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混凝土

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手推车中的混凝土
手推车中的混凝土
波士顿市公所,混凝土外型建筑
波士顿市公所,混凝土外型建筑

混凝土,又称(tóng)、石矢,是由凝胶材料、骨料按适当比例配置,再经过一定时间硬化而成的复合材料。混凝土的硬度大、耐压强度高、坚固耐用、原料来源广泛、制作方法简单、成本低廉、可塑性强、适用于各种自然环境,是世界上使用量最大的人工土木工程及建筑材料,广泛使用于房屋桥梁公路跑道挡土墙堤防涵洞水坝、水箱、水塔、油槽、渠道、水沟码头防波堤军事工程核能发电厂等构造物。

历史

新石器时期

类似混凝土的遗迹在公元前6500年的纳巴泰人贝都因人近东地区已有出土,中国大地湾文化也有类混凝土的遗迹出土过,不过年代比近东晚了近3500年。[1][2]

古罗马

在古代西方,罗马人曾经用火山灰混合石灰﹑砂制成天然混凝土。天然混凝土具有凝结力强,坚固耐久,不透水等特性,使之在罗马得到广泛应用,大大促进了罗马土木建筑结构的发展,而且拱和穹顶的跨度上不断取得突破,造就了一大批仍为人们津津乐道的大型公共土木建筑。公元前1世纪中,天然土木建筑在券拱结构中几乎完全排斥了石材。

波特兰水泥

波特兰水泥是人们常用的水泥,用处非常广泛。在不同地区也有不同名称,因为状态属于干燥,细粉状,所以也称作“洋灰"。它在各种建筑材料中不可或缺,能与其他材料,依照不同比例混合成水泥,砂浆,石膏等。英国人约瑟。阿斯比丁在1824年为波特兰洋灰申请了专利。名为波特兰,主要是因为颜色与波特兰石灰石头的颜色相仿。波特兰洋灰里头,混合的成分为硅酸钙,铝酸盐,铁氧体等。

20世纪以后

20世纪初,水灰比等学说初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后,相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土,各种混凝土外加剂也开始使用。 60年代以来,广泛应用减水剂,并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土;高分子材料进入混凝土材料领域,出现了聚合物混凝土;多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。汉语中“混凝土”一词,来自于日本学者“广井勇日语広井勇”的翻译。(音译加意译,con—cre—te=混(コン)—凝(クリー)—土(ト))

分类

混凝土的组成材料有很多种,性能也各有不同,因此有多种分类。

按表观密度分类

重混凝土

干燥状态下表观密度在2800 kg/m3以上的混凝土属于重混凝土。重混凝土使用的骨料特别密实,例如:铁屑、铁矿石等。γ射线和X射线不能穿透一定厚度的重混凝土,所以重混凝土通常用于反应堆的屏蔽。

普通混凝土

干燥状态下表观密度在2000 kg/m3至2800 kg/m3之间的混凝土属于普通混凝土。普通混凝土使用最广泛,通常由天然的砂、石子作为骨料配制而成,可以用于各种民用工程。

轻混凝土

干燥状态下表观密度在2000 kg/m3以下的混凝土属于轻混凝土。常见的有加气混凝土、多孔混凝土,通常用于制造保温隔热材料。

组成

胶结性材料

介于骨材的空隙中,主要胶结骨材颗粒以形成完整的个体。

粒料(骨材)

于混凝土中占有大多数体积,其性质可以影响混凝土的主要特性,依照其颗粒大小可以分为粗粒料(粗骨材)与细粒料(细骨材)两类

粗粒料(粗骨材)

一般为天然石或者为人造石。大于#4筛的通常称为粗粒料(粗骨材)。尺寸4mm~50 mm。 水洗#200筛以下的,称为含泥。含泥量(%)=(含泥量/原试样重)。含泥量规定要小于1%

细粒料(细骨材)

一般为天然砂或者人造砂,小于#4筛的通常称为细粒料(细骨材)。尺寸#4筛~#200筛。 水洗#200筛以下的,称为含泥。 含泥量/原试样重=含泥量百分比。

特别粒料(特别骨材)

轻质粒料(轻质骨材)

结构用轻粒料(轻骨材)密度=1.1 g/cm~1.8 g/cm3,强度大于140 kgf/cm2

掺料

由于不同用途需求,在混凝土中加入各种材料以改善混凝土性质和性能。

矿物掺料

波索兰材料

化学掺料

快干剂/早强剂

快干剂(中国大陆称为早强剂)能加快水成反应,加速石矢硬化。常为CaCl2或NaCl。不过当中的氯可能会腐蚀钢筋,所以某些国家禁止使用。(台湾有立法已规定氯的含量,中国大陆以国家规范的形式规定混凝土的氯离子含量)

缓凝剂

缓凝剂相反减慢石矢的水成反应,常用于大形石矢,以防止过热。为蔗糖(C12H22O11

引气剂(输气剂)

引气剂(输气剂)可以把小气泡分布于石矢内,防止冻融交替的损害。每增加1%气泡更减少5%强度。

塑化剂

塑化剂(减水剂)增加水泥的工作性(增加和易性,增加塌落度,以便泵送),从而可减少含水比例,增加强度。

钢筋埋设成钢筋混凝土结构
钢筋埋设成钢筋混凝土结构
预制水泥砖型态
预制水泥砖型态
河砂石原料采集
河砂石原料采集
大型混凝土搅拌车
大型混凝土搅拌车

强塑剂

超塑剂为高效的塑化剂,能高增加工作性。相对来说,塑化剂用以保持工作性下减少水分,从而可减少含水比例,增加强度及耐用。

染料

可改变石矢颜色。

水是混凝土中不可缺少的一项。水胶比(W/B)的高低与混凝土强度的高低成反比。水胶比=水的质量/胶结材的质量

材料性质

混凝土通常都有较强的抗压强度,但是抗拉强度相对较弱,所以通常需要在混凝土里加入其他材料(如钢筋)以增强其抗拉强度。

抗压强度

使用混凝土主要就是利用它的较好的抗压强度。混凝土的强度等级是用其抗压强度来划分的。

抗拉强度

通常为抗压强度的1/10~1/8,现有3种试验方法。1.点载重弯曲荷重法。2.劈列抗拉。3.直接拉伸。

稠度和坍度

稠度是混凝土湿度或流动性的一种度量。稠度是以坍度试验来测量。而试验的结果称之为坍度。混凝土的坍度越小,越不易流动,工作度越差,容易发生拆模后混凝土结构体表面产生蜂窝。

配比

混凝土依照其组成成分比例的不同,会有不同的性质。各项材料的比例称为配比。在设计配比时必须考虑到混凝土的用途而有强度、耐久性、工作性、经济性和生态性等主要考量。

强度

混凝土为现代主要土木建筑工程材料之一,通常被设计来承受载重,因此在土木建筑工程的运用上,配比将抗压强度作为主要考量。通常大于15 N/mm2。中国大陆现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定:用于结构构件的混凝土强度为20 N/mm2~80 N/mm2(20兆帕~80兆帕)。混凝土强度(包括这里指的强度)一般均指混凝土抗压强度。

耐久性

耐久性在普通情况下﹐混凝土具有良好的耐久性。但在寒冷地区﹐特别是在水位变化的工程部位以及在饱水状态下受到频繁的冻融交替作用时﹐混凝土易于损坏。为此对混凝土要有一定的抗冻性要求。用于不透水的工程时﹐要求混凝土具有良好的抗渗性和耐蚀性。

工作性

对一般混凝土施工而言,如果混凝土太干黏,则施工不易,容易产生蜂窝,甚者易使现场工人为施工便利而私自加水,导致设计强度(水灰比)走样。高性能混凝土具有高流动的特性,可以缩短工期、节省人力及简化施工作业等。高工作性包括容易施工、没有析离、容易粉光、或后续的处理简易。假设工作性良好,自然就不会擅自加水,一旦不会加水,混凝土品质就能够获得较大的保障。

经济性

高性能混凝土的经济性建立在水泥的强度效益、高生命周期、易施工之低成本上。目前台湾的混凝土每一公斤的水泥约只能发挥0.7 kg/cm2的强度,而文献上最佳的效率则是每公斤水泥可发挥7kg/cm2的强度。目前国内高性能混凝土规范则规定每公斤水泥应可发挥至少1.4 kg/cm2的强度。高性能混凝土虽比传统混凝土多加化学掺料及卜作岚材料,由材料的观点来看,其初始制造费用,的确比传统混凝土高,但从改善工作性、提高早期强度、提高结构耐久性、降低施工费用,节省工时、提高力学性能,减少构件尺寸与断面等所得之效益,不仅可弥补混凝土之价差,且更具经济效益。

生态性

由于现代多数使用普通硅酸盐水泥作为混凝土中的胶结性材料,在普通硅酸盐水泥的制造过程中,需要大量的热能,造成排放许多的二氧化碳,因此在设计配比时,减少普通硅酸盐水泥用量可以增进混凝土的生态性。

使用流程

拌合

混凝土在使用时,必须将各种材料经过适当混合、搅拌的程序称为拌合。拌合后尚未硬固且具有可塑性的混凝土称为新鲜混凝土

拌合机具

强制式拌合机

预拌混凝土

因应工程实际需要,于工厂或工地大量拌合新鲜混凝土再运送至浇注场所,由于使用专用机具与专业人员来操作拌合程序,因此较能确保混凝土品质。

浇筑

将具有可塑性的新鲜混凝土注入模型内以在混凝土硬固后形成各种形状之结构物的手续称为浇筑。

捣实

为使具有一定黏稠性的新鲜混凝土可以顺利的充满模型内,以人为的方式加以震动或搅拌,以排除气泡降低硬固后混凝土的孔隙。

常见捣实工具:

  •  震动棒
  •  内部震动器
  •  捣棒

养护

混凝土浇筑后12小时内应覆盖保湿养护,养护时间至少7天,以保证混凝土中的水泥水化反应所需水分。

一般工程常见的混凝土

  • 钢筋混凝土:在混凝土中安置钢筋,主要用于一般房屋建筑物。
  • 钢骨混凝土:以材替代大部分钢筋,增强抵抗外力的韧性,用于高楼建筑物。
  • 预力混凝土:使用预力钢键,主要应用于长跨桥梁,部分房屋建筑也有使用。
  • 轻质混凝土:使用较轻的人造骨材,用在隔热、隔音,可降构材载重。
  • 重质混凝土:用于防护核子辐射,用于医院核能电厂
  • 预铸混凝土:先在工厂完成灌铸工作,再运至工址进行安装,应用范围很广。
  • 预拌混凝土:混凝土在设备完善的工厂中先拌合好,再运送至工址使用,多为一般工程所使用。
  • 滚压混凝土:用于大坝道路施工。
  • 喷射混凝土:用于衬工、保护、及维修工程。

常见分类

依照市面上制售的混凝土,分类与水泥一样,也就是依使用的水泥调和的种类来区分。

“砼”字的来源

“砼”一字的创造者是著名结构学家蔡方荫教授,创造时间是1953年。当时教学科技落后,没有录音机影印机之类的电器,学生上课听讲全靠记笔记。“混凝土”是建筑工程中最常用的词,但笔划太多,写起来费力又费时。于是蔡方荫大胆采用笔画减省的“人工石”三字代替“混凝土”,大大加快了笔记速度。后来“人工石”三字合成了“砼”字,并在大学生中得到广泛使用。[3]

“砼”字的接受过程

1955年7月,中国科学院编译出版委员会名词室审定颁布的《结构工程名词》一书中,明确推荐“砼”与“混凝土”一词并用。从此,“砼”被广泛采用于各类建筑工程的书刊中。

1985年6月7日,中国文字改革委员会正式批准“砼”与“混凝土”两字词同义、并用的法定地位。

另外,“砼”字的读音[tóng](音“ㄊㄨㄥˊ”),正好与法语的“béton”、德语的“Beton”以及俄语的“бетон”(皆为“混凝土”之意)的发音基本相同。这样,在建设领域中更有利于国际学术交流。是个土木建筑工程专用字。

参见

参考文献

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混凝土
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