4.2 普通水泥混凝土的组成材料

普通水泥混凝土（简称混凝土）是由水泥、水、砂、石组成，其技术性质很大程度上是由原材料的性质及其含量决定的，要得到优质的混凝土，应正确地选用原材料。

4.2.1 水泥

水泥是混凝土的胶结材料，混凝土的性能很大程度上取决于水泥的质量，在选择水泥时应对水泥的品种和强度等级加以正确地选择。

1.水泥品种的选择

配制混凝土用水泥通常可采用前面所述的六大品种水泥，在特殊情况下可采用特种水泥。常用六大品种水泥应依据工程特点、混凝土所处的环境与气候条件、工程部位以及水泥的供应情况等综合考虑。具体选择时可参照表4.1。

2.强度等级的选择

应根据混凝土的强度等级要求来确定其强度等级，使水泥的强度等级与混凝土的强度等级相适应。即高强度等级的混凝土应选用高强度等级的水泥；低强度等级的混凝土应选用低强度等级的水泥。经验表明，一般水泥的强度等级应为混凝土强度等级的1.0～1.5倍。

4.2.2 细集料

混凝土中粒径范围一般为0.15～4.75mm之间的集料为细集料。一般采用天然砂（如河砂、海砂及山砂等），它们是岩石风化所形成的大小不等、由不同矿物散粒组成的混合物。配制混凝土所用细集料的质量应满足以下几个方面的要求。

1.颗粒级配与细度模数

砂子的颗粒级配是指粒径大小不同的砂子颗粒相互组合搭配的比例情况。级配良好的砂应该是粗大颗粒间形成的空隙被中等粒径的砂粒所填充，而中等粒径的砂粒间形成的空隙又被比较细小的砂粒所填充，使砂子的空隙率达到尽可能地小。用级配良好的砂子配制混凝土，不仅可以减少水泥浆用量，而且因水泥石含量小而使得混凝土的密度得到提高，强度和耐久性也得以加强。

综上所述，混凝土用砂要同时考虑砂的粗细程度和颗粒级配。当砂的颗粒较粗且级配较好时，砂的空隙率和总表面积就较小，这样不仅可节约水泥，还可提高混凝土的强度和密实度。因此，控制混凝土用砂的粗细程度和颗粒级配有很高的技术经济意义。

砂的粗细程度和颗粒级配常用筛分析的方法进行评定。筛分析法即用一套孔径为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的标准方孔筛，将预先通过孔径为9.50mm筛子的干砂试样（500g）由粗到细依次过筛，然后称取各筛上筛余砂样的质量（分计筛余量），则可计算出各筛上的“分计筛余百分率”（分计筛余量占砂样总质量的百分数）及“累计筛余百分率”（各筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和）。砂的分计筛余量、分计筛余百分率、累计筛余百分率的关系见表4.2。

根据累计筛余百分率可计算出砂的细度模数和划分砂的级配区，以评定砂的粗细程度和颗粒级配。砂的细度模数M_x的计算式为

细度模数是用来反映砂的粗细程度，细度模数越大，砂越粗。砂按其细度模数分为粗砂（M_x=3.7～3.1）、中砂（M_x=3.0～2.3）和细砂（M_x=2.2～1.6）三级。混凝土用砂的级配范围根据《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）规定，以细度模数为3.7～1.6的砂，按0.6mm筛孔的累计筛余划分为三个级配区，级配范围见表4.3和图4.1。

图4.1 混凝土用砂级配范围曲线图

（a）Ⅰ区砂；（b）Ⅱ区砂；（c）Ⅲ区砂

混凝土用砂的Ⅰ区砂属粗砂范畴，拌制混凝土时其内摩阻力较大、保水性差，适宜配制水泥用量多的富混凝土或低流动性混凝土；Ⅲ区砂的细颗粒较多，拌制混凝土的黏性较大、保水性好，但因其比表面积大，所消耗的水泥用量多，使用时宜适当降低砂率；Ⅱ区砂在配制不同强度等级混凝土时宜优先使用。

对要求耐磨的混凝土，小于0.075mm颗粒不应超过3%，其他混凝土则不应超过5%；当采用石屑作为细集料时，其限值分别为5%和7%。

细度模数只反映全部颗粒的粗细程度，不能反映颗粒的级配情况，因为细度模数相同而级配不同的砂所配制混凝土的性质不同，所以考虑砂的颗粒分布情况时，只有同时结合细度模数与颗粒级配两项指标，才能真正反映其全部性质。

2.压碎值与坚固性

混凝土所用细集料应具备一定的强度和坚固性，不同强度等级的混凝土应选用不同技术等级的细集料。人工砂应进行压碎值测定，天然砂采用硫酸钠溶液进行坚固性试验，经五次循环后测其质量损失。具体规定见表4.4。

细集料的技术要求应符合现行标准《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）的规定，具体见表4.4。

3.有害杂质

集料中会含有妨碍水泥水化或降低集料与水泥石的黏附性，以及能与水泥水化产物产生不良化学反应的各种物质，称为有害杂质。砂中常含的有害杂质，主要有云母、黏土、有机质、轻物质、硫酸盐等。

（1）含泥量、石粉含量和泥块含量。混凝土用砂的含泥量是指粒径小于0.075mm的尘屑、黏土与淤泥的总含量百分数；泥块是指粒径大于1.18mm，经手压、水洗后可破碎的粒径小于0.6mm的颗粒含量。

（2）云母含量。云母呈薄片状，表面光滑，且极易沿节理裂开，因此它与水泥石的黏附性差，对混凝土拌和物的和易性和硬化后混凝土的抗冻性都有不利的影响。

（3）轻物质含量。砂中的轻物质是指相对密度小于2.0的颗粒（如煤和褐煤等）。

（4）有机质含量。天然砂中有时混杂有机物质（如动植物的腐殖质、腐殖土等），这类有机物质将延缓水泥的硬化过程，并降低混凝土的强度，特别是早期强度。

（5）硬化物和硫酸盐含量。在天然砂中，常掺杂有硫铁矿（FeS₂）或石膏（CaSO₄·2H₂O）的碎屑，如含量过多，将在已硬化的混凝土中与水化铝酸钙晶体，体积膨胀，在混凝土内产生破坏作用。

4.2.3 粗集料

1.强度

为了保证混凝土的强度，要求粗集料质地致密、具有足够的强度。粗集料的强度可用岩石立方体抗压强度或压碎指标来表示。

测定岩石立方体抗压强度时，应用母岩制成50mm×50mm×50mm的立方体（或直径与高度均为50mm的圆柱体）试件，在浸水饱和状态下（48h）测其极限抗压强度值。《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）中水泥混凝土用粗集料技术要求规定其立方体抗压强度与混凝土抗压强度之比不小于1.5，且要求岩浆岩的强度不宜低于80MPa，变质岩的强度不宜低于60MPa，沉积岩的强度不宜低于30MPa。

压碎指标是测定粗集料抵抗压碎能力强弱的指标（压碎性试验参见道路建材试验部分）。压碎指标越小，粗集料抵抗受压破坏能力越强。根据《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，按照技术要求将粗集料分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，具体要求见表4.5。

2.坚固性

集料的坚固性是指其在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破坏的能力。为保证混凝土的耐久性，混凝土用粗集料应具有很强的坚固性，以抵抗冻融和自然因素的风化作用。粗集料的坚固性测定是用硫酸钠溶液浸泡粗集料试样经五次循环后的质量损失来检验的，其坚固性指标按质量损失规定分为三类（GB/T 14685-2011），见表4.5。

3.最大粒径与颗粒级配

（1）最大粒径的选择。粗集料的公称最大粒径是指全部通过或允许少量不通过（一般允许筛余不超过10%）的最小标准筛筛孔尺寸。最大粒径的大小表示粗集料的粗细程度，最大粒径增大时，单位体积集料的总表面积减小，因而可使水泥浆用量减少，这不仅能够节约水泥，而且有助于提高混凝土的密实度，减少发热量及混凝土的体积收缩，因此在条件允许的情况下，当配制中等强度等级以下的混凝土时，应尽量采用最大粒径较大的粗集料。但最大粒径的确定，还要受到结构截面尺寸、钢筋净距及施工条件等方面的限制。《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2002）规定，粗集料最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，并不得大于钢筋最小净距的3/4；对混凝土实心板，其最大粒径不得超过板厚的1/2，并不得大于37.5mm。

（2）颗粒级配。粗集料颗粒级配的好坏，直接影响到混凝土的技术性质和经济效果，因此粗集料级配的选定，是保证混凝土质量的重要一环。混凝土用粗集料的级配范围，见表4.6。当连续级配不能满足需配混合料要求时，可掺加单粒级集料配合。连续级配矿质混合料的优点是所配制的新拌混凝土较为密实，特别是具有优良的工作性，不易产生离析现象，所以称为经常采用的级配。

4.表面特征及形状

表面粗糙且棱角多的碎石与表面光滑且为圆形的卵石比较起来，碎石所拌制的混凝土，由于它与水泥浆的黏附性好，故一般具有较高的强度，但是在相同水泥浆量的条件下，卵石因表面光滑、表面积小，所拌制的混凝土拌和物具有良好的工作性。

粗集料的颗粒形状以正方体或近似球体为佳，不宜含有过多的针、片状颗粒，否则将显著影响混凝土的抗折强度，同时影响新拌混凝土的工作性。针状颗粒是指颗粒长度大于平均粒径（平均粒径是指该粒级上、下限粒径的算术平均值）的2.4倍的颗粒，片状颗粒是指颗粒厚度小于平均粒径的0.4倍的颗粒。混凝土用粗集料的针、片状颗粒含量应符合表4.5的要求。

5.有害杂质含量

粗集料中的有害杂质主要有黏土、淤泥及细屑、硫化物及硫酸盐、有机质、蛋白石及含有活性二氧化硅的岩石颗粒等。为保证混凝土的强度及耐久性，对这些有害杂质的含量必须认真检查，其含量不得超过表4.5所列指标。

4.2.4 混凝土拌和用水

水是混凝土的主要组成材料之一，拌和用水的水质不符合要求，可能产生多种有害作用，最常见的有：①影响混凝土的工作性和凝结；②有损于混凝土强度的发展；③降低混凝土的耐久性、加快钢筋的腐蚀和导致预应力钢筋的脆断；④使混凝土表面出现污斑等。因此，为保证混凝土的质量和耐久性，必须使用合格的水拌制混凝土。

凡可饮用之水，皆可用于拌制和养护混凝土。而未经处理的工业及生活废水、污水、沼泽水以及pH值小于4的酸性水等均不能使用。

若对水质有怀疑时，应进行砂浆强度对比试验。即如用该水拌制的砂浆3d和28d抗压强度低于用饮用水拌制的砂浆3d和28d抗压强度的90%时，则这种水就不宜用来拌制和养护混凝土。

混凝土拌和用水不应有漂浮明显的油脂和泡沫，以及明显的颜色和异味。严禁将未经处理的海水用于钢筋混凝土和预应力混凝土的拌制。在无法获得水源的情况下，海水可用于拌制素混凝土。混凝土拌和用水水质要求应符合表4.7的规定。

4.2.5 矿物掺合料

矿物掺合料在混凝土中的作用是改善混凝土拌和物的施工和易性，降低混凝土的水化热、调节凝结时间等。混凝土用掺合料有粉煤灰、粒化高炉矿渣、钢渣粉、磷渣粉、硅粉及复合掺合料等，其中硅灰是指从冶炼硅铁合金或硅钢等排放的硅蒸汽养护后搜集到的极细粉末颗粒。混凝土用粉煤灰的质量应满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596—2005）的要求，见表4.8。

矿物掺合料在混凝土中的掺量应通过试验确定。采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，钢筋混凝土矿物掺合料最大掺量宜符合表4.9的规定，预应力混凝土中矿物掺合料最大掺量宜符合表4.10的规定。对于大体积混凝土，粉煤灰、粒化高炉矿渣粉和复合掺合料的最大掺量可增加5%。采用掺量大于30%的C类粉煤灰混凝土，应以实际使用的水泥和粉煤灰掺量进行安定性检验。