原材料特性简介

本试验主要材料及特性如下：

原材料：42.5级普通硅酸盐水泥、天然砂、聚丙烯基（PAN）短切碳纤维、石墨、分散剂、消泡剂、CCCW材料和自来水。

（1）水泥：湖北华新水泥股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐袋装水泥（见图2-1），其基本的物理性能见表2-1。水泥作为胶凝材料，强度是评定其质量的重要指标，也是划分水泥强度等级的依据。根据我国现行标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》（GB/T17671-1999）规定，水泥、标准砂和水按照质量比以1：3：0.5混合，用标准制作方法制成40mm×40mm×160mm的试件，在标准养护条件下，测定其达到规定龄期（3d和28d）的抗折和抗压强度。

图2-1　仓库袋装水泥

按照国家标准（GB175-2007）规定的最低强度值来划分水泥的强度等级，并按照3d强度的大小分为普通型和早强型（用R表示）。普通硅酸盐水泥的强度等级有4个，为42.5/42.5R、52.5/52.5R。

表2.1　42.5级普通硅酸盐水泥的物理性能

水泥的物理性质指标如下：a）凝结时间：是从水泥加水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间。水泥在凝结过程中经历了初凝和终凝两种状态，因此，水泥凝结时间又分为初凝和终凝时间。初凝时间是指从水泥加水搅拌到水泥浆开始失去塑性所需要的时间；终凝时间是指从水泥加水搅拌到水泥浆完全失去塑性，并开始具有强度所需要的时间。规定水泥的凝结时间，在施工中有重要意义。初凝时间不宜过短，以便施工时有足够的时间来完成混凝土和砂浆拌合物的运输、浇捣或砌筑等操作；终凝时间不宜过长，以便混凝土和砂浆在浇捣或砌筑完成后能尽快凝结硬化，以利于下一道工序的及早进行。国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）规定，硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390min。普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝时间不得小于45min，终凝时间不大于600min。水泥的凝结时间与水泥品种有关，一般来说，掺混合材料的水泥凝结时间比较缓慢；凝结时间随着水灰比增加而延长，因此混凝土和砂浆的实际凝结时间，往往比用标准稠度净浆所测得的要长得多；此外环境温度升高，水化反应加速，凝结时间缩短，所以在炎热季节或者高温条件下施工时，须注意凝结时间的变化。

主要仪器设备：1）凝结时间测定仪（见如2-2）与标准稠度测定时所用的仪器相同，但应将试锥换成试针，锥模改为圆模；2）湿汽养护箱应能使温度控制在20±3℃，湿度大于90%3）水泥净浆搅拌机（见图2-3）、天平（见图2-4）、量水器等。

图2-2　凝结时间测定仪

图2-3　水泥净浆搅拌机

图2-4　天平

实验操作步骤：

1）测定前，将圆模放在玻璃板上，在内侧稍微涂上一层机油；调整凝结时间测定仪使试针接触玻璃板时，指针对准标尺零点。

2）称取水泥试样水泥500g，以标准稠度用水量按测定标准稠度时拌合净浆的方法调成净浆（加水时要记录时间），立即一次将净浆装入圆模内，振动数次后刮平，放入养护箱内。开始加水的时间作为凝结时间的起始时间。

3）试件在湿汽养护箱中养护至加水后30min时进行第一次测定，测定时，从养护箱取出圆模放置于凝结时间测定仪的试针下，使试针与浆面接触，拧紧活动螺钉，此时指针应对准标尺零点，然后突然放松螺钉，试针自由沉入净浆，记录读数。自加水时起，至试针沉入净浆中距离底板2.0～3.0mm时，所需的时间为初凝时间，用分钟（min）来表示；自加水时起，至试针插入净浆中不超过1.0～0.5mm时所需的时间为终凝时间，用小时（h）来表示。

4）测定时应注意，在最初测定凝结时间时，应轻轻扶持金属棒，使之徐徐降落，以防试针撞弯，但初凝仍以试针自由降落所测的结果为准，临近初凝时，相隔5min测定一次，临进终凝时，每隔15min测定一次。每次测定不得让试针落如原针孔内，且每次测完均需把圆模放回养护箱内，试针用布擦净。整个测定过程中要防止圆模受振。

b）体积安定性：检测水泥硬化后体积变化是否均匀，是否因体积变化而引起膨胀，裂缝或翘曲。水泥在硬化过程中产生不均匀的体积膨胀，甚至引起开裂，称为安定性不良。使用安定性不良的水泥，会造成构件产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量，甚至引起严重事故。

造成安定性不良的原因主要是由于熟料中含有过量的游离氧化钙或者游离氧化镁，以及水泥粉磨时掺入的石膏超量。（1）游离氧化钙过多：由于熟料烧成工艺上的原因，使熟料中含有较多的过烧氧化钙，其水化活性低，在水泥硬化后才进行下述反应：CaO+H2O=Ca（OH）2。该反应固相体积膨胀为97%，引起不均匀的体积变化会导致水泥石开裂。国家规定用沸煮法检验水泥体积安定性。其方法（GB/T1346）是将水泥净浆试饼或雷氏夹试件煮沸3h，用肉眼观察试饼未发现裂纹，用直尺检查没有弯曲，或测得雷氏夹试件膨胀量在规定值内，则该水泥体积安定性合格，反之为不合格。煮沸法的原理是通过煮沸加速游离氧化钙水化，检验其体积变化现象。当试饼法与雷氏夹法结果有争议时，以雷氏夹法为准。

（2）游离氧化镁过多：水泥石中的游离氧化钙形成结晶方镁石时，其晶体结构致密，水化比游离氧化钙更为缓慢，要几个月甚至几年才明显水化，形成氢氧化镁时体积膨胀导致水泥石安定性不良。

（3）石膏掺量过多：水泥中掺有石膏作为调凝剂或者作为混合料的活性激发剂，当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏继续与固态的水化铝酸钙反应生产钙矾石，体积约增大1.5倍，导致水泥石开裂，安定性不良。

水泥体积安定性检验方法有两种：试饼法和雷氐夹法。试饼法（代用法）：观察水泥净浆试饼沸煮后的外形变化。雷氐夹（标准法）：国家标准规定用沸煮法检验水泥的体积安定性，测定水泥净浆在雷氐夹中沸煮后的膨胀值。两种方法均可采用，有争议时以雷氐法为准。本次实训采用雷氐夹法。主要仪器设备有：工业天平：称量1kg，感量1g、水泥净浆搅拌机、沸煮箱（如图2-5所示），雷氐夹，雷氐夹膨胀值测量仪（如图2-6所示）。

图2-5　煮沸箱

图2-6　雷氐夹膨胀值测量仪

实验操作步骤：

1）称取水泥试样400g，以标准稠度用水量按标准稠度测定时拌合净浆的方法制成净浆。

2）将预先准备好的雷氐夹放在己稍擦油的玻璃板上，并立刻将己制好的标准稠度净浆装满试模，装模式时一只手轻轻扶持试模式，另一只手用宽约10mm小刀插捣15次左右，然后抹平，盖上稍涂油的玻璃板，接着立刻将试模移至湿汽养护箱内养护22h-26h。

3）从湿气养护箱取出雷氐夹，先测量试件指针尖端间的距离A，精确到0.5mm，着将试件放入沸煮箱中篦板上，指针朝上，试件之间互不交叉，然后在25min-35min内加热至沸，并恒沸3h。

4）沸煮结束，即放掉箱中热水，待冷却至恒温，取出雷氐夹，测量试件指针尖端间的距离C，记录至小数点后1位，当两个试件煮后增加距离（C-A）的平均值不大于5mm时，即安定性合格，当两个试件的（C-A）值相差超过5mm时，应用同一样品立即重做一次试验。再如此，则认为该水泥安定性不合格。

c）水泥标准稠度用水量测定：

测量水泥净浆达到标准稠度的用水量，以作为水泥凝结时间和安定性试验是所需水量的标准。试样制备：1）取样方法：以同一水泥厂同期到达的同品种同标号水泥，不超过400t作为一个取样单位，不足400t时也应作为一个取样单位。可以从20个以上不同部位抽取等量样品，总数不少于12kg。

2）养护条件：试验室温度为17～25℃，相对湿度应大于50%；养护箱内温度17～23度，相对湿度应大于30%，养护用水温度应为18～22℃。

3）对材料的要求水泥试样应充分拌匀并通过0.9mm方孔筛。试验应用洁净的淡水，各种试验材料及试模均应与试验室温度相同。

主要仪器设备：1）水泥标准稠度测定仪2）水泥净浆搅拌机器符合GB3350-8的要求3）工业天平称量1kg感量1g 4）量筒，小刀，滴管，玻璃片等。

实验操作步骤：1）标准稠度用水量可用调整水量和不变水量两种方法的任一种测定，如发生争议时以调整水量方法为准。2）实训操作前须检查：仪器的金属棒应能自由滑动；试锥降至模顶面位置时指针应对准标尺零点；搅拌机应运转正常。3）水泥净浆拌和前，搅拌锅和搅拌叶片先用湿棉布擦过，将称好的500g水泥试样倒入搅拌锅内。拌和时，先将搅拌锅放到搅拌机锅坐上，升至搅拌位置，开动机器，同时徐徐加入拌和水，慢速搅拌120s，停拌15s，接着快速搅拌120s后停机。采用调整水量方法时拌和水量按经验找水，采用不变水量方法时拌和水量用142.5ml水，水量精确至0.5ml。

4）拌和结束后，立即将拌好的净浆装入锥模筒内，用小刀插捣并振动数次，刮去多余净浆，抹平后迅速放在试锥下面固定位置上，并将试锥放下，使锥尖和净浆表面接触，拧紧螺钉，然后突然松开螺钉，让试锥自由沉入净浆中，到30s时，拧紧螺钉，记录试锥下沉深度。整个操作应在搅拌后1.5min内完成。

5）如用调整用水量法时，以试锥下沉深度为28±2mm时的净浆为标准稠度净浆，其拌合水量为该水泥的标准稠度用水量，按水泥质量的百分比表示。如超过或不足28±2mm时，需另称试样，调整用水量重新试验，直到满足上述要求为止。结果计算：水泥标准稠度用水量（%）按下式计算：

用调整水量方法测定时：用达到标准稠度时的用水量除以试样重量求得。

用不变水量方法测定时：

式中　——试锥下沉的深度，mm。

d）水泥细度：水泥的细度对水泥安定性、需水量、凝结时间及强度有较大的影响。水泥颗粒粒径越细，与水起反应的表面积越大，水化速度就越快，其早期强度和后期强度都较高，但粉磨能耗增大，因此应控制水泥在合理的细度范围。

通过试验来检验水泥的粗细程度，作为评定水泥质量的依据之一；掌握GB/T1345—2005《水泥细度检验方法（80μm筛筛析法）》的测试方法，正确使用所用仪器与设备，并熟悉其性能。国标规定：硅酸盐水泥细度采用透气式比表面积仪器检验，要求其比表面积＞300m2/kg；其他五类水泥细度用筛分析法检验。试验分为负压筛析法和水筛法。在不具备条件时也不允许用手工干筛法测定。当三种方法测定结果不一致时，以负压筛析法为准。标准中规定80μm方孔筛筛余不大于10%或者45μm方孔筛筛余不大于30%。该条为选择性指标，不作为水泥合格品的判定依据，水泥企业如果选择80um方孔筛作为日常生产控制，按筛余不大于10%即可。由于强度指标制约了水泥生产厂家必须使产品达到一定的细度，故细度指标为选择性指标。

主要仪器设备：试验筛；负压筛析仪（由筛座、负压筛、负压原及吸尘器组成，其中筛座由转速为30±2r/min的喷气嘴、负压表、控制板、微电机及壳体等组成。筛析仪器负压可调范围为4000～6000pa。负压源和吸尘器功率为600W的工业吸尘器和小型旋风吸尘器筒组成）；天平（最大称量为100g，分度值不大于0.1g）。如图2-7所示。

图2-7　水泥负压筛析仪

水筛架和喷头（筛支架转速为50r/min，喷头上有均布90个直径为0.5-0.7mm的圆孔）；该方法天平（最大称量为100g，分度值不大于0.1g）。

实验操作步骤：负压筛法：1）筛析试验前，应把负压筛放在筛座上，盖上筛盖，接通电源，检查控制系统，调节负压至4000～6000pa范围内。2）称取试样25g，置于洁净的负压筛中。盖上筛盖，放在筛座上，开动筛析仪连续筛析2min，在此期间如有试样附着筛盖上，可轻轻地敲击，使试样落下。筛毕，用天平称量筛余物。水筛法：1）筛析试验前，应检查水中无泥、砂，调整好水压及水筛架的位置，使其能正常运转。喷头底面和筛网之间的距离为35～75mm。当负压小于4000Pa时，应清理吸尘器内水泥，试负压恢复正常。

2）水筛法：检查水中应无泥沙，调整好水筛架位置，使其能正常运转。称取试样50g，置于洁净的水筛中，立即用洁净的水冲洗至大部分细粉通过后，放在水筛架上，用水压为（0.05±0.02）Mpa的喷头连续冲洗3min。用少量水将筛余物冲至蒸发皿中，等水泥颗粒全部沉淀后，小心倒出清水。将蒸发皿在烘箱中烘至恒重，称量试样筛余重，精确至0.1g。

3）筛毕，用少量水把筛余物冲至蒸发皿中，等水泥颗粒全部沉淀后小心将水倾出，烘干并用天平称量筛余物。

结果计算：水泥细度按试样筛余百分数（精确至0.1%）计算。

式中　F——水泥试样的筛余百分数（%）；

　　　RS——水泥筛余物的质量（g）；

　　　W——水泥试样的质量（g）。

e）强度：水泥强度是评价水泥质量的重要指标。水泥强度测定必须严格遵守国家标准规定的方法。测定水泥强度一方面可以确定水泥的强度等级以评定和对比水泥的质量，另一方面可以作为设计混凝土和砂浆配合比时的强度依据。

水泥强度检验是根据《水泥胶砂强度检验方法ISO法》（GB/T17671-1999）规定，将按质量计的一份水泥、三份中国ISO标准砂，用0.5的水灰比拌制的一组塑性胶砂，按照规定的方法制成尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体试件（模具如图2-8），试件成型后连模一起在（20±1）℃使其中养护24h，然后脱模在（20±1）℃水中养护（养护箱如图2-9所示）。硅酸盐水泥测定其3d和28d强度，各龄期强度不低于表2-2的数值。压力试验机如图2-10所示。

图2-8　40mm×40mm×160mm的棱柱体模具

图2-9　试件养护箱

图2-10　压力试验机

表2-2　五种常见的水泥各龄期强度值

f）水化热：水泥的水化反应是放热反应，其水化过程放出的热称为水泥的水化热。水泥的水化热对混凝土工艺有多方面意义。水化热对大体积混凝土是有害的因素，大体积混凝土由于水化热积蓄在内部，造成内外温差，形成不均匀应力导致开裂，但水化热对冬季混凝土施工是有益的，水化热可促进水泥水化进程。

水泥的水化放热量及放热速率与水泥的矿物组成有关，根据熟料单矿物水化热测定结果，可测算得硅酸盐熟料中四种主要矿物的水化放热速率（表2-3），由于水泥的水化热具有加和性，所以可根据水泥矿物组成含量，估算水泥水化热。对于硅酸盐水泥，在水化3d龄期内水化放热量大致为总放热量的50%，7d龄期为75%，而3个月可达90%。由此可见，水泥的水化放热量大部分在3～7d内放出，以后逐渐减少。各水泥矿物的水化热及放热速率比较如下：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S。水泥水化放热量和放热速率还与水泥细度、混合种类和数量有关。水泥细度越细，水化反应加快，水化放热速率亦增大。掺和混合材料可降低水泥水化热和放热速率，因此大体积混凝土应选用混合材料掺量较大的水泥。

中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥适用于要求水化热较低的大坝和大体积混凝土工程，国家标准《中热硅酸盐水泥低热硅酸盐水泥低热硅酸盐水泥》（GB200-2003）规定其各龄期水泥水化热不得超过表2-4值。

表2-3　硅酸盐熟料矿物的水化热

表2-4　水泥强度等级的各龄期水化热

g）水泥化学品质指标

1）不溶物：水泥中的不溶物来自熟料中未参与矿物形成反应的黏土和结晶二氧化硅，是煅烧不均匀、化学反应不完全的标志。一般回转窑熟料不溶物小于0.5%，立窑熟料小于1.0%，国标规定I型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%，Π型不得超过1.5%。

2）烧失量：水泥中烧失量的大小，一定程度上反应熟料烧成质量，同时也反应了混合材料掺量是否适当，以及水泥风化的情况。国标对烧失量规定如下：I型硅酸盐水泥烧失量不得大于3.0%，Π型硅酸盐水泥烧失量不得大于3.5%，普通水泥应小于5.0%。由于其他硅酸盐水泥中的烧失量不能反应上述情况，因此不予规定。上述两个指标为水泥厂生产控制指标。

3）氧化镁：熟料中氧化镁含量偏高是导致水泥长期安定性不良的因素之一。熟料中部分氧化镁固溶于各种熟料矿物和玻璃体中，这部分氧化镁并不引起安定性不良，真正造成安定性不良的是熟料中粗大的方镁石晶体。同理，矿渣等混合材料中的氧化镁若不以方镁石结晶形式存在，对安定性也是无害的。因此，国际上有的国家水泥标准规定用压蒸安定性试验合格来限制氧化镁的危害作用是合理的。但是我国目前尚不普遍具备做压蒸安定性的试验条件，故用规定氧化镁含量作为技术要求。水泥中氧化镁指标为水泥厂生产控制指标。

国标规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的氧化镁含量必须《5.0%，若水泥压蒸安定性合格允许氧化镁含量《6.0%；PSA矿渣硅酸盐水泥的氧化镁含量必须《6.0%，若水泥的氧化镁含量超过6%时，需进行水泥压蒸安定性试验并合格；火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的氧化镁含量必须《6.0%，水泥的氧化镁含量超过6%时，需进行水泥压蒸安定性试验并合格。(www.xing528.com)

4）三氧化硫：水泥石中的三氧化硫主要来自石膏，三氧化硫过量将造成水泥体积安定性不良，国家标准是通过限制水泥三氧化硫含量控制石膏掺量，国家标准规定矿渣水泥中三氧化硫不得超过4.0%，其他五类水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%。水泥中三氧化硫含量为水泥厂生产控制指标。

5）碱含量：若水泥中碱含量高，当选用含有活性二氧化硅的骨料配置混凝土时，会产生碱骨料反应，严重时会导致混凝土不均匀膨胀破坏。由此而造成的危害，越来越引起人们的重视，因此国家标准将碱含量列入技术要求。根据我国的实际情况，国标规定：水泥中碱含量按照Na2O+0.658K2O计算值来表示，若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，则水泥中的碱含量应不大于0.6%或由供需双方商定。

6）氯离子含量：国家标准规定各类硅酸盐水泥中氯离子含量不得超过水泥量的0.06%。氯离子测试方法按照JC/C420进行。

7）抗蚀性：对于水泥石耐久性有害的环境介质主要为：淡水、酸与酸性水、硫酸盐溶液和碱溶液等。淡水又称软水，水的硬度是指溶解在水中的钙盐与镁盐含量的多少。含量多的硬度大，反之则小。1L水中含有10mmgCaO（或者相当于10mmgCaO）称为1度。软水就是硬度小于8的水，如雨水、雪水、纯净水等；硬度大于8的水为硬水，如矿泉水，自来水以及自然界中地表水和地下水等。硬水又分为暂时硬水和永久硬水。暂时硬水的硬度是由碳酸氢钙与碳酸氢镁引起的，经煮沸后可被去掉，这种硬度又叫碳酸盐硬度。永久硬水的硬度是由硫酸钙和硫酸镁等盐类物质引起的，经煮沸后不能去除。以上两种硬度合称为总硬度。硅酸盐水泥属于水硬性胶凝材料，理应有足够的抗水能力。但是硬化浆体如不断受到淡水的浸析时，其中一些水化产物如Ca（OH）2等将按照溶解度的大小，依次逐渐被水溶解，产生溶出性侵蚀，最终会导致水泥石损坏。在各种水化产物中，Ca（OH）2溶解度最大（20℃时约为1.2gCaO/L），所以首先被溶解。如水量不多，水中的Ca（OH）2浓度很快就达到饱和程度，溶出也就停止，但在流水中，特别在有水压作用且混凝土的渗透性又较大的情况下，水流就不断将Ca（OH）2溶出并带走，不仅增加了孔隙率，使水更易渗透，而且由于液相中Ca（OH）2浓度降低，还会使其他水化产物发生分解。酸与酸性水：当水中溶有一些无机酸或者有机酸时，水泥石就受到溶析和化学溶解双重作用，水泥石组成被转变为易溶盐类，侵蚀明显加速，酸类离解出来的氢离子和酸根离子，分别与水泥石所含Ca（OH）2，氢氧根离子和钙离子组合生成水和钙盐。所以酸性水侵蚀作用的强弱，取决于水中氢离子浓度。如pH值小于6，水泥石就可能受到侵蚀。pH值越小，氢离子越多，侵蚀就越强烈，当氢离子达到足够浓度时，还能直接与水化硅酸钙、水化铝酸钙甚至与未水化的硅酸钙、铝酸钙等起作用，使3水泥石结构遭到严重破坏。上述的无机酸与有机酸很多是在化工厂或者工业废水中遇到的，化工防腐已是一个重要的专业课题，而自然界中对水泥有侵蚀作用的酸类并不多见。不过，在多数的天然水中多少存在碳酸，大气中的二氧化碳溶于水中能使其具有明显的酸性（pH=5.72），再加上生物化学作用所形成的二氧化碳，常会产生碳酸侵蚀。碳酸与水泥混凝土相遇时，首先与Ca（OH）2作用，生成不溶于水的碳酸钙。但是水中碳酸还要进一步与碳酸钙作用，生成易溶于水的碳酸氢钙，使氢氧化钙不断溶失，从而引起水泥石的解体。硫酸盐：绝大部分硫酸盐对水泥石都有显著的侵蚀作用，只有硫酸钡除外。在一般的河水和湖水中，硫酸盐含量不多，但海水中硫酸根离子的含量比较高。硫酸钠、硫酸钾等多种硫酸盐都能与水泥石所含的氢氧化钙作用生成硫酸钙，再和水化铝酸钙反应生成钙矾石，从而使固相体积增加很多，分别为124%和94%，产生相当的结晶压力，造成膨胀开裂直至毁坏。在海水和地下水中常含有大量的硫酸镁，镁离子还会进入水化硅酸钙凝胶，使其胶结性能变差。而且反应生成的氢氧化镁饱和溶液其pH值降低，会导致水化产物不稳定而离解。因此硫酸镁溶液除了产生硫酸盐侵蚀外，还有镁离子严重危害，常称为“镁盐侵蚀”。含盐溶液：一般情况下，水泥混凝土能够抵抗碱类的侵蚀。但如果长期处于较高浓度（＞10%）的含碱溶液中，也会发生缓慢的破坏。温度升高时，侵蚀作用会加速。碱溶液侵蚀主要包括化学侵蚀反应和结晶侵蚀两方面作用。化学侵蚀是碱溶液与硬化水泥浆组分之间产生化学反应，生成胶结力弱、易为碱溶液析出的产物；而结晶侵蚀则是因碱液渗入浆体孔隙，然后蒸发呈结晶析出，产生结晶应力引起的胀裂。又如NaOH渗入后，再在空气中二氧化碳作用下，形成含大量结晶水的碳酸钠，在结晶时也会造成浆体结构胀裂。

8）常用水泥的特性及应用

六大常用水泥的主要特性见表2-5。

水泥可以散装或袋装，袋装水泥每袋净含量为50kg。水泥包装袋上应清楚表明：执行标准、水泥品种、代号、强度等级、生产者名称、生产许可证标志（QS）及编号、出厂编号、包装日期、净含量。散装发运时应提交与袋装标志相同内容的卡片。

（2）砂石：采用普通铸造用砂，粒度在0.154mm～0.315mm之间，含泥量小于0.1%。测定砂的颗粒级配，计算砂的细度模数，以评定砂的粗细程度，为混凝土配合比设计提供依据。砂石的级配是指砂石中不同粒径颗粒的分布情况。良好的级配应当能使砂石的空隙率和总表面积均较小，从而不仅使所需水泥浆量较少，而且还可以提高混凝土的密实度、强度及其其他性能。若砂石的粒径分布全在同一个尺寸范围内，则会产生很大的空隙率，如图2-11（a）所示；若砂石的粒径分布全在两种尺寸范围内，空隙率则会大大减小，如图2-11（b）所示；若砂石的粒径分布更多尺寸范围内，则空隙率就会更小了，如图2-11（c）所示。由此可见，只有适宜的砂石粒径分布，才能达到良好级配的要求。

图2-11　砂石颗粒级配

砂石的粗细程度指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。相同质量的砂石，粒径小，总表面积大；粒径大，总表面积小，因而大粒径的砂石所需包裹其表面的水泥浆量就少。即相同的水泥浆量，包裹在大粒径砂石表面的水泥浆层就厚，便能减小砂石间的摩擦。

主要仪器设备：1）标准筛细骨料试验套筛以及筛的底盘和盖各一个2）托盘天平称量1kg，感量1g 3）烘箱，温度控制在100～110℃（如图2-12）4）摇筛机带拍5）浅盘和硬，软毛刷等

图2-12　烘箱

试样制备：用于筛分析的试样应先筛除粒径大于9.5mm的颗粒，并记录其筛余百分率。如试样含泥量超过5%，应先用水洗。然后将试样充分拌匀，用四分法缩分至每份不少于550g的试样两份，在105±5℃下烘干至恒重，冷却至室温后备用。

实验操作步骤：1）准确称量烘干试样500g，倒入已按筛孔大小顺序排列的套筛的最上一只筛上，盖上盖后将整套筛装入摇筛机，摇动约10min（无摇筛机可采用手摇）。然后取下整套筛子，按筛孔大小顺序，在大搪瓷盘上逐个进行手筛，直到每分钟筛出的数量不超过总质量的0.1%为止，将已通过的颗粒并入下一号筛，顺序过筛，直至各号筛均已筛完为止。

2）分别称取各筛筛余量，所有各筛的分计筛余量和底盘中剩余量之和与筛分前试样总质量相比，其差值不得超过1%。

结果记录与分析：分计筛余百分率——各号筛上的筛余量除以试样总质量的百分率（精确至0.1%）；累计筛余百分率——该号筛上的分计筛余百分率与大于该号筛上的分计筛余百分率之和（精确至0.1%）；根据各筛的累计筛余百分率，绘制筛分曲线，评定该试样的颗粒级配；计算试样的细度模数（精确至0.01）

式中　A1～A6依次为筛孔直径5.00～0.160mm筛上累计筛余百分率；筛分试验应采用两个试样平行进行，并以其试验结果的算术平均值为测定结果，如果两次试验所得的细度模数之差大于0.2，则应重新进行试验。

普通混凝土（简称混凝土）是以水泥为胶结材料，适量添加为改善混凝土拌合物或硬化混凝土的性能而加入的各种矿物掺合料和外加剂，以天然砂石为骨料加水拌合，经过浇筑成型、凝结硬化形成的固体材料。如图2-13混凝土内部结构图，其中，砂石起骨架作用，水泥、矿物掺合料与水形成的胶凝材料浆体填充在砂石堆积的空隙中。胶凝材料浆体在凝结硬化前，赋予混凝土拌合物一定的和易性，浆体硬化后，将砂石胶结成一个整体。

混凝土的质量在很大程度上取决于组成材料的性质和用量，同时也与混凝土的施工因素（如搅拌、振捣、养护等）有关。因此，首先必须了解混凝土组成材料的性质、作用及其质量要求，然后才能进一步了解混凝土的其他性能。

混凝土立方体抗压强度测定：测定混凝土的立方体抗压强度，作为检查混凝土质量及确定等级提供主要数据。按照国家标准《普通混凝土力学性能实验方法标准》（GB/T50081-2002），制作边长为150mm的立方体实践，在标准养护条件（温度20±2℃，相对湿度95%以上）下，养护到标准龄期28d，测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度，以fcu表示，单位为N/mm2或者MPa。混凝土立方体抗压强度标准（或称立方体抗压强度标准值）是指按照标准方法制作和养护边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准实验方法测得的抗压强度总体分布中具有不低于95%保证率的抗压强度值，用以fcu，k表示。混凝土立方体抗压强度等级是按照混凝土立方体抗压标准强度来划分的，采用符号C与立方体抗压强度标准值（单位为MPa）表示。普通混凝土划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80共14个等级，C30即表示混凝土立方体抗压强度标准值30MPa《fcu，k＜35MPa。混凝土强度等级是混凝土结构设计、施工质量控制和工程验收的重要依据。

图2-13　混凝土的内部结构

混凝土轴心抗压强度的测定采用150mm×150mm×300mm棱柱体作为标准试件。实验表明，在立方体抗压强度fcu=10～55MPa的范围内，轴心抗压强度fc=（0.7～0.8）fcu。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，更加符合工程实际。

混凝土抗拉强度：它只有抗压强度的1/10～1/20，且随着混凝土强度等级的提高，比值有所降低。在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标，有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋的黏结强度等。我国采用立方体的劈裂抗拉实验来测定混凝土的劈裂抗拉强度，并可以换算得到混凝土的轴心抗拉强度ft。在普通钢筋混凝土构件设计中不考虑混凝土承受拉力，但抗拉强度对混凝土的抗裂性起着重要作用。

主要仪器设备：1）混凝土压力试验机或万能试验机精度（示值的相对误差）应不低于±2%2）试模试模由铸铁、钢或工程塑料制成，应具有足够的刚度并拆装方便3）标准振动台，振动频率为50±3Hz，空载振幅约为0.5mm（如图2-14）4）抹刀，捣棒（如图2-15）等。

实验操作步骤：实训操作前，应选好试模尺寸，混凝土强度试验所用试模尺寸与骨料最大粒径的关系见表2-5。

1）将试模擦干净并在其内涂一薄层机油。

2）将混凝土拌合物均匀搅拌，一次装满试模。装料时，应用抹刀沿试模内壁略加插捣，并应使混凝土拌合物稍有富裕。放于振动台上振至混凝土拌合物表面开始泛浆为止，最后用抹刀刮平，混凝土抗压强度应以三个试件为一组。

图2-14　振动台

图2-15　捣棒

表2-5　试件尺寸与骨料最大粒径的关系

3）试模移入养护室内静置一昼夜，然后按编号拆模，拆模后的试件应放在17～23℃、相对湿度90%以上的标准条件下养护。试件应放在架上，彼此间隔10～20mm，养护直至试压龄期为止。

4）试块从养护地点取出后应及时进行试验，将试件擦干，量出所需尺寸，并检查其外观，试件尺寸测量应精确到1mm，并据此计算试件的承压面积。

5）将试件安放在试验机下压板中心，试件的承压面与成型时的顶面垂直，开动试验机，当上压板与试件接近时调整球形座，使接触均衡。

6）混凝土的试压应连续而均匀地加荷，当接近与破坏时，停止调节试验油门，直至试件破坏，然后记录破坏荷载P。

结果与计算：

1）混凝土试件的抗压强度按下式计算（精确至0.1MPa）：

式中，fcu——混凝土立方体试件抗压强度，Mpa；

　　　P——破坏荷载，N；

　　　A——试件承压面积，mm2。

2）以三个试件测量值的算术平均值为该组试件的抗压强度值。三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小一并舍除，取中间值为该组的抗压强度值；如有两个测值与中间值的差均超过中间值15%，则该组的试验结果无效。

3）混凝土的抗压强度是以150mm×150mm×150mm的立方体试件的抗压强度为标准，其他尺寸试件测定结果，均应换算成边长为150mm立方体的标准抗压强度，换算时均应分别乘以表2-2中的尺寸换算系数。

影响混凝土强度的因素：主要有原材料与生产工艺方面的因素。原材料方面的因素包括：水泥强度等级与水胶比，骨料的种类、质量和数量，外加剂和掺合料；生产工艺方面的因素包括：搅拌与振捣，养护温度和湿度，龄期。

图2-16　混凝土强度与水饺比的关系

水泥强度等级与水胶比：它是影响混凝土抗压强度的最主要因素。因为混凝土的强度主要取决于水泥石的强度及其与骨料间的黏结力，而水泥石的强度及其与骨料间的黏结力又取决于水泥的强度和水胶比的大小。因为水泥水化所需的结合水，一般只占水泥质量的23%左右，但在拌制混凝土拌合物时，为了获得必要的流动性，通常加入较多的水，当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中形成孔穴或者蒸发后形成气孔，这大大减少了混凝土抵抗荷载的实际有效断面，且有可能在孔隙周围产生应力集中。故在水泥强度相同的情况下，混凝土强度随着水胶比的增加而降低。但如果水胶比过小，则拌合物过于干硬，在一定的倒实成型条件下，混凝土难以成型密实，从而使强度下降。混凝土强度与水胶比的关系，如图2-16所示。另外，在相同水胶比和相同实验条件下，水泥强度等级越高，则水泥石强度越高，从而使用其配置的混凝土强度也越高。根据大量实验结果，在原材料一定的情况下，混凝土28d龄期抗压强度（fcu）与胶凝材料胶砂强度（fb）和水胶比（W/B）之间的关系符合下列经验公式：

式中，αa和αb——回归系数，与骨料的品种、水泥品种等因素有关。

　　　fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度。

骨料：骨料本身的强度一般都比水泥石的强度高（轻骨料除外），所以不直接影响混凝土的强度，但若骨料经风化等作用而降低强度时，则用其配置的混凝土强度也较低；骨料表面粗糙，则与水泥石的黏结力较大，故用碎石配置的混凝土比用卵石配置的混凝土强度较高。

龄期：混凝土在正常养护条件下，其强度将随着龄期的增加而增长，如图2-17所示。在实际工程中常需根据混凝土早期强度推算后期强度，可根据混凝土强度大致与龄期的对数成正比关系（龄期不小于3d）进行推算：

式中，fn——n天龄期时混凝土抗压强度，n》3；

　　　F28——28天龄期时的混凝土抗压强度。

上式仅适用于中等混凝土强度等级，在正常条件下硬化的普通水泥混凝土，在与实际情况相比，公式推算所得结果，早期偏低、后期偏高，所以仅能供作参考。

图2-17　发混凝土强度增长曲线

养护：为了获得质量良好的混凝土，混凝土成型后必须进行适当的养护，以保证水泥水化过程的正常进行。养护过程需要控制的参数为温度和湿度。由于水泥的水化只能在充水的毛细孔空间发生，因此，必须创造条件防止水分自毛细管中蒸发而失去。另外，水泥水化过程中，大量自由水会被水泥水化产物结合或吸附，也需不管提供水分，才能使水泥水化正常进行，从而产生更多的水化产物使混凝土密实度增加。图2-17所示为潮湿养护对混凝土强度的影响。

图2-17可以看出如果湿度不够，则混凝土强度严重下降。所以为了使混凝土正常硬化，必须在浇筑后一定时间内维持一定的潮湿环境。一般情况下，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，应在混凝土凝结后（一般在12h以内），用草袋等覆盖混凝土表面并浇水，浇水时间不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥时，应不少于14d；对掺用缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土，应不小于14d，在夏季由于蒸发较快更应特别注意浇水。养护温度与混凝土强度发展有很大的影响。图2-18表示混凝土在不同温度的水中养护时强度的发展规律。

图2-17　混凝土强度与保持潮湿时间的关系

1-长期保湿；2-保持潮湿14d；3-保持潮湿7d；4-保持潮湿3d；5-保持潮湿1d

图2-18　养护温度对混凝土强度的影响

由图2-18可以看出，养护温度高，可以增大初期水化速度，混凝土早期强度也高。

其他：影响混凝土强度的因素除上述以外，还有外加剂、混合材料、湿热处理方式、施工方法等，在此不一一详述。

（3）碳纤维：聚丙烯基（PAN）短切碳纤维，长5mm，其性能指标见表2-6。将碳纤维用浓硝酸浸泡进行氧化处理［41-43］，待处理2h后用蒸馏水反复冲洗，最后在110℃烘箱内烘干待用。碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物，它的含碳量不低于92Wt%。有短切碳纤维，也有连续碳纤维。碳纤维起源于1860年英国科学家瑟夫？斯旺的研制碳丝白炽灯的试验。

根据原丝类型不同，碳纤维主要分为聚丙烯腈（PAN）以基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维3大类。根据拉伸强度和模量的高低，碳纤维分为超高模量型、高模量型、中模量型、低模量型和高强度型5类，其中中模量和高强度型之间有重叠部分。根据用途碳纤维又可分为通用型、高性能型和活性炭纤维3类。

表2-6　聚丙烯基（PAN）短切碳纤维的物理性能

（4）石墨：采用某厂生产的鳞片石墨，纯度≥97%，颗粒度≤0.017mm。

（5）分散剂：采用国药集团化学试剂有限公司生产的年度为800～1200mpa·s的羧甲基纤维素纳（CMC）。已有资料［44-45］表明，羧甲基纤维素纳（CMC）是促进碳纤维在水泥浆体中分散的一种有效的表面活性剂，它可以使碳纤维稳定地悬浮在水溶液中而不集结成束。

（6）消泡剂：国药集团化学试剂有限公司生产的磷酸三丁酯，具有引气作用。由于分散剂CMC的加入，会在水泥浆体的搅拌过程中引入一定量的气泡，待水泥硬化后便形成了孔，这些孔将会影响水泥机敏复合材料的导电性能；此外气泡的存在无疑会降低水泥石固化后的强度，影响其抗压性能。使用消泡剂可以降低气泡的含量，使制成的试块更加密实。

（7）CCCW材料：使用加拿大凯顿公司生产的CCCW混凝土添加剂KIM作为外加剂。该材料在潮湿条件下可以对水泥基复合材料的表面及内部裂纹进行自修复，能够有效提高混凝土的密实度和力学性能。