[转载]普通混凝土材料组成和技术要求
普通混凝土的基本组成材料是水泥、砂、石骨料和水，另外还常掺入适量的掺合料和外加剂。混凝土是一个宏观匀质、微观非匀质的堆聚结构，混凝土的质量和技术性能，很大程度上取决于原材料的技术性质是否符合要求。因此，为了合理选用材料和保证混凝土质量，必须掌握原材料的技术质量要求。首先必须了解混凝土原材料的性质、作用及质量要求，合理选择原材料，以保证混凝土的质量。
水泥在混凝土中起胶结作用，是最重要的组成材料，是影响混凝土强度、耐久性、经济性及其它性能的重要因素。正确、合理地选择水泥的品种和强度等级，是保证混凝土性能和和质量符合设计要求的前提。
1．水泥品种的选择
配制混凝土时，应根据工程性质与特点、部位、工程所处环境状况及施工条件，依据各种水泥的特性，合理选用水泥品种。六大常用水泥品种的选用原则，见本书4.4节。
2．水泥强度等级的选择
水泥强度等级的选择，应当与混凝土的设计强度等级相适应。这是因为：若用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土，为满足强度要求必然使水泥用量过多，这不仅不经济，而且会使混凝土收缩和水化热增大；若用高强度等级水泥配制低强度等级的混凝土，从强度考虑，少量水泥就能满足要求，但为满足混凝土拌合物的和易性和混凝土的耐久性，就需额外增加水泥用量，造成水泥浪费。因此，根据经验普通混凝土一般以选择的水泥强度等级标准值为混凝土强度等级标准值的1.5～2.0倍为宜，对于高强度混凝土可取0.9～1.5倍。
1.骨料的分类
普通混凝土所用骨料按其粒径大小分为细骨料和粗骨料。粒径在0.150mm～4.75mm之间的岩石颗粒，称为细骨料；粒径大于4.75mm的称为粗骨料。
普通混凝土中所用细骨料，按来源分为天然砂和人工砂。
天然砂是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。按其产源不同可分为河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。河砂和海砂由于长期受水流的冲刷作用，颗粒表面比较圆滑、洁净，且产源较广，但海砂中常含有贝壳碎片及可溶盐等有害杂质。山砂颗粒多具棱角，表面粗糙，砂中含泥量及有机质等有害杂质较多。建筑工程中一般多采用河砂作细骨料。
人工砂为经过除土处理的机制砂和混合砂的统称。机制砂：是由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。机制砂单纯由矿石、卵石或尾矿加工而成。其颗粒尖锐，有棱角，较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多，成本较高。混合砂：是由机制砂和天然砂混合制成的。它执行人工砂的技术要求和试验方法。把机制砂和天然砂相混合，可充分利用地方资源，降低机制砂的生产成本。一般在当地缺乏天然砂源时，采用人工砂。
砂按细度模数（M）大小分为粗、中、细三种规格；按技术要求分为I类、II类、III类三种类别。I类宜用于强度等级大于C60的混凝土；II类宜用于强度等级C30～C60及抗冻、抗渗或其它要求的混凝土；III类宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。
普通混凝土通常所用的粗骨料有碎石和卵石两类。卵石是由天然岩石经自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于4.75mm的颗粒。按其产源可分为河卵石、海卵石、山卵石等几种，其中河卵石应用较多。碎石大多由天然岩石经破碎、筛分制成，也可将大卵石轧碎筛分制得。卵石、碎石的规格按其粒径尺寸分为单粒粒级和连续粒级。亦可根据需要，采用不同单级粒级卵石、碎石混合成特殊粒级的卵石、碎石。卵石、碎石按技术要求分为I类、II类、III
类三种类别。I类直用于强度等级大于C60的混凝土；I类宜用于强度等级为C30～C60及抗冻、抗渗或其它要求的混凝土；III类宜用于强度等级小于C30的混凝土。
2.对骨料的技术质量要求
粗、细骨料的总体积一般占混凝土体积的60％～80％，所以骨料质量的优劣，将直接影响到混凝土各项性质的好坏。为此，为保证混凝土的质量，我国在《建筑用砂》(GB／T14684—2001)和《建筑用卵石、碎石》(GB／T14685—2001)这两个行业标准中，对砂、石提出了明确的技术质量要求，主要是：有害杂质含量少；具有良好的颗粒形状，适宜的颗粒级配和细度；表面粗糙，与水泥粘结牢固；性能稳定，坚固耐久等。下面就具体的技术质量要求作一概括性介绍。
1) 泥和泥块含量
含泥量是指骨料中粒径小于0.08mm颗粒的含量。泥块含量在细骨料中是指粒径大于1.25mm，经水洗、手捏后变成小于0.630mm的颗粒的含量；在粗骨料中则指粒径大于5mm，经水洗、手捏后变成小于2.5mm的颗粒的含量。
骨料中的泥颗粒极细，会粘附在骨料表面，影响水泥石与骨料之间的胶结能力。而泥块会在混凝土中形成薄弱部分，对混凝土的质量影响更大。因此，对骨料中泥和泥块含量必须严加限制。
2) 有害物质含量
普通混凝土用粗、细骨料中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、炉渣、煤块等杂物，并且骨料中所含硫化物、硫酸盐和有机物等的含量要符合表5-2的规定。对于砂，除了上面两项外，还有云母、轻物质（指表观密度小于2000kg／m3的物质）含量也须符合表5-2的规定。如果是海砂，还应考虑氯盐含量。
云母为表面光滑的层、片状物质，它与水泥的粘结性差，影响混凝土的强度和耐久性；硫化物及硫酸盐对水泥有侵蚀作用；有机物影响水泥的水化硬化；氯化钠等氯化物对钢筋有锈蚀作用。
骨料的坚固性是指骨料在自然风化和其它外界物理、化学因素作用下，抵抗破裂的能力。骨料
由于干湿循环或冻融交替等作用引起体积变化会导致混凝土破坏。具有某种特征孔结构的岩石会表现出不良的体积稳定性。曾经发现，由某些页岩、砂岩等配制的混凝土，较易遭受冰冻以及骨料内盐类结晶所导致的破坏。骨料越密实、强度越高、吸水率越小时，其坚固性越好；而结构疏松，矿物成分越复杂、构造不均匀，其坚固性越差。
骨料中若含有碱活性矿物(如活性氧化硅)，会与水泥、外加剂及环境中的碱性物质(如氢氧化钠和氢氧化钾)在潮湿环境下发生化学反应，结果在骨料表面生成了复杂的碱—硅酸凝胶，生成的凝胶是无限膨胀性的（指不断吸水后体积可以不断膨胀），由于凝胶为水泥石所包围，故当凝胶吸水不断膨胀时，会把水泥石胀裂。这种水泥中的碱性氧化物与骨料中的活性氧化硅之间的化学作用通常称为碱骨料反应。因此，当用于重要工程或对骨料质量有怀疑时，须按标准规定，对骨料进行碱活性检验。经碱骨料反应试验后，由骨料制备的试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，并在规定的试验龄期膨胀率应小于0.10％，否则该骨料不宜直接使用。
应当注意，若经检验判定骨料有潜在危害时，则应遵守以下规定：①使用含碱量小于0.6％的水泥或采用能抑制碱骨料反应的掺和料；②当使用含钾、钠离子的混凝土外加剂时，必须进行专门试验。目前最常用的检验方法是砂浆长度法，这种方法是用含活性氧化硅的骨料与高碱水泥制成1：2.25的胶砂试块，在恒温、恒湿条件下养护，定期测定试块的膨胀值，直到12个月龄期。如果在6个月中，试块的膨胀率超过0.05％或1年中超过0.10％，这种骨料就认为是具有活性的。
5）级配和粗细程度
骨料的级配，是指骨料中不同粒径颗粒的分布情况。良好的级配应当能使骨料的空隙率和总表面积均较小，从而不仅使所需水泥浆量较少，而且还可以提高混凝土的密实度、强度及其它性能。若骨料的粒径分布全在同一尺寸范围内，则会产生很大的空隙率，如图5-1（
）所示；若骨料的粒径分布在两种尺寸范围内，空隙率就减小，如图5-1（ ）所示；若骨料的粒径分布在更多的尺寸范围内，则空隙率就更小了，见图5-1（ ）。由此可见，只有适宜的骨料粒径分布，才能达到良好级配的要求。&&&&&&&&&&&&&&&
骨料的粗细程度，是指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。相同质量的骨料，粒径小，总表面积大；粒径大，总表面积小，因而大粒径的骨料所需包裹其表面的水泥浆量就少。即相同的水泥浆量，包裹在大粒径骨料表面的水泥浆层就厚，便能减小骨料间的摩擦。
砂、石的级配和粗细程度技术性质如下：
（1）砂的颗粒级配和粗细程度
砂的颗粒级配和粗细程度是用筛分析方法测定的。砂的筛分析方法，是用一套方孔孔径（净尺寸）为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、600um、300um、150um的7个标准筛，将500g干砂试样由粗到细依次过筛，然后称量余留在各筛上的砂量，并计算出各筛上的分计筛余百分率（各筛上的筛余量占砂样总质量的百分率）a1、a2 、a3 、a4 、a5 、a6及累计筛余百分率（各筛与比该筛粗的所有筛之分计筛余百分率之和）A1、A2、A3、A4、A5、A6。
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砂的颗粒级配用级配区表示，以级配区或筛分曲线判定砂级配的合格性。对细度模数为3.7～1.6的普通混凝土用砂，根据0.600mm孔径筛（控制粒级）的累计筛余百分率，划分成为1区、2区、3区三个级配区,见表5-5。普通混凝土用砂的颗粒级配，应处于表5-5中的任何一个级配区中，才符合级配要求。
以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，根据表5-5的数值可以画出砂的1、2、3三个级配区上下限的筛分曲线（见图5-2）。通过观察所计算的砂的筛分曲线是否完全落在三个级配区的任一区内，即可判定该砂级配的合格性。同时，也可根据筛分曲线偏向情况，大致判断砂的粗细程度。当筛分曲线偏向右下方时，表示砂较粗；筛分曲线偏向左上方时，表示砂较细。
配制混凝土时，宜优先选用2区砂。当采用1区砂时，应适当提高砂率，并保证足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用3区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝士强度。
细度模数越大，表示砂越粗，普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7～1.6，其中MX在3.7～3.1为粗砂，Mx在3.0～2.3为中砂，Mx在2.2～1.6为细砂。
应当注意，砂的细度模数并不能反映其级配的优劣，细度模数相同的砂，级配可以很不相同。所以，配制混凝土时应同时考虑砂的颗粒级配和细度模数。
在实际工程中，若砂的级配不合适，可采用人工掺配的方法来改善。即将粗、细砂按适当的比例进行掺合使用；或将砂过筛，筛除过粗或过细颗粒。
(2) 石子的颗粒级配和最大粒径
石子的级配分为连续级配和间断级配两种。连续级配(也叫连续粒级)，是按颗粒尺寸由小到大连续分级，每级骨料都占有一定比例。连续级配颗粒级差小，颗粒上、下限粒径之比接近2，配制的混凝土拌合物和易性好，不易发生离析。建筑工程中多利用连续级配的石子，如天然卵石。间断级配(也叫单粒级)，是人为剔除某些中间粒级颗粒，大颗粒的空隙直接由比它小得多的颗粒去填充，颗粒级差大，颗粒上、下限粒径之比接近6，空隙率的降低比连续级配快得多，可最大限度地发挥骨料的骨架作用，减小水泥用量。但混凝土拌合物易产生离析现象，增加施工困难，工程应用较少。单粒级宜用于组合成具有所要求级配的连续粒级，也可与连续粒级配合使用，以改善骨料级配或配成较大粒度的连续粒级。工程中不宜采用单一的单粒级粗骨料配制混凝土。
石子的级配也是通过筛分试验确定，其方孔标准筛为孔径2.36mm、4.75mm、9.50mm、16mm、19mm、26．5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm及90mm共十二个筛。分计筛余百分率及累计筛余百分率的计算与砂相同。
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粗骨料中公称粒级的上限称为该骨料的最大粒径。当骨料粒径增大时，其总表面积减小，因此包裹它表面所需的水泥浆数量相应减少，可节约水泥，而且在一定和易性和水泥用量条件下，能减少用水量而提高强度。所以在条件许可的情况下，粗骨料最大粒径应尽量用得大些。但对于用普通混凝土配合比设计方法配制结构混凝土，尤其是高强混凝土时，当粗骨料的最大粒径超过40mm后，由于减少用水量获得的强度提高，会被较少的粘结面积及大粒径骨料造成不均匀性的不利影响所抵消，甚至可能造成混凝土强度下降，因而并没有什么好处。
根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GBJ50204—92）的规定，混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1／4，同时不得大于钢筋最小净距的3／4；对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1／2板厚的骨料，但最大粒径不得超过50mm；对泵送混凝土，碎石最大粒径与输送管内径之比，宜小于或等于1:3，卵石宜小于或等于1:2.5。石子粒径过大，对运输和搅拌都不方便。
6) 骨料的形状和表面特征
骨料的颗粒形状近似球状或立方体形，且表面光滑时，表面积较小，对混凝土流动性有利，然而表面光滑的骨料与水泥石粘结较差。砂的颗粒较小，一般较少考虑其形貌，可是石子就必须考虑其针、片状的含量。石子中的针状颗粒是指长度大于该颗粒所属粒级平均粒径（该粒级上、下限粒径的平均值）的2.4倍者；而片状颗粒是指其厚度小于平均粒径0.4倍者。
针、片状颗粒含量的测定是分别采用标准规定的针状规准仪及片状规准仪来逐粒测定的，凡颗粒长度大于针状规准仪上相应间距者为针状颗粒；颗粒厚度小于片状规准仪上相应孔宽者，为片状颗粒。针、片状颗粒不仅受力时易折断，而且会增加骨料间的空隙。
骨料表面的粗糙程度及孔隙特征等影响骨料与水泥石之间的粘结性能，进而影响混凝土的强度。碎石表面粗糙而且具有吸收水泥浆的孔隙特征，所以它与水泥石的粘结能力强；卵石表面光滑且少棱角，与水泥石的粘结能力较差，但混凝土拌合物的和易性较好。在相同条件下，碎石混凝土比卵石混凝土强度约高10％左右。
骨料的强度是指粗骨料的强度，为了保证混凝土的强度，粗骨料必须具有足够的强度。碎石的强度可用岩石立方体抗压强度和压碎指标值表示，卵石的强度只用压碎指标值表示。
碎石的抗压强度测定，是将其母岩制成边长为50mm的立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下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，其它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，火成岩强度不宜低于80MPa，变质岩强度不宜低于60MPa，水成岩强度不宜低于30MPa。
5.2.3混凝土用水
对混凝土用水的基本质量要求是：不影响混凝土的凝结和硬化；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。
凡能饮用的水和清洁的天然水，都可用于混凝土拌制和养护。海水不得用于拌制钢筋混凝土、预应力混凝土及有饰面要求的混凝土。工业废水须经适当处理并经检验合格后方可用于拌制混凝土。生活污水的水质比较复杂，不能用于拌制混凝土。对水质有怀疑时，应取水样送检，检验合格者才可使用。
5.2.4外加剂
混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的能使混凝土按需要改变性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的5％（特殊情况除外）。
外加剂的使用是混凝土技术的重大突破。混凝土中合理掺用一定量的外加剂，可达到提高强度，改善施工操作条件，降低水化热，调节凝结时间，节约水泥等目的。随着科学技术和混凝土工程技术的不断发展，对混凝土性能提出了新的更高的要求，如泵送混凝土要求高的流动性；冬季施工要求高的早期强度；高层建筑、海洋结构要求高强、高耐久性等待，采用传统的工艺方法已经很难满足工程需要，由于外加剂能改善混凝土的技术性能，它在工程中应用的比例越来越大。因此，混凝土外加剂已成为继水泥、砂、石和水之后混凝土第五种必不可少的组分。有关混凝土外加剂的种类、特性和应用的内容详见本章5.7节。
5.2.5掺合料
1 混凝土掺合料的作用
在配制混凝土拌合物过程中，直接加入的质量大于水泥质量5%的具有一定活性的天然或人造的矿物细粉材料，称为混凝土掺合料。活性矿物掺合料绝大多数来自工业固体废渣，主要成分为SiO2和Al2O3，在碱性或兼有硫酸盐成分存在的液相条件下，可发生水化反应，生成具有固化特性的胶凝物质。所以，掺合料也被称为混凝土的“第二胶凝材料”或辅助胶凝材料。
由于水泥水化反应可以持续很长时间，在混凝土中，尤其是高强高性能混凝土中有相当一部分水泥仅起填充料作用。混凝土中使用过量的水泥，不仅无助于提高混凝土强度，而且给工程带来巨大浪费。若在配制混凝土时加入适量的掺合料，既可促进水泥水化产物的进一步转化，又可收到节约水泥、改善混凝土性能、调节混凝土强度等级的效果。另外，掺合料的应用，对改善环境，减少二次污染，推动可持续发展的绿色混凝土，具有十分重要的意义。
目前，掺合料已成为混凝土第六组分而得到广泛应用，如在调配混凝土性能，配制大体混凝土、高强混凝土和高性能混凝土等方面，掺合料已成为不可缺少的组成材料。
2 掺合料的分类
工程中常用的掺合料可分为活性矿物掺和料和非活性矿物掺合料两大类：
⑴ 活性矿物掺合料
掺和料本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的Ca(OH)2在常温下发生化学反应，生成具有胶凝性的组分。如粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰等材料。
非活性矿物掺合料
&一般与水泥组分不起化学反应，或化学作用很小，如磨细石英砂、石灰石，或恬性指标达不到要求的矿渣等材料。
3常用掺合料的特性及其应用
目前，混凝土中使用的掺合料品种很多，常用的有粉煤灰、矿渣微粉和硅粉。
⑴ 粉煤灰
粉煤灰是煤燃烧时从煤粉炉排出的烟气中收集的一种粘土类火山灰质微细粉末材料，由大部分直径以μm计的实心微珠和空心微珠以及少量的多孔玻璃体、玻璃体碎块、结晶体和未燃尽碳粒等矿物质组成。
①粉煤灰分类
粉煤灰按钙含量分为高钙灰（CaOM10％）和低钙灰（CaOM10％）。由褐煤燃烧形成的粉煤灰呈褐黄色，为高钙灰，具有一定的水硬性；由烟煤和无烟煤燃烧形成的粉煤灰呈灰色或深灰色，为低钙灰，具有火山灰活性。低钙灰来源广泛，是当前国内外用量最大、使用范围最广的混凝土掺合料；按排放方式，分为干排灰和湿排灰两种。湿排灰含水量大，活性降低较多，质量不如干排灰。干排灰按收集方法的不同，又分为静电收尘灰和机械收尘灰两种。静电收尘灰颗粒细、质量好；机械收尘灰颗粒较粗、质量较差。为改善粉煤灰的品质，可对粉煤灰进行再加工，经磨细处理的称为磨细灰；采用风选处理的，称为风选灰；未经加工的称为原状灰。
②粉煤灰的品质要求
混凝土对粉煤灰的品质要求，除限制其有害组分含量和一定细度外，主要着重其强度活性。
Ⅰ级灰一般为静电收尘灰，可用于普通钢筋混凝土工程和跨度小于6m的预应力混凝土构件；Ⅱ级灰多数为机械收尘灰，主要用于普通钢筋混凝土及素混凝土；Ⅲ级灰主要用于中低强度等级的素混凝土或以代砂方式掺用的混凝土工程。大多数机械收尘的原状灰含碳量较高或粗颗粒含量较多者属见级灰。
③粉煤灰使用方法与效果
由于粉煤灰独特的火山灰效应、形态效应和微集料效应，混凝土中掺入粉煤灰可以达到节约水泥和改善混凝土性能的双重效果。掺入一定量粉煤灰的混凝土称为粉煤灰混凝土，可用于配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗混凝土、抗硫酸盐侵蚀和抗软水侵蚀混凝土、蒸养混凝土、轻骨料混凝土、水下混凝土、碾压混凝土等。
粉煤灰能够吸收Ca(OH)2生成硅酸钙凝胶，明显的提高混凝土强度。同时，粉煤灰代替了部分水泥有效地降低了水化热，可防止大体积混凝土开裂；粉煤灰颗粒为微珠球状，具有增大砂浆及混凝土流动性、减少泌水、改善混凝土和易性的作用，若保持混凝土流动性不变，则可减少混凝土用水量；粉煤灰的水化反应很慢，它在混凝土中相当长时间内以固体微粒形态存在，填充骨料的空隙，提高混凝土密实性，因而显著提高了混凝土防渗和抗化学侵蚀能力。
根据使用条件和方法不同，混凝土掺用粉煤灰后可产生以下三方面的效果。
&a.在等量掺入的条件下，可节约水泥并减少混凝土发热量。资料表明，粉煤灰替代20％水泥，可使7d水化热降低11％，替代30％水泥可降低25％。同时，可以改善混凝土和易性，提高混凝土抗渗性，常用于大体积混凝土。此时，由于粉煤灰活性较低，混凝土早期及28d龄期强度降低，但随着龄期的延长，掺粉煤灰混凝土强度可逐步赶上基准混凝土（不掺粉煤灰的混凝土）。
&b.在保持水泥用量不变的条件下，掺入粉煤灰并减少混凝土中砂的用量，称为粉煤灰代砂。由于粉煤灰具有火山灰活性，混凝土强度将高于基准混凝土。同时，混凝土黏聚性及保水性将显著优于基准混凝土。
c.在超量掺入的条件下，可保持混凝土28d强度及和易性不变。即粉煤灰的掺入量大于所取代的水泥量，多出的粉煤灰取代同体积的砂，混凝土内石子用量及用水量基本不变。
混凝土中掺入粉煤灰时，常与减水剂或引气剂等外加剂同时掺用，称为双掺技术。减水剂使粉煤灰的潜在活性得到充分发挥，还可以克服某些粉煤灰增大混凝土需水量的缺点；引气剂的掺用，可以解决粉煤灰混凝土抗冻性较低的问题。
目前，粉煤灰混凝土已被广泛应用于土木、水利建筑工程，以及预制混凝土制品和构件等方面。如大坝、道路、隧道、港湾，工业和民用建筑的梁、板、柱、地面、基础、下水道，钢筋混凝土预制桩、管等。
⑵矿渣微粉
矿渣微粉是水淬粒化高炉矿渣经超细粉磨加工后形成的微粉材料。
目前，矿渣微粉尚无国家标准可供参考，现参阅上海市《混凝土和砂浆用粒化高炉渣微粉》DB31／T35规定，矿渣微粉按技术要求分为三个等级。
矿渣微粉作为混凝土掺合料，不仅能取代水泥，取得较好的经济效益(其生产成本低于水泥)，而且能显著改善和提高混凝土的综合性能，如改善和易性，降低水化热，减小干缩率，提高抗冻、抗渗性能，提高抗腐蚀能力，提高后期强度和改善耐久性等。
由于矿渣微粉对混凝土性能具有良好的技术效果，所以不仅用于配制高强、高性能混凝土，而且也十分适用于中强混凝土、大体积混凝土，以及各类地下和水下混凝土工程。根据国内外经验，使用矿渣微粉配制高强或超高强混凝土(≥C100)是行之有效、比较经济实用的技术途径，是当今混凝土技术发展的趋势之一。
⑶ 硅粉
&& 硅粉(又称硅灰)是指用高纯度石英冶炼硅铁和其他硅金属的工厂从烟气中回收的超细粉末，其主要成分为无定形SiO2。其颗粒极细，成球形状，活性很高，是一种理想的改善混凝土性能的掺合料。常用硅粉的技术要求见表5-12。
硅粉呈灰白色，无定形二氧化硅含量一般为85％～96％，其他氧化物的含量很少，粒径为0.1～l.0μm，是水泥粒径的1／100～l／50，比表面积为20～25m2/g，密度为2.1～2.2g／cm3，松散堆积密度为250～300kg／m3。
硅粉的活性很高，可显著提高混凝土强度，主要用于配制高强、超高强混凝土。以10％硅粉等量取代水泥，混凝土强度可提高25％以上。掺入水泥质量5％～10％的硅粉，可配制出28d强度达100MPa的超高强混凝土。掺入水泥质量20％～30％的硅粉，可配制出抗压强度达200～800MPa的活性粉末混凝土。但是，随着硅粉掺量的增大，混凝土需水量增大，其自收缩性也会增大。因此，硅粉掺量一般为5％～10％，有时为了配制超高强混凝土，也可掺入20％～30％。
硅粉还可改善混凝土的孔隙结构，提高耐久性。混凝土中掺入硅粉后，虽然水泥石的总孔隙与不掺时基本相同，但其大孔隙减少，微细孔隙增加，水泥石的孔隙结构显著改善。因此，掺硅粉混凝土耐久性显著提高。试验结果表明，硅粉掺量10％～20％时，抗渗性可提高到W20以上，抗冻性也明显提高。掺入水泥质量4％～6％的硅粉，还可有效抑制碱骨料反应。
硅粉混凝土的抗冲磨性随硅粉掺量的增加而提高。它比其他抗冲磨材料具有价廉、施工方便等优点。故硅粉混凝土适用于水工建筑物的抗冲刷部位及高速公路路面。
硅粉混凝土抗侵蚀性较好，适用于要求抗溶出性侵蚀及抗硫酸盐侵蚀的工程。
硅粉颗粒极细，比表面积大，其需水量为普通水泥的130％～150％，故混凝土流动性随硅粉掺量增加而减小。为了保持混凝土流动性，必须掺用高效减水剂。掺硅粉后，混凝土含气量略有减小。为了保持混凝土含气量不变，必须增加引气剂用量。当硅粉掺量为
10％时，一般引气剂用量需增加
硅粉作为混凝土掺合料取代部分水泥，不仅节约了成本，而且能改善混凝土拌合物的粘聚性和保水性，可降低水化热，提高混凝土抗渗、抗冻和抗侵蚀能力。尤其是混凝土中掺入硅粉后，能大幅度提高其早期和后期强度。
目前，硅粉在国外被广泛应用于高强混凝土中。在我国，则因其产量很低，目前价格很高，出于经济考虑，一般混凝土强度低于80MPa时，不考虑掺用硅粉。今后随着硅粉回收工作的开展，产量将逐渐提高，硅粉的应用将更加普遍。
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表面有水锈的粗骨料颗粒对混凝土质量的影响
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二维混凝土骨料类型的数值模拟
导读：建筑工程ConstructionalEngineering二维混凝土骨料类型的数，要：文章在二维任意形状骨料模型基础之上，所有相同类型的随机三角形基本骨料都是一次生，然后通过任意伸展的方法来生成二维任意形状骨料，研究单轴拉伸和弯曲条件下三级配混凝土试件的性质，初步研究了骨料形状对混凝土力学性能的影响，关键词：混凝土，数值模型，对于三级配或全级配混凝土，湿筛法导致混凝土，需要通过使用微级数值模拟建筑工程ConstructionalEngineering二维混凝土骨料类型的数值模拟□文/邵海成周立明胡建强项利南摘要：文章在二维任意形状骨料模型基础之上，为骨料含量达到60%～70%的大体积混凝土提供了一个有效算法。所有相同类型的随机三角形基本骨料都是一次生成，然后通过任意伸展的方法来生成二维任意形状骨料。这种算法要优于普通算法，在这种算法中所有骨料是一个接一个生成的；与其他算法相比，这种算法避免了低效率和低骨料含量。在这种算法的基础上开发了相应的软件2D-RAS并且通过这种软件，研究单轴拉伸和弯曲条件下三级配混凝土试件的性质；初步研究了骨料形状对混凝土力学性能的影响。关键词：混凝土；骨料；数值模型对于三级配或全级配混凝土，湿筛法导致混凝土的组成比例发生了变化，尤其水泥砂浆和骨料含量的比例，因此试件的力学性能不同于实际情况下的力学性能。通过试件确定的所有力学指标都不能真实反应实际结构的力学指标，在结构的设计和施工中将出现不精确性。因此，结合一定数量的试验，需要通过使用微级数值模拟方法来研究大体积混凝土的性质。混凝土的数值模拟主要集中在骨料形状的模拟上。建议采用几种模型来预测混凝土的性质。第１个是随机骨料模型，这个模型经常用来模拟固体颗粒材料；第２个模型是随机填充颗粒模型，它是用来模拟波特兰水泥混凝土的；第３个是一个随机二维天然形状骨料模型，它为混凝土数值模拟的进步做出了巨大贡献；第４个是网格模型，由于计算能力的不精确性它并没有投入实际应用；第５个是梁－颗粒模型，该模型是由在离散元法的基础上开发出来的。为了得到更多的混凝土的真实特性，采用一个更精确的方法来模拟骨料形状是非常必要的。排列的圆形的基础上。方法描述如下：（１）在每个圆形的轮廓线上随机的生成３个点；（２）在动态三角形中，通过控制角度的余弦值来生成一个锐角三角形。然后，根据三角形基本骨料可以生成任意多边形骨料，见图１。任意三角形基本骨料决定了骨料的直径和最终几何形态。图1三角形骨料的任意延伸延伸条件和方法多边形的延伸条件：有一个边，它的长度至少要大于极限值Ｌｍａｘ。在以这条边为直径的半圆中生成一个新的顶点ｐ，如图２所示。ｐ的坐标计算如下：）ｘ＝０．５（ｘｉ＋ｘｉ＋１）＋０．５ａｉａｉ＋１ｍｃｏｓ（３６０°ｎ）（１ｙ＝０．５（ｙｉ＋ｙｉ＋１）＋０．５ａｉａｉ＋１ｍｓｉｎ（３６０°ｎ）（２）式中：ｍ和ｎ分别表示０～１的随机数字。在公式（３）中如果Ｓ＞０，则ｐ位于半圆内侧。如果Ｓ大于三角形ａｉａｉ＋１ｐ′的面积，那么ｐ将不会位于三角形ａｉａｉ＋１ｐ′的内侧并且多边形的形状将接近于实际骨料形状。见图２。三角形ａｉａｉ＋１ｐ′的面积计算１ｘｙ１ｘｉｙｉ１ｓ＝（３）２ｘｉ＋１ｙｉ＋１１生成任意多边形的算法任意三角形的生成首先同时设置相同直径的任意排列圆形，用来控制三角形基本骨料的尺寸和位置。骨料的直径决定圆形的半径。三角形基本骨料的生成是建立在这些任意18天津建设科技2010?NO.3ConstructionalEngineering凸度条件建筑工程对于任意多边形，确定多边形的凸度是一个临界控制条件。这个条件可以确保ｐ将不会无限制的延长。图2新顶点p通常情况下，实际骨料经常显为凸形。因此，本文中的算法也受限于骨料的凸形。由于这个限制，ｐ将限制于２倍基本骨料直径的距离之内。为了确定两个颗粒之间是否存在重叠，唯一要做的是：确定两个相邻圆如果这个距离大于２倍的直径，那形中心之间的距离。么两个颗粒还没有彼此重叠。由于没有必要一一确定这个条件，所以这样很大程度上提高了效率。因此在这个算法中必须提供凸度条件，使（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）和（ｘ３，ｙ３）分别成为某个特定三角形３个顶点的坐标，这些点以逆时针顺序排列，然后三角形的面积可以表示１ｘ１ｙ１１ｘ２ｙ２１ｓ＝２ｘ３ｙ３１（５）如图５所示，在这些已有边的条件下插入ｐ来形成多边形的新边。凸度条件是三角形的面积受制于点ｐ和对边，基于公式（５）边ａｉ－１ａｉ或ａｉ＋１ａｉ＋２必须是正的。多边形的重叠准则角度之和的计算分别连接ｐ和ａ１，ａ２，…，ａｎ。θｉ表示∠ａｉｐａ＋１（ｉ＝１，２，…，ｎ－１），表示。如果∑ｎθｉ＝０表示ｐ位于多边形ａ１，ｉ＝１ｎａ２，…，ａｎ外，见图３ａ；如果ｉ∑θｉ＝３６０°，表示ｐ位于多＝１边形ａ１，ａ２，…，ａｎ内，见图３ｂ，其中通过余弦定理可以图5三次延伸后新的顶点p骨料交界面的生成本文交界面生成的方法不同于在盘状颗粒中使用的方法，对于交界面，在此方法中限制了两个相邻颗粒中心间更长的距离，以此来预留空间。在现有的方法中首先生成大骨料，然后标定它的尺寸来形成交界面，见图６。根据相似三角形原理就很容易计算骨料所有顶点的坐标。计算θｉ，它的正负定义如下，以∠ａ１ｐａ２为例。ｗ＝（ｘ１－ｘｐ）（ｙ２－ｙｐ）－（ｙ１－ｙｐ）（ｘ２－ｘｐ）（４）角度的方向为顺时针，则θｉ是负的；相如果ｗ＜０，反如果ｗ＞０，角度的方向为逆时针，则θｉ是正的。a顶点p位于多边形外b顶点p位于多边形内图3p与多边形之间的关系检测相交为了避免特殊情况，如图４所示，有必要确定两条边是否相交。通过分别连接ｐ和ａｉ、ａｉ＋１，可以使每条直线有两个方程。当这些方程中的每一个都结合了直线图6骨料的交界面2D-RAS的主要步骤（１）根据骨料含量和一种级配骨料的平均直径，计算骨料的数量。（２）生成所有随机数字来确定所有骨料的位置，然后将所有的基本骨料一次安放于混凝土截面。（３）检查所有基本骨料的重叠部分。如果没有重叠部分，则进行步骤４，否则重复步骤２和３。（４）为每个基本骨料生成延伸骨料。任意骨料的生成也需要检查重叠和交叉的条件。（５）对于下一级配，重复上述步骤，从而生成全级ａ１ａ２，ａ２ａ３，ａ３ａ４，ａ４ａ５和ａ５ａ１的方程中的一个时，通过使用克拉默法则就可以获得交点的坐标，然后就可以给出这个点是否在骨料轮廓线上的判定标准。图4两个多边形相交的特殊情况配混凝土（或三级配混凝土）的模型。天津建设科技2010?NO.319建筑工程ConstructionalEngineering使用软件２Ｄ－ＲＡＳ生成了骨料含量为６５％的任意骨料模型，见图７。a图7骨料含量为65%的随机骨料模型任意多边形的随机骨料模型b图10表1材料杨氏模量／ＧＰａ骨料５５．５２６．０２５．０盘状颗粒的随机骨料模型破坏时裂缝的传播和开裂模式分析中所采用的材料参数泊松比０．１６０．２２０．１６１７０．４５４．２２．５２．０?ｍ２）拉伸强度／ＭＰａ开裂能／（Ｎ数值算例与讨论非线性本构模型考虑到准脆性材料的破坏并不是完全脆性，而是在达到极限强度后显示出一些延展性。事实上，在开裂末端前存在一小区域，而正是在此区域发生微裂缝的发展和聚结。本文将使用准脆性破坏本构模型来模拟砂浆和交界面的开裂破坏，该模型由内聚力可以表砂浆交界面结果和讨论通过位移来控制拉伸荷载，从而模拟软化阶段混凝土的非线性材料影响。由于应力集中现象非常明显，在任意多边形骨料的混凝土试件中将很早就出现裂缝。这些试件中，在一个骨料的交界面单元将首先发现微裂缝，因为它的极限强度低于砂浆的强度。当荷载增加时，交界面出现了越来越多的破坏单元，而且在砂浆中也发现了一些破坏单元。最后，通过连接破坏单元而形成一条宏观裂缝，从而导致试件完全破坏。多边形骨料试件计算的极限拉伸强度是１．６１ＭＰａ，而盘状骨料试件计算的极限拉伸强度是１．６６ＭＰａ，见图１１。ｆσ（ｗ）＝ｆｔｅ－ａｗ，ａ＝Gｔ（６）t式中：ｆｔ表示材料的极限强度，Ｇｔ表示开裂能。骨用料被看做线弹性材料。开发了有限元软件ＡＢＡＱＵＳ，以执行一系列数值分析。在这个计算中，为复合材料的每一相都运用了非线性本构模型，见图８。示如下图8材料的本构模型三级配混凝土的单轴拉伸试件随机骨料模型本文中所研究的试件的尺寸为４５０ｍｍ×４００ｍｍ，见图９。由软件２Ｄ－ＲＡＳ生成的随机多边形骨料模型见图１０ａ，图１０ｂ所示为随机盘状骨料试件。两个模型具有相同的骨料含量。表１中给出了计算中所采用的材料参数。图11荷载―位移曲线任意多边形试件的结果明显比盘状颗粒试件的结盘状骨料果更接近试验结果。与多边形骨料试件相比，试件的极限荷载要大３％。三级配混凝土的弯曲试件单位：mm随机骨料模型这部分给出的例子是尺寸为３００ｍｍ×１１００ｍｍ的图9试件的几何尺寸和荷载作用20天津建设科技2010?NO.3ConstructionalEngineering一个弯曲单一支持梁，粗、中、细骨料的代表直径分别为６０、３０、１２．５ｍｍ。三级配混凝土大、中、小骨料的比例为４∶３∶３。骨料的密度为２．８×１０３ｋｇ／ｍ３。梁的中间部分（尺寸为３００ｍｍ×２００ｍｍ）为多相复合材料。大颗粒盘状骨料、中颗粒盘状骨料、小颗粒盘状骨料的数量分别１０、６８。当任意形状多边形模型生成之时，大骨料、为３、中骨料、细骨料的面积分别为７８００、６７８０、８４００ｍｍ２。两种随机骨料模型均由２Ｄ－ＲＡＳ软件生成。在分析中每相所采用的材料参数（除了两端混凝土的弹性模量和泊松比分别为３０．０ＧＰａ和０．１７）也与第一个例子中所采用的材料参数相同。混凝土中的材料（骨料）也被认为是线弹性材料。两种情况下的骨料级配和含量也都相同。建筑工程（用２个随机数字来定义一个盘状颗粒骨料）。由本文研究的算法所生成的骨料形状更接近于实际情况。（２）与现存的算法相比，本文研究的算法要优于其他算法。该算法通过随机生成的圆形区域来同时为骨料定位，仅仅相邻的骨料需要判断是否相交，这样可以大大提高算法的效率。由２Ｄ－ＲＡＳ生成的骨料含量可以高达６５％，这几乎是三级配或全级配混凝土的实际骨料体积比。（３）数值模拟的例子表明多边形骨料的单轴拉伸试件和弯曲试件的极限荷载要低于盘状颗粒骨料的单轴拉伸试件和弯曲试件的极限荷载。□■结果与讨论两种情况下每个试件的极限荷载见表２。盘状骨料混凝土梁的极限荷载大部分都大于多边形骨料混凝土梁的极限荷载；唯一的例外就是第二部分数值模拟试件。前者的平均值大于后者的平均值为４％。表2试件１２３４５６平均值试件的极限荷载情况１７８．４８７５．５６７７．４７７９．０７８１．４９７６．１５７８．０４kN情况２７６．５６７７．１９７３．１３７０．３３８０．６２７１．６７７４．９２参考文献：［１］高政国，刘光廷．二维混凝土随机骨料模型研究［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００３，４３（５）：１３５－１３９．［２］马怀发，陈厚群，黎保琨．混凝土试件细观结构的数值模拟［Ｊ］．水利学报，２００４，（１０）：２７－３５．［３］孙立国，杜成斌，戴春霞．大体积混凝土随机骨料数值模拟［Ｊ］．河海大学学报（自然科学版），２００５，３３（３）：２９１－２９５．注：情况１为盘状骨料混凝土梁的极限荷载；情况２为多边形骨料混凝土梁的极限荷载结果表明任意多边形骨料混凝土梁的裂缝深度大于盘状骨料混凝土梁的裂缝深度，而且前者的裂缝数量也多于后者，见图１２。a任意多边形骨料试件图12b盘状颗粒骨料试件破坏时试件裂缝的传播过程和开裂模式□中图分类号：TV313□文献标识码：C□文章编号：（-04□收稿日期：□作者简介：邵海成/男，1981年出生，助理工程师，天津市国泰工程咨询监理有限公司，从事工程材料试验工作。□周立明、胡建强、项利南/天津市国泰工程咨询监理有限公司。结论（１）本文研究的算法（用至少５个随机数字来定义一个任意形状骨料）要优于现存的盘状颗粒骨料算法天津建设科技2010?NO.321包含总结汇报、教学研究、经管营销、外语学习、人文社科、农林牧渔、计划方案以及二维混凝土骨料类型的数值模拟等内容。
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