混凝土是一種建筑復(fù)合材料，由水泥（通常是波特蘭水泥）和其他膠凝材料組成，如粉煤灰和礦渣水泥、骨料（通常是由礫石或碎巖石如石灰?guī)r、花崗巖加上細骨料制成的粗骨料）、水和化學外加劑。混凝土的英文“concrete”來自拉丁語“concretus”（意為緊湊或濃縮）。跟水混合放置一段時間后，混凝土由于發(fā)生水化反應(yīng)而產(chǎn)生凝固和硬化。混凝土用于建造人行道、管道、建筑結(jié)構(gòu)、地基、高速公路/道路、橋梁/立交橋、停車場、圍墻、電線桿甚至船。僅在美國，混凝土就驅(qū)動著350億美元的產(chǎn)業(yè)，工人數(shù)超過二百萬名，并且超過89000公里的高速公路鋪著混凝土。鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和預(yù)制混凝土是現(xiàn)代使用最廣泛的三種混凝土類型。

    混凝土的組成

    通過改變主要組成的比例，可以獲得不同類型的混凝土，并且可以根據(jù)不同應(yīng)用需要對成品的強度、密度、化學和熱性能進行調(diào)控。

    水泥

    在一般使用情況下，最常見的水泥類型是波特蘭水泥。它是混凝土、砂漿和石膏的基本配料。英國砌筑工人Joseph Aspdin于獲得1824年波特蘭水泥專利；之所命名為波特蘭水泥是因為其顏色與波特蘭石灰?guī)r相似，波特蘭石灰?guī)r產(chǎn)于英國波特蘭島并廣泛應(yīng)用于倫敦建筑。波特蘭水泥由鈣、硅和鋁的氧化物混合組成。波特蘭水泥是由加熱石灰石（鈣的來源）與粘土混合物，然后加入石膏（硫酸來源）并研磨熟料得到的。像波特蘭水泥這樣的產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的溫室氣體。因此，最近幾年出現(xiàn)了一些水泥的替代品。

    水

    將水與膠凝材料混合，水化過程中形成水泥漿。水泥漿將骨料膠黏在一起，填補骨料之間的空隙，并且使得骨料的流動性變好。水泥漿中的水較少時有助于形成更堅固、更耐用的混凝土，水較多時則會形成坍落度更高、流動性更好的混凝土。如果用于制造混凝土的水不純凈，在凝固過程中就可能出現(xiàn)問題或者導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)過早失效。水化過程涉及許多不同的反應(yīng)，通常發(fā)生在同一時間。隨著反應(yīng)的進行，水泥水化過程中的產(chǎn)物，逐漸將單顆粒的砂和礫石及其他混凝土成分粘結(jié)在一起，形成固體。

    骨料

    作為一種脆性材料，混凝土是一種名副其實的復(fù)合材料，骨料的存在大大增加了混凝土的強度。細骨料和粗骨料占了混凝土拌合物的絕大部分。骨料主要是砂、天然礫石和碎石。來自建造、拆遷和挖掘的廢棄物作為再生骨料被越來越多地用來替代部分天然骨料，此外，一些工廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的骨料比如風冷高爐礦渣和底灰也可以用來替代部分天然骨料。有時將裝飾石材如石英石、小河石或碎玻璃添加到混凝土表面作為“暴露骨料”，這在景觀設(shè)計中很受歡迎。

    增強體

    混凝土在壓縮過程中有很強的抗壓性，因為骨料能有效地承受壓縮載荷。然而，它的抗拉能力很弱，因為在拉伸的過程中水泥基體容易破裂而導(dǎo)致構(gòu)筑物失效。為了能讓混凝土承受拉伸載荷，人們通過添加鋼筋、玻璃纖維或塑料纖維來進行增強。

    化學外加劑

    化學外加劑是指在混凝土中添加的粉末或液體材料，可調(diào)節(jié)和改善混凝土的性能，使其具有純混凝土拌合物所不能得到的某些特性。正常使用時，外加劑是在拌合時摻入混凝土中的，摻量小于水泥的5%。

    常用外加劑的種類如下：

    1、速凝劑：加速混凝土的水化（硬化）。典型的加速劑有氯化鈣、硝酸鈣和硝酸鈉。然而，使用氯化物可能會引起鋼筋腐蝕，而且在一些國家是被禁止的，所以，使用硝酸鹽更恰當。

    2、緩凝劑：延緩混凝土的水化，用于大型或復(fù)雜澆筑（這時如果在澆筑完成之前發(fā)生部分凝固將是不利的）。典型的多元醇緩凝劑有白糖、蔗糖、葡萄糖酸鈉、葡萄糖、檸檬酸和酒石酸。

    3、引氣劑：在攪拌混凝土過程中能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，減弱凍融循環(huán)破壞，從而提高混凝土的耐久性。然而，每夾帶1%的空氣可能會導(dǎo)致抗壓強度下降5%。

    4、塑化劑：提高新拌混凝土的和易性，使它更容易成型。塑化劑可用來減少拌合用水量而不損害和易性，因此有時也被稱為減水劑。高效減水劑是一類具有較少有害影響并可提高混凝土和易性的塑化劑。作為高效減水劑的化合物包括萘磺酸甲醛縮合物、磺化三聚氰胺甲醛縮合物、丙酮甲醛縮合物和聚羧酸醚。

    5、著色劑：美學上用來改變混凝土的顏色。

    6、阻銹劑：用來減少鋼筋在混凝土中的腐蝕。

    7、粘結(jié)劑：用來膠結(jié)新、舊混凝土（通常是一種類型的聚合物）。

    8、泵送劑：改善混凝土拌合物泵送性能。

    礦物摻合料和水泥混合材

    部分無機材料也有火山灰活性或潛在的水硬性。這些粒度非常細小的材料被添加到混凝土拌合料中，以改善混凝土的性能（礦物摻合料），或作為波特蘭水泥的替代品（水泥混合材）。

    1、粉煤灰：燃煤發(fā)電廠的副產(chǎn)品，用來取代部分波特蘭水泥（取代量可高達60%）。粉煤灰的性質(zhì)取決于煤燃燒類型。一般來說，硅質(zhì)粉煤灰具有火山灰活性，而鈣質(zhì)粉煤灰具有潛在的水硬性。

    2、粒化高爐礦渣（GGBFS）：生產(chǎn)鋼鐵的副產(chǎn)品，用來取代部分波特蘭水泥（取代量可高達80%）。它具有潛在的水硬性。

    3、硅粉：生產(chǎn)硅和硅鐵合金的副產(chǎn)品。硅灰類似于粉煤灰，但顆粒要小100倍，從而具有更高的比表面積，火山灰反應(yīng)更快。硅灰用來提高混凝土的強度和耐久性，但通常需要使用高效減水劑來改善和易性。

    4、高活性偏高嶺土（HRM）：混凝土中添加高活性偏高嶺土產(chǎn)生的強度和耐久性可與硅粉媲美。硅灰的顏色一般是深灰色或黑色，而高活性偏高嶺土一般是亮白色，這使得高活性偏高嶺土在裝飾用混凝土選擇中更具外觀優(yōu)勢。

    混凝土的歷史

    在羅馬帝國時期，混凝土是由生石灰、火山灰和浮石骨料制成。羅馬建筑廣泛使用混凝土是建筑史上的一個重要事件——被稱為羅馬建筑革命，使羅馬建筑從石頭和磚的限制中解放出來，并且促進了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和尺寸設(shè)計上的革新。正如羅馬人所知的那樣，混凝土是一種新的、革命性的材料，當鋪設(shè)拱、拱頂和穹頂時，混凝土很快就能變成一個剛體，而不像石頭或磚那樣由于存在較多相互作用力而困擾建設(shè)者。

    現(xiàn)代測試表明，羅馬帝國時期的混凝土和現(xiàn)代波特蘭水泥混凝土的抗壓強度相當（約200kg/cm2）。然而，由于沒有鋼筋，其抗拉強度遠低于現(xiàn)代混凝土。混凝土的廣泛應(yīng)用使許多羅馬建筑得以幸存至今，卡拉卡拉浴場就是其中一個例子。許多羅馬水道和橋梁與萬神殿圓頂一樣具有混凝土芯磚石包層。混凝土外加劑的使用可以追溯到古羅馬和埃及時代，當時人們在混凝土拌合物中加入火山灰以使其在水下凝固。此外，羅馬人還知道，加入馬毛可使混凝土硬化時不易開裂，加入血液可使其更耐霜凍。

    如今，因為日益嚴格的環(huán)保法規(guī)，使用回收材料作為混凝土配料已經(jīng)越來越受歡迎。其中最引人注目的是粉煤灰——火力發(fā)電廠的副產(chǎn)品，粉煤灰作為水泥替代物使用減少了所需水泥量、采石量和垃圾填埋空間。研究人員還嘗試添加其他材料來改善混凝土的性質(zhì)，如提高其強度和電導(dǎo)率。Marconite（馬可尼特，一種用于生產(chǎn)導(dǎo)電混凝土的骨料）就是一個例子。

    世界記錄

    單一工程最大混凝土灌注量的世界紀錄保持者是中國湖北三峽大壩，大壩建設(shè)用混凝土估計為1600萬立方米。此前的紀錄是巴西伊泰普水電站的320萬立方米。

    混凝土泵送最大高度的世界紀錄是印度于2009年8月7 日在一個水電工程的施工過程中創(chuàng)造的，當時混凝土泵送的垂直高度達到了715米。

    混凝土最大連續(xù)澆筑量的世界記錄是Al Habtoor-CCC合資公司于2007年8月在阿布扎比（阿拉伯聯(lián)合酋長國首都）創(chuàng)造的，當時阿布扎比地表大廈基礎(chǔ)一部分的混凝土連續(xù)澆筑量在兩天內(nèi)達到了16000立方米。前一個記錄（接近10500立方米）是迪拜承包公司在2007 年3月23日創(chuàng)造的。

    最大連續(xù)澆筑混凝土地面的世界記錄是一個建筑設(shè)計公司于1997年11月8日在路易斯維爾（美國肯塔基州城市）創(chuàng)造的，整體包含20900平方米混凝土的施工在30小時內(nèi)完成，總體積超過了前一個記錄50%，總面積超過了前一個記錄7.5%。

    水下混凝土最大連續(xù)澆筑量的世界記錄是俄亥俄州馬漢建筑公司于2010年10月18日創(chuàng)造的，通過使用兩個混凝土泵和兩個專用混凝土攪拌機在58小時內(nèi)完成了包含7817立方米混凝土的施工。

責任編輯：李玲珊

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