混凝土

简介

水泥混凝土经过180多年的发展，已演变成了有多个品种的土木工程材料。通常所说的混凝土是由胶凝材料、粗骨料、细骨料和水（或不加水）按适当的比例配合、拌和制成混合物，经一定时间后硬化而成的人造石材。新拌制的混凝土，通常称为混凝土拌和物。

分类

分类在现代建筑中，混凝土的运用极为广泛，已成为现代建筑中的主要建筑材料，其种类也非常之多，混凝土通常从以下几个方面进行分类：

按所用胶凝材料的不同可分为水泥混凝土、沥青混凝土、水玻璃混凝土、聚合物混凝土、聚合物水泥混凝土、石膏混凝土和硅酸盐混凝土等几种。一般情况下所说的混凝土是指水泥混凝土。

按干表观密度的不同分为3类：重混凝土，其干表观密度大于2600kg/m3，采用重骨料（重晶石，铁矿粉或钢屑）和水泥配制而成，对X射线、γ射线有较高的屏蔽能力，主要用于防辐射工程，又称为防辐射混凝土；普通混凝土，其干表观密度为2000～2500kg/m3，一般多在2400kg/m3左右，采用水泥、水与普通砂、石配制而成，是目前土木工程中应用最多的混凝土，主要用作承重结构材料，目前全世界普通混凝土年用量达40多亿m3，我国年用量在15亿m3以上；轻混凝土，干表观密度小于1950kg/m3，包括轻骨料混凝土、大孔混凝土、多孔混凝土和无砂大孔混凝土，可用作承重结构、保温结构和承重兼保温结构。这种分类方法是混凝土最基本的分类方法。

按施工工艺可分为泵送混凝土、预拌混凝土（商品混凝土）、喷射混凝土、自密实混凝土、堆石混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土（预填骨料混凝土）、挤压混凝土、造壳混凝土（裹砂混凝土）、真空吸水混凝土、热拌混凝土和太阳能养护混凝土等多种。

按用途可分为结构混凝土、防水混凝土、防辐射混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、大体积混凝土、膨胀混凝土、道路混凝土和水下不分散混凝土等多种。

按掺和料可分为粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、碱矿渣混凝土和纤维混凝土等多种。按抗压强度（fcu）大小可分为低强混凝土（fcu<30MPa）、中强混凝土（fcu=30～60MPa）、高强混凝土（fcu≥60MPa）和超高强混凝土（fcu≥100MPa）等。按每立方米中的水泥用量（C）分为贫混凝土（C≤170kg）和富混凝土（C≥230kg）。

组成

普通混凝土（简称混凝土）是以水泥为胶凝材料，以砂子和石子为骨料加水拌和，凝结硬化形成的固体材料。为了改善混凝土拌和物或硬化混凝土的性能，还可以在混凝土中加入各种外加剂和掺和料。砂子和石子在混凝土中起骨架作用，故称为骨料（又称集料）。水泥和水形成胶凝材料浆体包裹在骨料的表面并填充骨料之间的空隙，在混凝土终凝之前起润滑作用，赋予混凝土拌和物流动性，便于施工；硬化之后起胶结作用，将砂石骨料胶结成一个整体，使混凝土产生强度，成为坚硬的人造石材。外加剂起改性作用。掺和料起降低成本和改性作用。

混凝土的质量在很大程度上取决于组成材料的性质和用量，同时也与混凝土的施工因素（如搅拌、振捣、养护等）有关。

水泥

水泥是混凝土中最重要的组分，同时是混凝土组成材料中总价最高的材料。配制混凝土时，应正确选择水泥品种和水泥强度等级，以配制出性能满足要求、经济性好的混凝土。

1.水泥品种的选择

配制混凝土时，应根据工程性质、部位、施工条件和环境状况等选择水泥的品种。

普通混凝土常用水泥的选用：

混凝土工程特点或所处环境条件	优先选用	可以使用	不得使用
在普通气候环境中的混凝土	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 硅酸盐水泥
在干燥环境中的混凝土	普通硅酸盐水泥	矿渣硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 硅酸盐水泥	火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥
在高湿度环境中或永远处在水下的混凝土	矿渣硅酸盐水泥	普通硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 硅酸盐水泥
大体积混凝土	火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥	普通硅酸盐水泥	硅酸盐水泥 快硬硅酸盐水泥

有特殊要求的混凝土常用水泥的选用：

混凝土工程特点或所处环境条件	优先选用	可以使用	不得使用
要求快硬的混凝土	快硬硅酸盐水泥 硅酸盐水泥	普通硅酸盐水泥	火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥
高强(大于C40级)的混凝土	硅酸盐水泥	普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥	火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥
严寒地区的露天混凝土、寒冷地区的处在水位升降范围内的混凝土	普通硅酸盐水泥 (等级≥32.5)	矿渣硅酸盐水泥 (等级≥32.5) 复合硅酸盐水泥 (等级≥42.5)	火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥
严寒地区处在水位升降范围内的混凝土	普通硅酸盐水泥 (等级≥42.5)		火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥
			复合硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥
有抗渗要求的混凝土	普通硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥	复合硅酸盐水泥 硅酸盐水泥	矿渣硅酸盐水泥
有耐磨性要求的混凝土	硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥(等级≥32.5)	矿渣硅酸盐水泥 (等级≥32.5) 复合硅酸盐水泥 (等级≥42.5)	火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥

 

2.水泥强度等级的选择

水泥强度等级的选择应与混凝土的设计强度等级相适应。原则上配制高强度等级的混凝土，优先选用强度等级高的水泥；配制低强度等级的混凝土，选用强度等级低的水泥。若用强度等级低的水泥配制高强度等级混凝土时，若要满足强度要求，必然增大水泥用量，不经济；同时混凝土易于出现干缩开裂和温度裂缝等劣化现象。反之，用强度等级高的水泥配制低强度等级的混凝土时，若只考虑满足混凝土强度要求，水泥用量将较少，水灰比一定的情况下，胶凝材料浆体较少，难以满足混凝土和易性和耐久性等要求；若水泥用量兼顾了耐久性等性能，又会导致混凝土超强和不经济。根据经验，水泥的强度等级宜为混凝土强度等级的1.5～2.0倍。当然，这种经验关系并不是严格的规定，在实际应用时可略有超出。如采取某些措施（如掺减水剂及活性掺和料），情况则有所不同。

水泥强度等级可配制的混凝土强度等级：

水泥强度等级	宜配制的混凝土强度等级	水泥强度等级	宜配制的混凝土强度等级
32.5	C10、C15、C20、C25	52.5	C40、C45、C50、C60、≥C60
42.5	C30、C35、C40、C45	62.5	≥C60

细骨料

细骨料的种类及其特性

砂子和石子在混凝土中起骨架作用，故称为骨料（又称集料）。普通混凝土所用骨料均为颗粒状材料，按粒径大小分为两种，工程中将公称直径大于5mm的称为粗骨料，公称直径小于5mm的称为细骨料。粗细骨料的总体积一般占混凝土总体积的70%～80%，骨料质量的优劣将直接影响到混凝土各项指标的优劣。

细骨料按产源分为天然砂和人工砂两类。天然砂是由天然岩石经自然条件作用而形成的，人工砂是经人工开采和筛分的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、淡化海砂和山砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒；人工砂包括机制砂和混合砂。

河砂和湖砂因长期经受流水和波浪的冲洗，颗粒较圆，比较洁净，且分布较广，一般工程都采用这种砂。海砂因长期受到海流冲刷，颗粒圆滑，比较洁净且粒度一般比较整齐，但常混合有贝壳及盐类等有害杂质，在配制钢筋混凝土时，海砂中Cl-量不应大于0.06%（以全部Cl-换算成NaCl占干砂重量的百分率计），超过该值时，应通过淋洗，使Cl-含量降低至0.06%以下，或在拌制的混凝土中掺入占水泥重量0.6%～1.0%的NaNO2等阻锈剂，对于预应力钢筋混凝土，则不宜采用海砂。山砂是从山谷或旧河床中采运而得到，其颗粒多带棱角，表面粗糙，但含泥量和有机物杂质较多，使用时应加以限制。

机制砂是由天然岩石轧碎而成，其颗粒富有棱角，比较洁净，但砂中片状颗粒及细粉含量较大，且成本较高，只有在缺乏天然砂时才常采用。混合砂是机制砂和天然砂混合的砂，其性能取决于原料砂的质量及其配制情况。

根据砂的技术要求，将砂分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。Ⅰ类砂宜用于配制强度等级大于C60的混凝土，Ⅱ类砂宜用于配制强度等级C30～C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土，Ⅲ类砂宜用于配制强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。

细骨料的技术要求

1.含泥量、石粉含量和泥块含量

含泥量是指天然砂中粒径小于75μm的颗粒含量。石粉含量是指人工砂中粒径小于75μm的颗粒含量。泥块含量是指砂中原粒径大于1.18mm，经水浸洗、手捏后小于600μm的颗粒含量。天然砂的含泥量和泥块含量应符合表4.4的规定。亚甲蓝MB值是用于判定机制砂中粒径小于75μm颗粒吸附性能的指标，当机制砂MB≤1.4或快速试验不合格时，石粉和泥块的含量应符合表4.5的规定；当机制砂MB＞1.4或快速试验不合格时，石粉和泥块的含量应符合表4.6的规定。泥、石粉和泥块对混凝土是有害的。泥包裹于砂子的表面，隔断了水泥石与砂子之间的黏结，影响混凝土的强度。当含泥量多时，会降低混凝土强度和耐久性，并增加混凝土的干缩。石粉会增大混凝土拌和物需水量，影响混凝土和易性，降低混凝土强度。泥块在混凝土内成为薄弱部位，引起混凝土强度和耐久性的降低。

2.有害物质

砂子中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物。砂中有害物质包括云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐等。

云母是表面光滑的小薄片，会降低混凝土拌和物和易性，也会降低混凝土的强度和耐久性。有机物如动植物的腐殖质、腐殖土、泥煤等的掺入，会影响混凝土的强度的增长。硫化物及硫酸盐主要由硫铁矿 （FeS2）和石膏 （CaSO4）等杂物带入。它们与水泥石中固态水化铝酸钙反应生成钙矾石，反应产物的固相体积与水泥正常水化产物相比体积膨胀1.5倍，从而引起混凝土膨胀开裂。因此，对有抗冻、抗渗要求的混凝土，如果发现集料中有硫酸盐或硫化物时，必须对其进行专门实验，以确定其含量是否在规范允许范围之内。Cl-是强氧化剂，会导致钢筋混凝土中的钢筋锈蚀，钢筋锈蚀后体积膨胀和受力面减小，从而引起混凝土开裂。当用海砂配置钢筋混凝土时，海砂中氯离子含量不应超过0.06%，而对于预应力钢筋混凝土，则不允许采用海砂。

3.碱-骨料反应

碱-骨料反应是指水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱（Na2O、K2O）或集料中碱活性矿物（SiO2），在潮湿环境下缓慢发生反应并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。

工程实际中，当对砂的碱活性有怀疑时或用于重要工程的砂，须进行碱活性检验。检测方法及结果判定原则见“混凝土的碱-骨料反应”。经碱-骨料反应试验后，由砂制备的试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期，膨胀率应小于0.10%。

4.砂的粗细程度和颗粒级配

砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后的平均粗细程度。砂的粗细程度与其总表面有直接的关系，对于相同重量的砂，细砂的总表面积较大，粗砂的总表面积较小。

在混凝土拌和物中，砂子的表面由水泥浆包裹，砂子之间的空隙由水泥浆来填充。为了减小集料间的空隙、节约水泥，且提高混凝土密实度和强度，应尽可能减少砂子的总表面积，同时减少砂子的空隙率。

当混凝土拌和物和易性要求一定时，粗砂较细砂的水泥用量为省。但若砂子过粗，易使混凝土拌和物产生离析、泌水等现象。因此，混凝土用砂不宜过细，也不宜过粗。

砂的颗粒级配是指粒径大小不同的砂粒组配情况。粒径相同的砂粒堆积在一起，会产生很大的空隙率；当用两种粒径的砂搭配起来，空隙率就减少了；而用三种粒径的砂搭配，空隙率就更小了。

5.坚固性

砂的坚固性是指砂在气候、环境或其他物理因素作用下抵抗碎裂的能力。天然砂的坚固性根据砂在硫酸钠溶液中经五次浸泡循环后质量损失的大小来判定。Ⅰ类和Ⅱ类砂浸泡试验后的质量损失小于8%，Ⅲ类砂浸泡试验后的质量损失小于10%。

机制砂采用压碎指标法进行检验。将砂筛分成300～600μm，600μm～1.18mm，1.18～2.36mm，2.36～4.75mm四个单粒级，按规定方法对单粒级砂样施加压力，施压后重新筛分，用单粒级下限筛的试样通过量除以该粒级试样的总量即为压碎指标。Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类砂的单级最大压碎指标分别小于20%、25%和30%。

6.表观密度、堆积密度、空隙率

砂表观密度大于2500kg/m3，松散堆积密度大于1350kg/m3，空隙率小于47%。

粗骨料

粗骨料的种类及其特性

粗骨料分为卵石（又称为砾石）和碎石两类。卵石是在自然风化作用、水流的侵蚀和搬运、堆积作用下形成的表面光滑的粒径大于4.75mm的岩石颗粒；碎石是将天然岩石颗粒、卵石或矿山尾料经机械破碎、筛分制成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。

卵石表面光滑，有机杂质含量较多，与水泥石胶结力较差。碎石因表面粗糙，棱角多，且较洁净，与水泥石黏结比较牢固。在相同条件下，卵石混凝土的强度较碎石混凝土低；因碎石表面粗糙，吸水性较卵石大，在单位用水量相同的条件下，卵石混凝土的流动性较碎石混凝土大。按技术要求将粗骨料分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。

粗骨料的技术要求

1.含泥量和泥块含量

粗骨料中的泥、泥块和岩屑等杂质对混凝土的危害与细骨料的相同。

2.有害物质含量

卵石和碎石中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物，粗骨料中的有害物质主要有机物、硫化物及硫酸盐，有时也有氯化物，它们对混凝土的危害与细骨料的相同。

3.碱-骨料反应

与细骨料一样，粗骨料也存在碱-骨料反应，而且更为常见。当对粗骨料的碱活性有怀疑时或用于重要工程的粗骨料，须进行碱活性检验，检测方法见“混凝土的碱-骨料反应”。若为含有活性SiO2时，采用化学法或砂浆长度法检验；若为活性碳酸盐时，则采用岩石柱法进行检测。经上述检验的粗骨料，当被判定为具有碱-碳酸反应潜在危害时，则不能用作混凝土骨料；当被判定为有潜在碱-硅酸反应危害时，则遵守以下规定方可使用：使用碱含量（Na2O+0.658K2O）小于0.6%的水泥，或掺入硅灰、粉煤灰等能抑制碱骨料反应的掺和料；当使用含钾、钠离子的混凝土外加剂时，必须进行专门的试验。

4.最大粒径和颗粒级配

粗骨料公称直径的上限称为该骨料最大粒径。与细骨料一样，为了节约混凝土的水泥用量，提高混凝土密实度和强度，混凝土粗骨料的总表面积应尽可能减少，其空隙率应尽可能降低。粗骨料最大粒径与其总表面大小紧密相关。当骨料最大粒径增大时，其总表面积减少，保证一定厚度润滑层所需的水泥浆数量减少。因此，在条件许可的情况下，粗骨料的最大粒径应尽量用大些。

研究表明，对于贫混凝土（1m3混凝土水泥用量不大于170kg），采用大粒径骨料是有利的。但是对于结构常用混凝土，骨料粒径大于40mm，并无多大好处，甚至可能造成混凝土的强度下降。混凝土粗骨料的最大粒径不得超过截面最小尺寸的1/4，且不得大于钢筋最小净距的3/4；对于混凝土实心板，骨料最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得超过40mm。

粗骨料颗粒级配的含义和目的与细骨料相同，级配也是通过筛分析试验来测定。所用标准筛一套12个，均为方孔，孔径依次为2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、75.0mm、90.0mm。

粗骨料的颗粒级配分连续级配和间断级配两种。连续级配是石子由小到大各粒级相连的级配；间断级配是指用小颗粒的粒级石子直接与大颗粒的粒级石子相配，中间缺了一段粒级的级配。土木工程中多采用连续级配，间断级配虽然可获得比连续级配更小的空隙率，但混凝土拌和物易产生离析现象，不便于施工，较少使用。单粒级不宜单独配制混凝土，主要用于组合连续级配或间断级配。

5.颗粒形状

粗骨料颗粒外形有方形、圆形，表面光滑且表面积较小时，混凝土的流动性相对较好。因此，混凝土用粗骨料以接近球状或立方体形的为好，这样的骨料颗粒之间的空隙小，混凝土更易密实，有利于混凝土强度的提高。针状（指颗粒长度大于骨料平均粒径2.4倍者）、片状（颗粒厚度小于骨料平均粒径0.4倍者）等粗骨料不仅本身受力时易折断，且易产生架空现象，增大骨料空隙率，使混凝土拌和物和易性变差，同时降低混凝土的强度。为此，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类粗骨料的针片状颗粒含量按质量计，应分别小于5%、15%和25%。骨料平均粒径指一个粒级的骨料其上、下限粒径的算术平均值。

6.强度

为了保证混凝土的强度，粗骨料必须致密并具有足够的强度。

碎石抗压强度的测定：将制作粗骨料的母岩制成边长为50mm的立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，每组六个试件。对有明显层理的岩石，应制作二组，一组保持层理与受力方向平行；另一组保持层理与受力方向垂直，分别测试。试件浸水48h后，测定其极限抗压强度值。碎石抗压强度一般在混凝土强度等级大于或等于C60时才检验，其他情况如有怀疑或必要时也可进行抗压强度检验。通常要求岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5。在水饱和状态下，其抗压强度火成岩应不小于80MPa，变质岩应不小于60MPa，水成岩应不小于30MPa。

7.坚固性

粗骨料在混凝土中起骨架作用，必须有足够的坚固性。粗骨料的坚固性指在气候、环境或其他物理因素作用下抵抗碎裂的能力。粗骨料的坚固性用试样在硫酸钠溶液中经5次浸泡循环后质量损失的大小来判定。Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类粗骨料浸泡试验后的质量损失分别小于5%、8%和12%。

8.表观密度、堆积密度、空隙率

粗骨料的表观密度大于2500kg/m3，松散堆积密度大于1350kg/m3，空隙率小于47%。

水

混凝土拌和及养护用水的基本要求是：不影响混凝土的凝结硬化，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。

外加剂

混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的，用以改善新拌制混凝土和凝结硬化混凝土性能的材料，简称外加剂。

根据外加剂的主要功能分为4类。

（1）改善混凝土拌和物流变性能的外加剂，如减水剂、引气剂和泵送剂等。

（2）调节混凝土凝结时间和硬化性能的外加剂，如缓凝剂、早强剂和速凝剂等。

（3）改善混凝土耐久性的外加剂，如引气剂、防水剂、防冻剂和阻锈剂等。

（4）改善混凝土其他性能的外加剂，如加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、泵送剂、碱-骨料反应抑制剂和道路抗折剂等。

优缺点

在世界各地的土木工程中，混凝土是最重要的、使用最广泛的建筑材料。普通混凝土与钢材、木材等常用土木工程材料相比有许多优点：

（1）混凝土的组分分布广泛、造价低廉，可以就地取材。

（2）可通过改变混凝土的组分及其数量比例，根据混凝土的用途配制不同物理力学性能的混凝土。

（3）凝结前有良好的可塑性，可利用模板浇灌成任何形状及尺寸的构件或结构物，故可用于多种类型的建筑。

（4）混凝土与钢筋的线膨胀系数基本相同，与钢筋有较高的握裹力，两者复合后制成钢筋混凝土能很好地共同工作。

（5）混凝土使用期间不需经常维修保养，能源耗用少。

（6）混凝土可浇筑成整体以提高建筑物的抗震性能，也可预制成各种构件再行装配等。

普通混凝土也存在一些缺点：

（1）混凝土抗拉强度低，一般为抗压强度的1/10～1/20，易产生裂缝，受拉时易产生脆性破坏。

（2）自重大，不利于建筑物（构筑物）向高层、大跨度方向发展。

（3）耐久性不够，在自然环境、使用环境及内部因素作用下，混凝土的工作性能易发生劣化，硬化较慢，生产周期长，在自然条件下养护的混凝土预制构件，一般要养护7～14d方可投入使用。

建筑工程中使用的混凝土，一般要满足以下四项要求：

（1）各组成材料经拌和后形成的拌和物应具有一定的和易性，以便于施工。

（2）混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度。

（3）硬化后的混凝土应具有适应其所处环境的耐久性。

（4）经济合理，在保证质量的前提下，节约造价。

发展史

混凝土材料的应用可追溯到古老年代。数千年前，我国劳动人民及埃及人就用石灰与砂配制成砂浆砌筑房屋。后来罗马人又使用石灰、砂及石子配制成混凝土，并在石灰中掺入火山灰配制成用于海岸工程的混凝土，这类混凝土强度不高，使用量少。

现代意义上的混凝土，是在约瑟夫·阿斯帕丁1824年发明波特兰水泥以后，于1830年前后才得以问世；1850年出现了钢筋混凝土，使混凝土技术发生了第一次革命性的飞跃；1928年制成了预应力钢筋混凝土，产生了混凝土技术的第二次飞跃；1965年前后混凝土外加剂，特别是减水剂的应用，使轻易获得高强度混凝土成为可能，混凝土的工作性能显著提高，导致了混凝土技术的第三次革命性飞跃。目前，混凝土技术正朝着超高强、轻质、高耐久性、多功能和智能化方向发展。

发展方向

混凝土作为主要的土木工程材料，在土木工程各个领域的应用不断增加。现代土木工程结构向大跨度、轻型、高耸结构发展，混凝土材料也在地下工程、海洋工程中不断扩展，使得工程结构对混凝土的性能要求越来越高。随着人类社会向智能化社会发展，将出现智能交通系统、智能大厦、智能化社区等。传统的混凝土向高性能、多功能、智能化混凝土发展将是必然趋势。