（碎石或卵石及硅质砂）加水拌合，经水化硬化而成的一种人造石，主要作为承受荷载的结构材料使用。
（二）普通混凝土的分类 1、普通混凝土按稠度可分为： 干硬性混凝土：坍落度小于10mm 塑性混凝土：坍落度10100mm之间 流动性混凝土：坍落度大于100mm 2、按强度等级可分为：
普通强度等级强度混凝土，C10C55 高强混凝土：混凝土强度大于C60 此外还有其他的分类方法。
普通混凝土按照正常的成型和养护方法最高可以做到C200，强度超过C200的混凝土仅靠现在的方法是办不到的。
达到C200以上的混凝土有多种，现在最为引人关注的是活性粉末混凝土，国内试验室已做到C300以上，这种混凝土的性能已与普通混凝土性能有了质的区别，它具有一定的韧性和加工性。
四、普通混凝土组成材料及其在混凝土中的作用
普通混凝土由水、水泥、砂、石四种主要材料组成。随着混凝土技术的发展，出现了外加剂和矿物掺合料。因此，目前混凝土有六种主要组分。这六种组分在混凝土内部起着不同的作用。
1、水和水泥：水泥是混凝土中最重要的组成材料，水泥和水反应生成具有一定强度的凝胶体是混凝土强度的来源。
2、砂和石：是混凝土的集料，在混凝土内部起骨架作用，也叫骨料。集料在混凝土中既有技术上的作用也有经济上的意义。在技术上，集料的存在使混凝土比单纯水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性；在经济上，它比水泥便宜的多，作为水泥浆的填充材料，使这种建筑材料成本低廉。
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3、外加剂：能够改善或赋予混凝土及水泥浆某些性能，掺量在水泥（或胶凝材料）用量的5%以下的少量有机或无机化合物。外加剂的出现给混凝土的发展带来了革命性的变化，使一些新型混凝土得以发展。根据外加剂的作用不同，可把其分为：减水剂、调凝剂、早强剂、引气剂、加气剂、膨胀剂、防水剂、阻锈剂等。
4、矿物掺合料：为改善混凝土的某些性能，降低成本、利用废物等在混凝土内部加入活性或非活性的细料。同砂、石一样，它既具有技术上的作用又有经济上的意义。常用的矿物掺合料有：粉煤灰、矿渣、硅灰、沸石等。
五、普通混凝土的基本性能
（一）混凝土混合料性能 1、混凝土的和易性（工作性）
混合料易于运输、浇注和密实成型而不发生分层离析的性能。和易性的全部含义应当是“流动性+可塑性+稳定性+易密性”。对于我们常见的商品混凝土而言，一般包括三方面内容，即混凝土的流动性、粘聚性和保水性。
目前还没有一种试验方法能直接测定象前面定义的那种和易性。虽然研究人员做了大量努力，建议了许多试验方法，但还只能以一些容易确定的物理量表示混凝土的和易性。尽管不能另人满意，但还是在一定范围内提供了有用的资料。其中最常用的方法就是坍落度试验。通过坍落度试验可以检测坍落度的大小和直观判断混凝土的粘聚性和保水性。
检测混凝土和易性的方法还有多种，比如：流动度试验；沉球试验等。由于这些试验在商品混凝土中很少用到，在此不再赘述。
随着混凝土技术的不断发展，新的试验方法也不断出现，比如自密实混凝土试验方法就有L形流动仪、倒坍落度筒测定流动时间等方法。
2、普通混凝土混合料的离析和泌水
混合料的离析是指混合料各组分分离，造成不均匀和失去连续性的现象。这是由于构成混合料的各种粒子大小、比重不同引起的。显然混凝土的离析是不可避免的，但适当的配合比和操作却可以尽量地减少离析。混合料的离析通常有两种形式：一种是粗集料从混合料中分离，因为它们比细集料更易于沿着斜面下滑或在摸内下沉；另一种是稀水泥浆从混合料中淌出，这主要发生在流动性大的混合料中。
混合料浇灌之后到开始凝结期间，固体粒子下沉，水上升，并在表面析出的现象称为泌水。同时混合料发生沉降收缩。泌水的结果使表面混合料含水量增加，产生大
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量浮浆，硬化后使表面混凝土强度弱于下面混凝土强度，并产生大量容易剥落的“粉尘”。如果混凝土是分层浇注，若不设法除去面层上的这些浮浆，则会损害每层混凝土之间的粘结。上升的水还会聚结在粗集料或钢筋的下方，硬化后成为空隙，出现弱粘结地带。上升的水在其后留下水的通道，降低了混凝土的抗渗性和抗冻性。在和摸板的交界面上，泌水时会把水泥浆带走，仅留下砂子，出现“砂纹”现象。
严重的泌水现象应当避免，但少量的泌水不一定是有害的。只要在泌水过程中不受到搅乱，任其蒸发，可降低混合料的实际水灰比，防止混合料表面干燥，便于表面修整。
（二）混凝土其他性能 1、力学性能
强度是混凝土的最重要的力学性质，这是因为任何混凝土结构物主要都是用以承受荷载或抵抗各种作用力。混凝土的强度有抗压强度、抗拉强度、弯曲强度、剪切强度以及与钢筋的粘结强度等。
混凝土的强度在一定范围内与灰水比近似成正比关系（也就是直线关系）。我们通常用水灰比这个概念，混凝土强度与水灰比成反比关系（双曲线关系），比较复杂，在试配中不方便应用，因此确定配合比使用灰水比。
混凝土是一种脆性材料，有很高的抗压强度，但其他强度均很低。混凝土的抗拉强度只有抗压强度的714%，平均为10%；混凝土的弯曲和剪切强度均高与抗拉强度。混凝土与钢筋的粘结强度主要是由于混凝土与钢筋之间的摩擦力和附着力引起的。
2、体积稳定性
指混凝土浇注后的体积变化。混凝土浇注后，凝结前后体积均会有所变化。 （1）混凝土凝结前会出现以下几种收缩： a．沉降收缩 b．塑性收缩 c．自收缩
（2）混凝土凝凝结后会发生以下几种收缩： a．干缩 b．化学收缩 c．碳化收缩 d．徐变
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混凝土的收缩会在几十年内不断进行，但大多数收缩在前期完成。通常情况下，20年的收缩量的14%34%发生在前2个星期里；20年的收缩量的40%80%发生在前两3个月里；20年的收缩量的66%85%发生在前1年里。
混凝土不仅发生收缩，吸水后也会发生膨胀，叫湿胀。因此混凝土的一部分收缩在混凝土遇水后是可以恢复的。
另外，混凝土的正常收缩值在万分之四左右（40010-6），水泥净浆和水泥砂浆的收缩值要远大于混凝土的收缩值。因此，混凝土中的粗集料有限制混凝土收缩的作用。
3、耐久性
有混凝土建造的工程大多是永久性的，因此必须研究在环境介质作用下，保持其强度的能力，亦即研究混凝土耐久性的问题。对混凝土的耐久性的研究只能通过研究混凝土某些与耐久性有关的性能来进行。比如：抗冻性；抗渗性；抗化学腐蚀能力；碱集料反应等。
六、普通混凝土配合比设计
1、计算试配强度fcu,o
fcu,o≥fcu,k +1.645σ
其中：fcu,k为砼立方体抗压强度标准值。
σ为砼强度标准差。代表砼强度的稳定性，由生产控制水平决定。 µ+1.645σ代表砼强度保证率为95%。 以下均以C30砼为例进行计算。 fcu,o=30+1.645×5=38.225（Mpa）
注：σ的取值在无统计资料可参考时，可按下表选取。
砼强度等级 σ 图1 ：强度正态分布曲线 注： f(x)―强度频率。正态分布曲线与x轴所包围的面积
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水灰比计算是以鲍罗米公式为依据进行的。包罗米公式的核心是：在一定区域内，砼强度与灰水比成正比例关系。进行配合比设计时，将鲍罗米公式表示为： fcu,o=Afce(C/W-B) 该公式展开后为：fcu,o=AfceC/W-ABfce相当于直线方程：Y=aX+b （其中：a=Afce，b=-Abfce） fcu,o 图2：砼强度―灰水比关系曲线 由该公式导出： C/W=（fcu,o+ABfce）/Afce 配合比设计时习惯使用水灰比，因此将上式变为：W/C=Afce/(fcu,o+ABfce) 其中：A、B为回归系数，与粗集料品种有关。 粗集料为碎石时：A=0.48 B=0.52 粗集料为卵石时：A=0.50 B=0.61 fce为水泥实际强度。fce=c.fce,k C/W fcu,k为水泥强度标准值。 为水泥强度标准值的富余系数，该值应按实际 c 统计资料确定。无统计资料时可取1.13。 对于C30碎卵石砼(用P.O.525水泥配制)： W/C=0.501.1352.5/（38.225+0.500.611.1352.5）=0.53 3、选择用水量mw0 根据JGJ/T55设计规程选取。取mw0=190kg/m3 4、确定水泥用量mc0 6 mc0=mw0/（W/C）=190/0.53=358 (kg/m3)。 5、选择砂率s 根据JGJ/T55设计规程选取。取s=35%。 最佳砂率及其确定方法：砼的和易性达到最佳时的砂率即为最佳砂率。最佳砂率是通过试验确定的。试验时是以2%的砂率为间隔进行试拌，根据试拌结果作出坍落度―砂率曲线，曲线顶点所对应的砂率值即为最佳砂率（如图3）。 坍落度 图3：坍落度―砂率曲线 6、确定砂石用量ms0 、mg0 设计配合比时如果采用假定容重法，则：mw0+mc0+ms0+mg0=mcp 其中：mcp为假定容重，一般可取2350 kg/m3~2450kg/m3。 对于C30不加粉煤灰的砼，取mcp=2420 kg/m3 ms0+mg0= mcp-（mw0+mc0）=2420-（190+358）=1872( kg/m3) ms0=187235%=655（ kg/m3） mg0=1872-655=1217（ kg/m） 通过以上设计，基准配合比确定为(kg/m3)： W 190 7、试拌 用基准配合比进行试拌，通过试拌检查砼的和易性。不能满足设计要求时进行调整。 8、试配 试配应以不少于三个水灰比进行，水灰比间隔宜为0.05。 C 358 S 655 G 1217 3 砂率 7 水灰比 0.63 0.58 0.53 0.48 0.43 砂率 （%） 37 36 35 34 33 W (kg/m3) 190 190 190 185 185 C (kg/m3) 302 328 358 385 430 S (kg/m3) 706 681 655 632 602 G kg/m3) 1202 1211 1217 1228 1223 28d强度 (Mpa) 27.5 31.7 39.6 42.1 50.2 9、确定配合比 对上述试配结果进行一元线性回归，得出以下关系： R28=B（C/W）+A=30.15（C/W）-19.71（回归曲线如图4） 相当于直线方程Y=BX+A（其中：B=30.15，A=-19.71） 其中：A、B为回归系数。 A=-19.71 B=30.15 B0 表示正相关， B0 表示负相关。 r=0.988 r为相关系数。其值小于0.85时表示相关性 较差，回归方程不宜采用。 将回归方程变为：W/C=30.15/（R28-19.71） 确定配合比时，试配强度fcu,o即为R28（预测强度）。 W/C=30.15/（R28-19.71） fcu,o -19.17 图4：回归方程曲线 8 C/W 通过这一关系我们可以确定曲线内各强度等级所需的水灰比： 强度等级 试配强度（Mpa） 水灰比 C20 26.58 0.65 C25 33.225 0.57 C30 38.225 0.52 C35 44.87 0.47 C40 49.87 0.43 由于C20砼的水灰比在曲线外，因此不宜采用。 这样我们可以确定以下配合比： 强度等级 C25 C30 C35 C40 掺加外加剂、掺合料及流动性砼配合比设计 1、计算试配强度 fcu,o=38.225Mpa 2、计算水灰比 W/C=0.53 3、确定用水量mwa 选择用水量。以砼坍落度90mm为基础，从JGJ/T55中选取。对于C30砼，选择用水量为190kg/m3。 据设计坍落度的大小计算用水量mw0。按坍落度每增20mm，用水量增加5kg计算(假定设计坍落度为220mm)。 mw0=190+[（220-90）/20]5=222.5（kg/m3）。 计算加入外加剂后的用水量mwa 假设外加剂的掺量为1.5%时的减水率为21.5%。 mwa=mw0(1-)=222.5(1-21.5%)=175（kg/m3）。 注：为外加剂的减水率。 4、确定水泥用量mca mca=mwa/(W/C)=175/0.53=330(kg/m3) 5、确定砂率sa 9 水 灰比 0.57 0.52 0.47 0.43 砂率（%） 36 35 34 33 W (kg/m3) 190 190 185 185 C (kg/m3) 333 365 394 430 S (kg/m3) 679 653 629 602 G (kg/m3) 1208 1212 1222 1223 选择砂率。以砼坍落度100mm为基础，从JGJ/T55中选取。对于C30砼，选择砂率为35%。 根据设计坍落度的大小计算砂率sa。按坍落度每增20mm，砂率增加1%计算 （假定设计坍落度为220mm）。 sa=35%+[(220-100)/20]1%=41%。 6、确定砂石用量msa 、mga 假定容重仍为2420 kg/m3 msa+mga=mcp-（mwa+mca）=2420-（175+330）=1915(kg/m3) msa=191541%=785(kg/m) mga=1915-785=1130(kg/m3) 通过以上设计，基准配合比确定为(kg/m3)： W 175 C 330 S 785 G 1130 A 4.95 3 注：外加剂A=330×1.5%=4.95(kg/m3) 7、试拌、试配及确定配合比同前。 8、掺加掺合料的配合比设计 等量取代水泥，如：矿渣、硅灰、膨胀剂（属于外加剂，但在配合比设计时按掺合料对待）。掺合料等量取代水泥时，胶凝材料的总量不变。比如：矿渣取代水泥35%，那么： 矿渣的用量为：33035%=115(kg/m3) 水泥的用量为：330-115=215(kg/m) 基准配合比变为(kg/m)： W 175 C 215 S 785 G 1130 SL 115 A 4.95 3 3 超量取代水泥。主要用于粉煤灰的配合比设计。比如：粉煤灰取代水泥15%，则：水泥用量为：330-33015%=280(kg/m3) 粉煤灰得用量为：33015%1.3=65(kg/m) 其中：1.3为超量系数，即用1.3kg的粉煤灰取代1kg的水泥，其目的是为了 保证粉煤灰取代后的配合比和原配合比具有同样的强度。对于超量系数，GBJ146中是这样规定的： 10 3 粉煤灰等级 超量系数 Ⅰ 1.1~1.4 Ⅱ 1.3~1.7 Ⅲ 1.5~2.0 粉煤灰取代水泥后，砼的容重将有所减小。这时我们可以根据经验适当将容重减小10 kg/m~20 kg/m，也可以通过以下计算求得： 这时基准配合比变为(kg/m3)： W 175 C 280 S 752 G 1127 FA 65 A 5.18 3 3 注：假设粉煤灰的需水量比为100%。 外加剂A=（280+65）×1.5%=5.18(kg/m3) 第二部分 钢筋、预应力混凝土结构 一、钢筋、预应力混凝土结构的定义 1、钢筋混凝土结构：由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构。混凝土材料抗压性能好，但抗拉性能差，因此素混凝土结构在工程中的使用范围有限。钢材具有很好的抗拉和抗压强度，但细长比过大使受压钢构件容易失稳，并易生锈。钢筋混凝土结构将二者结合到一起协同工作，让钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力，充分发挥两种材料各自的特长，结构就能表现出良好的受力性能。 2、预应力混凝土结构：由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预压应力的混凝土制成的结构。预应力混凝土结构一般是由非预应力和预应力混凝土构件构成的承重体系。 二、预应力混凝土的优点及适用性 与普通钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有以下特点： 1、受拉及受弯非预应力混凝土构件（普通钢筋混凝土）抗裂性差。混凝土的极限拉应变只有1.0~1.510-4,仅达到钢筋屈服应变的10％左右。而施加预应力可延缓混凝土构件的开裂，提高构件的抗裂性和抗渗性，改善结构的耐久性。 2、可提高构件的刚度，减小变形。 3、充分发挥材料高强度性能，节约钢材，减轻自重，降低造价。可节约钢材 40%~50% 、混凝土 20%~40%。 11 4、提高构件的抗剪性能、受压构件的稳定性及抗疲劳性等。 近年来，随着施工工艺不断发展和完善，预应力混凝土的应用范围愈来愈广。除在传统工业与民用建筑的屋架、吊车梁、空心楼板、大型屋面板等单个构件上广泛应用外，目前广泛应用于大跨度或重荷载结构，以及不允许开裂的结构。如：大型桥梁、高层建筑、核电站安全壳、电视塔、大跨度薄壳结构、筒仓、水池、大口径管道、基础岩土工程、海洋工程等技术难度较高的大型整体或特种结构上。当前，预应力混凝土的使用范围和数量，已成为一个国家建筑技术水平的重要标志之一。 三、预应力砼的分类 1、按应力度大小分类：全预应力混凝土和部分预应力混凝土。 全预应力混凝土是在全部使用荷载下受拉边缘不允许出现拉应力的预应力混凝土，适用于要求混凝土不开裂的结构。部分预应力混凝土是在全部作用荷载下受拉边缘允许出现一定的拉应力或裂缝的混凝土，其综合性能较好，费用较低，适用面广。 2、按成型方式分类：现浇预应力混凝土、预制预应力混凝土、和叠合预应力混凝土等。 3、按施加预应力的方式分类：先张法、后张法、电张法和自张法等。 4、按粘结方式分类：无粘结预应力及有粘结预应力。 四、施加预应力的方法 1、先张法：先张法施加预应力就是在浇筑混凝土前，将预应力钢筋一端用夹具固定在台座的钢梁上，另一端通过张拉夹具、测力器与张拉设备相连，当张拉到规定应力后，在张拉端用夹具将预应力钢筋固定，支模并绑扎非预应力筋，浇筑混凝土、养护。当混凝土达到一定强度（一般不低于设计强度的70％）以后，切断或放松预应力钢筋，钢筋回缩，由于预应力钢筋与混凝土之间的粘结作用，阻止钢筋自由回缩，从而对混凝土构件产生预压应力。 2、后张法：后张法施加预应力就是在已完成混凝土浇筑的构件上张拉预应力筋并锚固的施加预应力方法。后张法要求先浇筑混凝土，且混凝土达到一定强度（通常规定达到设计强度的100％）后，然后直接在构件上张拉预应力钢筋并锚固，它是通过锚具传递预应力的。 后张法又可分为灌浆和非灌浆两种： 12 （1）灌浆预应力混凝土是在浇筑混凝土构件时，预先在构件中留出孔道，当混凝土达到一定强度后，将预应力钢筋穿入孔道，张拉到控制应力并锚固，然后向孔道间隙内压力灌入水泥浆，使预应力钢筋与混凝土成为整体。 （2）非灌浆预应力混凝土，在浇筑构件时不需要预留孔道及灌浆，通常作法是，将预应力束（预应力筋）的外表面涂以沥青、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈，然后用纸带或塑料带包裹或套以塑料管，以防止在施工过程中碰坏涂料层，并使预应力钢筋与混凝土间无粘结，将预应力束（预应力筋）按设计部位放入构件模内，然后浇筑混凝土并养护。当构件混凝土达到设计强度后，在构件上直接张拉预应力钢筋束至控制应力，并用锚具将预应力钢筋束两端锚固在构件的端部，张拉预应力筋的同时，构件受到预压应力。 后张法与先张法相比具有不需要台座，生产比较灵活，可工厂预制，也可现场制作。但需要对预应力筋进行逐根张拉，张拉设备复杂，锚具耗钢量大，精度要求高，且不能重复使用，成本高。 五、预应力混凝土构件的材料要求 1、混凝土 预应力混凝土是通过张拉预应力钢筋对混凝土施加预压应力，以提高构件的刚度和抗裂性能。预应力混凝土构件所用的混凝土，应满以下几方面要求： (1)强度高。由于张拉时钢筋会对混凝土施加很大的压应力，因此要混凝土有较高的强度。对先张法，强度高的混凝土可以提供较高的钢筋与混凝土的粘结强度；对于后张法，可以提高锚固端的局部承压承载力；混凝土强度高还可以减小构件截面积。目前采用的混凝土强度等级多在C40以上。 （2）收缩、徐变小。尽量减小因收缩、徐变引起的预应力损失。 （3）快硬、早强。便于尽早施加预应力，加快施工进度。 2、钢筋 预应力混凝土构件所用的钢材包括钢筋和钢丝，他们应满足以下要求： （1）强度高。只有钢筋具有很高的抗拉强度，才能对混凝土施加很高的预压应力。同时还要考虑荷载作用下，钢筋所承受的应力更大，再加上要补偿预应力损失，因此要求钢筋要有很高的抗拉强度。 （2）具有一定的塑性。为防止预应力构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋在拉断前具有一定的延伸率。一般要求极限延伸率大于4％。 13 （3）良好的加工性能。有求有良好的可焊性，同时要求钢筋镦粗后并不影响其原来的物理力学性能。 （4）与混凝土之间有良好的粘结作用。对于先张法预应力构件，当用高强钢丝时，其表面应进行刻痕和压波处理。 目前我国常用的预应力钢材主要有钢铰线、钢丝和热处理钢筋三大类。 六、预应力损失及其组合 1、预应力损失：预应力混凝土构件在制作和使用过程中，预应力钢筋的张拉应力不断降低的现象称为预应力损失。下面简单介绍常见的六种预应力损失： （1）由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1。 （2）与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2。 （3）混凝土加热养护时受张拉的预应力钢筋与承受压力的设备之间温差引起的预应力损失l3。 （4）预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失l4 （5）混凝土收缩、徐变引起的预应力损失l5 （6）用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6。 2、预应力损失组合 以上六种预应力损失并非同时存在，有的只发生在先张法构件中，有的只发生在后张法构件中，有的两种构件都有，并且是分批产生的。为了分析和计算方便，《混凝土结构设计规范》规定，预应力混凝土构件在各阶段的预应力损失值宜按下表规定进行组合。 预应力损失的组合 混凝土预压前（第一批）损失 混凝土预压后（第二批）损失 先张法构件 l1＋l2＋l3＋l4 l5 后张法构件 l1＋l2 l4＋l5＋l6 由于各项预应力损失的离散性，实际损失值有可能比《混凝土结构设计规范》公式计算值高，所以规范规定如果求得的预应力总损失值小于下列数值，则直接采用下列数值： 先张法构件：100MPa 后张法构件：80MPa 14 第三部分 大体积混凝土与水工混凝土 一、大体积混凝土定义 混凝土结构物实体最小尺寸等于或者大于1m，或者预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。 这一定义是我们国家在标准规范中使用的定义，它有别于教科书、科技论文中的定义，也有别于其他国家定义。比如：美国混凝土学会ACI207委员会对大体积混凝土的定义是“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂”。该学会还认为，结构最小尺寸大于0.6m，即应考虑水化热引起的混凝土体积变化与开裂问题。 我国的大体积混凝土定义中有两种形式的大体积混凝土，第一种以尺寸为标准，只要混凝土结果物实体的最小尺寸等于或大于1m，就是大体积混凝土，并不需要区分不同类型混凝土的影响，概念是明确的，很容易理解，便于在施工过程中确定并积极采取措施加以控制。第二种是以水泥水化热为标准，预计水化热是否足以引起混凝土的内外温差过大而导致裂缝出现。这一定义虽无确定值，并且不便理解和执行，在工程实际中常常被忽视，但却道出了大体混凝土的实质，弥补了第一种定义仅考虑方便理解和执行带来的漏洞和不足。 二、大体积混凝土配合比设计以及应注意的问题 大体积混凝土从选材到配合比设计与普通混凝土并没有本质区别，只是在选材和配合比设计方面要充分考虑其特点，尽可能降低混凝土的水化热，避免因混凝土水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝出现。在选材和配合比设计方面，主要考虑以下几个问题。 1、在保证混凝土强度的前提下，尽量降低水泥用量，以减少混凝土水化热。 2、降低混凝土单方用水量，在等强度和等稠度的情况下可以降低水泥用量，或者说可以降低胶凝材料总量，从而降低混凝土水化热。 3、选择优质掺合料，并通过试验尽可能多的取代水泥，将水泥的用量降至最低值。由于不同掺合料在混凝土内部的作用不同，在设计大体混凝土时应根据不同掺合料的性能选择合适掺量。对降低混凝土水化热最有效的掺合料是粉煤灰，特别是І级粉煤灰效果更好，它具有降低混凝土用水量和降低水泥用量的双重效果；矿粉的效果要根 15 据其细度来定，细度小降低水化热明显，但不利于充分发挥其对混凝土强度的贡献，对混凝土强度有一定影响，细度大降低水化热的效果差，但可以提高取代水泥的量来改善其效果。目前，通常的办法是粉煤灰和矿粉双掺，利用两者的互补效应，充分发挥二者的特点，达到最佳效果。其他掺合料要么不适合使用，要么不常使用，要么成本过高，因此很少用于大体积混凝土。 4、在保证混凝土性能和正常施工性能的情况下，结合搅拌站的常用材料，应尽可能选择公称粒径较大的石子，并且应尽量增加石子用量。 5、采用具有缓凝作用的复合减水剂，延长混凝土的凝结时间，降低放热高峰和推迟放热高峰的出现时间。 6、尽可能延长混凝土强度验收周期，采用60或90d作为验收强度。在采用较长验收期时，可根据工程实际确定混凝土在某一时期的控制强度，比如：28d强度不低于设计强度的90％等。 通过以上措施，我们来对比一下下列五个C30配合比（kg/m3）： 水灰比 水胶比 0.46 0.46 0.46 0.45 0.44 砂率 ％ 44 44 44 43 42 粉煤灰 取代与超代量 20%1.20 20%1.20 20%1.20 25%1.25 30%1.30 矿粉取代量 20% 20% 20% 20% 20% 外加剂用量 水 水泥 砂 石 粉煤灰 85 83 80 矿粉 71 69 67 67 67 外 加 剂 7.36 7.52 7.63 7.43 7.28 成本 (元／m3) 175.73 174.16 172.36 169.65 167.63 1 0.48 2 0.48 3 0.48 4 0.48 5 0.48 2.0% 170 212 807 2.1% 165 206 814 2.2% 160 200 821 2.1% 160 183 797 2.0% 160 167 772 1028 1036 1045 1056 104 1067 130 注：计算成才用的原材料单价（元／吨）：水泥：310； 砂：40； 石：35； 粉煤灰：150； 矿粉：170； 外加剂：2300。 三、大体积混凝土裂缝产生的原因及综合控制措施 1、裂缝的成因 混凝土裂缝的原因很复杂，对大体积混凝土而言，主要有以下几方面原因。 (1)设计原因 设计原因主要为：局部防裂钢筋配筋不足或不合理；断面突变；预应力施加不当；混凝土强度设计过高等。 16 (2)材料原因及配合比原因 a.水泥选择或应用不当，造成混凝土内外温差大。 b.掺合料质量或应用不当，造成不能大量取代水泥或取代量较大，却又带来其他问题等。 c.砂石质量差，特别是含泥量大、级配差等，会使配制混凝土时降低单方用水量比较困难，进而难以降低水泥用量（或胶凝材料总量）。也可以这样说，由于砂石质量差，为达到同样的强度，只能通过增加水泥或胶凝材料量来弥补，而胶凝材料增加势必增加混凝土的收缩值，增加混凝土开裂的风险。 d.外加剂质量问题或选择不当，造成单方混凝土配合比用水量不能降到预想的量，或混凝土放热高峰出现过早等。 e.配合比设计理念陈旧，没有充分考虑降低用水量和水泥用量的重要性，或片面追求混凝土的流动性和强度，导致混凝土的水泥用量和砂率过大，不但使混凝土内外温差增大，还使混凝土的收缩值增加，双向增加混凝土开裂的风险。 (3)施工及现场养护原因 a.浇筑过程控制不严，存在漏振、过振、无防止混凝土早期失水过快的措施或布灰不匀用振捣棒拉动混凝土造成混凝土局部浮浆过多，诱发混凝土早期甚至后期裂缝。 b.无二次抹面或二次抹面的时机不当，没有起到消除早期裂缝的作用。 c.温差控制措施不到位，造成出现不同程度的温差裂缝。 d.其他如拆模、张拉、使用不当等原因。 2、裂缝控制措施 针对以上混凝土裂缝的成因，我们需要采取综合措施来控制混凝土裂缝的出现。 (1)设计方面 a.设计中的‘抗’与‘放’。在建筑设计中应处理好构件中‘抗’与‘放’的关系。所谓‘抗’就是处于约束状态下的结构，没有足够的变形余地时，为防止裂缝所采取的有力措施；而所谓‘放’就是结构完全处于自由变形无约束状态下，有足够变形余地时所采取的措施。设计人员应灵活地运用‘抗—放’结合、或以‘抗’为主、或以‘放’为主的设计原则，来选择结构方案和材料。 b.积极采用补偿收缩混凝土技术。对膨胀剂的使用颇有争议，可能源于使用膨胀剂有很多失败的例子。对于使用膨胀剂失败的情况，我们有一些肤浅的认识，其原因可能有以下几点：1）膨胀剂的质量差。在混凝土中没有发挥膨胀作用；2）膨胀剂与 17 水泥的适应性差。同种膨胀剂与不同水泥或同种水泥与不同的膨胀剂，混凝土的限制膨胀率和限制收缩率不同；3）采用的试验方法不当。胶砂试验中的限制膨胀率满足标准要求，但对于具体使用的配合比的混凝土限制膨胀率却很小，甚至没有；4）膨胀剂的掺量不足。使用前没有针对配合比进行混凝土限制膨胀率试验，没有找出合理的掺量； 5）浇筑后养护不到位。膨胀剂只有在饱水养护的情况下才能充分发挥其膨胀作用；6）使用的环境与膨胀剂的性能不适应。膨胀剂应使用在大体积混凝土或常年潮湿的环境； 7）结构的限制作用不够等。我们在国家体育场大体积混凝土配合比设计及生产和浇筑过程中，充分考虑了以上因素的影响，膨胀剂使用取得了较好的效果。 c.根据工程进度需要，延长混凝土强度验收期，在设计图纸中直接规定混凝土的验收强度采用60d或90d标准养护强度，以便确定配合比时降低混凝土早期强度，减少混凝土内外温差，同时也有利于混凝土的耐久性。 d.其他在防止混凝土裂缝上有效的措施，如：配置足量的防裂构造筋；尽可能避免断面突变等。 (2)材料选择与配合比设计 a.尽可能选择水化热低的水泥。 b.砂石质量一定要满足标准要求，在当地情况确实很难达到的情况下，可采用分段级配解决。 c.采取各种手段降低混凝土单方用水量，从而降低水泥用量或胶凝材料总量。 d.在满足标准要求的情况下，尽可能多地使用掺合料，但一定要进行充分试验，只有在试验结果完全能够满足施工要求的前提下才能使用。 e.运用补偿收缩技术时要进行充分试验，注意上述提到的七方面问题，必要时可以采用试验段现场试验，以确定膨胀剂的效果。 f.尽量降低混凝土的出机温度以及采取措施减少运输、泵送过程中的温升。 g.混凝土生产单位可以采取的措施，比如：指导振捣和二次抹面；协助制定养护方案等。 (3)施工方面 a.浇捣工作：浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，应提倡采用二次振捣、二次抹面技术，以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。 b.混凝土养护：大体积混凝土养护有别于其他混凝土的养护，主要应做好在保证 18 湿度的前提下的降温和保温工作。降温和保温是相对的，降温是尽量降低混凝土内部温度，保温是尽量提高混凝土表面温度，降低降温速度，两者都是为了减少混凝土的内外温差。 c.夏季应注意混凝土的浇捣温度，采用低温人模、低温养护等。 综上所述，混凝土裂缝的控制是一个综合性的问题，需要经过设计、监理、施工及使用方等多方面的配合。随着当今我们对混凝土耐久性研究的不断深入，材料科学的不断发展和建筑技术水平的不断提高，相信混凝土裂缝问题将会逐渐得以圆满地解决。 四、水工混凝土 1、水工混凝土定义 为了达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的，通常需要修建不同类型的建筑物，用来挡水、泄洪、输水、排沙等。这些建筑物成为水工建筑物。这些建筑物所用的混凝土成为水工混凝土。由于水工混凝土块体尺寸通常很大，水工混凝土也可称为水工大体积混凝土。 水工混凝土基本都是大体积混凝土，它们与普通建筑、市政等工程的大体积混凝土性比，体积更大，使用环境更恶劣，对混凝土的抗裂性能和耐久性要求更高。 在实际工程中，由于水工混凝土必须浇筑在基岩或者老混凝土上，他们的初始温度条件不仅不同，而且物理力学性能也有差别。混凝土的温度变形在基岩面上受基岩约束，因而会产生温度应力。在混凝土内部由于浇筑的时间不同，散热条件和水泥用量不同等原因，混凝土内部出现非线性温度场分布，出现变形不一致的现象，因此在混凝土内部，也会产生温度应力。受水平方向的非线性温度场的作用，混凝土在浇筑层面会出现表面裂缝；在脱离基岩约束去以后，受垂直方面的非线性温度场的作用，混凝土会出现垂直裂缝。因此，减小约束条件，降低混凝土发热量，是减小温度应力、防止或减小严重危害裂缝发生和发展的主要措施。 2、水工混凝土配合比设计特点 水工混凝土通常有常态混凝土和碾压混凝土两种。 （1）常态混凝土： 常态混凝土通常采用低热或中热水泥，大量应用优质粉煤灰，同时掺加高效减水剂和优质引气剂，降低水胶比，严格控制水泥熟料的碱含量与混凝土中的总碱量的技术路线。实践证明，高效减水剂、引气剂和І级粉煤灰联合使用，可使混凝土的单方用水量降低30％以上，这是提高混凝土质量的关键，也是大体积混 19 凝土向配制高性能化方面迈出了一步。 （2）碾压混凝土：在水利水电工程中，碾压混凝土的应用越来越普遍。碾压混凝土是一种可用土石坝施工机械设备运输及铺筑，用振动碾压实的特干混凝土，适用于道路、机场、地坪及大坝工程等。由于碾压混凝土的水泥用量少，发热量低可通仓薄层浇筑，碾压后切割横缝，使温控措施大为简化，具有施工速度快、经济等优越性。碾压混凝土由于为干硬性混凝土，在配合比设计方面，用水量和水泥用量要比常态混凝土少得多，加上高掺粉煤灰，使用复合外加剂等，使混凝土的抗裂性和耐久性都有很大提高。 我国在碾压混凝土应用方面起步较晚，但发展很快。1986年在福建坑口水电站建成高57m的第一座碾压混凝土坝，从而填补了我国筑坝领域这一项空白。此后，碾压混凝土筑坝技术在我国水利水电工程建设中得到极大重视，先后建成了18座不同用途的碾压混凝土重力坝、施工围堰等。 第五部分 防辐射混凝土（重混凝土）与核反应堆混凝土 一、防辐射混凝土定义 防辐射混凝土，又称放射线混凝土、原子能防护混凝土、屏蔽混凝土、核反应堆混凝土、重混凝土等。此种混凝土能屏蔽原子核辐射和中子辐射，是原子能反应堆、粒子加速器及其他含放射源装置常用的一种防护材料。这种混凝土是采用普通水泥或密度很大、水化后结合水很多的水泥与特重的骨料或含结合水很多的重骨料制成，其密度可达到2.5~5.0t·m。防辐射混凝土防护效果较好，也能降低结构的厚度，但其价格要比普通水泥混凝土要高得多。 防辐射混凝土，即指用于防护来自室内各种同位素，加速器或反应堆等原子能装置的原子核辐射的特种混凝土。实验室内的各种同位素、加速器或原子反应堆所产生的放射是多种多样的，其中主要有α射线、β射线、γ射线、中子射线及质子流等。 射线不同，它们的穿透能力也不同，α、β粒子和质子具有电荷，当它们和防护物质的原子电场相互作用时，其能量将明显降低，所以用厚度很小的防护材料完全可以阻挡，因此，用表面防护材料本身即可以防护。X、γ射线是一种高能量、高频率的电磁波，具有很大的穿透能力，但几乎所有的材料对它们都具有一定的防护能力。当它们穿过防护物质时，可以逐渐减小能量，但只有防护材料超过某一厚度并具有高密 20 -3 度时，能量才能被完全吸收。 中子是原子核中不具有电荷的粒子，中子射线就是这些不具电荷的中子构成的中子流，按能量的大小和运动的速度，中了射线又可分为慢速中子、中速中子和快速中子。原子核只能俘获吸收慢速中子，快速中子只有通过与原子核碰撞才能减速，但某些物质的原子核和中子相碰撞时，会产生第二次γ射线，所以不能采用一般材料防护。氢和硼吸收中子后，只放出很易屏蔽的α射线，因此，含硼、含氢的材料是中子射线良好的防护材料。 二、防辐射混凝土的特点 从以上所述可以看出：原子反应堆和加速器的防护问题，主要是防护X射线、γ射线和中子射线。 对于X射线、γ射线，物质的密度越大，其防护性能越好。对于中子射线，不但需要重元素，而且需要充分的氢元素。防辐射混凝土是有效的防护材料，这种混凝土是采用普通水泥和密度很大的重骨料配制而成的，其表观密度可达到2500～5000kg·m-3。由于防辐射混凝土的密度大，所以对X射线和γ射线的防护性能良好；同时由于采用含结合水和氢元素较多的铁矿石作为骨料，因而对中子射线的防护性能也很好。 防辐射混凝土不同于普通水泥混凝土，不但要求其表观密度大、含结合水多，而且要求混凝土的热导率高、热膨胀系数低、干燥收缩率小，还要求混凝土具有良好的均匀性，不允许存在空洞、裂纹等缺陷。此外，混凝土还应具有一定的结构强度和耐火性。 三、防辐射混凝土的分类 防辐射混凝土的分类方法有两种，即按所用水泥品种不同分类和按抵抗射线种类不同分类。 1、按所用的水泥品种不同分类 可分为普通硅酸盐水泥和特种水泥（如钡水泥、锶水泥等）制成的防辐射混凝土。 2、按抵抗射线种类不同分类 可分为抵抗X射线、抵抗γ射线和抵抗中子射线射线混凝土。 四、防辐射混凝土原材料 1、水泥 通常采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，因为这种水泥产量大，易获得，而且拌 21 和需水量较小。矾土水泥、石膏矾土水泥以及高镁水泥，可以增加混凝土中的结合水含量，对防中子射线有利。但镁质水泥对钢筋的腐蚀较大，在钢筋混凝土结构中应当慎用。 对防射线性要求很高的混凝土，以上水泥品种不能满足时，可以考虑采用特种水泥（如钡水泥或锶水泥）。这类水泥的相对密度较大（γ>4），完全可以满足防射线的高要求。但其产量很少，价格昂贵，一般不宜采用。 2、粗细骨料 防辐射混凝土的主要功能是防止射线辐射，其用的粗骨料和普通水泥混凝土不同，一般应以密度较大的材料，如褐铁矿、赤铁矿、磁铁矿、重晶石、蛇纹石、废钢铁、铁砂或钢砂等，根据要求也可用部分碎石和砾石。防辐射混凝土所用的细骨料，一般常用以上材料的粒骨料和石英砂。 （1）褐铁矿（2Fe2O3·3H2O） 褐铁矿的相对密度为3.2～4.0,有致密的结构和带孔隙的结构，块重为1300～3200kg·m-3，含结合水为10%～18%。用做防辐射混凝土骨料时，以密度大而结合水不低于10%为宜。 （2）磁铁矿（Fe3O4 ）和赤铁矿（Fe2O3） 磁铁矿的相对密度为4.9～5.2,赤铁矿的相对密度为5.0～5.3。但是，用磁铁矿和赤铁矿配制的防辐射混凝土含水较少，防护中子射线的性能不如褐铁矿好。 （3）重晶石 重晶石的相对密度稍低于磁铁矿，一般为4.3～4.7，属于脆性材料。重晶石配制的防辐射混凝土，其密度在3200～3400kg·m-3之间。由于重晶石混凝土抗冻性差，热膨胀系数和收缩值都较大，因此不允许用于有流水作用且受冻的结构部分，也不允许用于温度高于100℃的地方。 （4）铁质骨料 铁质骨料包括各种钢段、钢块、钢砂、钢铁、铁屑、钢球等。采用铁质骨料可有效增加混凝土表观密度，增强抵抗射线穿透的能力，表观密度达5000 kg·m-3以上，对防护X射线和γ射线十分有效。在实际工程中，很少采用纯粹铁质骨料配制的混凝土，因为这种混凝土中含结合水很少，防中子射线能力很低，且铁质骨料在中子的作用下，引起第二次γ射线，施工中必须采用特殊的浇筑方法。 为了增加防辐射混凝土表观密度和结合水的含量，克服单一骨料的缺点，常采用 22 混合骨料来拌制防辐射混凝土。混合骨料应根据工程要求采取不同组合，如用铁质骨料作为粗骨料，用褐铁矿砂作为细骨料；粗骨料也可以是两种或者两种以上的铁质骨料、铁矿石或普通岩石骨料组成。采用混合骨料配制防辐射混凝土，既可以发挥骨料的各自所长，又可以达到经济实用的目的。 防辐射混凝土常用粗骨料的最大粒径为40mm，粗骨料的技术性能和要求下表。常用于配置防辐射混凝土的粗骨料，其最大粒径不宜大于40mm。 防辐射混凝土所用骨料的技术性能 骨料种类 密度/ kg·m-3 细骨料 粗骨料 表观密度 技术要求 赤铁矿 1600～1700 1400～1500 3.2～4.0 表观密度应大，坚硬石块含量磁铁矿 2300～2400 2600～2700 4.3～5.1 应多，细骨料中Fe2O3含量不低于60％，粗骨料中Fe2O3含量不低于75％；只允许含少量杂质 褐铁矿 1600～1700 1400～1500 3.2～4.0 Fe2O3含量不应低于75％，仅含有少量杂质 重晶石 3000～3100 2600～2700 4.3～4.7 BaSO4含量不应低于80％，含石膏或黄铁矿的硫化物及硫酸化合物不超过7％。 注：a.骨料表观密度应在实验振动台振动30s后干燥状态下确定。振动台的振幅为0.35mm，频率为50Hz。 b.细骨料粒径为0.15～5mm，粗骨料粒径为5～80mm。 c.重晶石按粒径分为重晶石粉——经400孔·cm-2的筛子筛过的微粒，表观密度为3000kg·m-3；重晶石砂——粒径小于5mm，表观密度为2400 kg·m-3；重晶石碎石——粒径5～40mm，表观密度为2600～2700 kg·m-3。 d.按质量含0.25%蛋白石和5%髓以上的重晶石，只能与低碱性水泥配合使用，因这些杂质与高碱性水泥发生反应混凝土产生裂缝。 e.重晶石呈白色、灰色、褐色、黄色、红色，是一种脆性材料，加工时易粉碎成粉末，因此具有严重多孔结构的重晶石，不能用以制备混凝土。 3、拌和水 23 防辐射混凝土拌合用水与普通混凝土的相同，即pH值大于4的洁净水。为改善混凝土的和易性，减少拌和用水，降低水灰比，提高混凝土密度，可加入高效减水剂。 4、掺合料 为了改善和加强防辐射混凝土防护性能，在配制时还常特意加入一定数量的掺和材料（或硼或锂盐等）。硼和硼的化合物是防辐射混凝土中良好掺和料，它能有效地挡住中子，且不形成第二次γ射线。例如，含硼的同位素的钢材，吸收中子的能力比铅高20倍，比普通混凝土高500倍。若采用掺硼的防辐射混凝土，结构的厚度还可以大幅度降低。 将硼或硼的化合物掺入混凝土中十分方便，既可以把硬硼钙石矿物、派拉克斯玻璃（含硼的玻璃）、硼砂、硼酸、硼的碳化物、电气石等加入混凝土中。但是，试验研究表明，将硼或硼的化合物直接加入混凝土中，会引起混凝土的凝结速度极大延缓和物理力学性能的降低。因此，可以用硼和硼的化合物作为防护结构的内表面涂层，或制作这种材料的薄片贴在防护结构的内表面上。 锂盐，如碘化锂、硝酸锂和硫酸锂等，掺入混凝土中也可改善和增强混凝土的防护性能。 五、防辐射混凝土的配合比设计 防辐射混凝土的配合比设计，与普通混凝土的配合比设计基本上相同。但由于粗细骨料的相对密度均比较大，混凝土拌合物易产生离析，故在选择配合比时，应尽可能选用较小的坍落度，一般以30～50mm的坍落度为宜。不过随着混凝土技术的不断发展，高粘聚性、大坍落度重混凝土一样不会出现离析现象，甚至可以长距离泵送施工。 1、确定水灰比（W/C） 防辐射混凝土的强度高低取决于水泥的强度等级、水灰比、水泥砂浆的多少、骨料的吸收程度以及混凝土的捣实程度等。为了初步确定水灰比，用振动器捣实的普通碎石混凝土、贫重晶石混凝土（按质量计，水泥浆：骨料不小于1：12）、贫磁铁矿混凝土（水泥浆：骨料=1：8）以及用褐铁矿和钢铁块段作粗骨料（硬质碎石骨料）的混凝土，均可用式1计算其强度。 R280.55RC(C/W0.50) (式1) 式中：R28——防辐射混凝土28d的设计强度，Mpa； Rc ——水泥的实际强度等级，Mpa； 24 对于富磁铁矿混凝土（水泥浆：骨料>1：8）、褐铁矿混凝土、褐铁矿加磁铁矿或重晶石骨料混凝土及用普通砂和钢铁块段作粗骨料的混凝土，可用下式计算其强度。 R280.45RC(C/W0.60) (式2) 2、确定用水量（W） 根据水泥品种和混凝土的设计坍落度，经过试拌确定。 3、计算水泥用量（C） 在确定灰水比(C/W)和用水量(W)后,可以用式3计算水泥用量(C)。 C=（C/W）W (式3) 4、按规定密度（G）计算骨料用量 混凝土粗骨料的总用量（X+Y）等于混凝土的规定密度（G）与所用水泥、水（C+W）的之差，可用式4计算。 X+Y=G-（C+W） (式4) 式中 X——混凝土中砂的用量，kg·m-3； Y——混凝土中石的用量，kg·m-3。 5、确定砂率并计算粗细骨料用量。 6、试拌校正 按照以上计算的混凝土配合比进行试拌，如果所拌制的混凝土拌和物密度不大于规定值10%，则采用此配合比作为试拌拌和物的配合比；若大于规定值的10%，则需要调整粗骨料的用量，再进行试拌。对于防辐射混凝土，其拌和物的密度不允许小于混凝土规定的密度值。 重混凝土配合比设计完全可以按照普通混凝土的设计方法，经试验确定。 重混凝土配合比设计关键在于：在材料一定的情况下，应采取一切措施把混凝土的容重增大到最大值，其关键措施在于尽可能少用比重小的材料，尽可能多用比重大的材料。由于水（比重为1000kg/m3）和水泥（3100kg/m3左右）在混凝土中比重较小，因尽量减少，大量减低用水量，不但可以保证混凝土强度，还可以使混凝土容重大幅度增加。因此在中混凝土中应尽量采用减水率高的外加剂。采用这种设计理念，如果对于特定的特种材料配制的重混凝土容重超出设计要求的容重，我们可以加入少量的普通砂石以降低混凝土成本。 六、防辐射混凝土的施工工艺 防辐射混凝土一般皆为由重骨料配制而成的重混凝土，在施工方面比普通混凝土 25 的难度要大的多，因此，在施工的各个过程中，如拌制、运输、浇筑、养护、拆模等，要切实加强施工管理，确保相对密度大的骨料不产生离析。 重骨料防辐射混凝土，如采用一般的分层浇筑时，重骨料则由于相对密度大而下沉，使混凝土产生分层，造成密度不均匀现象；如采用混凝土灌浆法施工，即可消除这种现象，根据工程实践经验，在防辐射混凝土施工中，应特别注意以下事项。 1、搅拌机和运输设备里的混凝土数量不宜过多，以免发生重骨料下沉难以卸料，并应根据混凝土堆积密度的增大相应减少数量。 2、重骨料混凝土的堆积密度较大，模板一定要坚固牢靠，刚度满足要求，保证在混凝土自身荷载或较大侧压力的作用下不发生损坏和变形。 3、施工中应注意不得产生重骨料的离析，尤其是在运输和浇筑时更应当引起足够重视。因此，建议配制混凝土粗细骨料，尽量采用高密度材料，以减少不正常离析。 4、对于大体积防辐射混凝土的施工，应当象对待大体积混凝土施工那样重视，要采用有效的保温或导温措施，以防水泥水化热集中造成工程质量事故。 5、随着养护条件与使用条件（温度、相对湿度等）的不同，后期混凝土的结晶水含量将有较大差异，对防护中子射线的效果有很大影响，若养护条件良好，水泥水化过程继续进行。在1年龄期后其结晶水的含量能增加5%左右。因此。尤其对于抗中子射线的混凝土，要特别注意加强养护。 七、核反应堆混凝土 预应力混凝土反应压力容器用作核电力发电装置时，采用重混凝土比其他防辐射形式要多得多，压力容器与一般结构比较，前者在较高的温度和应力状态下使用，且混凝土处于明显的温度和湿度梯度条件下。混凝土在这样严酷的工作条件下，短期和长期都必须保持其完整性，因此混凝土的热学性质在设计时应予以慎重考虑。 影响核反应堆混凝土性能的因素主要有以下几种： 1、水泥用量的影响 核反应堆混凝土的强度通常比普通混凝土高，以保证能适当地支持长期强度。需要高强度意味着要采用低水灰比，但为了在高密集的钢筋周围浇灌密实，故要求工作性好，需要水泥用量多。水泥用量多不利于控制水化热带来的对混凝土开裂的影响，同时混凝土的收缩徐变也随之增加。因此必须合理选择水泥用量，在水泥用量无法降得较低时，需用高弹性模量的骨料限制浆体的变形。 2、温度变化的影响 26 要求混凝土的热膨胀小以减小热应力。另一方面，在加热至特定工作温度时所发生的应力损失，可以认为主要是由于骨料与水泥浆体间热性质不一致而引起的粘结破坏。使用含硅量高的骨料可增加骨料的热系数，从而可与水泥浆更为一致，但这样又会增加混凝土的热膨胀。 3、湿度变化的影响 严重的水分损失，能导致收缩变形的差别，并产生内应力，故同样也是反应堆设计中考虑的重点。严重失水也减低混凝土的热导系数，因此周期性热变化时，使热应力的危害更大。进一步说，混凝土的含水量影响其防辐射能力，因为水是减慢中子的良好衰减剂。当采用含水骨料以增进屏蔽中子的性质时，其最大的工作温度必须加以限制，以避免骨料脱水。 4、水灰比的影响 采用低水灰比以保证混凝土高强时，同样有利于制成低渗透性混凝土。这一点对于在压力容器中所应用非渗透性衬垫破坏的情况下有利于减少渗漏，渗透性小同样会减小失水率，因此也减小收缩梯度。 第六部分 冬期混凝土施工 一、冬期施工的定义 建设部行业标准《建筑工程冬期施工规程》JGJ104中，冬期施工期限划分原则：根据当地多年气象资料统计，当室外平均气温连续5d稳定低于5℃即进入冬期施工；当室外平均气温连续5d高于5℃时解除冬期施工。 二、冬期施工中几种常见的混凝土养护方法 1、综合蓄热法：掺化学外加剂的混凝土浇筑后，利用原材料加热及水泥水化热的热量，通过适当保温，延缓混凝土冷却，使混凝土温度降到0℃或设计规定温度前达到预期要求的强度的施工方法。由于复合防冻剂的大量使用，目前综合蓄热法应用最为广泛。这种方法有三个方面的关键内容：其一，加热原材料使混凝土要有一定的初始温度（入模温度不低于5℃），以保证水泥的水化速度；其二，利用水泥水化放热的特点，使混凝土温度升高或降低混凝土降温的速度，确保水泥有一定的水化作用；其三，适当保温，延缓混凝土冷却时间，保证混凝土在降至0℃或设计规定温度前达到预期要 27 求的强度。 2、蓄热法：混凝土浇筑后，利用原材料加热及水泥水化热的热量，通过适当保温延缓混凝土冷却，使混凝土冷却至0℃前达到预期要求强度施工方法。这种方法由于不掺加复合防冻剂，很少采用。 3、负温养护法：在混凝土中掺入防冻剂，浇筑后混凝土不加热也不做蓄热保温养护，使混凝土在负温条件下能不断硬化的施工方法。这种方法由于不需要混凝土有一定高的初始温度，仅靠防冻剂的作用使混凝土不断增长，也不常被采用。 在此值得一提的是：本来是应该采用综合蓄热法养护的混凝土，却常常在施工过程中因成本问题被错误地采用负温养护法，给混凝土质量带来隐患。 另外还有很多在现场给混凝土加热的养护方法。如：电极加热法；电热毯法；暖棚法等，分别在不同的场合、不同的施工环境中被采用。 三、冬期施工对混凝土原材料的要求 1、水泥：宜采用水化热高的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥等。 2、砂：冬施期间，特别是严寒季节，砂容易结块，影响生产。砂的含水率高，除了结块外，还降低热水的用量，混凝土的出机温度低，严重影响冬期施工混凝土质量。因此除了正常的要求外，进入冬施前应提前储备干砂（砂的含水率小于5％），以备严寒季节使用。 3、石：通常石子不含水或含很少的水，对其施工影响不大。 4、复合防冻剂：目前采用最多的防冻剂是由萘系减水剂、防冻剂、早强剂和引气剂复配出来的，多为液体，其单纯降低冰点的能力不强，用于采用综合蓄热法的工程施工中，不能用在负温养护法的工程施工中。 5、掺合料：宜采用细度较大的矿渣粉，也可以使用粉煤灰，但用量应比常温施工低。 6、水：冬期施工要求热水搅拌混凝土，水温一般不得超过80℃。目前，预拌混凝土对砂石加热的情况很少，不是不具备设备条件，就是有设备条件也没有真正派上用场，造成设备浪费。 四、冬期施工应注意的问题 1、混凝土生产单位应注意的问题 1）进入冬施前，应检查应检查锅炉，保证热水供应能力，并能够同时满足生产及加热保温之用。热水温度通过锅炉房自动化调温控制，水温在80℃以下可随意调节， 具 28 体温度根据技术要求及混凝土入模温度要求而定。 此外，每辆混凝土罐车必须加套保温性能好的保温套，确保混凝土在运输过程中最大限度减少热量损失。 2）冬施到来之前,应有专人掌握大气温度变化情况，气温突变时应及时采取措施。 3）设专人每天第一次开盘检查水温，水温不能满足开盘要求使不得开盘，并将情况及时通知有关部门解决。 4）开盘后质检员应检测混凝土的出盘温度，只有混凝土的出盘温度满足要求时才能继续生产。生产过程中质检员应随时检查混凝土出盘温度的变化，并经常查看水温。质检员有权根据检查结果向操作员提出调整水温的要求。 5）对于重要工程或施工条件差的工地，质检员应经常去现场了解混凝土的施工情况，如：混凝土坍落度损失、和易性、出罐温度和入模温度等。同时还要了解现场混凝土试件的制作和养护情况。对于试件制作或养护存在问题的单位应及时向施工单位有关人员说明。 6）由于冬施期间混凝土生产过程质量控制存在较大难度，施工条件也随不同施工单位有很大差别，因此，生产经营人员，特别是生产调度，应加强与施工单位的沟通，了解施工过程的特殊要求，掌握施工进度，以便合理安排生产和运输，减少质量事故发生的可能。 7）每日收工时操作员应注意排空料仓，避免砂石料意外冻结在料仓内影响生产。同时，搅拌机操作员还应检查热水管路，关闭没有必要常开的管路。 8）技术质量部门应在生产经营部门的配合下，同施工方一起做好特殊合同的生产浇筑方案。 9）试验室应负责试件的检测工作，特别是同条件试件的检测，并对照试配情况进行分析，必要时调整配合比。另外，试验室应配合生产部门对施工现场进行回访，作好技术服务工作。 2、施工过程中应注意以下问题 1）混凝土运至工地后，应抓紧时间浇筑（最好在15min内浇筑完毕）。浇筑完毕后在混凝土的外露表面，用塑料薄膜及保温材料覆盖。 2）加强混凝土的初期养护。养护温度不得低于防冻剂的规定温度，达不到规定温度时，应立即采取保温措施。 3）加强现场同条件试块制作和强度检测，以保证温度降到防冻剂规定温度以下时， 29 混凝土强度不应小于3.5N/mm2。 4）拆模后混凝土表面温度与环境温度之差大于15℃时，应采用保温材料覆盖养护。 5）采用地泵或布料杆浇筑时，必要时对泵管全程保温等。 30 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容