土木工程材料学Word文档格式.docx
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1.孔隙率直接反映材料的密实程度,孔隙率高,则密实程度小。
2.有关材料内部孔隙的大小、形状、数量、分布、连通与否等,统称为孔隙特征。
工程上主要指孔隙的连通性,分为连通孔(开孔)、封闭孔(闭孔)。
3.开孔不仅彼此贯通还与外界相通,如毛细孔。
开孔能提高材料的吸水性、透水性、吸声性,降低抗冻性。
4.闭孔不仅彼此不连通还与外界隔绝。
闭孔能提高材料的隔热保温性能和耐久性。
5.孔隙率和孔隙特征与材料的强度、吸水性、保温性、耐久性等有密切关系。
6.空隙率可用于控制砂、石级配及计算混凝土配合比。
三.亲水性、憎水性
1.润湿角:
在材料、水、空气的三相交界处,沿水滴表面的切线与水和材料的接触面之间的夹角。
2.亲水性:
材料与水接触时能被水润湿的性质。
亲水性材料的润湿角θ≤90°
。
3.憎水性:
材料与水接触时不能被水润湿的性质。
憎水性材料的润湿角θ>
90°
1.亲水性材料能被水润湿,即水可在材料表面铺展开,而且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部,如右图(a)所示。
憎水性材料不能被水润湿,水分不易渗入材料毛细管中,如右图(b)所示。
2.憎水性材料常用作防水材料。
亲水性材料表面作憎水处理,可提高其防水性能。
四.吸水性、吸湿性
1.吸水性:
材料在水中吸收水分的性质。
以吸水率表示。
2.吸湿性:
材料在潮湿空气中吸收水分的性质。
以含水率表示。
3.吸水率:
重量吸水率指材料在吸水饱和状态下,所吸水重量占材料绝干重量的百分率。
体积吸水率指材料在吸水饱和状态下,所吸水体积占绝干材料自然体积的百分率。
工程上常用重量吸水率。
4.含水率:
材料所吸收水分的重量占材料绝干重量的百分率。
1.材料的吸水率反映材料吸收水分的能力,是固定值。
2.材料的含水率表示材料在某一时间的含水状态,不是固定值,随环境温度和空气湿度的变化而改变。
与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
3.材料的吸水性和吸湿性,取决于材料的亲水性、孔隙率、孔隙特征。
一般地,孔隙率大,则吸水性大。
材料具有微小而连通的孔隙(如毛细孔),其吸水性和吸湿性较强。
4.材料吸水后,对材料性能有不利影响:
表观密度增大,体积膨胀,强度下降,保温性能下降,抗冻性变差。
五.耐水性、抗渗性、抗冻性
1.耐水性:
材料长期在饱和水作用下不破坏,且强度也不显著降低的性质。
常用软化系数表示。
2.抗渗性:
材料抵抗压力水渗透的性质。
常用渗透系数或抗渗标号表示。
3.抗冻性:
材料在吸水饱和状态下,能经受多次冻融循环作用而不破坏,强度又不显著降低的性质。
常用抗冻标号表示。
4.软化系数:
材料在吸水饱和状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值。
软化系数越小,表示材料的耐水性越差。
5.渗透系数:
根据达西定律,K=Q*d/(A*t*H)。
渗透系数越大,表示材料的抗渗性越差。
6.抗渗标号:
材料在标准试验方法下进行透水试验,以试件在透水前所能承受的最大水压力来确定。
抗渗标号越大,表示材料的抗渗性越好。
7.抗冻标号:
材料在标准试验方法下进行冻融循环试验,以重量损失不超过5%、强度下降不超过25%时,所能经受的最大冻融循环次数来确定。
抗冻标号越大,表示材料的抗冻性越好。
1.工程上,将软化系数不低于0.85的材料称为耐水性材料。
长期处于水中或潮湿环境中的重要结构,必须选用耐水材料;
用于受潮较轻或次要结构的材料,其软化系数不应低于0.75。
2.材料的耐水性主要与其组成成分在水中的溶解度和材料的孔隙率有关。
如金属材料的软化系数为1,粘土为0。
3.防渗、防水材料(如油毡、瓦、水工沥青混凝土)的防水性常用渗透系数表示。
建筑工程材料(如砂浆、混凝土)的抗渗性常用抗渗标号表示,如P4、P6。
4.材料的抗渗性与其亲水性、孔隙率和孔隙特征有关。
亲水性材料的毛细孔有利于水的渗透;
开口大孔最易渗水。
5.材料的抗冻性与其孔隙率、孔隙特征、吸水饱和程度、强度及冻结条件有关。
六.导热性、热容量
1.导热性:
材料传导热量的性质。
用导热系数表示。
2.热容量:
材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质。
用比热表示。
3.导热系数:
单位厚度的材料,当两侧温度差为1K时,在单位时间内通过单位面积的热量。
λ=Q*δ/((τ1-τ2)*F*Z),单位:
W/(m·
K)。
4.热阻:
材料的导热系数与材料层厚度之比的倒数。
R=δ/λ,单位:
(m2·
K)/W。
5.比热:
单位重量的材料,温度升高(或降低)1K时所吸收(或放出)的热量。
c=Q/(m*(τ1-τ2)),单位:
J/(kg·
1.热阻说明材料层抵抗热流通过的能力。
热阻越大,表示材料层的保温绝热性能越好。
2.导热系数的影响因素:
材料的组成与结构(金属材料>非金属材料,无机材料>有机材料,晶体材料>非晶体材料),表观密度,孔隙率(因为空气的导热系数很低),孔隙结构(由于对流传热,粗大、开孔材料>细小、闭孔材料),含水状态(冰>水>空气),温度(高温>低温,但金属材料除外)。
3.比热反映材料吸热或放热能力的大小。
4.热容量大,可长时间保持室内温度的稳定,因此,在建筑设计、热工计算时,应选用导热系数小、热容量大的材料。
七.吸声性、隔声性
1.吸声性:
材料吸收声音的性质。
用吸声系数表示。
2.隔声性:
材料隔绝声音的性质。
用隔声量表示。
3.吸声系数:
声波在材料表面被吸收的声能与入射总声能之比。
α=E1/E0
4.隔声量:
R=10*lg(E0/E2),单位:
dB。
1.吸声系数与声音的频率和入射方向有关。
2.平均吸声系数不小于0.2的材料称为吸声材料。
吸声材料多为轻质、疏松、多孔的材料,空隙率常在70%以上。
如玻璃棉、岩棉、矿棉等纤维材料及其板、毡制品,开口石膏板、软质纤维板等。
3.吸声效果的影响因素:
孔隙特征(细小开孔有利于吸声)、表观密度(表观密度小有利于高频吸声)、材料层厚度(增大厚度有利于低频吸声,但对高频作用不大)。
4.在建筑上,隔声分为隔空气声、隔固体声。
两者的隔声方法不同。
5.隔声量R表示材料隔绝空气声的能力,根据“质量定律”,单位面积的材料重量越大,越不易振动,则隔声效果越好。
因此,可选用粘土砖、钢板、钢筋混凝土等密实、沉重的材料作隔声材料。
6.隔绝固体声,应采用不连续的结构处理以减振隔声。
如在楼板面层与结构层之间加弹性衬垫(毛毡、软木、橡皮等材料),在楼板上铺设柔软材料(地毯、木地板)。
第二节建筑材料的力学性质
一.强度、比强度
1.强度:
材料抵抗外力破坏的能力。
根据外力作用方式,分抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。
通过静力破坏试验测定。
2.比强度:
材料的强度与其表观密度之比。
1.材料的强度与其组成和构造、孔隙率、试验条件(试件形状尺寸、加荷速度、环境
温湿度、试件端部约束情况、承压面平整度)等有关。
2.根据强度大小对建筑材料划分强度等级或标号,以便于材料的选用和质量控制。
3.比强度反映了单位重量的强度,用于比较不同密度材料的强度。
比强度高,说明材料轻质高强性能好。
二.弹性、塑性
1.弹性:
材料在外力作用下产生变形,当外力去除后,变形能完全消失的性质。
2.塑性:
材料在外力作用下产生变形,当外力去除后,仍保持一部分残余变形的性质。
3.弹性模量:
材料在弹性范围内,外力与变形的比值。
4.徐变:
材料在持续荷载的长期作用下,变形随时间延长而增加的现象。
1.弹性反映材料的变形是否可恢复。
2.弹性变形是可逆变形,暂时变形;
塑性变形是不可逆变形,永久变形。
3.纯弹性材料是没有的。
有的材料(如建筑钢材)在受力不大时仅表现弹性变形(可视为弹性材料),当受力超过一定限度后便出现塑性变形;
有的材料(如混凝土)受力后同时产生弹性变形和塑性变形,称为弹塑性材料。
4.弹性模量反映材料抵抗变形的能力。
弹性模量越大,材料越不易变形,即刚度好。
5.弹性模量是结构设计的重要参数。
材料的弹性模量与强度之间没有固定关系。
6.刚性反映材料变形所需外力的大小。
三.脆性、韧性
1.脆性:
材料在外力作用下,无明显塑性变形而突然破坏的性质。
2.韧性:
材料在冲击或振动荷载作用下,能吸收较大能量,产生较大变形而不产生突
然破坏的性质。
1.脆性反映材料的破坏形式。
2.脆性材料承受冲击或振动荷载的能力很差。
所以,仅用强度不能反映材料承受动荷载作用的能力,还须考虑材料的韧性。
吊车梁、桥梁、路面等所用材料应具有较高韧性。
3.脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度。
4.韧性以材料从承载起至破坏时所吸收的能量表示。
可以用荷载-变形曲线下所包含的面积表示。
冲击韧性值以带缺口的试件做冲击破坏试验测定。
5.韧性材料的塑性变形大,抗拉强度接近或高于抗压强度。
四.硬度、耐磨性
1.硬度:
材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。
2.耐磨性:
材料抵抗磨损的能力。
用耐磨率(单位面积上的重量磨损率)表示。
1.硬度与强度有一定关系。
工程上有时用硬度间接推算强度,如对混凝土材料用回弹法推定强度。
2.耐磨性与硬度、强度、材料内部构造有关。
3.不同材料的硬度测试方法不同:
矿物材料用划痕法,测得为莫氏硬度(HM);
钢材、木材用压痕法,测得为布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV);
混凝土、砂浆、砖石材料用回弹法,测得为肖氏硬度(HS)。
第三节建筑材料的耐久性
1.耐久性:
材料在长期使用过程中,能保持其原有性能而不变质、破坏的性质。
1.耐久性是一种综合性质,包括:
抗冻性、耐热性、耐光性、大气稳定性、抗化学腐蚀性、对碱骨料反应的抵抗等。
材料在使用过程中所受的破坏作用包括:
物理作用(外力、干湿交替、冷热变化、冻融循环)、化学作用(大气和环境水中的酸、碱、盐等有害物质的侵蚀,日光、紫外线的作用等)、生物作用(虫蛀、菌类腐朽)。
2.不同材料的主导性破坏因素不同:
砖、石、混凝土等矿物质材料多由于物理破坏(处于水中时也受到化学破坏);
金属材料主要受化学和电化学腐蚀;
木材等天然有机质材料常受生物破坏;
沥青、塑料、橡胶等高分子材料受阳光、空气、热的作用而老化破坏。
3.提高材料耐久性的措施:
减轻环境破坏作用,采取表面保护措施,提高材料密实性,合理选用材料等。
4.耐久性是一种长期性质,可以用模拟法进行快速试验。
第二章水泥
水泥是水硬性无机胶凝材料,是目前建筑工程中用量最大、最重要的建筑材料之一。
1824年英国人约瑟夫·
阿斯普丁(JosephAspdin)取得了硅酸盐水泥的发明专利。
硅酸盐水泥的首批大规模使用是在1825~1843年修建泰晤士河隧道。
我国第一个水泥厂是清政府在“洋务运动”中于1889年于开平矿务局创办的唐山细棉土厂。
水泥的分类:
按组成,分为:
硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐三大系列水泥(其中硅酸盐系列水泥应用最广);
按性能和用途,分为:
通用水泥、专用水泥、特种水泥。
一.硅酸盐水泥
凡以适当成分的生料,烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料,并掺入0~5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥。
硅酸盐水泥又分为两种:
Ⅰ型硅酸盐水泥(又称纯硅酸盐水泥,代号P·
Ⅰ)、Ⅱ型硅酸盐水泥(代号P·
Ⅱ)。
二.掺混合材的硅酸盐水泥:
(1)普通硅酸盐水泥(又称普硅水泥):
凡由硅酸盐水泥熟料、6%~15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥,代号P·
O)。
普通硅酸盐水泥分为325、425、525、625四个标号,425号以上的水泥又分为普通型和早强型(425R、525R、625R)。
其性能应满足GB175-92标准的要求。
(2)矿渣硅酸盐水泥:
凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥,代号P·
S)。
矿渣硅酸盐水泥分为275、325、425、425R、525、525R、625R七个标号。
其性能应满足GB1344-92标准的要求。
矿渣水泥是我国产量最大的水泥品种,应用较广。
(3)火山灰质硅酸盐水泥:
简称火山灰水泥,代号P·
P。
(4)粉煤灰硅酸盐水泥:
简称粉煤灰水泥,代号P·
F。
(5)复合硅酸盐水泥:
凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥,代号P·
C)。
复合硅酸盐水泥分为325、425、425R、525、525R五个标号。
其性能应满足GB12958-91标准的要求。
说明:
(1)普通水泥:
与硅酸盐水泥的性能、应用范围基本相同。
(2)矿渣水泥:
凝结硬化慢,早期强度低,而后期强度增长较多,在湿热条件下(60~70℃以上)强度发展较快,水化热低,抗软水及硫酸盐腐蚀能力较强,耐热性好(300~400℃),但抗冻性、抗碳化能力差,保水性差,泌水性大,干缩大。
因此,矿渣水泥适用于水工及海工建筑,大体积混凝土,蒸汽养护生产构件,高温车间构件,不适用于低温施工、干湿交替受冻建筑、有早强要求的工程。
(3)火山灰水泥:
凝结硬化慢,早期强度低,而后期强度增长较多,在湿热条件下(60~70℃以上)强度发展较快,水化热低,抗软水及硫酸盐腐蚀能力较强,保水性、抗渗性好,但抗冻性、抗碳化能力差,耐热性差,干缩大。
因此,火山灰水泥适用于地下、水工及海工建筑,大体积混凝土,蒸汽养护生产构件,不适用于低温施工、干湿交替受冻建筑、有早强要求的工程、干燥地区、高温车间。
(4)粉煤灰水泥:
凝结硬化慢,早期强度更低,而后期强度增长较多,在湿热条件下(60~70℃以上)强度发展较快,水化热低,抗软水及硫酸盐腐蚀能力较强,需水量小,干缩小,但抗冻性、抗碳化能力差。
因此,粉煤灰水泥适用于水工及海工建筑,大体积混凝土,蒸汽养护生产构件,不适用于低温施工、干湿交替受冻建筑、有早强要求的工程。
复合水泥:
早期强度与普通水泥相同,其他性能与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥相似。
第三章混凝土
混凝土是将水泥、砂、石子、水、必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料,按适当比例配合,经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材(简称砼)。
混凝土是在1824年发明波特兰水泥后不久出现的。
钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土堪称混凝土发展中的两次革命。
1916年建立了混凝土强度的水灰比理论,使混凝土配合比设计成为可能。
目前,混凝土是世界上用量最大、应用最广泛的人造建筑材料。
1.混凝土的分类
(1)按表观密度分为:
重质混凝土(>
2500kg/m3),普通混凝土(1900~2500kg/m3),轻质混凝土(500~1900kg/m3),特轻混凝土(<
500kg/m3)。
(2)按用途分为:
结构混凝土,保温隔热混凝土,防水混凝土,耐热混凝土,耐酸混凝土,耐油混凝土,防辐射混凝土,海工混凝土,道路混凝土,修补混凝土等几十种。
(3)按施工工艺分为:
浇注混凝土,碾压混凝土,真空混凝土,喷射混凝土,泵送混凝土,水下浇注混凝土等。
(4)按原材料的构成分为:
水泥混凝土,硅酸盐混凝土,石膏混凝土,石灰混凝土,粘土混凝土,水玻璃混凝土,沥青混凝土,硫磺混凝土,聚合物混凝土,加气混凝土,纤维混凝土等几十种。
(5)按强度分为:
普通混凝土(<
50MPa),高强混凝土(50~100MPa),超高强混凝土(>
100MPa)。
(6)按拌合物稠度分为:
干硬性混凝土(坍落度=0cm,VB>
30秒),塑性混凝土(坍落度=1~8cm),大流动性混凝土(坍落度=10~15cm),流态混凝土(坍落度>
16cm)等。
(7)按拌合物中水泥用量多少分为:
富混凝土、贫混凝土。
(8)按配筋情况分为:
素混凝土,钢筋混凝土,纤维混凝土,钢管混凝土等。
2.混凝土的特性
(1)占材料用量80%以上的砂、石集料资源丰富,易于就地取材,成本低。
(2)改变组分及配比可制得具有不同物理力学性能的混凝土,满足不同工程的要求,适用面广。
(3)混合料具有可塑性,可按工程结构要求浇筑成不同形状和尺寸的整体结构或预制构件。
(4)与钢材有基本相同的热膨胀系数,与钢筋等有牢固的粘结力,可配筋或设预埋件。
(5)经久耐用,维修费用低。
水硬性材料,耐水性好。
(6)生产能耗低于粘土砖、塑料、金属材料。
(7)自重大,脆性,易开裂,抗拉强度低。
3.建筑工程对混凝土的基本要求
(1)新拌混凝土应具有与工程要求和施工条件相适应的和易性,便于施工。
(2)混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度。
(3)硬化混凝土应具有与使用环境相适应的耐久性。
(4)经济合理,减少能耗。
4.混凝土技术的发展方向
高强,快硬早强,轻质,特殊性能,利用废料,革新施工工艺,革新混凝土质量检测技术。
第一节普通混凝土的组成材料
混凝土是一种堆聚结构的复合材料。
砂、石骨料起骨架作用,水泥石起胶结、填充作用,自由水失去后留下孔隙。
混凝土的质量取决于组成材料的性质和用量、施工工艺(搅拌、密实、养护)。
一.水泥
1.根据所处环境(温度、湿度、侵蚀性介质)、工程特点(高强、快硬、抗渗、耐磨、大体积)、水泥特性合理选用水泥品种。
2.水泥标号应与混凝土的设计强度相适应,一般以水泥标号为混凝土强度等级的1.5~2.0倍为宜。
用高标号水泥配制低强度混凝土,水泥用量在满足强度要求时不能满足和易性、耐久性要求,若增加水泥用量即造成浪费。
用低标号水泥配制高强度混凝土,要求水灰比很小,造成拌合物太干稠,施工困难。
3.常规检测项目:
安定性、标准稠度用水量、细度、水泥胶砂强度。
参照标准:
《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、《水泥胶砂强度检验方法》。
二.细骨料
粒径0.16~5mm的骨料为细骨料。
细骨料性能应符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》(JGJ52-92)的要求。
检验水泥标号用的标准砂应符合《水泥强度试验用标准砂》的要求。
1.混凝土用砂的种类:
(1)按来源分为:
天然砂(多用河砂,若用海砂、山砂应做检验。
)、人工砂(采石场的碎屑)。
(2)工程上按细度模数将砂分为:
粗砂(μf=3.7~3.1)、中砂(μf=3.0~2.3)、细砂(μf=2.2~1.6)、特细砂(μf=1.5~0.7)。
一般选用中粗砂。
2.混凝土用砂的质量要求
包括:
物理性质(表观密度、堆积密度、含水状态、颗粒形状及表面特征)、有害杂质含量、坚固性、颗粒级配及粗细程度等。
其中砂的颗粒级配和粗细程度具有重要技术经济意义,用筛分析试验测定。
1.筛分析
(1)颗粒级配
砂的颗粒级配表示砂中大小颗粒搭配的情况,即砂中各种不同粒径的颗粒所占的比例。
用级配区表示(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区)。
级配反映了砂的空隙率,级配好指大小颗粒互相填充形成空隙率小的搭配,这样,在配制混凝土时,可用较少的水泥浆来填充空隙,有利于降低水泥用量和混凝土成本,配制较密实的混凝土,且混凝土拌合物和易性良好。
(2)粗细程度
砂的粗细程度,是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度,用细度模数表示(细度模数越大,砂越粗)。
砂的粗细程度反映砂的比表面积大小。
在配制混凝土时,在用砂量相同的条件下,采用较多细砂,比表面积较大,因此包裹砂粒表面所需水泥浆就多,不经济;
采用较多粗砂,比表面积虽小,但由于缺少中小颗粒的搭配,使空隙率增加,混凝土拌合物易离析、泌水。
因此,砂不宜过细,也不宜过粗。
混凝土用砂应同时考虑其粗细程度和颗粒级配。
较理想的砂为:
含有较多粗颗粒,并以适当的中颗粒及少量细颗粒填充其空隙,则可达到空隙率及总表面积均较小。
(3)筛分析
用一套孔径为5.00、2.50、1.25、0.630、0.315、0.160mm的标准筛(依次编号1、2、3、4、5、6),从大到小依次由上向下叠起,将500g通过10mm筛的干砂试样装入最上层筛内,由粗到细依次过筛,称得余留在各筛上的砂重量,由此计算出各筛上的累计筛余百分率(依次为β1、β2、β3、β4、β5、β6),按公式:
μf=(β2+β3+β4+β5+β6-5*β1)/(100-β1)
计算出细度模数μf(精确至0.01)。
为直观,可将筛分析数据以筛孔尺寸为横坐标、累计筛余百分率为纵坐标画出筛分曲线。
4.常规检测
常规检测项目:
筛分析,堆积密度,表观密度,含泥量及泥块含量。
《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》。
三.粗骨料
普通混凝土用的粗骨料指粒径大于5mm的骨料。
粗骨料性能应符合《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(JGJ53-92)的要求。
分为碎石、卵石(又称砾石)。
1.混凝土用粗骨料的种类
(1)按外观分为:
碎石、卵石(又称砾石)。
(2)按级配分为:
连续粒级、单粒级。
2.混凝土用粗骨料的质量要求
包括:
物理性质(表观密度、堆积密度、异形颗粒含量)、有害杂质含量(包括碱活性)、强度、坚固性、颗粒级配及最大粒径等。
其中粗骨料的颗粒级配用筛分析试验测定。
3.筛分析
(1)颗粒级配
级配良好的石子其空隙率和总表面积均小,有利于混凝土节省水泥、保证质量。
石子的级配方法有连续级配、间断级配。
连续级配是指石子的粒径由大到小各粒级相连,这样配制的混凝土和易性好,不易发生分层、离析,是建筑工程中最常用的级配方法。
间断级配是指人为地剔除一级或几级中间粒径的颗粒级配方法,这样可获得更小的空隙率,密实性更好,节约水泥,但易使混凝土拌合物分层离析,增加施工困难,且石子资源不能充分利用,因此工程中应用较少。
按采石场供应方式,石子分为连续粒级、单粒级。
单粒级宜与连续粒级组合使用以改善级配,工程中一般不采用单粒级配制混凝土,因其空隙率较大,水