普通混凝土的组成材料-建筑材料的要点

普通混凝土中基本的组成材料有水泥、水、砂子、石子等四种，其中水泥和水形成水泥浆，其作用是胶结砂、石颗粒及填充其间空隙；而砂子细骨料和石子粗骨料统称为骨料，其作用是构成混凝土整体轮廓及承受外部荷载。

5.2.1　水泥

有关水泥的内容详见第4章，这里再补充以下两个方面内容。

1.品种的选择

应依据工程特点、混凝土所处的环境条件和部位以及水泥的供应情况等综合考虑，力求做到在满足工程质量的前提下造价成本最低。

2.强度等级的确定

应根据混凝土的强度等级要求来确定，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。一般水泥的强度等级应为混凝土强度等级的1.5～2.0倍。

5.2.2　细骨料（砂子）

砂子分为天然砂和人工砂两种。天然砂指的是由天然的岩石经风化后形成的大小不等，由不同矿物散粒组成的混合物。人工砂则是将岩石粉碎磨细而成的。工程中一般采用天然砂，这里因为人工砂虽然富有棱角，表面也比较洁净，但其中常含有一定量的片状颗粒和石粉。而当地如果缺乏天然砂时，则可选用人工砂。砂子的粒径范围一般为0.15～4.75mm，粒径小于0.15mm的称为石粉，粒径大于4.75mm的称为石子。

5.2.2.1　天然砂的类型及特征

按其产源的不同可分为河砂、海砂和山砂。河砂和海砂颗粒多呈圆形，且表面光滑，比较洁净，但海砂中常混有贝壳碎片和较多盐分；而山砂颗粒多有棱角，且表面粗糙，但泥土及有机杂质含量较多。所以，其中以河砂品质为最好，一般工程上多使用河砂。

5.2.2.2　对混凝土用砂总体质量要求

表面清洁，质地坚硬，细度适当，级配良好。

5.2.2.3　质量检验的内容

1.有害杂质含量的检验

砂中凡含有能降低混凝土强度和耐久性等质量的物质统称为砂子中的有害杂质。如云母、轻物质（密度小于2g/cm3）、黏土淤泥、硫化物及硫酸盐、有机物等。其对混凝土的影响具体表现在以下方面:使混凝土表面形成薄弱层；妨碍砂、石与水泥浆的粘结；引起钢筋锈蚀，降低混凝土强度的耐久性；延缓混凝土硬化。

对砂中有害杂质含量的规定如表5-1所示。

表5-1　砂中有害杂质含量的规定

2.坚固性检验

坚固性是指骨料（包括粗骨料）在气候、外力或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力。通常用硫酸钠溶液浸泡法来检验颗粒抵抗膨胀应力的能力。此法是先将骨料试样浸泡于硫酸钠饱和溶液中，使溶液渗入骨料的孔隙中，然后取出试样烘烤，使孔隙中的溶液结晶膨胀产生内应力，如此循环进行5次，其最终的质量损失应符合表5-2的规定。

表5-2　砂、碎石及卵石的坚固性指标

3.细度的测算及级配的评定

砂子的颗粒细度是指不同粒径的砂子颗粒混合在一起的平均粗细程度，其大小可用细度模数Mx来表示。而细度模数的测算，通常是采用筛分析法。即用一套孔径（净尺寸）为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的标准筛，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，然后称量各筛上筛余砂样的质量，则可计算出各筛上的“分计筛余百分率”及“累计筛余百分率”，见表5-3，其细度模数Mx由式（5-1）来表示:

表5-3　累计筛余与分计筛余的关系

式中　A1～A6——累计筛余百分率，%。

细度模数愈大，表示砂子颗粒愈粗，根据国家标准（JGJ52—1992）的规定，Mx＝3.7～3.1为粗砂，Mx＝3.0～2.3为中砂，Mx＝2.2～1.6为细砂，Mx＝1.5～0.7为特细砂。普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7～1.6，以其中的中砂为宜。这是因为在一定质量或体积下，粗砂的总表面积较小，而细砂的总表面积则较大。在混凝土中，砂子的表面需要由水泥浆包裹，砂的总表面积愈大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆就愈多。当混凝土拌和物的流动性要求一定时，显然用粗砂拌制混凝土较之用细砂拌制混凝土所需水泥浆为省，且硬化后混凝土中水泥石含量较少，可提高混凝土的密实性；但砂粒过粗，却会使混凝土拌和物容易产生分层离析、泌水现象，影响混凝土的均匀性，所以用来拌制混凝土的砂子，既不宜过粗，也不宜过细。

另外，考虑一种砂子是否适合配制混凝土，除了应测算其颗粒细度外，还应评定一下它的颗粒级配是否良好或合格。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的小。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。由图5-1可以看出，同一粒径组成的砂，空隙率最大[见图5-1（a）]；两种粒径组成的砂，空隙率有所减小[见图5-1（b）]；各种粒径组成的砂，空隙率最小[见图5-1（c）]。由此可见，要想减小砂粒间的空隙，就要求有大小不同的颗粒组合搭配，即良好的级配。

图5-1　骨料颗粒级配示意图

砂的颗粒级配常用级配区来表示。对细度模数为3.7～1.6的砂，按600μm孔径筛上的累计筛余百分率，可将砂的颗粒级配划分成Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区三个级配区，各区的级配范围列于表5-4。

表5-4　砂的颗粒级配区范围

表5-4中，除4.75mm及600μm筛外，其他筛子的累计筛余百分率允许稍有超出界限，但各筛超出的总量不应大于5%。即若4.75mm和600μm筛子以及其余四个筛子的累计筛余百分率均在各自相应的范围之内而未超出界限，则可将该砂的颗粒级配评定为良好；若4.75mm和600μm筛子的累计筛余百分率没有超出相应的范围要求，而其余四个筛子的累计筛余百分率有超出相应的范围要求，但超出的总量小于或等于5%，则可将该砂的颗粒级配评定为合格；若4.75mm或600μm筛子的累计筛余百分率有任何一个超出相应的范围要求，或者虽然4.75mm和600μm筛子的累计筛余百分率均未超出相应的范围要求，但其余四个筛子的累计筛余百分率有超出相应的范围要求，且超出的总量大于5%，则可将该砂的颗粒级配评定为不合格。

选用砂子时，应尽量贯彻就地取材的原则。若有些地区的砂料过粗、过细或级配不良时，在可能的情况下，可将粗细两种砂掺配使用，以调节砂子细度，改善砂子级配。

【例5-1】用500g烘干砂进行筛分试验，各筛上的筛余量如表5-5所示。试测算此砂属于何种细度的砂，并评定级配如何？

【解】根据表5-5上给定的各筛上筛余量的克数，计算出各筛上的分计筛余百分率及累计筛余百分率，填于表5-5相应空格内。则细度模数Mx为(www.xing528.com)

因计算出的细度模数Mx为2.7，在2.3～3.0之间，故该砂为中砂。而中砂应符合表5-4中Ⅱ区规定的级配范围，将表5-5中计算出的各筛上的累计筛余百分率与表5-4相应的范围进行比较，发现各筛上的累计筛余百分率均在规定的范围之内。因此，该砂级配良好。

表5-5　500g烘干砂样的各筛上筛余量

4.含水状态的检验

因存放条件及外界环境的不同，砂子颗粒的含水率是经常变化的，其含水状态如图5-2所示。

图5-2　砂的含水状态

（a）干燥状态；（b）气干状态；（c）饱和面干状态；（d）湿润状态

饱和面干砂既不从混凝土拌和物中吸收水分，也不往拌和物中带入水分。混凝土工程中多按饱和面干状态的砂、石来设计混凝土配合比，工业与民用建筑工程中习惯用干燥状态的砂、石来设计混凝土配合比。

5.2.3　粗骨料（石子）

混凝土中的粗骨料是指粒径大于4.75mm的岩石颗粒，常用的有碎石和卵石两种。卵石又称砾石，它是由天然岩石经自然风化、水流冲刷搬运、堆积形成的，按其产源的不同可分为河卵石、海卵石及山卵石等几种，其中以河卵石应用较多。卵石中有机杂质含量较多，但其表面光滑、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，但与水泥石的胶结力较差。碎石是由天然岩石或卵石经破碎、筛分而成，表面粗糙、棱角多、空隙率及表面积较大、较洁净、拌制的混凝土水泥浆用量较多、和易性较差，但与水泥石的胶结力较强。在相同条件下，碎石混凝土较卵石混凝土的强度高。

混凝土中对粗骨料的技术要求，包括以下几个方面。

5.2.3.1　最大粒径及颗粒级配

1.最大粒径（DM）

粗骨料公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径，如采用5～40mm的粗骨料时，则其最大粒径为40mm。最大粒径的大小表示粗骨料的粗细程度，最大粒径增大时，单位体积骨料的总表面积减小，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大的粗骨料。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。根据《混凝土质量控制标准》（GB50164—1992）规定，粗骨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50mm。

2.颗粒级配

粗骨料的级配原理与细骨料基本相同，即将大小石子适当掺配，使粗骨料的空隙率及表面积都比较小，这样拌制的混凝土水泥用量少，质量也较好。

粗骨料的级配也可通过筛分析来确定，所用标准筛的孔径为2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm、90.0mm等12个。各筛上分计筛余百分率及累计筛余百分率的计算方法与细骨料相同。根据《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》的规定，粗骨料颗粒级配范围应符合表5-6的要求。

表5-6　混凝土用粗骨料颗粒级配范围

粗骨料级配有连续级配和间断级配两种。连续级配是从最大粒径开始，由大到小各粒级相连，每一粒级都占有适当的比例，这种级配可以最大限度地发挥骨料的骨架作用与稳定作用，减少水泥用量，在实际工程中被广泛采用。间断级配是由单粒粒级组成的颗粒级配，它是用小颗粒的粒级直接和大颗粒的粒级相互搭配组成的粗骨料，由于缺少中间粒级而为不连续的级配，间断级配能减小骨料的空隙率，故能节约水泥，但却容易使混凝土拌和物产生离析现象，所以工程中较少采用。

选择骨料级配时，应从实际出发，将试验所选的最优级配与料场中骨料的天然级配结合起来考虑，对各级骨料用量进行必要的调整与平衡，确定出实际使用的级配。这样做的目的是为了减少弃料，避免浪费。

施工现场分级堆放的石子中往往有超径与逊径现象存在。所谓超径就是在某一级石子中混杂有超过这一级粒径的石子；所谓逊径就是混杂有小于这一级粒径的石子。超逊径的出现将直接影响骨料的级配和混凝土性能，因此必须加强施工质量管理，并经常对各级石子的超逊径进行检验。一般规定，超径石子含量不得大于5%，逊径石子含量不得大于10%。如果超过规定数量，最好进行二次筛分，否则应调整骨料级配，以保证工程质量。

5.2.3.2　强度

为了保证混凝土的强度，必须要求粗骨料质地致密，具有足够的强度。粗骨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。一般要求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。

压碎指标是测定粗骨料抵抗压碎能力的强弱指标。它是取一定量的粒径为9.5～19.0mm的粗骨料试样装入规定的圆模内，在压力试验机上加荷至200kN，其压碎的细粒（粒径小于2.36mm）质量占试样质量的百分数，即为压碎指标。卵石和碎石的压碎指标应满足规范要求（见表5-7）。

5.2.3.3　坚固性

有抗冻、耐磨、抗冲击性能要求的混凝土所用的粗骨料，要求测定其坚固性。粗骨料的坚固性测定是用硫酸钠溶液浸泡粗骨料试样经5次循环后的质量损失来检验的。其质量损失应符合表5-7的规定。

表5-7　混凝土粗骨料的相关指标要求　单位:%

注　1.Ⅰ类粗骨料适合配制各种混凝土，包括强度为60MPa以上的高强度混凝土；Ⅱ类粗骨料适合配制强度在60MPa以下的混凝土，以及有抗冻、抗渗或其他耐久性要求的混凝土；Ⅲ类粗骨料只适合配制强度低于30MPa的混凝土。
2.粗骨料的含泥量是指粒径小于75μm的颗粒含量；泥块含量是指粒径大于4.75mm，经水洗、手捏后小于2.36mm的颗粒含量。

5.2.3.4　针片状颗粒含量

粗骨料中常含有针状（颗粒长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径的2.4倍）和片状（厚度小于平均粒径的0.4倍）的颗粒，它会使粗骨料的空隙率增大，且受力后易被折断。故针、片状颗粒含量过多，会降低混凝土强度。其含量应符合规范要求（见表5-7）。

5.2.3.5　有害杂质含量

为保证混凝土的强度及耐久性，对粗骨料中的泥、泥块、硫化物及硫酸盐、有机质等有害杂质的含量必须认真检查，其含量不得超过表5-7所列指标。

5.2.4　拌和水及养护水

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。若用该水拌制的砂浆抗压强度低于用饮用水拌制的砂浆抗压强度的90%时，则这种水就不宜用来拌制和养护混凝土。

由于海水中所含的硫酸盐、镁盐和氯化物等会侵蚀水泥石和钢筋，故钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土不得使用海水。在淡水缺乏地区，素混凝土允许用海水拌制，但应加强对混凝土的强度检验，以符合其强度设计要求。