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混凝土,簡寫為「砼」,粵語稱為石屎,是指由膠凝材料將集料膠結成整體的工程複合材料的統稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料,砂、石作集料,與水(加或不加外加劑和摻合料)按一定比例配合,經攪拌、成型、養護而得的水泥混凝土,也稱普通混凝土。它廣泛應用於土木工程。

1 混凝土 -概述

混凝土混凝土

混凝土是當代最主要的土木工程材料之一。它是由膠結材料,骨料和水按一定比例配製,經攪拌振搗成型,在一定條件下養護而成的人造石材。

混凝土具有原料豐富,價格低廉,生產工藝簡單的特點,因而使其用量越來越大;同時混凝土還具有抗壓強度高,耐久性好,強度等級範圍寬,使其使用範圍出十分廣泛,不僅在各種土木工程中使用,就是造船業,機械工業,海洋的開發,地熱工程等,混凝土也是重要的材料。

水泥混凝土是以水泥(或水泥加適量活性摻合料)為膠結材料,與水和粗、細骨料等材料按適當比例配合拌製成拌合物,再經澆築成型硬化后得到的人造石材。新拌制的未硬化的混凝土,通常成為混凝土拌合物(或新鮮混凝土)。經硬化有一定強度的混凝土稱硬化混凝土。通常是指水泥混凝土,在路面工程中,瀝青混凝土也是一種常用的混凝土。

因為鋼筋混凝土構造物非常堅固耐久,耐震,耐火,耐氣候變化,容易造型且經濟等特性,所以廣泛用於房屋建築、橋樑、公路鋪面、飛機跑道、鐵路枕木、電線杆、擋土牆、護堤、涵洞、水壩、水箱、水塔、油槽、渠道、水溝、碼頭、防波堤、軍事掩體、核能發電廠及建構物基礎樁、及連續壁等構造物。

2 混凝土 -歷史

混凝土混凝土鋸片

混凝土在古代西方曾經被使用過,羅馬人用火山灰混合石灰,砂製成的天然混凝土曾在古代的一些建築中使用。天然混凝土具有凝結力強,堅固耐久,不透水等特性,使之在羅馬得到廣泛應用,大大促進了羅馬建築結構的發展,而且拱和穹頂的跨度上不斷取得突破,造就了一大批仍為人們津津樂道的在型公共建築。公元前1世紀中,天然建築在券拱結構中幾乎完全排斥了石材。

自19世紀20年代出現了波特蘭水泥后,由於用它配製成的混凝土具有工程所需要的強度和耐久性,而且原料易得,造價較低,特別是能耗較低,因而用途極為廣泛(見無機膠凝材料)。

20世紀初,水灰比等學說初步奠定了混凝土強度的理論基礎。以後,相繼出現了輕集料混凝土、加氣混凝土及其他混凝土,各種混凝土外加劑也開始使用。

60年代以來,廣泛應用減水劑,並出現了高效減水劑和相應的流態混凝土;高分子材料進入混凝土材料領域,出現了聚合物混凝土;多種纖維被用於分散配筋的纖維混凝土。現代測試技術也越來越多地應用於混凝土材料科學的研究。

3 混凝土 -種類

(圖)彩色混凝土彩色混凝土
按膠凝材料分

①無機膠凝材料混凝土,如水泥混凝土、石膏混凝土、硅酸鹽混凝土、水玻璃混凝土等;
②有機膠結料混凝土,如瀝青混凝土、聚合物混凝土等。

按容重分

①重混凝土,容重2600~5500公斤/米3或甚至更大;
②普通混凝土,容重2400公斤/米3左右;③輕混凝土,容重為500~1900公斤/米3的輕集料混凝土、多孔混凝土、大孔混凝土等。

按使用功能分

結構混凝土、保溫混凝土、裝飾混凝土、防水混凝土、耐火混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防輻射混凝土等。

按施工工藝分

離心混凝土、真空混凝土、灌漿混凝土、噴射混凝土、碾壓混凝土、擠壓混凝土、泵送混凝土、陶粒混凝土等。

按配筋方式分

素(即無筋)混凝土、鋼筋混凝土、鋼絲網水泥、纖維混凝土、預應力混凝土等。

按混凝土拌合物的和易性分

干硬性混凝土、 半干硬性混凝土、 塑性混凝土、流動性混凝土、高流動性混凝土、流態混凝土等。

4 混凝土 -原材料  

(圖)澆築混凝土澆築混凝土

水泥、石灰、石膏等無機膠凝材料與水拌和使混凝土拌合物具有可塑性;進而通過化學和物理化學作用凝結硬化而產生強度。一般說來,飲用水都可滿足混凝土拌和用水的要求。水中過量的酸、鹼、鹽和有機物都會對混凝土產生有害的影響。集料不僅有填充作用,而且對混凝土的容重、強度和變形等性質有重要影響。

為改善混凝土的某些性質,可加入外加劑。由於摻用外加劑有明顯的技術經濟效果,它日益成為混凝土不可缺少的組分。為改善混凝土拌合物的和易性或硬化后混凝土的性能,節約水泥,在混凝土攪拌時也可摻入磨細的礦物材料──摻合料。它分為活性和非活性兩類。摻合料的性質和數量,影響混凝土的強度、變形、水化熱、抗滲性和顏色等。

5 混凝土 -製作方法 

配合比設計

製備混凝土時,首先應根據工程對和易性、強度、耐久性等的要求,合理地選擇原材料並確定其配合比例,以達到經濟適用的目的。混凝土配合比的設計通常按水灰比法則的要求進行。材料用量的計算主要用假定容重法或絕對體積法。

攪拌

根據不同施工要求和條件,混凝土可在施工現場或攪拌站集中攪拌。流動性較好的混凝土拌合物可用自落式攪拌機;流動性較小或干硬性混凝土宜用強制式攪拌機攪拌。攪拌前應按配合比要求配料,控制稱量誤差。投料順序和攪拌時間對混凝土質量均有影響,應嚴加掌握,使各組分材料拌和均勻。

混凝土混凝土攪拌機
輸送與灌築

混凝土拌合物可用料斗、皮帶運輸機或攪拌運輸車輸送到施工現場。其灌築方式可用人工或藉助機械。採用混凝土泵輸送與灌築混凝土拌和物,效率高,每小時可達數百立方米。無論是混凝土現澆工程,還是預製構件,都必須保證灌筑後混凝土的密實性。其方法主要用振動搗實,也有的採用離心、擠壓和真空作業等。摻入某些高效減水劑的流態混凝土,則可不振搗。

養護

養護的目的在於創造適當的溫濕度條件,保證或加速混凝土的正常硬化。不同的養護方法對混凝土性能有不同影響。常用的養護方法有自然養護、蒸汽養護、乾濕熱養護、蒸壓養護、電熱養護、紅外線養護和太陽能養護等。養護經歷的時間稱養護周期。為了便於比較,規定測定混凝土性能的試件必須在標準條件下進行養護。中國採用的標準養護條件是:溫度為20±3°C;濕度不低於90%。

6 混凝土 -特性 

主要有以下幾項:

和易性

混凝土拌合物最重要的性能。它綜合表示拌合物的稠度、流動性、可塑性、抗分層離析泌水的性能及易抹面性等。測定和表示拌合物和易性的方法和指標很多,中國主要採用截錐坍落筒測定的坍落度(毫米)及用維勃儀測定的維勃時間(秒),作為稠度的主要指標。

混凝土混凝土輸送管
強度

混凝土硬化后的最重要的力學性能,是指混凝土抵抗壓、拉、彎、剪等應力的能力。水灰比、水泥品種和用量、集料的品種和用量以及攪拌、成型、養護,都直接影響混凝土的強度。混凝土按其標準養護28天的抗壓強度劃分的強度等級,稱為標號,常用的為C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C50號等。混凝土的抗拉強度僅為其抗壓強度的1/8~1/13。 提高混凝土抗拉、抗壓強度的比值是混凝土改性的重要方面。

變形

混凝土在荷載或溫濕度作用下會產生變形,主要包括彈性變形、塑性變形、收縮和溫度變形等。混凝土在短期荷載作用下的彈性變形主要用彈性模量表示。在長期荷載作用下產生的塑性變形,稱為徐變。由於水泥水化、水泥石的碳化和失水等原因產生的體積變形,稱為收縮。

耐久性

在一般情況下,混凝土具有良好的耐久性。但在寒冷地區,特別是在水位變化的工程部位以及在飽水狀態下受到頻繁的凍融交替作用時,混凝土易於損壞。為此對混凝土要有一定的抗凍性要求。用於不透水的工程時,要求混凝土具有良好的抗滲性和耐蝕性。

7 混凝土 -普通混凝土

混凝土普通混凝土的結構
組成材料與結構

普通混凝土是由水泥、粗骨料(碎石或卵石)、細骨料(砂)和水拌合,經硬化而成的一種人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用,並抑制水泥的收縮;水泥和水形成水泥漿,包裹在粗細骨料表面並填充骨料間的空隙。水泥漿體在硬化前起潤滑作用,使混凝土拌合物具有良好工作性能,硬化后將骨料膠結在一起,形成堅強的整體。其結構如圖

主要技術性質

混凝土的性質包括混凝土拌合物的和易性、混凝土強度、變形及耐久性等。

和易性又稱工作性,是指混凝土拌合物在一定的施工條件下,便於各種施工工序的操作,以保證獲得均勻密實的混凝土的性能。和易性是一項綜合技術指標,包括流動性(稠度)、粘聚性和保水性三個主要方面。

強度是混凝土硬化后的主要力學性能,反映混凝土抵抗荷載的量化能力。混凝土強度包括抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗折及握裹強度。其中以抗壓強度最大,抗拉強度最小。

混凝土的變形包括非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形。非荷載作用下的變形有化學收縮、乾濕變形及溫度變形等。水泥用量過多,在混凝土的內部易產生化學收縮而引起微細裂縫。

混凝土耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用,長期保持強度和外觀完整性的能力。包括混凝土的抗凍性、抗滲性、抗蝕性及抗碳化能力等。

8 混凝土 -看法

(圖)防水混凝土防水混凝土

混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建築材料。隨著高層、超高層和大跨度結構工程的出現,對高強度、高性能混凝土提出了更高的要求。中國著名混凝土結構裂縫控制專家、冶金建築研究總院王鐵夢教授表示:高性能、高強度混凝土是混凝土發展的方向和趨勢。

美國特納建築公司高級副總裁Rod Wille先生2005年在西雅圖舉行的美國西北混凝土協會(Northwest Concrete Alliance)代表大會上演講指出,混凝土行業應該朝著綠色化方向發展,全美國的混凝土工作者都越來越重視牆體保溫混凝土技術。

按預定性能設計和製作混凝土;研製輕質、高強度、多功能的混凝土新品種;利用現代新技術,大力發展新工藝、新設備;廣泛利用工業廢渣作原材料等,都是今後需要不斷解決的課題。

廢除
王澍希望廢除使用混凝土 稱建築應是生命體系王澍希望廢除使用混凝土 稱建築應是生命體系

全球化給我們的生活所帶來的負面影響也是現實,有責任和道德感的中國建築師們在思考,如何通過使用回收的、或創造再生性建築材料,來解決建築大量消耗和佔有自然資源的問題,這種事發生在中國,或許是對位於世界建築轉折點的中國建築界的一種提醒。

「我希望有生之年能看到廢除使用混凝土」——獲2012年普利茲克建築獎的中國建築師王澍

這句話,代表了中國建築家徹底回歸中國傳統生活方式的決心,從而認識到「建築應該是一個生命體系」

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