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建筑材料-混凝土
普通混凝土（以下簡稱混凝土）一般是由水泥、砂、石和水組成。為改善混凝土的某些性能，還常加入適量的外加劑和摻合料。在混凝土中，砂、石起骨架作用，稱為骨料或集料；水泥與水形成水泥漿，包裹在骨料的表面并填充其空隙。在混凝土硬化前，水泥漿、外加劑與摻合料起潤滑作用，賦予拌合物一定的流動性，便于施工操作。水泥漿硬化后 ，則將砂、石骨料膠結成一個結實的整體。砂、石一般不參與水泥與水的化學反應，其主要作用是節約水泥、承擔荷載和限制硬化水泥的收縮。外加劑、摻合料除了起改善混凝土性能的作用外，還有節約水泥的作用。
一、混凝土組成材料的技術要求
(一）水泥
配制普通混凝土的水泥，可采用六大常用水泥，必要時也可采用快硬硅酸鹽水泥或其他品種水泥。水泥品種的選用應根據混凝土工程特點、所處環境條件及設計施工的要求進行。
水泥強度等級的選擇，應與混凝土的設計強度等級相適應。一般以水泥強度等級為混凝土強度等級的1.5〜2.0倍為宜，對于高強度等級混凝土可取0.9〜1.5倍。用低強度等級水泥配制高強度等級混凝土時，會使水泥用量過大、不經濟，而且還會影響混凝土的其他技術性質。用高強度等級水泥配制低強度等級混凝土時，會使水泥用量偏少，影響和易性及密實度，導致該混凝土耐久性差，故必須這么做時應摻入一定數量的混合材料。
(二）細骨料
粒徑在4.75mm以下的骨料稱為細骨料，在普通混凝土中指的是砂。砂可分為天然砂、機制砂和混合砂三類。天然砂包括河砂、湖砂、山砂和凈化海砂。機制砂是卵石、巖石、礦山廢石和尾礦經除土處理，由機械破碎、整形、篩分、粉控等工藝制成的，級配、粒型和石粉含量滿足要求且粒徑小于4.75_的顆粒。混合砂指由天然砂和機制砂按一定比例混合而成的砂。因河砂資源日趨緊張，機制砂和河砂一樣在配制混凝土時常用。混凝土用細骨料的技術要求有以下幾方面：
1、顆粒級配及粗細程度
砂的顆粒級配是指砂中大小不同的顆粒相互搭配的比例情況，大小顆粒搭配得好時砂粒之間的空隙最少。砂的粗細程度是指不同粒徑的砂粒混合在一起后總體的粗細程度，通常有粗砂、中砂、細砂、特細砂之分。在相同質量條件下，細砂的總表面積較大，而粗砂的總表面積較小。在混凝土中，砂子的表面需要由水泥漿包裹，砂粒之間的空隙需要由水泥漿填充，為達到節約水泥和提高強度的目的，應盡量減少砂的總表面積和砂粒間的空隙，即選用級配良好的粗砂或中砂比較好。
砂的顆粒級配和粗細程度，常用篩分析的方法進行測定。根據 0.63_篩孔的累計篩余量，將砂分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級配區。用所處的級配區來表示砂的顆粒級配狀況，用細度模數表示砂的粗細程度。細度模數越大，表示砂越粗，按細度模數砂可分為粗砂、中砂、細砂、特細砂四級。
在選擇混凝土用砂時，砂的顆粒級配和粗細程度應同時考慮。配制混凝土時宜優先選用Ⅱ區砂。當采用Ⅰ區砂時，應提高砂率，并保持足夠的水泥用量，以滿足混凝土的和易性要求；當采用Ⅲ區砂時，宜適當降低砂率，以保證混凝土的強度。對于泵送混凝土，宜選用中砂，且砂中小于0.315mm的顆粒應不少于15 %。
2、有害雜質和堿活性
混凝土用砂要求潔凈、有害雜質少。砂中所含有的泥塊、石粉、有害雜質（云母、輕物質、有機物、硫化物及硫酸鹽、氯化物、貝殼），都會對混凝土的性能產生不利的影響，需要控制其含量不超過有關規范的規定。重要工程混凝土所使用的砂，還應進行堿活性檢驗，以確定其適用性。
3、堅固性
砂的堅固性是指砂在氣候、環境變化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。砂的堅固性用硫酸鈉溶液檢驗，試樣經5次循環后其質量損失應符合有關標準的規定。
(三 ）粗骨料
粒徑大于4.75mm的巖石顆粒稱為粗骨料。普通混凝土常用的粗骨料分為碎石和卵石，類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。由天然巖石、卵石或礦山廢石經破碎、篩分等機械加工而成的粗骨料，稱為碎石。巖石由于自然條件作用而形成的粗骨料，稱為卵石。混凝土用粗骨料的技術要求有以下幾方面：
1、顆粒級配及 粒徑
普通混凝土用碎石或卵石的顆粒級配情況有連續粒級和單粒粒級兩種。其中，單粒粒級的骨料一般用于組合成具有要求級配的連續粒級，它也可與連續粒級的碎石或卵石混合使用，以改善其級配。如資源受限必須使用單粒粒級骨料時，則應采取措施避免混凝土發生離析。粗骨料中公稱粒級的上限稱為 粒徑。當骨料粒徑增大時，其比表面積減小，混凝土的水泥用量也減少，故在滿足技術要求的前提下，粗骨料的 粒徑應盡量選大一些。
在鋼筋混凝土結構工程中，粗骨料的 粒徑不得超過結構截面最小尺寸的1/4 ,同時不得大于鋼筋間最小凈距的3/4。對于混凝土實心板，可允許采用 粒徑達1/3板厚的骨料，但 粒徑不得超過40mm。對于采用泵送的混凝土，碎石的 粒徑應不大于輸送管徑的1/3 ,卵石的 粒徑應不大于輸送管徑的1/2.5。
2、強度和堅固性
碎石或卵石的強度可用巖石抗壓強度和壓碎指標兩種方法表示。當混凝土強度等級為C60及以上時，應進行巖石抗壓強度檢驗。用于制作粗骨料的巖石的抗壓強度與混凝土強度等級之比不應小于1.5。對經常性的生產質量控制則可用壓碎指標值來檢驗。有抗凍要求的混凝土所用粗骨料，要求測定其堅固性，即用硫酸鈉溶液檢驗，試樣經5次循環后其質量損失應符合有關標準的規定。
3、有害雜質和針、片狀顆粒
粗骨料中所含的泥塊、淤泥、細屑、硫酸鹽、硫化物和有機物等是有害物質，其含量應符合有關標準的規定。另外，粗骨料中嚴禁混入鍛燒過的白云石或石灰石塊。重要工程混凝土所使用的碎石或卵石，還應進行堿活性檢驗，以確定其適用性。卵石、碎石顆粒的 一維尺寸大于該顆粒所屬粒級的平均粒徑2.4倍者為針狀顆粒；最小一維尺寸小于該顆粒所屬粒級的平均粒徑0.4倍者為片狀顆粒。粗骨料中針、片狀顆粒過多，會使混凝土的和易性變差，強度降低，故粗骨料中的針、片狀顆粒含量應符合有關標準的規定。
(四）水
混凝土拌合及養護用水的水質應符合《混凝土用水標準》 JGJ 63—2006的有關規定。
被檢驗水樣還應與飲用水樣進行水泥凝結時間和水泥膠砂強度對比試驗。此外，混凝土拌合用水不應漂浮明顯的油脂和泡沫，不應有明顯的顏色和異味；混凝土企業設備洗刷水不宜用于預應力混凝土、裝飾混凝土、加氣混凝土和暴露于腐蝕環境的混凝土，不得用于使用堿活性或潛在堿活性骨料的混凝土。未經處理的海水嚴禁用于鋼筋混凝土和預應力混凝土。在無法獲得水源的情況下，海水可用于素混凝土，但不宜用于裝飾混凝土。混凝土養護用水的水質檢驗項目，可不檢驗不溶物和可溶物、水泥凝結時間和水泥膠砂強度。
(五）外加劑
外加劑是在混凝土拌合前或拌合時摻入，摻量一般不大于水泥質量的5 % (特殊情況除外），并能按要求改善混凝土性能的物質。各種混凝土外加劑的應用改善了新拌合硬化混凝土的性能，促進了混凝土新技術的發展，促進了工業副產品在膠凝材料系統中更多的應用，還有助于節約資源和環境保護，已經逐步成為優質混凝土必不可少的材料。混凝土外加劑的質量應符合現行的《混凝土外加劑》 GB 8076—2008、《混凝土外加劑應用技術規范》 GB 50119—2013、《混凝土外加劑中釋放氨的限量》 GB 18588—2001的有關規定。各類具有室內使用功能的混凝土外加劑中釋放的氨量必須不大于0.10% (質量分數 )。
根據 《混凝土外加劑》 GB 8076—2 0 0 8 ,混凝土外加劑的技術要求包括受檢混凝土性能指標和勻質性指標。受檢混凝土性能指標具體包括減水率、泌水率比、含氣量、凝結時間之差、lh 經時變化量這些推薦性指標和抗壓強度比、收縮率比、相對耐久性（200次 ）這些強制性指標。勻質性指標具體包括氯離子含量、總堿量、含固量、含水率、密度、細度、pH值和硫酸鈉含量。
混凝土膨脹劑的技術要求包括化學成分和物理性能。其中，化學成分包括氧化鎂和堿含量兩項指標，氧化鎂含量應不大于5 % ，堿含量屬選擇性指標；物理性能指標包括細度、凝結時間、限制膨脹率和抗壓強度，限制膨脹率為強制性指標。
(六）礦物摻合料
為改善混凝土性能、節約水泥、調節混凝土強度等級，在混凝土拌合時加入的天然的或人工的礦物材料，稱為礦物摻合料。混凝土摻合料分為活性礦物摻合料和非活性礦物摻合料。非活性礦物摻合料基本不與水泥組分起反應，如磨細石英砂、石灰石、硬礦渣等材
料。活性礦物摻合料如粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰、沸石粉等本身不硬化或硬化速度很慢，但能與水泥水化生成的C a (OH) 2起反應，生成具有膠凝能力的水化產物。
粉煤灰來源廣泛，是當前用量 、使用范圍最廣的礦物摻合料。根 據 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2017 ,拌制混凝土和砂漿用粉煤灰的技術要求包括細度、需水量比、燒失量、含水量、三氧化硫、游離氧化鈣、安定性、放射性、堿含量和均勻性。按細度、需水量比和燒失量，拌制混凝土和砂漿用粉煤灰可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級，其中Ⅰ級品質 。重要的混凝土工程及大體積工程常常摻入較多的礦物摻合料，這時應根據《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55—2011進行混凝土配合比設計。
二、混凝土的技術性能
混凝土在未凝結硬化前，稱為混凝土拌合物（或稱新拌混凝土）。它必須具有良好的和易性，便于施工，以保證能獲得良好的澆筑質量；混凝土拌合物凝結硬化后，應具有足夠的強度，以保證建筑物能安全地承受設計荷載，并應具有必要的耐久性。
(一）混凝土拌合物的和易性
和易性是指混凝土拌合物易于施工操作（攪拌、運輸、澆筑、搗實）并能獲得質量均勻、成型密實的性能，又稱工作性。和易性是一項綜合的技術性質，包括流動性、黏聚性和保水性三方面的含義。流動性是指混凝土拌合物在自重或機械振搗的作用下，能產生流動，并均勻密實地填滿模板的性能；黏聚性是指在混凝土拌合物的組成材料之間有一定的黏聚力，在施工過程中不致發生分層和離析現象的性能；保水性是指混凝土拌合物具有一定的保水能力，在施工過程中不致產生嚴重泌水現象的性能。
工地上常用坍落度試驗來測定混凝土拌合物的坍落度或坍落擴展度，作為流動性指標，坍落度或坍落擴展度越大表示流動性越大。對坍落度值小于10mm的干硬性混凝土拌合物，則用維勃稠度U作為流動性指標，稠度值越大表示流動性越小。混凝土拌合物的黏聚性和保水性主要通過目測結合經驗進行評定。
影響混凝土拌合物和易性的主要因素包括單位體積用水量、砂率、組成材料的性質、 時間和溫度等。單位體積用水量決定水泥漿的數量和稠度，它是影響混凝土和易性的最主要因素。砂率是指混凝土中砂的質量占砂、石總質量的百分率。組成材料的性質包括水泥的需水量和泌水性、骨料的特性、外加劑和摻合料的特性等幾方面。
(二）混凝土的強度
1、混凝土立方體抗壓強度
按 標準《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2 0 1 9 ,制作邊長為150mm的立方體試件，在標準條件（溫度 20±2T , 相對濕度 9 5 % 以上）下，養護到28d 齡期，測得的抗壓強度值為混凝土立方體試件抗壓強度，以fcu表示，單位為N/mm2或 MPa。
2、混凝土立方體抗壓標準強度與強度等級
混凝土立方體抗壓標準強度（或稱立方體抗壓強度標準值）是指按標準方法制作和養護的邊長為150mm的立方體試件，在 28d 齡期，用標準試驗方法測得的抗壓強度總體分布中具有不低于95%保證率的抗壓強度值，以乂fcu,k表示。
混凝土強度等級是按混凝土立方體抗壓標準強度來劃分的，采用符號C與立方體抗壓強度標準值（單 位 為MPa) 表示。普通混凝土劃分為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75 和 C80 共 14 個等級，C30 即表示混凝土立方體抗壓強度標準值30MPa≤fcu,k＜35MPa。混凝土強度等級是混凝土結構設計、施工質量控制和工程驗收的重要依據。
3、混凝土的軸心抗壓強度
軸心抗壓強度的測定采用150mmX150mmX300mm棱柱體作為標準試件。試驗表明，在立方體抗壓強度fcu= 10〜55MPa的范圍內，軸心抗壓強度fcu=(0.70〜 0.80)fcu。結構設計中混凝土受壓構件的計算采用混凝土的軸心抗壓強度，更加符合工程實際。
4、混凝土的抗拉強度
混凝土抗拉強度只有抗壓強度的1/20〜 1/10,且隨著混凝土強度等級的提高，比值有所降低。在結構設計中抗拉強度是確定混凝土抗裂度的重要指標，有時也用它來間接衡量混凝土與鋼筋的粘結強度等。。
5、影響混凝土強度的因素
影響混凝土強度的因素主要有原材料及生產工藝方面的因素。原材料方面的因素包括水泥強度與水膠比，骨料的種類、質量和數量，外加劑和摻合料；生產工藝方面的因素包括攪拌與振搗，養護的溫度和濕度，齡期。
（三）混凝土的變形性能
混凝土的變形主要分為兩大類：非荷載型變形和荷載型變形。非荷載型變形指物理化學因素引起的變形，包括化學收縮、碳化收縮、干濕變形、溫度變形等。荷載作用下的變形又可分為在短期荷載作用下的變形和長期荷載作用下的徐變。
(四）混凝土的耐久性
混凝土的耐久性是指混凝土抵抗環境介質作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完 整性的能力。它是一個綜合性概念，包括抗滲、抗凍、抗侵蝕、碳化、堿骨料反應及混凝土中的鋼筋銹蝕等性能，這些性能均決定著混凝土經久耐用的程度，故稱為耐久性。
（1）抗滲性。
混凝土的抗滲性直接影響到混凝土的抗凍性和抗侵蝕性。混凝土的抗滲性用抗滲等級表示，分 P4 、P6、P8、P10、P12和>P12共六個等級。混凝土的抗滲性主要與其密實度及內部孔隙的大小和構造有關。
（2）抗凍性。
混凝土的抗凍性用抗凍等級表示，分 F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、F400和> F400共九個等級。抗凍等級F50以上的混凝土簡稱抗凍混凝土。
（3）抗侵蝕性。
當混凝土所處環境中含有侵蝕性介質時，要求混凝土具有抗侵蝕能力。侵蝕性介質包括軟水、硫酸鹽、鎂鹽、碳酸鹽、一般酸、強堿、海水等。
（4）混凝土的碳化（中性化）。
混凝土的碳化是環境中的二氧化碳與水泥石中的氫氧化鈣作用，生成碳酸鈣和水。碳化使混凝土的堿度降低，削弱混凝土對鋼筋的保護作用，可能導致鋼筋銹蝕；碳化顯著增加混凝土的收縮，使混凝土抗壓強度增大，但可能產生細微裂縫，而使混凝土抗拉、抗折強度降低。
（5）堿骨料反應。
堿骨料反應是指水泥中的堿性氧化物含量較高時，會與骨料中所含的活性二氧化硅發生化學反應，并在骨料表面生成堿-硅酸凝膠，吸水后會產較大的體積膨脹，導致混凝土脹裂的現象。
三、混凝土外加劑的功能、種類與應用
(一）外加劑的功能
混凝土外加劑的主要功能包括：
（1）改善混凝土或砂漿拌合物施工時的和易性；
（2）提高混凝土或砂漿的強度及其他物理力學性能；
（3）節約水泥或代替特種水泥；
（4）加速混凝土或砂漿的早期強度發展；
（5) 調節混凝土或砂漿的凝結硬化速度；
（6) 調節混凝土或砂漿的含氣量；
（7) 降低水泥初期水化熱或延緩水化放熱；
（8) 改善拌合物的泌水性；
（9）提高混凝土或砂漿耐各種侵蝕性鹽類的耐腐蝕性；
（10）減弱堿-骨料反應；
（11) 改善混凝土或砂漿的毛細孔結構；
（12) 改善混凝土的泵送性；
（13) 提高鋼筋的抗銹蝕能力；
（14）提高骨料與砂漿界面的粘結力，提高鋼筋與混凝土的握裹力；
（15) 提高新老混凝土界面的粘結力等。
(二)外加劑的分類
混凝土外加劑包括高性能減水劑（早強型、標準型、緩凝型）、高效減水劑（標準型、緩凝型）、普通減水劑（早強型、標準型、緩凝型）、引氣減水劑、泵送劑、早強劑、緩凝劑、引氣劑、防凍劑、膨脹劑、防水劑及速凝劑等多種，可謂種類繁多，功能多樣。我們可按其主要使用功能分為以下四類：
（1）改善混凝土拌合物流動性的外加劑。包括各種減水劑、引氣劑和栗送劑等。
（2）調節混凝土凝結時間、硬化性能的外加劑。包括緩凝劑、早強劑和速凝劑等。
（3）改善混凝土耐久性的外加劑。包括引氣劑、防水劑和阻鎊劑等。
（4）改善混凝土其他性能的外加劑。包括膨脹劑、防凍劑、著色劑等。
（三）外加劑的適用范圍
目前，建筑工程中應用較多和較成熟的外加劑有減水劑、早強劑、緩凝劑、引氣劑、膨脹劑、防凍劑、泵送劑、防水劑等。
（1）混凝土中摻入減水劑，若不減少拌合用水量，能顯著提高拌合物的流動性；當減水而不減少水泥時，可提高混凝土強度；若減水的同時適當減少水泥用量，則可節約水泥。同時，混凝土的耐久性也能得到顯著改善。
（2）早強劑可加速混凝土硬化和早期強度發展，縮短養護周期，加快施工進度，提高模板周轉率，多用于冬期施工或緊急搶修工程。
（3）緩凝劑主要用于高溫季節混凝土、大體積混凝土、泵送與滑模方法施工以及遠距離運輸的商品混凝土等，不宜用于日 氣溫5℃以下施工的混凝土，也不宜用于有早強要求的混凝土和蒸汽養護的混凝土。緩凝劑的水泥品種適應性十分明顯，不同品種水泥的緩凝效果不相同，甚至會出現相反的效果。因此’使用前必須進行試驗，檢測其緩凝效果。
（4）引氣劑是在攪拌混凝土過程中能引入大量均勻分布、穩定而封閉的微小氣泡的外加劑。引氣劑可改善混凝土拌合物的和易性，減少泌水離析，并能提高混凝土的抗滲性和抗凍性。同時，含氣量的增加，混凝土彈性模量降低，對提高混凝土的抗裂性有利。由于大量微氣泡的存在，混凝土的抗壓強度會有所降低。引氣劑適用于抗凍、防滲、抗硫酸鹽、泌水嚴重的混凝土等。
（5）膨脹劑能使混凝土在硬化過程中產生微量體積膨脹。膨脹劑主要有硫鋁酸鈣類、氧化耗類、金屬類等。膨脹劑適用于補償收縮混凝土、填充用膨脹混凝土、灌漿用膨脹砂漿 、自應力混凝土等。含硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑的混凝土（砂漿）不得用于長期環境溫度為80℃以上的工程；含氧化鈣類膨脹劑配制的混凝土（砂漿）不得用于海水或有侵蝕性水的工程。
（6）防凍劑在規定的溫度下，能顯著降低混凝土的冰點，使混凝土液相不凍結或僅部分凍結，從而保證水泥的水化作用，并在一定時間內獲得預期強度。含亞硝酸鹽、碳酸鹽的防凍劑嚴禁用于預應力混凝土結構；含有六價鉻鹽、亞硝酸鹽等有害成分的防凍劑，嚴禁用于飲水工程及與食品相接觸的工程；含有硝銨、尿素等產生刺激性氣味的防凍劑，嚴禁用于辦公、居住等建筑工程。
( 7 ) 栗送劑是用于改善混凝土泵送性能的外加劑。它由減水劑、調凝劑、引氣劑、潤滑劑等多種組分復合而成。泵送劑適用于工業與民用建筑及其他構筑物的泵送施工的混凝土，特別適用于大體積混凝土、高層建筑和超高層建筑，適用于滑模施工等，也適用于水下灌注樁混凝土。
(四）應用外加劑的主要注意事項
外加劑的使用效果受到多種因素的影響，因此，選用外加劑時應特別予以注意。
（1）外加劑的品種應根據工程設計和施工要求選擇。應使用工程原材料，通過試驗及技術經濟比較后確定。所選用的外加劑應有供貨單位提供的下列技術文件：①產品說明書，并應標明產品主要成分；
②出廠檢驗報告及合格證；
③摻外加劑混凝土性能檢驗報告。
（2）幾種外加劑復合使用時，應注意不同品種外加劑之間的相容性及對混凝土性能的影響。使用前應進行試驗，滿足要求后，方可使用。
（3）嚴禁使用對人體產生危害，對環境產生污染的外加劑。用戶應注意工廠提供的混凝土外加劑安全防護措施的有關資料，并遵照執行。
（4）對鋼筋混凝土和有耐久性要求的混凝土，應按有關標準規定嚴格控制混凝土中氯離子含量和堿的數量。混凝土中氯離子含量和總堿量是指其各種原材料所含氯離子和堿含量之和。
（5）由于聚羧酸系高性能減水劑的摻加量對混凝土性能影響較大，用戶應注意按照有關規定準確計量。
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