混凝土的组成材料

普通混凝土（简称混凝土）的组成材料主要有水泥、砂、石、水，为改善混凝土的性能，通常还加入外加剂和矿物掺合料。砂、石在混凝土中起骨架作用；水泥和水形成水泥浆包裹在集料表面并填充集料之间的空隙，在混凝土硬化之前起润滑作用，赋予混凝土拌合物流动性，以便于施工，硬化后又起胶结作用，使混凝土具有强度；外加剂起改性作用；矿物掺合料起胶结、改性和降低成本的作用。

组成材料的性质很大程度上决定和影响着混凝土的性能。了解组成材料的性质、作用和质量要求，是合理选择和正确使用原材料、保证混凝土性能和质量的前提条件。

4．2．1 水泥

水泥主要是用于配制混凝土。第3章对水泥技术性质进行了详细讲述，下面主要介绍配制混凝土时选择水泥品种和强度等级的基本原则。

1）水泥品种的选择

配制混凝土，应根据工程性质、结构部位、施工条件和环境状况等，选择恰当的水泥品种（具体可参照表3．7选用）。

2）水泥强度等级的选择

水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。原则上，配制高强度等级混凝土，宜选用高强度等级水泥；配制低强度等级混凝土，宜选用低强度等级水泥。一般来说，强度等级32．5的水泥，适宜于配制强度等级C15～C30的混凝土；强度等级42．5的水泥，适宜于配制强度等级C35～C50的混凝土；强度等级52．5的水泥，适宜于配制强度等级C45～C55的混凝土，可配制强度等级C50～C60的混凝土；强度等级62．5的水泥，适宜于配制强度等级C60～C80的混凝土。

如果配制混凝土的水泥强度等级偏低，会使水泥用量过大，不经济，而且会影响混凝土的其他技术性质。如果配制混凝土的水泥强度等级偏高，则水泥用量偏少，影响混凝土和易性和密实度，导致混凝土耐久性差。如果必须用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土，可通过掺入适量掺合料改善混凝土和易性，来提高混凝土密实度。

4．2．2 细集料——砂

粒径小于4．75mm的集料称为砂，按来源分为天然砂和机制砂。天然砂是自然生成的、经人工开采和筛分的粒径小于4．75mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂、淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒；机制砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4．75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒，俗称人工砂。由天然砂与人工砂按一定比例组合而成的砂，称为混合砂。

在《建筑用砂》（GB／T14684—2011）、《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）中，砂的技术要求有粗细程度、颗粒级配、含泥量、石粉含量、泥块含量、有害物质含量、坚固性、表观密度、松散堆积密度、空隙率、碱集料反应、含水率和饱和面干吸水率。

在工程中，关注较多的是砂的粗细程度、颗粒级配和含水率。砂的粗细程度和颗粒级配，常用筛分析的方法进行测定，用细度模数表示砂的粗细，用级配区表示砂的级配。筛分析是用一套孔径为4．75mm，2．36mm，1．18mm，0．600mm，0．300mm，0．150mm的标准筛，将500g干砂由粗到细依次过筛，称量各筛上的筛余量，计算各筛上的分计筛余率ai，再计算累计筛余率Ai。分计筛余率和累积筛余率的计算关系见表4．1。

表4．1 分计筛余率与累积筛余率计算关系

1）粗细程度

砂的粗细程度用细度模数Mx表示。细度模数根据式（4．1）进行计算，精确至0．01。

式中 Mx——细度模数；

A1，A2，A3，A4，A5，A6——4．75mm、2．36mm、1．18mm、0．600mm、0．300mm、0．150mm筛的累计筛余百分率。

累计筛余百分率取两次试验结果的算术平均值，精确至1％。细度模数取两次试验结果的算术平均值，精确至0．1；如两次试验的细度模数之差超过0．20时，应重新试验。

砂按细度模数分为粗、中、细和特细4种规格，细度模数3．7～3．1为粗砂，3．0～2．3为中砂，2．2～1．6为细砂，1．5～0．7为特细砂。

2）颗粒级配

砂的颗粒级配用级配区表示，砂的颗粒级配应符合表4．2的规定。

表4．2 砂的颗粒级配

砂的颗粒级配根据累计筛余百分率，分成1区、2区和3区这3个级配区，见表4．2。级配良好的粗砂应落在1区，级配良好的中砂应落在2区，级配良好的细砂应落在3区。实际使用的砂颗粒级配可能不完全符合要求，砂的实际颗粒级配除4．75mm和600μm筛外，可以略有超出，但各级累计筛余超出值总和应不大于5％。当某一筛档累计筛余率超出5％以上时，说明砂级配很差，视作不合格。

当用砂量相同时，细砂的比表面积较大，而粗砂的比表面积较小。在配制混凝土时，砂的总比表面积越大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆越多，当混凝土拌合物和易性要求一定时，显然用较粗的砂拌制比起较细的砂所需的水泥浆量较少。但如果砂过粗，易使混凝土拌合物产生离析和泌水现象，影响混凝土和易性。因此，不宜选用过粗和过细的砂，配制混凝土时优先选用2区中砂。

3）含水率

砂子的含水率是指砂子中自由水质量占烘干后砂子质量的百分比，通常在混凝土的实验室配合比换算成施工配合比时采用。

4．2．3 粗集料——石

粒径大于4．75mm的集料称为粗集料——石，建筑用石分为卵石和碎石。卵石，是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的，粒径大于4．75mm的岩石颗粒；碎石，是天然岩石、卵石或矿山废石经机械破碎、筛分制成的，粒径大于4．75mm的岩石颗粒。

在《建筑用卵石、碎石》（GB／T14685—2011）和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）中，建筑用石的技术要求有颗粒级配、含泥量和泥块含量、针片状颗粒含量、有害物质、坚固性、强度、表观密度、连续级配松散堆积空隙率、吸水率、碱集料反应、含水率和堆积密度。在工程中，关注较多的是颗粒级配、最大粒径和含水率。

1）颗粒级配及最大粒径

粗集料的颗粒级配，常用筛分析的方法进行测定。筛分析是用一套孔径为2．36，4．75，9． 50，16．0，19．0，26．5，31．5，37．5，53．0，63．0，75．0，90．0mm的标准筛，将一定量（据最大粒径不同，取1．9～16kg）烘干后的石子由粗到细依次过筛，称量各筛上的筛余量（精确至1g），计算各筛上的分计筛余率ai（精确至0．1％），再计算累计筛余率Ai（精确至1％）。

卵石和碎石的颗粒级配应符合表4．3的规定。

表4．3 碎石和卵石的颗粒级配

建筑用卵石、碎石颗粒级配分连续粒级和单粒粒级。采用连续粒级的颗粒级配较好，拌制的混凝土和易性好，不易离析。单粒粒级的颗粒级配较差，拌制的混凝土和易性较差，容易离析，不易振捣密实。

粗集料最大粒径是指混凝土所用粗集料的公称粒级上限，也称为最大粒径。集料粒径越大，其表面积越小，通常空隙率也相应减小，因此所需的水泥浆或砂浆数量也相应减少，有利于节约水泥、降低成本，并改善混凝土性能。所以在条件许可的情况下，应尽量选用较大粒径的集料。但在实际工程上，集料最大粒径受到以下条件的限制：

①最大粒径不得大于构件最小截面尺寸的1／4，同时不得大于钢筋净距的3／4。

②对于混凝土实心板，最大粒径不宜超过板厚的1／3，且不得大于40mm。

③对于泵送混凝土，当泵送高度在50m以下时，最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1∶3；卵石不宜大于1∶2．5。

④对大体积混凝土（如混凝土坝或围堤）或疏筋混凝土，往往受到搅拌设备和运输、成型设备条件的限制。有时为了节省水泥，降低收缩，可在大体积混凝土中抛入大块石（或称毛石），常称作抛石混凝土。

2）含水率

石子的含水率是指石子中自由水质量占烘干后石子质量的百分比，通常在混凝土的实验室配合比换算成施工配合比时采用。

4．2．4 水

混凝土用水是混凝土拌合用水和养护用水的总称，包括饮用水、地表水、地下水、再生水、海水等。混凝土拌合用水的水质要求应符合表4．4的规定。

表4．4 混凝土拌合用水水质要求

混凝土用水采用饮用水时，其相应技术指标一般能满足表4．4的要求。如果采用工业废水、海水等，则需按《混凝土用水标准》（JGJ63—2006）进行检测，达到相应要求后方可用于拌制混凝土。

4．2．5 矿物掺合料

矿物掺合料是指以氧化硅、氧化铝为主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥，改善混凝土性能，且掺量不小于5％的天然或人工的粉状矿物材料。

掺合料可分为活性掺合料和非活性掺合料。活性矿物掺合料本身不硬化或者硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的氢氧化钙反应，生成具有胶凝能力的水化产物；非活性矿物掺合料基本不与水泥组分反应。常用的混凝土掺合料有粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰类物质，尤其是粉煤灰、超细粒化矿渣、硅灰等应用效果良好。

1）粉煤灰

粉煤灰，即电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末，是燃煤电厂排出的主要固体废弃物。粉煤灰以活性Si O2、Al2O3为主要化学成分，含有少量f-Ca O，是一种具有潜在火山灰活性的掺合料。粉煤灰分为3个等级：Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，具体技术指标见表4．5。除此之外，粉煤灰的放射性、碱含量、均匀性应满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB／T1596—2005）的要求。

表4．5 粉煤灰质量等级和技术指标

续表

注：F类粉煤灰——由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰。

C类粉煤灰——由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10％。

配制强度等级为C60及以上等级的混凝土，宜采用Ⅰ级粉煤灰；配制强度等级为C30～C60的混凝土，宜采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰；Ⅲ级粉煤灰主要用于无筋混凝土，不宜用于钢筋混凝土。

粉煤灰作为混凝土掺合料，主要效果是节约水泥和改善混凝土的性能，掺量宜为取代胶凝材料总量的20％～50％。粉煤灰可用于配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗混凝土、抗硫酸盐和抗软水侵蚀混凝土、蒸养混凝土、轻集料混凝土、地下工程和水下工程混凝土、碾压混凝土等。

粉煤灰除了作为混凝土和砂浆的掺合料，还可用于道路路基工程、生态回填、改善农业土壤、烟气脱硫和污水处理等。

2）粒化高炉矿渣

粒化高炉矿渣，是在高炉冶炼生铁时所得的以硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经冷淬成粒后，具有潜在水硬性材料。以粒化高炉矿渣为主要原料，可掺加少量石膏磨制成一定细度的粉体，称作粒化高炉矿渣粉，简称矿渣粉。用于拌制混凝土和砂浆的矿渣粉分为3个级别：S105级、S95级和S75级，具体技术要求见表4．6。矿渣粉的相应技术指标及检测方法应满足《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB／T18046—2008）的要求。

表4．6 拌制混凝土和砂浆用矿渣粉技术要求

续表

其中，粒化高炉矿渣粉活性指数是指掺加矿渣粉的试验样品与同龄期对比样品的抗压强度百分比，是矿渣粉的关键技术指标。

掺加矿渣粉，可以减少混凝土的水泥用量，节约混凝土成本；改善混凝土微观结构，使混凝土硬化体孔隙率明显下降；强化集料界面的黏结力，提高混凝土的抗渗性、耐久性等物理力学性能；降低水化热，抑制碱集料反应和提高长期强度等。矿渣粉可用于钢筋混凝土和预应力混凝土工程，大掺量矿渣粉混凝土特别适用于大体积混凝土、地下和水下混凝土、耐硫酸混凝土等，还可用于高强混凝土、高性能混凝土和预拌混凝土等。

3）硅灰

硅灰，是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料。用于拌制混凝土和砂浆的硅灰应符合表4．7中的技术指标要求，其相应技术指标检测方法应满足《砂浆和混凝土用硅灰》（GB／T27690—2011）的要求。

表4．7 硅灰的技术要求

续表

注：①硅灰浆折算为固体含量按此表进行检验。

②抑制碱集料反应性和抗氯离子渗透性为选择性试验项目，由供需双方协商决定。

硅灰具有火山灰活性和微集料填充效应，能够填充水泥颗粒间的空隙，同时与水化产物生成凝胶体，也可与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。硅灰能够显著提高混凝土强度，提高抗渗性、抗冻性和耐化学腐蚀性，也能抑制碱集料反应，还可以增强混凝土的耐磨性能和抗冲击性能。

硅灰的比表面积为15000～25000m2／kg，远远大于水泥、粉煤灰和矿渣粉等胶凝组分。掺加硅灰后，混凝土拌和需水量增大，自收缩增大，一般将混凝土中硅灰的掺量控制在5％～10％。由于硅灰对混凝土流动性影响显著，因此，掺加硅灰的混凝土应采用高性能减水剂。

硅灰主要用于制备高强混凝土、结构修复混凝土、管道、水坝等特殊工程中。当混凝土用于氯盐污染侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿度等恶劣环境时，掺入硅灰可显著提高混凝土耐久性。

4．2．6 外加剂

混凝土外加剂是一种在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料，简称外加剂。除膨胀剂外，外加剂掺量一般不大于胶凝材料质量的5％。外加剂能有效改善混凝土某项或多项性能，如改善混凝土的和易性、强度、耐久性或调节凝结时间及节约水泥。外加剂是混凝土除水泥、水、砂子、石子以外的第五种组成材料，应用越来越广泛，它的应用促进了混凝土工程技术的飞速进步，也获得了十分显著的技术经济效益。外加剂的应用使混凝土结构成为最主要的建筑结构形式，也使得高强高性能混凝土的生产和应用成为现实。此外，外加剂的应用还解决了许多工程技术难题，如远距离运输和高耸建筑物的泵送问题，紧急抢修工程的早强速凝问题，大体积混凝土的水化热问题，超长结构的收缩补偿问题，地下建筑物的防渗漏问题，等等。

混凝土外加剂按其主要功能分为4类：改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，包括各种减水剂和泵送剂等；调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等；改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂、阻锈剂和矿物外加剂等；改善混凝土其他性能的外加剂，包括膨胀剂、防冻剂、着色剂等。

外加剂掺量应以外加剂质量占混凝土中胶凝材料总质量的百分数表示。外加剂掺量在参考生产厂家的推荐掺量基础上，采用工程实际使用的原材料和配合比，经试验后确定。当混凝土其他原材料或使用环境发生变化时，外加剂掺量可进行调整。

外加剂有粉状的和液体状的，简称粉剂和水剂。一般宜采用水剂，使用时应将水剂中的水量从拌和水中扣除，水剂应防晒和防冻，有沉淀、异味、漂浮等现象时，应进行搅拌等相应处理和检验，合格后再使用。使用粉剂时，应适当延长混凝土搅拌时间，使其分散均匀，且应注意防潮。

掺外加剂混凝土的性能应符合表4．8的要求。工程中常用外加剂主要有减水剂、缓凝剂和泵送剂。混凝土中掺外加剂应符合《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119—2013）、《混凝土外加剂》（GB8076—2008）和《混凝土外加剂定义、分类、命名与术语》（GB8075—2005）的要求。

表4．8 受检混凝土性能指标

注：①表中抗压强度比、收缩率比、相对耐久性为强制性指标，其余为推荐性指标；

②除含气量和相对耐久性外，表中所列数据为掺外加剂混凝土与基准混凝土的差值或比值；

③凝结时间之差性能指标中的“－”号表示提前，“＋”号表示延缓；

④相对耐久性（200次）性能指标中的“≥80”表示将28d龄期的受检混凝土试件快速冻融循环200次后，动弹性模量保留值≥80％；

⑤1h含气量经时变化量指标中的“－”号表示含气量增加，“＋”号表示含气量减少；

⑥其他品种的外加剂是否需要测定相对耐久性指标，由供需双方协商确定；

⑦当用户对泵送剂等产品有特殊要求时，需要进行的补充试验项目、试验方法及指标，由供需双方协商决定。

1）减水剂

减水剂是指保持混凝土稠度不变的条件下，具有减水增强作用的外加剂。减水剂的主要功能：配合比不变时，显著提高流动性；流动性和水泥用量不变时，减少用水量，降低水灰比，提高强度；保持流动性和强度不变时，节约水泥用量，降低成本；可用于配制高强高性能混凝土。

减水剂提高混凝土拌合物流动性的作用机理主要包括分散作用和润滑作用两方面。减水剂是表面活性剂，长分子链的一端易溶于水（亲水基），另一端难溶于水（憎水基），减水剂作用机理如图4．1所示。

图4．1 减水剂作用机理示意图

（1）分散作用

水泥加水拌和后，由于水泥颗粒分子引力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，使10％～30％的拌和水被包裹在水泥颗粒之中，不能参与自由流动和润滑作用，从而影响了混凝土拌合物的流动性。当加入减水剂后，由于减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同一种电荷（通常为负电荷），形成静电排斥作用，从而促使水泥颗粒相互分散，絮凝结构破坏，释放出被包裹部分水参与流动，从而有效地增加混凝土拌合物的流动性。

（2）润滑作用

减水剂中的亲水基极性很强，因此，水泥颗粒表面的减水剂吸附膜能与水分子形成一层稳定的溶剂化水膜。这层水膜具有很好的润滑作用，能有效降低水泥颗粒间的滑动阻力，从而使混凝土流动性进一步提高。

减水剂根据减水率大小或坍落度增加幅度可分为普通减水剂、高效减水剂和高性能减水剂，不同类型减水剂的减水率限值见表4．8。此外，还有复合型减水剂，如引气减水剂，既具有减水作用，同时具有引气作用；早强减水剂，既具有减水作用，又具有提高早期强度作用；缓凝减水剂，既具有减水作用，同时具有延缓凝结时间的功能等。工程中用得较多的是萘系高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂和聚羧酸系高性能减水剂。

2）缓凝剂、早强剂和速凝剂

缓凝剂是指能延长混凝土的初凝和终凝时间，并对后期强度发展无不利影响的外加剂。最常用的缓凝剂为糖蜜类、木质素磺酸盐（如木钙）和羧基羧酸盐等，糖蜜的缓凝效果优于木钙。缓凝剂的主要功能有：降低大体积混凝土峰值温度和推迟峰值温度出现时间，有利于减小混凝土内外温差引起的应力开裂；便于夏季施工和连续浇筑混凝土，防止出现混凝土施工缝；有利于保持混凝土坍落度，便于泵送施工、滑模施工和远距离运输；通常具有减水作用，故亦能提高混凝土后期强度，增加流动性或节约水泥用量。

早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂，其主要作用是加速水泥水化速度，加速水化产物的早期结晶和沉淀；主要功能是缩短混凝土施工养护期，加快施工进度，提高模板的周转率。早强剂主要适用于有早强要求的混凝土工程及低温和冬期混凝土施工、有防冻要求的混凝土、预制构件、蒸汽养护等。早强剂的主要品种有硫酸盐、硫酸复盐、硝酸盐、碳酸盐、亚硝酸盐、氯盐、硫氰酸盐等无机盐类和三乙醇胺、甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐等有机化合物类，但更多使用的是以它们为基础的复合早强剂。

速凝剂是指能使混凝土迅速硬化的外加剂，一般初凝时间小于5min，终凝时间小于10min，1h内产生强度，但后期强度一般比不掺速凝剂的基准混凝土低10％～20％。常用的速凝剂主要成分有铝氧熟料!碳酸盐系（铝矾土、碳酸钠、生石灰）、铝氧熟料-明矾石系（铝矾土、芒硝）和水玻璃系等。速凝剂主要用于喷射混凝土和紧急抢修工程、军事工程、防洪堵水工程，如矿井、隧道、引水涵洞、地下工程岩壁衬砌、边坡和基坑支护等。

3）泵送剂

泵送剂是指能改善混凝土拌合物泵送性能的外加剂。泵送剂通常由减水与缓凝组分、引气组分、保水组分和黏度调节组分复合而成，主要用于泵送施工的混凝土，不宜用于蒸汽养护混凝土和蒸压养护的预制混凝土。

4）膨胀剂

膨胀剂是一种在混凝土凝结硬化过程中发生水化反应，并产生可控的体积膨胀，从而减少混凝土收缩的外加剂。膨胀剂的种类有硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化镁类、金属粉类等。硫铝酸钙类膨胀剂的主要成分是无水硫铝酸钙、明矾石、石膏等。氧化钙膨胀剂可以采用煅烧石灰加入适量石膏与水淬矿渣制成，也可由生石灰、石膏与硬脂酸混磨而成。金属类膨胀剂是由铁粉掺加适量的氧化剂（如过铬酸盐、高锰酸盐等）配制而成。

上述各种膨胀剂的成分不同，产生膨胀的原因也不尽相同。硫铝酸钙类膨胀剂加入水泥混凝土后，无水硫铝酸钙水化或参与水泥矿物水化或与水泥水化产物反应，形成三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石相的生成使固相体积增大，从而引起表观体积膨胀。氧化钙类膨胀剂的膨胀作用主要由氧化钙晶体水化形成氢氧化钙晶体，体积增大而导致混凝土膨胀。铁粉膨胀剂则是由于铁粉中的金属铁与氧化剂发生氧化作用生成氧化铁，氧化铁在混凝土碱性环境中还会生成胶状的氢氧化铁而产生膨胀作用。

膨胀剂通常为内掺，应按照其质量取代水泥。膨胀剂的掺量与混凝土用途有关，用于补偿混凝土收缩时，掺量为6％～10％；用于要求抗裂和密实的刚性自防水混凝土时，掺量为10％～12％；用于后浇带的填充混凝土时，掺量为12％～15％；用于自应力混凝土时，掺量为20％～30％。

膨胀剂使用注意事项如下：计量准确；加强搅拌，由于膨胀剂为粉剂，混凝土搅拌时间应延长1～2min；保湿养护，混凝土掺加膨胀剂后应加强保湿养护，尤其是14d龄期以内，避免后期膨胀过大产生危害；拆模时间不宜早于48h。

5）防冻剂

防冻剂是能使混凝土在负温下硬化，并在规定时间内达到足够防冻强度的外加剂。常用的防冻剂由多组分复合而成，其主要组分有防冻组分、减水组分、引气组分、早强组分等。防冻剂的作用机理是：防冻剂中的防冻组分能降低水的冰点，使水泥在负温下继续水化；早强组分可提高混凝土早期强度，从而提高抵抗水结冰时产生膨胀应力破坏的能力；引起组分引入适量的封闭微孔，减缓结冰压力。

常用的防冻剂有强电解质无机盐类（如氯化钠、氯化钙、氯盐与亚硝酸盐复合、亚硝酸盐）、水溶性有机化合物（如乙二醇）、有机化合物与无机盐复合类、复合型（防冻、早强、引气、减水等组分复合）。