普通混凝土（简称为混凝土）由水泥、砂、石和水所组成，另外还常加入适量的掺合料和外加剂。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（见图5.1）。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，将骨料胶结为一个坚实的整体。

图5.1　混凝土结构

混凝土的质量在很大程度上取决于原材料的质量，因此，必须了解其原材料的性质、作用及其质量，选用符合要求的原材料，来保证混凝土的质量。

5.2.1　水泥

水泥在混凝土中起胶结作用，是最重要的材料。正确、合理地选择水泥的品种和强度等级，以保证混凝土的强度、耐久性及经济性。

1.水泥品种的选择

配制混凝土一般可选用硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥等通用水泥。

水泥品种的选择应当根据混凝土工程性质与特点，工程的环境条件及施工条件，结合各种水泥特性进行合理的选择。常用水泥品种的选用参考表4.8。

2.水泥强度等级的选择

水泥的强度等级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的混凝土选择高强度等级的水泥，低强度等级的混凝土选择低强度等级的水泥，经验证明，配制C30以下的混凝土，水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5～2.0倍，配制C40以上的混凝土，水泥强度等级为混凝土强度等级的1.0～1.5倍，同时宜掺入高效减水剂。

5.2.2　细骨料

粒径在0.15～4.75mm的骨料称为细骨料（砂）。砂按产源分为天然砂和人工砂。天然砂是岩石经自然风化、水流搬运和堆积所形成的大小不等、由不同矿物散粒组成的混合物，包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂。人工砂由人工采集的石块经破碎、筛分制成，包括机制砂、混合砂（机制砂和天然砂的混合）。

工程中常选用河砂配制混凝土，混凝土用砂的质量技术要求应符合GB／T14684—2001《建筑用砂》标准，建筑用砂按技术要求分为三类。Ⅰ类宜用于强度等级大于C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度等级C30～C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ类宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。建筑用砂技术要求如下：

1.砂的粗细程度与颗粒级配

不同粒径的砂粒，混合在一起后的总体粗细程度，称为砂的粗细程度。通常按其粗细程度分为粗砂、中砂、细砂和特细砂等。在相同砂用量条件下，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，砂子的总表面积愈大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆就愈多。因此，一般地说用粗砂拌制混凝土比用细砂拌制混凝土所需的水泥浆少。

砂中大小颗粒的搭配情况，称为砂的颗粒级配。在混凝土中砂粒之间的空隙是由水泥浆所填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，就应尽量减小砂粒之间的空隙。要减小砂粒间的空隙，就必须有大小不同的颗粒搭配。如图5.2可以看出：如果用同样粒径的砂，空隙率最大［图5.2（a）］；两种粒径的砂搭配起来，空隙率就减少［图5.2（b）］；三种粒径的砂搭配起来，空隙率就更少［图5.2（c）］。因此，要减少砂粒间的空隙，就必须有大小不同粒径的颗粒搭配。

图5.2　骨料的颗粒级配

因此，在拌制混凝土时，砂的粗细程度和颗粒级配应同时考虑。当砂中含有较多的粗粒径砂，并以适当的中粒径砂及少量细粒径砂填充其空隙，则可达到总表面积及空隙率均较小，这样的砂比较理想，不仅水泥浆用量较少，而且还可提高混凝土的密实度与强度。

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程度，用级配曲线表示砂的颗粒级配。筛分析的方法，是用一套方孔径（净尺寸）为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的标准筛，将500g的干砂试样由粗到细依次过筛，然后称得各筛筛余试样的质量（筛余量m1、m2、m3、m4、m5、m6），并计算出各筛上的分计筛余百分率ai及累计筛余百分率Ai（各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和），见表5.1。

表5.1　分计筛余百分率及累计筛余百分率关系

砂的粗细程度用细度模数（Mx）表示，按式（5.1）计算：

式中　Ai——累计筛余百分率，即该号筛与大于该号各筛分计筛余百分率之和。

细度模数（Mx）愈大，表示砂愈粗，砂的细度模数（Mx）范围一般为0.7～3.7，其中在3.1～3.7为粗砂；Mx在2.3～3.0为中砂；Mx在1.6～2.2为细砂；Mx在0.7～1.5为特细砂。普通混凝土用砂的细度模数一般在2.2～3.2较为适宜。

国家标准将细度模数为1.6～3.7的普通混凝土用砂，根据0.60mm筛孔（控制粒级）的累计筛余百分率，分成3个级配区，如表5.2所示及图5.3所示。普通混凝土用砂的筛分曲线在3个级配曲线区域中的任一个区域以内，其颗粒级配合格。除4.75mm和0.60mm外，其他各号筛上的累计筛余允许略有超出，但超出总量应小于5%。

表5.2　砂的颗粒级配区

注　1.区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到85～100。
2.区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100～80。
3.区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余可以放宽到100～75。

配制混凝土时，应优先选用2区砂；采用1区砂时，在混凝土配合比设计中应提高砂率并保持足够的水泥用量，以满足和易性要求；若采用3区砂时，应适当降低砂率，以保证混凝土的强度。

【例5-1】某干砂500g的筛分结果如表5.3所列。试判断该砂的粗细程度模数并评定其颗粒级配。

表5.3　某干砂筛分结果

解（1）计算出各筛上的分计筛余百分率ai及累计筛余百分率Ai（各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和），见表5.4。

表5.4　各筛的分计筛余百分数和累计筛余百分数

（2）计算细度模数。根据公式（5.1）得

根据细度模数，该砂属中砂；在级配区内画出该砂的筛分曲线，如图5.3所示，该曲线完全落在2区（中砂区）内，说明该砂为颗粒级配合格。

图5.3　砂的1、2、3级配区曲线

2.砂中有害杂质的含量

天然砂中含泥量是指粒径小于0.075mm的颗粒含量；泥块含量是指粒径大于1.18mm，经水浸洗、手捏后变成小于0.600mm的颗粒含量；含泥量多会降低骨料与水泥石的黏结力、混凝土的强度和耐久性。天然砂中泥、泥块、草根、树叶、树枝、塑料、煤渣等杂物，且云母、硫化物、硫酸盐、氯盐和有机质等有害杂质应符合国家技术标准的规定，见表5.5。

建筑砂中含有的活性氧化硅，能与水泥中的碱分（K2O及Na2O）起作用，产生碱骨料反应，使混凝土发生膨胀开裂。

表5.5　砂中含泥量、泥块含量及有害杂质的含量（GB／T14684—2001）

5.2.3　粗骨料

粒径大于4.75mm的骨料称为粗骨料。工程中常用的有碎石和卵石。

根据国家标准GB／T14684—2001《建筑用卵石、碎石》规定，按卵石、碎石技术要求分为三类。Ⅰ类宜用于强度等级大于C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度等级C30～C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ类宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。

对用于配制普通混凝土的卵石和碎石有以下技术要求。

1.最大粒径、颗粒级配

（1）石子最大粒径（Dmax）。石子各粒级的公称上限粒径称为该级石子的最大粒径。石子的最大粒径增大，则相同质量石子的总表面积减小，混凝土中包裹石子所需水泥浆体积减少，即混凝土用水量和水泥用量都可减少。

石子最大粒径（Dmax）过大时，则由于骨料与水泥砂浆黏结面积下降等原因造成混凝土的强度下降。同时，最大粒径的选用，结构上诸多因素和施工条件等方面的限制。GB50204—2002《混凝土结构工程施工及验收规范》规定：混凝土用的粗骨料，其最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1／4；且不得大于钢筋最小净距的3／4。对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1／2，且不得超过50mm。另外还受搅拌机以及泵送混凝土输送管道等条件的限制。

（2）颗粒级配。粗骨料的级配原理和要求与细骨料基本相同。级配试验采用筛分法测定，即用2.36mm、4.75mm、9.5mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm和90mm等12种孔径的方孔筛进行筛分。分计筛余百分率及累计筛余百分率的计算与砂相同。石子颗粒级配范围应符合GB／T14685—2001《建筑用卵石、碎石》规定，碎石、卵石的颗粒级配规格见表5.6。

石子的颗粒级配可分为连续级配和间断级配。连续级配是石子粒级呈连续性，即颗粒由小到大，每级石子占一定比例。用连续级配的骨料配制的混凝土拌和料，和易性较好，不易发生离析现象。连续级配是工程上最常用的级配。但不一定是级配最好的骨料。间断级配是人为地剔除骨料中某些粒级颗粒，从而使骨料级配不连续，大骨料空隙由小几倍的小粒径颗粒填充，以降低石子的空隙率。由间断级配制成的混凝土，可以节约水泥。由于其颗粒粒径相差较大，混凝土拌和物容易产生离析现象，导致施工困难。故工程中应用较少。

表5.6　碎石或卵石的颗粒级配范围（GB／T14685—2001）

注　公称粒级的上限为该粒级的最大粒径。

2.粗骨料的强度及坚固性

（1）粗骨料的强度。为保证混凝土的强度要求，粗骨料应质地致密、具有足够的强度。粗骨料的强度采用岩石立方体强度和压碎指标来表示。岩石立方强度试验，是用母岩制成5cm×5cm×5cm立方体，或直径与高度均为5cm的圆柱体试样，浸泡水中48h，待吸水饱和后进行抗压试验。石子抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比，不应低于1.5。而且对于火成岩其强度不宜低于80MPa，变质岩不宜低于60MPa，水成岩不宜低于45MPa。

压碎指标是测定粒状石子抵抗压碎的能力，其检验方法是将一定重量气干状态下10～20mm的石子装入一定规格的金属圆桶内，在试验机上在3～5min内均匀施加荷载到200kN，卸荷后称取试样质量（m0），再用孔径为2.36mm的筛子筛除被压碎的细粒，称取试样的筛余量（m1），按式（5.2）计算压碎指标：(www.daowen.com)

式中　δa——压碎指标值，%；

m0——试样质量，g；

m1——压碎试验后试样的筛余量，g。

压碎指标值越小，表示粗骨料抵抗受压破坏的能力越强。根据GB／T14685－2001的要求，普通混凝土用碎石和卵石的压碎指标值如表5.7所示。

（2）骨料的坚固性。骨料的坚固性是指在气候、外力和其他物理力学因素作用（如冻融循环作用）下骨料抗碎裂的能力。坚固性试验是用硫酸钠溶液法检验，试样经5次干湿循环后，其质量损失应不超过GB／T14685—2001规范的规定，见表5.8。

表5.7　碎石和卵石的压碎指标（GB／T14685—2001）

表5.8　碎石或卵石的坚固性指标（GB／T14685—2001）

3.有害杂质

粗骨料中的有害杂质主要有：黏土、淤泥及细屑、硫酸盐及硫化物、有机物质、蛋白石及其他含有活性氧化硅的岩石颗粒等。它们的危害作用与在细骨料中相同。各种有害杂质的含量都不应超出规范GB／T14685—2001的规定。见表5.9。

表5.9　碎石或卵石的有害物质含量（GB／T14685—2001）

粗骨料中的针状（颗粒长轴长度大于平均粒径的2.4倍）和片状（厚度小于平均粒径的0.4倍）颗粒，不仅影响混凝土的和易性，而且会使混凝土的强度降低。骨料中针片状颗粒含量，应符合标准中的规定。见表5.10。

表5.10　碎石或卵石的针、片状颗粒含量（GB／T14685—2001）

4.骨料的含水状态

骨料的含水状态可分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态4种，如图5.4所示。干燥状态的骨料含水率等于或接近于零；气干状态的骨料含水率与大气湿度相平衡，但未达到饱和状态；饱和面干状态的骨料其内部空隙含水达到饱和而其表面干燥；湿润状态的骨料不但内部空隙含水达到饱和，而且表面还附着一部分自由水。计算普通混凝土配合比时，一般以干燥状态的骨料为基础，而一些大型水利工程常以饱和面干状态为基础。

图5.4　骨料的含水状态

（a）全干状态；（b）气干状态；（c）饱和面干状态；（d）湿润状态

在设计和称料拌和混凝土中应根据骨料的含水状态，作相应调整。当配合比设计是以干燥骨料为基准时，混凝土施工配合比的用水量，应扣除骨料的含水量；当配合比设计是以骨料饱和面干状态为基准时，混凝土施工配合比的用水量，应扣除骨料的表面含水量。

5.2.4　混凝土拌和及养护用水

在拌制和养护混凝土用水应符合JGJ63—1989《混凝土拌合水标准》和DL／T5144—2001《水工混凝土施工规范》的规定，如表5.11所示，不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，如油脂、糖类等。

表5.11　混凝土拌和用水质量要求（JGJ63—1989）

注　使用钢丝或热处理钢筋预应力混凝土中氯化物含量不得超过250mg／L。

凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护混凝土。污水、pH值小于4的酸性水、含硫酸盐（按SO3计）超过水重1%的水均不得使用，在对水质有疑问时可将该水与洁净水分别制成混凝土试块，然后进行强度对比试验，如果用该水制成的试块强度不低于洁净水制成的试块强度，就可用此水来拌制混凝土。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，对水泥石有侵蚀作用，对钢筋也会造成锈蚀，因此一般不得用海水拌制混凝土。

5.2.5　混凝土外加剂

混凝土外加剂是在拌制混凝土、水泥净浆过程中掺入的用以改善混凝土性能的化学物质。掺量不大于水泥质量的5%（特殊情况除外）。

在混凝土中掺适量外加剂可提高混凝土强度，改善混凝土各种性能，而且对减少用水量，节约水泥有着十分显著的技术经济效果。

混凝土外加剂按其主要功能一般分为减水剂、早强剂、引气剂、缓凝剂、防冻剂及速凝剂等。

1.减水剂

在保持混凝土坍落度基本相同的情况下，能减少拌和用水量的外加剂，称为减水剂。

减水剂按其技术经济效果分为普通减水剂（减水率小于10%）、高效减水剂（减水率大于12%）、早强型减水剂（兼有早强和减水作用）、缓凝型减水剂（兼有缓凝和减水作用）和引气型减水剂（兼有引气和减水作用）等。

（1）减水剂的作用机理。拌制混凝土时，若无减水剂，则由于水泥颗粒之间分子凝聚力的作用，使水泥浆形成絮凝结构［图5.5（a）］，使一部分拌和水（游离水）包裹在水泥颗粒的絮凝结构内，从而降低混凝土拌和物的流动性；如在水泥浆中加入减水剂，则减水剂的憎水基因定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有相同的电荷，在电性斥力作用下，使水泥颗粒分散［见图5.5（b）］，从而使游离水从絮凝体内释放出来，在不增加用水量的条件下，增加了流动性。另外，减水剂还能在水泥颗粒表面形成一层溶剂水膜［见图5.5（c）］，在水泥颗粒间起到很好的润滑作用。

图5.5　外加剂的作用原理

（2）常用的几种减水剂。

1）木质素磺酸盐系（木质素系）减水剂。木质素系减水剂主要品种有木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、木质素磺酸镁。常用的是木质素磺酸钙。木质素磺酸钙又名M型减水剂，简称M剂。它是由提取酒精后的木浆废液，经蒸发、磺化浓缩、喷雾干燥所制得的一种棕黄色粉状物，主要成分为木质素磺酸钙，质量分数为60%以上，还原性物质质量分数低于12%，pH值为5～5.5。M剂为阴离子表面活性剂。M剂适宜掺量为水泥质量的0.2%～0.3%。在保持配合比不变得条件下，掺用M剂后坍落度可提高100mm左右；在保持混凝土强度和坍落度不变得条件下，可减水10%，节约水泥10%；在保持混凝土坍落度和水泥用量不变的条件下，可减水10%，提高混凝土强度10%～20%。M剂对混凝土有缓凝作用，一般缓凝1～3h，低温下缓凝性更强，若掺量过多，缓凝严重。

2）萘磺酸盐甲醛缩合物（萘系）。萘系减水剂是以煤焦油中分馏出的萘及萘的同系物为原料，大部分使用工业下脚料，提炼出具有多萘核结构的β—萘磺酸甲醛高缩物钠盐。这类减水剂大多为非引气型，属于阴离子表面活性剂。常用的牌号有UNF、FDN、MF等，其特点是缩合度高，分子链长，对水泥扩散力强，起泡力低，减水率高，能有效改善混凝土的物理力学性能，特别对提高混凝土的强度及提高流动性等有显著效果。其减水率在15%～25%，早强效果好，28d强度增长20%，可节约水泥10%～25%，最适宜掺量为0.2%～0.5%。适合于配制C50—C100的高强度或超强度混凝土、大流动性泵送混凝土及冬季施工的混凝土。萘系减水剂一般在搅拌过程中先加水搅拌2～3min，然后加入减水剂。大坍落度混凝土不宜用翻斗车长距离运输，宜采用后掺法。

3）水溶性树脂系减水剂（树脂系）。树脂系减水剂被称为减水剂之王，我国产品有SM，其主要成分为磺化三聚氰胺甲醛缩合物，简称蜜胺树脂，属阴离子表面活性剂。SM属早强、非引气型高效减水剂，减水率高达20%～27%，最高可达30%。各龄期强度均有显著提高，1d强度提高1倍以上，7d即可达到混凝土28d的强度，28d则增强30%～60%。若保持强度不变，可节约水泥25%左右。另外，混凝土的弹性模量、抗渗、抗冻等性能以及与钢筋的黏结力等，也均有改善和提高。SM减水剂可用于配制80～100MPa高强度混凝土，也可用于配制耐火、耐高温（1000～1200℃）的混凝土。目前仅用于有特殊要求的混凝土工程。

4）复合减水剂。将某些品种的减水剂和其他外加剂复合使用，可取得满足不同施工要求及降低成本的效果。如以消泡剂GXP—103和MF复合，可弥补单掺MF时因引气而导致混凝土后期强度降低的缺点；将三乙醇胺与UNF—2复合可作为早强减水剂使用，明显提高混凝土的早期强度；将硫酸钠与糖钙复合，可制成早强剂（NC），能在冬天负温下使用。

2.早强剂

能加速混凝土早期强度发展的外加剂，称为早强剂。

（1）氯盐类早强剂。氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铝及三氯化铁等，其中以氯化钙应用最广。氯化钙的早强作用主要是因为它能与C3A和Ca（OH）2反应，生成不溶性复盐水化氯铝酸钙和氧氯酸钙，增加水泥浆体中固相比例，提高早期强度；同时液相中Ca（OH）2浓度降低，也使C3S、C2S加速水化，使早期强度提高。氯化钙的适宜掺量为1%～2%。氯化钙早强效果显著，能使混凝土3d强度提高50%～100%，7d强度提高20%～40%。氯化钙早强剂因其能产生氯离子，易促使钢筋产生锈蚀，故施工中必须严格控制掺量。我国规范中规定：在钢筋混凝土中氯化钙的掺量不得超过水泥质量的1%；在无筋混凝土中掺量不得超过3%。

（2）硫酸盐类（硫酸钠、硫酸钙、硫代硫酸钠）。硫酸盐的早强作用主要是与水泥的水化产物Ca（OH）2反应，生成高分散性的化学石膏，它与C3A的化学反应比外掺石膏的作用快得多，能迅速生成水化硫铝酸钙，增加固相体积，提高早期结构的密实度，同时也会加快水泥的水化速度，因而提高混凝土的早期强度。硫酸钠的适宜掺量为0.5%～2.0%，常以复合使用效果更佳。使用时应防止引起碱集料反应。

（3）有机胺类（三乙醇胺，三乙丙醇胺）。三乙醇胺是一种非离子型表面活性剂，它不改变水化产物，但能在水泥的水化过程中起着催化作用，与其他早强剂复合效果更好。

3.引气剂与引气减水剂

引气剂是指在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。

引气剂也是表面活性剂，其憎水基团朝向气泡，亲水基团吸附一层水膜，由于引气剂离子对液膜的保护作用，气泡不易破裂。引入的这些微小气泡（直径为20～1000μm）在拌和物中均匀分布，明显地改善拌和物的和易性，提高混凝土的耐久性（抗冻性和抗渗性），使混凝土的强度和弹性模量有所降低。

常用的加气剂有松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类等。适宜掺量为水泥质量的0.005%～0.01%左右。

4.缓凝剂及缓凝减水剂

缓凝剂是指能延长混凝土凝结时间的外加剂。由于缓凝剂在水泥及其水化物表面上的吸附作用，或与水泥反应生成不溶层而达到缓凝的效果。缓凝剂同时还具有减水、增强、降低水化热等功能。常用的缓凝剂及缓凝减水剂有糖类、羟基羧酸及其盐类，如柠檬酸、酒石酸钾钠等。

5.防冻剂

防冻剂是指能降低水泥混凝土拌和物液相冰点，使混凝土在负温下免受冻害，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。常用的外加剂有：氯盐类、氯盐与阻锈剂类（亚硝酸钠）、无氯盐类等。

6.速凝剂

能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂称为速凝剂。速凝剂的主要种类有无机盐类和有机物类。我国常用的速凝剂是无机盐类，产品型号有红星1型、711型、782型等。速凝剂主要用于矿山井巷、铁路隧洞、引水涵洞、地下工程以及喷锚支护时的喷射混凝土或喷射砂浆工程中。在实际工程中为了提高质量、节约材料、改善劳动条件，往往把速凝剂与减水剂复合使用。

7.外加剂的掺加方法

外加剂的掺量很少，必须保证其均匀分散，一般不能直接加入混凝土搅拌机内。对于可溶于水的外加剂，应配成一定浓度的溶液，随水加入搅拌机。对于不溶于水的外加剂，应与适量水泥或砂混合均匀后加入搅拌机中。另外，外加剂的掺入时间对其效果的发挥也有影响，如为保证减水剂的减水效果，减水剂有同掺法、后掺法、分次掺入法等方法。