| 第一节,骨料 |
|
|
|
|
混凝土Concrete第三章本章主要内容介绍了各种水泥混凝土的组成、结构与性能，以及混凝土的配合比设计
方法和应用。普通混凝土普通混凝土组成材料及其基本要求混凝土外加剂普通混凝土拌和物的性质普通混凝土结构及性质混凝
土的质量评定普通混凝土配合比设计其他混凝土学习方法指导牢记基本概念——混凝土是由胶凝材料(水泥)胶结各种粗、细颗粒
状骨料，形成的一种颗粒堆聚材料。理解混凝土中各组分材料的要求与作用；熟悉混凝土的各种性质及其影响因素；掌握混凝土的配合比设计
方法和质量控制措施；了解各种混凝土的应用技术。混凝土在土木工程中的重要性混凝土是用量最大的结构材料，每年世界混凝土消耗量
为11亿吨，是钢材消耗量的10倍以上；混凝土是应用最广的结构材料，可用于桥梁、隧道、道路、水利、房屋建筑等工程；原因混凝土具
有耐久性，耐水、耐火；新拌混凝土具有很好的流动性和冲模性，容易浇注成各种形状和尺寸的结构构件；价格低廉，原材料储量丰富，分布很
广。概述1、定义：混凝土是由胶结料和骨料混合、通过一定的工艺成型后、硬化而成的复合材料。
胶结料是无机胶凝材料，或有机胶凝材料或二者的复合。水泥混凝土，通常简称混凝土，是由水泥浆胶结颗粒骨料或
骨料构架而成的人造石材—砼，2、混凝土的种类根据表观密度?0：普通混凝土(≈2400kg/m3)；轻混凝土
(＜1950kg/m3)；重混凝土(＞2600kg/m3)。根据用途(功能)：普通混凝土；道路混凝土；防
水混凝土；耐热混凝土；耐酸混凝土；防辐射混凝土；膨胀混凝土；装饰混凝土等。3、混凝土的特点耐久性能好；组分材料来源
丰富，经济性好；容易成型为任意形状和尺寸的构件；可大量利用工业废料；可与钢材复合使用；性脆易裂，抗拉强度低；混凝土生产能
耗较低，维护费用少。4、混凝土理论与技术的历史1867年，钢筋混凝土理论；1916年，混凝土强度的水灰比理论；1925年
，水灰比学说和恒定用水量法则；1928年，混凝土的收缩与徐变理论，预应力技术；20世纪中叶，混凝土减水剂等外加剂技术；20世
纪90年代，高性能混凝土的概念与技术。5、土木工程对混凝土的基本要求满足混凝土结构设计的强度要求，以保证构筑物能安全地承受各
种设计荷载；满足混凝土施工所要求的和易性，以便硬化后能得到均匀密实的混凝土；具有与工程环境相适应的耐久性，以保证构筑物在所处环
境中服役寿命；满足经济与生态的要求，能源与资源消耗低、环境负荷少等。混凝土材料工业的可持续发展SustainableDev
elopmentofConcreteIndustry原材料资源的保护及再生利用；减少耗能大、污染环境的硅酸盐水泥消耗量，多
利用工业废料——绿色化；推进混凝土科学技术的发展，改善混凝土结构物的耐久性。第一节普通混凝土三问？
混凝土的组成与结构是什么(What)？混凝土具有哪些性能(Which)？如何制备和使用混凝土(How)?（一）普通混凝土
的组成各组成材料的作用水泥浆润滑作用——与水形成水泥浆，赋予新拌混凝土以流动性胶结作用——包裹在所有骨料表面，通过水泥浆的
凝结硬化，将砂、石骨料胶结成整体，形成固体各组成材料的作用水混凝土中的拌和水有两个作用:供水泥的水化反应赋予混凝土的和易
性剩余水留在混凝土的孔（空）隙中使混凝土中产生孔隙对防止塑性收缩裂缝与和易性有利对渗透性、强度和耐久性不利各组成材料的作
用外加剂化学外加剂：改善混凝土的性能缓凝剂——使水泥浆凝结硬化速度减慢；促凝剂——使水泥浆凝结硬化速度减慢；减水剂—
—减少拌和需水量；引气剂——在混凝土中引起封闭气孔；矿物掺合料：减少水泥用量，改善混凝土性能粉煤灰硅灰矿渣（二）硬化
混凝土的结构宏观上，混凝土是一个砂、石颗粒状骨料分布在水泥石中形成的复合结构，主要由三相构成：砂、石骨料是混凝土的骨架
——分散相；水泥石是混凝土的基体相——连续相；骨料与水泥石间的过渡区——界面相。1)骨料相的结构要素骨料种类来源不
同：碎石、卵石(砾石)岩石种类：花岗岩、石灰石等；骨料的粒形等径多面体针片状多面体骨料表面状态表面光滑表面粗糙骨料
颗粒尺寸与级配骨料的分布3)过渡区相的结构要素过渡区厚度；过渡区固体颗粒尺寸与形状；过渡区的孔隙率。1.混凝土的
结构特点多物相、多孔性复合体水泥石与砂石骨料均是多物相、多孔性材料固体颗粒堆聚体混凝土结构是一个
各种尺寸的颗粒堆聚体，砂石颗粒堆积成骨架，水化物与水泥颗粒堆积成水泥石复杂与非匀质性骨料种类不一，形状与尺寸不等，分布不均；
水泥石组成与结构不均；薄弱过渡区(厚度约10～50μm)的存在非固定与可变性水泥石和过渡区的组成与结构是随时间
、温度与湿度环境不断变化着的。2.混凝土的结构要素各种尺寸固体颗粒分布的均匀性；各种固体颗粒堆积的密实性；固体颗粒的总表
面积;总孔隙率与界面孔隙率；孔隙特征与孔径分布3.混凝土结构的影响因素骨料的种类与体积含量碎石：表面粗糙、针片状多，需
浆量大，界面粘结好；卵石(砾石)：表面光滑、针片状少，需浆量小，但界面粘结差。骨料的粒径与级配水泥用量水灰比施工工艺养
护条件4.理想的混凝土结构密实较大颗粒堆聚所留下的孔隙由较细颗粒填充，较细颗粒堆聚所留下的孔隙由更细颗粒所填充;密实度
最大或总孔隙率最小时，固体颗粒的总比表面积最小;界面致密。均匀各种物相分布均匀Summary普通混凝土由水泥、
砂、石和水组成，为了改善性能，可添加化学外加剂与矿物掺合料；砂石构成混凝土的骨架，传递应力，限制变形；水泥与水形成水泥浆，赋予
新拌混凝土流动性，硬化后将骨料颗粒胶结成整体；混凝土微结构是由骨料相、水泥石相和界面过渡区相构成的复杂结构；结构特点有多物相
、多孔性的堆积体复杂而不均匀非固定而多变混凝土的理想结构——均匀、密实的堆积体二、普通混凝土的组成材料骨料水水
泥外加剂1.骨料的定义与用途骨料是岩石类材料骨料在土木工程中的应用：水泥混凝土沥青混凝土
道路基础铁路道渣砂浆每年用量约为20亿吨骨料的生产混凝土中的骨料经济上：在不影响混凝土性能的条
件下，在混凝土中尽可能多地加入骨料，以降低混凝土的成本；骨料可提供混凝土很好的稳定性和比水泥石更好的耐久性。混凝土中骨料的基本
要求具有良好的颗粒级配，使堆积空隙率小，颗粒总比表面积较小，以减少水泥浆用量；骨料颗粒表面干净，以保证与水泥浆有良好的粘结力
；含有害杂质少，不得含有影响水泥凝结硬化和后期混凝土耐久性的成分；具有足够的强度和坚固性，以保证起到骨架和传力作用。
2、骨料的种类按照骨料粒径粗骨料：粒径大于4.75mm的岩石颗粒，如卵石、碎石细骨料：粒径小于4.75mm的岩石颗粒，如河砂
、山砂、海砂按照骨料的密度普通骨料：堆积密度在1520~1680kg/m3的骨料
密度在2500～2700kg/m3轻骨料：堆积密度＜1120kg/m3的骨料
密度在～1000kg/m3重骨料：堆积密度＞2080kg/m3的骨料
密度在3500～4000kg/m3骨料的种类按照骨料来源分为：天然岩石骨料：由天然岩石组成的骨料，如砂、卵石、碎石
等。按照岩石的主要成分分为：氧化硅矿物、碳酸盐矿物、氧化铁矿物、硫化物矿物、粘土矿物等。人工骨料：热加工骨料：膨胀
页岩、膨胀蛭石等；工业副产物：矿渣、铁渣、粉渣等；再生骨料：破碎混凝土、破碎粘土砖等。3、骨料的特性及其影响骨料
的含水状态骨料的密度骨料的粒径与级配骨料的孔隙率骨料的形状骨料的表面特征骨料的弹性模量骨料的强度骨料的坚固性骨料
的硬度(1)骨料的密度、表观密度与堆积密度密度测量可用“排液法”直接测量砂、石骨料颗粒的密度。直接测得的密度实际是
骨料的表观密度，但由于砂、石的孔隙率小，将此法测得的密度为视密度—密度。大多数天然骨料的视密度为2.4~3.0。堆积密度测量
砂、石的堆积密度一般用固定体积法测量；砂用5升的体积的质量确定；石用10升体积的质量确定。骨料堆积密度取决于颗粒粒径与级
配天然岩石的密度(2)骨料的粒径及其分布骨料粒径及其分布粗骨料：最大粒径与颗粒级配；细骨料：细度模数与颗粒级配。
骨料粒径与颗粒级配影响骨料堆积孔隙颗粒级配合理可减少堆积孔隙；单一粒径越大，堆积孔隙越多。粒径及其分布影响的混凝土性能混凝
土的用水量；混凝土的水泥用量；新拌混凝土的和易性混凝土的微裂缝关于骨料粒径及其分布的几个基本概念颗粒级配指的
是大小粒径的骨料颗粒的互相搭配的比例情况——不同粒径颗粒的分布。粗细程度指的是不同粒径细骨料混合在一起的总体粗细程度
——平均粒径大小。最大粒径指的是粗骨料公称粒级的上限—允许最大值。1）砂子的颗粒级配与粗细程度细度模数Mx细度
模数表征砂的粗细程度，可以理解为质均粒径，由筛分法测定。细度模数越大，骨料越粗，根据细度模数将砂分为：细砂（2.2~1.6）；
中砂（3.0~2.3）；粗砂（3.7~3.1）。级配曲线级配曲线表示不同粒径砂的颗粒搭配情况；根据级配曲线分为三个区：Ⅰ
、Ⅱ、Ⅲ；级配间接反映了砂颗粒的堆积密度。颗粒级配与细度模数的测定筛分法：砂子标准筛：9.504.752.36
1.180.600.300.15mm共七个孔径的筛。方法：将500g烘干的砂子试洋由粗到细一次过筛，然后称出余
留在各个筛上的砂子质量。计算：各个筛上的余量为分计筛余ai，各个筛及以上筛上的分计筛余的和为累计筛余Ai。则：累计筛余
Ai=?ai（i=1……i）然后用Ai作纵坐标，筛孔尺寸作横坐标，绘制级配曲线。并用
下式计算细度模数：Mx=[(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1]/(100—A1)砂的级
配曲线问题？砂的颗粒级配区与细度模数的意义相同吗？为什么？答：不相同。颗粒级配区不能区别砂子的粗细程度的差别。细
度模数相同，级配相同吗？级配相同，细度模数相同吗？答：细度模数相同，级配不一定相同；但级配相同，细度模数一定相同。2）石
子的颗粒级配石子的级配有连续级配和间断级配两种：连续级配要求颗粒尺寸由大到小连续分级，每一级骨料都占有适当比例，这种级配较
好；间断级配是人为地剔除骨料中的某些粒级，造成粒级的间断，大粒径骨料间的空隙由比其小几倍的小粒径颗粒填充，从而降低堆积空隙率
。石子的颗粒级配也用筛分法测定。（3）骨料的形状与表面特征骨料的形状骨料颗粒的外观几何形状，对于粗骨料有：等径
颗粒球形体颗粒：没有菱角和边；多面体颗粒：有菱角和边。针状颗粒—长度大于颗粒所属的平均粒径的2.4倍；片状颗粒—厚度小
于平均粒径的0.4倍。骨料的表面特征表面粗糙程度；是否有菱角；干净程度等。表面特征与形状对混凝土性能的有何影响？表面粗
糙和针片状颗粒需要更多的水泥浆，影响混凝土的成本。影响新拌混凝土的和易性，表面光滑且等径颗粒易于流动，而粗糙且针片状颗粒不易流动
。影响混凝土中界面区的结合力，粗糙表面骨料与水泥浆的界面结合力较大。影响混凝土的强度骨料表面越粗糙，与水泥浆接触面越大，混凝
土强度越高；针片状骨料使混凝土强度低于圆形骨料；大粒径骨料使混凝土强度低于小粒径骨料骨料对混凝土强度的影响骨料对混凝土强度
的影响（4）骨料的含水状态骨料含水有四种状态：完全干燥骨料表面及内部完全不含水；气干骨料表面完全不含水，
而内部可能含小量水；饱和面干骨料的表面干燥而颗粒内部的孔隙含水饱和，此时的含水率为饱和面干吸水率。含水湿润骨料
表面吸附水且湿润对应的含水量：吸水量；有效吸水量；表面含水量。骨料含水量的影响骨料的含水率以骨料的干质量为基数计算。
计算混凝土配合比时，应扣除骨料所含的水。骨料在饱和面干状态时，既不会从混凝土中吸水，也不会给出水。所含的水对混凝土无有害作用。
湿润状态下的自由水将成为混凝土拌和水的一部分，影响混凝土的和易性、强度和耐磨性。（5）骨料的有害杂质有害杂质的种类：粘土、泥
块、云母；硫酸盐、硫化物、有机质；活性SiO2；针片状颗粒等。有害杂质的危害：影响水泥的水化、腐蚀水泥石；影响混凝土的
和易性影响混凝土的强度与耐磨性；增大混凝土的收缩；引起碱－骨料反应等。碱－骨料反应定义：骨料中的活性S
iO2与水泥中的Na＋、K＋等碱金属离子间的形成碱－硅酸盐凝胶的化学反应；危害：在骨料与水泥石的界面产生的碱－硅
酸盐凝胶吸水后体积膨胀，导致水泥石开裂；原因：水泥中的含碱(Na2O、K2O)量＞0.6%骨料中含有活性SiO2；检验方
法：砂浆棒法，膨胀率＜0.10%。（6）骨料的坚固性与强度骨料的坚固性骨料不因干/湿循环或
冻/融循环等气候变化而产生体积变化导致混凝土的劣化。骨料的坚固性取决于孔隙率、裂缝和杂质。粗骨料的强度对混凝土强度有一定影响，
要求骨料强度是混凝土配制强度的1.5倍。1）砂子的坚固性定义：砂在气候、环境变化或其它物理因素作用下抵抗碎
裂的能力。测试方法：用硫酸钠溶液浸泡检验，试样经5次循环后其质量损失率作为其评价指标。测试原理：
硫酸钠(NaSO4?10H2O)在砂的孔隙中结晶时将产生体积膨胀，使砂内部产生作用于孔壁的应力，如坚固性不好将会使砂碎裂
。2）石子的强度与坚固性强度一般以碎石或卵石的立方体强度或压碎指标来表示。立方体强度用50?50?50
mm3的立方体(或?50?50mm的圆柱体)岩石试件，吸水饱和后测定的试件抗压强度。压碎指标将气干状态下10~2
0mm的石子，按一定方法装入特制的圆柱筒内，在160~300s内加荷至200kN，卸荷后称取试样质量（G），然后用孔径为2.5mm
的筛进行筛分，称取试样的筛余量（G1）。压碎指标=[(G-G1)/G]?100%坚固性
可直接用冻融循环或硫酸盐溶液进行快速检验石子的坚固性。4.混凝土用砂的技术要求混凝土用砂的级配曲线一般应
在Ⅱ区，以中砂为宜。有害杂质含量符合国家标准(GB/T14684-2001)的要求。坚固性质量损失率?8%~10
%。表观密度应大于2500kg/m3，堆积密度应大于1350kg/m3,空隙率应小于47％。经碱-骨料反应检验后，应无裂缝、
酥裂、胶体外溢等现象。5.混凝土用石子的技术要求最大粒径Dmax要求：中等强度的混凝土的最大粒径应?40mm；
高等级混凝土应?25mm。对于钢筋混凝土，Dmax?结构断面尺寸的1/4、板厚的1/2，或钢筋间最小净距的
3/4。岩石强度与混凝土设计强度等级之比不应小于150%；颗粒级配符合JGJ53-92规定。有害杂质含量应符合表4-
4的规定（二）水泥浆1.水泥水泥品种的选择依据工程性质及所处的环境；施工条件；混凝土的强度等级。
若用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土，虽然满足强度要求的水泥用量少，但难以满足混凝土的和易性和耐久性的要求，不可取。若用低
强度等级水泥配制高强度等级混凝土，满足强度要求的水灰比会很小，其和易性难以满足施工要求，也不可取。2.水一般河水、可饮用
水，均可用来配制混凝土；pH值小于4的以及硫酸盐含量（SO3）超过1%的水不能用于配制混凝土；海水不允许用来配制钢筋混凝土；
含有对水泥水化有害的有机杂质的水不能用来拌制混凝土。一些岩石的弹性模量与泊松比岩石种类弹性
模量(GPa)泊松比(?)花岗岩6.0~60.0
0.11~0.23闪长岩
60.0~80.00.25辉绿岩70.0~1
10.0砂岩6.0~25.0
0.07~0.22凝灰岩2.0~20.0
~0.11石灰岩30.0~40.0
0.19~0.27大理岩50.0~80.00.25
~0.58一些岩石的线膨胀系数岩石种类线膨胀系数(10－6/?C)
花岗岩5~11.9闪长岩
4.1~10.3辉绿岩
3.6~7.0砂岩
8~12.0石灰岩4~12大理岩
5~9.0石英岩
11骨料最大粒径(Dmax)混凝土类型Dm
ax(mm)大坝混凝土150普通混凝土
40高强混凝土25（碎石）
15（卵石）活性粉末混凝土0.6骨料最大粒径(Dmax
)1）大受哪些因素限制？2）小受哪些因素限制？骨料用量对混凝土与净浆收缩比的影响如陶粒、煅烧页岩、膨胀蛭石、膨胀
珍珠岩、泡沫塑料颗粒等。如铁矿石、重晶石等。碎石卵石骨料的种类普通骨料轻骨料重骨料骨料的分类混凝土配合
比设计所要求影响新拌混凝土性能影响硬化混凝土性能2.6~2.72.62石英岩(Quartzite)2.60~2.92
.73斑岩(Porphyry)2.5~2.82.66石灰岩(Limestone)2.70~3.02.82角页岩(Ho
rnfels)2.60~2.92.69砂岩(Gritstone)2.60~3.02.69花岗岩(Granite)2.
60~3.02.80玄武岩(Basalt)密度范围平均密度岩石种类骨料粒径越大，堆积的空隙越多，所需水
泥浆用量越大Ⅰ细骨料粗骨料55%粗+45%细空隙率24%空隙率35%空隙率44%通过率筛孔等径颗粒骨料针片状
骨料颗粒针片状球状抗压强度（MPa)骨料最大粒径（mm）对于富水泥浆的混凝土：小粒径骨料可使混凝土强度较高；
大粒径可使混凝土强度较低。对于贫水泥浆的混凝土：大粒径骨料使混凝土强度较高；小粒径骨料使混凝土强度较低；抗压强度（psi
)骨料最大粒径（in）水灰比越小，骨料粒径对混凝土强度的影响越明显：混凝土强度随骨料粒径的增大而降低含水状态：完全干燥
气干饱和面干含水湿润含水量：不含水＜有效含水量
＝有效含水量＞有效含水量完全干燥气干
饱和面干含水湿润（4）骨料的含水状态含泥量很大的骨料碱－硅酸盐凝胶PP骨料颗粒压
碎强度试验示意图>1.5倍（1.2~1.7）混凝土强度ItaipuDamSportsPala
ceinRome钢丝网－砂浆根据生产与施工方法：商品混凝土泵送混凝土喷射混凝土碾压混凝土挤压混凝土压力灌浆混凝
土预应力混凝土离心混凝土等。混凝土混凝土是复杂的、随机性的材料ConcreteisaComple
xandRandomMaterials其微结构由非匀质的三相组成，而每一相又包含非匀质的多相；其微结构不是静止的，而是随时间不断变化；新生成的水化物可以填充微裂缝，有自愈性(Heal)；与其它材料不同，它是使用前才在工程现场或就近生产的。混凝土的宏观结构粗骨料细骨料水泥石过渡区一、混凝土的组成与结构水泥水水泥浆石子砂子骨料新拌混凝土100%体积60~75%7~15%25~40%14~21%21~28%39~42%凝结硬化硬化混凝土混凝土外加剂为了改善或提高混凝土的性能骨料廉价的填充材料，节省水泥用量混凝土的骨架，减小收缩，抑制裂缝的扩展传力作用降低水化热提供耐磨性背散射扫描电镜照片未水化水泥颗粒C-S-H氢氧化钙单硫型硫铝酸盐2)水泥石相的结构要素孔隙率；孔隙特征与孔径分布；固体颗粒的尺寸与分布；含水状态。骨料氢氧化钙混凝土中骨料与水泥石间的过渡区混凝土过渡区结构骨料过渡区水泥石本体C-S-H钙矾石CH骨料裂缝扩展的路径和方向骨料水泥石骨料周围的过渡区过渡区相ITZPhase水泥石含有晶体和非晶体的水化物、未水化水泥颗粒、各种孔隙和水；砂石骨料含有各种岩石矿物和孔隙界面也含有水泥水化物和孔隙粗骨料堆积的孔隙由细骨料来填充；细骨料堆积的孔隙由水化物和水泥颗粒、矿物掺和料粉末颗粒来填充；由此形成一个固体颗粒密堆聚体结构。均匀、密实的多物相堆积体（一）骨料Aggregate |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
