混凝土组成材料及应用技术

（一）水泥

水泥（Cement）是一种水硬性无机胶凝材料，即加入一定量水后成为塑性浆体，既能在水中硬化，又能在空气中硬化，能将砂、石等颗粒或纤维材料牢固地胶结在一起，具有一定强度的材料，又称为胶结料。水泥是混凝土的最重要组成材料之一，也是决定混凝土性能的最重要部分。

水泥的种类很多，按其用途和性能，可分为通用水泥、专用水泥以及特性水泥三大类型。

通用硅酸盐水泥，简称为通用水泥，指一般用途的水泥，主要用于一般建筑工程，有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥六大系列。

专用水泥，指有专门用途的水泥，主要用于专门建筑工程，例如油井水泥、砌筑水泥等。

特性水泥，指具有某种特殊性能的水泥，主要用于特殊建筑工程，例如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。

水泥也可按其组成分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等类型。不同类型的水泥具有不同的特性，在选用时应予以注意。目前，工程中使用最多的是通用硅酸盐水泥。

1.通用水泥

根据《通用硅酸盐水泥》的规定，以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合料制成的水硬性胶凝材料，称为通用硅酸盐水泥（Common Portland Cement），简称通用水泥。该标准规定的通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。其中，普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥又称为掺合料硅酸盐水泥。

（1）硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、质量分数为0～5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（国外通称为波特兰水泥，Portland Cement）。硅酸盐水泥分两类：不掺混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅰ；掺入量不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。

①硅酸盐水泥熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料的矿物组成为硅酸钙（3CaO·SiO2，简写成C3S）、硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写成C2S）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写成C3A）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写成C4AF）。其中，硅酸三钙和硅酸二钙合称为硅酸盐矿物，约占整个矿物组成的75%，铝酸三钙和铁铝酸四钙合称为溶剂矿物，约占整个矿物组成的22%，此外还含有少量的方镁石、玻璃体和游离氧化钙等。硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的性质见表2.1。

表2.1　硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的性质

②硅酸盐水泥的水化、凝结硬化

水泥加适量水拌和后，水泥中的熟料矿物与水发生化学反应（称为水化反应），生成多种水化产物。随着水化反应的不断进行，水泥浆体逐渐失去流动性和可塑性而凝结硬化。凝结和硬化是同一过程中的不同阶段，凝结标志着水泥浆体失去流动性而具有一定的塑性强度，硬化则表示水泥浆体固化后形成的结构具有一定的机械强度。

硅酸盐水泥的水化是复杂的物理化学过程，水化产物的组成和结构受很多因素的影响。

C3S，C2S与水反应生成水化硅酸钙和氢氧化钙，反应式为

3CaO·SiO2+nH2O＝＝xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

2CaO·SiO2+mH2O＝＝xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

式中　x——钙硅比（C/S）；

n，m——结合水数量。

C3A与水反应生成水化铝酸钙，其反应式为

3CaO·Al2O3+6H2O＝＝3CaO·Al2O3·6H2O

由于C3A的快速反应，加上C3S的反应放出大量热，使温度急剧上升，上述反应迅速进行而出现不可逆的固化现象，此现象称为急凝或瞬凝。因此，水泥在粉磨时都需要掺加一定量的石膏，以保证正常凝结时间，防止急凝的发生，其反应式为

3CaO·Al2O3·6H2O+3（CaSO4·2H2O）+19H2O＝＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O（三硫型水化硫铝酸钙）

铁铝酸四钙的水化反应及产物与C3A极为相似。

硅酸盐水泥水化后的主要产物有水化硅酸钙、氢氧化钙和三硫型水化硫铝酸钙，此外还有少量的单硫型水化硫铝酸钙、水化硫铁铝酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等。

硬化水泥浆体是由各种水化产物和残存熟料所构成的固相、孔隙、存在于孔隙中的水和空气组成的，具有较高的抗压强度和一定的抗折强度。

③硅酸盐水泥的技术要求

为了控制水泥生产质量，方便用户选用，《通用硅酸盐水泥》对水泥技术性质的规定见表2.2。

表2.2　硅酸盐水泥的技术性质

注：①如果水泥压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁含量允许放宽到6.0%。
②当有更低要求时，该指标由买卖双方协商确定。
③碱含量。水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥，水泥中的碱含量应不大于0.60%，或由买卖双方协商确定。
④表中的“R”表示早强型水泥。

④硅酸盐水泥的特性与应用

a.凝结硬化快，早期及后期强度均高。适用于有早期强度要求的工程（如冬季施工、预制、现浇等工程）和高强度混凝土工程（如预应力钢筋混凝土、大坝溢流面混凝土）。

b.抗冻性好。适用于水工混凝土和抗冻性要求高的工程。

c.耐磨性好。适用于高速公路、道路和地面工程。

d.抗碳化性能好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度较高，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度较高的环境。

e.耐腐蚀性差。因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多，不宜用于有腐蚀的工程。

f.水化热高。不宜用于大体积混凝土工程（如采用硅酸盐水泥配制大体积混凝土时，需加入矿物掺合料），但有利于低温季节蓄热法施工。

g.耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高，不适用于承受高温作用的混凝土工程。

（2）掺混合材料的硅酸盐水泥

①普通硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料，质量分数大于5%且不大于20%的活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为普通硅酸盐水泥，简称普通水泥（Ordinary Portland Cement），代号P·O。其中允许用不超过水泥质量8%且符合规定的非活性混合材料或不超过水泥质量5%且符合规定的窑灰代替。

《通用硅酸盐水泥》规定，普通硅酸盐水泥分为42.5，42.5R，52.5，52.5R四个强度等级，各等级水泥在不同龄期的性能要求见表2.3。

表2.3　普通硅酸盐水泥技术性质

注：①如果水泥压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁含量允许放宽到6.0%。
②当有更低要求时，该指标由买卖双方协商确定。
③表中的“R”表示早强型水泥。

与硅酸盐水泥相比，普通硅酸盐水泥的主要性能特点如下：

a.早期强度略低，后期强度较高；

b.水化热略低；

c.抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强；

d.抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好；

e.耐磨性、耐热性较好。

普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥基本相同。

②矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥

a.定义及组成

凡由硅酸盐水泥熟料、质量分数大于20%且不大于70%的粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥），代号P·S，分为A型和B型。矿渣掺量大于20%且不大于50%的称A型，代号P·S·A；矿渣掺量大于50%且不大于70%的称B型，代号P·S·B。

凡由硅酸盐水泥熟料、质量分数大于20%且不大于40%的火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号P·P。

凡由硅酸盐水泥熟料、质量分数大于20%且不大于40%的粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号P·F。

凡由硅酸盐水泥熟料、两种及两种以上规定的混合材料（总掺量大于20%且不大于50%的水泥质量，窑灰不得超过8%）和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P·C。

b.技术要求

细度、凝结时间和体积安定性要求与普通硅酸盐水泥相同。水泥中氧化镁的质量分数一般应不超过6.0%，如超过6.0%，需进行水泥压蒸安定性试验并使其合格。矿渣硅酸盐水泥中三氧化硫的质量分数不得超过4.0%；火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中三氧化硫的质量分数不得超过3.5%。水泥强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，分为32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R。《通用硅酸盐水泥》对矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的规定见表2.4。

表2.4　矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的技术规定

c.特性与使用

矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥都是在硅酸盐水泥熟料基础上掺入较多的活性混合材料，再加上适量石膏共同磨细制成的。由于活性混合材料的掺量较多，且活性混合材料的化学成分基本相同（主要是活性氧化硅和氧化铝），因此它们具有一些相似的性质。这些性质与硅酸盐水泥或普通水泥相比，有明显的不同。由于混合材料结构上的不同，它们相互之间又有一些不同的特性，这些性质决定了各自的特点和应用范围。

矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥的共性如下：

a.密度较小。由于活性混合材料的密度较小，这些水泥的密度一般为2.70～3.10 g/cm3。

b.早期强度较低，后期强度增长率大。由于这些水泥中水泥熟料含量相对较少，加水拌和以后，熟料水化后析出的氢氧化钙作为碱性激发剂激发活性混合材料水化，生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等水化产物。因此，早期强度比较低，后期由于二次水化的不断进行，水化产物不断增多，强度发展较快。

c.对养护温、湿度敏感，适合蒸汽养护。这些水泥在温度较低时，水化速度小于硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，强度增长慢。提高养护温度可以促进活性混合材料的水化，提高早期强度，但对后期强度发展影响不大。

d.水化热小。由于这几种水泥掺入了大量混合材料，水泥熟料含量较少，放热量大的C3A，C3S相对较少。因此，水化热小且放热缓慢，适合于大体积混凝土施工。

e.耐腐蚀性较好。由于熟料含量少，水化生成的氢氧化钙少，而且二次水化还要进一步消耗氢氧化钙，使水泥石结构中氢氧化钙的质量分数更低。因此，抵抗海水、软水及硫酸盐腐蚀性介质的作用较强。但如果火山灰质混合材料中氧化铝含量较高，水化后生成的水化铝酸钙数量较多，则抵抗硫酸盐腐蚀的能力降低。

f.抗冻性、耐磨性不及硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。

矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥的特性如下：

矿渣硅酸盐水泥：矿渣为玻璃态的物质，难磨细，对水的吸附能力差，因此，矿渣硅酸盐水泥保水性差，泌水性大。在混凝土施工中由于泌水而形成毛细管道及水囊，水分的蒸发又容易引起混凝土干缩，影响混凝土的抗渗性、抗冻性及耐磨性等。由于矿渣是在高温下形成的材料，矿渣硅酸盐水泥硬化后氢氧化钙含量较少，因此，矿渣硅酸盐水泥的耐热性比较好。

火山灰质硅酸盐水泥：火山灰质混合材料的结构特点是疏松多孔，内比表面积大。火山灰质硅酸盐水泥的特点是易吸水、易反应。在潮湿的条件下养护可以形成较多的水化产物，水泥石结构比较致密，从而具有较高的抗渗性和耐水性。如处于干燥环境中，所吸收的水分会蒸发，体积收缩，使混凝土产生裂缝。因此，火山灰质硅酸盐水泥不宜用于长期处于干燥环境和水位变化区的混凝土工程。火山灰质硅酸盐水泥抗硫酸盐性能因成分而异，如活性混合材料中氧化铝含量较多，熟料中又含有较多的C3A时，其抗硫酸盐性能较差。

粉煤灰硅酸盐水泥：粉煤灰与其他天然火山灰相比，结构较致密，内比表面积小，有很多球形颗粒，吸水能力较弱，所以粉煤灰硅酸盐水泥需水量比较低，抗裂性较好。尤其适用于大体积水工混凝土以及地下和海港工程等。

复合硅酸盐水泥：复合硅酸盐水泥中掺用两种以上混合材料，其作用会相互补充、取长补短。如矿渣硅酸盐水泥中掺石灰石既能改善矿渣硅酸盐水泥的泌水性，提高早期强度，又能保证后期强度的增长。在需水性大的火山灰质硅酸盐水泥中掺入矿渣等，能有效减少水泥需水量。复合硅酸盐水泥在以矿渣为主要混合材料时，其性能与矿渣硅酸盐水泥接近。而当火山灰质为主要混合材料时，则接近火山灰质硅酸盐水泥的性能。所以，复合硅酸盐水泥使用时应了解所掺的主要混合材料。复合硅酸盐水泥包装袋上均注明了主要混合材料名称。

为了便于识别，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥包装袋上要求采用红字印刷，矿渣硅酸盐水泥包装袋上要求采用绿字印刷，火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥则要求采用黑字或蓝字印刷。

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥是建设工程中常用的水泥，它们的主要性能与应用范围见表2.5。

表2.5　常用水泥的性能与应用范围

2.特性水泥

为了满足各种工程的施工要求，往往还需要一些具有特殊性能的水泥，如快硬硅酸盐水泥、中热和低热水泥、白色和彩色水泥、抗硫酸盐水泥等。

（1）快硬硅酸盐水泥

凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的、以3 d抗压强度表示强度等级的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥）。

《快硬硅酸盐水泥》规定，快硬水泥的初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于10 h。水泥强度等级以3 d抗压强度表示，分为32.5，37.5和42.5三个等级。各龄期的强度均不得低于表2.6的规定。

表2.6　快硬硅酸盐水泥的强度

快硬硅酸盐水泥可用于紧急抢修工程、低温施工工程，可配制早强、高强混凝土。快硬硅酸盐水泥易受潮变质，故储运时应注意防潮，施工时不能与其他水泥混用；其水化热大且比较集中，不适用于大体积混凝土工程。

除快硬硅酸盐水泥外，根据水泥熟料中的主要成分，还有快硬高强铝酸盐水泥、快用铁铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥。

（2）中热水泥和低热矿渣水泥

低水化热硅酸盐水泥（原称大坝水泥），是专门用于要求水化热较低的大坝和大体积混凝土工程的水泥品种。《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》对其作出了相应规定。

中热硅酸盐水泥（简称中热水泥）是以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成具有中等水化热的水硬性胶凝材料，代号P·MH。

低热硅酸盐水泥（简称低热水泥）是以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，代号P·LH。

低热矿渣硅酸盐水泥（简称低热矿渣水泥）是以适当成分的硅酸盐水泥熟料、加入质量分数为20%～60%的粒化高炉矿渣（允许用不超过混合材料总量50%的粒化电炉磷渣或粉煤灰代替部分矿渣）、适量石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，代号P·SLH。

生产低水化热水泥，主要是降低水泥熟料中的高水化热组分，C3S，C3A和f-CaO的含量。中热水泥熟料中，C3S不超过55%，C3A不超过6%，f-CaO不超过1%；低热水泥熟料中，C3S不超过40%，C3A不超过6%，f-CaO不超过1%；低热矿渣水泥熟料中，C3A不超过8%，f-CaO不超过1.2%。各水泥的强度不得低于表2.7的要求，水化热不得高于表2.8的要求。

表2.7　低水化热水泥各龄期强度

表2.8　低水化热水泥各龄期水化热

（3）白色和彩色水泥

①白色硅酸盐水泥

以白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥），代号P·W。

硅酸盐水泥呈暗灰色，主要原因是其含Fe2O3较多[w（Fe2O3）=3%～4%]。当Fe2O3质量分数在0.5%以下，水泥接近白色。白色硅酸盐水泥的生产要求严格控制Fe2O3含量，并尽可能减少Mn O2，TiO2等着色氧化物，因此，白色硅酸盐水泥生产成本较高。

《白色硅酸盐水泥》规定：白水泥的细度要求为0.08 mm方孔筛筛余不得大于10%；初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于10 h；安定性用沸煮法检验必须合格；水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%；强度等级根据3 d和28 d抗压强度和抗折强度，将白水泥划分为32.5，42.5，52.5三个等级。各等级、各龄期的强度要求不得低于表2.9中的数值。

表2.9　白色硅酸盐水泥的强度

白色硅酸盐水泥的白度是将白水泥样品装入标准压样器中，压成表面平整的白板，置于白度仪中，测其对红、绿、蓝三种原色光的反射率，以此反射率与氧化镁标准反射率相比的百分率表示，白度要求不低于87%。

②彩色硅酸盐水泥

彩色硅酸盐水泥，简称彩色水泥，按生产方法分为两类：一类是在白水泥的生料中加入少量金属氧化物，直接烧成彩色水泥熟料，然后再加适量石膏磨细而成；另一类是由白水泥熟料、适量石膏及碱性颜料共同磨细而成。

彩色水泥中加入的颜料，必须具有良好的大气稳定性，不溶于水，分散性好，抗碱性强，不参与水泥的水化反应，对水泥的组成和特性无破坏作用等特点。常用的颜料有氧化铁（黑、红、褐、黄色）、二氧化锰（黑、褐色）、氧化铬（绿色）、钴蓝（蓝色）等。

白水泥和彩色水泥主要用于建筑物内、外装饰（如地面、楼面、墙柱、台阶），建筑立面的线条、装饰图案、雕塑等。配以彩色大理石、白云石石子和石英砂作为粗细骨料，可拌制成彩色砂浆和混凝土，做成水磨石、水刷石、斩假石等装饰面，起到艺术装饰的效果。

（4）抗硫酸盐硅酸盐水泥

抗硫酸盐硅酸盐水泥按其抗硫酸盐侵蚀程度分为中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥两类。

以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入石膏，共同磨细制成的具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为中抗硫酸盐硅酸盐水泥，简称中抗硫酸盐水泥，代号为P·MSR。中抗硫酸盐水泥中C3A的质量分数不得超过5%，C3S的质量分数不得超过55%。

以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入石膏，共同磨细制成的具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为高抗硫酸盐硅酸盐水泥，简称高抗硫酸盐水泥，代号为P·HSR。高抗硫酸盐水泥中C3A的质量分数不得超过3%，C3S的质量分数不得超过50%。

《抗硫酸盐硅酸盐水泥》规定，抗硫酸盐水泥分为32.5和42.5两个强度等级，各龄期的强度值不得低于表2.10的规定。

表2.10　抗硫酸盐硅酸盐水泥各龄期的强度

在抗硫酸盐硅酸盐水泥中，由于限制了水泥熟料中C3A，C4AF和C3S的含量，使水泥的水化热较低，水化铝酸钙的含量较少，抗硫酸盐侵蚀的能力较强，适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、引水、隧道、道路和桥梁基础等大体积混凝土工程。

3.专用水泥

具有专门用途的水泥称为专用水泥，如道路水泥专门用于修筑道路，砌筑水泥专门用于配制砌筑砂浆等。

（1）道路水泥

随着经济建设的发展，高等级公路越来越多，水泥混凝土路面已成为主要路面之一。专供公路、城市道路和机场跑道所用的道路水泥即为专用水泥，并有相应的国家标准《道路硅酸盐水泥》。

以道路硅酸盐水泥熟料、质量分数为0～10%的活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为道路硅酸盐水泥，简称道路水泥。

道路硅酸盐水泥熟料是以硅酸钙为主要成分并且含有较多铁铝酸钙的水泥熟料。在道路硅酸盐水泥中，熟料的化学组成和硅酸盐水泥是完全相同的，只是水泥中铝酸三钙的质量分数不得大于5.0%，铁铝酸四钙的质量分数要大于16.0%。

道路水泥的主要技术指标如下：

细度：比表面积为300～450 m2/kg。

凝结时间：初凝时间不得早于1.5 h，终凝时间不得迟于10 h。

体积安定性：沸煮法检验必须合格。熟料中氧化镁质量分数不得超过5.0%，三氧化硫质量分数不得超过3.5%。

干缩性：根据国家标准规定的水泥干缩性试验方法，28 d的干缩率不得大于0.10%。

耐磨性：根据国家标准规定的试验方法，28 d的磨耗量不得大于3.00 kg/m2。

强度等级：道路硅酸盐水泥分为32.5，42.5，52.5三个强度等级，各龄期的强度值不得低于表2.11中的要求。

表2.11　道路硅酸盐水泥各龄期的强度

道路硅酸盐水泥抗折强度高，耐磨性好，干缩小，抗冻性、抗冲击性、抗硫酸盐性能好，可减少混凝土路面的温度裂缝和磨耗，减少路面维修费用，延长道路使用年限，适用于公路路面、机场跑道、城市人流较多的广场等工程的面层混凝土。

（2）砌筑水泥

我国建筑尤其住宅建筑中，砖混结构仍占很大比例，砌筑砂浆成为需求量很大的建筑材料。通常在配制砌筑砂浆时，会采用低强度32.5级或42.5级的通用水泥，但水泥强度与砂浆强度的比值还是超出了经济比例，为了满足砂浆和易性的要求，又需要较多的水泥，造成较大的浪费。因此，生产砌筑专用的低强度水泥非常有必要。

《砌筑水泥》规定，凡由一种或一种以上的水泥混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细制成的工作性能较好的水硬性胶凝材料，称为砌筑水泥，代号M。

砌筑水泥用混合材料可采用矿渣、粉煤灰、煤矸石、沸腾炉渣和沸石等，掺加量应大于50%，允许掺入适量石灰石或窑灰。凝结时间要求初凝不早于60 min，终凝不迟于12 h；按砂浆吸水后保留的水分计，保水率应不低于80%；安定性用沸煮法检验必须合格；水泥中三氧化硫的质量分数不得超过4.0%；砌筑水泥的强度等级及各龄期强度值应不低于表2.12的要求。

表2.12　砌筑水泥各龄期强度

砌筑水泥适用于砌筑砂浆、内墙抹面砂浆及基础垫层，允许用于生产砌块及瓦等制品。砌筑水泥一般不得用于配制混凝土，通过试验后，允许用于低强度等级混凝土，但不得用于钢筋混凝土等承重结构。

4.其他品种水泥

除了硅酸盐类水泥外，还有铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等系列。

（1）铝酸盐水泥

以石灰岩和矾土为主要原料，配制成适当成分的主料，烧至全部或部分熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料，经磨细而制成的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥，代号C·A。

①分类

铝酸盐水泥按Al2O3质量分数分为四类：

CA-50：50%≤w(Al2O3)＜60%；

CA-60：60%≤w(Al2O3)＜68%；

CA-70：68%≤w(Al2O3)＜77%；

CA-80：77%≤w(Al2O3)。

②技术性质

铝酸盐水泥呈黄、褐或灰色，其密度、堆积密度及细度要求与硅酸盐水泥接近。《铝酸盐水泥》规定：细度要求比表面积不小于300 m2/kg或45μm方孔筛筛余不得超过20%。CA-50，CA-70，CA-80的初凝时间不得早于30 min，终凝时间不得迟于6 h；CA-60的初凝时间不得早于60 min，终凝时间不得迟于18 h。体积安定性必须合格，其强度要求见表2.13。

表2.13　铝酸盐水泥各龄期强度值

注：*表示当用户需要时，生产厂家应提供结果。

③性能及应用

铝酸盐水泥加水后，迅速与水发生水化反应，生成含水铝酸一钙（CAH10）、含水铝酸二钙（C2AH8）和铝胶（AH3），使水泥获得较高的强度。其1 d强度可达3 d强度的80%以上，3 d强度即可达到普通水泥28 d的强度。但由于CAH10和C2AH8是不稳定的，在温度高于30℃的潮湿环境中，会逐渐转化为比较稳定的含水铝酸三钙（C3AH6），温度越高，转化速度越快，并析出游离水，增大了孔隙体积。同时由于C3AH6晶体本身缺陷较多，强度较低，会降低水泥石的强度，使铝酸盐水泥混凝土的长期强度有降低的趋势。此外，铝酸盐水泥的初期水化热比较大，1 d内即可放出水化热总量的70%～80%。

因此，铝酸盐水泥主要用于早期强度高的特殊工程，如紧急军事工程、抢修工程等，也可用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程，但不宜用于大体积混凝土工程及长期承重的结构和高温潮湿环境中的工程。

虽然铝酸盐水泥硬化时不宜在较高温度下进行，但硬化后的水泥石在高温下（1 000℃以上）仍能保持较高强度。这是因为铝酸盐水泥在高温时水化物发生固相反应，以烧结结合取代水化结合。如采用耐火粗、细骨料（铬铁矿等），可以配制使用温度达1 300～1 400℃的耐火混凝土。

由于铝酸盐水泥水化时没有氢氧化钙生成，水化生成的铝胶使水泥石结构致密，抗渗性好，同时具有良好的抗硫酸盐侵蚀等性能，因此可用于有抗渗、抗硫酸盐要求的混凝土工程。但铝酸盐水泥的抗碱性较差，不适用于有碱溶液侵蚀的工程。

此外，严禁铝酸盐水泥与硅酸盐水泥、石灰等材料混用，以免产生瞬凝现象。

（2）快硬硫铝酸盐水泥

①定义及技术指标

以适当的生料经煅烧所得的以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量的石膏，磨细制成的具有早期强度高的水硬性胶凝材料，称为快硬硫铝酸盐水泥，代号R·SAC。

《硫铝酸盐水泥》规定，快硬硫铝酸盐水泥的技术指标如下：

细度：比表面积不得低于350 m2/kg。

凝结时间：初凝时间不得早于25 min，终凝时间不得迟于180 min。

安定性：水泥中不允许出现游离氧化钙。

强度等级：按3 d的抗压强度划分为四个等级。各强度等级、各龄期的强度值见表2.14。

表2.14　快硬硫铝酸盐水泥各龄期强度等级

②快硬硫铝酸盐水泥特性及应用

快硬硫铝酸盐水泥熟料中的无水硫铝酸钙水化快，与掺入石膏反应生成钙矾石晶体和大量的铝胶。生成的钙矾石会迅速结晶形成坚硬的水泥石骨架，铝胶不断填充孔隙，使水泥的凝结时间缩短，获得较高的早期强度。同时随着熟料中C2S不断水化，水化硅酸钙胶体和氢氧化钙晶体不断生成，使后期强度进一步增长。所以，快硬硫铝酸盐水泥的早期强度高，硬化后水泥石结构致密，孔隙率小，抗渗性高，水化产物中氢氧化钙的含量少，抗硫酸盐腐蚀能力强、耐热性差。因此，快硬硫铝酸盐水泥主要用于配制早强、抗渗、抗硫酸盐腐蚀的混凝土工程，可用于冬季施工、浆锚、喷锚支护、节点、抢修、堵漏等工程。此外，由于硫铝酸盐的碱度低，可用于生产各种玻璃纤维制品。

（3）膨胀水泥和自应力水泥

在水化硬化过程中产生体积膨胀的水泥，属于膨胀水泥。一般硅酸盐水泥在空气中硬化时，体积会发生收缩。收缩会使水泥石结构产生微裂缝，降低水泥石结构的密实性，影响结构的抗渗、抗冻、耐腐蚀性能等。膨胀水泥在硬化过程中体积不会发生收缩，还略有膨胀，可以解决由于收缩带来的不利影响。当这种膨胀受到水泥混凝土中钢筋的约束而膨胀率较大时，钢筋和混凝土会一起发生变形，钢筋受到拉力，混凝土受到压力，这种压力是水泥水化产生的体积变化所引起的，所以称为自应力。自应力值大于2 MPa的水泥称为自应力水泥。

膨胀水泥按膨胀值不同，分为膨胀水泥和自应力水泥。膨胀水泥的线膨胀率一般在1%以下，相当于或稍大于一般水泥的收缩率，可以补偿收缩，所以又称补偿收缩水泥或无收缩水泥。自应力水泥的线膨胀率一般为1%～3%，膨胀值较大，在限制条件（如配有钢筋）下，使混凝土受到压应力，从而达到预应力的目的。

常用的膨胀水泥及其主要用途如下：

①硅酸盐膨胀水泥。主要用于制造防水砂浆和防水混凝土。适用于加固结构、浇筑机械底座或固结地脚螺栓，并可用于接缝及修补工程。但禁止在有硫酸盐侵蚀的水中工程中使用。

②低热微膨胀水泥。主要用于要求较低水化热和要求补偿收缩的混凝土、大体积混凝土，也适用于要求抗渗和抗硫酸盐侵蚀的工程。

③硫铝酸盐膨胀水泥。主要用于浇筑构件节点及抗渗和补偿收缩的混凝土工程中。

④自应力水泥。主要用于自应力钢筋混凝土压力管及其配件。常用的自应力水泥为自应力硅酸盐水泥，其定义及技术要求满足《自应力硅酸盐水泥》的规定。

5.水泥的选择

根据混凝土的使用要求，选用水泥时必须考虑以下技术条件。

（1）选用优质水泥

为了保证工程质量，在使用时首先要选择优质水泥。目前来看，优质水泥应具有如下特点：配制混凝土时需水量低、流动性好、与外加剂有较好的相容性；具有较高的胶砂强度，在配制混凝土时，能减少水泥用量，增大矿物掺合料的用量；水泥的颗粒分布合理，具有良好的工作性和耐久性；严格限制水泥中的有害组分，如碱含量、氯离子含量等。

（2）水泥与混凝土的强度等级要相适应

水泥强度等级应与混凝土的设计强度等级相适应。水泥强度等级过高，会使混凝土的水泥用量过少，影响拌和物和易性及混凝土密实度；水泥强度等级过低，会使混凝土中水泥用量过多，不经济，而且对混凝土的其他技术性能也会产生不利影响。

（3）正确选用水泥品种

品种不同的水泥其技术性能不同，适用范围也不同，因此，在实际生产和施工中应根据具体情况选用合适的水泥。

（4）注意妥善贮存和使用水泥

在水泥的运输和贮存过程中，不得混入杂物。不同品种、强度等级及出厂日期的水泥，应分别贮存，并加以标识，不得混杂。散装水泥应分库存放。袋装水泥堆放时应考虑防潮、防水，堆置高度一般不应超过10袋，每平方米可堆放1 t左右。使用时应遵循先存先用的原则，因为水泥受潮后会发生水化作用，凝结成块，严重时，会全部结块而不能使用。水泥的贮存时间一般不应超过3个月。贮存3个月，强度降低10%～20%；贮存6个月，强度降低15%～30%；贮存1年，强度降低25%～40%。因此，需要对过期水泥进行检查，重新确定水泥强度，并按实际确定的强度等级使用。

（二）骨料

混凝土的骨料（又称集料），按其粒径大小可分为细骨料和粗骨料；按密度大小可分为重骨料、普通骨料及轻骨料。粒径为0.16～5.00 mm的岩石颗粒称为细骨料；粒径大于5.00 mm的岩石颗粒称为粗骨料。粗细骨料的总体积占混凝土体积的70%～80%，因此骨料的性能对所配制的混凝土性能影响很大。

1.细骨料

混凝土的细骨料主要采用天然砂和人工砂。按规定，砂的表观密度一般大于2 500 kg/m3，松散密度大于1 350 kg/m3，孔隙率小于47%。

天然砂主要有河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。河砂和海砂由于长期受河流的冲刷作用，颗粒表面比较圆滑、洁净，且产源较广。海砂中常含有贝壳碎片及可溶性盐等有害杂质。山砂颗粒多具有棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有机质等有害杂质较多。建筑工程多采用河砂。

人工砂为经除土处理的机制砂和混合砂的统称。机制砂是由机械破碎、筛分制成的，其颗粒尖锐、有棱角、较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多，成本较高。混合砂是由机制砂和天然砂混合制成的。一般在当地缺乏天然砂源时，采用人工砂。

根据《建设用砂》《建设用卵石碎石》《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求，配制混凝土时所采用的细骨料（砂）的质量要求主要有以下几方面。

（1）砂的颗粒级配及粗细程度

①砂的颗粒级配

砂的颗粒级配是指砂的大小颗粒的搭配情况。如果混凝土中是同样粗细的砂，孔隙最大；两种不同粒径的砂搭配起来，孔隙减小；而三种不同粒径的砂搭配在一起，孔隙就更小。由此可见，混凝土用砂应该有较好的颗粒级配，级配良好的砂可获得较小的孔隙率和比表面积。这样可以改善水泥以及混凝土的和易性，提高混凝土的强度和耐久性。

②砂的粗细程度

砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后总体的粗细程度。在相同质量的条件下，细砂的总表面积大，而粗砂的总表面积小。在混凝土中，砂子的总表面积越大，则包裹砂粒表面的水泥浆需用量越多。因此，一般来说，用粗砂粒拌制混凝土比用细砂拌制混凝土节省水泥浆。

③砂的颗粒级配和粗细程度的评定方法

在拌制混凝土时，砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑，常用筛分法测定。筛分法就是采用一套标准的方孔筛（方孔筛筛孔边长尺寸、砂的公称粒径和砂筛筛孔公称直径的对照关系见表2.15），孔径依次为4.75，2.36，1.18，0.60，0.30，0.15（以mm为单位）。将500 g的干砂试样由粗到细依次过筛，然后称得余留在各筛上砂的筛余量，记为mi，i=1～6，计算各筛上的分计筛余百分率ai，i=1～6（各筛上的筛余量占砂样总量的质量百分率）及累计筛余百分率Ai，i=1～6（各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率相加在一起）。

表2.15　方孔筛筛孔边长尺寸、砂的公称粒径和砂筛筛孔公称直径的对照关系

累计筛余与分计筛余的关系见表2.16。

表2.16　累计筛余与分计筛余的关系

砂的细度模数μf的计算公式如下：

μf的范围应符合下列规定：

粗砂：μf=3.7～3.1；中砂：μf=3.0～2.3；细砂：μf=2.2～1.6；特细砂：μf=1.5～0.7。

除特细砂外，砂的颗粒级配可按公称直径630μm筛孔的累计筛余百分率，分成三个级配区，见表2.17，砂的颗粒级配应处于表2.17中的某一区内。

为了更直观地反映砂的颗粒级配，可根据表2.17中的数值，以累计筛余百分率为纵坐标，筛孔尺寸为横坐标，绘制砂的级配曲线图（图2.1）。通过比较所测定的砂的筛分曲线是否完全落在三个级配区的任一区内，即可判定该砂是否合格，同时也可根据筛分曲线的偏向情况，大致判断砂的粗细程度。

配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂；当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性要求；当采用Ⅲ区砂时，宜适当降低砂率；当采用特细砂时，应符合相应的规定。泵送混凝土，应选用中砂。

表2.17　砂的颗粒级配区

注：砂的实际颗粒级配与表中数据相比，除公称直径为5.00 mm和630μm的累计筛余百分率外，其余公称粒径的累计筛余百分率可稍超出分界线，但超出总量不大于5%。

图2.1　骨料颗粒级配示意图

（2）砂的含泥量、泥块含量和石粉含量

砂的含泥量是指天然砂中粒径小于80μm的颗粒含量；泥块含量是指砂中公称粒径大于1.25 mm，经水洗、手捏后变成小于630μm的颗粒含量。泥通常包裹在颗粒表面，会妨碍水泥浆与砂的黏结，使混凝土的强度、耐久性降低。砂的含泥量和泥块含量应符合表2.18的规定。

表2.18　砂的含泥量和泥块含量

注：①对有抗渗、抗冻或其他特殊要求的小于或等于C25的混凝土用砂，其含泥量不应大于3.0%。
②对有抗渗、抗冻或其他特殊要求的小于或等于C25的混凝土用砂，其泥块含量不应大于1.0%。

石粉含量是指人工砂中公称粒径小于80μm，且矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的颗粒含量。过多的石粉含量会妨碍水泥与骨料的黏结，对混凝土无益，但适量的石粉含量不仅可以弥补人工砂颗粒多棱角对混凝土带来的不利，还可以完善砂子的级配，提高混凝土的密实性，进而提高混凝土的综合性能，这对混凝土有益。因此，人工砂中石粉含量的要求可适当降低，见表2.19。

表2.19　人工砂中石粉含量

（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的作用下，抵抗破坏的能力。按标准规定，砂的坚固性应采用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后，其质量损失应符合表2.20的规定。

表2.20　砂的坚固性指标

（4）砂的有害物质含量

配制混凝土时，要求用砂清洁、不含杂质，以保证混凝土的质量。当砂中含有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐等有害物质时，其含量应符合表2.21的规定。

表2.21　砂中有害物质含量

注：①对有抗冻、抗渗要求的混凝土用砖，其云母含量不应大于1.0%。
②砂中含有颗粒状硫酸盐或硫化物杂质时，应进行专门检验，确认能满足混凝土耐久性要求后，方可使用。

（5）砂的其他指标

①对于长期处于潮湿环境的重要混凝土结构用砂，应采用砂浆棒（快速法）或砂浆长度法进行骨料的碱活性检验。经上述检验判断有潜在危害时，应控制混凝土中的碱含量不超过3 kg/m3，或采用能抑制碱-骨料反应的有效措施。

②对于钢筋混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.06%（按干砂的质量计）；对于预应力混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.02%（按干砂的质量计）。

③海砂中贝壳含量应符合表2.22的规定。

表2.22　海砂中贝壳的含量

注：对有抗冻、抗渗或其他特殊要求的小于或等于C25混凝土用砂，其贝壳含量不应大于5%。

2.粗骨料

普通混凝土常用的粗骨料分为碎石和卵石两类。碎石大多数是由天然岩石经破碎、筛分而得的，公称粒径大于5.00 mm。卵石是由天然岩石经自然风化、崩裂、水流搬运而成的，公称粒径大于5.00 mm。碎石与卵石相比，表面比较粗糙、多棱角、表面积大、孔隙率大，与水泥的黏结强度较高。因此，在水灰比相同的条件下，用碎石拌制的混凝土，流动性较小，但强度较高；而卵石正相反，流动性大，但强度低。

根据《建设用砂》《建设用卵石、碎石》《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的规定，配制混凝土粗骨料的质量及技术要求有以下几方面。

（1）颗粒级配及最大粒径

①颗粒级配

粗骨料的颗粒级配也是通过筛分试验来确定的，其方孔标准筛的孔径分为2.36，4.75，9.50，16.0，19.0，26.5，31.5，37.5，53.0，63.0，75.0，90.0（以mm为单位）共12种筛。各筛的累计筛余百分率需符合表2.23的规定。累计筛余百分率的计算方法与砂的相同。

碎石和卵石的颗粒级配按供应情况分为连续级配和单粒级两种。连续级配是按颗粒尺寸由小到大连续分级，每级骨料都占有一定的比例。连续级配颗粒级差小，颗粒上、下限粒径之比接近2，配制的混凝土拌和物和易性好，不易发生离析，应用较为广泛。

对于大部分颗粒粒径集中在某一种或两种粒径上的颗粒称为单粒级。单粒级骨料便于分级储运。通过不同的组合，可以配制不同要求的骨料级配，以保证混凝土的质量。工程中不宜采用单粒级粗骨料配制混凝土。

表2.23　碎石或卵石的颗粒级配范围

续表

②最大粒径

粗骨料公称粒径的上限称为该粒级的最大粒径。在骨料中，最大粒径增大将使骨料的总比表面积减小，因此包裹粗骨料所需的水泥浆用量就减少，在一定和易性和水泥用量条件下，可减少用水量而提高混凝土强度。对中低强度的混凝土，尽量选择最大粒径的粗骨料，但通常不宜大于40 mm。

混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋最小净距的3/4；对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1/3板厚的骨料，但最大粒径不得超过40 mm；对于泵送混凝土，碎石最大粒径与输送管道内径之比宜小于或等于1∶3，卵石宜小于或等于1∶2.5。

（2）颗粒形状和表面特征

骨料颗粒形状一般有多面体形、球形、棱角形、针状和片状等几种类型。比较理想的骨料是接近正多面体或球形颗粒。当骨料中针状、片状颗粒含量超过一定界限时，将使骨料孔隙率增加，不仅影响混凝土拌和物的拌和性能，而且还会不同程度地危害混凝土的强度和耐久性。凡岩石颗粒的长度大于该颗粒所属粒级平均粒径的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、下限粒径的平均值。碎石或卵石中针状、片状颗粒含量应符合表2.24的规定。

表2.24　碎石或卵石和针状、片状颗粒含量

粗骨料的表面特征主要指表面的粗糙度和孔隙特征，它们将影响骨料和水泥浆之间的黏结力，从而影响混凝土的强度，尤其是抗弯强度，而对于高强混凝土，这种影响更为显著。一般来说，表面粗糙多孔的骨料，其与水泥浆的黏结力较强；反之，表面圆滑的骨料，与水泥浆的黏结力较差。在水灰比较低的相同条件下，碎石混凝土较卵石混凝土的强度约高10%。

（3）含泥量、泥块含量

碎石或卵石中含泥量和泥块含量应符合表2.25的规定。

表2.25　碎石或卵石中含泥量和泥块含量

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注：①对有抗冻、抗渗或其他特殊要求的混凝土，其所用碎石或卵石中含泥量不应大于1.0%。
②当碎石或卵石的含泥量是非黏土质的石粉时，其含泥量可由表中数据调至1.0%，1.5%，3.0%。
③对有抗冻、抗渗或其他特殊要求的强度等级小于C30的混凝土，其所用碎石或卵石中泥块含量不应大于0.5%。

（4）强度

骨料在混凝土中起骨架作用，因此必须具有足够的强度，碎石和卵石的强度采用岩石立方体抗压强度和压碎指标两种方法检验。根据混凝土不同强度等级，采用岩石抗压强度检验。岩石强度应由生产单位提供，工程中可采用压碎指标进行质量控制。

碎石立方体强度检验是将碎石的母岩制成直径和高均为50 mm的圆柱体或边长为50 mm的立方体，测其水饱状态的抗压强度值。碎石和卵石的压碎指标试验是将公称粒径为10.0～20.0 mm的一定质量气干状态下的石子装入标准圆模内，置于压力机上在160～300 s内均匀加荷至200 kN，稳定5 s，然后卸荷，取出测定筒。倒出筒中的试样并称其质量m0，用公称直径为2.50 mm的方孔筛筛余被压碎的细颗粒，称出余留在筛上的试样质量m1，则压碎指标δa（精确至0.1%）的计算公式为

式中　δa——压碎指标值；

m0——试样的质量，g；

m1——经压碎试验后筛余的试样质量，g。

压碎指标值越小，表示石子抵抗受压破坏的能力越强。碎石和卵石的压碎指标应符合表2.26和表2.27的规定。

表2.26　碎石的压碎指标

表2.27　卵石的压碎指标

（5）坚固性

坚固性是指骨料在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破坏的能力。骨料会由于干湿循环或冻融交替等作用引起体积变化导致混凝土破坏。骨料越密实、强度越高、吸水性越小，其坚固性越高，而结构越酥松、矿物成分越复杂、结构越不均匀，其坚固性越差。

碎石或卵石的坚固性应用硫酸钠溶液法进行检验，试样经5次循环后，其质量损失应符合表2.28的规定。

表2.28　碎石或卵石的坚固性指标

（6）有害物质含量

碎石或卵石中的硫化物和硫酸盐含量以及卵石中有机物等有害物质含量，应符合表2.29的规定。

表2.29　碎石或卵石中的有害物质含量

注：当碎石或卵石中含有颗粒状硫酸盐或硫化物杂质时，应进行专门检验，确认能满足混凝土耐久性要求后，方可采用。

（7）碱活性骨料

碱活性骨料是指能在一定条件下与混凝土中的碱发生化学反应导致混凝土产生膨胀、开裂甚至破坏的骨料。

对于长期处于潮湿环境的重要结构混凝土，其所使用的碎石或卵石应进行碱活性检验。进行碱活性检验时，首先采用岩相法检验碱活性骨料的品种、类型和数量。当检验出骨料中含有活性二氧化硅时，应采用快速砂浆棒法和砂浆长度法进行碱活性检验；当检验出骨料中含有活性碳酸盐时，应采用岩石柱法进行碱活性检验。

经上述检验，当判定骨料存在潜在碱-碳酸盐反应危害时，不宜用作混凝土骨料，否则，应通过专门的混凝土试验，再做最后评定。

当判定骨料存在潜在碱-硅反应危害时，应控制混凝土中的碱含量不超过3 kg/m2，或采用能抑制碱-骨料反应的有效措施。

3.轻骨料

轻骨料又称轻集料，是堆积密度不大于1 100 kg/m3的轻骨料和堆积密度不大于1 200 kg/m3的轻细骨料的总称。

按骨料来源不同，轻骨料可分为：①天然轻骨料，主要有浮石（一种火山爆发岩浆喷出后，由于其他作用发生膨胀冷却后形成的多孔岩石），经破碎成一定粒度即可作为轻质骨料。②人造轻骨料，主要有陶粒和膨胀珍珠岩等。陶粒是一种由黏土质材料（如黏土、页岩、粉煤灰、煤岩石）经破碎、粉磨等工序制成生料，然后加适量水成球，经1 100℃煅烧而形成的具有陶瓷性能的多孔球粒，粒径一般为2～20 mm，其中5 mm以下的为陶砂，5 mm以上的为陶粒；膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩矿经加热膨胀而成的多孔材料，密度很小，仅200～300 kg/m3，是一种优良的保温隔热材料，但强度较低，用作骨料时，不能用于配制结构用轻质混凝土。③工业废渣轻骨料，主要有矿渣、膨胀矿渣珠、自然煤岩石等。

轻骨料的主要性能指标有颗粒级配、堆积密度、强度和软化系数等。《轻骨料混凝土技术规定》给出了相应的技术指标。轻粗骨料级配是用标准筛的筛余值控制的，而且用途不同，级配要求也不同，保温及结构保温轻骨料混凝土用的轻骨料其最大粒径不宜大于20 mm，轻粗骨料的级配应符合表2.30的要求，其自然级配的孔隙率不应大于50%。轻砂的细度模数不宜大于4.0，其大于5 mm的累计筛余百分率不宜大于10%（按质量计）。

表2.30　轻粗骨料的级配

轻骨料的堆积密度等级按表2.31划分，其实际堆积密度的变异系数：对圆球形和普通形轻粗骨料不应大于0.10，碎石型轻骨料不应大于0.15。

轻骨料的强度不是以单粒强度来表征，而是以筒压强度和强度标号来衡量的。轻粗骨料的筒压强度和强度标号应不小于表2.32的规定值。

表2.31　轻骨料密度等级

表2.32　轻粗骨料的筒压强度及强度标号

注：碎石形天然轻骨料取斜线以左值；其他碎石轻骨料取斜线以右值。

轻骨料的孔隙率很高，因此，吸水率比普通骨料大得多。不同轻骨料由于孔隙率及孔隙特征差别，吸水率往往也相差较多。现行标准中对轻砂和天然轻骨料的吸水率不作规定，其他轻骨料的吸水率不应大于22%。

（三）混凝土用水

混凝土用水是混凝土拌和用水和混凝土养护用水的总称，包括饮用水、地表水、地下水、再生水、混凝土企业设备洗刷水和海水等。《混凝土用水标准》规定，混凝土用水的水质应符合下列要求。

1.混凝土拌和用水

（1）混凝土拌和用水水质要求应符合表2.33的规定。对于设计使用年限为100年的结构混凝土，氯离子含量不得超过500 mg/L；对使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量不得超过350 mg/L。

表2.33　混凝土拌和用水水质要求

注：碱含量按Na2O+0.658K2O计算值来表示。采用非活性骨料时，可不检验碱含量。

（2）地表水、地下水、再生水的放射性应符合《生活饮用水卫生标准》的规定。

（3）被检验水样应与饮用水样进行水泥凝结时间对比试验。对比试验的水泥初凝时间差及终凝时间差不应大于30 min。同时，初凝和终凝应符合《通用硅酸盐水泥》的规定。

（4）被检验水样应与饮用水样进行水泥胶砂强度对比试验，被检验水样配制的水泥胶砂3 d和28 d强度不低于饮用水配制的水泥胶砂3 d和28 d强度的90%。

（5）混凝土拌和用水不应有明显漂浮的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味。

（6）混凝土企业设备洗刷水不宜用于预应力混凝土、装饰混凝土、加气混凝土和暴露于腐蚀环境的混凝土，不得用于使用碱活性或潜在碱活性骨料的混凝土。

（7）未经处理的海水严禁用于钢筋混凝土和预应力混凝土。

（8）在无法获得水源的情况下，海水可用于素混凝土，但不宜用于装饰混凝土。

2.混凝土养护用水

（1）混凝土养护用水可不检验不溶物和可溶物，其他检验项目应符合“混凝土拌和用水”的相关规定。

（2）混凝土养护用水可不检验水泥凝结时间和水泥胶砂强度。

（四）混凝土外加剂

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硬化混凝土性能的材料，其掺量通常不大于水泥质量的5%。外加剂的掺量虽小，但其技术经济效果显著，因此，外加剂已成为混凝土的重要组成部分。

1.分类及技术要求

（1）外加剂的种类

根据《混凝土外加剂术语》的规定，混凝土外加剂按其主要功能分为四类：

①改善混凝土拌和物流动性的外加剂，包括各种减水剂和泵送剂等；

②调节凝结时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、促凝剂、速凝剂等；

③改善混凝土耐久性的外加剂，包括引气剂、防水剂和阻锈剂等；

④改善混凝土其他性能的外加剂，包括防冻剂、膨胀剂、着色剂等。

（2）外加剂的主要技术要求

根据国家标准《混凝土外加剂》，混凝土外加剂的主要技术要求如下：

①减水率

减水率为坍落度基本相同时基准混凝土和掺外加剂混凝土单位用水量之差与基准混凝土单位用水量之比，其计算公式为

式中　WR——减水率；

W0——基准混凝土单位用水量，kg/m3；

W1——掺外加剂混凝土单位用水量，kg/m3。

②泌水率比

泌水率比BR为掺外加剂混凝土泌水率Bt与基准混凝土泌水率Bc之比，其计算公式为

③凝结时间差

掺外加剂混凝土的初凝或终凝时间与基准混凝土的初凝或终凝时间之差，其计算公式为

ΔT=Tt-Tc　(2.5)

式中　ΔT——凝结时间之差，min；

Tt——掺外加剂混凝土的初凝或终凝时间，min；

Tc——基准混凝土的初凝或终凝时间，min。

④抗压强度比

抗压强度比为掺外加剂混凝土与基准混凝土同龄期抗压强度之比，其计算公式为

式中　Rf——抗压强度比；

ft——掺外加剂混凝土的抗压强度，MPa；

fc——基准混凝土的抗压强度，MPa。

⑤收缩率比

收缩率比为龄期28 d时掺外加剂混凝土与基准混凝土干缩率的比值，其计算公式为

式中　Rε——收缩率比；

εt——掺外加剂混凝土的收缩率；

εc——基准混凝土的收缩率。

⑥相对耐久性指标

相对耐久性指标是以掺外加剂混凝土冻融200次后的动弹性模量降低至80%或60%以上评定外加剂质量。

混凝土外加剂的主要技术要求（即掺外加剂混凝土的性能指标）见表2.34。在生产过程中，控制的项目有：含固量或含水量、密度、氯离子含量、细度、pH、表面张力、还原糖、总碱量（Na2O+0.658K2O）/硫酸钠、泡沫性能、水泥净浆流动度或砂浆减水率，其匀质性按《混凝土外加剂匀质性试验方法》测试，应符合《混凝土外加剂》的相关要求。

2.常用外加剂

（1）减水剂

减水剂是当前品种最多、应用最广的一种外加剂，根据其功能分为普通减水剂（在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌和水用量的外加剂）、高效减水剂（在混凝土坍落度基本相同的条件下，能大幅度减少拌和水用量的外加剂）、高性能减水剂（比高效减水剂具有更高的减水率、更好的坍落度保持性能，且具有一定引气性能的减水剂）、早强减水剂（兼有早强和减水功能的外加剂）、缓凝减水剂（兼有缓凝和减水功能的外加剂）、引气减水剂（兼有引气和减水功能的外加剂）等。

减水剂按其主要化学成分分为木质素磺酸盐系、多环芳香族磺酸盐系、水溶性树脂磺酸盐系、糖钙、腐殖酸盐、聚羧酸、脂肪族及氨基磺酸盐等。

各种减水剂尽管成分不同，但均为表面活性剂，所以其减水作用机理相似。表面活性剂是具有显著改变（通常为降低）液体表面张力或二相间界面张力的物质，其分子由亲水基团和憎水基团两个部分组成。表面活性剂加入水溶液后，其分子中的亲水基团指向溶液，憎水基团指向空气、固体或非极性液体并作定向排列，形成定向吸附膜而降低水的表面张力和二相间的界面张力，在液体中显示出表面活性作用。

当水泥浆体中加入减水剂后，减水剂分子中的憎水基团定向吸附于水泥质点表面，亲水基团指向水溶液，在水泥颗粒表面形成单分子或多分子吸附膜，在电斥力作用下，使原来水泥加水后由于水泥颗粒间分子凝聚力等多种因素而形成的絮凝结构打开，把束缚在絮凝结构中的游离水释放出来，这就是由减水剂分子吸附产生的分散作用。

水泥加水后，水泥颗粒被水湿润，湿润越好，在具有同样工作性能的情况下所需的拌和水用量也就越少，且水泥水化速度亦加快。当存在表面活性剂时，可降低水的表面张力和水与水泥颗粒间的界面张力，从而使水泥颗粒易于湿润、利于水化。同时，减水剂分子定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团指向溶液，水泥颗粒表面的溶剂化层增厚，增加了水泥颗粒间的滑动能力，又起到润滑作用，若是引气型减水剂，则润滑作用更为明显。

综上所述，混凝土中掺加减水剂后可获得改善和易性或减水增强能力或节省水泥等多种效果，同时混凝土的耐久性也能得到显著改善。

①普通减水剂

普通减水剂的主要成分为木质素磺酸盐，通常由亚硫酸盐法生产纸浆的副产品制得，常用的有木钙、木钠和木镁，其具有一定的缓凝、减水和引气作用。以其为原料，加入不同类型的调凝剂，可制得不同类型的减水剂，如早强型、标准型和缓凝型的减水剂。

②高效减水剂

高效减水剂不同于普通减水剂，具有较高的减水率，较低的引气量，是我国使用量大面广的外加剂品种。目前，我国使用的高效减水剂品种较多，主要有以下几种：萘系减水剂；氨基磺酸盐系减水剂；脂肪族（醛酮缩合物）减水剂；密胺系及改性密胺系减水剂；蒽系减水剂；油系减水剂。

表2.34　混凝土外加剂的主要技术要求

注：①除含气量外，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。
②凝结时间指标，“-”号表示提前，“+”号表示延缓。
③相对耐久性指标一栏中，“200次≥80或60”表示将28d龄期的掺外加剂混凝土试件冻融循环200次后，动弹性模量保留值≥80%或60%。
④对于可以用高频振捣排除由外加剂所引入的气泡的产品，允许采用高频振捣，并于包装上注明“用于高频振捣的××剂”。

③缓凝型高效减水剂

缓凝型高效减水剂是以上述各种高效减水剂为主要组分，再复合各种适量的缓凝组分或其他功能性组分而成的外加剂。

④高性能减水剂

高性能减水剂是国内近年来开发的新型外加剂品种，目前主要为聚羧酸盐类产品。它具有“梳状”的结构特点，由带有游离的羧酸阴离子团的主链和聚氧乙烯基侧链组成，通过改变单体的种类、比例和反应条件可生产具有各种不同性能和特性的高性能减水剂。早强型、标准型和缓凝型高性能减水剂可由分子设计引入不同功能团而产生，也可掺入不同组分复配而成。其主要特点如下：

a.掺量低（按照固体含量计算，一般为胶凝材料质量的0.15%～0.25%），减水效率高；

b.混凝土拌和物工作性及工作性保持性较好；

c.外加剂中氯离子和碱含量较低；

d.用其配制的混凝土收缩率较小，可改善混凝土的体积稳定性和耐久性；

e.水泥的适应性好；

f.生产和使用过程中不污染环境，是环保型的外加剂。

（2）早强剂

早强剂是能提高混凝土早期强度，并对后期强度无显著影响的外加剂。不加早强剂的混凝土从开始拌和到凝结硬化形成一定的强度，都需要一段较长的时间，为了缩短施工周期，例如加速模板的周转、缩短混凝土的养护时间、快速达到混凝土冬季施工的临界强度等，常需要掺入早强剂。目前常用的早强剂有氯盐、硫酸盐、有机醇胺三大类以及以它们为基础的复合早强剂。

①氯盐类早强剂

氯盐加入混凝土中促进其硬化和早强的机理可以从两方面加以分析。一是增加水泥颗粒的分散度。加入氯盐后，能使水泥在水中充分分解，增加水泥颗粒对水的吸附能力，促进水泥的水化和硬化速度加快。二是氯盐与水泥熟料矿物发生化学反应。氯盐首先与C3S水解析出的Ca（OH）2作用，形成氧氯化钙[CaCl2·3Ca（OH）2·12H2O]和[CaCl2·Ca（OH）2·H2O]，并与水泥组分中的C3A作用生成氯铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaCl2·32H2O）。这些复盐是不溶于水和CaCl2溶液的。氯盐与氢氧化钙的结合，就意味着水泥水化液相中石灰浓度的降低，导致C3S水解加速。而当水化氯铝酸钙形成时，则胶体膨胀，使水泥石孔隙减小，密实度增大，从而提高了混凝土的早期强度。

氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铁、氯化铝等氯化物，氯盐类早强剂均有良好的早强作用，其中氯化钙早强效果好、成本低，应用最广。氯化钙的适宜掺量为水泥质量的0.5%～2.0%，能使混凝土1d强度提高70%～140%，3d强度提高40%～70%。

②硫酸盐类早强剂

硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠（即元明粉）、硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝钾等，其中硫酸钠应用较多。硫酸钠为白色固体，一般掺量为水泥质量的0.5%～2.0%。当掺量为1%～1.5%时，可使混凝土3d强度提高40%～70%。硫酸钠对矿渣水泥混凝土的早强效果优于普通水泥混凝土。

③有机胺类早强剂

有机胺类早强剂主要有三乙醇胺（TEA）、三异丙醇胺（TP）、二乙醇胺（DEA）等，其中早强效果以三乙醇胺为最佳。三乙醇胺是无色或淡黄色油状液体，能溶于水，呈碱性。当掺量为水泥质量的0.02%～0.05%时，能使混凝土早期强度提高50%左右，28d强度不变或略有提高。三乙醇胺对水泥有一定缓凝作用，它对普通水泥混凝土的早强效果优于矿渣水泥混凝土。

早强剂可加速混凝土硬化，缩短养护周期，加快施工进度，提高模板周转率，多用于冬季施工或紧急抢修工程。在实际应用中，早强剂单掺效果不如复合掺加。因此，较多使用由多种组分配成的复合早强剂，尤其是早强剂与早强减水剂同时复合使用，效果更好。

④复合类早强剂

复合早强剂往往比单组分早强剂具有更优良的早强效果，掺量也比单组分早强剂低。在水泥中加入微量的三乙醇胺，不会改变水泥的水化生成物，但对水泥的水化速度和强度有加速作用。当它与无机盐类复合时，不仅对水泥水化起催化作用，而且还能在无机盐与水泥的反应中起催化作用，故其作用效果较单掺三乙醇胺显著，并有互补作用。

（3）缓凝剂

缓凝剂是能延长混凝土凝结时间的外加剂，主要种类有羟基羧酸类及其盐类，如酒石酸；柠檬酸、葡萄糖酸及其盐类以及水杨酸；含糖碳水化合物类，如蜜糖、葡萄糖、蔗糖等；无机盐类，如硼酸盐、磷酸盐、锌盐等；木质素磺酸盐类，如木钙、木钠等。

缓凝剂能使混凝土拌和物在较长时间保持塑性状态，以利于浇灌成型，提高施工质量，而且还可延缓水化放热时间，降低水化热。缓凝剂适用于长距离运输或长时间运输的混凝土、夏季和高温施工的混凝土、大体积混凝土等。不适用于5℃以下的混凝土，也不适用于有早强要求的混凝土及蒸养混凝土，缓凝剂的掺量不宜过多，否则会引起强度降低，甚至长时间不凝结。

（4）膨胀剂

膨胀剂是在混凝土硬化过程中因化学作用能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。《混凝土膨胀剂》规定：膨胀剂按水化产物分为硫铝酸钙类（代号A）、氧化钙类（代号C）、硫铝酸钙-氧化钙类（代号AC）。

上述各种膨胀剂成分不同，引起膨胀的原理亦不尽相同。硫铝酸钙类膨胀剂加入水泥混凝土后，自身组成中的无水硫铝酸钙水化参与水泥矿物的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是由氧化钙晶体水化形成氢氧化钙晶体，体积增大而导致的。硫铝酸钙-氧化钙类是上述两种情况的复合。

国家标准规定：混凝土膨胀剂中氧化镁的质量分数应不大于5%，碱含量（选择性指标）按Na2O+0.658K2O计算值表示，用户要求提供低碱混凝土膨胀剂时，碱含量应不大于0.75%或由供需双方协商确定。

由于水化硫铝酸钙（钙矾石）在80℃以上会分解，导致强度下降，故规定硫铝酸钙类膨胀剂和硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂，不得用于长期处于环境温度在80℃以上的工程。氧化钙类膨胀剂水化产生的氢氧化钙，其化学稳定性和胶凝性较差，它与M2+等离子发生置换反应，形成膨胀结晶体或被溶析出来，从耐久性角度，该膨胀剂不得用于海水和有侵蚀水的工程。

（5）防冻剂

防冻剂是能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。根据《混凝土防冻剂》规定，防冻剂按其成分可分为强电解质无机盐类（氯盐类、氯盐阻锈类、无氯盐类）、水溶性有机化合物类、有机化合物与无机盐复合类、复合型防冻剂。

防冻组分是复合防冻剂的重要组分，按其成分可分为以下三类。

①氯盐类

常用的有氯化钙、氯化钠。由于氯化钙参与水泥的水化反应，不能有效降低混凝土中液相的冰点，故常与氯化钠复合使用，通常采用配比为氯化钙∶氯化钠=2∶1。

②氯盐阻锈类

由氯盐与阻锈剂复合而成。阻锈剂有亚硝酸钠、铬酸盐、聚磷酸盐等，其中亚硝酸钠阻锈剂效果最好，故被广泛应用。

③无氯盐类

无氯盐类有硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐、尿素、乙酸盐等。

复合防冻剂中的减水组分、早强组分则分别采用前面所述的各类减水剂、早强剂。

防冻剂中各组分对混凝土的作用有：改变混凝土中液相浓度，降低液相冰点，使水泥在负温下仍能继续水化；减少混凝土拌和水用量，减少混凝土中能成冰的水量；提高混凝土的早期强度；增强混凝土抵抗冰冻破坏能力。

各类防冻剂具有不同的特性，因此，防冻剂品种选择十分重要。氯盐类防冻剂适用于无筋混凝土。氯盐防锈类防冻剂可用于钢筋混凝土。无氯盐类防冻剂可用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土，但硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐类则不得用于预应力混凝土以及镀锌钢材或与铝铁相接触部位的钢筋混凝土。含有六价铬盐、亚硝酸盐等的有毒防冻剂，严禁用于饮水工程及与食品接触的部位。

（6）泵送剂

泵送剂是指能改善混凝土拌和物泵送性能的外加剂。泵送性能是指混凝土拌和物具有能顺利通过输送管道、不阻塞、不离析、黏聚性良好的性能。泵送剂的匀质性、受检混凝土的性能指标应符合《混凝土泵送剂》的规定。

常用泵送剂多由减水剂、缓凝剂、引气剂等复合而成。引气剂组分主要有松香树脂类、烷基苯磺酸盐类和脂肪醇磺酸盐类，其中松香树脂类中的松香热聚物和松香皂应用最多，含气量控制在3%～6%为宜。

①特点

泵送剂是硫化剂的一种，它除了能大大提高拌和物的流动性以外，还能使新拌混凝土在60～180 min保持流动性，剩余坍落度不低于原始的55%。此外，它不是缓凝剂，更不应有缓强性，缓凝时间不宜超过120 min（有特殊要求除外）。液体泵送剂与水一起加入搅拌机中，并应延长搅拌时间。

②适用范围

泵送剂适用于各种需要采用泵送工艺的混凝土。缓凝泵送剂用于大体积混凝土、高层建筑、滑模施工、水下灌注桩等，含防冻组分的泵送剂适用于冬季施工的混凝土。

3.外加剂的选择

①外加剂品种的选择应根据工程设计和施工要求，通过试验及技术经济比较确定。

②严禁使用对人体、对环境产生污染的外加剂。

③掺外加剂混凝土所用水泥，宜采用符合《通用硅酸盐水泥》标准的水泥，并应检验外加剂与水泥的相容性，符合要求方可使用。

④掺外加剂混凝土所用材料，如水泥、砂、石、掺合料、外加剂均应符合国家现行有关标准的规定。试配掺外加剂的混凝土时，应采用工程使用的原材料，检测项目应根据设计及施工要求确定，检测条件应与施工条件相同，当工程所用原材料或混凝土性能要求变化时，应再进行试配试验。

⑤不同品种外加剂复合使用时，应注意其相容性及对混凝土性能的影响，使用时应进行试验，满足要求方可使用。

⑥外加剂的掺量以占胶凝材料总量的质量分数表示，外加剂的掺量应按供货生产单位推荐掺量、使用要求、施工条件、混凝土原材料等因素通过试验确定。

⑦含有氯离子、硫酸根离子的外加剂应符合有关规范及标准的规定。

⑧处于与水相接触或潮湿环境中的混凝土，当使用碱活性骨料时，由外加剂带入的碱含量（以当量氧化钠计算）每立方米混凝土不宜超过1 kg，应控制混凝土中的总碱含量不超过3 kg/m3。

其他要求详见《混凝土外加剂应用技术规范》。

（五）矿物掺合料

矿物掺和料是指在配制混凝土时加入的具有一定细度或活性的用于改善新拌和硬化混凝土（特别是混凝土耐久性）的某些矿物类产品。

矿物掺合料的掺量通常大于水泥用量的5%，细度与水泥细度相同或比水泥更细。掺和料与外加剂的主要不同之处在于掺和料参与了水泥的水化过程，对水化产物有所贡献。在配制混凝土时加入较大量的矿物掺和料（硅灰除外），可降低温度升高，改善工作性能，增进后期强度，并可改善混凝土的内部结构，提高混凝土耐久性和抗腐蚀能力。矿物掺和料对碱-骨料反应的抑制作用引起了人们的重视。因此，国外将这种材料称为辅助胶凝材料，它已成为高性能混凝土不可缺少的一部分。

《高强高性能混凝土用矿物外加剂》将矿物掺和料按其矿物组成分为四类：磨细矿渣、磨细粉煤灰、磨细天然沸石、硅灰。

矿物掺和料根据来源可分为天然类、人工类及工业废料类三大类，见表2.35。

表2.35　矿物掺和料的分类

近年来，工业废渣矿物掺和料直接在混凝土中应用的技术有了新的进展，尤其是粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰等具有良好的活性，对节约水泥、节省能源、改善混凝土性能、丰富混凝土品种、减少环境污染等方面有显著的技术经济效果和社会效益。硅灰、磨细矿渣及分选超细粉煤灰可用来生产C100以上的超高强混凝土、超高耐久性混凝土、高抗渗性混凝土。虽然水泥中也可以掺入一定数量的混合料，但它对混凝土性能的影响与矿物掺和料对混凝土性能的影响并不完全相同。矿物掺和料的使用给混凝土生产商提供了更多的混凝土性能和经济效益的调整余地，因此成为与水泥、骨料、外加剂并列的混凝土组成材料。

矿物掺和料在混凝土中的作用主要体现在以下几个方面：

①形态效应。利用矿物掺和料的颗粒形态在混凝土中起减水作用，有学者称之为“矿物减水剂”。如优质的粉煤灰，其玻璃微珠对混凝土和砂浆的流动起“滚珠轴承”作用，因而具有减水作用。

②微骨料效应。利用矿物掺和料中的细微颗粒填充到水泥颗粒填充不到的孔隙中，改善混凝土孔结构，提高致密性，从而大幅度提高混凝土的强度和抗渗性能。

③化学活性效应。利用矿物掺和料的胶凝性或火山灰性，将混凝土中尤其是浆体与骨料界面处大量的氢氧化钙晶体转化成对强度及致密性更有利的C—S—H凝胶，改善界面缺陷，提高混凝土强度。

④掺和料的密度通常小于水泥，等质量的掺和料替代水泥后，浆体体积增加，混凝土和易性改善。

不同种类的矿物掺和料因其自身性质不同，在混凝土中所体现的效应各有侧重。

1.粉煤灰

粉煤灰是从燃煤的电厂锅炉烟气中收集的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑，颜色为灰色或淡灰色。平均粒径为8～20μm，比表面积为300～600 m2/kg。粉煤灰的主要化学成分为SiO2（质量分数为45%～60%）、Al2O3（质量分数为20%～30%）、Fe2O3（质量分数为5%～10%），此外尚有一部分CaO，MgO和未燃炭。在碱性条件下，粉煤灰中的SiO2和Al2O3会与水泥水化生成的Ca（OH）2发生反应，生成不溶性的水化硅酸钙和水化铝酸钙。粉煤灰的主要矿物组成为大部分直径以微米计的实心微珠和空心微珠以及少量的多孔玻璃体、玻璃体碎块、结晶体和未燃尽炭粒等。

（1）粉煤灰分类

粉煤灰按其排放方式的不同，分为干排灰与湿排灰两种。湿排灰含水量大、活性降低较多，质量不如干排灰。

根据现行规范，粉煤灰按煤种分为F类粉煤灰和C类粉煤灰两种。前者是由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰，颜色为灰色或深灰色；后者是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙质量分数一般大于10%，为高钙粉煤灰，颜色为褐黄色。

（2）粉煤灰掺入混凝土中的作用和效果

粉煤灰在混凝土中的作用归结为物理作用和化学作用两方面。正是由于粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征，对减少新拌混凝土的用水量，改善混凝土的流动性、保水性和可泵性，提高混凝土的密实程度具有优良的物理作用效果。粉煤灰中的硅、铝玻璃体在常温常压条件下，可与水泥水化生成的氢氧化钙发生化学反应，生成具有胶凝作用的C—S—H水化产物。粉煤灰具有潜在的化学活性，这种潜在的活性效应只有在较长龄期才会明显地表现出来，对混凝土后期强度的增长较为有利，同时还可降低水化热，抑制碱-骨料反应，提高抗渗、抗化学腐蚀等耐久性能。但通常会使混凝土的凝结时间有所延长、早期强度有所降低。

混凝土中掺入粉煤灰的效果与粉煤灰的掺入方法有关。混凝土中掺入粉煤灰的常用方法有等量取代法、超量取代法和外掺法。

等量取代法是以等质量粉煤灰取代混凝土中的水泥，但通常会降低混凝土的强度。

超量取代法是为达到掺粉煤灰后混凝土与基准混凝土等强度的目的，粉煤灰采用超量取代，其掺入量等于取代水泥的质量乘以粉煤灰超量系数。粉煤灰的品质越好，超量系数越小。

外掺法是指保持混凝土中的水泥用量不变，外掺一定数量的粉煤灰，其目的是改善混凝土的和易性。

目前，粉煤灰混凝土已被广泛用于土木、水利建筑工程以及预制混凝土制品和构件等方面，如大坝、道路、隧道、港湾，工业和民用建筑的梁、板、柱、地面、基础、下水道，钢筋混凝土预制桩、管等。

2.硅灰

硅灰又称硅粉，是冶炼硅钢和硅金属或半导体硅时，从烟尘中收集的一种超细粉末，其主要成分为无定形二氧化硅。硅灰颗粒极细，呈球形状，活性很高，是一种理想的改善混凝土性能的掺和料。硅灰呈灰白色，无定形二氧化硅的质量分数一般为85%～96%，其他氧化物的含量很少。硅灰粒径为0.1～1.0μm，是水泥粒径的1/100～1/50，比表面积为20 000～25 000 m2/kg，密度为2.1～2.2 g/cm3，松散堆积密度为250～300 kg/m3，其技术性能应符合《高强度高性能混凝土用矿物外加剂》的要求。

硅灰可显著提高混凝土强度，主要用于配制高强、超高强混凝土。硅灰以10%等量取代水泥，混凝土强度可提高25%以上。掺入水泥质量5%～10%的硅灰，可配制出28d强度达100MPa的超高强混凝土。掺入水泥质量20%～30%的硅灰，可配制出抗压强度达200～800 MPa的活性粉末混凝土。但是，随着硅灰掺量的增大，混凝土需水量增大，其自收缩性也会增大。因此，硅灰掺量一般为5%～10%，有时为了配制超高强混凝土，也可掺入20%～30%。

硅灰还可改善混凝土的孔隙结构，提高耐久性。混凝土中掺入硅灰后，虽然水泥石的总孔隙与不掺时基本相同，但其大孔隙减少，微细孔隙增加，水泥石的孔隙结构显著改善。因此，掺硅灰混凝土耐久性显著提高。试验结果表明，硅灰掺量为10%～20%时，混凝土抗渗性、抗冻性也明显提高。掺入水泥质量4%～6%的硅灰，还可有效抑制碱-骨料反应。

硅灰混凝土的抗冲磨性随硅灰掺量的增加而提高，它比其他抗冲磨材料具有价廉、施工方便等优点，故硅灰混凝土适用于水工建筑的抗冲刷部位及高速公路路面。

硅灰混凝土抗侵蚀性较好，适用于要求抗溶出性侵蚀的工程。

硅灰需水量为普通水泥的130%～150%，故混凝土流动性随硅灰掺量的增加而减小。为了保持混凝土流动性，必须掺用高效减水剂。掺硅灰后，混凝土含气量略有减小。为了保持混凝土含气量不变，必须增加引气剂用量。当硅灰掺量为10%时，一般引气剂用量需增加2倍左右。

硅灰作为混凝土掺和料取代部分水泥，能改善混凝土拌和物的黏聚性和保水性，可提高混凝土抗渗和抗侵蚀能力，尤其是混凝土中掺入硅灰后，能大幅度提高其早期和后期强度。

目前，硅灰在国外被广泛应用于高强混凝土中。在我国，因硅灰产量很低，目前价格较高，出于经济考虑，一般混凝土强度要求低于80 MPa时，不考虑掺用硅灰。今后随着硅灰回收工作的开展，产量将逐渐提高，硅灰的应用将更加普遍。

3.粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣是炼铁高炉排出的熔渣，经水淬而成的粒状矿渣。以粒化高炉矿渣为主要原料，掺加少量石膏磨细制成一定细度的粉体，称为粒化高炉矿渣粉，简称矿渣粉。

矿渣粉的质量除和化学成分、矿物成分密切相关外，还和比表面积、活性指数、流动度比等密切相关。

（1）比表面积

矿渣粉用比表面积表示其粗细程度，矿渣粉的比表面积越大，矿渣粉越细。

（2）活性指数

《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》所规定的粒化高炉矿渣粉活性指数是指试验样品与同龄期对比样品的抗压强度之比。对比样品为符合《通用硅酸盐水泥》规定的42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，试验样品由对比水泥和矿渣粉按质量比1∶1组成。

矿渣粉各龄期的活性指数按式（2.8）计算（计算结果保留至整数）：

式中　An——n天活性指数，n一般取7d或28d；

fn——试验样品n天抗压强度，MPa；

f0n——对比样品n天抗压强度，MPa。

矿渣粉的活性取决于矿渣的化学成分、矿物组成、冷却条件及粉磨程度。矿渣的化学成分与硅酸盐水泥类似，当矿渣中CaO、Al2O3含量高，SiO2含量低时，矿渣活性高。活性指数越大，表面矿渣活性越高，对混凝土强度贡献越大。矿渣越细，通常早龄期的活性指数越大，但细度对后期活性指数的影响较小。另外，矿渣越细，混凝土的水化热和收缩越大。

（3）流动度比

试验样品与对比样品的流动度之比，称为矿渣粉的流动度比。

矿渣粉的流动度比按式（2.9）计算（计算结果保留至整数）：

式中　F——流动度比；

L——试验样品流动度，mm；

Lm——对比样品流动度，mm。

矿渣粉作为混凝土掺和料，不仅能取代水泥，取得较好的经济效益（其生产成本低于水泥），而且能显著改善和提高混凝土的综合性能，如改善和易性、降低水化热，减小干缩率，提高抗冻、抗渗性能，提高抗腐蚀能力，提高后期强度和改善耐久性等。

由于矿渣粉对混凝土性能具有良好的技术效果，所以不仅适用于配制高强、高性能混凝土，而且也十分适用于中强混凝土、大体积混凝土，以及各类地下和水下混凝土工程。根据国内外经验，使用矿渣微粉配制高强或超高强混凝土（≥C100）是行之有效、比较经济实用的技术途径，是当今混凝土技术发展的趋势之一。

4.沸石粉

沸石岩是一种天然煅烧后的火山灰质铝硅酸盐矿物，沸石粉是由天然沸石经磨细制成。沸石岩系有几十个品种，用作混凝土掺和料的主要为斜发沸石和丝光沸石。沸石粉含有一定量活性二氧化硅和氧化铝，能与水泥水化析出的强氧化钙作用，生成胶凝物质。沸石粉具有很大的内表面积和开放性结构，其细度为0.08 mm方孔筛的筛余量小于5%，平均粒径为5.0～6.5μm。

沸石粉用作混凝土掺和料主要有以下两点效果：

①提高混凝土强度，配制高强混凝土。如用42.5级普通硅酸盐水泥，以等量取代法掺入10%～15%的沸石粉，再加入适量的高效减水剂，可以配制出抗压强度为70 MPa的高强混凝土。

②改善混凝土和易性，配制流态混凝土及泵送混凝土。沸石粉与其他矿物掺和料一样，也具有改善混凝土和易性及可泵性的功能。例如，以沸石粉取代等量水泥配制坍落度16～20 cm的泵送混凝土，未发现离析现象及管道堵塞现象，同时还节约了20%左右的水泥。

（六）混凝土用纤维

纤维混凝土是近年来迅速发展起来的一种新型复合材料，具有优良的抗裂、抗冻、抗弯曲、耐磨、耐冲刷等特性。纤维混凝土是在混凝土中掺入乱向均匀分布的纤维材料，因此它不仅具有普通混凝土的优良特性，同时由于纤维的存在限制了混凝土裂缝的开展，从而使原本本质上是脆性的混凝土材料呈现出很高的韧性和延性，以及优良的抗冻耐磨等特性。

1.分类与性能

纤维增强材料分为天然和人工两大类。

为了得到性能良好又经济的纤维增强混凝土，所采用的纤维一般应满足下列要求：

①有足够的抗拉强度；

②对基体材料有长期的耐腐蚀性；

③有足够的大气稳定性和一定的耐热性；

④较高的弹性模量；

⑤来源广，价格便宜，使用方便，对人体健康无不良影响等。

目前应用最广的是钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等，各种纤维的性能见表2.36。

表2.36　各种纤维的物理力学性能

2.常用纤维材料

（1）钢纤维

钢纤维是用钢材料经过一定工艺制成的，能随机地分布于混凝土中的短而细的纤维。

用于配制钢纤维混凝土的钢纤维，按钢制品种类可分为低碳钢纤维和不锈钢纤维，后者仅当工程处于潮湿环境中才采用。按纤维形状分为圆形、扁平形、规则变形、波形、变截面形、两端带钩形等。按表面涂覆与否可分为表面不涂覆纤维与表面涂覆纤维，表面涂覆纤维有镀锌、铜、锡、铬等，可以提高纤维与基体的黏结力和纤维的防腐能力。

钢纤维的增强效果与钢纤维长度、直径（等效直径）及长径比有关。钢纤维增强作用随长径比的增大而提高。钢纤维长度太短不起增强作用，太长则施工较困难，影响拌和物的质量；直径过细在拌和过程中会被弯折，过粗则在同样体积率时，其增强效果较差。

试验研究和工程实践表明，钢纤维的长度为15～60 mm，直径或等效直径为0.3～1.2 mm，长径比在30～100的范围内选用，其增强效果和施工性能可以满足要求。如超出上述范围，经试验在其增强效果和施工性能方面能满足要求时，也可根据需要采用。

钢纤维混凝土中钢纤维的体积率小到一定程度时将不起增强作用，对于不同品种、不同长径比的纤维，其最小体积率略有不同，国内外一般以0.5%为最小体积率。钢纤维体积率超过2%时，拌和物的和易性变差，施工较困难，质量难以保证。但在特殊需要时，经试验和采取必要的施工措施，在保证质量和增强效果的情况下，可将钢纤维体积率增大。

（2）玻璃纤维

玻璃纤维是指用硅酸盐熔体制成的玻璃态纤维或丝状物。

配制混凝土所用的玻璃纤维一般为耐碱玻璃纤维。耐碱玻璃纤维是在玻璃纤维的基础上加入适量的锆、钛等耐碱性能较好的元素，从而提高玻璃纤维的耐碱腐蚀能力。耐碱玻璃纤维中加入的锆、钛等元素，使玻璃纤维的硅氧结构发生变化，结构更加完善，活性减小，当受碱侵蚀时可以减缓化学反应，使结构损失较小，相应的强度损失也小。

耐碱玻璃纤维单丝直径为12～14μm，常以200根单丝集成一束纱线。纱线断面为扁圆形，长轴为0.6 mm，短轴为0.15 mm。其单纤强度大于1 800 MPa，一般在掺入混凝土时，切成短纤维或者织成网格布使用。玻璃纤维的相对密度为2.7～2.8 g/m3，比钢纤维的相对密度小得多。

由于玻璃纤维硬脆，在混凝土中的分散问题没有得到很好的解决，此外，即使是耐碱纤维，在混凝土的高碱性环境中，其耐久性问题一直令人担忧，因此，在普通混凝土中应用很少。但将耐碱玻璃纤维织成网格布，必要时再涂上塑料，在低碱GRC条板、排烟管道及薄抹灰外墙外保温防护层上得到了较好的应用。

（3）合成纤维

以合成高分子化合物为原料制成的化学纤维，称为合成纤维。

根据《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》规定，合成纤维按其材料组成可分为聚丙烯纤维（代号PPF）、聚丙烯腈纤维（代号PANF）、聚酰胺纤维（即尼龙6和尼龙66，代号PAF）、聚乙烯醇纤维（代号T）。按其用途可分为用于混凝土的防裂抗裂纤维（代号HF）和增韧纤维（代号HZ）、用于砂浆的防裂抗裂纤维（代号SF）等。

合成纤维的规格根据需要确定，表2.37所列为用于混凝土和砂浆的合成纤维规格指标。

表2.37　用于混凝土和砂浆的合成纤维规格指标

合成纤维中，耐碱性好的有聚丙烯纤维、聚乙烯纤维和聚酰胺纤维，而适用于配制增强混凝土的纤维，最引人注目的是聚丙烯纤维。

聚丙烯纤维（PPE）是由丙烯聚合成等规度97%～98%聚丙烯树脂后经熔融挤压法纺丝制成的纤维。用于改善混凝土性能的聚丙烯纤维目前主要有两种：聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维。

①聚丙烯单丝纤维。该纤维又统称聚丙烯纤维，是以聚丙烯为原料，通过添加功能母料改性并经特殊表面处理而成的单丝状纤维。具有分散性好、亲水性强、与水泥基体的握裹力强等特点，从而能有效提高混凝土的防裂性能。聚丙烯纤维主要参数及质量标准见表2.38。

表2.38　聚丙烯纤维主要参数及质量要求

②聚丙烯网状纤维。该纤维又称聚丙烯纤维网，是以聚丙烯为原料经特殊生产工艺制造而成的网状结构。在混凝土中具有良好的分散性和亲水性，在混凝土搅拌过程中，网状结构充分展开，其粗糙的撕裂边缘使纤维与混凝土之间形成极佳的握裹性，从而改善混凝土的性能，有效提高混凝土的抗裂性。聚丙烯纤维网主要参数及质量标准见表2.39。

表2.39　聚丙烯纤维网主要参数及质量要求

聚丙烯网状纤维与单丝纤维的不同之处是，它在防止混凝土裂缝的同时还可以作为混凝土的次要加强筋，提高混凝土的抗冲击能力、抗破碎能力、抗磨损能力，但它对混凝土抗折强度的提高并不显著。它一般用于公路或高速公路的路面和护栏（取代加强钢筋丝网），飞机跑道和停机坪，隧道或矿井等墙面和顶部的喷射混凝土，水库运河港口等大型水工工程，楼房建筑中的复合楼板（取代钢筋网），桥梁的主体结构和路面等。由于它的主要作用是作为次要加强筋来增强混凝土抗冲击能力，同时它的成本要比单丝纤维高出一倍多，因此没有特殊要求的工程，其应用并不多。