水泥与建筑材料：建筑工程概论

任务情景

钢筋和混凝土是两种物理化学性能完全不同的材料，结合在一起形成的钢筋混凝土结构却是建筑物最常用的结构。其原理如图4-7所示，图4-7（a）、（b）中绘有两根截面尺寸、跨度、混凝土强度完全相同的简支梁，一根为素混凝土的，另一根则在梁的受拉区配有适量钢筋。

图4-7 素混凝土与钢筋混凝土受力对比

任务分析

由试验可知：素混凝土梁由于混凝土的抗拉能力很小，在荷载作用下，受拉区边缘混凝土一旦开裂，梁瞬即脆断而破坏（图4-7（a）），所以梁的承载能力很低。对于在受拉区配置适量量钢筋的梁（图4-7（b）），当受拉区混凝土开裂后，梁中和轴以下受拉区的拉力主要由钢筋来承受，中和轴以上受压区的压应力仍由混凝土承受。

试验说明，配置在受拉区的钢筋明显地加强了受拉区的抗拉能力，从而使钢筋混凝土梁的承载能力比素混凝土梁的承载能力要提高很多。

知识精讲

一、建筑砂浆

建筑砂浆在建筑工程中是常用的建筑材料，它用途广泛、用量较大。建筑砂浆一般可分为砌筑砂浆和抹面砂浆两类。在砖石结构中，砌筑砂浆可将单块的黏土砖、石材或砌块胶结起来，构成砌体。砖墙勾缝和填充大型墙板的接缝，墙面、地面及梁柱的表面都需用砂浆抹面，起到保护结构以及装饰作用；镶贴大理石、水磨石、贴面砖、瓷砖、马赛克等也需用砂浆。此外，还有隔热、吸声、防水、防腐等特殊用途的砂浆，以及专门用于装饰的装饰砂浆。

1.砂浆的组成

砂浆是用无机胶凝材料（水泥、石灰膏、黏土等）与细集料和水按比例拌和而成的，用于砌筑和抹灰工程，可分为砌筑砂浆和抹面砂浆，前者用于砖、石块、砌块等的砌筑以及构件安装；后者则用于墙面、地面、屋面及梁柱结构等表面的抹灰，以达到防护和装饰等要求。普通砂浆材料中还有的是用石膏、石灰膏或黏土掺加纤维性增强材料加水配制成膏状物，称为灰、膏、泥或胶泥。常用的有麻刀灰（掺入麻刀的石灰膏）、纸筋灰（掺入纸筋的石灰膏）、石膏灰（在熟石膏中掺入石灰膏及纸筋或玻璃纤维等）和掺灰泥（黏土中掺少量石灰和麦秸或稻草）。

2.砂浆的技术性质

新拌的砂浆主要要求具有良好的和易性。硬化后的砂浆则应具有所需的强度和对底面的黏结力，而且其变形性不能过大。

（1）砂浆的和易性

砂浆的和易性是指新拌砂浆是否便于施工并保证质量的综合性质，即砂浆是否比较容易地在砖石、砌块等表面上铺砌成均匀、连续的薄层，且与底面紧密地黏结。

砂浆的和易性可根据其流动性和保水性综合评定。砂浆的流动性也称稠度，是指在自重或外力作用下流动的性能。砂浆的保水性是指新拌砂浆保持其内部水分不泌出流失的能力。保水性不良的砂浆在存放、运输和施工过程中容易产生离析泌水现象。

（2）砂浆强度等级

砂浆的强度等级是以边长为70.7mm的立方体试块，一组6块，在标准养护条件下，用标准试验方法测得28d龄期的抗压强度值（MPa）来确定的，并以M和应保证的抗压强度值（MPa）表示。砂浆按抗压强度分有M20、M15、M10、M7.5、M5和M2.5六个等级。

（3）收缩性能

收缩性能是指砂浆因物理化学作用而产生的体积缩小现象。其表现形式为由于水分散失和湿度下降而引起的于缩，由于内部热量的散失和温度下降而引起的冷缩，由于水泥水化而引起的减缩和由于砂颗粒沉降而引起的沉缩。

（4）黏结力

砂浆的黏结力主要是指砂浆与基体的黏结强度的大小。砂浆的黏结力是影响砌体抗剪强度、耐久性和稳定性，乃至建筑物抗震能力和抗裂性的基本因素之一。通常，砂浆的抗压强度越高黏结力越大。

3.常用砂浆

（1）砌筑砂浆

将砖、石及砌块黏结成为砌体的砂浆称为砌筑砂浆。它起着黏结砖、石及砌块构成砌体，传递荷载，并使应力的分布较为均匀，协调变形的作用。用于砌筑的水泥砂浆采用的水泥强度等级不宜大于32.5级，水泥混合砂浆采用的水泥强度等级不宜大于42.5级。砌筑砂浆中的细骨料宜选用中砂，其细骨料的粒径一般为灰缝的1/4～1/5为宜。水泥砂浆一般适用于水下及潮湿环境下的工程，如基础等；石灰砂浆一般适用于干燥环境下的工程；水泥石灰混合砂浆介于二者之间，如墙体等。

（2）抹面砂浆

抹面砂浆是指涂抹在基底材料的表面，兼有保护基层和增加美观作用的砂浆。抹面砂浆按其功能的不同可分为普通抹面砂浆、装饰抹面砂浆和具有特殊功能的抹面砂浆（如保温砂浆、耐酸砂浆等）。

常用的普通抹面砂浆有水泥砂浆、石灰砂浆、水泥石灰混合砂浆、麻刀石灰砂浆（简称麻刀灰）、纸筋石灰砂浆（纸筋灰）等。

装饰砂浆是指涂抹在建筑物内外墙表面，具有美观装饰效果的抹面砂浆。要选用具有一定颜色的胶凝材料和骨料以及采用某种特殊的操作工艺，使表面呈现出各种不同的色彩、线条与花纹等装饰效果。装饰砂浆所采用的胶凝材料有普通水泥、矿渣水泥、火山灰质水泥、白水泥、彩色水泥，或是在常用水泥中掺加耐碱矿物颜料配成彩色水泥以及石灰、石膏等。

防水砂浆是指具有一定的防水抗渗能力的砂浆。防水砂浆一般采用在水泥砂浆中掺入防水剂的方法来制作。防水砂浆通常用于墙身防潮层或地下防水工程等。

保温砂浆是以水泥、石灰膏、石膏等胶凝材料与膨胀珍珠岩砂、膨胀蛙石、火山渣或浮石砂、陶砂等轻质多孔骨料按一定比例配制成的砂浆，具有轻质、保温的特性，一般用于平屋顶保温层及顶棚、内墙抹灰等。常用的保温砂浆有水泥膨胀珍珠岩砂浆、水泥膨胀蛭石砂浆。

二、普通混凝土

混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料、骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有可塑性好、抗压强度高、耐久性好、强度等级范围宽的特点，从而使其使用范围十分广泛。

从以水泥为胶凝材料的混凝土问世开始，在1850年和1928年先后出现了钢筋混凝土和预应力混凝土，目前混凝土技术正朝着轻质、高强、高性能、高耐久、多功能、绿色环保和智能化方向发展。

混凝土的种类很多。按胶凝材料不同，分无机凝胶材料混凝土（如水泥混凝土、石膏混凝土等）和有机胶凝材料混凝土（如聚合物混凝土、沥青混凝土等）；按表观密度不同，分重混凝土、普通混凝土、轻混凝土；按使用功能不同，分为结构用混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等；按施工工艺不同，又分喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。按混凝土抗压强度等级，分低强度混凝土（抗压强度值＜30 MPa）、中强度混凝土（抗压强度值30～60 MPa）、高强度混凝土（抗压强度值为60 100 MPa）和超高强度混凝土（抗压强度值≥100 MPa）。为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，人们还将水泥混凝土与其他材料复合，出现了钢筋混凝土、预应力混凝土、各种纤维增强混凝土及聚合物浸渍混凝土等。此外，随着混凝土的发展和工程的需要，还出现了膨胀混凝土，加气混凝土、纤维混凝土等各种特殊功能的混凝土。泵送混凝土，商品混凝土以及新的施工工艺给混凝土施工带来方便。

1.混凝土的组成

水泥混凝土又称普通混凝土（简称为混凝土），由水泥、砂（粒径为0.16～5mm的集料）、石（粒径大于5mm的集料）和水所组成，另外还常加入适量的掺和料（如硅灰、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等）和外加剂（如减水剂、缓凝剂、早强剂等）。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌和物一定的和易性，便于施工。水泥浆硬化后，则将骨料胶结为一个坚实的整体（图4-8）。

图4-8 混凝土的组织结构

1—石子　2—砂　3—水泥浆　4—气孔

2.混凝土的性质

混凝土的性质包括混凝土拌和物的和易性、混凝土强度、变形及耐久性等。

（1）和易性

和易性又称工作性，是指混凝土拌和物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得均匀密实的混凝土的性能。和易性是一项综合技术指标，包括流动性（稠度）、黏聚性和保水性三个主要方面。(www.xing528.com)

（2）强度

强度是混凝土硬化后的主要力学性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。混凝土的立方体抗压强度是制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件（温度20±3℃，相对湿度90％以上）下，养护到28d龄期，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。

混凝土强度等级就是根据立方体抗压强度标准值来确定。强度等级的表示方法是用符号C和立方体抗压强度标准值表示。例如，C40表示混凝土立方体抗压强度标准值小于45 MPa但不小于40MPa。我国现行国家标准《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、65、C70、C75和C80十四个强度等级。

（3）变形和耐久性

混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。非荷载作用下的变形有化学收缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量过多，在混凝土的内部易产生化学收缩而引起微细裂缝。

混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力，包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。

[例4-7] 某一结构房屋，在结构完工进行屋面施工时，屋面局部倒塌，审查设计方面未发现任何问题，对施工方面设计发现其设计的C20混凝土强度仅为C7.5左右，在断口处可清楚看出砂石未洗净，料中含有鸽蛋大小的黏土块和树叶等杂质，请分析原因。

解：集料的杂质对混凝土强度有重大影响，必须严格控制杂质含量，树叶等杂质会影响混凝土的强度。泥黏附在集料的表面，妨碍水泥石与集料的黏结，降低混凝土的强度，还会增加拌和水量，加大混凝土的干缩，降低抗渗性和抗冻性，因此，泥块对混凝土性质影响严重。

三、其他品种混凝土

1.轻混凝土

凡表观密度小于1900kg/m3的混凝土均称为轻混凝土。轻混凝土按其组成不同可分为轻骨料混凝土、多孔混凝土和无砂大孔混凝土。

用多孔轻质骨料和水泥配制而成的混凝土称作轻骨料混凝土。按所采用的细骨料不同可分为：砂轻混凝土（用普通砂作细骨料的轻骨料混凝土）和全轻混凝土（用轻砂作细骨料的轻骨料混凝土）。

多孔混凝土中无粗、细骨料，内部充满大量细小封闭的孔，孔隙率高达60％以上。多孔混凝土可分为加气混凝土和泡沫混凝土两种。加气混凝土是用胶凝材料（水泥、石灰）、硅质材料（石英砂、粉煤灰、粒状高炉矿渣等）、发气剂（铝粉、过氧化氢）经过搅拌、浇注成型发气过程后，切割、压蒸养护（8个大气压、养护6～8h）等生产工序而成；泡沫混凝土是在硅酸盐类砂浆或灰浆中掺入预先制好的泡沫，经搅拌、浇注成型、蒸汽养护或压蒸养护而成的轻混凝土。

无砂大孔混凝土是用粒径相近的粗骨料，数量有限的水泥浆配制而成的。

2.硅酸盐混凝土

硅酸盐混凝土是以石灰与硅质材料（如砂、粉煤灰、火山灰、煤矸石、尾矿粉等）为主要原料，加水拌和，用一定的成型工艺，采用水热合成（蒸汽养护或压蒸养护）方法所制得的人造石材。由于其内部主要形成的是水化硅酸盐类矿物，因此称为硅酸盐混凝土。

3.纤维混凝土

纤维混凝土是由均匀分散的纤维与混凝土组成的复合材料。常用的有钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土。纤维混凝土与普通混凝土相比，提高了韧性，但其抗拉强度、抗折强度的提高并不大。它具有较高的抗裂性、抗冲击性、抗爆能力，多用于管道、飞机跑道、船体以及有特殊要求的墙板、屋面板等。

混凝土的特殊性能是在普通混凝土的基础之上经过改性变化而来的，因此，品种日益增多。除以上几种常用的特殊品种的混凝土之外，还有防水混凝土、耐酸混凝土、聚合物混凝土、高强混凝土、特细砂混凝土、防辐射（屏蔽）混凝土等。

四、钢筋混凝土结构

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理力学性能不同的材料所组成的。混凝土的抗压能力较强而抗拉能力却很弱，其抗拉强度仅为抗压强度的1/17～1/8。钢材的抗拉和抗压能力都很强。为了充分利用材料的性能把混凝土和钢筋这两种材料结合在一起共同工作，使混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力以满足工程结构的使用要求。

钢筋和混凝土这两种性质不同的材料之所以能有效地结合在一起而共同工作，主要是由于混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的黏结力，使两者可靠地结合在一起，从而保证在外荷载的作用下，钢筋与相邻混凝土能够共同变形。其次，钢筋与混凝土两种材料的温度线膨胀系数的数值颇为接近（钢为1.2×10﹣5，混凝土为1.0×10﹣5～1.5× 10﹣5），当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的黏结。由于有着近似相同的线膨胀系数，不会由环境不同产生过大的应力。钢筋与混凝土之间有良好的黏结力，有时钢筋的表面也被加工成有问隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时，通常将钢筋的端部弯起180°弯钩。此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。

钢筋混凝土不但可以用作受压构件（如墙、柱），还可以用作受弯构件（如梁、板）。钢筋混凝土按施工方法不同，可分为现浇整体式、预制装配式和装配整体式。目前在我国，钢筋混凝土为应用最多的一种结构形式，占总数的绝大多数，同时也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区。

[例4-8] 某市五年前以水泥混凝土现场浇筑了一个过道的屋面，竣工后不久，发现有不规则小裂缝，经过一年多，裂缝逐步增多增大、渗漏。此后该混凝土的部分已脱落，并露出已锈蚀的钢材。请说明混凝土的寿命为何如此之短。

解：首先是该混凝土的配制问题，从脱落的混凝土可见，该混凝土所用的石子粒径均齐，级配不够合理。当时为现场施工搅拌，水泥及用水量均较高，故完工后不久就出现较多的干熔性的细裂纹。此外，混凝土上部未加防水层，在日晒雨淋作用下裂纹就扩展，有利于水的渗入，而水渗入导致钢筋生锈，钢筋生锈产生膨胀又进一步扩展裂缝，破坏混凝土，这样就形成了恶性循环，故其寿命仅短短几年。

五、预应力混凝土结构

普通钢筋混凝土结构抗拉能力很弱，在荷载不大时，即可能出现裂缝，随着荷载加大，裂缝不断开展，梁的挠度亦不断增加。为了控制裂缝和挠度，往往要加大截面尺寸或增加钢筋用量。更主要的是，为了控制裂缝宽度，必须限制钢筋拉应力。例如，当裂缝宽度限制在0.2～0.3mm时，钢筋的应力只能到150～250MPa。因此只能应用强度较低的钢筋，不宜使用高强度钢筋。这样，大跨度结构以及有抗渗要求的特殊结构，就不宜采用普通钢筋混凝土修建。

要克服上述钢筋混凝土结构的缺点，简单有效的方法是对受拉区混凝土施加预（压）应力。预应力混凝土能充分发挥高强度钢材的作用，即在外荷载作用于构件之前，利用钢筋张拉后的弹性回缩，对构件受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先抵消预应力，然后随着荷载不断增加，受拉区混凝土才受拉开裂，从而延迟了构件裂缝的出现和限制了裂缝的开展，提高了构件的抗裂度和刚度。这种利用钢筋对受拉区混凝土施加预压应力的钢筋混凝土，称为预应力混凝土。

预加应力的方法，可以分为先张法和后张法两类。先张法是先张拉钢筋，后浇筑混凝土，预应力靠钢筋与混凝土之间的黏结力传递给混凝土。后张法是先浇筑混凝土并预留孔道，待混凝土达到一定强度后张拉钢筋，预应力靠锚具传递给混凝土。预应力混凝土能使其制品或构件的抗裂度、刚度、耐久性大大提高，减轻自重，节约材料。但是，预应力混凝土工艺较复杂，对质量要求高，需要配备一支技术较熟练的专业队伍，需要配备一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等，对构件数量少的工程，成本较高，从而在一定程度上影响了预应力混凝土的推广应用。

六、混凝土的发展趋势

混凝土具有自重大、养护周期长、导热系数较大、不耐高温、拆除废弃物再生利用性较差等缺点。近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。20世纪30年代平均为10MPa，50年代约为20MPa，60年代约为30MPa，70年代已上升到40MPa，发达国家越来越多地使用50MPa以上的高强混凝土。这是由于使用部门不断提高强度的要求所致。尤其是近50年来，片面提高强度尤其是早期强度而忽视其他性能的倾向，造成水泥生产向大幅度提高磨细程度和增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥28d胶砂抗压强度从30MPa左右猛增到60MPa，增加了水化热，降低了抗化学侵蚀的能力，流变性能变差。提高混凝土强度的方法除采用高标号水泥外，更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比与单方加水量。因此混凝土的和易性随之下降，施工时振捣不足，易引起质量事故。直到80年代，混凝土耐久性问题愈显尖锐，因混凝土材质劣化和环境等因素的侵蚀，出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌等事故，造成巨大损失，加上施工能耗、环境保护等问题，传统的水泥混凝土已显示出不可持续发展的缺陷。

我国近年来常用混凝土强度已从20～30MPa提高到30～50MPa，使用强度等级C50以上的混凝土越来越多，目前出现了各部门竞相配制80MPa以上混凝土的局面。混凝土强度越高，结构延性越差，给结构抗震性能带来的隐患越大。由于对施工质量的不信任，混凝土的试配强度往往比设计强度等级提高一个等级以上，C50混凝土的强度实际上超过60MPa，再加上水泥用量的增加，进一步增加了产生温度应力、收缩开裂和化学侵蚀破坏的可能。

在没有现代水泥的古代，混凝土能经历几百年甚至两千多年仍然完好，是石灰-火山灰胶凝材料具有卓越耐久性能的最有力证据。在科学技术飞速发展的今天，混凝土耐久性问题却一直被认为是技术上未能解决的难题，混凝土耐久性指标被定在30年、50年，最多也不过100至200年。混凝土耐久性已成为各国混凝土科技人员致力研究的重要课题。

高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，在耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性、经济性等性能方面有重点地予以保证。各个强度等级的混凝土都可做到高性能。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效减水剂，减少水泥用量。高性能混凝土不仅是对传统混凝土技术的重大突破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境等方面都具有重要意义，是一种环保型、集约型的新型材料，并将为建筑工程自动化准备条件。有学者预言，高性能混凝土是21世纪的混凝土，是近期混凝土技术的主要发展方向。另外，人们经过大量试验研究，提出了很多改善混凝土材料性能的新方法，已经取得了相当大的进步，如：运用高性能减水剂和加入矿物外加剂来降低孔隙率，提高混凝土的抗压强度和抗渗性；使用引气剂，改善混凝土的抗冻融性能；加入阻锈剂或防水剂，降低混凝土钢筋锈蚀；使用碱集料反应抑制剂，使碱集料反应破坏减小到最低程度；使用补偿收缩剂、减缩剂、养护剂和最适宜的养护措施，来减少混凝土的干缩裂缝；使用化学外加剂和矿物外加剂控制水泥的水化反应速率和放热速率，减少大体积混凝土的早期放热引起的开裂；通过提高耐久性、抗裂和抗冻融性来提高混凝土的使用寿命。混凝土的未来必将向这些方面发展。

课堂提问

1.砂浆的组成成分有哪些材料？砂浆的用途是什么？

2.砂浆有哪些技术性质上的要求？

3.混凝土的强度等级是如何确定的？

4.什么是混凝土的和易性和耐久性？

5.钢筋混凝土能共同协作承受荷载的原理是什么？

6.预应力混凝土是怎么形成的？