混凝土材料基础

所谓混凝土,是指由胶凝材料(无机的、有机的、无机有机复合的)、颗粒状骨料(包括粗骨料和细骨料)和水,以及必要时加入的化学外加剂和矿物掺合料,按一定的比例拌和,并在一定条件下经硬化后形成的复合材料。混凝土不同于其他的建筑材料,其结构并不复杂,生产工艺也比较简单。但混凝土又是由多种材料组成的多相非均质体,内部有很多缺陷,且由于配制混凝土的原材料差异较大,再加上环境、施工工艺、使用状态等多种因素的影响,使得混凝土呈现出复杂的状态。

混凝土是当代最主要的建筑材料之一，广泛应用于工业与民用建筑、道路、桥梁、机场、码头等土木工程当中。

1.1 混凝土材料的历史与发展

混凝土最早出现在公元前约7000年，当时人类已经使用石灰作为黏结材料来建造房屋底面或平台。公元前4500年，人们就已经利用了含有黏土成分的石灰石煅烧后的产物，类似于现代的水泥与砂、水混合制成建筑砌块。公元前2500年，出现了用破碎的火山岩与石灰、泥土混合制成的建筑材料。古埃及的金字塔在建造的过程中就用到了这些材料。

我国早在公元前 3000 年就已能烧制石灰，它是我国古代建筑的材料基础。历史上曾建造了大量世界闻名的土木工程，如都江堰、万里长城、大运河、赵州桥、北京故宫等，这些工程基本以土、石、砖、木、三合土（磨细熟石灰与黏土配制成灰土，再加入砂子配成三合土）为建筑材料，其中的三合土是一种原始的混凝土。

古罗马时期，混凝土的理论有了显著的发展。在公元前300年，古罗马人发现并利用了火山灰，将火山灰、煅烧后的石灰、砂子和水混合在一起，形成了一种结构坚固且性能优良的建筑材料。代表性的建筑有公元50年建成的加尔桥(见图1-1)和公元120年建造的万神殿(见图1-2)。古罗马建筑的辉煌使其成为混凝土技术发展的重要里程碑。

从罗马帝国的衰落开始，混凝土技术经历了很长一段时间的停滞。直到欧洲工业革命前夕，水泥的研究与开发取得了一定进展。1824年英国人约瑟夫·阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利，水泥得以作为胶凝材料替代火山灰、石灰，使混凝土的发展有了质的飞跃。用水泥配制成的混凝土，具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，因而用途极为广泛。

此后，随着钢铁工业的发展，1875年，威廉·拉塞尔斯获得了用钢筋强化混凝土的技术专利。在混凝土中配入钢筋，形成钢筋混凝土复合材料，使混凝土的应用范围更加扩大，这是混凝土材料应用技术的一个巨大进步。此后的半个多世纪中此种混凝土结构成为重要的结构形式，如我国上海外滩早期的混凝土建筑已经超过100年(见图1-3)。

图 1-1 加尔桥

图 1-2 万神殿

图 1-3 上海外滩早期的混凝土建筑

1919 年,艾布拉姆斯发表了著名的水灰比学说,初步奠定了混凝土强度的理论基础。1928 年,法国的佛列西涅提出了混凝土的收缩和徐变理论,发明了预应力钢筋混凝土的施工工艺。预应力钢筋混凝土的出现是混凝土技术的又一次飞跃,预应力技术弥补了混凝土抗拉强度低、易开裂的弱点,使得大跨度、高层建筑等成为现实。

20 世纪 60 年代以来,外加剂广泛应用于混凝土中,并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土,使混凝土拌合物的搅拌、运输、浇筑和成型变得更加容易;外加剂不断改善混凝土的各种性能,为混凝土施工工艺的发展创造了良好条件。

预制装配式混凝土技术推动了建筑工业化进程,预制装配式混凝土技术具有显著提高工程质量、缩短项目周期、节约建造资源、减少无效能耗和改善施工环境等特点。

高分子材料应用于混凝土材料领域,出现了聚合物混凝土,其抗拉、抗冲击、抗侵蚀性能都大幅提高;多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土中,可提高混凝土的抗拉强度、冲击韧性和抗裂性能。电子显微镜、X射线衍射分析等现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料的研究中,这也从另一方面促进了混凝土材料的发展。

1.2 混凝土的分类

随着混凝土技术的不断进步,混凝土的种类越来越丰富,分类方法也多种多样。

(1) 按所用的胶凝材料不同, 混凝土可分为以下几种:

①无机胶结材混凝土:如水泥混凝土、石膏混凝土等;

②有机胶结材混凝土:如沥青混凝土等;

③无机有机复合胶结材混凝土:如聚合物水泥混凝土等。

(2) 按表观密度不同, 混凝土可分以下几种:

①重混凝土( ρ0>2500kg/m3):采用密度很大的骨料(如重晶石、铁矿石、钢屑等)和钡水泥、锶水泥等重水泥配制而成。重混凝土具有防射线性能,所以又称防射线混凝土。其主要用作核能工程的屏蔽结构材料。