第四章：混凝土的结构
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《建筑材料(第4版)》教学课件-第4章 混凝土
§4.4 混凝土的配合比
2. 设计 施工的换算方法
∵由含水率公式可得：
mc′= mc
ms′= ms(1+a%)
mg′= mg(1+b%) mw′= mw - msa% - mgb%
设砂、石的含水率 分别为: a%、b%
∴
mc：ms：mg：mw
实验室配合比= 1：X ：Y ：W
mc′：ms′ ：mg′ ：mw′ 施工配合比= 1：X(1+a%) ：Y(1+b%) ：(W-Xa%-Y b%)
1、定义
三、耐久性
耐久性—— 砼在使用过程中抵抗各种破坏因素的作用，
能长期保持强度和外观完整的性能。
包括：
抗冻性——抵抗冻融循环破坏作用的能力。 用抗冻等级表示。(F50、F100、…… F400)
抗渗性——抵抗压力水渗透的能力。 用抗渗等级表示。(P4、P6、P8、P10、P12)
抗侵蚀性——抵抗水、酸、碱、盐腐蚀的能力。 抗碳化性——抵抗碳化的能力。 抗碱集料反应
一、和易性 3、坍落度的选用：
拌合物流动性的大小应根据构件类型、气候条件来等选用。 构件配筋较密或气候高温干燥，流动性要大，反之则要小。
GB50204-2015规范规定：
一、和易性 4、影响因素：
① 用水量(或水灰比)：(水灰比=水/水泥=W/C) 不能太大 ② 水泥浆用量： 不能过多 ③ 砂率：要合理
95%以上保值率的那个值。
二、强 度
3、影响因素
① 水泥强度: 与砼强度成正比关系
水灰比(W/C): 与砼强度成反比关系
② 集料质量:
经验关系式： f28=Afce (C/W-B)
③ 养护条件（温度与湿度）：
《建筑材料》教案-第四章-混凝土
第四章混凝土本章提要: 本章主要介绍普通混凝土的组成材料、性能和影响性能的因素，以及配合比的基本设计方法。
另外，还简单介绍了其他种类的混凝土。
第一节混凝土概述一、混凝土的分类混凝土：指胶凝材料、水、天然或人工的粗细骨料，必要时加入化学外加剂和矿物质混合材料，按适当比例配合，经过均匀拌制、密实成型及养护硬化而成的人工石材。
混凝土的种类很多，分类方法也很多。
（一）、按表观密度分（主要是骨料不同）：1、重混凝土：干表观密度大于2600kg/m3的混凝土。
常由高密度骨料重晶石和铁矿石等配制而成。
主要用于辐射屏蔽方面。
2、普通混凝土：干表观密度为2000～2500kg/m3的水泥混凝土。
主要以天然砂、石子和水泥配制而成，是土木工程中最常用的混凝土品种。
3.、轻混凝土：干表观密度小于1950kg/m3的混凝土。
包括轻骨料混凝土、多孔混凝土和无砂大孔混凝土等。
主要用于保温和轻质材料。
（二）、按所用胶凝材料分类：通常根据主要胶凝材料的品种，并以其名称命名，如水泥混凝土、石膏混凝土、水玻璃混凝土、硅酸盐混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等等。
有时也以加入的特种改性材料命名，如水泥混凝土中掺入钢纤维时，称为钢纤维混凝土；水泥混凝土中掺大量粉煤灰时则称为粉煤灰混凝土等等。
（三）、按使用功能和特性分类：按使用部位、功能和特性通常可分为：结构混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土、补偿收缩混凝土、防水混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、高强混凝土、高性能混凝土等等。
（四）、按施工工艺分：泵送混凝土、喷射混凝土、真空脱水混凝土、造壳混凝土（裹砂混凝土）、碾压混凝土、压力灌浆混凝土（预填骨料混凝土）、热拌混凝土、太阳能养护混凝土等多种。
（五）、按掺和料分：粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝土、纤维混凝土等多种。
（六）、按抗压强度分：低强混凝土（抗压强度小于30Mpa）、中强混凝土（抗压强度30Mpa）和高强混凝土（抗压强度大于等于60Mpa）；按每立方米水泥用量又可分为：贫混凝土（水泥用量不亏过170kg）和富混凝土（水泥用量不小于230kg）等。
建筑结构 05 第四章 混凝土结构02-打印版
4.2.2 轴压构件承载力
柱的计算长度L0取值:
注：表中H对底层柱为从基础顶面到一层楼盖顶面的高度； 对其余各层柱为上下两层楼盖顶面之间的高度。
5
2013.03
2．计算方法 （1）截面设计 已知：构件截面尺寸b×h，轴向力设计值N，构 件的计算长度L0，材料强度等级fc fy’ 。 求：纵向钢筋截面面积As’ 计算步骤如图4.2.5。
6
2013.03
（2）计算稳定系数 l0/b=5000/300=16.7 =0.869 （3）计算钢筋截面面积As′ =1677mm2 （4）验算配筋率 =1.86% ＞ =0.6%，且＜3% ，满足最小配筋率要求，且勿 300 300 4 25 纵筋选用4 如图。 Φ8@300 25（As′=1964mm2），箍筋配置φ8@300，
受压构件复合井字箍筋
筋箍筋。其原因是，内折角处受拉箍筋的合力向外。
柱钢筋图
电渣压力焊
3
2013.03
4.2.2 轴心受压构件承载力计算
配置纵筋和普通箍筋的柱， 称为普通箍筋柱； 配置纵筋和螺旋筋 或焊接环筋的柱， 称为螺旋箍筋柱或间接箍筋柱。
普通箍筋柱中，箍筋是构造钢筋。 螺旋箍筋柱中，箍筋既是构造钢筋 又是受力钢筋。
（2）验算配筋率
（3）确定柱截面承载力
（1）确定稳定系数 l0/b=4500/300=15 =0.911
=0.9×0.911×(11.9×300×300+300×1256) =1187.05×103N=1187.05kN＞N=800kN 此柱截面安全。
4.2.2 轴压构件承载力
思 考 题：
5.1在受压构件中配置箍筋的作用是什么？什么情况下需设置复合箍筋? 5.2轴心受压短柱、长柱的破坏特征各是什么？为什么轴心受压长柱的 受压承载力低于短柱？承载力计算时如何考虑纵向弯曲的影响？
4.3混凝土框架结构——框架结构的计算简图
Bz脉动风荷载的背景分量因子 z B kH 1
Z
1
x
z
Z
φ 1(z)—结构第1阶振型系数，可由结构动力计算确定，混凝土框架结构 可近似的取φ 1(z)=(z/H)[2-(z/H)]，z为计算点到室外地坪距离； H—结构总高度； ρx—脉动风荷载水平方向相关系数；
x
10 B 50e B / 50 50
第四章 混凝土框架结构
现浇框架结构
刚接节点
装配式框架结构
装配整体式框架 柱与基础的连接
铰接节点或半铰接节点
刚接节点 固定支座 铰支座
4.3框架结构的计算简图
4.3.2结构的计算简图
3.跨度与层高的确定 （1）梁的跨度 取顶层柱轴线之间的距离，当柱截面尺寸有变化时 以最小截面的形心线来确定。 （2）层高 取本层楼面至上层楼面的高度，底层层高取基础顶 面到二层楼板顶面之间距离。
荷载形式。
15.80kN
16.45kN
框架结构风荷载简图
风荷起算位置
ic Ec I Hi
装配整体式楼盖
Ec—— 混凝土弹性模量； I —— 框架柱截面惯性矩。
装配式楼盖
按实际截面计算I。
1 3 I bchc 12
4.3框架结构的计算简图
4.3.2结构的计算简图
6.荷载的计算 作用于框架结构上的荷载有两种：竖向荷载和水平荷载。 分布荷载居多 竖向荷载 楼面活荷载 建筑结构自重
第四章 混凝土框架结构
4.3框架结构的计算简图
4.3框架结构的计算简图
4.3.1截面尺寸的估计
1.梁截面尺寸 框架梁柱截面尺寸可近似预估：
第四章 混凝土框架结构
1 1 梁高 h ~ l ， l 为梁的计算跨度 8 12
第五版混凝土结构设计原理第四章
查表fc =14.3 N /mm 2 ,f t =1.43 N /mm 2 , f y =360 N /mm 2 ,f yv =270 N /mm 2
1 当梁达到最大弯矩值时
as =40mm,h0 =h-as =550-65=485mm, As =2281mm 2 As 2281 h = = =2.14%> min = bh0 220 485 ho ft h 1.43 550 =0.45 =0.45 =0.2% f y h0 360 485
h 550 同时 >0.2% =0.2% =0.22% h0 485 fy 360 = =2.14% =0.539<b =0.518 1 f c 1.0 14.3
取 =b =0.518 M u =1 f c bh0 2b 1-0.5b =1.0 14.3 220 5102 0.518 1-0.5 0.518 =314.8kN m 所以0.8 F =314.8,则F=392.6kN
则需要按构造配筋
n Asv1 2 50. 3 ft 采用双肢箍筋 8@300 sv 0.129% sv, min 0.24 bs 250 300 fyv 1.43 0.24 0.127 % 270
在纵筋的弯起点处 2 28.3 197.19 KN 140.14kN 150 符合要求，不必在弯起点再弯起钢筋
hw / b h0 / b 510 / 200 2.55 4，属于厚腹梁
混凝土的强度等级为C30, 不超过C50，C 1
1890
则属于厚腹梁，应按式（4 -17）进行验算：
71.442kN·m
104.4kN 64.8kN·m
0.25cfcbh0 0.25 114.3 200 360 257 .4kN V 104.4 KN
第四章 大体积混凝土结构
高层建筑基础施工整体性要求高，不允许留设施工缝， 要求一次连续浇筑完毕。同时，由于结构体积大，混凝土 浇筑后水泥的水化热量大，且聚集在大体积混凝土内部不 易散发，其内部温度显著升高，更促进水泥水化速度加快， 水化热更集中释放，而在混凝土表面散热快，这样就形成 了大体积混凝土内外较大的温差，且产生较大的温度应力， 当达到一定数值时，混凝土便产生裂缝。 因此，如何控制混凝土内外温差和温度变形，防止裂 缝产生，提高混凝土结构的抗渗、抗裂和抗侵蚀性能是大 体积混凝土施工中的关键问题。
（4）加强基坑内通风散热
浇筑混凝土时，在基础内设置多台通风 机，加速散热（即内散热，外保温）。但浇筑 完毕后，降温阶段应停止通风，防止温度回降 过速。
3、改善混凝土浇筑方法
采用分层分段浇筑混凝土的方法，尽量扩大混
凝土浇筑面；控制浇筑速度或减小浇筑厚度，以保
（2）合理配料和优选配合比
在选择粗骨料时，可根据施工条件，尽量选用粒径较大、
质量优良、级配良好的石子。合理选择混凝土的配合比，在满 足设计强度和施工要求条件下，尽量选用5~40mm石子，增大骨 料粒径，尽量减少水泥用量，以减少水泥的水化放热量。既可 以减少用水量，也可以相应减少水泥用量，还可以减小混凝土 的收缩和泌水现象。
（1）选择较低温度季节和时间浇筑混凝土
入模温度的高低，与出机温度密切相关，另外还 与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。一 般混凝土入模温度应控制在25℃以内。如避开7~9月高
温季节浇筑大体积混凝土。对浇筑量不大的块体，夏 季安排在下午三时以后或夜间浇筑，降低温升峰值， 避免较大的温降和温差。
一、裂缝的种类
• 微观裂缝： • 宏观裂缝：
• 表面裂缝 • 贯穿裂缝 • 深层裂缝
第四章pkpm绘制混凝土结构施工图
当梁下部纵筋为通长筋，且多数跨配筋相同时，此项可加注下部 纵筋的配筋值，用分号“；”将上部与下部纵筋分隔开来。少数跨 不同者，采用集中标注。如： 2Φ25； 4Φ25，表示上下部通长纵筋 分别为2Φ25和4Φ25。
搭接长度 2Φ25角筋
搭接长度
2Φ22
2Φ12通长筋
2Φ25角筋 2Φ25
集中标注内容：
截面注写方式：在分标准层绘制的剪力墙平面布置图 上，以直接在墙柱、墙身、墙梁上注写截面尺寸和配 筋具体数值的方式来表达。
剪力墙平法施工图列表注写方式示例
剪力墙平法施工图列表注写方式示例
剪力墙平法施工图截面注写方式示例
梁侧面纵向构造钢筋或受扭钢筋配置： 当腹板高度hw≥450mm时，须根据规范规定配置纵向构造钢筋。
此项注写值以大写字母G打头，注写设置在梁两个侧面的总配筋值， 且对称配置。
当梁侧面须配置受扭纵筋时，此项注写以大写字母N打头，后 面注写设置在梁两个侧面的总配筋值，且对称配置。受扭纵筋和构 造纵筋不重复配置。
集中标内容：
梁箍筋：包括钢筋级别、直径、加密区与非加密区间距及肢距。 如：φ8@100/200（2）表示箍筋为φ8，加密区和非加密区间距分别 为100和200，均为双肢箍。
φ8@100 （4） /150（2）表示加密区间距为100，四肢箍，非加 密区间距为150，双肢箍。
集中标注内容：
梁上部通长筋或架力筋
平面注写与传统表示方法对比
梁平法施工图截面注写方式示例
3. 剪力墙平法施工图制图规则
列表注写方式：为表达清楚、简便，剪力墙可视为由 剪力墙柱、剪力墙身和剪力墙梁三类构件构成。分别 在剪力墙柱表、剪力墙身表、剪力墙梁表中，对应于 平面布置图上的编号，用绘制截面配筋图并注写几何 尺寸与配筋具体数值的方式来表达。
搭接长度 2Φ25角筋
搭接长度
2Φ22
2Φ12通长筋
2Φ25角筋 2Φ25
集中标注内容：
截面注写方式：在分标准层绘制的剪力墙平面布置图 上，以直接在墙柱、墙身、墙梁上注写截面尺寸和配 筋具体数值的方式来表达。
剪力墙平法施工图列表注写方式示例
剪力墙平法施工图列表注写方式示例
剪力墙平法施工图截面注写方式示例
梁侧面纵向构造钢筋或受扭钢筋配置： 当腹板高度hw≥450mm时，须根据规范规定配置纵向构造钢筋。
此项注写值以大写字母G打头，注写设置在梁两个侧面的总配筋值， 且对称配置。
当梁侧面须配置受扭纵筋时，此项注写以大写字母N打头，后 面注写设置在梁两个侧面的总配筋值，且对称配置。受扭纵筋和构 造纵筋不重复配置。
集中标内容：
梁箍筋：包括钢筋级别、直径、加密区与非加密区间距及肢距。 如：φ8@100/200（2）表示箍筋为φ8，加密区和非加密区间距分别 为100和200，均为双肢箍。
φ8@100 （4） /150（2）表示加密区间距为100，四肢箍，非加 密区间距为150，双肢箍。
集中标注内容：
梁上部通长筋或架力筋
平面注写与传统表示方法对比
梁平法施工图截面注写方式示例
3. 剪力墙平法施工图制图规则
列表注写方式：为表达清楚、简便，剪力墙可视为由 剪力墙柱、剪力墙身和剪力墙梁三类构件构成。分别 在剪力墙柱表、剪力墙身表、剪力墙梁表中，对应于 平面布置图上的编号，用绘制截面配筋图并注写几何 尺寸与配筋具体数值的方式来表达。
《混凝土结构设计原理》 教案大纲
《混凝土结构设计原理》教案大纲第一章：混凝土结构的基本概念1.1 混凝土结构的定义1.2 混凝土结构的分类1.3 混凝土结构的特点及应用范围1.4 混凝土结构设计的基本原则第二章：混凝土的基本性质2.1 混凝土的组成及材料性质2.2 混凝土的力学性能2.3 混凝土的耐久性2.4 混凝土的变形性能第三章：混凝土结构的受力分析3.1 概述3.2 单向板受力分析3.3 双向板受力分析3.4 梁、柱和节点受力分析3.5 框架结构受力分析第四章：混凝土结构的承载力计算4.1 概述4.2 抗拉、抗压承载力计算4.3 抗弯、抗剪承载力计算4.4 疲劳承载力计算4.5 极限状态设计方法第五章：混凝土结构的变形与裂缝控制5.1 混凝土结构的变形控制5.2 混凝土结构的裂缝控制5.3 钢筋的锚固、焊接与连接5.4 混凝土结构的施工缝处理第六章：混凝土结构的稳定性分析6.1 结构稳定性的基本概念6.2 压弯构件的稳定性分析6.3 受拉构件的稳定性分析6.4 钢筋混凝土构件的稳定性分析6.5 稳定性校核与提高稳定性的措施第七章：混凝土结构的抗震设计7.1 抗震设计的基本概念7.2 地震作用及地震反应7.3 抗震设计原则与要求7.4 混凝土结构的抗震设计方法7.5 抗震设计实例分析第八章：混凝土结构的耐久性设计8.1 耐久性的基本概念8.2 混凝土的侵蚀与碳化8.3 钢筋的腐蚀与防护8.4 混凝土结构的耐久性设计方法8.5 耐久性设计实例分析第九章：混凝土结构的设计实例9.1 工业与民用建筑混凝土结构设计实例9.2 桥梁混凝土结构设计实例9.3 港口与水利混凝土结构设计实例9.4 高层建筑混凝土结构设计实例9.5 特殊环境下的混凝土结构设计实例第十章：混凝土结构设计的软件应用10.1 结构设计软件的基本功能10.2 常见结构设计软件介绍10.3 混凝土结构设计软件操作实例10.4 结构设计软件在工程中的应用与优势10.5 结构设计软件的发展趋势与展望重点解析第一章：混凝土结构的基本概念重点：混凝土结构的定义、分类、特点及应用范围。
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混凝土是一种复合材料，具有高度的不均匀性，是多相（气相、液相、固相三者 兼而有之）、多孔的材料
粗集料
泌水形成 的孔隙
细集料 水泥浆 孔隙
4.2 三组分学说（美国P.K.Metha)
从宏观来看，混凝土可看作是由集料颗粒分散在水泥浆 体基体中所组成的两相材料
硬化混凝土的结构组成：水化水泥浆体、骨料、水泥
C4(A, F)H13
C-S-H (C/S=1.5-1.8)
当石膏用完后还有 剩余C3A时
当石膏用完后还有 剩余C4AF时
C3ACSH12 C3(A, F)3CSH32
水化硅酸钙（微晶）
C3AH6
C3A(CS,CH)H12 C3(A, F)(CS,CH)H12 C3(A, F)H6
硅酸盐水泥水化放热曲线
表面 ➢ 随着水化的继续进行，结晶差的C-S-H以及氢氧化钙和钙矾石的2次较
小的晶体填充于由大钙矾石和氢氧化钙晶体所构成的骨架间孔隙内
过渡区强度的决定因素
（1）孔的体积和孔径大小 （2）氢氧化钙晶体的大小和取向层 （3）存在的微裂缝
过渡区强度低与水泥浆本体和水泥浆基体的原因
（1）在水化的早期，过渡区内的孔体积与孔径均比砂浆基体大 （2）大的氢氧化钙晶体粘结力较小，取向层结构为劈裂拉伸破坏提供了有 利的条件 （3）混凝土过渡区微裂缝的存在，是强度低的主要原因。
（4）各种尺度的孔、缝也是一种分散相，分布在各级介质中，因此，也是中心 质。尺度较大的孔对强度等性能不利，也不参加构成网络。因此，对其含量 及尺度应加以控制。
中心质网络化
（1）各种金属增强材料与金属增强材料网片在水泥基材料中形成的 中心质网络骨架
（2）不同尺度、不同性质的钎维增强材料在水泥基材料中形成的大 中心质与次中心质网络
过渡区对混凝土性能的影响
对强度的影响：由于过渡区结构的强度低于水化水泥浆体和骨料相，
使混凝土在承受比水化水泥浆体和骨料强度低很多的荷载作用下而破坏； 在拉伸荷载作用下，微裂缝的扩展比压荷载作用更为迅速，因此，混凝土 的抗拉强度十分显著地低于抗压强度，呈脆性破坏
对刚性和弹性的影响：过渡区在混凝土中起着水泥砂浆基体和粗骨
失水是相对湿度的函数
水泥砂浆的收缩是失水的函数
造成干缩的主要原因是饱和水泥浆体失去吸附水
（3）耐久性
保水的水化水泥浆体在尺寸上是不稳定的，只有在保持相对湿度在100％时， 才不会发生尺寸变化。
渗透性
渗透性的决定因素：固体微结构中孔径大小、连续性
总毛细孔隙率的决定因素
注：C-S-H层与层之间的空间和微细毛细孔的孔隙率对水化水泥浆体的渗透性 没有影响，随着水化程度的提高，尽管C-S-H层间的空间和微细毛细孔体积显著 增大，渗透性却显著降低
（3）聚合物在混凝土中所形成的次中心质网络
（4）无宏观缺陷材料中大量未水化水泥熟料离子间充满的聚合物与 水化反应生成的相互交错的网状物所形成的次中心质与微中心质网 络
（5）聚合物与水泥两相间的化学键合作用形成的两相互穿网络结构 而成为次中心质与微中心质网络以及各种水化产物形成的针、柱状 结晶相互组成的微中心质网络
（1）钙矾石形成期：
硅酸盐水泥水化过程
C3A率先水化，在石膏存在的条件下迅速形成钙矾石。这是导致第一放 热峰的主要因素。
（2）C3S水化期：
C3S开始迅速水化，大量放热，形成第二放热峰。有时会有第三放热峰 或在第二放热峰出现一个“肩峰”。一般认为，肩峰对应于钙矾石向单 硫型水化硫铝酸的反应，但是发热量较小在曲线上反 映较小。
孔、缝对混凝土结构及性能的积极作用
（1）孔、缝既能为水泥的继续水化提供水源及供水通道，又可成为水化产物生长 的场所，从而为混凝土结构及其性能的发展创造条件
（2）由于混凝土中形成了各种中心质的网络骨架，所以荷载、干湿、温度等外界 因素的作用，并非完全反应为外形体积的变化，而可能更多的反应在孔、缝的 变化
在水化水泥浆体中，渗透性和大于100nm孔隙的体积之间有直接关系
4.2.2 骨料相
骨料的容重、强度、粗骨料的形状和织构 与粒径等影响着混凝土的容重、弹性模量、 体积稳定性等 骨料相比混凝土其它两相的强度高，通常 不直接影响普通混凝土的强度，而是间接 影响混凝土的强度。 混凝土所用的粗骨料尺寸越大，长条或扁 平颗粒越多，都会使混凝土强度降低
粗集料颗粒的形状和表面构造
新拌混凝土泌水示意图
混凝土试件在单轴压应力下的 剪切－黏结破坏
粒径较大，针片状的骨料表面易于集聚水膜，产生泌水现象，这些部位骨料－ 水泥浆体间的界面过渡区薄弱，易于形成微裂缝。
4.2.3 过渡区
过渡区：水泥浆体与骨料结合的界面，是围绕大骨料周围的一层
薄壳，此处的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或水泥砂浆的结构 有明显的不同，其厚度一般为10-15um，是混凝土性能中的一个薄弱 环节
层次III 层次II 层次I
骨料、增强材料 熟料、混合材
水
（钢筋、钎维） 水溶性聚合物
粗 粒、 残 渣
大中心质
细 粒 活 水化 性 与 离 离解 解部分
非 胶 体 结合水
胶体
界
面
III
微中心质 微介质
界 面
II
次中心质
次介质
界 面
I
大介质
空气 毛细水
大中心质p
混凝土理想结构模型
（1）各级中心质（分散相）以最佳状态（均布、网络、紧密）分散在各级介质 （连续相）中。在中心质与介质间存在着过渡区的界面，是渐变的非匀质的 过度结构。结构组成的排列顺序为中心质－界面区－介质
次中心质包括：粒度小于10um的水泥熟料离子，属过 渡型组分
微中心质包括：水泥水化后生成的各种晶体，包括I、II 型C-S-H纤维状和网状结晶
大介质是大中心质所分散成的连续相，其中有结构膜层
次介质是次中心质所分散成的 连续相，其中有水化层
微介质是微中心质所分散成的连续相。III、IV型的C-SH、尺寸较小的不规则的离子和结构水及吸附水均可视 为该级的连续相
和数量。如Ca(OH)2中的OH-，C-S-H中的固定结合水，AFt和AFm中的 结晶水都属于这类水。 （2）吸附水：
吸附于毛细孔和凝胶孔表面的水，根据孔径大小的不同产生不同的吸 附作用。孔径细小的凝胶孔表面对其内的水具有强烈的吸附作用，导致 其沸点升高，冰点降低。毛细孔水产生的吸附作用比凝胶孔要小得多。 （3）自由水：
材料的强度由其固相所决定，因此孔隙会对强度产生危害。
水化水泥浆体中毛细孔的体积，决定于水泥和水拌和开始水化时的水量和水化 程度
水灰比和水化程度对强度和渗透性的影响
水灰比与水化程度的结合决定水化水泥浆体的孔隙率。孔隙率和胶－空比均 与材料的强度和渗透性成指数关系。阴影部分表示水化水泥浆体中典型的毛细 孔隙率。
9
单硫型硫铝酸盐水化物六方晶体和 钙矾石针状晶体的扫描电镜照片
水化良好的硅酸盐水泥浆体模型
水泥石中孔
水泥石中为什么会出现孔隙？
孔的分类、孔尺寸及其与水泥石性能之间的关系
孔类别 孔名称
孔直径
孔中水的状态
对水泥石性能的影响
粗 孔 球形大孔 1000～15m 与普通水一样
强度，渗透
毛细孔 凝胶孔
大毛细孔 小毛细孔
混凝土中水泥浆本体和过渡区的示意图
相同点：
➢ 与水泥浆体本体一样，硫酸钙和铝酸钙化合物溶解而产生钙、硫酸根、 氢氧根和铝酸盐离子，他们相互结合，形成钙矾石和和氢氧化钙
异点：
➢ 由于在贴近粗骨料表面的水灰比值高，此处所形成的结晶产物的晶体 也大
➢ 在此界面处所形成的骨架结构中的孔隙比水泥浆本体或砂浆基体多 ➢ 板状氢氧化钙晶体往往导致取向层的形成，以其C轴垂直于粗骨料的
（3）尺寸较小的孔、缝，不但对混凝土的某些性能如强度、在一定水压下的抗渗 性无害，而且对轻质、隔热及抗冻性还有一定的益处
（4）可利用孔、缝网络来改善混凝土的结构，如用聚合物浸渍形成大中心质网络
孔、缝的分类
（1）原生孔缝：是混凝土在制备过程中即已形成并在养护后即已存在的孔缝
（2）次生孔缝：是在混凝土养护结束后，在使用过程中，由于荷载、温度变化、 化学侵蚀等外界因素以及内部的化学与物理化学变化的继续，在已硬化的混凝 土中所产生的新孔缝。
料颗粒间的搭接作用，由于该搭接作用的薄弱，不能很好的传递应力，故 混凝土的刚性较小，特别是在暴露于火或高温环境中，由于微裂缝的扩展 更为激烈，使混凝土的弹性模量比抗压强度降低得更快、更多
对耐久性的影响：由于存在于其中的微裂缝的贯通性，混凝土的抗
渗性比水化水泥浆体的水化砂浆均差。甚至对钢筋的锈蚀也有不良的影响
浆体和骨料间的过渡区
混凝土试件抛光后的断面
4.2.1 水化水泥浆体
硅酸盐水泥石显微结构发展示意图
硅酸盐水泥水化过程及水化产物
C3S 较快
C2S 慢
C3A 极快
石膏
C4AF 快
C3SHx
C2SHy
C-S-H(C/S=1.5)+Ca(OH)2
C4AH13
C3A3CSH32
C3(A, F) 3CSH32
（3）结构形成和发展期：
放热速率很低，体系逐渐处于稳定。随着各种水化产物的增多，填 入原先由水所占据的空间，再逐渐连接，相互交织发展成硬化的水泥浆 体。
水泥硬化体内水化产物大致比例
水泥
水泥硬化体
C3S
C2S C3A C4AF 石膏
C-S-H凝胶 （～70%）
Ca(OH)2 （～20%） AFt, AFm （～10%）
胶粒间孔 微孔 层间孔
10～0.05m 与普通水一样 500～100Å 产生中等表面张力
100～25Å 25～5Å ＜5Å
产生强表面张力 强吸附 结构水
强度，渗透 强度，渗透，收缩
粗集料
泌水形成 的孔隙
细集料 水泥浆 孔隙
4.2 三组分学说（美国P.K.Metha)
从宏观来看，混凝土可看作是由集料颗粒分散在水泥浆 体基体中所组成的两相材料
硬化混凝土的结构组成：水化水泥浆体、骨料、水泥
C4(A, F)H13
C-S-H (C/S=1.5-1.8)
当石膏用完后还有 剩余C3A时
当石膏用完后还有 剩余C4AF时
C3ACSH12 C3(A, F)3CSH32
水化硅酸钙（微晶）
C3AH6
C3A(CS,CH)H12 C3(A, F)(CS,CH)H12 C3(A, F)H6
硅酸盐水泥水化放热曲线
表面 ➢ 随着水化的继续进行，结晶差的C-S-H以及氢氧化钙和钙矾石的2次较
小的晶体填充于由大钙矾石和氢氧化钙晶体所构成的骨架间孔隙内
过渡区强度的决定因素
（1）孔的体积和孔径大小 （2）氢氧化钙晶体的大小和取向层 （3）存在的微裂缝
过渡区强度低与水泥浆本体和水泥浆基体的原因
（1）在水化的早期，过渡区内的孔体积与孔径均比砂浆基体大 （2）大的氢氧化钙晶体粘结力较小，取向层结构为劈裂拉伸破坏提供了有 利的条件 （3）混凝土过渡区微裂缝的存在，是强度低的主要原因。
（4）各种尺度的孔、缝也是一种分散相，分布在各级介质中，因此，也是中心 质。尺度较大的孔对强度等性能不利，也不参加构成网络。因此，对其含量 及尺度应加以控制。
中心质网络化
（1）各种金属增强材料与金属增强材料网片在水泥基材料中形成的 中心质网络骨架
（2）不同尺度、不同性质的钎维增强材料在水泥基材料中形成的大 中心质与次中心质网络
过渡区对混凝土性能的影响
对强度的影响：由于过渡区结构的强度低于水化水泥浆体和骨料相，
使混凝土在承受比水化水泥浆体和骨料强度低很多的荷载作用下而破坏； 在拉伸荷载作用下，微裂缝的扩展比压荷载作用更为迅速，因此，混凝土 的抗拉强度十分显著地低于抗压强度，呈脆性破坏
对刚性和弹性的影响：过渡区在混凝土中起着水泥砂浆基体和粗骨
失水是相对湿度的函数
水泥砂浆的收缩是失水的函数
造成干缩的主要原因是饱和水泥浆体失去吸附水
（3）耐久性
保水的水化水泥浆体在尺寸上是不稳定的，只有在保持相对湿度在100％时， 才不会发生尺寸变化。
渗透性
渗透性的决定因素：固体微结构中孔径大小、连续性
总毛细孔隙率的决定因素
注：C-S-H层与层之间的空间和微细毛细孔的孔隙率对水化水泥浆体的渗透性 没有影响，随着水化程度的提高，尽管C-S-H层间的空间和微细毛细孔体积显著 增大，渗透性却显著降低
（3）聚合物在混凝土中所形成的次中心质网络
（4）无宏观缺陷材料中大量未水化水泥熟料离子间充满的聚合物与 水化反应生成的相互交错的网状物所形成的次中心质与微中心质网 络
（5）聚合物与水泥两相间的化学键合作用形成的两相互穿网络结构 而成为次中心质与微中心质网络以及各种水化产物形成的针、柱状 结晶相互组成的微中心质网络
（1）钙矾石形成期：
硅酸盐水泥水化过程
C3A率先水化，在石膏存在的条件下迅速形成钙矾石。这是导致第一放 热峰的主要因素。
（2）C3S水化期：
C3S开始迅速水化，大量放热，形成第二放热峰。有时会有第三放热峰 或在第二放热峰出现一个“肩峰”。一般认为，肩峰对应于钙矾石向单 硫型水化硫铝酸的反应，但是发热量较小在曲线上反 映较小。
孔、缝对混凝土结构及性能的积极作用
（1）孔、缝既能为水泥的继续水化提供水源及供水通道，又可成为水化产物生长 的场所，从而为混凝土结构及其性能的发展创造条件
（2）由于混凝土中形成了各种中心质的网络骨架，所以荷载、干湿、温度等外界 因素的作用，并非完全反应为外形体积的变化，而可能更多的反应在孔、缝的 变化
在水化水泥浆体中，渗透性和大于100nm孔隙的体积之间有直接关系
4.2.2 骨料相
骨料的容重、强度、粗骨料的形状和织构 与粒径等影响着混凝土的容重、弹性模量、 体积稳定性等 骨料相比混凝土其它两相的强度高，通常 不直接影响普通混凝土的强度，而是间接 影响混凝土的强度。 混凝土所用的粗骨料尺寸越大，长条或扁 平颗粒越多，都会使混凝土强度降低
粗集料颗粒的形状和表面构造
新拌混凝土泌水示意图
混凝土试件在单轴压应力下的 剪切－黏结破坏
粒径较大，针片状的骨料表面易于集聚水膜，产生泌水现象，这些部位骨料－ 水泥浆体间的界面过渡区薄弱，易于形成微裂缝。
4.2.3 过渡区
过渡区：水泥浆体与骨料结合的界面，是围绕大骨料周围的一层
薄壳，此处的硬化水泥浆体的结构与系统中水泥石或水泥砂浆的结构 有明显的不同，其厚度一般为10-15um，是混凝土性能中的一个薄弱 环节
层次III 层次II 层次I
骨料、增强材料 熟料、混合材
水
（钢筋、钎维） 水溶性聚合物
粗 粒、 残 渣
大中心质
细 粒 活 水化 性 与 离 离解 解部分
非 胶 体 结合水
胶体
界
面
III
微中心质 微介质
界 面
II
次中心质
次介质
界 面
I
大介质
空气 毛细水
大中心质p
混凝土理想结构模型
（1）各级中心质（分散相）以最佳状态（均布、网络、紧密）分散在各级介质 （连续相）中。在中心质与介质间存在着过渡区的界面，是渐变的非匀质的 过度结构。结构组成的排列顺序为中心质－界面区－介质
次中心质包括：粒度小于10um的水泥熟料离子，属过 渡型组分
微中心质包括：水泥水化后生成的各种晶体，包括I、II 型C-S-H纤维状和网状结晶
大介质是大中心质所分散成的连续相，其中有结构膜层
次介质是次中心质所分散成的 连续相，其中有水化层
微介质是微中心质所分散成的连续相。III、IV型的C-SH、尺寸较小的不规则的离子和结构水及吸附水均可视 为该级的连续相
和数量。如Ca(OH)2中的OH-，C-S-H中的固定结合水，AFt和AFm中的 结晶水都属于这类水。 （2）吸附水：
吸附于毛细孔和凝胶孔表面的水，根据孔径大小的不同产生不同的吸 附作用。孔径细小的凝胶孔表面对其内的水具有强烈的吸附作用，导致 其沸点升高，冰点降低。毛细孔水产生的吸附作用比凝胶孔要小得多。 （3）自由水：
材料的强度由其固相所决定，因此孔隙会对强度产生危害。
水化水泥浆体中毛细孔的体积，决定于水泥和水拌和开始水化时的水量和水化 程度
水灰比和水化程度对强度和渗透性的影响
水灰比与水化程度的结合决定水化水泥浆体的孔隙率。孔隙率和胶－空比均 与材料的强度和渗透性成指数关系。阴影部分表示水化水泥浆体中典型的毛细 孔隙率。
9
单硫型硫铝酸盐水化物六方晶体和 钙矾石针状晶体的扫描电镜照片
水化良好的硅酸盐水泥浆体模型
水泥石中孔
水泥石中为什么会出现孔隙？
孔的分类、孔尺寸及其与水泥石性能之间的关系
孔类别 孔名称
孔直径
孔中水的状态
对水泥石性能的影响
粗 孔 球形大孔 1000～15m 与普通水一样
强度，渗透
毛细孔 凝胶孔
大毛细孔 小毛细孔
混凝土中水泥浆本体和过渡区的示意图
相同点：
➢ 与水泥浆体本体一样，硫酸钙和铝酸钙化合物溶解而产生钙、硫酸根、 氢氧根和铝酸盐离子，他们相互结合，形成钙矾石和和氢氧化钙
异点：
➢ 由于在贴近粗骨料表面的水灰比值高，此处所形成的结晶产物的晶体 也大
➢ 在此界面处所形成的骨架结构中的孔隙比水泥浆本体或砂浆基体多 ➢ 板状氢氧化钙晶体往往导致取向层的形成，以其C轴垂直于粗骨料的
（3）尺寸较小的孔、缝，不但对混凝土的某些性能如强度、在一定水压下的抗渗 性无害，而且对轻质、隔热及抗冻性还有一定的益处
（4）可利用孔、缝网络来改善混凝土的结构，如用聚合物浸渍形成大中心质网络
孔、缝的分类
（1）原生孔缝：是混凝土在制备过程中即已形成并在养护后即已存在的孔缝
（2）次生孔缝：是在混凝土养护结束后，在使用过程中，由于荷载、温度变化、 化学侵蚀等外界因素以及内部的化学与物理化学变化的继续，在已硬化的混凝 土中所产生的新孔缝。
料颗粒间的搭接作用，由于该搭接作用的薄弱，不能很好的传递应力，故 混凝土的刚性较小，特别是在暴露于火或高温环境中，由于微裂缝的扩展 更为激烈，使混凝土的弹性模量比抗压强度降低得更快、更多
对耐久性的影响：由于存在于其中的微裂缝的贯通性，混凝土的抗
渗性比水化水泥浆体的水化砂浆均差。甚至对钢筋的锈蚀也有不良的影响
浆体和骨料间的过渡区
混凝土试件抛光后的断面
4.2.1 水化水泥浆体
硅酸盐水泥石显微结构发展示意图
硅酸盐水泥水化过程及水化产物
C3S 较快
C2S 慢
C3A 极快
石膏
C4AF 快
C3SHx
C2SHy
C-S-H(C/S=1.5)+Ca(OH)2
C4AH13
C3A3CSH32
C3(A, F) 3CSH32
（3）结构形成和发展期：
放热速率很低，体系逐渐处于稳定。随着各种水化产物的增多，填 入原先由水所占据的空间，再逐渐连接，相互交织发展成硬化的水泥浆 体。
水泥硬化体内水化产物大致比例
水泥
水泥硬化体
C3S
C2S C3A C4AF 石膏
C-S-H凝胶 （～70%）
Ca(OH)2 （～20%） AFt, AFm （～10%）
胶粒间孔 微孔 层间孔
10～0.05m 与普通水一样 500～100Å 产生中等表面张力
100～25Å 25～5Å ＜5Å
产生强表面张力 强吸附 结构水
强度，渗透 强度，渗透，收缩