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混凝土

混凝土是一种建筑材料，由水泥（通常是波特兰水泥）、集料（通常是砾石和沙子）和水组成。

混凝土在混合和放置后会固化并硬化，这是由于称为水化的化学过程。水与水泥发生反应，将其他成分结合在一起，最终形成类似石头的材料。它用于制作路面、建筑结构、基础、高速公路/道路、高架桥、停车场结构、砖/块墙以及大门、围栏和杆子的基础。

亚述人和巴比伦人用粘土作为他们混凝土中的水泥。埃及人使用石灰和石膏水泥。在罗马帝国，由生石灰、火山灰/火山灰和由浮石制成的集料制成的混凝土与现代波特兰水泥混凝土非常相似。1756 年，英国工程师约翰·斯米顿率先在混凝土中使用波特兰水泥，使用鹅卵石和粉碎的砖块作为集料。在现代，由于越来越严格的环境法规，将再生材料用作混凝土成分的使用越来越受欢迎。其中最显着的是飞灰，这是燃煤电厂的副产品。这通过减少开采和填埋空间的需求产生了重大影响。

波特兰水泥是普通用途中最常见的类型。它是混凝土、砂浆和灰泥的基本成分。英国工程师约瑟夫·阿斯普丁于 1824 年获得了波特兰水泥的专利，它的名字来源于英格兰波特兰岛上的石灰岩悬崖，因为它的颜色与在那里开采的石头相似。它由氧化钙、硅和铝的混合物组成。波特兰水泥和类似材料是通过将石灰石（钙的来源）与粘土一起加热，然后将这种产品（称为熟料）与硫酸盐来源（最常见的是石膏）一起研磨制成的。当与水混合时，所得粉末会随着时间的推移变成水合固体。

高温应用，如砖砌烤箱等，通常需要使用耐火水泥；基于波特兰水泥的混凝土可能会因高温而损坏或破坏，但耐火混凝土更能承受此类条件。

水和水泥浆随着时间的推移会硬化并增强。为了确保经济实用，使用细集料和粗集料来构成混凝土混合物的大部分。沙子、天然砾石和碎石主要用于此目的。但是，越来越普遍的是，使用再生集料（来自建筑、拆迁和开挖废物）来部分替代天然集料，同时还允许使用许多人造集料，包括风冷高炉渣和底渣。

有时会将装饰性石头（如石英岩、小河石或碎玻璃）添加到混凝土表面，以获得装饰性的“裸露骨料”饰面，这在景观设计师中很受欢迎。

可加工性（或在欧洲称为稠度）是指新鲜（塑性）混凝土混合物在所需的加工（振动）下适当填充模具/模具的能力，而不会降低混凝土的质量。可加工性取决于含水量、化学外加剂、集料（形状和尺寸分布）、胶凝材料含量和年龄（水化程度）。提高含水量或添加化学外加剂会提高混凝土的可加工性。过多的水会导致出血（表面水）增加和/或集料分离（当水泥和集料开始分离时），导致所得混凝土质量下降。使用具有不良级配的集料会导致非常硬的混合物设计，其坍落度非常低，无法通过添加合理量的水使其更容易加工。

可加工性可以通过“坍落度试验”来衡量，这是一种简化的指标，用于衡量根据 ASTM C 143 或 EN 12350-2 测试标准测试后新鲜一批混凝土的塑性。坍落度通常通过用新鲜一批混凝土的样品填充“阿布拉姆斯锥”来测量。将锥体倒置在水平的、不吸水的表面上，宽端朝下。当小心地将锥体抬起时，封闭的材料会由于重力而塌陷一定量。相对干燥的样品塌陷得很少，坍落度值为一英寸或两英寸（25 毫米或 50 毫米）。相对湿润的混凝土样品可能会塌陷多达六英寸或七英寸（150 毫米到 175 毫米）。

可以通过添加化学外加剂（如中档或高档减水剂（超级塑化剂））来增加坍落度，而无需改变水灰比。在混凝土搅拌机中添加额外的水是一种不好的做法。高流动性混凝土，如自密实混凝土，通过其他流量测量方法进行测试。其中一种方法包括将锥体放置在窄端，并观察混合物在逐渐抬起锥体时如何通过锥体流动。

混凝土的抗压强度相对较高，但抗拉强度明显较低（约为抗压强度的 10%）。因此，混凝土总是因拉伸应力而失效——即使在受压的情况下。这在实践中的含义是，承受拉伸应力的混凝土构件必须加固。混凝土最常通过添加钢筋或纤维增强来建造。增强可以通过钢筋、网格或纤维来实现，从而生产出钢筋混凝土。混凝土还可以通过使用内部钢索（钢筋）进行预应力（减少拉伸应力），从而使梁或板跨度比仅用钢筋混凝土所能实现的跨度更长。

混凝土的极限强度受水灰比 (w/c) [水胶凝材料比 (w/cm)]、设计成分以及采用的混合、放置和养护方法的影响。在其他条件相同的情况下，水灰比（胶凝材料）较低的混凝土比水灰比（胶凝材料）较高的混凝土更坚固。胶凝材料的总量（波特兰水泥、矿渣水泥、火山灰）会影响强度、需水量、收缩、耐磨性和密度。由于混凝土是一种液态物质，它会水化为固态，因此在放置后不久就会出现塑性收缩裂缝；但是，如果蒸发率高，它们通常会在抹面作业期间出现（例如，在炎热的天气或有风的日子）。结构构件中的骨料互锁和钢筋通常会抵消塑性收缩裂缝的影响，使其本质上具有美观性。板中正确加工的控制接缝或锯切提供了弱点平面，以便裂缝在接缝内部不可见地发生，从而呈现美观的外观。在极高强度的混凝土混合物（大于 10,000 psi）中，骨料的强度可能是极限抗压强度的限制因素。在贫混凝土（水灰比高）中，使用圆形粗骨料可能会降低骨料互锁。

通过指定所需的“可加工性”来进行各种混合物设计的实验，该可加工性由给定的坍落度和所需的 28 天抗压强度定义。粗集料和细集料的特性决定了混合物的需水量，以达到所需的可加工性。通过确定正确的胶凝材料量来获得 28 天抗压强度，以达到所需的水灰比。只有在极高强度的混凝土中，粗集料的强度和形状才会成为决定极限抗压强度的关键因素。

某些形状的结构（如拱门和拱顶）中的内力主要是压力，因此混凝土是此类结构的首选建筑材料。

当需要孔隙率以允许一些空气流动或促进水通过结构的排水和流动时，工程师和建筑师有时会指定透水混凝土。透水混凝土被称为“无细料”混凝土，因为它是在没有沙子或“细集料”的情况下制造的。透水混凝土混合物几乎不含沙子（细料），从而产生大量的空隙率。使用足够的浆液来包覆并粘合骨料颗粒，从而形成一个高度渗透的互连空隙系统，该系统可以快速排水。典型情况下，在硬化后的混凝土中可以实现 15% 到 25% 的空隙率，透水混凝土的透水率通常约为 480 in./hr（0.34 cm/s，即 5 gal/ft²/ min 或 200 L/m²/min），尽管它可以更高。低砂浆含量和高孔隙率也会降低强度，使其与传统混凝土混合物相比更低，但对于许多应用而言，很容易获得足够的强度。

透水混凝土路面是一种独特且有效的解决重要环境问题并支持可持续发展的方法。 透水混凝土通过捕获雨水并使其渗入地下，在补充地下水、减少雨水径流和满足美国环境保护署 (EPA) 雨水管理法规方面发挥着重要作用。 透水混凝土的使用是 EPA 以及全国各地的其他机构和岩土工程师推荐的最佳管理实践 (BMP) 之一，用于区域和地方雨水径流管理。 这种铺路技术通过消除对蓄水池、排水沟和其他雨水管理设施的需求，创造了更高效的土地利用。 这样做，透水混凝土能够在首期成本方面降低总体项目成本。

工程师通常会指定混凝土所需的抗压强度，通常以兆帕 (MPa) 或磅每平方英寸 (psi) 表示的 28 天抗压强度。 28 天是一个漫长的等待时间来确定是否能达到所需的强度，因此 3 天和 7 天强度有助于预测混凝土的最终 28 天抗压强度。 使用 100% OPC（普通硅酸盐水泥）混合物时，通常在 7 天和 28 天之间观察到 25% 的强度增长，使用粉煤灰和/或矿渣水泥等火山灰和补充水泥材料 (SCM) 时，强度增长可达 40%。 由于强度增长取决于混合物的类型、成分、标准养护的使用、运输过程中对圆柱体的正确测试和护理等，因此必须同样依赖于测试混凝土在新鲜、塑性状态下的基本性能。

混凝土通常在浇筑时取样，测试协议要求测试样品在实验室条件下养护（标准养护）。 其他样品可以在现场养护（非标准）以进行早期“剥离”强度测试，即模板拆除、养护评估等，但标准养护的圆柱体包括验收标准。 混凝土测试可以测量混凝土在浇筑之前和期间的“塑性”（未水化）性能。 由于这些性能会影响混凝土的硬化抗压强度和耐久性（抗冻融性），因此会监测坍落度（工作性）、温度、密度和年龄等性能，以确保生产和浇筑“优质”混凝土。 测试按照 ASTM 国际标准或 CSA（加拿大标准协会）以及欧洲方法和实践进行。 进行混凝土测试的技术人员必须获得认证。 结构设计和材料性能通常根据 ACI 国际规范 (www.concrete.org) 在 ASTM C94（www.astm.org）的“处方”或“性能”采购选项下指定。

抗压强度测试使用带仪表的液压缸将圆柱形或立方体样品压缩至破坏。 抗拉强度测试通过三点弯曲棱柱形梁试样或沿圆柱形试样侧面进行压缩。

当由混凝土制成的结构需要拆除时，混凝土回收是一种常见的废渣处理方法。 混凝土碎屑曾经经常运往垃圾填埋场处理，但回收具有许多优势，使其成为在当今环境意识增强、环境法律更多以及希望降低建筑成本的时代中更具吸引力的选择。

从拆除现场收集的混凝土块被放入破碎机中，通常与沥青、砖块和岩石一起。 破碎设施只接受未污染的混凝土，混凝土必须没有垃圾、木材、纸张和其他此类材料。 金属，如钢筋，是可以接受的，因为它们可以使用磁铁和其他分选设备进行移除，并在其他地方熔化回收。 剩余的骨料块按尺寸进行分选。 更大的块可能再次通过破碎机。 更小的混凝土块用作新的建筑项目的碎石。 骨料基层碎石铺设在道路的最底层，上面覆盖着新鲜混凝土或沥青。 如果碎石混凝土不含污染物，则有时可以用作全新混凝土的干骨料，但使用回收混凝土会限制强度，并且在许多司法管辖区是不允许的。

回收混凝土具有环境效益，因为回收混凝土可以节省垃圾填埋空间，使用回收混凝土作为骨料可以减少对碎石开采的需求。

细菌本身对混凝土没有明显的影响。 然而，例如污水中的厌氧菌会产生硫化氢，然后被水位以上混凝土表面生物膜上的好氧菌氧化成硫酸，硫酸会溶解固化水泥中的碳酸盐，导致强度下降。 铺设在含黄铁矿的土地上的混凝土也面临风险。 使用石灰石作为骨料使混凝土更耐酸，污水可以通过提高 pH 值或氧化或沉淀硫化物来进行预处理，以抑制利用硫化物的细菌的活性。

暴露在海水中的混凝土容易受到其腐蚀作用的影响。 潮汐带以上的影响比混凝土永久浸没的地方更明显。 在浸没区，镁和碳酸氢根离子沉淀出约 30 微米厚的水镁石层，然后以文石的形式缓慢沉淀出碳酸钙。 这些层在一定程度上保护混凝土免受其他过程的影响，这些过程包括镁、氯离子和硫酸根离子的侵蚀以及碳酸化。 在水面以上，机械损伤可能由海浪本身或海浪携带的沙子和砾石的侵蚀以及从浸入混凝土孔隙中的水中结晶出来的盐分干燥引起。 使用火山灰水泥和使用超过 60% 矿渣作为骨料的水泥比纯硅酸盐水泥更耐海水。

当使用某些含有白云石的骨料时，会发生白云石化反应，其中碳酸镁化合物与羟基离子反应，产生氢氧化镁和碳酸根离子。 产生的膨胀可能导致材料破坏。 其他反应和重结晶，例如某些骨料中粘土矿物的水化，也可能导致破坏性膨胀。