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混凝土原材料及施工配合比工程局2008年项目总工程师及项目后备总工程师资格培训材料水电三局勘测设计研究院:谢凯军介绍内容（一）1混凝土原材料简介1.1水泥1.2掺合料1.3砂石骨料1.4混凝土外加剂1.5水介绍内容（二）2混凝土配合比设计要点2.1混凝土单位用水量的确定2.2混凝土含砂率2.3混凝土配合计算方法2.4混凝土配合比的应用及调整2.5混凝土的性能试验2.6混凝土配合比设计及试验应注意的问题介绍内容（三）3高性能混凝土简介3.1何谓高性能混凝土3.2混凝土环境作用类别3.3高性能混凝土主要性能3.4高性能混凝土的施工1混凝土原材料简介1.1水泥水工混凝土常用的水泥有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、中热和低热矿渣硅酸盐水泥等，此外还有快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、铝酸盐水泥、膨胀水泥等（P1表3-1）。当混凝土骨料中含有碱活性骨料时，应采用低碱水泥（如中、低热水泥等）。水泥中矿物成份的及其特性见表1-1；水泥熟料的化学成分及特点见表1-2；水工混凝土常用水泥的适用范围见表1-3。为了加快工程施工，防止大体积混凝土产生裂缝，国内工程上采用了硫酸盐型的低热微膨胀水泥和MgO型的的延迟性膨胀水泥。表1-1水泥矿物成份及其特性成份抗压强度（MPa）水化热（kJ/kg）3d7d28d90d180d3d7d28d90d180dC3S29.632.049.655.662.6410461477511507C2S1.42.24.619.428.68075184230222C3A6.05.24.08.08.0712787846787913C4AF15.416.818.616.619.6121180201197306表1-2水泥熟料的化学成分及作用特点序号化学成分含量范围（％）作用及特点１ＣａＯ（Ｃ）６０～６６游离CaO使水泥安定性不良，提高化合CaO含量能增加水泥的强度，加速水泥的硬化过程.２ＳｉＯ（Ｓ）１９～２４它主要与CaO化合生成硅酸钙，熟料中SiO2含量增加，则会使水泥的凝结速度及早期强度的增长变快，并提高水泥的抗腐蚀性。３ＡＩ2Ｏ3（Ａ）４～７它的含量增加时，水泥的凝结及硬化速度变快，后期强度的增长变慢，并降低水泥的抗流酸盐性。４Ｆｅ２Ｏ３（Ｆ）３～６含氧化铁高的水泥比含氧化铝高的水泥有较好的抗硫酸盐性.５ＭｇＯ（Ｍ）＜５含量过高，会使水泥安定性不良表1-3常用水泥的适用范围水泥种类硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥特性早期强度高水化热较高抗冻性较好耐热性较差耐腐蚀性较差早期强度较高水化热较大耐冻性好耐热性较差耐腐蚀与耐水性较差早期强度低、后期强度增长较快,水化热较低,耐热性较好,耐硫酸盐侵蚀和耐水性较好,抗冻性较差,易泌水,干缩性大抗渗性好耐热性较差不易泌水其它同矿渣水泥干缩性较好，抗裂性较好，抗碳化能力差，其它同火山灰水泥适用范围快硬早强的工程,配制高强度等级砼,预应力构件,地下工程的喷射里衬等一般土建工程砼及预应力钢筋砼结构,受反复冰冻作用的结构,拌制高强度的砼大体积砼结构,耐热要求的砼结构,地上地下和水中的一般砼有抗硫酸盐侵蚀要求的工程地下水中大体积砼结构和有抗渗要求的砼,有抗硫酸盐侵蚀要求的工程地上地下水中大体积砼结构,有抗硫酸盐侵蚀要求的工程不适用范围大体积砼工程，受化学侵蚀水及海水侵蚀的工程受水压作用的工程大体积砼工程，受化学侵蚀水及海水侵蚀的工程受水压作用的工程早期强度要求较高的工程，严寒地区，处在水位升降范围内的砼结构处在干燥环境的工程，有耐磨性要求的工程，其它同矿渣水泥有抗碳化要求的工程，其它同火山灰水泥水泥选择应注意的问题水泥中的MgO含量不得超过5.0%，经压蒸合格后可以放宽到6.0%。无论外掺和内含均按此要求限定。水泥中的SO3含量不得超过3.5%，SO3含量对水泥的强度有较大的影响，每种水泥SO3合适的量有一定差异，一般来说中热水泥由于其C3A含量较低(≯6%)，其SO3合适的量要偏低一些，以三峡中使用的石门中热525#水泥为例，其SO3合适的量在2.5%左右。从水泥成本角度考虑：有特殊要求的水泥售价较高，在同强度等级水泥中，中热硅酸盐水泥价格较普通硅酸盐水泥高，如工程混凝土无其它特殊要求，应尽量选择价格较低的水泥。水泥的等级（见P3表3-3）。水泥是混凝土中水化热的主要来源，如果没有特殊的原因（如堵漏、抢险等）尽量不选用早强型水泥，避免因早期发热量高而使用混凝土产生过多的裂缝。水工混凝土工程量巨大，技术要求高，水泥用量大且集中，选择水泥时需要从技术、经济和管理上综合进行考虑，要求厂家尽量固定，水泥品种和强度等级尽可能单一。1.2掺和料为了改善混凝土性能、减少水泥用量及降低水化热而掺入混凝土中的活性或惰性材料称为掺合料。掺合料分活性和非活性两大类。活性掺合料以氧化硅、氧化铝为主要活性成份，本身不具有或只有极低的胶凝特性，但在常温下能与水泥水化产物氢氧化钙生成胶凝性水化物，并在空气中或水中硬化。非活性掺合料是不具有活性或活性极低的人工或天然的矿物材料。掺合料品种和掺量选择，应根据当地的资源条件、混凝土技术要求等通过试验论证确定。在我国水工混凝土施工中常用的掺合料有：粉煤灰、矿渣、火山灰质材料、硅粉和岩石粉等。粉煤灰：是从燃煤火电厂锅炉烟道中收集的粉尘，是一种人工火山灰质材料，具有火山灰活性。粉煤灰混凝土的早期强度较低，后期强度增长率高。利用粉煤灰混凝土后期强度可以充分发挥粉煤灰的活性效应。用于水泥和混凝土中的粉煤灰技术要求见表1-4。粒化高炉矿渣粉：凡在高炉冶炼生铁时，所得到硅酸钙与铝酸钙为主要成份的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣，简称矿渣。其主要化学成份是CaO、SiO2和Al2O3，占总量的90%以上。矿渣粉能优化混凝土孔结构，提高抗渗性能，降低氯离子扩散速度，减少体系内的Ca(OH)2，抑制碱骨料反应，提高抗硫酸盐腐蚀能力，使混凝土耐久性得到较大改善。大掺量矿渣粉可降低混凝土水化热峰值延迟温峰发生时间。火山灰质掺合料:凡天然的或人工的以氧化硅、氧化铝为主要成份的矿物质材料，本身磨细加水拌和并不硬化，但与气硬性石灰混合后，再加水拌和，则不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化者，称为火山灰质掺合料。硅粉:硅粉亦称硅灰，是从冶炼硅铁和其他硅金属工厂的废烟气中经收尘装置收集而得的粉尘。硅粉的颗粒极细，是水泥粒径的1/50～1/100，其主要成份是二氧化硅。硅粉掺入混凝土中，能改善新拌混凝土的泌水性和粘聚性，大幅度提高混凝土的强度及抗渗、抗冲磨、抗空蚀等性能。还具有抑制碱骨料反应和防止钢筋锈蚀的作用。硅粉还可以减少混凝土硬化过程中的发热量。硅粉活性很高，与高效减水剂联合使用时，可显著提高混凝土抗压强度。水工混凝土对硅粉的技术要求见表1-5。表1-5水工混凝土用硅粉品质指标项目指标二氧化硅含量（%）≥85含水量（%）≤3烧失量（%）≤6火山灰活性指数（%）≥90细度45μm筛余量（%）≤10比表面积（m2/g）≥15均匀性密度（与均值的偏差）（%）≤5细度（与均值的偏差）（%）≤5表1-4拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求项目技术要求级细度（４５ｍ方孔筛筛余）不大于１％Ｆ粉煤灰12.025.045.0Ｃ粉煤灰需水量比，不大于１％Ｆ粉煤灰95105115Ｃ粉煤灰烧失量，不大于１％Ｆ粉煤灰5.08.015.0Ｃ粉煤灰含水量，不大于１％Ｆ粉煤灰1.0Ｃ粉煤灰三氧化硫，不大于１％Ｆ粉煤灰3.0Ｃ粉煤灰游离氧化钙，不大于１％Ｆ粉煤灰1.0Ｃ粉煤灰4.0安定性Ｃ粉煤灰5.01.3砂石骨料混凝土中的砂石骨料约占混凝土总体积的80%左右，骨料的物理力学性能、级配组合和成份直接或间接影响着混凝土的性能。在水工混凝土中选择砂石骨料必须质地坚硬、致密、耐久、无裂缝，骨料中不应含有大量的粘土、淤泥、粉屑、碎末及有机物或其他有害杂质。在大体积混凝土工程中，选择骨料时，除考虑软弱颗粒含量外，也要考虑骨料的弹性性质，总之选择水工混凝土砂石骨料时，应选择既能提高抗裂能力又能满足强度、抗冻、耐腐以及抗风化等性能的骨料，需进行技术经济综合考虑。砂的见表1-3.1、颗粒级配见表1-3.2，粗骨料的质量要求见表1-3.3。表1-3.1细骨料（砂）质量要求项目指标备注天然砂中含泥量≤3%含泥量系指粒径小于0.08mm的细屑人工砂中石粉含量6%～17%小于0.16mm的颗粒坚固性≤8%有抗冻要求的混凝土≤10%无抗冻要求的混凝土云母含量≤2%表观密度≥2500(kg/m3)轻物质含量≤1%视密度小于2000kg/m3硫化物及硫酸盐≤1%按重量折算成SO3含量有机质含量浅于标准色如深于标准色，应配成砂浆进行对比试验表1-3.2砂子颗粒级配区筛孔尺寸（mm）级配区一区二区三区累计筛余（％）10.0(圆孔)0005.0(圆孔)10~010~010~02.5(圆孔)35~525~015~01.25(方孔)66~3550~1025~00.63(方孔)85~7170~4140~160.315(方孔)95~8092~7085~550.16(方孔)100~90100~90100~90表1-3.3粗骨料的质量要求项目指标备注含泥量D20、D40粒径级≤1%D80、D150（或D120）粒径级≤0.5%各粒径级均不含有粘土团粒坚固性≤5%有抗冻要求的混凝土≤12%无抗冻要求的混凝土硫化物及硫酸盐含量≤0.5%(按重量折算成SO3)有机质含量浅于标准色如深于标准色，应进行混凝土强度对比试验表观密度≥2550(kg/m3)吸水率≤2.5%针片状颗粒含量≤15%经试验论证，可以放宽至25%骨料的强度要求粗骨料的强度要求采用直径与高均为50mm的圆柱体或长、宽、高均为50mm的立方体岩石样品进行试验。在水饱和状态下，其抗压强度不应小于45MPa，与混凝土抗压强度之比不应小于1.5倍。用压碎指标控制时，应符合表3-14要求。碎石或卵石压碎指标与混凝土强度等级的关系骨料类别压碎指标值（%）C55～C40≤C35碎石沉积岩≤10≤16变质岩或深成的火成岩≤13≤30喷出的火成岩≤12≤20卵石≤12≤16骨料的选择在一般情况下，骨料的强度越高、性模量越高，而骨料的弹性模量越高，则用这种骨料制成的混凝土弹性模量也越高；选择水工混凝土骨料时，不能认为强度越高越好。骨料的选择原则如下：（1）砂石料以就地取材为原则，用人工骨料应进行技术经济比较后选定。（2）应充分利用基坑或地下开挖出来的弃渣加工骨料。天然骨料中的超径部分，也可以破碎后利用。（3）在施工条件许可的情况下，粗骨料的最大粒径应尽量采用较大值，以节约胶凝材料用量。（4）在选择骨料级配时，应尽可能减少弃料。为满足骨料级配要求，卵石亦可破碎后使用。选择骨料应注意的问题骨料品种对混凝土单位用水量有显著性影响，用水量由低到高依次为：天然骨料-灰岩人工骨料砂岩人工骨料-角砾岩人工骨料-花岗岩人工骨料。碱-碳酸盐反应“ACR”主要是指混凝土中的碱与含白云石的石灰岩的骨料反应，由于白云石含粘土，碱离子通过包裹在细小白云石外的粘土渗入白云石颗粒，使之产生去白云石化反应，反应产物不能通过粘土向外扩散，而使骨料膨胀，导致混凝土开裂。根据《水工混凝土试验规程》的有关规定，采用“岩石柱法”进行检验。碱-硅反应“ASR”是指混凝土中的碱与骨料中的活性二氧化硅，如微晶质、隐晶质、玻璃质和应变的石英及玉隧等发生反应，生成碱的硅酸盐凝胶，吸水后体积膨胀，导致混凝土开裂。由于ASR和ACR是不同类型的膨胀反应，故检验方法也不同，《水工混凝土试验规程》中采用“砂浆长度法”和“压蒸快速法”等方法来进行检验碱-活性骨料反应，如碱-硅反应，是活性二氧化硅与碱之间的反应，活性二氧化硅消耗着液相中的碱离子，把分散的能量集中于局部（活性颗粒表面），导致局部混凝土承受了很大的膨胀力，引起局域毁坏和开裂。根据这个原理，将活性二氧化硅粉碎成微粒，均匀散布与整体的各个部位，将有限的局部化解成无限多的活性中心