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扒一扒随处可见的混凝土

罗兹沃柯2018-07-03 16:48:29

来自:西南交大桥梁

创建者:桥梁工程系现任系主任李永乐教授

本文作者:赵人达


作者简介:赵人达,博士,教授,博士生导师,曾任结构工程研究所所长、结构工程试验中心主任、桥梁工程系主任、土木工程学院副院长、研究生院副院长等,现为北京茅以升科技教育基金会桥梁委员会副主任、中国公路学会桥梁和结构工程分会常务理事等。

1 名号

中文名混凝土,简称为“砼(tóng)”,它是指由胶凝材料将骨料胶结成整体的工程复合材料的统称,为人造石材,现在广泛应用于土木工程。通常所说的混凝土一词是指用水泥作胶凝材料,砂、石作骨料,与水按一定比例配合,经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土,也称普通混凝土。有时为了改善和提高混凝土的某些性能,也可以在组成材料中加入适量的掺合料和外加剂,形成了今天丰富多彩的混凝土家族。

2 发展历史

据文献记载,被学术界评定为20世纪中国百项考古大发现之一:距今5000年的大地湾遗址,位于甘肃省天水市秦安县境内。1978年,考古人员发现了一片面积达130平方米的坚硬平滑地面。经专家鉴定,这片灰青色的地面不但含有与现代混凝土相同的“硅酸钙”成分,而且平均每平方厘米抗压强度在120公斤左右,相当于今天100号水泥砂浆地面。

大地湾遗址5000年前的“混凝土”地表(图片来自互联网)

通过对地面的测定与分析,专家认为大地湾混凝土是以大地湾出产的最常见的料礓石经煅烧后粉碎加适量的红粘土制成胶凝材料和轻骨料再加水调制而成的。

相当于今天100号水泥砂浆地面(图片来自互联网)

早期所用的胶凝材料主要为粘土、石灰、石膏和火山灰等。自19世纪20年代出现了波特兰水泥后,由于用它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,特别是能耗较低,因而用途极为广泛。

20世纪初,有人发表了水灰比等学说,初步奠定了混凝土强度的理论基础。后来,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。

混凝土材料具有很好的可塑性,结构外形可以由工程师、建造师设计赋予。

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3 混凝土的分类

混凝土有多种分类方法。

按胶凝材料分:1)无机胶凝材料混凝土,无机胶凝材料混凝土包括石灰硅质胶凝材料混凝土(如硅酸盐混凝土)、硅酸盐水泥系混凝土(如硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰质水泥、早强水泥混凝土等)、钙铝水泥系混凝土(如高铝水泥、纯铝酸盐水泥、喷射水泥、超速硬水泥混凝土等)、石膏混凝土、镁质水泥混凝土、硫磺混凝土、水玻璃氟硅酸钠混凝土、金属混凝土(用金属代替水泥作胶结材料)等;2)有机胶凝材料混凝土。有机胶凝材料混凝土主要有沥青混凝土和聚合物水泥混凝土、树脂混凝土、聚合物浸渍混凝土等。

按表观密度分:重混凝土、普通混凝土、轻质混凝土。这三种混凝土不同之处就是骨料的不同。其中,重混凝土的表观密度大于2500公斤/立方米,用特别密实和特别重的集料制成,如重晶石混凝土、钢屑混凝土等,它们具有不透X射线和射线的性能,常由重晶石和铁矿石配制而成。普通混凝土即是我们在建筑中常用的混凝土,表观密度为1950~2500公斤/立方米,主要以砂、石子为主要集料配制而成,是土木工程中最常用的混凝土。轻质混凝土是表观密度小于1950公斤/立方米的混凝土。它又可以分为三类:①轻集料混凝土,其表观密度在800~1950公斤/立方米之间,轻集料包括浮石、火山渣、陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣、矿渣等。②多空混凝土(泡沫混凝土、加气混凝土),其表观密度为300~1000公斤/立方米。泡沫混凝土是由水泥浆或水泥砂浆与稳定的泡沫制成的。加气混凝土是由水泥、水与引气剂制成的。③大孔混凝土(普通大孔混凝土、轻骨料大孔混凝土),其组成中无细集料。普通大孔混凝土的表观密度范围为1500~1900公斤/立方米,是用碎石、软石、重矿渣作集料配制的。轻骨料大孔混凝土的表观密度为500~1500公斤/立方米,是用陶粒、浮石、碎砖、矿渣等作为集料配制的。

按使用功能分:结构混凝土、保温混凝土、装饰混凝土、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、防辐射混凝土等。

按施工工艺分:离心混凝土、真空混凝土、灌浆混凝土、喷射混凝土、碾压混凝土、挤压混凝土、泵送混凝土等。

按配筋方式分:素(即无筋)混凝土、钢筋混凝土、钢丝网水泥、预应力混凝土等。

按拌合物的和易性分:干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土、流动性混凝土、高流动性混凝土、流态混凝土等。

按掺和料分:粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、矿渣混凝土、纤维混凝土等。

按抗压强度分:低强混凝土(抗压强度小于30MPa)、中强度混凝土(抗压强度30~60MPa)和高强度混凝土(抗压强度大于等于60MPa)。

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4 混凝土的原材料

水泥、石灰、石膏等无机胶凝材料与水拌和使混凝土拌合物具有可塑性,进而通过化学和物理化学作用凝结硬化而产生强度。一般说来,饮用水都可满足混凝土拌和用水的要求。值得注意,水中过量的酸、碱、盐和有机物都会对混凝土产生有害的影响。集料不仅有填充作用,而且对混凝土的容重、强度和变形等性质有重要影响。

为改善混凝土的某些性质,可加入外加剂。由于掺用外加剂有明显的技术经济效果,它日益成为混凝土不可缺少的组分。为改善混凝土拌合物的和易性或硬化后混凝土的性能,节约水泥,在混凝土搅拌时也可掺入磨细的矿物材料──掺合料,分为活性和非活性两类。掺合料的性质和数量影响混凝土的强度、变形、水化热、抗渗性和颜色等。

5 配合比设计

混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本而又最重要的一个问题,混凝土各组成材料的配合比例决定着混凝土的技术性能和工程成本。合理确定各个技术参数,是设计混凝土配合比时必须慎重考虑的事情,它关系到设计出的配合比的实用性和技术经济性。混凝土配合比的设计通常按水灰比法则的要求进行,材料用量的计算主要用假定容重法或绝对体积法。对于普通混凝土,按照试配强度,合理确定水、水泥、砂和石的用量,对计算所得的配合比结果要通过试配、试拌来验证。

随着经济发展和科学技术的进步,人们对混凝土材料的性能要求不断丰富和提高,由传统的注重混凝土强度发展到对工作性能、强度、耐久性、体积稳定性、抗离析能力和通过能力等多方面提出要求,这种混凝土的配合比设计较传统意义下的配合比设计内容更加丰富、计算更为复杂,例如,有学者提出了“基于填充理论和膜厚度理论的高性能混凝土配合比设计”(Packing and film thickness theories for the mix design of high-performance concrete)方法等。目前,更多地朝着根据工程要求对混凝土材料开展性能设计的方向努力,即将混凝土作为一种可设计的材料,按照使用要求来设计和赋予其所需要的性能。

6 混凝土的养护

养护的目的在于创造适当的温湿度条件,保证或加速混凝土的正常硬化。不同的养护方法对混凝土性能有不同影响。常用的养护方法有自然养护、蒸汽养护、干湿热养护、蒸压养护、电热养护、红外线养护和太阳能养护等。养护经历的时间称养护周期。为了便于比较,规定测定混凝土性能的试件必须在标准条件下进行养护。我国采用的标准养护条件是:控制温度为20±2°C,标准养护时间为28天,相对湿度不低于95%。

在实际工程中,混凝土的养护方法多采用自然养护和蒸汽养护。

混凝土养护期间,应重点加强混凝土的湿度和温度控制,尽量减少表面混凝土的暴露时间,及时对混凝土暴露面进行紧密覆盖(可采用蓬布、塑料布等进行覆盖),防止表面水分蒸发。暴露面保护层混凝土初凝前,应卷起覆盖物,用抹子搓压表面,使之平整后再次覆盖,此时应注意覆盖物不要直接接触混凝土表面,直至混凝土终凝为止。

混凝土的蒸汽养护可分静停、升温、恒温、降温四个阶段,混凝土的蒸汽养护应分别符合下列规定:

(1)静停期间应保持环境温度不低于5℃,灌筑结束4~6h且混凝土终凝后方可升温。

(2)升温速度不宜大于10℃/h。

(3)恒温期间混凝土内部温度不宜超过60℃,最大不得超过65℃,恒温养护时间应根据构件脱模强度要求、混凝土配合比情况以及环境条件等通过试验确定。

(4)降温速度不宜大于10℃/h。

7 混凝土的基本性能

混凝土的性能包括混凝土拌合物的和易性、混凝土强度、变形及耐久性等等。和易性又称工作性,是指混凝土拌合物在一定的施工条件下,便于各种施工工序的操作,以保证获得均匀密实的混凝土的性能。和易性是一项综合技术指标,包括流动性(稠度)、粘聚性和保水性三个主要方面。强度是混凝土硬化后的主要力学性能,反映混凝土抵抗荷载的量化能力。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。其中以抗压强度最大,抗拉强度最小,抗拉强度一般仅为抗压强度的5%~10%。混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。非荷载作用下的变形有化学收缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量过多,在混凝土的内部易产生化学收缩而引起微细裂缝。混凝土的弹性模量是抵抗荷载变形的重要指标。混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用,长期保持强度和外观完整性的能力。包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。

在现代结构设计和分析中,对于大型复杂结构或结构的复杂受力部位,不仅要关注混凝土在简单受力状态下的强度和变形性能,还要根据其实际受力情况,建立其在复杂受力状态、复杂加载历史下的混凝土强度破坏准则和应力与应变之间的关系(称为本构关系),据此开展精细化的全过程受力分析。

8 结语

本文是一个初步尝试,今后将结合混凝土材料的最新发展状态、复杂受力性能和现代混凝土结构体系,慢慢絮叨。

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