第五章 第五章 水泥 水泥混凝土混凝土CONCRETECONCRETE

Part 4Part 4

第四节 混凝土外加剂第四节 混凝土外加剂• 混凝土的第五组分

• 定义：在拌制混凝土过程中掺入的不超过水泥重量的 5%（特殊情况除外），且能使混凝土按需要改变性质的物质，称为混凝土外加剂。

混凝土外加剂的分类混凝土外加剂的分类

• 按化学成分可分成三类：（１）无机化合物，多为电解质盐类； （２）有机化合物，多为表面活性剂；（３）有机无机复合物。

• 按功能分为四类：（ｌ）改善混凝土拌合物流变性能；（２）调节混凝土凝结时间，硬化性能；（３）改善混凝土耐久性能；

（４）改善混凝土其他性能。

一、一、混凝土外加剂的物理化学基础混凝土外加剂的物理化学基础1. 有机化合物：多为各种表面活性剂。• 表面活性剂分子结构

– 亲水基团：以羟基、羧酸盐基、磺酸盐基及胺基为代表的原子团，易溶于水，极性。对水等极性分子具有较强的亲和力。

– 憎水基团：以脂肪烃及芳香烃等为代表的原子团，难溶于水，非极性。对空气、油等非极性分子具有较强的亲和力。

• 当分子中亲水基团的亲水性较强而憎水基团的憎水性较弱时，表面活性剂呈亲水性的，反之呈憎水性的。

分类：分类：• 按离子类型分类，分为离子型和非离子型。• 　　其中离子型分为三种：

– 阴离子型– 阳离子型– 两性离子型

对水泥混凝土的作用对水泥混凝土的作用：：• 表面活性剂主要起物理化学作用，改变水

泥浆体的物理化学性质。• 根据表面活性剂的不同，可起到 :

– 分散 ;– 稳定 ;– 引气 ;– 调凝等多种作用。

2.2. 无机化合物无机化合物

• 加气剂：铝粉• 早强剂：氯化钙、氯化钠、硫酸钠等；• 速凝剂：铝酸钠、硅酸钠、碳酸钠等；• 缓凝剂：氧化锌、硼砂、氟硅酸钠等。

二、减水剂二、减水剂

•指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌和用水量的外加剂。多为亲水性表面活性剂。

（一）减水剂的作用机理及作用效果（一）减水剂的作用机理及作用效果• 作用机理：

– 分散作用分散作用– 引气作用引气作用– 润湿作用润湿作用

作用效果作用效果：：• 根据使用条件的不同，混凝土掺用减水剂

后可以产生以下三方面的效果：– 在配合比不变的条件下，可增大混凝土拌和物在配合比不变的条件下，可增大混凝土拌和物

的流动性，且不致降低混凝土的强度。的流动性，且不致降低混凝土的强度。– 在保持流动性及水灰比不变的条件下，可以减在保持流动性及水灰比不变的条件下，可以减

少用水量及水泥用量，以节约水泥。少用水量及水泥用量，以节约水泥。– 在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可以在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可以

减少用水量，从而降低水灰比，使混凝土的强减少用水量，从而降低水灰比，使混凝土的强度与耐久性得到提高。度与耐久性得到提高。

(( 二）常用的减水剂二）常用的减水剂

1. 木质素系减水剂2. 萘系减水剂3. 树脂系减水剂4. 糖蜜系减水剂5. 复合减水剂

1. 1. 木质素系减水剂木质素系减水剂• 有木质素磺酸钙（木钙或 M剂）、碱木素及

纸浆废液塑化剂等。• 以木钙为例：

– 简称Ｍ剂 , 由生产纸浆或纤维浆的废液，经发酵提取酒精后的残渣，再经磺化、石灰中和、过滤喷雾干燥而成。

• 主要成分木质素磺酸钙 60%以上。含糖率低于 12%， pH值为 4~6。

MM 剂的特性剂的特性：：• 掺量 0.2% ～ 0.3% ，减水率 10% 左右，

混凝土 28 天抗压强度提高 10% ～ 20% 。在保持混凝土强度和坍落度不变的情况下，可节约水泥 8% ～ 10% 。

• 有缓凝作用，并可减少水泥水化放热的速率。

• 价格低廉，用途广泛。

22. 萘系减水剂

• 萘系减水剂为高效减水剂，• 以煤焦油中分馏出的萘及萘的同系物为原料，

经磺化、水解、缩聚、中和而得。• 有 NF 、 NNO 、 FDN 、 MF 、 ZB-1 等等。

萘系减水剂的特性萘系减水剂的特性：：• 掺量较小，适宜掺量为 0.5%~1.5% ，多为 0.5% ～0.75% 。

• 减水率 15% ～ 20% 以上，混凝土 28天抗压强度提高 20% 以上。

• 有早强作用。• 掺入非引气型高效减水剂，可将混凝土的水灰比降至 0.25 ～ 0.35 ，可配制高强混凝土。

• 可配制大流动性混凝土和泵送混凝土。• 可与早强剂、缓凝剂或引气剂复合使用。

3.3. 树脂系减水剂树脂系减水剂 水溶性树脂，主要为磺化三聚氰胺甲醛树脂减水

剂，简称密胺树脂减水剂。

由三聚氰胺、甲醛、亚硫酸钠按适当比例、在一定条件下经磺化、缩聚而成，为阴离子表面活性剂。

我国产品有ＳＭ树脂减水剂 ，为非引气型早强高效减水剂，其各项功能与效果均比萘系减水剂还好。

树脂系减水剂特性：树脂系减水剂特性：• ＳＭ适宜掺量为 0 ． 5 ％～２ . ０％，减水率达

２０％～２７％。

• 对混凝土早强与增强效果显著，能使混凝土 1d 强度提高一倍以上，７ｄ强度即可达空白混凝土２８ d 的强度，长期强度亦明显提高，并可提高混凝土的抗渗、抗冻性能及弹性模量。

4.4. 糖蜜类减水剂糖蜜类减水剂

• 糖渣或废蜜为原料，用石灰中和所得的盐类物质。属非离子型亲水性表面活性剂。

• 主要产品有：糖蜜塑化剂、甜菜糖渣减水剂及糖蜜酒精糟减水剂。

糖蜜系减水剂的特性糖蜜系减水剂的特性：：• 掺量 0.2% ～ 0.3% ，减水率 6% ～ 8% ，混

凝土 28 天抗压强度提高 10% ～ 15% 。• 有显著的缓凝作用。• 可改善混凝土的粘聚性，降低水化热以及提高

混凝土抗渗性、抗冻性及抗冲磨性等。• 适用于大体积混凝土工程及夏季混凝土施工。

5.5. 复合减水剂复合减水剂• 可与引气剂、早强剂或消泡剂复合，不同

减水剂也可复合，可获得两种外加剂的双重效果。

减水剂的使用减水剂的使用• 掺加方法：

– 同掺法– 后掺法– 滞水掺入法

• 坍落度损失：混凝土拌和物的流动性一般随停放时间的延长而降低。

三、缓凝剂三、缓凝剂• 品种：1.多羟基碳水化合物类：木质素系、糖钙类2.羟基羧酸及其盐类：酒石酸、柠檬酸、酒石酸钾钠3.无机盐类：磷酸钠、硼砂

• 作用机理不同的品种，机理不同，主要以下列三种方式：1.影响水泥矿物成分的水化速度；2.影响水泥水化产物与硫酸盐（石膏）相互作用速度；3.影响水泥水化产物的生成速度或水化产物的粘结和结

晶特性。

常用缓凝剂常用缓凝剂• 木钙• 糖蜜• 柠檬酸• 酒石酸• 酒石酸钠等

四、引气剂四、引气剂• 引气剂是指在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀

分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。

• 引气剂也是表面活性剂，其憎水基团朝向气泡，亲水基团吸附一层水膜，由于引气剂离子对液膜的保护作用，使气泡不易破裂。

• 引入的这些微小气泡（直径为 20~1000μｍ）在拌合物中均匀分布，明显地改善混合料的和易性，提高混凝土的耐久性（抗冻性和抗渗性），使混凝土的强度和弹性模量有所降低。

引气剂引气剂•品种：

– 松香热聚物、松脂皂及 801 引气剂等。 – （品牌有 DH9、 PC-2 、 H10 、 AEA等）

• 作用机理：– 降低界面张力，引气，稳定泡膜。

• 作用效果：– 改善混凝土拌和物的和易性；– 提高混凝土的耐久性（抗冻性、抗渗性、抗裂

性）– 强度和耐磨性下降。

五、早强剂五、早强剂• 能加速混凝土早期强度发展的外加剂，多

用于冬季施工或紧急抢修工程。

• 常用的早强剂有：氯盐类、硫酸盐类、有机胺类等。

（１）氯盐类早强剂（１）氯盐类早强剂• 氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、

氯化铝及三氯化铁等，其中以氯化钙应用最广。

• 氯化钙的早强作用主要是因为它能与Ｃ 3Ａ和Ｃ a（ＯＨ） 2 反应，生成不溶性复盐水化氯铝酸钙和氧氯酸钙，增加水泥浆体中固相比例，提高早期强度；同时液相中Ｃａ（ＯＨ） 2浓度降低，也使 Ｃ 3Ｓ、 C2S 加速水化，使早期强度提高。

• 适宜掺量为１％～２％。• 早强效果显著，能使混凝土３ｄ强度提高 ５０％～１００％，７ｄ强度提高２０% ～４０％。

• 氯化钙早强剂因其能产生氯离子，易促使钢筋产生锈蚀，故施工中必须严格控制掺量。

•我国规范中规定：在钢筋混凝土中氯化钙的掺量不得超过水泥质量的 １％；在无筋混凝土中掺量不得超过３％。

（２）硫酸盐类（２）硫酸盐类（硫酸钠、硫酸钙、硫代硫酸钠）（硫酸钠、硫酸钙、硫代硫酸钠）

• 硫酸盐的早强作用主要是与水泥的水化产物Ｃ a（ＯＨ） 2 反应，生成高分散性的化学石膏，它与Ｃ３Ａ的化学反应比外掺石膏的作用快得多，能迅速生成水化硫铝酸钙，增加固相体积，提高早期结构的密实度，同时也会加快水泥的水化速度，因而提高混凝土的早期强度。

• 硫酸钠的适宜掺量为０．５％～２％，常以复合使用效果更佳。

• 使用时应防止引起碱集料反应。

• （３）有机胺类（三乙醇胺，三乙丙醇胺） 三乙醇胺是一种非离子型表面活性剂，它不改变水化生成物，但能在水泥的水化过程中起着“催化作用”，与其他早强剂复合效果更好。

•（４）其它：如甲酸盐等 有些减水剂具有早强效果。也有些早强减水剂是由早强剂和减水剂复合而成。

六、速凝剂六、速凝剂

• 能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。多用于喷射混凝土及紧急抢修工程。

• 主要产品：红星一型、 711型、 782型及ZC-2等。

• 主要成分：铝氧熟料（烧结铝酸钠）

七、其它外加剂七、其它外加剂

• 复合外加剂• 防冻剂• 膨胀剂

第五节 混凝土的掺合料第五节 混凝土的掺合料 • 为了节约水泥、改善混凝土的性能，在混

凝土拌制时掺入的掺量大于水泥质量 5%的矿物质粉末，称为混凝土掺合料。

一、粉煤灰一、粉煤灰• 从煤粉炉排出的烟气中收集的颗粒粉末。• 按排放方式不同：

–湿排灰–干排灰：静电收尘灰、机械收尘灰

• 再加工：磨细灰、风选灰

（一）（一）质量要求质量要求• 化学成分：

– SiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 CaO、MgO、 SO3

• 矿物组成：铝硅玻璃体。• 结构：

–玻璃微珠（实心、空心）– 多孔玻璃体–玻璃碎屑– 结晶体–碳粒

• 一般混凝土对粉煤灰的品质指标要求 :– 烧失量 ;– 细度 ;– ＳＯ 3 含量

– 需水量比等。

• 按（ＧＢ１５９６—９１）规定，用于混凝土中的粉煤灰分为 I、 II、 III三个等级，其相应的技术要求列于 P87表 5-10 。

GB1596-91GB1596-91 《用于水泥混凝土中的粉煤灰》，《用于水泥混凝土中的粉煤灰》，用作掺合料的粉煤灰成品分为三个等级用作掺合料的粉煤灰成品分为三个等级：：

粉煤灰级别 序号 指标

I I I I I I

1 细度[0.045mm方孔筛筛余（%），不大于 12 20 45

2 烧失量（%），不大于 5 8 15

3 需水量比（%），不大于 95 105 115

4 三氧化硫（%），不大于 3 3 3

5 含水量（%），不大于 1 1 不规定

粉煤灰效应粉煤灰效应•粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，在混凝土中可产生三种效应，总称为“粉煤灰效应”。

•（１）活性效应。

• （２）颗粒形态效应• （３）微骨料效应

粉煤灰对混凝土性能的改善作用粉煤灰对混凝土性能的改善作用（ 1 ）改善混凝土的和易性；（ 2 ）能提高混凝土的强度，特别是后期强度；（ 3 ）降低单位体积混凝土内的水化热；（ 4 ）能减少混凝土的收缩，主要是减少干燥收

缩；（ 5 ）显著改善混凝土的耐久性，特别是改善混

凝土的抗渗性、抗腐蚀性，抑止混凝土的碱一集料反应。

掺用方法掺用方法

• 等量取代水泥法• 粉煤灰代砂法• 超量取代水泥法• 双掺技术

二、硅粉二、硅粉• 从冶炼硅铁及其他硅金属工厂的废烟气中回收的副产品，其主要成分为无定形二氧化硅。

• 特点：– 细（ 0.1 ～ 1微米、比表面积 20000 ～ 25000m2/kg ）– 活性高。

• 作用效果：– 改善混凝土拌和物的和易性。– 配制高强混凝土。– 改善混凝土的孔隙结构。

三、粒化高炉矿渣粉三、粒化高炉矿渣粉•粒化高炉矿渣粉（简称矿渣粉）是指符合 G

B/T 203标准规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）达到相当细度且符合相应活性指数的粉体。

• 按 28d 活性指数分为三个级别。

• 矿渣各龄期的活性指数按下式计算，计算结果取整数。 A7＝ R7/R07×100式中 A7 ——7d 活性指数，％； R07 ——对比样品 7d 抗压强度， MPa ； R7 ——试验样品 7d 抗压强度， MPa 。 A28=R28/R028×100式中 A28 ——28d 活性指数，％； R028 ——对比样品 28d 抗压强度， MPa ；

R28 ——试验样品 28d 抗压强度， MPa 。

级别 项目

S105 S95 S75

密度，g/cm3 不小于 2.8

比表面积，m2/kg 不小于 350

7d 95 75 551) 活性指数，％

不小于 28d 105 95 75

流动度比，％ 不小于 85 90 95

含水量，％ 不大于 1.0

三氧化硫，％ 不大于 4.0

氯离子 2)，％ 不大于 0.02

烧失量 2)，％ 不大于 3.0

1） 可根据用户要求协商提高。

2） 选择性指标。当用户有要求时，供货方应提供矿渣粉的氯离子和烧失量数据。

用途：用途：• 粒化高炉矿渣粉可以等量取代水泥，并降低水化

热、提高抗渗性和耐蚀性、抑制碱骨料反应和提高长期强度等，可用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土工程。

• 大掺量粒化高炉矿潭粉混凝土特别适用于大体积混凝土、地下和水下混凝土、耐硫酸混凝土等。

• 超细矿渣可用于高强混凝土、高性能混凝土等。

超细矿渣超细矿渣• 超细粉磨的粒化高炉矿渣，具有高活性合高表

面能。• 作用：替代硅灰配制高强及超高强混凝土。• 作用效果：

– 配制高强及超高强混凝土；– 配制的混凝土干缩小，抗冻、抗渗性能高，耐久性

改善；– 和易性改善，可配制出大流动性切不离析的泵送混

凝土。– 成本低，经济效益明显。

五、其他掺和料五、其他掺和料• 天然火山灰质材料合某些工业副产品。• 品种：

–火山灰；– 凝灰岩；–钢渣；– 凝矿渣等。

补充补充 11 ：掺减水剂的混凝土配合比设：掺减水剂的混凝土配合比设计计

• 原则：以未掺减水剂的基准混凝土为基础调整。

1. 以提高混凝土拌和物的流动性为主要目的时的配合比设计– 可适当调整砂率，保持粗细骨料总用量不变。

2.2. 节约水泥为主要目的的配合比设计节约水泥为主要目的的配合比设计

%

)1)((

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%)1(

'

'''

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''''

''

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bC

SGSG

SGSS

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WWC

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P

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减水剂用量

3.3. 以提高混凝土强度及耐久性为主要目的的以提高混凝土强度及耐久性为主要目的的配合比设计配合比设计

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CC

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P

P

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减水剂用量

适当降低砂率为

补充补充 2:2: 粉煤灰混凝土配合比设计 粉煤灰混凝土配合比设计 • 1.第四个参数：

– 粉煤灰掺量（ % ） =

• 2. 原则：– 当混凝土的技术要求主要是 28d 强度及施工和

易性时，以基准配合比为基础，按超量取代法进行。

%100粉煤灰质量水泥质量

粉煤灰质量

方法步骤方法步骤 11 ：：（1） 按设计要求得到普通混凝土的配合比作为基准配合比；

（2） 确定粉煤灰取代水泥率 C ；

（3） 计算每立方混凝土水泥用量；

）CCC 1('

（4） 确定粉煤灰超量系数 C ；

）（ '/ CCFC

（5）计算每立方混凝土粉煤灰用量 F；

)'( CCF C

方法步骤方法步骤 22 ：：

（6）计算粉煤灰超量部分的体积 FV ；

CCFF

CCFV

'

（7） 以粉煤灰超量体积取代同体积细骨料，计算砂子的用量 S’；

FFVSS '

（8） 用水量及石子用量不变；

i.（9）混凝土试拌、调整及强度校核。

第八节 轻混凝土第八节 轻混凝土

• 混凝土按表观密度的大小分 :– 重混凝土 γ干 >2600kg/m3 –普通混凝土 γ干 =1950~2600kg/m3

–轻混凝土 γ干 <1950 kg/m3

• 多孔混凝土 加入气泡• 大孔混凝土 不加细骨料• 轻骨料混凝土

轻骨料混凝土轻骨料混凝土• 以轻粗集料、轻细集料（或普通细集料）、水泥

和水配制而成的，干表观密度不大于 1950 ㎏ /ｍ 3 的水泥混凝土为轻集料混凝土。

• 轻集料混凝土根据其抗压强度可分为： CL5.0 、CL7.5 、 CL10 、 CL15 、 CL20 、 CL25 、CL30 、 CL35 、 CL40 、 CL45 和 CL50共 11个强度等级。不同强度等级的轻集料混凝土应满足相应抗压强度要求。

•影响轻骨料混凝土强度的主要因素：–水泥浆强度；水泥浆的用量；–轻骨料颗粒本身的强度（或筒压强度）；骨料的颗粒级配；

–施工质量等。

•轻集料混凝土配合比设计应满足强度等级和密度等级的要求，满足施工和易性的要求，还应满足耐久性和经济性方面的要求，同时应考虑集料吸水率的影响。

第九节 碾压混凝土第九节 碾压混凝土• 以适宜干稠的混凝土拌和物，薄层铺筑，

用振动碾碾压密实的混凝土。

• 特点：施工快速，经济。

• 用途：筑坝、围堰；交通；市政；港口码头；堤坝加固与改造。

第十节 其它品种混凝土第十节 其它品种混凝土• 一、高性能混凝土• 二、水下浇筑（灌注）混凝土• 三、喷混凝土• 四、纤维增强混凝土（纤维混凝土）• 五、防辐射混凝土• 六、耐热混凝土（耐火混凝土）• 七、耐酸混凝土

一、高性能混凝土一、高性能混凝土

• 对高性能混凝土有以下几点共识：（ 1）混凝土的使用寿命要长；（ 2）混凝土应具有较高的体积稳定性；（ 3）高性能混凝土应具有良好的施工性能；（ 4）具有一定的强度和密实度，但不一定是高强，亦可以是中、低强度高性能。

混凝土达到高性能的技术手段：混凝土达到高性能的技术手段：• 使用新型外加剂和超细矿物质掺合料（超细粉）；

• 降低水灰比、增大坍落度和控制坍落度损失，给予混凝土高的密实度和优异的施工性能填充胶凝材料的空隙；

• 保证胶凝材料的水化体积安定性，改善混凝土的界面结构，提高混凝土的强度和耐久性。

二、水下浇筑（灌注）混凝土二、水下浇筑（灌注）混凝土• 在陆上拌制而在水下浇筑（灌注）和凝结硬化的混凝土。

• 种类：–普通水下浇筑混凝土；– 水下不分散混凝土。

三、喷混凝土三、喷混凝土• 用压缩空气喷射施工的混凝土。

•快凝，早强，密实性高。一般 28d抗压强度在 20MPa以上，抗渗等级W8 以上。

•应用于薄壁结构、地下工程、边坡及基坑的加固，结构物维修、耐热工程、防护工程等。

四、纤维增强混凝土（纤维混凝四、纤维增强混凝土（纤维混凝土）土）• 以普通混凝土为基材，外掺各种纤维材料而组成的

水泥基复合材料，称为纤维混凝土。 纤维材料的品种：– 高弹性模量的纤维（使混凝土获得较高的韧性，并提高抗拉强度、刚度和承担动荷载的能力）•钢纤维；玻璃纤维；碳纤维等。

– 低弹性模量的纤维（只能增加韧性，不能提高强度）•尼龙；聚乙烯；聚丙烯等。

• 掺入混凝土的纤维直径很细，通常为几十至几百微米。纤维的长径比一般为 70 ～ 120 。纤维的掺量按占混凝土体积的百分比计，其掺加体积率一般为0.3 ％～８％。– 常用钢纤维的直径为 0.35 ～ 0.7 ㎜，长径比在 50～ 80之间，适宜掺加体积率为１％～２％。

五、防辐射混凝土五、防辐射混凝土

• 能遮蔽Ｘ、 γ 射线及中子辐射等对人体危害的混凝土，称为防辐射混凝土。

• 由水泥、水及重骨料配制而成，其表观密度一般在 3000kg／ｍ 3 以上。

• 混凝土表观密度愈大，防护 Ｘ、 γ 射线的性能越好，且防护结构的厚度可减小。但333 对中子流的防护，混凝土中还需要含有足够多的氢元素。

• 配制防辐射混凝土时，宜采用胶结力强、水化热较低、水化结合水量高的水泥，如硅酸盐水泥，最好使用硅酸钡、硅酸锶等重水泥。

• 常用重骨料主要有重晶石（ BaSO4 ）、褐铁矿（ 2 Fe2Ｏ 3·3H2O ）、磁铁矿（ Fe3O4 ）、赤铁矿（ Fe2O3 ）等。

• 掺入硼化物及锂盐等，也可有效改善混凝土的防护性能。

• 防辐射混凝土用于原子能工业以及国民经济各部门应用放射性同位素的装置中，如反应堆、加速器、放射化学装置等的防护结构。

七、耐酸混凝土七、耐酸混凝土• 能抵抗多种酸及大部分腐蚀性气体侵蚀作

用的混凝土称为耐酸混凝土。

• 组成：由水玻璃作胶结料，氟硅酸钠作促硬剂，与耐酸耐酸粗、细骨料及掺料按一定比例配制而成。–耐酸掺料由辉绿岩、耐酸陶瓷碎料、含石英高的材料磨细而成。

–耐酸粗细骨料常用石英岩、辉绿岩、安山岩、玄武岩、铸石等。

六、 耐热混凝土（耐火混凝土）六、 耐热混凝土（耐火混凝土）• 耐热混凝土是指能长期在高温（ 200 ～ 9

00℃）作用下保持所要求的物理和力学性能的一种特种混凝土。

• 由适当的胶凝材料、耐热粗、细骨料及水（或不加水），按一定比例配制而成。

• 根据所用胶凝材料不同，通常可分为：–硅酸盐水泥耐热混凝土；–铝酸盐水泥耐热混凝土；–水玻璃耐热混凝土；–磷酸盐耐热混凝土。