4.2 普通混凝土的组成材料

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。混凝土的结构如图4.1所示。

图4.1 混凝土内部结构

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。因此，首先必须了解混凝土组成材料的性质、作用及其质量要求，然后才能进一步了解混凝土的其他性能。

4.2.1 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。水泥的具体技术性质详见第3章胶凝材料部分具体内容。本节只讨论如何正确选用水泥。

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。常用水泥的选用原则，见表4.1和表4.2。

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。表4.3是各水泥强度等级的水泥宜配制的混凝土。

4.2.2 细骨料

4.2.2.1 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。

4.2.2.2 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，它们的含量应符合表4.7的规定。

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，如图4.2（a）所示；当用两种粒径的砂搭配起来，空隙率就减少了，如图4.2（b）所示；而用三种粒径的砂搭配，空隙率就更小了，如图4.2（c）所示。

图4.2 砂颗粒级配

由此可见，要想减小砂粒间的空隙，就必须将大小不同的颗粒搭配起来使用。砂的粗细程度和颗粒级配通常用筛分析的方法进行测定。砂的筛分析法是用一套方孔孔径分别为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm和150μm的7个标准筛，将500g干砂样由粗到细依次过筛，然后称取留在各筛上砂的筛余量G_i（G₁、G₂、G₃、G₄、G₅、G₆）和筛底盘上砂重量G_底。然后计算各筛的分计筛余百分率ai（各筛上的筛余量占砂样总重的百分率），计算累计筛余百分率A_i（各筛及比该筛粗的所有筛的分计筛余百分率之和）。累计筛余与分计筛余的关系见表4.8。

砂的粗细程度根据累计筛余百分率计算而得的细度模数（M_x）来表示，其计算式为用该式计算时，A_i用百分点而不是百分率来计算。如A₂=18.6%，计算时代入18.6而不是0.186。细度模数越大，表示砂越粗。按细度模数将砂分为粗、中、细三种规格：粗砂M_x=3.7～3.1，中砂M_x=3.0～2.3，细砂M_x=2.2～1.6。一般将M_x=1.5～0.7的称为特细砂，M_x＜0.7的称为粉砂。砂的细度模数不能反映砂的级配优劣。细度模数相同的砂，其级配可以很不相同。因此，在配制混凝土时，必须同时考虑砂的级配和砂的细度模数，根据600μm筛孔的累计筛余，把M_x在3.7～1.6之间的常用砂的颗粒级配分为三个级配区，见表4.9。

将筛分析试验的结果与表4.9进行对照，来判断砂的级配是否符合要求。但用表4.9来判断砂的级配不直观，为了方便应用，常用筛分曲线来判断。所谓筛分曲线是指以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标所画的曲线。用表4.9的规定值画出1、2、3三个级配区上下限值的筛分曲线得到图4.3。试验时，将砂样筛分析试验得到的各筛累计筛余百分率标注在图4.3中，并连线，就可观察此筛分曲线落在哪个级配区。

图4.3 砂的级配区曲线

配制混凝土时宜优先选用2区砂。当采用1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。当采用3区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土强度。如果某地区的砂子自然级配不符合要求，可采用人工级配砂。配制方法是当有粗、细两种砂时，将两种砂按合适的比例掺配在一起。当仅有一种砂时，筛分分级后，再按一定比例配制。

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%。

4.2.3 粗骨料

4.2.3.1 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。

4.2.3.2 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。卵石、碎石的含泥量和泥块含量应符合表4.10的规定。

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。有害物质的含量符合表4.11的规定。

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。对于泵送混凝土，粗骨料的最大粒径与混凝土输送管道内径之比应符合表4.12的规定。

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。试样筛分析时，按表4.13选用部分筛号进行筛分，将试样的累计筛余百分率结果与表4.13对照，来判断该试样级配是否合格。

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。

碎石和卵石的压碎指标值测定：将一定重量气干状态的9.5～19.0mm石子装入标准筒内，在3～5min内均匀加荷至200kN。卸荷后称取试样重量G₀，再用2.36mm孔径的筛筛除被压碎的细粒。称出留在筛上的试样重量G₁，按下式计算压碎指标值δ_a：

用压碎指标值间接反映粗骨料的强度大小。压碎指标值越小，说明粗骨料抵抗受压破碎能力越强，其强度越大。粗骨料压碎指标符合表4.14的规定。

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%。

4.2.4 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。混凝土用水中的物质含量限值见表4.15。

4.2.5 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。

4.2.5.1 外加剂的分类

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。

4.2.5.2 几种常用的混凝土外加剂

1.减水剂

减水剂可降低混凝土达到一定坍落度时所需的用水量，即在混凝土拌和物的流动性不变，则可减少混凝土的加水量，利用这一性质，可有效降低水灰比，提高混凝土的强度和抗渗性；在保持混凝土强度不变的情况下，加入减水剂可减少水泥用量，以此可降低混凝土的水化热；在保持混凝土各组成材料种类和用量不变的情况下，在拌制过程中掺入减水剂，混凝土拌和物的流动性将显著提高。减水剂是工程中应用最广泛的一种外加剂。另外，缓凝型减水剂可使水泥水化放热速度减慢，热峰出现推迟；引气型减水剂可提高混凝土抗渗性和抗冻性。

（1）减水剂的分类。减水剂掺入混凝土的主要作用是减水，不同系列的减水剂的减水率差异较大，部分减水剂兼有早强、缓凝和引气等效果。减水剂品种繁多，根据化学成分可分为木质素系、萘系、树脂系、糖蜜系和腐殖酸系；根据减水效果可分为普通减水剂和高效减水剂；根据对混凝土凝结时间的影响可分为标准型、早强型和缓凝型；根据是否在混凝土中引入空气可分为引气型和非引气型；根据外形可分为粉体型和液体型。

木质素系减水剂属于普通减水剂，是亚硫酸盐法生产纸浆的副产品，主要成分是木质素磺酸盐，又分为木质素磺酸钙（木钙）、木质素磺酸钠（木钠）和木质素磺酸镁（木镁）。应用最广泛的是木钙（又称为M剂），它是以废纸浆或废纤维浆为原料，采用石灰乳中和，经发酵除糖、蒸发浓缩、喷雾干燥而制成，为棕色粉状物。M剂因含有一定的糖分，而具有缓凝等作用。

糖蜜系减水剂也属于普通减水剂，它以制糖后的糖渣或废蜜为原料，采用石灰中和处理而成，为棕色粉状物或糊状物。糖为多羟基碳水化合物，亲水性强，致使水泥颗粒表面的溶剂化水膜增厚，在较长时间内难于粘连与凝聚。因而，糖蜜系减水剂具有明显缓凝作用。萘系减水剂属于高效减水剂，它以工业萘或煤焦油中分馏出的萘及萘的同系物为原料，经磺化、水解、缩合、中和、过滤和干燥而成，为棕色粉状物。

树脂系减水剂为高效减水剂，主要有三聚氰胺甲醛树脂（代号SM）和磺化古马龙树脂（代号CRS）。SM减水剂是由三聚氰胺、甲醛和亚硫酸钠按一定的比例，在一定条件下磺化、缩聚而成。

（2）减水剂的作用原理。各类减水剂尽管成分不同，但都属于表面活性剂。其活性剂分子是由亲水基团和憎水基团两部分组成，在水溶液中亲水基团和憎水基团形成定向排列，组成吸附膜，降低了水的表面张力，并降低了水与其他固体物质之间的界面张力。当水泥中加入减水剂后，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有相同的电荷，产生静电斥力，使水泥颗粒相互分开，絮凝结构解体，释放出游离水，从而增大了混凝土拌和物的流动性。另外，减水剂还能在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，这层水膜如同很好的润滑剂，有利于水泥颗粒的滑动，从而使混凝土拌和物的流动性进一步提高。这种表面活性作用，是减水剂减水效果的主要原理。对于聚羧基类减水剂，由于还具有较长的侧链和主炭链相连，使分子成梳状外貌，通过空间位阻作用，分散效果更好。

外加剂掺入混凝土中的方法，对其作用效果影响很大。减水剂的掺法有同掺法、先掺法和后掺法等。同掺法是指将减水剂预先溶于水中形成溶液，再加入拌和物中一起搅拌的方法。该掺法计量准确，搅拌均匀，工程上经常采用。先掺法是指将减水剂与水泥混合后再与骨料和水一起搅拌的方法。该掺法使用方便，但减水剂有粗粒时不易分散，搅拌时间要延长，工程上不常采用。后掺法是指在混凝土拌和物运送到浇筑地点后，再分次加入减水剂进行搅拌的方法。该方法可避免混凝土在运输途中的分层、离析和坍落度损失，提高水泥的适应性，常用于商品混凝土。

2.早强剂

（1）早强剂的分类。早强剂是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂能促进水泥的水化和硬化，提高早期强度，缩短养护周期，提高模板和场地周转率，加快施工速度。早强剂按化学成分可以分为氯盐类、硫酸盐类、有机胺类以及它们的复合类。

氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化铝及三氯化铁等，其中氯化钙应用最广。

硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝及硫酸钾铝等，其中应用最多的是硫酸钠。

有机胺类早强剂，主要有三乙醇胺、三异丙醇胺等，其中三乙醇胺最为常用。

复合早强剂采用二种或二种以上的早强剂复合，可以弥补不足，取长补短。通常用三乙醇胺、硫酸钠、氯化钠、亚硝酸钠和石膏等组成二元、三元或四元复合早强剂。复合早强剂一般可使混凝土3d强度提高70%～80%，28d强度提高20%左右。

（2）早强剂的作用原理。氯化钙的早强机理是CaCl₂能与水泥中的C₃A作用，生成几乎不溶于水的水化氯铝酸钙（3CaO·Al₂O₃·3CaCl₂·32H₂O），又能与Ca（OH）₂反应生成溶解度极小的氧氯化钙［CaCl₂·3Ca（OH）₂·12H₂O］。水化氯铝酸钙和氧氯化钙固相早期析出，形成骨架，加速水泥浆体结构的形成。同时，由于水泥浆中Ca（OH）₂浓度的降低，有利于C₃S水化反应的进行，使混凝土早期强度得以提高。氯化钙为白色粉末，其适宜掺量为水泥重量的0.5%～1.0%，能使混凝土3d强度提高50%～100%，7d强度提高20%～40%。同时，能降低混凝土中水的冰点，防止混凝土早期受冻。

含氯盐类早强剂会加速钢筋混凝土中钢筋的锈蚀。因此，使用时应对此类早强剂的加入量有所限制。为防止氯盐对钢筋的锈蚀，一般可采取氯盐与阻锈剂复合使用。此外，含氯盐早强剂会降低混凝土的抗硫性能。

硫酸钠的早强机理是Na₂SO₄与水泥水化生成的Ca（OH）₂反应生成CaSO₄·2H₂O，生成的CaSO₄·2H₂O高度分散在混凝土中，它与C₃A的反应较生产水泥时外掺的石膏与C₃A的反应快得多，能迅速生成水化硫铝酸钙针状晶体，形成早期骨架。同时水化体系中Ca（OH）₂浓度的降低，C₃S水化也会加速。因此，混凝土早期强度得以提高。硫酸钠为白色粉末，其适宜掺量为水泥重量的0.5%～2.0%，达到混凝土强度的70%的时间可缩短一半，对矿渣水泥混凝土效果更好，但28d强度稍有降低。

三乙醇胺的早强机理是它是一种络合剂，在水泥水化的碱性溶液中，能与Fe³⁺、Al³⁺等离子形成较稳定的络离子，这种络离子与水泥的水化物作用生成溶解度很小的络盐并析出，有利于早期骨架的形成，从而使混凝土早期强度提高。三乙醇胺一般不单独使用，常与其他早强剂复合用，其掺量为水泥重量的0.02%～0.05%，能使水泥的凝结时间延缓1～3h，使混凝土早期强度提高50%左右，28d强度不变或略有提高，对普通水泥的早强作用大于矿渣水泥。

（3）早强剂的应用。早强剂可用于蒸汽养护的混凝土及常温、低温和最低温度不低于-5℃环境，对施工有早强要求的混凝土工程。炎热环境条件下不宜使用早强剂和早强减水剂。掺入混凝土对人体产生危害或对环境产生污染的化学物质严禁用作早强剂，含有六价铬盐、亚硝酸盐等有害成分的早强剂严禁用于饮水工程及与食品相接触的工程，硝铵类严禁用于办公、居住等建筑工程。含强电解质无机盐类的早强剂和早强减水剂，严禁用于与镀锌钢材或铝铁相接触部分的结构，以及有外露钢筋预埋铁件而无防护措施的结构；使用直流电源的结构以及距高压直流电源100m以内的结构。

3.引气剂

引气剂是指在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡（直径10～100μm）的外加剂。

（1）引气剂的分类。混凝土引气剂有松香树脂类、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类、蛋白质盐及石油磺酸盐等几种。其中以松香树脂类应用最为广泛，这类引气剂的主要品种有松香热聚物和松香皂两种。

（2）引气剂的作用机理。引气剂为表面活性剂，由于在搅拌混凝土时会混入一些气泡，掺入的引气剂就定向排列在泡膜界面（气-液界面）上，因而形成大量微小气泡。被吸附的引气剂离子增强了泡膜的厚度和强度，使气泡不易破灭。这些气泡均匀分散在混凝土中，互不相连，使混凝土的一些性能得以改善。

（3）引气剂的主要功能。

1）改善混凝土拌和物的和易性。封闭的小气泡在混凝土拌和物中好如滚珠，减少了骨料间的摩擦，增强了润滑作用，从而提高了混凝土拌和物的流动性。同时微小气泡的存在可阻滞泌水作用并提高保水能力。

2）提高混凝土的抗渗性和抗冻性。引入的封闭气泡能有效隔断毛细孔通道，并能减少泌水造成的渗水通道，从而提高了混凝土的抗渗性。另外，引入的封闭气泡对水结冰产生的膨胀力起缓冲作用，从而提高抗冻性。

3）强度有所降低。气泡的存在，使混凝土的有效受力面积减少，导致混凝土强度的下降。一般混凝土的含气量每增加1%，其抗压强度将降低4%～6%，抗折强度降低2%～3%。因此引气剂的掺量必须适当。松香热聚物和松香皂掺量，一般为水泥重量的0.005%～0.01%。

（4）引气剂的应用。引气剂及引气减水剂可用于抗冻混凝土、抗渗混凝土、抗硫酸盐混凝土、泌水严重的混凝土、贫混凝土、轻骨料混凝土、人工骨料配制的普通混凝土、高性能混凝土以及有饰面要求的混凝土。不宜用于蒸养混凝土及预应力混凝土，必要时，应经试验确定。

4.缓凝剂

缓凝剂是指能延缓混凝土凝结时间，而不显著影响混凝土后期强度的外加剂。

（1）缓凝剂的分类。缓凝剂分为无机和有机两大类。有机缓凝剂包括木质素磺酸盐、羟基羧基及其盐、糖类及碳水化合物、多元醇及其衍生物等；无机缓凝剂包括硼砂、氯化锌、碳酸锌、硫酸铁（铜、锌、镉等）、磷酸盐及偏磷酸盐等。

（2）缓凝剂的作用机理。有机类缓凝剂多为表面活性剂，掺入混凝土中，能吸附在水泥颗粒表面，形成同种电荷的亲水膜，使水泥颗粒相互排斥，阻碍水泥水化产物粘连和凝结，起缓凝作用；无机类缓凝剂，一般是在水泥颗粒表面形成一层难溶的薄膜，对水泥的正常水化起阻碍作用，从而导致缓凝。

（3）缓凝剂的应用。缓凝剂、缓凝减水剂及缓凝高效减水剂可用于大体积混凝土、碾压混凝土、炎热气候条件下施工的混凝土、大面积浇筑的混凝土、避免冷缝产生的混凝土、须较长时间停放或长距离运输的混凝土、自流平免振混凝土、滑模施工或拉模施工的混凝土及其他须要延缓凝结时间的混凝土。它们宜用于最低气温5℃以上施工的混凝土，不宜单独用于有早强要求的混凝土及蒸养混凝土。缓凝高效减水剂可制备高强高性能混凝土。柠檬酸及酒石酸钾钠等缓凝剂不宜单独用于水泥用量较低、水灰比（通常指水与水泥质量之比，广义的水灰比为水与胶凝材料质量之比）较大的贫混凝土。

5.速凝剂

速凝剂是指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。

（1）速凝剂的分类。速凝剂主要有无机盐类和有机物类。大部分速凝剂的主要成分为硅酸钠、铝酸钠（铝氧熟料）、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、羟基胺等，此外还有碳酸钠、铝酸钙、氟硅酸锌、氟硅酸镁、氯化亚铁、硫酸铝、三氯化铝等盐类。我国常用的速凝剂多为无机盐类，主要以硅酸钠为主要成分的铝氧熟料与碳酸钠及生石灰组成，或铝氧熟料与无水石膏组成。

（2）速凝剂的作用原理。速凝剂之所以能产生速凝作用是因为速凝剂中的铝酸钠、碳酸钠在碱溶液中迅速与水泥中的石膏反应生成硫酸钠，使石膏丧失缓凝作用，并在液体中析出其水化物，导致水泥浆迅速凝固，使混凝土在短时间内凝结，1h产生强度，1d强度提高2～3倍。

（3）速凝剂的应用。速凝剂主要用于喷射混凝土和喷射砂浆，亦可用于需要速凝的其他混凝土。喷射混凝土是利用喷射机中的压缩空气，将混凝土喷射到基体（岩石、坚土等）表面，并迅速硬化产生强度的一种混凝土。主要用于矿山井巷、隧道、涵洞及地下工程的岩壁衬砌、坡面支护等。

6.防冻剂

防冻剂指能使混凝土在负温下硬化，并在规定时间内达到足够防冻强度的外加剂。

（1）防冻剂的分类。防冻剂包括强电解质无机盐类、水溶性有机化合物类、有机化合物与无机盐复合类和复合型等四类。目前应用最广泛的是强电解质无机盐类，它又分为氯盐类（以氯盐为防冻组分）、氯盐阻锈类（以氯盐与阻锈组分为防冻组分）和无氯盐类（以亚硝酸钠、硝酸钠等无机盐为防冻组分）3类。

（2）防冻剂的作用机理。常用防冻剂由多组分复合而成，主要组分的常用物质及其作用如下：

1）防冻组分。如氯化钙、氯化钠、亚硝酸钠、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、碳酸钾、硫代硫酸钠和尿素等。其作用是降低混凝土中液相的冰点，使负温下的混凝土内部仍有液相存在，水泥能继续水化。

2）引气组分。如松香热聚物、木钙和木钠等。其作用是在混凝土中引入适量的封闭微小气泡，减轻冰胀应力。

3）早强组分。如氯化钠、氯化钙、硫酸钠和硫代硫酸钠等。其作用是提高混凝土早期强度，增强混凝土抵抗冰冻的破坏能力。

4*）减水组分。如木钙、木钠和萘系减水剂等。其作用是减少混凝土拌和用水量，以减少混凝土内的成冰量，并使冰晶粒度细小且均匀分散，减小对混凝土的膨胀应力。

（3）防冻剂的应用。防冻剂应用于负温条件下施工的混凝土。目前国产防冻剂适用于在0～-15℃气温下施工混凝土，当在更低气温下施工混凝土时，应采用其他的混凝土冬季施工措施，如原材料预热法、暖棚法等。

7.防水剂

（1）防水剂的分类。防水剂指能降低混凝土在静水压力下的透水性的外加剂。它包括以下四类。

1）无机化合物类：氯化铁、硅灰粉末、锆化合物等。

2）有机化合物类：脂肪酸及其盐类、有机硅表面活性剂（甲基硅醇钠、乙基硅醇钠、聚乙基羟基硅氧烷）、石蜡、地沥青、橡胶及水溶性树脂乳液等。

3）混合物类：无机类混合物、有机类混合物、无机类与有机类混合物。

4）复合类：上述各类与引气剂、减水剂、调凝剂（指缓凝剂和速凝剂）等外加剂复合的复合型防水剂。

（2）防水剂的应用。防水剂可用于工业与民用建筑的屋面、地下室、隧道、巷道、给排水池、水泵站等有防水抗渗要求的混凝土工程。含氯盐的防水剂可用于素混凝土、钢筋混凝土工程，严禁用于预应力混凝土工程，其他严禁使用的范围与早强剂及早强型减水剂的规定相同，防水剂的掺量也须严格控制要求。

8.泵送剂

泵送剂指能改善混凝土拌和物泵送性能的外加剂。一般由减水剂、缓凝剂、引气剂等单独使用或复合使用而成。适用于工业与民用建筑及其他构筑物的泵送施工的混凝土、滑模施工、水下灌注桩混凝土等工程，特别适用于大体积混凝土、高层建筑和超高层建筑等工程。泵送剂的品种、掺量应按供货单位提供的推荐掺量和环境温度、泵送高度、泵送距离、运输距离等要求经混凝土试配后确定。

4.2.6 掺和料

混凝土掺和料是指在混凝土搅拌前或在搅拌过程中，与混凝土其他组分一起，直接加入的人造或天然的矿物材料以及工业废料，掺量一般大于水泥重量的5%。其目的是为了改善混凝土性能、调节混凝土强度等级和节约水泥用量等。

掺和料主要有粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉、磨细自燃煤矸石以及其他工业废渣。其材料种类与水泥混合料基本相同。

4.2.6.1 粉煤灰

粉煤灰是目前用量最大，使用范围最广的掺和料。粉煤灰主要从电厂的粉煤炉烟道气体中收集而得到，其表面多呈球形，表面光滑。

1.粉煤灰的分类

粉煤灰按收集方法的不同分为静电收尘灰和机械收尘灰两种。按排放方式不同分为湿排灰和干排灰。按CaO的含量高低分为高钙灰（CaO含量大于10%）和低钙灰（CaO含量小于10%）两类。我国绝大多数电厂排放的粉煤灰为低钙灰，湿排灰活性不如干排灰。

粉煤灰的化学成分主要有SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、SO₃等，我国火力发电厂粉煤灰的化学成分范围见表4.16。

2.粉煤灰的作用

粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，掺入混凝土中可产生以下三种效应，总称为“粉煤灰效应”。

（1）活性效应。粉煤灰中所含的SiO₂和Al₂O₃具有化学活性，在水泥水化产生的Ca（OH）₂和水泥中所掺石膏的激发下，能水化生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等产物，可作为胶凝材料一部分起增强作用，在混凝土强度不变的情况下可节约水泥10%左右。

（2）形态效应。粉煤灰颗粒绝大多数为玻璃微珠，在混凝土拌和物中起“滚珠轴承”的作用，能减小内摩阻力，使掺有粉煤灰的混凝土拌和物比基准混凝土流动性好，可改善混凝土的和易性、可泵性，便于提高施工进度，同时，降低混凝土的水化热。

（3）微骨料效应。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构和增大了混凝土的密实度。粉煤灰掺入混凝土中，可以改善混凝土拌和物的和易性、可泵性和可塑性，能降低混凝土的水化热，使混凝土的弹性模量提高，提高混凝土抗化学侵蚀性、抗渗、抑制碱-骨料反应等耐久性。粉煤灰取代混凝土中部分水泥后，混凝土的早期强度有所降低，但后期强度可以赶上甚至超过未掺粉煤灰的混凝土。

3.粉煤灰的环境特性

长期以来，人们一方面致力于粉煤灰资源化工作，另一方面对它的环境特性心存疑虑，粉煤灰曾被视为一种有毒、有害物质，我国20世纪70年代对粉煤灰毒性产生过恐慌。粉煤灰有害物质包括As、Se、Pb、B、Zn、Cd、Cr、Hg、Mo、Ni、S、Sb等20余种有潜在毒害性的微量元素，238U（铀）、226Ra（镭）、232Th（钍）、40K（钾）和222Rn（氡）等放射性元素和粉尘3类。它们通过3种形式对环境产生危害，即粉煤灰中有毒有害元素通过水的淋溶、浸渍进入周围环境，污染地表水、地下水及土壤，或被直接饮用，或被农作物吸收后为食用而影响人们身体健康；粉煤灰的放射性物质通过辐射或释放有害气体危害人们身体健康；极细的粉煤灰颗粒在空气中飘浮，被人吸入而影响人们身体健康。

粉煤灰的有毒有害物质来源于原煤，并经燃烧而富集在粉煤灰颗粒中，原煤的有毒有害成分越多，粉煤灰的环境危害性就越大。

4.2.6.2 硅灰

硅灰又称为硅粉或硅烟灰，是在生产硅铁、硅钢或硅合金时，通过烟道排出的硅蒸气氧化后，经收尘器收集得到的以无定形SiO₂为主要成分的球状玻璃体颗粒粉尘。

硅灰中无定形SiO₂的含量在90%以上，其化学成分随所生产的合金或金属的品种不同而异，一般其化学成分为SiO₂：85%～92%；Fe₂O₃：2%～3%；MgO：1%～2%；Al₂O₃：0.5%～1.0%；CaO：0.2%～0.5%。

硅灰活性极高，火山灰活性指标高达110%。其中的SiO₂在水化早期就可与Ca（OH）₂发生反应，可配制出100MPa以上的高强混凝土。硅灰取代水泥后，其作用与粉煤灰类似，可改善混凝土拌和物的和易性，降低水化热，提高混凝土抗化学侵蚀性、抗冻、抗渗，抑制碱-骨料反应，且效果比粉煤灰好得多。另外，硅灰掺入混凝土中，可使混凝土的早期强度提高。

硅灰颗粒极细，平均粒径为0.1～0.2μm，密度2.2g/cm³，堆积密度250～300kg/m³，比表面积20000～25000m²/kg，因其表面积较大，需水量比为134%左右，若掺量过大，将会使水泥浆变得十分黏稠。因此，在土建工程中，硅灰取代水泥量常为5%～15%，为保证混凝土的和易性须配以高效减水剂方可使用。

4.2.6.3 磨细矿渣粉

磨细矿渣是将粒化高炉矿渣经干燥、粉磨等工艺磨细而成的粉状掺和料。其主要化学成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃，三者的总量占90%以上，另外含有Fe₂O₃和MgO等氧化物及少量SO₃。其活性较粉煤灰高，掺量也可比粉煤灰大。磨细矿渣粉可以等量取代水泥，且能显著改善混凝土的和易性，同时降低水化热，提高混凝土的抗腐蚀能力和耐久性，以及加快混凝土后期强度的增长。

4.2.6.4 沸石粉

沸石粉是由天然沸石岩经粉磨加工制成的含水化硅铝酸盐为主的矿物火山灰质活性掺和材料。含有一定活性SiO₂和活性Al₂O₃。其中，SiO₂占60%～70%，Al₂O₃占10%～30%，可溶硅占5%～12%，可溶铝占6%～9%。沸石岩具有较大的内表面积和开放性结构，沸石粉本身没有水化能力，在水泥中碱性物质激发下其活性才表现出来。沸石粉的技术要求：细度为0.080mm方孔筛筛余不大于7%，平均粒径为5.0～6.5μm，颜色为白色。

沸石粉掺入混凝土中的量依据所需达到的目的而定，配置高强度混凝土时的掺量为10%～20%；以高强度等级水泥配置低强度混凝土时掺量为40%～50%；置换水泥为30%～40%；配置普通混凝土时为10%～27%，可置换水泥10%～20%。

沸石粉作为混凝土掺和料，其作用主要表现如下：

（1）可以改善拌和物的黏聚性，减少泌水，用于泵送混凝土，可减少混凝土离析及堵泵。

（2）沸石粉应用于轻骨料混凝土，可较大改善轻骨料混凝土拌和物的黏聚性，减少轻骨料的上浮。