混凝土是由水泥、砂、石、水、外加剂和外掺料组成，砂、石起骨架作用，水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹砂子形成砂浆，砂浆包裹并填充石子的空隙，硬化后形成一个宏观匀质、微观非匀质的堆聚结构，混凝土是混合材料，其质量由原材料的性质及其相对含量决定的，同时也与施工工艺（拌和、运输、浇筑、养护等）有关。因此，必须了解其原材料的性质、作用及其质量要求，合理选择原材料，以保证混凝土的质量。
（一）水泥
水泥在混凝土中起胶结作用，水泥的品种和强度等级是影响混凝土强度、耐久性及经济性的重要因素。因此正确选择水泥的品种和强度等级是很重要的。
1.品种选择
配制混凝土一般可选用硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥。必要时也可以选用快硬水泥或其他水泥。
选用何种水泥，应根据工程特点和所处的环境条件，参照有关规范规定选用。如混凝土重力坝，属大体积混凝土，宜选用水化热低的水泥，可优先考虑矿渣水泥。
2.强度等级选择
水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。
（二）细集料（砂）
混凝土用集料，按其粒径大小不同分为细集料和粗集料。粒径在0.15～4.75mm之间的集料称为细集料（砂）；粒径大于4.75mm的称为粗集料。粗、细集料的总体积占混凝土体积的70%～80%，因此集料的性能对所配制的混凝土性能有很大影响，为保证混凝土的质量，对集料技术性能的要求主要有：有害杂质含量少；具有良好的颗粒形状，适宜的颗粒级配；表面粗糙，与水泥黏结牢固；性能稳定，坚固耐久等。
混凝土的细集料主要采用天然砂和人工砂。天然砂按其产源不同又可分为河砂、湖砂、山砂及淡化海砂。河砂和海砂由于长期受水流的冲刷作用，颗粒表面比较圆滑、洁净，且产源较广，但海砂中常含有贝壳碎片及可溶盐等有害杂质。山砂颗粒多具棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有机质等有害杂质较多。建筑工程中一般多采用河砂作细骨料。
人工砂是由人工采集的块石经破碎、筛分制成，包括机制砂、混合砂（机制砂和天然砂的混合）。一般在当地缺乏天然砂源时，采用人工砂。
根据《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）规定，砂按细度模数大小分为粗、中、细3种规格，按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ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及有抗冻、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。配制混凝土时所采用的细集料的质量要求有以下几方面。
1.砂中含泥量、石粉含量和泥块含量
含泥量是指砂中粒径小于0.075mm颗粒的含量；泥块含量是指砂中粒径大于1.18mm，经水洗手捏后变成小于0.60mm颗粒的含量。
砂中含泥量影响混凝土的强度。泥块对混凝土的抗压、抗渗、抗冻等性质均有不同程度的影响，尤其是包裹型的泥影响更为严重。泥遇水成浆，胶结在砂石表面，不易分离，影响水泥与砂石的黏结力。天然砂中含泥量、泥块含量应符合表10-1的规定。
2.有害物质
砂中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块、煤渣等杂物。砂中如含有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等，其含量不应超过表10-1的规定。
砂中云母为表面光滑的小薄片，与水泥浆黏结差，会影响混凝土的强度及耐久性。有机物、硫化物及硫酸盐对水泥有侵蚀作用，而氯盐对混凝土中的钢筋有侵蚀作用。
3.砂的坚固性
砂的坚固性是指砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。天然砂采用硫酸钠溶液法进行检验，砂试样在饱和硫酸钠溶液中经5次循环浸渍后，其质量损失应符合表10-2的规定。人工砂采用压碎指标法进行试验，在规定的压力下，压碎指标值应符合表10-2的规定。
表10-1 有害物质含量
a 该指标仅适用于海砂，其他砂种不作要求。
表10-2 砂的坚固性指标
4.颗粒级配与粗细程度
砂的颗粒级配，是表示砂大小颗粒的搭配情况。在混凝土中砂粒之间的空隙是由水泥浆所填充的，空隙率越小，混凝土骨架越密实，所需水泥浆越少，且有助于混凝土强度和耐久性的提高。
砂的粗细程度，是指不同粒径的砂粒，混合在一起后的总体粗细程度。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。混凝土中，砂子的总表面积越大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆就越多。因此，拌制混凝土时，应同时考虑砂的颗粒级配和粗细程度。应选择颗粒级配好、粗细程度均匀的砂。
砂的颗粒级配和粗细程度，用筛分析的方法进行测定。用级配区表示砂的颗粒级配，用细度模数（MX）表示砂的粗细。筛分析的方法，是用一套孔径（净尺寸）为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm及0.15mm的标准筛，将500g质量的干砂试样由粗到细依次过筛，然后称量余留在各个筛上的砂的质量，并计算出各筛上的分计筛余百分率α1、α2、α3、α4、α5、α6（各筛上的筛余量占砂样总量的百分率）及累计筛余百分率A1、A2、A3、A4、A5和A6（各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率的和）。累计筛余率与分计筛余率的关系见表10-3。
根据下列公式计算砂的细度模数MX：
细度模数（MX）越大，表示砂越粗，建筑用砂的规格按细度模数划分，MX在3.7～3.1为粗砂，MX在3.0～2.3为中砂，MX在2.2～1.6为细砂。混凝土用砂以中砂为好。
根据0.60mm筛孔的累计筛余量，分成3个级配区（表10-4），混凝土用砂的颗粒级配，应处于表10-4中的任何一个级配区以内。但砂的实际筛余率，除4.75mm和0.60mm筛号外，允许稍有超出，但其总量不应大于5%。
表10-3 累计筛余率与分计筛余率的关系
表10-4 砂级配区的规定
注 1.砂的实际颗粒级配与表中所列数字相比，除4.75mm和0.6mm筛号外，可以略有超出，但是超出总量应小于5%。
2.Ⅰ区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余率可以放宽到100%～85%。
3.Ⅱ区人工砂中0.15mm筛孔的累计筛余率可以放宽到100%～80%。
4.Ⅲ区人工砂中0.15筛孔的累计筛余率可以放宽到100%～75%。
为便于应用，可将表10-4中的数据，绘制成砂级配曲线图，即以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，画出砂的Ⅰ～Ⅲ区级配曲线，如图10-1所示。使用时，将砂子筛分试验测算的各累计筛余百分率点绘到图10-1中，并连成曲线，然后观察此筛分结果的曲线，只要曲线落在3个区的任何一个区内，判断砂子级配合格。
图10-1 砂的Ⅰ～Ⅲ区级配曲线
一般处于Ⅲ区的砂较粗，属于粗砂，其保水性较差，应适当提高砂率，并保证足够的水泥用量以满足混凝土的和易性；Ⅰ区砂细颗粒多，配制混凝土的黏聚性、保水性易满足，但混凝土干缩性大，容易产生微裂缝，宜适当降低砂率；Ⅱ区砂粗细适中，级配良好，拌制混凝土时宜优先选用。如果砂的自然级配不符合要求，应采用人工级配的方法来改善。最简单的措施是将粗、细砂按适当比例进行掺配。
【例10-1】 某工地取得干砂样500g，筛分析试验结果见表10-5。试分析该砂级配情况并计算细度模数MX。
表10-5 砂样筛分表
【解】 计算出各个筛孔的累计筛余百分率，见表10-6。
表10-6 砂样筛分计算结果
结论：此砂属中砂，对比表10-4可知，此砂属于Ⅱ区砂，级配合格。
砂的物理性质如下。
（1）表观密度、堆积密度和空隙率。建筑用砂应满足表观密度大于2500kg/m3；松散堆积密度大于1350kg/m3；空隙率小于47%。
（2）砂的含水状态。砂的含水状态分干燥、气干、饱和面干及湿润状态。水工混凝土多按饱和面干状态砂作为基准状态设计配合比。工业与民用建筑中则习惯用干燥状态的砂（含水率小于0.5%）及石子（含水率小于0.2%）来设计配合比。
（三）粗集料（石子）
混凝土中的粗集料是指粒径大于4.75mm的岩石颗粒。粗集料是组成混凝土骨架的主要组分，其质量对混凝土工作性、强度及耐久性等有直接影响。因此，粗集料除应满足集料的一般要求外，还应对其颗粒形状、表面状态、强度、粒径及颗粒级配有一定的要求。
常用的粗集料有碎石和卵石。卵石表面光滑，棱角少，空隙率及表面积小，拌制的混凝土水泥浆用量少，和易性较好，但与水泥石胶结力差。在相同条件下，卵石混凝土的强度较碎石混凝土低。碎石表面粗糙，棱角多，较洁净，与水泥浆黏结比较牢固。
根据《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2001）规定，按卵石、碎石技术要求，石子分为三类：Ⅰ类宜用于强度等级大于C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度等级为C30～C60及有抗冻、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。建筑用卵石、碎石技术要求有如下几项。
1.最大粒径及颗粒级配
（1）最大粒径。粗集料中公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。当粗集料粒径增大时，其表面积随之减少。因此，保证一定厚度润滑层所需的水泥浆的数量也相应减少。由试验研究证明，最佳的最大粒径取决于混凝土的水泥用量。当最大粒径小于150mm时，最大粒径增大，水泥用量明显减少；但当最大粒径大于150mm时，对节约水泥并不明显。因此，在大体积混凝土中，条件许可时，应尽量采用较大粒径。在水利、水港等大型工程中最大粒径常采用120mm或150mm。集料最大粒径还受结构形式和配筋疏密限制，根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2015）的规定，混凝土粗集料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，且不得大于钢筋间最小净间距的3/4。对于混凝土实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得超过40mm。
（2）颗粒级配。粗集料的颗粒级配对混凝土的影响与细集料相同，且其影响程度更大。良好的粗集料对提高混凝土强度、耐久性、节约水泥用量是极为有利的。
粗集料的颗粒级配如图10-2所示，与细集料的颗粒级配原理相同。取一套孔径为2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm及90mm的标准方孔筛进行试验，按各筛上的累计筛余百分率划分即可。
图10-2 骨料的颗粒级配
水工混凝土所用粗集料粒径大、用量多，为获得级配良好的粗集料，同时为避免堆放、运输石子时产生分离，常常将石子筛分为若干单粒级，分别堆放，常分为4级，即5～20mm（小石）、20～40mm（中石）、40～80mm（大石）、80～120（或150）mm（特大石）。根据建筑物结构情况及施工条件，确定最大粒径后，在混凝土拌和时再选择采用一级、二级、三级或四级的石子配合使用。若石子最大粒径为20mm，采用一级配，即只用小石一级；最大粒径为40mm，采用二级配，即用小石与中石两粒级组合；最大粒径为80mm，采用三级配，即用小石、中石、大石三粒级组合；最大粒径为120（或150）mm，采用四级配，即用小石、中石、大石、特大石四粒级组合。各级石子的配合比例，需通过试验来确定最佳的比例，其原理为空隙率达到最小或堆密度最大且满足混凝土拌和物和易性要求。(www.xing528.com)
在实际工程中，必须将试验选定的最优级配与料场中天然级配结合起来考虑，要进行调整与平衡计算，以减少集料生产中的弃料。
施工现场的分级石子中往往存在超、逊径现象。超（逊）径是指在某一级石子中混有大于（小于）这一级粒径的石子。规范规定，以原孔筛检验，超径量应小于5%，逊径量应小于10%；以超逊径筛检验，超径为零，逊径量小于2%。若不符合要求，要进行二次筛分或调整集料级配。
《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）规定，粗集料级配应符合表10-7的要求。
表10-7 碎石或卵石的颗粒级配范围（按质量计累计筛余率）%
2.强度及坚固性
为保证混凝土的强度要求，粗集料都必须质地致密、具有足够的强度。碎石或卵石的强度，用岩石立方体强度和压碎指标两种方法表示。在选择采石场或对粗集料强度有严格要求或对质量有争议时，宜用岩石立方体强度做检验。对经常性的生产质量控制则用压碎指标值检验较为简便。
岩石立方体强度是将岩石制成50mm×50mm×50mm的立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下，测其抗压强度（MPa），火成岩试件的强度应不小于80MPa，变质岩应不小于60MPa，水成岩应不小于30MPa。
石子压碎指标的测定，可以间接推测其相应强度，评定石子的质量。压碎指标是将一定质量气干状态下9.5～19.0mm的石子装入一定规格的圆筒内，在压力机上以1k N/s的速度均匀施加荷载到200k N并稳定5s，卸荷后称取试样质量（m0），再用孔径为2.36mm的筛筛除被压碎的细粒，称取试样的筛余量（m1）。
压碎指标为
式中 m0——试样的质量，g；
m1——压碎试验后筛余的试样质量，g。
压碎指标表示石子抵抗压碎的能力，混凝土用碎石或卵石的压碎指标值越小，表示石子抵抗破碎的能力越强。压碎指标应符合表10-8的规定。
表10-8 碎石、卵石压碎指标值
粗集料的坚固性是反映碎石或卵石在自然风化和其他外界物理、化学因素作用下抵抗碎裂的能力，采用硫酸钠溶液法进行检验。按《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的技术要求，石子样品在硫酸钠饱和溶液中经5次循环浸渍后，其质量损失应符合表10-9的规定。
表10-9 碎石或卵石的坚固性指标
3.针片状颗粒含量
凡石子长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径的2.4倍者为针状颗粒，厚度小于平均粒径0.4倍者为片状颗粒。平均粒径指该粒级上、下限粒径尺寸的平均值。针片状颗粒易折断，还会使石子的空隙率增大，对混凝土的和易性及强度影响很大，其含量的限制指标见表10-10。
表10-10 碎石或卵石的针片状颗粒含量
4.有害物质
为保证混凝土的强度及耐久性，对石子中的含泥量、泥块含量、硫化物及硫酸盐含量、有机质含量等必须认真检验，不得大于表10-11所列指标。重要工程所用石子，应进行碱活性检验。
表10-11 碎石和卵石技术要求
续表
5.含泥量和泥块含量
含泥量是指石子中粒径小于75μm的颗粒含量；泥块含量是指石子中粒径大于4.75mm，经水洗手捏后变成小于2.36mm的颗粒含量。
6.表观密度、堆积密度、空隙率
表观密度、堆积密度、空隙率应符合以下规定：表观密度大于2500kg/m3，松散堆积密度大于1350kg/m3，空隙率小于47%。
7.碱集料反应
它指水泥、外加剂等混凝土构成物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。由石子制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，且在规定的试验龄期的膨胀率小于0.10%时，碱集料反应合格。
（四）混凝土拌和及养护用水
对混凝土用水的质量要求是：不影响混凝土的凝结和硬化；无损于混凝土强度发展及耐久性；不加快钢筋锈蚀；不引起预应力钢筋脆断；不污染混凝土表面。因此《混凝土拌合用水标准》（JGJ 63—2006）对混凝土用水提出了具体的质量要求。混凝土用水中各物质含量限值见表10-12。
表10-12 水中物质含量限值
注 碱含量按Na2O+0.658K2O计算值来表示；采用非碱活性骨料时，可不检验碱含量。
混凝土用水，按水源可分为饮用水、地表水、地下水和海水，以及经适当处理或处置过的工业废水，拌制和养护混凝土，宜采用饮用水，地表水和地下水常溶有较多的有机质和矿物盐类，必须按标准规定检验合格后方可使用。海水中含有较多的硫酸盐和氯盐，影响混凝土的耐久性和加速混凝土中钢筋的锈蚀，因此对于钢筋混凝土和预应力混凝土结构，不得采用海水拌制；对有饰面要求的混凝土，也不得采用海水拌制，以免因表面产生盐析而影响装饰效果。工业废水经检验合格后，方可用于拌制混凝土。生活污水的水质比较复杂，不能用于拌制混凝土。
对水质有怀疑时，应将待检水与蒸馏水分别做水泥凝结时间和砂浆或混凝土强度对比试验。对比试验测得水泥初凝时间差、终凝时间差均不大于30min，且其初凝时间和终凝时间应符合水泥国家标准凝结时间的规定。用待检验水配制的水泥砂浆或混凝土的28天抗压强度不得低于用蒸馏水配制的对比砂浆或混凝土强度的90%。
（五）混凝土外加剂
混凝土外加剂（以下简称外加剂）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。
混凝土外加剂的使用是混凝土技术的重大突破，外加剂的掺量虽然很少，却能显著改善混凝土的某些性能。在混凝土中应用外加剂具有投资少、见效快、技术经济效益显著的特点。随着科学技术的不断进步，外加剂使用越来越多，现今外加剂已成为混凝土除4种基本组分以外的第5种重要组分。
根据《混凝土外加剂的分类、命名与定义》（GB 8075—2005），混凝土外加剂按其主要功能可分为4类：
（1）改善混凝土拌和物流变性能的外加剂，包括各种减水剂和泵送剂等。
（2）调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、促凝剂和速凝剂等。
（3）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。
（4）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。
外加剂掺入混凝土拌和物中的方法不同，其效果也不同。
（1）先掺法。它是将粗细集料、外加剂与水泥混合，然后加水搅拌。其优点是使用方便，省去了减水剂溶解、储存、冬季施工的防冻等工序和设施；缺点是塑化效果较差，特别是粉状减水剂受潮易结块或者有较大颗粒不易分散拌匀，直接影响使用效果。
（2）同掺法。它是将外加剂溶解成一定浓度的溶液，搅拌时同粗、细集料、水泥和水一起加入搅拌。同掺法的优点是，与先掺法相比，容易搅拌均匀；与滞水法相比，搅拌时间短，搅拌机生产效率高；另外由于稀释为溶液，对计量和自动化控制比较方便。同掺法的缺点是增加了外加剂的溶解、储存、冬季防冻保温等措施。外加剂中不溶物或溶解度较小的物质易沉淀，造成溶液浓度的差异，因此在使用中应注意充分溶解与搅拌，防止沉淀，随拌随用。
（3）滞水法。它是在搅拌过程中减水剂滞后于加水1～3min（当以溶液加入时称为溶液滞水法；以干粉加入时称为干粉滞水法）。其优点是能提高高效外加剂在某些水泥中的使用效果，可提高流动性、减水率、强度和节约更多的水泥，减少外加剂的掺量，提高外加剂对水泥的适应性；缺点是搅拌时间延长、搅拌机生产效率降低。
（4）后掺法。外加剂不在搅拌时加入，而是在运输途中或在施工现场分几次或一次加入，再经继续或两次、多次搅拌，成为混凝土拌和物。其优点是可减少、抑制混凝土在长距离运输过程中的分层离析和坍落度损失，可提高混凝土拌和物的流动性、减水率、强度和降低外加剂掺量、节约水泥等，并可提高外加剂对水泥的适应性；缺点是需要设置运输车辆及增加搅拌次数，延续搅拌时间。
混凝土外加剂虽然具有改善混凝土的性能、节约水泥用量等特点，但其使用方法和掺量有严格的规定，如不按规定施工，后果是严重的。
（六）混凝土的掺合料（外掺料）
为了节约水泥，改善混凝土性能，在普通混凝土中可掺入一些矿物粉末，称为掺合料，常用的有粉煤灰、硅粉等。
1.粉煤灰
粉煤灰掺入混凝土时，粉煤灰具有火山灰活性作用，它吸收氢氧化钙后生成水化硅酸钙凝胶，成为胶凝材料的一部分；微珠球状颗粒，具有增大混凝土拌和物流动性、减少泌水、改善混凝土和易性的作用。粉煤灰水化反应很慢，它在混凝土中长期以固体颗粒形态存在，具有填充集料空隙的作用，可提高混凝土密实性。粉煤灰可代替部分水泥，成本低廉，可获得显著的经济效益。
混凝土中掺入粉煤灰时，常与减水剂、引气剂或阻锈剂同时掺用，称为双掺技术。减水剂可以克服某些粉煤灰增大混凝土需水量的缺点；引气剂可以解决粉煤灰混凝土抗冻性能较低的问题；阻锈剂可以改善粉煤灰混凝土抗碳化性能，防止钢筋锈蚀。
2.硅粉（硅灰）
硅粉也称硅灰，是从冶炼硅铁和其他硅金属工厂的废烟气中回收的副产品。硅粉呈灰白色，颗粒极细，是水泥粒径的1/50～1/100，比表面积为20～25m2/g。主要成分为SiO2，活性很高，是一种新型改善混凝土性能的掺合料。
硅粉掺入混凝土中，可以改善混凝土拌和物和易性，配制高强混凝土，改善混凝土的孔隙结构，提高耐久性。硅粉混凝土的抗冲磨性随硅粉掺量的增加而提高，硅粉混凝土抗侵蚀性较好。
硅粉掺入混凝土的方法，有内掺法（取代等质量水泥）、外掺法（水泥用量不变）及硅粉和粉煤灰共掺法等多种。无论采用哪种掺法，都必须同时掺入适量高效减水剂，以使硅粉在水泥浆体内充分分散。
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