模块5 普通混凝土的组成及性能一、教学要求1.知识要求（1）混凝土的含义、分类；（2）混凝土组成材料的作用；（3）水泥强度等级的选择；（4）粗、细集料的含义和种类；（5）集料粗细程度和颗粒级配的含义和表示方法；（6）针、片状颗粒对混凝土质量的影响；（7）粗集料强度的表示方法；（8）混凝土拌合用水的基本要求；（9）混凝土外加剂的含义和分类，减水剂的含义、作用机理和常用品种，早强剂的含义和种类，泵送剂的含义和特点；（10）普通混凝土的和易性（流动性、黏聚性、保水性）的含义、测定方法和影响因素，恒定用水量法则的含义；（11）混凝土抗压强度试验方法、强度等级和影响因素；（12）混凝土耐久性的含义和内容，碱-集料反应产生的条件与防止措施。
2.技能要求（1）能根据筛分结果，正确评定细集料的粗细程度和颗粒级配；（2）能合理选择粗集料的最大粒径；（3）能对普通混凝土拌合物的坍落度进行选择和调整；（4）会混凝土非标试件强度值的换算，能正确运用混凝土强度公式，能采用合理措施提高混凝土的强度；（5）能合理采用提高混凝土耐久性的具体措施。
3.素质要求（1）培养学生严谨科学的工作和学习态度；（2）培养学生的安全和团队意识。
二、重点难点1.教学重点（1）砂的筛分与细度模数；（2）普通混凝土的和易性、强度、耐久性等性质；（3）混凝土强度的影响因素（4）减水剂的含义与应用。
2.教学难点（1）集料级配；（2）砂的筛分试验与细度模数的计算和级配评定；（3）减水剂的作用机理。
三、教学设计【参见：学习情境教学设计（模块5）】四、教学评价通过理论考试和校内实验操作、企业实践见习、在线学习记录、课堂学习状态等考查，采取学生讨论和教师评价相结合的方式对学生进行考核，重点评价学生对建筑材料基础知识的掌握情况和对建筑材料综合应用的相关技能。
五、教学内容第1讲普通混凝土用的水泥和集料混凝土，过去简称“砼”，是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料。
普通混凝土是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水（可选择添加剂和矿物掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而成的人造石材。
混凝土原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、抗压强度高、耐久性能好、强度等级范围宽，在土木工程中广为使用。
但也存在自重大、养护周期长、抗拉强度低、导热系数大、生产周期长、变形能力差、易出现裂缝等缺点。
◆混凝土的分类：按胶结材料分：水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土、聚合物混凝土等。
按体积密度分：重混凝土(ρ0＞2800kg/m³)、普通混凝土(ρ0=2000-2800kg/m³)、轻混凝土(ρ0＜1950kg/m³) 。
按强度等级分：普通混凝土(f c＜60MPa)、高强混凝土(f c=60-100MPa)、超高强混凝土(f c ＞100MPa)。
按用途分：结构混凝土、水工混凝土、特种混凝土(耐热、耐酸、耐碱、防水、防辐射等)。
按施工方法分：预拌混凝土、泵送混凝土、碾压混凝土、喷射混凝土等。
◆普通混凝土的基本组成材料是胶凝材料、粗集料(石子)、细集料(砂)和水。
胶凝材料是混凝土中水泥和掺合料的总称。
砂、石在混凝土中起骨架作用，称为集料（骨料）。
胶凝材料和水形成灰浆，包裹在粗细集料表面并填充集料间的空隙。
灰浆在硬化前起润滑作用，赋予混凝土拌和物良好的工作性能，便于施工；硬化后起胶结作用，把集料胶结在一起成为坚硬的整体。
1 胶凝材料(水泥)水泥是混凝土中最重要的组成材料且价格较高。
因此正确选择水泥品种直接关系混凝土的耐久性和经济性。
(1)水泥品种的选择配制混凝土时，应根据工程特点、工程所处环境及施工要求进行合理选择。
（2）强度等级的选择水泥强度等级应与混凝土的设计强度等级相适应。
原则上是高强度等级的水泥配制高强度的混凝土，反之亦反。
一般以水泥强度（以MPa为单位）为混凝土强度等级的1.5～2.0倍较适宜，高强度混凝土可取0.9 ～1.5倍。
●若用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土：会因水泥用量过多而使混凝土收缩大且不经济；●若用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土：会因水泥用量过少而影响混凝土拌和物的和易性及密实性，使混凝土的强度及耐久性降低。
2 集料普通混凝土集料分为细集料（砂）和粗集料（石子）2.1 细集料（砂）普通混凝土的细集料通常采用砂，砂按产源分为天然砂和机制砂。
◆天然砂是指自然形成，经人工开采和筛分制成的粒径＜4.75 mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒。
◆机制砂是指经出土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径＜4.75 mm的矿石、矿山尾料和工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒，俗称“人工砂”。
国标规定，砂按细度模数（M x）大小分为粗、中、细三种规格；按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。
砂的技术要求如下：(1)砂的粗细程度与颗粒级配砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起的总体粗细程度，通常有粗、中、细之分。
●相同用砂量条件下，细砂总表面积大，粗砂总表面积较小。
●在混凝土中砂子表面需要水泥浆包裹，以赋予其流动性和黏结强度，砂的总表面积越大则包裹沙粒表面所需水泥浆就越多，因此用粗砂配制混凝土比细砂要少用水泥。
●砂的颗粒级配指砂中不同颗粒相互搭配的比例情况。
如图5-2所示，用同一粒径的砂搭配，空隙率最大[图（a）]；用两种粒径的砂搭配，空隙率较小[图（b）]；多种粒径的砂搭配，空隙率更小[图（c）]。
●混凝土中砂粒间的空隙由水泥填充，若砂的级配良好，则可节省水泥用量。
●拌制混凝土时，应同时考虑砂的粗细程度和颗粒级配，并选择较粗、级配良好的砂，以既保证混凝土质量，又节省水泥。
●砂的粗细程度和颗粒级配用筛分析法来确定，并用细度模数表示粗细程度，用级配区衡量颗粒级配。
是称取500g 已通过孔径为9.50mm 筛的烘干砂，用方孔孔径(净尺寸)为 4.75 mm 、2.36 mm 、1.18 mm 、600 μm 、300 μm 、150 μm 的标准套筛，由粗到细依次过筛，然后称量各筛上砂颗粒的质量（即筛余量），并计算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）a 1、a 2、a 3、a 4、a 5、a 6及累计筛余百分率（各筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和）A 1、A 2、A 3、A 4、A 5、A 6。
★累计筛余百分率与分计筛余百分率的关系见表5-1。
表5-1 分计筛余百分率与累计筛余百分率的计算关系★砂的粗细程度用细度模数（M x ）表示： ★细度模数（M x ）越大，砂越粗。
★根据细度模数可将建筑普通混凝土用砂分为： 粗砂：细度模数3.1～3.7； 中砂：细度模数2.3～3.0； 细砂：细度模数1.6～2.2。
★砂的颗粒级配用级配区来判断。
国标规定，砂的合理级配以 600 μm 筛的累计筛余百分率为准，划分成1区、2区、3区三个级配区(见表5-2 ) 。
（a ）单一粒径（b ）两种粒径（c ）多种粒径图5-2 集料颗粒级配示意图表5-2 建设用砂的颗粒级配（GB/T14684—2011）★任何一种砂，只要其累计筛余百分率 A1～A6分别分布在某同一级配区相应累计筛余百分率的范围内，即为级配合格，否则不合格。
★砂的级配类别应符合表5-3的规定。
表5-3 砂的级配类别（GB/T14684—2011）●配制混凝土宜优先选用2区砂，其粗细适中、级配较好，能使拌合物获得良好的和易性。
采用1区砂（较粗砂）时：应适当提高砂率，保证足够水泥用量，以满足和易性要求；采用3区砂（较细砂）时：应适当降低砂率，以保证混凝土强度。
●当砂的细度模数不符合级配区要求时，可人工改善，即将粗、细砂按适当比例试配，掺合使用，或将砂过筛，筛除过粗或过细的颗粒。
【例 5.1】某天然砂样经筛分析试验，其结果见表5-4。
试分析该砂的粗细程度与颗粒级配。
表5-4 砂样筛分结果【解】计算细度模数M x ：评定结果：该砂因细度模数为2.72，故属中砂；将累计筛余百分率与表5-2作对照（如A 3=32.2%,介于表5.7中2区砂的规定比例 50%~10% 之间，其余A 1、A 2 、A 4 、A 5 、A 6 也在相应范围内），故此砂处于2区，且级配良好。
(2)泥、泥块和石粉含量含泥量是指天然砂中粒径< 75 μm 的颗粒含量；石粉含量是指人工砂中粒径< 75 μm 的颗粒含量；泥块含量是指砂中粒径＞1.18 mm ，经水浸洗、手捏后< 600 μm 的颗粒含量。
●砂中的泥通常包裹在砂颗粒表面，妨碍砂与水泥浆有效黏结，降低混凝土强度和耐久性。
其较强的吸水能力会增大拌和用水量，降低混凝土的抗渗性、抗冻性、耐久性和强度。
尤其黏土的体积变化不稳定，湿涨干缩，危害较大，须严格控制其含量。
表5-5 天然砂的含泥量和泥块含量（GB/T14684—2011）表5-6 人工砂的石粉含量和泥块含量（GB/T14684—2011）234561x 1()5100A A A A A A M A ++++-=- 2.72=●过多的石粉会妨碍水泥与集料的黏结；但适量的石粉含量不仅可弥补人工砂颗粒多棱角对混凝土带来的不利，还可完善混凝土中细集料的级配，提高混凝土的密实性。
天然砂的泥块和泥含量应符合表 5-5的规定，人工砂的石粉和泥块含量应分别符合表5-6、表5-6的规定。
(3)有害物质国标规定，砂中若含云母、轻物质、有机物、硫化物、硫酸盐、氯化物、贝壳等杂质时，其含量应符合表5-7（略）的规定。
(4)坚固性砂的坚固性是指砂在自然风化和其他外界物理、化学因素作用下，抵抗破裂的能力。
●天然砂用硫酸钠溶液检验：砂样经 5 次循环后其质量损失应符合表 5-8。
●人工砂采用压碎指标法进行试验：压碎指标值应符合表5-9的规定。
表5-8 砂的坚固性指标（GB/T14684—2011）表5-9 砂的压碎指标（GB/T14684—2011）（5）表观密度、堆积密度和空隙率砂的表观密度应≮2500kg/m3，松散堆积密度应≮1400kg/m3，空隙率应≯44%。
（6）碱集料反应碱集料反应是指水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与集料中碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。
●碱集料反应试验后，由砂制备的试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，规定试验龄期的膨胀率应＜0.10%。
（7）细集料含水状态集料的含水有图5-3所示四种状态：①绝干状态：颗粒内外不含任何水，通常在105℃±5℃条件下烘干而得。
②气干状态：颗粒表面干燥，内部孔隙中部分含水。
指室内或室外(天晴)空气平衡的含水状态，其含水量大小与空气相对湿度和温度密切相关。
③饱和面干状态：颗粒表面干燥，内部孔隙全部吸水饱和。
水利工程上通常采用饱和面干状态计量用砂量。