2.1.3混凝土及组成材料的性能与应用

1.建筑钢材的主要钢种
1）钢材按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢根据含碳量，又可以分为低碳钢（含碳量小于 0.25%）、中碳钢（含碳量 0.25%～0.6%）和高碳钢（含碳量大于 0.6%）。按合金元素的总含量合金钢又可分为低合金钢（总含量小于 5%）、中合金钢（总含量 5%～10%）和高合金钢（总含量大于 10%）。
2）根据钢中有害杂质硫、磷的多少，工业用钢可分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。
3）建筑钢材的主要钢种有碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
4）优质碳素结构钢钢材按冶金质量等级分为优质钢、高级优质钢（牌号后加“A”）和特级优质钢（牌号后加“E”）。优质碳素结构钢一般用于生产预应力混凝土用钢丝、钢绞线、锚具，以及高强度螺栓、重要结构的钢铸件等。

5）低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。

2.常用的建筑钢材

1）钢结构用钢
（2）钢结构常用的热轧型钢有：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等。
• 型钢是钢结构中采用的主要钢材。
（3） 钢板分：厚板（厚度＞4mm）和薄板（厚度≤4mm）两种。
• 厚板：主要用于结构
• 薄板：主要用于屋面板、楼板和墙板等
3）钢筋混凝土结构用钢
热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一。
常用热轧钢筋的品种及强度标准值

注：HPB属于热轧光圆钢筋，HRB属于普通热轧钢筋，HRBF属于细晶粒热轧钢筋。

国家标准还规定，热轧带肋钢筋应在其表面轧上牌号标志、生产企业序号（许可证后3位数字）和公称直径毫米数字，还可轧上经注册的厂名（或商标）。

3.建筑钢材的性能
力学性能包括拉伸性能、冲击性能、疲劳性能等。
工艺性能包括弯曲性能、焊接性能。
(1)拉伸性能
建筑钢材拉伸性能指标:屈服强度、抗拉强度、伸长率。
屈服强度是结构设计中钢材强度的取值依据。
抗拉强度与屈服强度之比(强屈比)是评价钢材使用可靠性的一个参数。强屈比越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但强屈比太大，钢材强度利用率偏低，浪费材料。工程应用中，钢材的塑性指标通常用伸长率表示。伸长率越大，说明钢材的塑性越大。
(2)冲击性能

钢的冲击性能受温度的影响较大，冲击性能随温度的下降而减小;当降到一定温度范围时，冲击值急,剧下降，从而使钢材出现脆性断裂，这种性质称为钢的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。脆性临界温度的数值愈低，钢材的低温冲击性能煎好。所以在负温下使用的结构，应选用脆性临界温度较使用温度为低的钢材。
(3)疲劳性能
钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关，一般抗拉强度高，其疲劳极限也较高。

4.钢材化学成分及其对钢材性能的影响

1）碳：碳是决定钢材性能的最重要元素。建筑钢材的含碳量不大于 0.8%，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。含碳量超过 0.3% 时钢材的可焊性显著降低。碳还增加钢材的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。
2）硅：当含量小于1%时，可提高钢材强度，对塑性和韧性影响不明显。硅是我国钢筋用钢材中的主要添加元素。
3）锰：锰能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性能改善，同时也可提高钢材强度。
4）磷：磷是碳素钢中很有害的元素之一。磷含量增加，钢材的强度、硬度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度越低，对塑性和韧性的影响越大，从而显著加大钢材的冷脆性，也使钢材可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。
5）硫：硫也是很有害的元素，呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，降低钢材的各种机械性能。硫化物所造成的低熔点使钢材在焊接时易产生热裂纹，形成热脆现象，称为热脆性。硫使钢的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。
6）氧：氧是钢中有害元素，会降低钢材的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢材的可焊性变差。
7）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，会使钢材强度提高，塑性特别是韧性显著下降。
【总结】钢材化学成分及对钢材性能的影响：
（1）有害元素：磷、硫、氧。
（2）可降低钢材可焊性的有：有害元素（磷、硫、氧）+碳。
（3）含量增加时，可增加钢材的冷脆性的有：碳、磷。
（4）含量增加时，可增加钢材的热脆性的有：硫、氧。
（5）碳、氮、磷：使钢材强度提高，但使钢材塑性和韧性下降。

1.水泥的分类

2.常用水泥的技术要求
（1）凝结时间。水泥凝结时间分初凝时间和终凝时间。
初凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。国家标准规定，六大常用水泥的初凝时间不得太短，均不得短于45min；终凝时间不得太长，硅酸盐水泥的终凝时间不得长于6.5h，其他五类常用水泥的终凝时间不得长于10h。
（2）体积安定性。水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。水泥的体积安定性不良，会使混凝土构件产生膨胀性裂缝。
（3）强度及强度等级。

国家标准规定，采用胶砂法来测定水泥的3d和28d的抗压强度和抗折强度，根据测定结果来确定该水泥的强度等级。
（4）其他技术要求。
其他技术要求包括标准稠度用水量、水泥的细度及化学指标。
• 水泥的细度：属于选择性指标。
• 通用硅酸盐水泥的化学指标：有不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁、氯离子和碱含量。

3.常用水泥的特性及应用：

4.常用的水泥包装及标志：

水泥可以散装或袋装，袋装水泥每袋净含量为 50kg。

1.块体的种类与强度等级

块体的种类分为砖、砌块。
其中砖分为烧结砖、蒸压砖、混凝土砖。
烧结砖含普通砖、多孔砖、空心砖。

2.砂浆的种类与强度等级

强度、流动性和保水性是衡量砂浆质量的三大指标。
1）砂浆的种类【23单】

2）砂浆的强度等级

砌筑砂浆宜选用预拌砂浆。当在现场拌制时，应按砌筑砂浆设计配合比配制。
• 对非烧结类块材，宜采用配套的专用砂浆。
• 不同种类的砌筑砂浆不得混合使用。【新增】

3.砌体结构的材料及应用

砌体结构的环境类别分为5类。
（1）地面以下或防潮层以下的砌体、潮湿房间的墙，所用材料的最低强度等级应符合：地面以下或防潮层以下的砌体、潮湿房间的墙所用材料的最低强度等级

注：对安全等级为一级或设计使用年限大于50年的房屋，表中材料强度等级应至少提高一级。

（2）处于环境3~5类，有侵蚀性介质的砌体材料应符合下列规定：
①不应采用蒸压灰砂普通砖、蒸压粉煤灰普通砖。
②应采用实心砖（烧结砖、混凝土砖）：砖的强度等级不应低于MU20，水泥砂浆的强度等级不应低于M10。
③混凝土砌块：强度等级不应低于MU15，灌孔混凝土的强度等级不应低于Cb30，砂浆的强度等级不应低于Mb10。
④应根据环境条件对砌体材料的抗冻指标和耐酸、耐碱性能提出要求，或符合有关规范的规定。

1.建筑钢材的主要钢种
1）钢材按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢根据含碳量，又可以分为低碳钢（含碳量小于 0.25%）、中碳钢（含碳量 0.25%～0.6%）和高碳钢（含碳量大于 0.6%）。按合金元素的总含量合金钢又可分为低合金钢（总含量小于 5%）、中合金钢（总含量 5%～10%）和高合金钢（总含量大于 10%）。
2）根据钢中有害杂质硫、磷的多少，工业用钢可分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。
3）建筑钢材的主要钢种有碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
4）优质碳素结构钢钢材按冶金质量等级分为优质钢、高级优质钢（牌号后加“A”）和特级优质钢（牌号后加“E”）。优质碳素结构钢一般用于生产预应力混凝土用钢丝、钢绞线、锚具，以及高强度螺栓、重要结构的钢铸件等。

5）低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。

1）钢结构用钢
（2）钢结构常用的热轧型钢有：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等。
• 型钢是钢结构中采用的主要钢材。
（3） 钢板分：厚板（厚度＞4mm）和薄板（厚度≤4mm）两种。
• 厚板：主要用于结构
• 薄板：主要用于屋面板、楼板和墙板等
3）钢筋混凝土结构用钢
热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一。
常用热轧钢筋的品种及强度标准值

注：HPB属于热轧光圆钢筋，HRB属于普通热轧钢筋，HRBF属于细晶粒热轧钢筋。

国家标准还规定，热轧带肋钢筋应在其表面轧上牌号标志、生产企业序号（许可证后3位数字）和公称直径毫米数字，还可轧上经注册的厂名（或商标）。

3.建筑钢材的性能
力学性能包括拉伸性能、冲击性能、疲劳性能等。
工艺性能包括弯曲性能、焊接性能。
(1)拉伸性能
建筑钢材拉伸性能指标:屈服强度、抗拉强度、伸长率。
屈服强度是结构设计中钢材强度的取值依据。
抗拉强度与屈服强度之比(强屈比)是评价钢材使用可靠性的一个参数。强屈比越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但强屈比太大，钢材强度利用率偏低，浪费材料。工程应用中，钢材的塑性指标通常用伸长率表示。伸长率越大，说明钢材的塑性越大。
(2)冲击性能

钢的冲击性能受温度的影响较大，冲击性能随温度的下降而减小;当降到一定温度范围时，冲击值急,剧下降，从而使钢材出现脆性断裂，这种性质称为钢的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。脆性临界温度的数值愈低，钢材的低温冲击性能煎好。所以在负温下使用的结构，应选用脆性临界温度较使用温度为低的钢材。
(3)疲劳性能
钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关，一般抗拉强度高，其疲劳极限也较高。

4.钢材化学成分及其对钢材性能的影响

1）碳：碳是决定钢材性能的最重要元素。建筑钢材的含碳量不大于 0.8%，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。含碳量超过 0.3% 时钢材的可焊性显著降低。碳还增加钢材的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。
2）硅：当含量小于1%时，可提高钢材强度，对塑性和韧性影响不明显。硅是我国钢筋用钢材中的主要添加元素。
3）锰：锰能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性能改善，同时也可提高钢材强度。
4）磷：磷是碳素钢中很有害的元素之一。磷含量增加，钢材的强度、硬度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度越低，对塑性和韧性的影响越大，从而显著加大钢材的冷脆性，也使钢材可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。
5）硫：硫也是很有害的元素，呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，降低钢材的各种机械性能。硫化物所造成的低熔点使钢材在焊接时易产生热裂纹，形成热脆现象，称为热脆性。硫使钢的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。
6）氧：氧是钢中有害元素，会降低钢材的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢材的可焊性变差。
7）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，会使钢材强度提高，塑性特别是韧性显著下降。
【总结】钢材化学成分及对钢材性能的影响：
（1）有害元素：磷、硫、氧。
（2）可降低钢材可焊性的有：有害元素（磷、硫、氧）+碳。
（3）含量增加时，可增加钢材的冷脆性的有：碳、磷。
（4）含量增加时，可增加钢材的热脆性的有：硫、氧。
（5）碳、氮、磷：使钢材强度提高，但使钢材塑性和韧性下降。

2.常用水泥的技术要求
（1）凝结时间。水泥凝结时间分初凝时间和终凝时间。
初凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是从水泥加水拌合起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。国家标准规定，六大常用水泥的初凝时间不得太短，均不得短于45min；终凝时间不得太长，硅酸盐水泥的终凝时间不得长于6.5h，其他五类常用水泥的终凝时间不得长于10h。
（2）体积安定性。水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。水泥的体积安定性不良，会使混凝土构件产生膨胀性裂缝。
（3）强度及强度等级。

国家标准规定，采用胶砂法来测定水泥的3d和28d的抗压强度和抗折强度，根据测定结果来确定该水泥的强度等级。
（4）其他技术要求。
其他技术要求包括标准稠度用水量、水泥的细度及化学指标。
• 水泥的细度：属于选择性指标。
• 通用硅酸盐水泥的化学指标：有不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁、氯离子和碱含量。

常用水泥的特性及应用：

常用的水泥包装及标志：

水泥可以散装或袋装，袋装水泥每袋净含量为 50kg。

混凝土组成材料的技术要求：

1）水泥。

水泥强度等级选择，应与混凝土的设计强度等级相适应。一般以水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5～2.0 倍为宜，对于高强度等级混凝土可取 0.9～1.5 倍。用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土时，会使水泥用量过大、不经济，而且还会影响混凝土的其他技术性质。用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度，导致该混凝土耐久性差，故必须这么做时应掺入一定数量的混合材料。

2）细骨料。

公称粒径在 4.75mm 以下骨料称为细骨料，在普通混凝土中指的是砂。颗粒级配及粗细程度。在相同质量条件下，细砂的总表面积较大，而粗砂的总表面积较小。在混凝土中，砂子的表面需要由水泥浆包裹，砂粒之间的空隙需要由水泥浆填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，应尽量减少砂的总表面积和砂粒间的空隙，即选用级配良好的粗砂或中砂比较好。砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。细度模数越大，表示砂越粗，按细度模数砂分为粗砂、中砂、细砂、特细砂四级。

3）粗骨料。

粒径大于 4.75mm 的岩石颗粒称为粗骨料。粗骨料中公称粒级的上限称为最大粒径。当骨料粒径增大时，其比表面积减小，混凝土的水泥用量也减少，故在满足技术要求的前提下，粗骨料的最大粒径应尽量选大一些。
（1）在钢筋混凝土结构（如柱、梁）工程中，粗骨料最大粒径不得超过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。
（2）对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达 1/3 板厚的骨料，但最大粒径不得超过 40mm。
（3）对于采用泵送的混凝土，碎石的最大粒径应不大于输送管径的 1/3，卵石最大粒径应不大于输送管径的 1/2.5。

4）水
混凝土拌合用水水质检验项目包括pH值、Cl-、SO4²-、碱含量、不溶物、可溶物、水泥凝结时间和水泥胶砂强度。【已删除】
养护用水的水质检验项目包括pH值、Cl-、SO4²-、碱含量（采用碱活性骨料时检验），可不检验不溶物、可溶物、水泥凝结时间和水泥胶砂强度。

5）矿物掺合料
混凝土掺合料分为活性矿物掺合料和非活性矿物掺合料。非活性矿物掺合料基本不与水泥组分起反应，如磨细石英砂、石灰石、硬矿渣等材料。（2个石）活性矿物掺合料，如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉。（粉、灰、1个石）粉煤灰来源广泛，是当前用量最大、使用范围最广的矿物掺合料。

混凝土的技术性能：

1、混凝土拌合物的和易性【施工过程中】
和易性又称工作性。包括流动性、黏聚性、保水性三方面的含义。用坍落度试验来测定混凝土拌合物坍落度或坍落扩展度，作为流动性指标，坍落度或坍落扩展度越大表示流动性越大。
对坍落度值小于10mm的干硬性混凝土拌合物，用维勃稠度试验测定其稠度作为流动性指标，稠度值越大表示流动性越小。
影响混凝土拌合物和易性的主要因素包括单位体积用水量、砂率、组成材料的性质、时间和温度等。
单位体积用水量决定水泥浆的数量和稠度，它是影响混凝土和易性的最主要因素。
砂率是指混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。
组成材料的性质包括水泥的需水量和泌水性、骨料的特性、外加剂和掺合料的特性等几方面。

2、混凝土的强度
（1）混凝土立方体抗压强度。详见教材或讲义。
（2）混凝土的轴心抗压强度。详见教材或讲义。
（3）混凝土的抗拉强度
混凝土抗拉强度只有抗压强度的1/20~1/10，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粘结强度等。
（4）影响混凝土强度的因素
影响混凝土强度的因素主要有原材料、生产工艺方面的因素。
原材料方面的因素包括：水泥强度与水胶比，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，养护的温度和湿度，龄期。

3、混凝土的变形性能

混凝土的变形主要分为两大类：非荷载型变形和荷载型变形。

4、混凝土的耐久性【建筑物使用过程中】
混凝土的耐久性是指混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好使用性能和外观完整性的能力。它是一个综合性概念，包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱骨料反应及混凝土中的钢筋锈蚀等性能。

1、外加剂的分类
（1）改善混凝土拌合物流动性的外加剂。包括各种减水剂、引气剂、泵送剂等。【水、空气会流动】
（2）调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括缓凝剂、早强剂、速凝剂等。
（3）改善混凝土耐久性的外加剂。包括防水剂、引气剂、阻锈剂等。【有水气、易生锈】
2、外加剂的应用
（1）减水剂。
混凝土中掺入减水剂，若不减少拌合用水量，能显著提高拌合物的流动性；当减水而不减少水泥时，可提高混凝土强度；若减水的同时适当减少水泥用量，则可节约水泥，同时，混凝土的耐久性也能得到显著改善。
（2）早强剂。可加速混凝土硬化和早期强度发展，缩短养护周期，加快施工进度，提高模板周转率。多用于冬期施工或紧急抢修工程。
（3）缓凝剂。主要用于高温季节混凝土、大体积混凝土、泵送与滑模方法施工以及远距离运输的商品混凝土等，不宜用于日最低气温5℃以下施工的混凝土，不宜用于有早强要求的混凝土和蒸汽养护的混凝土。
（4）引气剂。引气剂可改善混凝土拌合物和易性，减少泌水离析，并能提高混凝土的抗渗性和抗冻性。同时，含气量增加，混凝土弹性模量降低，对提高混凝土的抗裂性有利。由于大量微气泡的存在，混凝土的抗压强度会有所降低。
(5）防冻剂。
含亚硝酸盐、碳酸盐防冻剂严禁用于预应力混凝土结构；（含有氯化物的外加剂也不可以）含有六价铬盐、亚硝酸盐等有害成分的防冻剂，严禁用于饮水工程及与食品相接触的工程；含有硝铵、尿素等产生刺激性气味的防冻剂，严禁用于办公、居住等建筑工程。

块体的种类分为砖、砌块。
其中砖分为烧结砖、蒸压砖、混凝土砖。
烧结砖含普通砖、多孔砖、空心砖。

强度、流动性和保水性是衡量砂浆质量的三大指标。
1）砂浆的种类【23单】

2）砂浆的强度等级

砌筑砂浆宜选用预拌砂浆。当在现场拌制时，应按砌筑砂浆设计配合比配制。
• 对非烧结类块材，宜采用配套的专用砂浆。
• 不同种类的砌筑砂浆不得混合使用。【新增】

砌体结构的环境类别分为5类。
（1）地面以下或防潮层以下的砌体、潮湿房间的墙，所用材料的最低强度等级应符合：地面以下或防潮层以下的砌体、潮湿房间的墙所用材料的最低强度等级

注：对安全等级为一级或设计使用年限大于50年的房屋，表中材料强度等级应至少提高一级。

（2）处于环境3~5类，有侵蚀性介质的砌体材料应符合下列规定：
①不应采用蒸压灰砂普通砖、蒸压粉煤灰普通砖。
②应采用实心砖（烧结砖、混凝土砖）：砖的强度等级不应低于MU20，水泥砂浆的强度等级不应低于M10。
③混凝土砌块：强度等级不应低于MU15，灌孔混凝土的强度等级不应低于Cb30，砂浆的强度等级不应低于Mb10。
④应根据环境条件对砌体材料的抗冻指标和耐酸、耐碱性能提出要求，或符合有关规范的规定。