第1章　绪论

1.1　水工混凝土材料基础

1.1.1　国内外研究现状

混凝土是当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料，其发展历史虽然只有100多年，却走过了不平凡的历程。

1824年英国工程师阿斯普丁（Aspdih）调配石灰岩和黏土，首先烧成了人工的硅酸盐水泥，并取得专利，成为水泥工业的开端。这以后，水泥以及混凝土才开始广泛应用到建筑上。19世纪中叶，法国人约瑟夫·莫尼哀制造出钢筋混凝土花盆，并在1867年获得了专利权。在1867年巴黎世博会上，莫尼哀展出钢筋混凝土制作的花盆、枕木。另一名法国人兰特姆展出了钢筋混凝土制造的小瓶、小船。1928年，美国人Freyssinet发明了一种新型钢筋混凝土结构型式：预应力钢筋混凝土，并于第二次世界大战后被广泛地应用于工程实践。钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土解决了混凝土抗压强度高，抗折、抗拉强度较低的问题，以及19世纪中叶钢材在建筑业中的应用，使高层建筑与大跨度桥梁的建造成为可能。

水工混凝土是用于水工建筑物的混凝土，常用于水上、水下和水位变动区等部位。根据构筑物的大小，可分为大体积混凝土和一般混凝土。大体积混凝土又分为内部混凝土和外部混凝土。水工混凝土是水电水利工程中最主要的建筑材料，尤其对于大中型水电水利工程来说，混凝土用量更为巨大。中国近30年来建成的大中型混凝土坝有数百座，其中有的混凝土用量多达1000万m3以上，如长江三峡水利枢纽工程和金沙江溪洛渡水电站等。除此之外，水工混凝土在河港、农田水利及地下防水工程中也都有大量应用。

20世纪30年代，美国着手建设坝高211m的胡佛坝，对水工混凝土进行全面研究，形成了一套完整的水工混凝土材料配制体系和柱状法坝体浇筑技术，实现了创世纪的技术创新。自1936年胡佛坝建成半个多世纪，水工混凝土技术又有了很大发展，其中主要有：①在水工混凝土中掺入掺合料、引气剂和减水剂；②提高混凝土的耐久性；③采用更有效的温控措施；④采用不分纵缝的通仓浇筑法；⑤发展强力高频振动设备。至20世纪70年代，国际上进行了混凝土坝快速施工的讨论，一改过去坝体惯用的柱状法浇筑技术，将土石坝施工大型机械水平摊铺和碾压技术引入混凝土坝施工，而形成碾压混凝土筑坝技术，将混凝土坝建设工期缩短一半，而造价减少1/4～1/5。

水工混凝土作为混凝土的一种，在最近几十年内得到很大的发展。混凝土结构是在19世纪中期开始得到应用的，由于当时水泥和混凝土的质量都很差，同时设计计算理论尚未建立，所以发展比较缓慢。直到19世纪末以后，随着生产的发展，以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进，这一技术才得到了较快发展。目前已成为现代工程建设中应用最广泛的建筑材料之一。

在19世纪末20世纪初，我国也开始有了钢筋混凝土建筑物，如在上海市的外滩、广州市的沙面等，但工程规模很小，建筑数量也很少。中华人民共和国成立以后，我国在落后的国民经济基础上进行了大规模的社会主义建设。随着工程建设的发展及国家进一步的改革开放，混凝土结构在我国各项工程建设中得到迅速的发展和广泛的应用。用钢筋混凝土建造的水闸、水电站、船坞和码头在我国已是星罗棋布，如黄河上的刘家峡水电站、龙羊峡水电站、小浪底水利枢纽，长江上的葛洲坝水利枢纽、三峡水利枢纽，雅砻江上的锦屏一级水电站，澜沧江上的小湾水电站等工程。而水工混凝土则在这些水电水利工程中起到了至关重要的作用。

从国内外水工混凝土发展过程和今后的发展趋势看，需重点研究的课题是：在保证或改善混凝土质量的前提下，采取各种有效措施，合理降低水泥用量，减少发热量，降低最高温升，提高抗裂性和耐久性，创新改革施工方法和设备，加快施工进度，降低工程造价，以便安全、经济、快速地进行项目建设。归纳起来主要解决混凝土材料和施工工艺两个问题，从而有效降低工程造价。

1.1.2　水工混凝土的特点

水工混凝土因其使用部位和用途不同，技术参数和设计要求也不同。经常与水环境接触时，一般要求具有较好的抗渗性；在寒冷地区特别是在水位变动区应用时，要求具有较高的抗冻性；与侵蚀性的水相接触时，要求具有良好的耐蚀性；在大体积构筑物中应用时，为防止温度裂缝的出现，要求具有低热性和低收缩性；在受高速水流冲刷的部位使用时，要求具有抗冲刷、耐磨及抗气蚀性等。

水工混凝土具有以下特点：

（1）使用寿命长。水工建筑物投资大，建设周期长，又由于水电站的特殊性，所以水工混凝土的使用寿命都要求比较长。

（2）耐久性要求高。由于水工混凝土所处的环境恶劣，如水的侵蚀、水的冲刷和严寒地区等，因此对混凝土的耐久性要求高。

（3）抵抗温度裂缝的能力要求高。水工混凝土为无筋或少筋的大体积混凝土，内外温度差所引起的温度拉应力要靠混凝土自身承受。长期以来，温度裂缝一直威胁着大体积混凝土的整体性和安全性，是混凝土快速连续施工的障碍，也是降低混凝土造价、缩短工期的最大障碍。

（4）强度等级低。由于水工混凝土承受的结构应力小，因此除一些特殊部位外，水工混凝土的强度等级都低。

（5）设计龄期长。因为建设周期较长，所以混凝土的设计龄期可取长龄期，一般为90d和180d。

（6）骨料粒径大。为降低工程造价，水工混凝土一般采用大粒径骨料，骨料的最大粒径可达150mm，而且占的比例较高，可占骨料总量的30%。

（7）胶凝材料用量少。由于考虑降低水化热，除特殊部位外，水工混凝土的胶凝材料用量一般为200kg/m3左右。

1.1.3　混凝土原材料

1.1.3.1　水泥

随着国民经济的迅速发展，我国已成为水泥制造和使用的大国之一。水泥作为一种重要的无机胶凝材料，与其他常用建筑材料相比，由于具有原材料来源广泛、制备加工方便、生产成本低、应用方便等优点，其增长非常迅速，广泛应用于建筑领域，在工程建设中占有举足轻重的地位。

进入21世纪以来，我国水泥工业发生了突破性的变化。新技术、新装备的集成化生产不断取代落后、分散的小生产方式，新型干法水泥的发展和产业技术进步举世瞩目，从一个侧面衬托出我国的经济建设和社会进步的飞快发展。1900年世界水泥产量仅0.1亿t，2000年增长至15亿t，2006年则增长为25.71亿t。我国2007年水泥产量已达到13.5亿t，占世界水泥年产量的50%以上，到2015年我国的水泥产量达到23.48亿t，产量占世界总产量的60%以上。

近年来，由于水泥科技不断进步以及“绿色化”“耐久性”“节能”理念受到越来越多的关注，使得作为传统建材的水泥，品质不断增加，性能有了较大改善，能耗逐步降低。以水泥的生态化制备、先进水泥基材料、水泥的节能和高性能化、废弃物资源化利用等方面为研究重点，不断涌现了新的水泥品种。我国的水泥工业也朝着高等级、多品种、低能耗和特色化水泥的方向发展。

水泥是一种磨细材料，与水混合形成塑性浆体后，能在空气中水化硬化，并能够在水中继续硬化保持强度和体积稳定性的无机水硬性胶凝材料。

20世纪人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥、生态水泥、特种水泥等。全世界的水泥品种已发展到100多种。中国在1952年制定了第一个全国统一标准，确定水泥生产以多品种多等级为原则，并将波特兰水泥按其所含的主要矿物组成改称为矽酸盐水泥，后又改称为硅酸盐水泥至今。

（1）水泥的发展历程。在灰浆中最早被用作胶结材的钙质材料是石灰和石膏。石灰浆在克里特岛、塞浦路斯、希腊和中东使用很早（公元前12000年至前6000年），是由煅烧石灰石制得的，这一技术后来传入古罗马。古希腊人和古罗马人用煅烧含有泥土夹杂物（黏土质的）的石灰石生产出了水硬性石灰。随着石灰砌筑砂浆的广泛应用，古希腊人和古罗马人意识到火山灰沉积物的可利用性。细磨的火山凝灰岩与石灰和砂子混合不仅可以配制高强度的砂浆，还可以抵抗水的作用。古罗马人使用那不勒斯海湾附近的一种类似的灰，称为普泽兰（Pozzolana），现代英文词汇Pozzolana代表火山灰。由于火山灰材料资源的限制，罗马人开始使用粉磨的砖瓦或陶器，这些材料具有与火山灰相同的作用，拉丁词汇Cement起初被用于指定这些人造火山灰材料。Cement以后引申为石灰、砂子和火山灰材料三组分砂浆，在近代被赋予了新的含义——水泥。1756年，英格兰人约翰·斯米顿（John Smeaton）在建设伦敦港口的灯塔时注意到纯石灰砂浆不能抵抗水的作用，并试图采用不同产地石灰石配制砂浆，发现了含有一定量黏土组成的石灰石经过煅烧后可获得水硬性能。1796年，英国人杰姆斯·帕克（James Parker）将黏土质石灰岩磨制成料球，经过高温煅烧，然后磨细制成水泥，这种水泥被称为“罗马水泥”，并取得了该水泥的专利权。1813年，法国人维卡（Vicat）采用黏土和石灰石的人工合成材料经过高温煅烧制得了人造的水硬性石灰。1822年，英国人詹姆斯·福劳斯特发明了“英国水泥”（British Cement）。该水泥是将白垩和质量黏土按照2：1掺量混合后加水润湿磨成泥浆，经过料槽沉淀并将沉淀物干燥，然后置于石灰窑中高温煅烧、冷却磨成水泥。1824年，英国泥水匠约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）通过在磨成细粉的石灰石中加入一定量黏土，掺水后搅拌均匀成泥浆，将该泥浆加热干燥成型成块状，放入石灰窑中煅烧后冷却磨细制得水泥，这一成果获得了英国第5022号专利证书，在专利中用波特兰（Potland）来命名该水泥。这是当代波特兰水泥发展的重大进步，其后经过威廉（Wiliam）、伊沙·约翰逊（Isaac Johnson）等人的改进形成了现代的波特兰水泥。

（2）水泥的标准。中华人民共和国成立初期，我国水泥工业十分落后，没有统一的水泥产品标准和检验方法。1952年我国采用日本软练法，第一次统一了国内水泥标准。1956年，我国废止日本软练法，采用苏联的硬练法检测标准。1977年我国又对水泥标准进行了一次重大修订和完善并于1979年7月1日颁布实施。20世纪80年代，我国立窑水泥工业蓬勃发展，水泥标准修订周期也缩短为5年左右一次。之后，我国在1991年、1999年、2007年发布了标准的修订版，对六大通用硅酸盐水泥标准进行了研究整合修订工作，对水泥质量提出了更高的要求。目前我国水泥标准可以分为四大类：

1）基础标准。主要是对水泥生产原燃材料标准以及水泥名词术语等要求进行规定。其中包括《用于水泥中的粒化高炉矿渣》（GB/T 203）、《水泥的命名原则和术语》（GB/T 4131）、《水泥包装袋》（GB/T 9774）、《通用水泥质量等级》（JC/T 452）等20余项标准。

2）产品标准。主要是对不同品种的水泥产品质量指标进行规定。其中包括《通用硅酸盐水泥》（GB 175）、《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB/T 200）、《铝酸盐水泥》（GB/T 201）、《抗硫酸盐硅酸盐水泥》（GB/T 748）、《白色硅酸盐水泥》（GB/T 2015）等40余项标准。

3）检验方法标准。主要是用来评定水泥产品质量的检测方法标准。其中包括《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671）、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346）、《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419）、《水泥比表面积测定方法 勃氏法》（GB/T 8074）等30余项标准。

4）仪器设备标准。主要是对水泥检验方法标准中所用试验仪器设备提出规范性要求，以保证检验数据的准确性和可比性。其中包括《水泥胶砂强度自动压力机》（JC/T 960）、《水泥胶砂试体成型振实台》（JC/T 682）、《水泥胶砂电动抗折试验机》（JC/T 724）等20余项标准。

（3）水泥的分类。水泥按照用途和性能可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。

1）通用水泥。通用水泥是指一般土木工程通常采用的水泥。根据《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定按照混合材的品种和掺量分为六大类水泥，即硅酸盐水泥（国外称波特兰水泥，由硅酸盐水泥熟料、0～5%石灰石或者粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，分为P.Ⅰ和P.Ⅱ两类）、普通硅酸盐水泥（由硅酸盐水泥熟料、5%～20%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，简称普通水泥，代号为P.O）、矿渣硅酸盐水泥（由硅酸盐水泥熟料、20%～70%粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号为P.S）、火山灰质硅酸盐水泥（由硅酸盐水泥熟料、20%～40%火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号为P.P）、粉煤灰硅酸盐水泥（由硅酸盐水泥熟料、20%～40%粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号为P.F）和复合硅酸盐水泥（由硅酸盐水泥熟料、20%～50%两种或两种以上规定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，简称复合水泥，代号为P.C）。以上六种硅酸盐水泥系列，都是以熟料为主要组成，以石膏作缓凝剂。不同品种水泥之间的差别主要在于所掺加混合材料的种类和数量不同。

2）专用水泥。专用水泥是指用于专门用途的水泥。如G油井水泥（由适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料、适量石膏和混合材料等磨细制成的适用于一定井温条件下油、气井固井工程用的水泥，分为中抗硫酸盐型与高抗硫酸盐型两类。能够起到很好的隔绝作用，从而让油、气、水等不会相互串扰）、道路硅酸盐水泥（由道路硅酸盐水泥熟料、0～10%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，有32.5、42.5、52.5三个强度等级）、砌筑水泥（由一种或一种以上活性混合材料或具有水硬性的工业废料为主要原料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料，代号M）等。

3）特性水泥。特性水泥是指具有特殊性能和特种功能的水泥。例如，快硬硅酸盐水泥（由硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成早期强度高的以3d抗压强度表示等级的水泥）、低热矿渣硅酸盐水泥（以适当成分的硅酸盐水泥熟料、加入适量石膏磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料）、自应力铝酸盐水泥（以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏磨细制成的强膨胀性水硬性胶凝材料）、白色硅酸盐水泥（由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料）等。

目前，常用的是通用水泥，在一些特殊工程中，还使用专用水泥和特性水泥。水泥品种虽然很多，但硅酸盐水泥是使用范围最广、最基本的。

（4）水泥熟料的矿物组成。水泥是由水泥熟料、混合料、石膏按一定比例混合磨细而成。硅酸盐水泥熟料主要矿物为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）。硅酸三钙和硅酸二钙的总含量为70%以上，铝酸三钙和铁铝酸四钙含量为25%左右。此外，还含有少量游离氧化钙（f-CaO）、氧化镁（MgO）、含碱矿物和玻璃体等。

1）硅酸三钙。硅酸三钙（3CaO·SiO2）简写为C3S。在水泥熟料中的含量一般为50%～64%。抗水性差，是水泥中产生早期强度的矿物。其强度较高，强度增长也快，28d抗压强度可达一年抗压强度的80%。水化速度比C2S快，比C3A与C4AF慢。其放热量较C3A低，比其他两种矿物高。

2）硅酸二钙。硅酸二钙（2CaO·SiO2）简写为C2S。在水泥熟料中的含量一般为14%～28%。抗水性较好，在四种矿物成分中水化速度最慢，水化热最小，其早期强度较低，是水泥中产生后期强度的矿物。

3）铝酸三钙。铝酸三钙（3CaO·Al2O3）简写为C3A。在水泥熟料中的含量一般为6%～10%。常以玻璃体状态存在，铝酸三钙与水反应迅速，水化放热最大，凝结快，需要加石膏调节其凝结速度，水化产物强度较低，体积收缩大，抗硫酸盐侵蚀性能差。

4）铁铝酸四钙。铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）简写为C4AF。在水泥熟料中的含量一般为10%～19%。水化与铝酸三钙极为相似，只是水化热较低。水化速度仅次于C3A。含量高对提高抗拉强度有利，具有较好的耐化学介质腐蚀、抗冲击性能。

5）其他。熟料中还含有少量游离氧化钙、氧化镁、含碱矿物和玻璃体等，总含量不超过10%，但对水泥的性能有较大影响。游离氧化钙水化后体积膨胀，含量过高会使得水泥安定性不良；氧化镁含量过高，会产生膨胀性破坏；含碱矿物为有害成分，与骨料产生碱骨料反应而膨胀开裂。

水泥熟料中不同熟料矿物水化特性对水泥的强度、凝结硬化速度、水化放热及收缩等性能的影响也各不相同。改变熟料中矿物成分的含量，水泥的性质将发生相应的变化。例如制造水化热较低的水泥如大坝水泥，则应降低铝酸三钙和硅酸三钙含量，提高硅酸二钙含量；提高硅酸三钙的含量，可制得高强度水泥；限制水泥中的铝酸三钙低于5%，可制得抗硫酸盐水泥。

（5）水泥的性能指标。水泥的性能指标一般包括密度、细度、标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性、强度及强度等级、水化热。

1）密度。水泥密度是指水泥单位体积的质量，试验方法采用《水泥密度测定方法》（GB/T 208）规定的李氏瓶法，普通水泥密度为3.1～3.2g/cm3。水泥国家标准中未对水泥密度指标作出规定，但在采用体积法进行配合比设计时需要引用此数据。

2）细度。细度即水泥的粗细程度，通常以比表面积或筛余数表示。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中将细度列为选择性指标，取消了强制性规定。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示，其比表面积不小于300m2/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示，其80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm方孔筛筛余不大于30%。

3）标准稠度用水量。水泥标准稠度用水量是达到标准稠度水泥净浆时用水量与水泥质量之比。试验通过水泥净浆对标准试杆的沉入具有一定的阻力，通过试验含有不同水量的水泥净浆对标准试杆阻力的不同，可确定水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量。标准稠度用水量不作为水泥质量评价的强制性指标，其目的在于通过试验测定水泥净浆达到标准稠度的需水量，作为水泥凝结时间、安定性试验的用水量标准。

硅酸盐水泥标准稠度用水量一般为24%～30%。水泥熟料成分、水泥细度、混合材种类、掺量等因素对标准稠度用水量会产生影响。一般来说，水泥的标准稠度用水量越小越好。

4）凝结时间。水泥凝结时间是水泥从加水搅拌开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间，分初凝时间和终凝时间两种。初凝时间是指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间；终凝时间是指水泥加水拌和直至标准稠度净浆完全失去塑性的时间。硅酸盐水泥初凝时间不小于45min，终凝时间不大于390min。普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min。

5）安定性。安定性是水泥在硬化过程中体积变化的均匀性能。如果水泥在凝结硬化过程中产生不均匀的体积变化，会致使混凝土产生膨胀开裂甚至结构破坏，因此国家标准规定安定性不良的水泥为不合格品。

体积安定性不良的水泥，主要是由于熟料中所含的游离氧化钙、游离氧化镁过多或掺入的石膏过多。熟料中所含的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的，熟化很慢，在水泥硬化后才进行熟化，这是一个体积膨胀的化学反应，会引起不均匀的体积变化，使水泥石开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，体积约增大1.5倍，也会引起水泥石开裂。

国家标准对水泥安定性试验和判定方法作了规定。沸煮法、压蒸法可分别检测游离氧化钙和氧化镁产生的安定性不良。另外，对水泥中的三氧化硫含量也进行了限制性规定。

6）强度。强度是评价和选用水泥的重要质量指标，也是划分强度等级的重要指标。影响水泥强度的因素较多，如水泥的矿物组成、细度、石膏掺量、龄期和养护条件以及试验方法等。水泥强度按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）进行测定。水泥强度分为抗压强度和抗折强度，检验龄期分为3d和28d，而中、低热水泥增加了7d的强度指标。各强度等级水泥在不同龄期的强度不得低于表1.1-1中的数值。

7）水化热。水泥在水化过程中放出的热量称为水化热，以kJ/kg表示。水化热速度主要与水泥的矿物组成、水泥细度、水泥中掺入的混合材料及外加剂的品种、数量等有关。水泥矿物中的铝酸三钙水化热最大，放热速度最快，硅酸三钙和铁铝酸四钙居中。水泥细度越细，水化速率越大。混合材及缓凝型外加剂的掺入能降低早期水化热，推迟水化放热高峰时间。例如，硅酸盐水泥在1～3d龄期内水化放热量达总放热量50%，7d达到70%，6个月达到83%～91%。由此可见，水泥的水化热大部分在早期3～7d释放，以后逐渐减少。

《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB/T 200—2003）对中、低热硅酸盐水泥的水化热作出了规定。试验采用直接法或溶解法，3d、7d龄期水化热不大于表1.1-2中数值。

（6）水泥的选择。水泥品种繁多，包括通用水泥、专用水泥和特性水泥。在混凝土工程中一般使用的是通用水泥。水泥品种的选择应当依据其各自的特点，综合考虑工程应用部位要求及工程特点，来选取合理的水泥品种和强度等级。水泥选择主要依据两个原则：

1）结构物设计的强度要求和设计龄期。水电水利工程中不同部位建筑物的设计强度不同，因此需要因地制宜合理选取不同强度等级的水泥。一般配制高强度等级的混凝土选用高强度等级水泥，低强度等级的混凝土选用低强度等级水泥。

2）工程部位的运行条件以及抑制某些有害物质反应（如碱骨料反应）的特殊要求。水泥品种的选取应与工程部位暴露条件、建筑物体积及特殊要求相适应。硅酸盐水泥早期强度较高，凝结硬化较快，抗冻性好。矿渣硅酸盐水泥早期强度低，后期强度增长率高，抗腐蚀性强，耐热性强，水化热低。火山灰质硅酸盐水泥大部分与矿渣硅酸盐水泥相同但保水性好，泌水量低，水泥石结构密实，抗掺性好。粉煤灰硅酸盐水泥的性质与火山灰硅酸盐水泥基本相同，但拌和物需水量较小，硬化过程干缩率较小，抗裂性好。例如，大坝大体积混凝土优先选用火山灰水泥、粉煤灰水泥或中低热水泥；有抗渗要求的混凝土工程宜选用火山灰水泥；水位变化区的混凝土工程优先选用普通硅酸盐水泥；严寒地区受冻融的混凝土工程优先选用硅酸盐水泥等。

1.1.3.2　掺合料

在混凝土拌和物制备时，为了节约水泥、改善混凝土性能、调节混凝土强度等级，而加入的天然的或者人造的矿物材料，统称为混凝土掺合料。混凝土掺合料主要以活性氧化硅、氧化铝和其他有效矿物为主要成分，在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性能，且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料。

在《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736—2017）规范中明确规定：用于改善混凝土耐久性能而加入的、磨细的各种矿物掺合料，又称矿物外加剂，其主要特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用于改善混凝土的耐久性和工作性能。

随着混凝土技术的发展，掺合料的研究与应用技术也呈现出较好的势头，就掺合料的使用历史而言不同时期掺入掺合料的目的是不同的，20世纪50—60年代，人们在拌制混凝土时常常用一定量的掺合料来代替部分水泥；到20世纪70—80年代，由于对掺合料认识水平的提高，在水工、大型建筑物的基础等一些大体积混凝土中掺入矿物掺合料是为了降低混凝土的水化放热量，减少温度裂缝；90年代以后，人们对掺合料的认识有了很大的转变，不再把一些工业废渣看成是混凝土的掺合料，而把它看成是混凝土中必不可少的改性材料，因此掺合料的品质有了很大的改进，掺合料的应用技术也有较大幅度的提高，特别是制备高性能混凝土时，矿物掺合料更是不可或缺的组分，它在改善混凝土的力学性能和耐久性能方面起着至关重要的作用。

混凝土掺合料按其活性大小可划分为活性材料和非活性材料两种，所谓的活性材料即指在常温常压下有水存在时可与激发剂水化形成水硬性胶凝产物的物质，而非活性材料仅能改善混凝土的和易性。但这两者又不能截然分开，在一定条件下可以相互转化，例如石灰石粉一般不作活性材料使用，但若水泥熟料矿物铝酸三钙较多时，则可与铝酸三钙的水化产物形成水化碳铝酸钙对混凝土的早强有利；石英粉一般也不作为活性材料使用，但混凝土构件养护温度较高时活性则可大幅度增加，当然石英粉体颗粒足够细时也会具有一定活性。活性材料按水化机理又可分为火山灰活性和潜在水硬性活性两类。如粉煤灰、凝灰岩、烧黏土等是火山灰质活性材料，需要有激发剂存在时才能发生水化反应；而钢渣、水淬矿渣等是具有潜在水硬性的活性材料，即自身就具有一定的水化能力。

1.混凝土采用掺合料的作用

建筑工程技术人员都知道许多特殊性能的混凝土可以通过添加混凝土外加剂来获得，但如能正确运用掺合料技术有时也能达到相应的效果，不仅能降低混凝土生产成本，还能避免外加剂对混凝土性能产生的不良影响。

混凝土掺合料可以起到的作用如下：

（1）掺合料可代替部分水泥，成本低廉，经济效益显著。

（2）提高混凝土的后期强度。矿物细掺料中含有活性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生成的Ca（OH）2反应，生成C-S-H和C-A-H、水化硫铝酸钙，提高了混凝土的后期强度。但是值得提出的是除硅灰外的矿物细掺料，混凝土的早期强度随着掺量的增加而降低。

（3）改善新拌混凝土的工作性。混凝土提高流动性后，很容易使混凝土产生离析和泌水，掺入矿物细掺料后，混凝土具有很好的黏聚性。像粉煤灰等需水量小的掺合料还可以降低混凝土的水胶比，提高混凝土的耐久性。

（4）降低混凝土温升。水泥水化产生热量，而混凝土又是热的不良导体，在大体积混凝土施工中，混凝土内部温度可达到50～70℃，比外部温度高，产生温度应力，混凝土内部体积膨胀，而外部混凝土随着气温降低而收缩。内部膨胀和外部收缩使得混凝土中产生很大的拉应力，导致混凝土产生裂缝。掺合料的加入，减少了水泥的用量，就进一步降低了水泥的水化热，降低混凝土温升。

（5）抑制碱骨料反应。试验证明，矿物掺合料掺量较大时，可以有效地抑制碱骨料反应。内掺30%的低钙粉煤灰能有效地抑制碱硅反应的有害膨胀，利用矿渣抑制碱骨料反应，其掺量宜超过40%。

（6）提高混凝土的耐久性。混凝土的耐久性与水泥水化产生的Ca（OH）2密切相关，矿物细掺料和Ca（OH）2发生化学反应，降低了混凝土中的Ca（OH）2含量；同时减少混凝土中大的毛细孔，优化混凝土孔结构，降低混凝土最可几孔径，使混凝土结构更加致密，提高了混凝土的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能。

（7）不同矿物细掺料复合使用的“超叠效应”。不同矿物细掺料在混凝土中的作用有各自的特点，例如矿渣火山灰活性较高，有利于提高混凝土强度，但自干燥收缩大；掺优质粉煤灰的混凝土需水量小，且自干燥收缩和干燥收缩都很小，在低水胶比下可保证较好的抗碳化性能。

（8）减水功能。部分掺合料如粉煤灰因有球形的外貌，具有一定减水效果是容易理解的，加了高效减水剂的混凝土再掺入掺合料会具有更好的减水效果，尤其是在化学减水剂无能为力的超低水胶比时矿物掺合料还能具有一定的减水功能。

2.掺合料品种

（1）粉煤灰。粉煤灰是燃煤电厂磨细煤粉在锅炉中燃烧（1100～1500℃）后由电收尘系统回收聚集的烟道细灰，通常呈灰白到黑色，比重为1.9～2.8，容重为530～1260kg/m3。其化学成分主要为SiO2和Al2O3，两者总含量一般达到60%以上。

粉煤灰按照收尘方式分为电收尘灰和机械收尘灰，目前由于机械收尘对环境污染严重已基本不使用，都是使用电收尘方式。

粉煤灰按排放方式分为干排灰和湿排灰。水工混凝土使用的都是干排灰。湿排灰由于其含水量难以控制一般不使用。

1）粉煤灰的物理性质如下：

（a）粉煤灰是一种呈微酸性具有潜在活性的粉状体，其化学成分和性质与火山灰相似，主要成分为SiO2、Al2O3及Fe2O3，物相组成中有60%～85%为铝硅酸盐玻璃质微珠，具有水硬性凝胶性能。在水分存在的条件下能与石灰、水泥熟料等碱性物质产生水化反应生成含水硅酸盐和铝酸盐，具有一定强度。含碳量高的粉煤灰，其玻璃体含量减少，活性和强度相对较低。

（b）比重：粉煤灰的比重一般在1.90～2.40范围内，主要与颗粒内部的气孔有关。化学成分中Fe2O3较多时，其比重则较大。粉煤灰颗粒直径与比重也有一定关系，颗粒直径越小比重越大。

（c）容重：粉煤灰的容重一般为900～1000kg/m3。颗粒尺寸对容重影响很大，颗粒越细，容重越大，空隙率越小。

（d）细度：是指在45μm的筛余百分率。粉煤灰的细度是影响混凝土和易性、强度、耐久性等性能的重要因素。粉煤灰细度越小，其球形颗粒越多，对降低混凝土的用水量及改善混凝土和易性的效果越明显。

（e）需水量比：需水量比反映了粉煤灰需水量的大小，需水量又与细度、含碳量有关，最终将影响到混凝土的强度、施工和易性及耐久性。需水量越小，说明粉煤灰减水效果越好，品质越好。

（f）粉煤灰能与水泥水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应，具有一定的火山灰活性。粉煤灰水泥浆体中的粉煤灰与水泥水化产生物Ca（OH）2在早期（28d以前）二次水化反应速度较为缓慢，但中后期（28d以后）二次水化反应速度逐渐加快，后期水化物增加显著，粉煤灰颗粒二次水化产物不断填充水泥浆体的孔隙中，减少Ca（OH）2晶体的数量，降低了孔隙液的碱度，提高了水泥石的密实度。

2）粉煤灰在混凝土中的三大效应。粉煤灰的效应包括形态效应、活性效应和微集料效应。

粉煤灰的形态效应是指粉煤灰粉料由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质和颗粒级配等物理性状所产生的效应。在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠（图1.1-1、图1.1-2），是外表比较光滑的类球形颗粒，由硅铝玻璃体组成。由于球形颗粒表面光滑，故掺入混凝土后能起滚珠润滑作用，能不增加或减少混凝土的拌和用水量，起减水作用，但是粉煤灰在形貌上的另一特点是它的不均匀性，如果内含较粗的、多孔的、形状不规则的颗粒占优势，则不但丧失所有物理效应的优越性，而且还会损害混凝土原来的结构和性能，所得到的是负效应，粉煤灰的这种形态应还经常会影响其他效应的发挥。

粉煤灰的活性效应是指它的活性成分所产生的化学效应。粉煤灰的活性取决于火山灰反应能力，即粉煤灰中具有化学活性的SiO2和Al2O3与Ca（OH）2反应，生成类似于水泥水化所产生的水化硅酸钙和水化铝酸钙等反应产物，这些水化物可作为胶凝材料的一部分起到增强作用。火山灰反应在水泥水化析出的氢氧化钙吸附到粉煤灰颗粒表面的时候开始（即二次水化反应），一直可延续到28d后的相当长时间内。

粉煤灰的微集料效应是指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，改善混凝土孔结构和增大密实度的特性。粉煤灰微集料的优越性能体现在如下几点：①玻璃微珠本身强度很高；②微集料效应明显地增强了硬化浆体的结构强度，在粉煤灰和水泥浆体界面处形成的粉煤灰水化凝胶的显微硬度大于水泥凝胶的显微硬度，这就说明粉煤灰对混凝土中浆体与集料间界面这个最薄弱的联结部位有增强作用；③粉煤灰微粒在水泥浆体中分散良好，它有助于混凝土中孔隙和毛细孔的填充和“细化”。

粉煤灰的这三个效应是共存于一体且是相互影响的，不应强调某一效应而忽视其他效应，对混凝土的某一性能，在某种条件下，可能某一效应起主导作用，在另外条件下，对混凝土的另外性能，则可能是另一效应起主导作用，应具体情况具体分析。

3）粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰在混凝土中的主要作用可以包括以下几方面：

（a）混凝土拌和物和易性得到改善。由于粉煤灰的形态效应，微集料效应，且比重比水泥小，在采用等量代替水泥的情况下，其浆体体积增加，可填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著，因此掺加适量的粉煤灰可以改善混凝土拌和物的流动性、黏聚性和保水性，使混凝土拌和物易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失。

（b）混凝土成本降低。掺加粉煤灰在等强度等级的条件下，可以减少水泥用量约10%～15%，因而可降低混凝土的成本。

（c）减少混凝土裂缝。掺加粉煤灰后可减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了混凝土水化放热量，因此施工时混凝土的温升降低，可明显减少温度裂缝，这对大体积混凝土工程特别有利。

（d）混凝土的耐久性提高。由于粉煤灰的二次水化作用，混凝土的密实度提高，界面结构得到改善，同时由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低，因此掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等。

（e）混凝土的收缩变形减小。粉煤灰混凝土的徐变低于普通混凝土。粉煤灰的减水效应使得粉煤灰混凝土的干缩及早期塑性干裂与普通混凝土基本一致或略低，但劣质粉煤灰会增加混凝土的干缩。

（f）具有一定的减水作用。需水量比小于100%的粉煤灰，尤其是需水量比低于95%的粉煤灰具有良好的减水效应，可部分降低混凝土的用水量，从而降低混凝土中的胶凝材料用量。

（g）粉煤灰可有效抑制骨料的碱活性。粉煤灰中的活性SiO2与Ca（OH）2生成的不溶物可阻止SiO2的溶出，因此粉煤灰的掺入减少了混凝土中的有效碱含量，又将有限的碱吸引到粉煤灰的颗粒表面，使其表面捕获K＋、Na＋，生成RCSH凝胶，从而减少或避免了碱参与碱骨料反应的概率。同时粉煤灰的掺入使Ca（OH）2的含量降低，削弱了Ca（OH）2对碱骨料反应的促进作用，缓解了钙矾石膨胀相的生成，改善了界面的密实性，因而起到了抑制碱骨料反应膨胀的作用。

（2）磷矿渣。磷矿渣是用电炉法生产黄磷时所排出的水淬磷酸盐类工业废渣，通常每生产1t黄磷就能产生8～10t的磷矿渣。生产黄磷的主要原料为磷矿石、焦炭、硅石，破碎烘干后，按一定比例配制入炉煅烧（煅烧温度达1400℃），提炼出10%的黄磷，排出的废料刚出炉时呈黑色凝胶状态，温度为1450℃左右，经水淬后，成粒状磷矿渣（粒径为3～7mm），颜色为青灰色或灰白色。

我国有着丰富的磷矿资源，每年都要产生大量的磷矿渣。由于磷矿渣是一种工业废渣，且其中所含有的磷和氟会造成一定的环境污染，因此综合利用磷矿渣具有一定的经济和环保意义。

1）磷矿渣的特点如下：

（a）磷矿渣的化学成分主要以CaO、SiO2、P2O5、MgO、Al2O3、SO3等，其中CaO、SiO2、Al2O3为活性物质，与水泥水化产物产生二次水化反应，从而提高混凝土的后期强度。

（b）磷矿渣的比重为2.9左右，松散容重为1100kg/m3左右。

（c）磷矿渣中P2O5对水泥或混凝土产生危害，在技术规定中用质量系数K＝（CaO＋MgO＋Al2O3）/（SiO2＋P2O5）≥1.10进行控制。

（d）掺入磷矿渣部分替代水泥后，胶凝材料的水化热显著降低。

（e）磷矿渣经水淬后为颗粒状物质，并且含有一定的水分，需进行烘干、磨细后使用，磷矿渣的活性与其细度有关，只有粉磨到一定的程度，磷矿渣的活性才有可能充分发挥，但应考虑增加的加工费用。

2）磷矿渣在水工混凝土中的反应机理。磷矿渣主要由微晶玻璃体组成（图1.1-3、图1.1-4），其内部结构是畸变的硅酸盐网络，是含钙量比较低的熔体在水淬时形成的特殊结构。由于磷矿渣熔体的化学成分的特殊性，在水淬时和其他工业废渣熔体的黏度不同，因而畸变的硅氧链的聚合度不同，使它具有了不同于其他水淬渣的微观结构。

磷矿渣属于活性掺合料，能够与水泥水化产物Ca（OH）2发生反应，生成提高混凝土强度和耐久性的水化产物。从化学组分上来看，磷矿渣中的CaO、Al2O3和MgO对其活性有利，而SiO2、P2O5对其活性的发挥不利，国家标准《用于水泥中的粒化电炉磷渣》（GB/T 6645）中使用质量系数K值大小来进行评价，并且规定K≥1。水泥熟料矿物的水化所生成的Ca（OH）2和掺入的石膏，分别作为磷矿渣的碱性激发剂和硫酸盐激发剂，并与磷矿渣中的活性组分相互作用，生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙或水化硫铁酸钙。大部分水化产物开始以凝胶状出现，随着龄期的增长，逐步转化成纤维状晶体，数量不断增加，相互交叉，形成连锁结构。

（3）火山灰。火山爆发时，岩石或岩浆被粉碎成细小颗粒，从而形成火山灰。

火山灰由火山活动产生，是细微的火山碎屑物。火山灰由岩石、矿物、火山玻璃碎片组成，直径小于2mm，其中极细微的火山灰称为火山尘。在火山的固态及液态喷出物中，火山灰的量最多，分布最广，它们常呈深灰、黄、白等色，堆积压紧后成为凝灰岩。

1）火山灰的特点。火山灰不同于烟灰，它坚硬、不溶于水。

在一些火山灰质的混合料中，存在着一定数量的活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分。火山灰反应就是指这些活性组分与氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物，其中，氢氧化钙可以来源于外掺的石灰，也可以来源于水泥水化时的产物。在火山灰水泥的水化过程中，火山灰反应是火山灰混合材中的活性组分与水泥熟料水化时放出的氢氧化钙的反应。

火山灰水泥的水化过程是一个二次反应过程。首先是水泥熟料的水化，放出氢氧化钙，然后再是火山灰反应。这两个反应是交替进行的，并且彼此互为条件，互相制约，而不是简单孤立的。

2）火山灰的分类。火山灰分为天然的和人工的两大类。

天然火山灰种类较丰富，主要分布在云南省，其中腾冲县、龙陵县一带的天然火山灰主要有：火山碎屑岩、浮石、玄武岩、玄武安山岩、安山岩、凝灰岩、硅藻土等，以浮石和玄武岩分布最广及储量最大。江腾火山灰原料产地为腾冲县南部沿龙江分布的龙江火山岩，其矿物种类经地质X射线分析为玄武安山岩和浮石质玄武岩，矿石结构主要为细粒至隐晶质结构、斑状结构。矿石构造特征有气孔、杏仁状或致密构造。矿石成分由无定形玻璃质（SiO2＋Al2O3）所包围的无数微晶体所组成，其成分与火山灰类似。长石、辉石、角闪石、橄榄石等晶体嵌布于玻璃质中，各种结晶矿物主要靠玻璃质黏结形成致密的岩石，其多孔性有似凝胶，具有大量内表面积，含可溶性SiO2和可溶性Al2O3，是玄武安山岩水化活性的主要来源。

3）火山灰的性能。以江腾火山灰为例，其化学成分试验结果见表1.1-3，品质鉴定结果见表1.1-4。

江腾火山灰的试验结果表明，火山灰中酸性氧化物（SiO2＋Al2O3）含量较高，超过70%，这是火山灰活性的主要来源，表明江腾火山灰有较高的潜在水硬性。烧失量及SO3含量均符合标准要求，其中烧失量有别于其他矿物掺合料，主要来自火山灰中的结晶水。总的来看江腾火山灰可满足Ⅱ级粉煤灰的指标要求，其活性比粉煤灰要高。

4）火山灰在水电工程中的应用。云南省火山灰自开发至今，已在云南龙江干流、瑞丽江、槟榔江等十多个中小型水电站中推广应用，如云南省龙陵县腾龙桥Ⅱ级水电站、龙陵县等壳水电站、缅甸瑞丽江一级水电站、德宏州弄另水电站、龙江水电站枢纽工程等。

在缅甸瑞丽江一级水电站中，C9015、C9020三级配常态混凝土中火山灰掺量达30%～40%，C20以上二级配常态混凝土中火山灰掺量30%。昆明粉煤灰运输到缅甸工地的运费和材料费高达800元/t，而火山灰仅400元/t，每吨可节约成本400元，经济效益较明显。

腊寨水电站C30以下三级配、二级配混凝土中火山灰掺量为30%，C30以上二级配混凝土中火山灰掺量为20%。

弄另水电站碾压混凝土中的火山灰掺量为水泥用量的40%～65%。厂房及导流洞C30以下三级配、二级配混凝土中火山灰掺量为水泥的30%～40%。使用火山灰掺合料后，工程节约资金1000万元。弄另水电站碾压混凝土大坝是我国首次使用火山灰掺合料获得成功的工程。

云南省龙江水电站枢纽工程对比试验了火山灰和石灰石粉两种掺合料，其中火山灰混凝土的性能优于石灰石粉混凝土，选定的常态混凝土中火山灰掺合料掺量为25%～35%，各项指标满足工程设计要求。

火山灰在水电工程中的应用有如下特点：

（a）火山灰掺合料是云南省西部建设的水电站开发出的一种新型天然火山灰质混凝土掺合料，利用腾冲、龙陵一带丰富的火山灰资源生产的火山灰矿物掺合料，符合国家产业政策，符合矿物掺合料就近取材、技术可靠、经济合理的原则。

（b）在同等试验条件下的混凝土性能对比结果表明，掺天然火山灰掺合料混凝土早期及后期强度均比掺Ⅱ级粉煤灰混凝土高。

（c）江腾火山灰对混凝土有很好的改性效果，能降低混凝土水化热、减少混凝土用水量、缩短水泥净浆凝结时间的作用；配制的混凝土需水量不高、混凝土后期强度增长率高。

（d）掺火山灰的大坝混凝土干缩值比不掺的混凝土降低5%，绝热温升降低10%左右，有利于提高大坝混凝土的抗裂性；抗渗抗冻耐久性也有一定的提高。

（e）火山灰在滇西多个水电工程中得到成功应用，经济效益明显。在水电工程碾压混凝土中单掺火山灰取代水泥的用量一般为40%～60%，用于常态混凝土火山灰掺量一般为20%～40%。

（4）石粉。石粉主要指石灰岩、凝灰岩、花岗岩、板岩、玄武岩或其他原岩经机械加工后粉磨成小于0.08mm的微细颗粒。

石粉可作为一种掺合料使用，采用细度合适，无碱活性的岩石磨制的石粉部分或全部取代混凝土中的粉煤灰，可以使混凝土的性能不低于掺粉煤灰的混凝土，甚至有些性能比掺加粉煤灰的混凝土性能更优，其中以石灰岩石粉为最优。

1）石粉作为掺合料在国内外研究及应用现状。随着水工混凝土筑坝材料技术的发展，行业内对石粉的研究应用越来越多。目前在水电工程混凝土筑坝材料中，可将石粉直接作为掺合料，成为胶凝体系中的组分，代替水泥后可降低混凝土成本，减少水化放热，简化温控措施。

将石粉作为掺合料使用，国内部分科研设计院、高校及专家对石粉作为碾压混凝土掺合料的可行性进行了室内试验研究，其研究结果主要有：①石粉不完全是一种惰性材料，掺入混凝土中，可改善细骨料的颗粒级配，有填充效应；②掺入一定量石灰石粉后，在复合胶凝材料早期能够加速水泥的水化反应；当石粉粒径小于45μm时，石粉的活性可以较明显地表现出来，石粉粒径越小，其活性越高；③石粉在混凝土中，可部分替代粉煤灰作为掺合料，对混凝土的施工性能影响不大，而抗压强度、劈拉强度和抗渗性能均能得到保证，其性能是可以满足混凝土的力学性能、耐久性能等要求的；④虽然石粉具有较多优点，但也存在一定的缺陷，研究表明石粉取代粉煤灰后会增加混凝土的干缩值和自生体积变形收缩值，降低混凝土的抗裂性能，且耐久性略差于掺粉煤灰的混凝土，因此石粉并不能全部替代粉煤灰作为掺合料使用，宜部分替代，与粉煤灰混合使用。

在粉煤灰资源匮乏地区，石粉的加工处理价格明显低于外购粉煤灰的价格，可大大降低工程造价。室内试验和工程实践表明，石灰石粉用作碾压混凝土掺合料基本上不增加混凝土用水量，能达到良好的和易性和可碾性，并已经在国内若干个碾压混凝土大坝工程中应用，为石粉的推广应用积累了一定的工程经验。

国内研究工程中，一般以灰岩骨料作为石粉开展的研究较多，主要是由于石灰石资源较为丰富，容易获得。灰岩一般纯度较高，易于粉磨加工成石灰石粉，能耗低，且加工、运输成本相对较低，因此国内研究石灰石粉作为掺合料的工程较多。

除灰岩石粉以外，国内研究石粉作为掺合料还有大理岩石粉、凝灰岩石粉等，在四川省锦屏一级水电站、云南省漫湾水电站、景洪水电站、大朝山水电站均有应用，其中漫湾水电站采用凝灰岩粉作为大坝混凝土的掺合料，总使用量约10万t；景洪水电站采用了石灰石粉＋磨细矿渣复合掺合料的方案，取出的碾压混凝土芯样长14.13m，且芯样表面光滑、密实、无气孔；大朝山水电站采用凝灰岩粉＋磷矿渣复合掺合料的方案（PT掺合料），取得了很好的效果。另外，贵阳院设计的西藏地区果多水电站，位于昌都地区昌都县，大坝为碾压混凝土重力坝，粉煤灰运至工地价格达1700元/t，远高于水泥1000元/t的价格，而果多水电站有灰岩骨料，因此采用了灰岩石粉替代粉煤灰作为掺合料，主要针对大坝内部C9015W6F50三级配碾压混凝土进行了试验研究，石粉掺量为30%（约50kg/m3），具有一定的经济效益，作为技术储备可以在西藏地区其他水电工程推广应用。

在东南亚地区（如柬埔寨、缅甸）等水电工程中，由于当地缺乏粉煤灰资源，中国水利水电第八工程局有限公司承建的柬埔寨甘再水电站，掺加石粉后，碾压混凝土中的水泥＋粉煤灰用量仅107kg/m3，水泥和粉煤灰的用量大大降低，大幅度节约了工程造价。

而国外开展关于石粉对混凝土性能影响的研究较少，仅有日本等少数国家进行过探讨性研究，以石粉等量取代部分细骨料，得出的结论与国内成果基本一致，石粉能在一定程度上改善混凝土性能。

2）石粉的化学成分和物理力学性能。贵阳院在四川省雅砻江中上游水电工程材料优选科研项目研究中，对灰岩石粉、花岗岩石粉、砂板岩石粉、玄武岩石粉共4种石粉进行了研究，4种石粉的化学成分试验结果见表1.1-5，物理性能试验结果见表1.1-6。

试验结果表明：

（a）由于岩性的原因，灰岩石粉的烧失量最大，花岗岩石粉烧失量最小。

（b）从勃氏比表面积仪的试验结果看，花岗岩石粉的比表面积最小，灰岩石粉比表面积最大。

（c）石粉的细度随球磨时间的增加而增大。

（d）石粉的掺量越大，胶砂的用水量越大。

（e）随着石粉的掺量增加，其各龄期的水泥胶砂抗压强度就越低。

（f）掺入石粉会降低水泥水化热。

（g）石粉单独作为掺合料均不能有效抑制骨料的碱活性。

4种石粉在单掺的条件下，其抑制活性效果排序为砂板岩＞花岗岩＞玄武岩＞灰岩。在同种石粉不同细度的条件下，单掺4种石粉均表现为细度越细，对碱骨料反应的抑制效果越好。

3）石粉作为掺合料在水工混凝土的试验研究。贵阳院在雅砻江中上游水电工程材料优选科研项目对灰岩石粉、花岗岩石粉、砂板岩石粉、玄武岩石粉进行了配合比试验，分别对C30W8F150二级配泵送混凝土和C9025W8F200二级配碾压混凝土进行了研究，试验研究结果表明：

（a）随着石粉掺量的增加，泵送混凝土的坍落度略有下降；碾压混凝土的Vc值略有下降；混凝土各龄期的抗压强度和劈拉强度减小。

（b）随着石粉掺量的增加，混凝土的引气剂掺量增加，掺入硅粉可以降低引气剂的掺量。

（c）泵送混凝土的配合比选用水胶比为0.37，硅粉掺量为5%、砂板岩石粉掺量为20%的组合，单价比基准混凝土（掺粉煤灰20%）的组合便宜56.3元/m3；碾压混凝土的配合比选用水胶比为0.40，硅粉掺量为5%、砂板岩石粉掺量为40%的组合，单价比基准混凝土（掺粉煤灰40%）的组合便宜64.1元/m3。

（d）绝热温升试验结果表明，掺石粉后混凝土的早期反应比掺粉煤灰的混凝土要快。

从自生体积变形和干缩来看，单掺石粉、双掺硅粉和砂板岩石粉后需要加强早期混凝土的养护。

4）石粉作为掺合料的应用展望。目前石粉作为掺合料的应用研究不多，研究内容也主要侧重于对混凝土宏观性能的影响，而对微观结构、胶凝材料体系的水化特性及石粉在胶凝材料体系水化中的作用机理等方面的研究工作还未全面开展。

由于石粉可作为将来掺合料的重大现实意义及目前对与掺石粉碾压混凝土复合胶凝材料水化特性研究的严重不足，有必要对其作更为全面深入的研究，这能够极大推动石粉作为掺合料在碾压混凝土中的应用，对减少环境污染、降低工程造价、缓解资源危机和推动我国国民经济建设的可持续发展将起到巨大的促进作用。

在粉煤灰相对匮乏的西藏地区，长距离运输粉煤灰影响碾压混凝土筑坝经济性的情况下，以石粉代替部分粉煤灰应用于碾压混凝土，既可以降低工程造价，又可以保护环境，还可以降低混凝土的温升，提高碾压混凝土和易性和可碾性，具有良好的经济效益和社会效益，且有助于提高大体积碾压混凝土的抗裂性。因此考虑用石粉替代部分细骨料或者作为碾压混凝土掺合料代替部分粉煤灰，设计满足施工要求的碾压混凝土配合比是完全可行的。

（5）磨细矿渣微粉。矿渣是炼铁过程中排出的工业废料，每炼1t钢铁约有0.3t的矿渣，其主要化学成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等。由于它具有潜在水硬性而被广泛用为水泥混合料或混凝土掺合料。经水淬急冷后的矿渣，其中玻璃体含量多，结构处在高能量不稳定状态，潜在活性大，但须经磨细才能使其潜在活性发挥出来。

磨细矿渣微粉（以下简称矿粉）是将水淬粒化高炉矿渣经过粉磨后达到规定细度的一种粉体材料，它既可用作等量取代熟料生产高掺量矿渣水泥，也可作为混凝土的掺合料取代部分水泥。在大体积混凝土中，掺入此掺合料，可以改善新拌混凝土的流变性能，降低水化热，防止裂缝的出现。

1）矿粉作为掺合料在国内外的研究及应用现状。1862年德国人发现水淬矿渣具有潜在的活性后，矿渣长期作为水泥混合材使用。1865年德国开始生产石灰矿渣水泥。随着矿渣硅酸盐水泥良好的耐久性及应用价值不断为人们所认识，20世纪初在欧洲得到了广泛的应用。

1958年南非将水淬矿渣烘干磨细，首次将矿粉用于商品混凝土中。进入20世纪60年代，随着预拌混凝土工业的兴起和发展，矿渣粉作为混凝土的独立组分得到了广泛应用。20世纪90年代在东南亚及我国台湾、香港和北京、上海等地也得到了广泛的应用。

目前，国外一些发达国家已将掺有矿粉的混凝土普遍用于各类建筑工程。西欧掺有矿粉的水泥约占水泥总用量的20%；荷兰矿粉掺量65%～70%的水泥约占水泥总销量的60%，几乎各种混凝土结构都采用此种水泥；英国矿粉的每年销售量已达到100多万t；美国、加拿大现在也将矿粉掺入水泥中应用于各种建筑工程；在日本、新加坡、东南亚地区矿粉普遍地应用于商品混凝土和掺入水泥中。美国1982年发布了《混凝土和砂浆用的磨细粒化高炉矿渣》标准（ASTMC 989—82），并于1989年进行了修订。澳大利亚、加拿大、英国等在1980—1986年期间也相继制定了矿粉的材料标准。日本在1986年由土木学会制定了《混凝土用矿渣粉》标准草案，于1995年3月正式修订为日本的国家工业标准（JISA 6206—1995），1988年还制定了《掺高炉矿渣粉的混凝土的设计与施工指南（草案）》。这些标准的制定和实施极大地推动了矿粉混凝土技术的研究，并促使矿粉混凝土技术得到了令人瞩目的发展。

在我国，矿渣应用的历史久远，但都是作为活性混合材添加在水泥熟料中，成为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。随着国际上对矿粉研究的不断深入和大规模开发利用、我国20世纪80年代改革开放的力度不断加大、预拌混凝土崛起与发展以及政府日益注重环境保护，自20世纪90年代起，我国开始了矿粉的特性及应用研究工作。1998年上海市实施地方标准《混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉》，1999年《粒化高炉矿渣微粉在混凝土中应用技术规程》制定颁布。2000年国家标准《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046—2000）颁布实施，矿渣粉的应用技术逐渐成熟，并被广泛接受和使用。2002年国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736—2002）颁布，在该标准中正式将矿渣微粉命名为“矿物外加剂”纳入混凝土第六组分。从此，在世界范围内，矿粉在预拌混凝土中的应用越来越广泛。人们对矿粉在混凝土中的应用研究也逐步深入。应用实践发现：磨细矿粉作为普通混凝土掺合料可取代水泥用量一般为20%～40%。矿粉混凝土与普通混凝土相比，具有降低水化热峰值、延迟峰值温度发生时间、优化内部孔隙结构的优点。同时矿粉混凝土中由于水泥用量的降低和矿粉本身对碱的吸收，使整个混凝土体系内的Ca（OH）2减少，提高混凝土抗渗性、抗冻性、抗腐蚀能力，抑制碱骨料反应，提高后期强度。

目前，磨细矿渣作为一个独立的产品出现在建筑市场，广泛应用于商品混凝土中。

2）矿粉在混凝土中的作用机理。

a.火山灰效应。矿粉改变了胶结料与集料的界面黏结强度。普通混凝土的浆体与集料的界面黏结受水化产物Ca（OH）2定向排列的影响而强度降低，而矿粉可吸收水泥水化时形成的Ca（OH）2，进一步水化生成更多有利的C-S-H凝胶，使界面区的Ca（OH）2晶粒变小，改善混凝土的微观结构，使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料界面黏结力，从而提高混凝土的耐久性。

b.微集料效应。混凝土体系可理解为连续级配的颗粒堆积体系，粗集料间隙由细集料填充，细集料间隙间由水泥颗粒填充，水泥颗粒间的间隙则由更细的颗粒填充。矿粉可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用，从而改善了混凝土的孔结构，降低空隙率，并减少最大孔径的尺寸，使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系，防止泌水、离析，改善混凝土的耐久性。

矿粉主要成分包括SiO2、CaO、Al2O3，而矿粉在混凝土中产生胶凝性的反应不完全是火山灰反应，要使矿粉的活性发挥必须具备一定的碱性环境。水泥水化生成的Ca（OH）2可作为碱性激发剂，另外水泥及矿粉中均有部分石膏可形成硫酸盐激发剂。一方面在碱性环境中矿渣分散、溶解，并形成水化硅酸钙和水化铝酸钙；另一方面Ca（OH）2存在的条件下，石膏能与矿渣中的活性Al2O3化合生成硫铝酸钙，上述两类作用相互促进，使矿粉活性充分激发，由此得到较高的胶凝强度，并使混凝土的结构相当致密。

混凝土在承受荷载之前已存在着微裂缝，这是由水泥石收缩引起的。掺入矿粉后，混凝土对骨料的约束作用比单纯水泥对骨料的约束作用大，它超过水泥石与骨料的黏结强度，所以掺入矿渣微粉及粉煤灰会提高混凝土的抗折强度。

c.对混凝土坍落度损失的影响。

a）矿渣复合粉煤灰颗粒直径显著小于水泥且圆度较大，它在新拌水泥浆中具有轴承效果，可增大水泥浆的流动性，能够提高混凝土的坍落度；矿渣掺合料可显著降低水泥浆的屈服应力，由于初始屈服应力相对较小，屈服应力值在较长的时间内维持在较低的水平，使水泥浆处于良好的流动状态，并表现为新拌混凝土坍落度增大，还可有效地控制混凝土的坍落度损失。

b）混凝土坍落度损失与水泥水化动力学有关。随着水化时间的推移和水泥水化产物的增长，混凝土体系的固液比例增大，自由水量相对减少，凝聚趋势加快，致使混凝土坍落度值降落较快，在高温及干燥条件下这种现象更甚。矿渣复合粉煤灰掺合料属于活性掺合料，但与水泥熟料相比则为低水化活性胶凝材料。大掺量的矿渣复合掺合料取代水泥后存在于新拌混凝土中，有稀释整个体系中水化产物的体积比例的效果，可以减缓胶凝材料体系的凝聚速率，从而可使新拌混凝土的坍落度损失获得抑制。

3）矿粉在混凝土中的作用。

a.单掺矿粉，在混凝土用水量一定时，矿粉能增大混凝土的坍落度。混凝土坍落度随着矿粉掺量的增加增大，混凝土的坍落度经时损失也逐渐减小而扩展度经时损失率有所增大。

b.单掺矿粉可以延缓水泥的凝结时间，防止水化热集中释放，对大体积混凝土非常有利。

c.单掺矿粉，可以改善砂浆与粗集料间的界面黏结强度，提高胶砂抗折强度。

d.混凝土中掺入矿粉，可以减少水化热，降低峰值温度，延缓峰值温度出现时间，有利于避免或减少温差裂缝，非常适用于大体积混凝土。

e.矿粉可以等量取代水泥，大大减少水泥用量，节约成本。

f.掺矿粉混凝土早期强度随掺量的增多呈下降趋势，但后期强度明显高于基准混凝土。

g.矿粉能有效提高混凝土的抗渗性能，从而提高混凝土的耐久性。

h.单掺矿粉，凝结时间有所延长，泌水量有增大迹象，粘聚性也有所提高，可能会对混凝土的泵送带来一定的不利影响。因此，实际应用中应采用矿粉和粉煤灰复掺配制混凝土。

4）矿粉在混凝土中的应用展望。目前大型立磨矿渣技术在我国快速发展，使大量细度为400m2/kg的矿粉得到广泛应用。矿粉的大量应用，改变了以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面。对于商品混凝土搅拌站而言，矿粉的出现给配制混凝土带来了很大的方便，随着矿粉研究和应用的不断深入，混凝土质量会逐步改善。同时，矿粉的应用，可以克服仅掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量，不仅可以改善混凝土耐久性，还可降低混凝土成本，节约能源，改善环境。因此，应在加大研究力度的同时，积极推广应用，不断总结经验，扬长避短，进一步加大对矿粉的应用。

总而言之，采用矿粉代替部分水泥，在建筑领域是一项有很强生命力的新型材料和工艺。对炼铁厂而言，能解决大量高炉矿渣堆放占地、污染环境的问题。同时，对混凝土搅拌站而言，矿渣性能优越、后期强度高、价格低廉，是提高强度、降低成本的好选择。

1.1.3.3　骨料

骨料是混凝土的主要组成材料之一，作为填充材料起到骨架作用，在混凝土中占总体积的3/4以上。骨料所占的体积越多，水泥的用量就越少，混凝土的经济性就越好。骨料化学成分、矿物组成与结构、强度、密度、热学性能、颗粒大小与形状、表面性状等均对混凝土性能和经济性产生重要影响。因此，在生产优质混凝土时，必须对骨料进行认真选择。

1.骨料的分类

（1）按骨料粒径分类。在水电水利工程中采用的骨料，按粒径区分为细骨料与粗骨料。粒径在0.15～4.75mm之间的为细骨料，又称砂子；粒径大于4.75mm的为粗骨料，又称石子。石子又分为小石（粒径5～20mm）、中石（粒径20～40mm）、大石（粒径40～80mm）与特大石（粒径80～150mm或80～120mm）。因此骨料按粒径分为砂、小石、中石、大石、特大石等5种。

（2）按岩性分类。混凝土骨料是岩石的粒形材料。作为混凝土骨料的原岩主要有火成岩（岩浆岩）、沉积岩、变质岩三大类。在沉积岩中，经常应用于工程的主要是石灰岩和白云岩，砂岩由于沉积和成岩时间短，工程力学性能较差。花岗岩和玄武岩是混凝土常用的火成岩骨料，它们具有硬度大、力学强度高、密度大等特点。变质岩性质介于火成岩和沉积岩之间，如砂板岩。常见岩石的外观特征及显微结构如图1.1-5～图1.1-9所示。

（3）按料源与加工方式分类。按料源与加工方式可将骨料分为天然骨料与人工骨料两大类。

天然骨料是从天然河流中或山上采集的砂、砾石，经过适当的筛分、清洗加工而得。天然骨料因岩石经过长期的风化、搬运、水流冲刷、相互碰撞等作用，一般外形趋于浑圆，表面光滑、质地坚硬，是比较理想的混凝土原材料（图1.1-10）。如果当地有足够的符合要求的天然砂石料场，一般会优先考虑采用。但天然骨料的原岩种类繁多，成分复杂，级配通常不理想，有时还含有一些针片状和软弱颗粒。此外，有些骨料因沉积年代久远，表面风化，含有或粘附一些不稳定的化学物质和有害成分，这些都将对混凝土性能产生影响。

人工骨料是用机械的方法将岩石破碎制成的。人工骨料中细骨料又称人工砂，粗骨料又称为碎石。由于人工骨料可以选择适当的原岩进行加工，岩石品种单一，可以控制级配，开采生产一般都能常年进行，目前越来越多的水电水利工程都采用人工骨料。人工骨料的表面粗糙，多棱角，空隙率和比表面积较大（图1.1-11），所拌制的混凝土和易性较差，但碎石与水泥石胶结力较强，在水胶比相同的条件下，人工骨料混凝土比卵石混凝土强度高。

另外，按骨料是否具有潜在危害性碱活性，可分为活性骨料与非活性骨料；按密度大小，可分为普通骨料和轻骨料等。

2.不同骨料的技术性能

目前，大中型水电工程中采用的骨料一般是由料场机械加工的碎石和人工砂，骨料岩性包括灰岩、玄武岩和白云岩等品种，如贵州省沙沱水电站、构皮滩水电站、云南省观音岩水电站等使用的是灰岩骨料，四川省锦屏一级水电站使用的是砂岩骨料，贵州省象鼻岭水电站、四川省溪洛渡水电站、官地水电站等使用的是玄武岩骨料，西藏地区如美水电站使用的是英安岩骨料，而砂板岩骨料在四川省达维水电站、两河口水电站等工程中也得到应用。

（1）物理性能。对于水工混凝土来说，骨料的强度在很大程度上影响到混凝土的强度。骨料的强度取决于其矿物组成、结构致密性、质地均匀性、物化性能稳定性等。优质骨料是配制优质混凝土的重要条件。对于水工混凝土用骨料，表观密度、吸水率、强度均为重要的物理力学参数。表1.1-7中列出了工程应用中几种典型骨料品种的物理性能试验结果对比。

1）密度。在计算水工混凝土配合比时，一般采用饱和面干表观密度。骨料的表观密度取决于组成骨料矿物的密度及其孔隙率。从表1.1-7列出的不同岩性骨料的表观密度可以看出，玄武岩的表观密度最大，即同体积的玄武岩骨料混凝土最重。

2）抗压强度。骨料的抗压强度一般都要高于混凝土的设计抗压强度，这是因为骨料在混凝土中主要起骨架作用。在承受荷载时骨料的应力可能会大大超过混凝土的抗压强度。骨料的抗压强度不易通过直接测定单独的骨料抗压强度获得，而是采用间接的方法来评定。一种方法是测定岩石的压碎指标，另一种方法是在作为骨料的岩石上采样经加工成立方体或圆柱体试样，测定其抗压强度。用于混凝土骨料的原岩抗压强度试验结果见表1.1-8。从表可以看出，玄武岩原岩抗压强度最高。

在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力即骨料的坚固性，以硫酸钠溶液法5次循环后的质量损失率来表示。对于有抗冻、抗疲劳、抗冲耐磨要求或处于水中含有腐蚀介质并经常处于水位变化区的混凝土，环境条件和使用条件较恶劣，坚固性要求较严，细骨料和粗骨料质量损失率应分别不大于8%和5%。

3）吸水率。由于骨料中存在孔隙，在遇水的条件下会吸收水分。骨料吸水率是指骨料吸收水量占骨料质量的百分比，它是骨料主要的物理特性。吸水率取决于骨料孔隙结构的大小、颗粒形状和尺寸。测定骨料的吸水率，特别是饱和面干吸水率，不仅能够判断骨料的坚实性，也能控制混凝土用水量，从而保证混凝土的和易性、强度及耐久性。饱和面干状态意味着骨料在混凝土中既不带入水分，也不吸收水分，所以被水电水利工程广泛采用。

4）弹性模量。骨料弹性模量对混凝土弹性模量影响很大。骨料弹性模量高，相应混凝土弹性模量也高。各种原岩弹性模量试验结果列于表1.1-9中。

（2）碱骨料反应。骨料活性成分与水泥中的碱发生化学反应而膨胀的现象称碱骨料反应（AAR），反应类型可分为碱硅酸反应（ASR）与碱碳酸盐反应（ACR）两类。一般认为，ASR膨胀是由存在于骨料—浆体界面和骨料内部的碱—硅酸凝胶吸水膨胀引起的；而ACR膨胀是由反应生成的方解石和水镁石，在骨料内部受限空间结晶生长形成的结晶压力引起的。

混凝土工程发生碱骨料反应需要具有三个条件：首先是混凝土的原材料水泥、掺合料、外加剂和水中含碱量高，或混凝土处于碱渗入环境中；第二是有一定数量的碱活性骨料存在；第三是潮湿环境，可提供反应物吸水膨胀时所需的水分。

1）常见的碱活性岩石。常见的碱活性岩石列于表1.1-10。从表1.1-10可见，火成岩、沉积岩、变质岩三大类岩石都有碱活性岩石，如火成岩中有安山岩、花岗岩等；沉积岩中有凝灰岩、石英砂岩、硅质石灰岩、硅质白云岩；变质岩中有板岩、石英岩、片麻岩等。骨料中碱活性矿物包括隐晶—微晶石英、磷石英、方石英、应变石英、玉髓、蛋白石等。

2）骨料碱活性的检测方法。骨料碱活性检验方法主要有岩相法、砂浆棒快速法、砂浆长度法、岩石柱法及混凝土棱柱体法。其中，岩相法检测速度快，可直接观测到骨料中的活性成分，对碱—硅酸与碱—碳酸盐反应岩石均适用，是骨料碱活性检验的首选方法。砂浆长度法适用于碱骨料反应较快的碱—硅酸盐反应和碱—硅酸反应，不适用于碱—碳酸盐反应。砂浆棒快速法尤其适合于检验碱—硅酸反应缓慢或只在后期才产生膨胀的骨料。而岩石柱法适用于碳酸盐岩石的研究与料场初选，不可用于硅质骨料。混凝土棱柱体法用于评定混凝土试件的碱—硅酸反应与碱—碳酸盐反应，试验周期较长，需要一年。

骨料碱活性检测宜先采用岩相法进行骨料岩石类型和碱活性检测，确定岩石名称及骨料是否具有碱活性。岩相法检测结果为不含碱活性成分的非活性骨料，可不再进行其他项目检测。岩相法检测结果为碱—硅酸盐反应活性或可疑骨料应再采用砂浆棒快速法进行检测，岩相法检测结果为碱—碳酸盐反应活性骨料应再采用岩石柱法进行检测。在时间允许的情况下，可采用混凝土棱柱体法进行碱活性反应检测或验证。

3）抑制骨料碱活性的技术措施。经国内外各方试验研究结果证明，在有碱—硅酸反应活性骨料存在时，可采取以下措施，但对于碱—碳酸盐反应活性骨料，目前尚无抑制技术。

（a）采用低碱水泥。水泥碱含量不大于0.6%，f CaO含量不大于1.0%，MgO含量不大于5.0%（最好控制在2.5%以下），SO3含量不大于3.5%，水泥品种为硅酸盐水泥。

（b）控制混凝土中含碱量。由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，而且从掺合料、外加剂、水，甚至有时从骨料（例如海砂）中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。

（c）掺用掺合料。掺用一定量活性掺合料可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。试验研究表明，掺用25%～35%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰或掺用10%的硅灰对骨料碱活性反应有显著抑制作用。另外常用的抑制性掺合料还有高炉矿渣，但掺量必须大于50%才能有效抑制碱骨料反应对工程的损害。

近年来研究表明，石粉对骨料碱活性也有一定的抑制作用。在雅砻江中上游水电工程混凝土材料优选及应用研究中表明，单掺砂板岩石粉对碱骨料活性有一定的抑制效果，5%硅粉与20%砂板岩石粉双掺可抑制骨料的碱活性，且抑制效果优于单掺5%硅粉。

另外，掺合料的细度及颗粒分布与抑制ASR有关，比表面积越大，抑制效果越好。

3.不同骨料对混凝土性能的影响

（1）骨料对混凝土配合比的影响。优良的配合比是保证混凝土快速施工和质量的基础保证。同等的混凝土拌和物性能及强度等级，不同岩性骨料由于性质差别较大，混凝土配合比参数会略有不同。天然骨料河卵石颗粒表面光滑，近似于球形时，其空隙率和表面积较小，拌制混凝土的用水量较少，使混凝土的和易性较好。人工骨料碎石表面粗糙、多棱角，甚至扁平片状，表面积大，拌制混凝土用水量较多。

用石灰岩、花岗岩等岩石加工成的碎石一般粒形较好，而用玄武岩、砂板岩等岩石制成的碎石针片状颗粒多、粒形差。但是在工程建设中，往往出于运输距离及成本的考虑，会选择工程附近的加工粒形较差的岩石作为混凝土骨料。这时可通过掺用减水剂及调整减水剂配方，对混凝土配合比优化，来降低用水量。

几个大型水电工程项目中，不同岩性骨料混凝土配合比见表1.1-11。

由表1.1-11可知，灰岩与白云岩骨料混凝土水胶比及砂率相当，而玄武岩、砂板岩骨料混凝土的水胶比及砂率会略高，这与细骨料的细度模数、石粉含量、吸水率以及粗骨料的颗粒形状、级配及吸水率等品质指标有关。

骨料的颗粒形状和表面状态对混凝土用水量影响极大。拌和物的和易性、坍落度均会随针片状颗粒含量增加而降低。当水灰比及坍落度保持相同，随针片状的增加，水泥用量要增加2%～12%（表1.1-12）。这是由于在配合比及水泥用量相同的条件下，当针状、片状颗粒含量过多时，骨料的空隙率及比表面积增大，与水泥浆体的接触面增加，表面吸水量增加，摩擦阻力增大，不易流动，使得混凝土和易性降低。因此，必须适当增加水泥用量以保证混凝土的施工和易性。

此外，骨料中的石粉含量也会对混凝土拌和物和易性产生影响。细骨料中石粉颗粒虽然能够填充混凝土的微小空隙，但石粉含量偏高会导致混凝土单位用水量提高，胶凝材料总量增加以及混凝土干缩值偏大等问题的出现，因此需要通过冲洗人工砂的方式来降低石粉含量，使之达到合理的范围。

（2）骨料对混凝土力学性能的影响。对于水工混凝土来说，骨料的强度很大程度上影响到混凝土的强度。但是，骨料强度高，弹性模量必然也高，会导致混凝土的骨料界面拉应力增大，从而降低界面黏结强度，使混凝土强度有所下降，且变形性能也降低，不利于混凝土的抗裂性。因此，在保证混凝土的强度基本不变的情况下，降低混凝土的弹性模量，可提高混凝土的极限拉伸变形能力，而骨料弹性模量高低是决定混凝土弹性模量的主要因素，且混凝土配合比中所含骨料（特别是粗骨料）比例越大，混凝土的弹性模量就越高。从表1.1-13中可以看出，玄武岩人工骨料原岩弹性模量较高，该骨料混凝土28d弹性模量38.8GPa；而砂岩人工骨料弹性模量相对较低，该骨料混凝土28d弹性模量仅14.1GPa。

骨料的形貌等因素也会对混凝土强度产生影响。若骨料的针片状含量较高会导致混凝土强度降低。这是由于针片状石料本身强度低，混凝土受力后在其内部的薄弱点断裂；另一方面，在混凝土成型过程中，针片状颗粒的排列具有明显的导向性，多数在横向与圆石子形成简支梁的状态，易被折断，个别的针状颗粒又起着尖劈的作用，促使混凝土较早地出现裂缝而提前破坏。

此外，骨料矿物成分对混凝土强度也有影响。资料表明，骨料氧化硅含量高，所配制的混凝土可以明显改善浆体与骨料界面黏结强度。从表1.1-13可以看出，虽然砂岩骨料混凝土的强度和弹性模量不及灰岩骨料混凝土，但其极限拉伸值则高于灰岩骨料混凝土。从弹性模量、极限拉伸指标看，砂岩骨料混凝土的抗裂性要优于灰岩骨料混凝土的抗裂性，这一点可以从骨料与基体的界面反应机理得到解释。分析表明，在灰岩骨料与水泥结合过渡层上因生成片状的Ca（OH）2而造成强度的薄弱区，而砂岩骨料与水泥基质结合的过渡层上有较为致密的C-S-H凝胶，使得砂岩骨料混凝土有较高的界面强度。同时从物理黏结的角度来看，砂岩骨料表面粗糙，在与水泥浆体接触时，增加了接触摩擦力及实际接触面积，从而增大了黏附力；而灰岩骨料由于表面比较光滑、致密，使得灰岩与基质的机械咬合力较砂岩小，因而砂岩骨料混凝土具有更好的变形能力。

（3）骨料对混凝土干缩变形的影响。混凝土的干缩是由混凝土内水分变化而引起的，当混凝土在空气中硬化时，由于水分蒸发，水泥石凝胶体逐渐干燥收缩，使混凝土产生干缩。玄武岩混凝土的胶凝材料用量多，增加了混凝土的干缩率。同时，骨料的弹性性质确定了其对混凝土的限制作用。灰岩和白云岩均属于典型的沉积岩，结构较致密，自身不会产生收缩。而玄武岩是岩浆岩，属于喷出岩，虽然质地坚硬，但内部具有气孔结构，其自身会产生收缩，且有缓慢持续的吸水过程，使砂浆不断失去水分，从而增大混凝土的干燥收缩。因而，强度等级一定时，玄武岩混凝土的干缩率最大。此外，混凝土的干缩还受石粉含量的影响，随着石粉含量的增加，混凝土的干缩增加。

为保证大坝结构的体积稳定性，混凝土的干缩率不宜过大，因此，在选择骨料品种时，结构致密为好。不同骨料混凝土的干缩变形试验结果见表1.1-14。

（4）骨料对混凝土热物理性能的影响。混凝土的热物理性能参数值得关注，因为在浇筑后的早期，热物理参数不仅影响混凝土温度梯度、热应变、弯曲和裂缝等的发展，还会影响混凝土绝热温升。不同骨料混凝土的热物理性能参数试验结果见表1.1-15。

骨料品种不同，混凝土的热学性能参数也不同。混凝土的线膨胀系数越小，温度变形越小，产生的温度应力也越小，抗裂能力越高。混凝土的线膨胀系数主要取决于骨料的线膨胀系数。因此，采用线膨胀系数较小的骨料对降低混凝土的线膨胀系数，从而减小温度变形的作用也是十分显著的。一般而言，水泥净浆的线膨胀系数[（11×10-6～20×10-6）/℃]比骨料的线膨胀系数[（5×10-6～13×10-6）/℃]大，因此，骨料用量多的混凝土线膨胀系数一般较小。

混凝土的其他热物理参数同样受骨料品质与用量的影响。空气的导温系数及导热系数要低于混凝土本身，当混凝土的含气量相当时，玄武岩骨料内部的气孔稍多，因此玄武岩混凝土的导温系数及导热系数较低，且玄武岩混凝土的比热较大，这均不利于混凝土的热量传导。相反，灰岩等混凝土的热传导性较好，有利于大坝混凝土的体积稳定性。

1.1.3.4　外加剂

自20世纪70年代起，我国混凝土外加剂的科研、生产和应用已取得迅速的进展。2015年我国各品种混凝土外加剂产量见表1.1-16。

1.常见外加剂品种

（1）高效减水剂。高效减水剂是在混凝土工作性能大致相同时，具有较高减水率的一种外加剂，也是当前广泛使用的一种外加剂。高效减水剂的品种，以原料品种来分，主要分为以下几类：

1）以萘为原料的萘磺酸钠甲醛缩合物。

2）以三聚氰胺为原料的磺化三聚氰胺甲醛树脂。

3）以蒽油为原料的聚亚甲基蒽磺酸钠。

4）以甲基萘为原料的聚亚甲基萘磺酸钠。

5）以苯酚和对氨基苯磺酸钠为原料的氨基磺酸盐系高效减水剂。

6）以丙酮为原料的磺化酮醛缩合物高效减水剂。

高效减水剂2015年产量约为220万t，其中萘系减水剂占据约80%的比例，可见其在高效减水剂中的主导地位。

（2）高性能减水剂。以聚羧酸盐类为主要成分的高性能减水剂，由于它具有一定的引气性、较高效的减水率和良好的坍落度保持性能，生产过程无污染，是环保型的外加剂。国外20世纪90年代开始使用，日本现在的使用量占高效减水剂的60%～70%，欧美约占50%。我国从20世纪末开始研究和应用，目前国内有很多企业可以生产该类产品，且生产能力都比较大。

2015年，聚羧酸盐系减水剂在我国的年产量已达约621.95万t，若以高性能减水剂和高效减水剂两者总产量来说，高性能减水剂约占73%，市场份额占比大，发展非常迅速。

（3）膨胀剂。膨胀剂的主要特性是掺入混凝土后起抗裂、防渗作用，它的膨胀性能可补偿混凝土硬化过程中的收缩，在限制条件下成为自应力混凝土。我国生产的膨胀剂主要品种如下：

1）U形膨胀剂（由生、熟明矾石、硬石膏等组成）。

2）复合膨胀剂（CEA）。

3）铝酸钙膨胀剂（AEA-高强熟料、天然明矾石、石膏）。

4）EA-L膨胀剂（由生明矾石、石膏等组成）。

5）FN-M膨胀剂（硫铝酸盐混凝土膨胀剂）。

6）CSA微膨胀剂（硫铝酸盐等）。

7）脂膜石灰膨胀剂（石灰、硬脂酸等）。

2015年，膨胀剂年产量约为180万t，生产企业有70余家，但多数是小型企业，少数企业年产量能达到10万t以上。

（4）引气剂。引气剂是一种在搅拌时具有在砂浆和混凝土中引入大量均匀分布的封闭微小气泡，而且在硬化后能保留在其中的一种外加剂。引气减水剂是兼有引气和减水两种功能的外加剂，引气剂和引气减水剂主要用来改善塑性砂浆和混凝土和易性，减少泌水和离析，同时大幅度提高砂浆和混凝土耐久性。提高混凝土的安全使用寿命，也是当前土木工程界关注的重点问题之一。随着国内对混凝土耐久性的重视，尤其是当前高海拔地区的水电水利工程大体积混凝土，对抗冻性能要求尤为重视，引气剂应用也日益增加。目前国内应用量较多的引气剂是松香热聚物和皂苷类引气剂，这两种引气剂由于良好的引气性能受到重视，在工程中逐步获得较广泛的应用。

2.水电工程常用减水剂发展趋势

（1）萘系减水剂。合成萘磺酸和萘磺酸盐缩合物已经建立了稳定的工艺，这种工艺已不再是专利，这样就能广泛地提供制造方法。

就不同应用的广泛适用性（即水泥和混合水泥混凝土工艺的种类）以及与其他外加剂的适应性（引气剂），萘系高效减水剂在各种不同条件下已取得长期成功应用的效益。

在具体工程应用时，特别是超量使用而言，萘系减水剂也显示比目前的聚羧酸盐系减水剂有更多的可预测性能。

在硬化水泥浆体中的高效减水剂，不能对环境有重大的危害，明显的理由：一方面是根据危害性最小的原则选择聚合物；另一方面是注意到制备萘系高效减水剂的大部分化学原料是从工业副产品提取的，萘是从煤焦油或石油蒸馏物制得的，硫酸是由硫铁矿烟气燃烧或加工获得的，因此，大部分萘系产品消耗的是工业副产品，这与目前节约资源、促进混合水泥的发展、减少环境影响的趋势非常一致。

相对于目前有关新合成的聚合物，萘系减水剂显示了某些不足，特别是坍落度保留值和掺量-性能曲线。为了满足其符合更多标准规范应用要求，借助共聚方法，可以使其继续优化，今后可能有部分萘系减水剂被其他相似的化学制品所替代。

（2）聚羧酸系高性能减水剂。聚羧酸系高性能减水剂具有“梳状”的特点，由带游离的羧酸阴离子团的主链和聚氧乙烯基侧链组成，用于改变单体的种类、比例和反应条件，可生产具有各种不同特性和性能的聚羧酸盐超塑化剂。由于其结构的特点，从聚羧酸盐超塑化剂正常掺量为水泥质量的0.2%和坍落度保持性能两方面来说，比第一代超塑化剂更为有效。目前为满足一些特殊工程的要求，已开发一些具有特定功能的聚羧酸盐系超塑化剂。

1）为了保持工作性能而研制的新型聚羧酸盐高性能减水剂：延长混凝土工作性能的超塑化剂、低坍落度损失的聚羧酸盐高性能减水剂、含有坍落度控制的新型聚羧酸盐高性能减水剂。

2）合成具有减缩功能的新型聚羧酸盐高性能减水剂。

3）低黏度型超塑化剂。

由于各种化学外加剂赋予混凝土新的功能，所以化学外加剂对混凝土来说是一种必需的，甚至不可缺少的材料。当考虑降低建设投资和提高经济效益时，就必须使混凝土有好的耐久性。对于这种具有高耐久性的混凝土来说，聚羧酸系高性能减水剂的使用是必需的。另外，在水泥生产方面，由于节能减排的要求，大量利用各种工业副产品和废料，我国复合水泥的产量将会大幅增加，使水泥和外加剂之间的适应性问题更加复杂。可以通过合成多种聚羧酸盐系产品以及对聚羧酸盐的复合技术来应对适应性问题的挑战。

聚羧酸盐系高性能减水剂的出现和推广应用可以说是外加剂发展史上的重要飞跃，也是对其他外加剂生存的挑战。它发展速度很快，性能上又有许多优点，是不是萘系高效减水剂就会很快被取代而不复存在呢？对于此，从我国外加剂的发展史可以明确的回答这一问题。我国外加剂较大规模地应用于20世纪70年代，当时同时出现了萘系高效减水剂和密胺系高效减水剂，这两种高效减水剂在其各自最佳掺量时，在混凝土中的性能基本上是相同的，但是从2015年的产量统计表中可见，两者差距非常大。究其原因，萘系高效减水剂与密胺高效减水剂相比，前者的价格长期低于后者，且性价比高，所以萘系高效减水剂得到较快的增长。纵观各种外加剂的发展，制约因素主要是：性能好坏和性价比高低，这两个因素决定了外加剂的生产规模。因此，在应用上由于萘系高效减水剂和聚羧酸系高性能减水剂都有自己的特点和特性，所以将在相当长的时期共存发展，并在共存发展中不断地完善和提高其性能。

1.1.4　混凝土配合比

1.1.4.1　混凝土性能的影响因素

混凝土主要划分为两个阶段与状态：凝结硬化前的塑性状态，即新拌混凝土或混凝土拌和物；硬化之后的坚硬状态，即硬化混凝土或混凝土。

硬化后的混凝土在未受到外力作用之前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力，从而导致界面上形成了许多微细的裂缝。另外，还因为混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止，因而聚集于粗骨料的下缘，混凝土硬化后就成为界面裂缝。当混凝土受力时，这些预存的界面裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来，形成可见的裂缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破坏。强度试验也证实，正常配比的混凝土破坏主要来自骨料与水泥石的界面发生破坏。所以，混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与骨料的黏结强度。而黏结强度又与水泥强度等级、水灰比及骨料的性质有密切关系，此外混凝土的强度还受施工质量、养护条件及龄期的影响。

1.水泥强度等级与水灰比对混凝土的影响

水泥强度等级和水灰比是决定混凝土强度最主要的因素，也是决定性因素。在水灰比不变时，水泥强度等级愈高，则硬化水泥石的强度愈大，对骨料的胶结力就愈强，配制成的混凝土强度也就愈高。在水泥强度等级相同的条件下，混凝土的强度主要取决于水灰比。因从理论上讲，水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥质的23%左右，但在拌制混凝土拌和物时，为了获得施工所需要的流动性，常需多加一些水，如常用的塑性混凝土，其水灰比均为0.4～0.8。当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或通道，大大减小了混凝土抵抗荷载的有效断面，而且可能在孔隙周围引起应力集中。因此，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料黏结力愈大，混凝土强度也愈高。但是，如果水灰比过小，拌和物过于干稠，在一定的施工振捣条件下，混凝土不能被振捣密实，出现较多的蜂窝、孔洞，反将导致混凝土强度严重下降。

2.骨料对混凝土的影响

当骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了坚强密实的骨架，有利于混凝土强度的提高。如果混凝土骨料中有害杂质较多，品质低，级配不好时，会降低混凝土的强度。

由于碎石表面粗糙有棱角，提高了骨料与水泥砂浆之间机械啮合力和黏结力，所以在原材料坍落度相同的条件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石的强度要高。

骨料的强度影响混凝土的强度，一般骨料强度越高，所配制的混凝土强度越高，这在低水灰比和配制高强度混凝土时特别明显。骨料粒形以三维长度相等或相近的球形或立方体形为好，若含有较多扁平或细长颗粒，会增加混凝土的空隙率，扩大混凝土中骨料的表面积，增加混凝土的薄弱环节，导致混凝土强度下降。

3.养护温度及湿度对混凝土的影响

混凝土强度是一个渐进发展的过程，其发展的程度和速度取决于水泥的水化状况，而温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因素。因此。混凝土成型后，必须在一定时间内保持适当的温度和湿度，以使水泥充分水化，这就是混凝土的养护。养护温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度的发展也快；反之，在低温下混凝土强度发展迟缓。当温度降至冰点以下时，则由于混凝土中的水分大部分结冰，不但水泥停止水化，强度停止发展，而且由于混凝土孔隙中的水结冰，产生体积膨胀（约9%），而对孔壁产生相当大的压应力（可达100MPa），从而使硬化中的混凝土结构遭到破坏，导致混凝土已获得的强度受到损失。同时，混凝土早期强度低，更容易冻坏。

因为水是水泥水化反应的必要条件，只有周围环境湿度适当，水泥水化反应才能不断地顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，会严重降低混凝土强度。水泥水化不充分，还会促使混凝土结构疏松，形成干缩裂缝，增大渗水性，从而影响混凝土的耐久性。为此，施工规范规定，在混凝土浇筑完毕后，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发。在夏季施工的混凝土，要特别注意浇水保湿。使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥时，浇水保湿应不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中掺用缓凝型外加剂或混凝土有抗渗要求时，保湿养护应不少于14d。

1.1.4.2　填充包裹理论

混凝土是一种由水泥、砂石骨料、水及其他外加材料按一定比例均匀拌和，经一定时间硬化而形成的人造石材。在混凝土中，砂石起骨架作用称为骨料，水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌和物一定的和易性，便于施工。水泥浆硬化后，则将骨料胶结成一个坚实的整体。

混凝土配合比是指混凝土的各组成材料数量之间的质量比例关系。确定比例关系的过程叫配合比设计。混凝土配合比应根据原材料性能及对混凝土的技术要求进行计算，并经试验室试配、调整后确定。普通混凝土的组成材料主要包括水泥、粗骨料、细骨料和水，随着混凝土技术的发展，外加剂和掺合料的应用日益普遍，因此，其掺量也是配合比设计时需选定的。

混凝土配合比常用的表示方法有两种：一种以1m3混凝土中各项材料的质量表示，混凝土中的水泥、水、粗集料、细集料的实际用量按顺序表达，如水泥300kg、水180kg、砂750kg、石子1200kg等；另一种是以水泥、水、砂、石之间的相对质量比及水灰比表达，如前例可表示为1：0.6：2.5：4。我国目前采用的是质量比。

混凝土配合比设计方法采用填充包裹理论。这种配合比设计方法主要基于：①砂的孔隙被水泥（及粉煤灰）浆所填裹形成砂浆；②粗骨料的孔隙被砂浆所填裹形成混凝土。由于考虑到水泥浆与砂浆将分别包裹粗、细骨料和施工中碾压混凝土的层面结合及运输、摊铺过程中混凝土抗分离能力，设计的灰浆量和砂浆量都必须留有较大的余度。

1.1.4.3　配合比设计方法

1.基本要求

混凝土配合比设计的任务，就是根据原材料的技术性能及施工条件，确定出能满足工程所要求的技术经济指标的各项组成材料的用量。其基本要求如下：

（1）达到混凝土结构设计要求的强度等级。

（2）满足混凝土施工所要求的和易性要求。

（3）满足工程所处环境和使用条件对混凝土耐久性的要求。

（4）符合经济原则，节约水泥，降低成本。

2.设计方法

基于填充包裹理论设计混凝土配合比时，有两种方法：一种是绝对体积法；一种是质量法。水工混凝土上一般以绝对体积法计算混凝土配合比。

（1）绝对体积法。其基本原理是假定刚浇捣完毕的混凝土拌和物的体积，等于其各组成材料的绝对体积及其所含少量空气体积之和。在1m3混凝土中，分别以W、C、F、S、G代表混凝土配合比中的水、水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料，各种材料用量以kg/m3计；以a代表混凝土中的含气量，VS、VG代表细骨料、粗骨料的绝对体积（m3）；ρC、ρF、ρS、ρG代表水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料密度，以kg/m3计，可以列出：

（2）质量法。质量法又称为假定表观密度法，其基本原理是如果原材料情况比较稳定，假定普通混凝土拌和物表观密度（ρoc）接近一个恒值。对于1m3混凝土拌和物按下式计算：

ρoc可根据积累的试验资料确定，在无资料时可根据资料的表观密度、粒径以及混凝土强度等级，在2400～2500kg/m3的范围内选取。

3.设计步骤

混凝土的配合比设计是一个计算、试配、调整的复杂过程，大致可分为初步计算配合比、基准配合比、试验室配合比、施工配合比设计4个设计阶段。首先按照已选择的原材料性能及对混凝土的技术要求进行初步计算，得出“初步计算配合比”。基准配合比是在初步计算配合比的基础上，通过试配、检测、进行工作性的调整、修正得到。试验室配合比是通过对水灰比的微量调整，在满足设计强度的前提下，进一步调整配合比以确定水泥用量最小的方案。而施工配合比需考虑砂、石的实际含水率对配合比的影响，对配合比做最后的修正，是实际应用的配合比。配合比设计的过程是逐一满足混凝土的强度、工作性、耐久性、节约水泥等要求的过程。

（1）混凝土配合比设计的基本资料。在进行混凝土的配合比设计前，需确定和了解的基本资料。即设计的前提条件，主要有以下几个方面：

1）混凝土设计强度等级和强度的标准差。

2）材料的基本情况：包括水泥品种、强度等级、实际强度、密度；砂的种类、表观密度、细度模数、含水率；石子种类、表观密度、含水率；是否掺外加剂，外加剂种类。

3）混凝土的工作性要求，如坍落度指标。

4）与耐久性有关的环境条件，如冻融状况、地下水情况等。

5）工程特点及施工工艺，如构件几何尺寸、钢筋的疏密、浇筑振捣的方法等。

（2）混凝土配合比参数的确定。混凝土的配合比设计，实质上就是确定单位体积混凝土拌和物中的水、水泥、粗骨料（石子）、细骨料（砂）这4项组成材料之间的3个参数，即水灰比、砂率、单位用水量。在配合比设计中能正确确定这三个基本参数，就能使混凝土满足配合比设计的基本要求。

确定这3个参数的基本原则是；在混凝土的强度和耐久性的基础上，确定水灰比。在满足混凝土施工要求和易性要求的基础上确定混凝土的单位用水量；砂的数量应以填充石子空隙后略有富余为原则。

具体确定水灰比时，从强度角度看，水灰比应小些；从耐久性角度看，水灰比小些，水泥用量多些，混凝土的密度就高，耐久性则优良，这可通过控制最大水灰比和最小水泥用量的来满足。由强度和耐久性分别决定的水灰比往往是不同的，此时应取较小值。但当强度和耐久性都已满足的前提下，水灰比应取较大值，以获得较高的流动性。

确定砂率主要应从满足工作性和节约水泥两个方面考虑。在水灰比和水泥用量（即水泥浆用量）不变的前提下，砂率应取坍落度最大而黏聚性和保水性又好的砂率即合理砂率，可由试验初步决定，经试拌调整而定。在工作性满足的情况下，砂率尽可能取小值以达到节约水泥的目的。

单位用水量是在水灰比和水泥用量不变的情况下，实际反映水泥浆量与骨料间的比例关系。水泥浆量要满足包裹粗、细骨料表面并保持足够流动性的要求，但用水量过大，会降低混凝土的耐久性。用水量根据粗骨料的品种、粒径、单位用水量通过试验确定。

在确定配合比各参数时，必须分析以下几个重要的参数，然后按绝对体积法计算各种材料用量。

1）确定F/（C＋F）（粉煤灰掺量）。在常态或碾压混凝土中，掺用大量的粉煤灰不仅可以节约水泥，降低成本，改善混凝土的某些性能，而且可以大幅度地降低水化热温升，简化温控措施，优点较多，但需根据水泥品种、强度等级、粉煤灰的品质、工程使用部位及要求等选用适当值。

2）确定W/（C＋F）（水胶比）。混凝土的W/（C＋F）直接影响混凝土施工性能和力学性能。在胶凝材料总量一定的情况下，用水量增加，W/（C＋F）增大，拌和物的Vc值减少，而强度及耐久性降低。若固定水泥用量不变，采用较大的F/（C＋F），使W/（C＋F）降低，则有利于混凝土中粉煤灰活性的发挥，混凝土强度和耐久性提高。在达到相同的耐久性要求的条件下，可获得较好的经济效益。

3）确定W（用水量）。W的大小是影响混凝土拌和物坍落度或Vc值的重要因素，也是影响混凝土密实度的重要因素。随着W的增大，坍落度增大或Vc值减小，在一定的振动能量条件下，混凝土的密实度提高。但W过分增大，不仅会造成坍落度过大或Vc值过小，无法振捣或碾压施工，而且会造成胶凝材料用量的增加。因此，确定W的原则是：坍落度或Vc值既能保证混凝土振捣或碾压密实，又能满足施工要求的条件下取最小值。用水量W与外加剂品种及掺量关系密切，同时用水量还与骨料的品种、级配及砂率的大小有关，必须通过试拌确定。

4）确定S/（S＋G）（砂率）。S/（S＋G）的大小直接影响混凝土的施工性能、强度及耐久性。以碾压混凝土为例，砂率过大会导致灰浆不足、拌和物干涩，因而Vc值大，混凝土难于碾压密实，相应强度低，耐久性差；砂率过小，则砂浆不足以填充粗骨料的空隙，也不能包裹粗骨料颗粒，其拌和物Vc值也大，混凝土密实度低，强度及耐久性降低。因此，在确定混凝土配合比时，必须选用最优砂率。也就是在混凝土拌和物具有良好的抗离析性并达到施工要求的Vc值时，胶凝材料用量较小、混凝土密度较大的砂率。最优砂率由骨料最大粒径、砂子级配、细度模数等综合因素决定。