通常所说的混凝土是由胶凝材料、粗骨料、细骨料和水(或不加水)按适当的比例配合、拌和制成混合物,经一定时间后硬化而成的人造石材,简称为"砼(tóng)"。新拌制的混凝土,通常称为混凝土拌和物。
分类
在现代建筑中,混凝土的运用极为广泛,已成为现代建筑中的主要建筑材料,其种类也非常之多,混凝土通常从以下几个方面进行分类:按所用胶凝材料的不同可分为水泥混凝土、沥青混凝土、水玻璃混凝土、聚合物混凝土、聚合物水泥混凝土、石膏混凝土和硅酸盐混凝土等几种。一般情况下所说的混凝土是指水泥混凝土。
按干表观密度的不同分为3类:重混凝土,其干表观密度大于2600kg/m3,采用重骨料(重晶石,铁矿粉或钢屑)和水泥配制而成,对X射线、γ射线有较高的屏蔽能力,主要用于防辐射工程,又称为防辐射混凝土;普通混凝土,其干表观密度为2000~2500kg/m3,一般多在2400kg/m3左右,采用水泥、水与普通砂、石配制而成,是目前土木工程中应用最多的混凝土,主要用作承重结构材料,目前全世界普通混凝土年用量达40多亿m3,我国年用量在15亿m3以上;轻混凝土,干表观密度小于1950kg/m3,包括轻骨料混凝土、大孔混凝土、多孔混凝土和无砂大孔混凝土,可用作承重结构、保温结构和承重兼保温结构。这种分类方法是混凝土最基本的分类方法。
按施工工艺可分为泵送混凝土、预拌混凝土(商品混凝土)、喷射混凝土、自密实混凝土、堆石混凝土、离心混凝土、压力灌浆混凝土(预填骨料混凝土)、挤压混凝土、造壳混凝土(裹砂混凝土)、真空吸水混凝土、热拌混凝土和太阳能养护混凝土等多种。
按用途可分为结构混凝土、防水混凝土、防辐射混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、大体积混凝土、膨胀混凝土、道路混凝土和水下不分散混凝土等多种。
按掺和料可分为粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、碱矿渣混凝土和纤维混凝土等多种。
按抗压强度(fcu)大小可分为低强混凝土(fcu<30MPa)、中强混凝土(fcu=30~60MPa)、高强混凝土(fcu≥60MPa)和超高强混凝土(fcu≥100MPa)等。按
每立方米中的水泥用量(C)分为贫混凝土(C≤170kg)和富混凝土(C≥230kg)。
强度
在土木工程结构和施工验收中,常用的混凝土强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度和抗折强度等几种。
1.混凝土立方体抗压强度
根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定,混凝土立方体抗压强度(fcu)是指按标准方法制作的,标准尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试件,在标准养护条件下[(20±2)℃,相对湿度为95%以上的标准养护室或(20±2)℃的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中],养护到28d龄期,以标准试验方法测得的抗压强度值。对于非标准尺寸(200mm×200mm×200mm和100mm×100mm×100mm)的试件,可采用折算系数折算成标准试件的强度值。边长为100mm的立方体试件,折算系数为0.95;边长为200mm的立方体试件,折算系数为1.05。这是因为试件尺寸不同,会影响试件的抗压强度。试件尺寸愈小,测得的强度愈大。
需要说明的是,混凝土各种强度的测定值,均与试件尺寸、试件表面状况、试验加荷速度、环境(或试件)的湿度和温度等因素有关。在进行混凝土各种强度测定时,应按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定的条件和方法进行检测,以保证检测结果的可靠性。
2.混凝土强度等级
按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)的规定,普通混凝土的强度等级按其立方体抗压强度标准值(fcu,k)划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。“C”代表混凝土,是concrete的第一个英文字母,C后面的数字为立方体抗压强度标准值(MPa)。混凝土强度等级是混凝土结构设计时强度计算取值、混凝土施工质量控制和工程验收的依据。
混凝土立方体抗压强度标准值系指按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件,在28d龄期或设计规定龄期内,以标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。
3.混凝土轴心抗压强度
确定混凝土强度等级是采用立方体试件,但在实际结构中,钢筋混凝土受压构件多为棱柱体或圆柱体。为了使测得的混凝土强度与实际情况接近,在进行钢筋混凝土受压构件(如柱子、桁架的腹杆等)计算时,都是采用混凝土的轴心抗压强度(fck)。
4.混凝土抗拉强度
混凝土是脆性材料,抗拉强度很低,拉压比为1/20~1/10,拉压比随着混凝土强度等级的提高而降低。因此在钢筋混凝土结构设计时,不考虑混凝土承受拉力(考虑钢筋承受拉应力),但抗拉强度对混凝土抗裂性具有重要作用,是结构设计时确定混凝土抗裂度的重要指标,有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋的黏结强度。
5.混凝土抗折强度
混凝土道路工程和桥梁工程的结构设计、质量控制与验收等环节,须要检测混凝土的抗折强度(fcf)。《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定,混凝土抗折强度是指按标准方法制作的,标准尺寸为150mm×150mm×600mm(或550mm)的长方体试件,在标准养护条件下养护到28d龄期,以标准试验方法测得的抗折强度值。
优缺点
在世界各地的土木工程中,混凝土是最重要的、使用最广泛的建筑材料。普通混凝土与钢材、木材等常用土木工程材料相比有许多优点:
(1)混凝土的组分分布广泛、造价低廉,可以就地取材。
(2)可通过改变混凝土的组分及其数量比例,根据混凝土的用途配制不同物理力学性能的混凝土。
(3)凝结前有良好的可塑性,可利用模板浇灌成任何形状及尺寸的构件或结构物,故可用于多种类型的建筑。
(4)混凝土与钢筋的线膨胀系数基本相同,与钢筋有较高的握裹力,两者复合后制成钢筋混凝土能很好地共同工作。
(5)混凝土使用期间不需经常维修保养,能源耗用少。
(6)混凝土可浇筑成整体以提高建筑物的抗震性能,也可预制成各种构件再行装配等。
普通混凝土也存在一些缺点:
(1)混凝土抗拉强度低,一般为抗压强度的1/10~1/20,易产生裂缝,受拉时易产生脆性破坏。
(2)自重大,不利于建筑物(构筑物)向高层、大跨度方向发展。
(3)耐久性不够,在自然环境、使用环境及内部因素作用下,混凝土的工作性能易发生劣化,硬化较慢,生产周期长,在自然条件下养护的混凝土预制构件,一般要养护7~14d方可投入使用。
建筑工程中使用的混凝土,一般要满足以下四项要求:
(1)各组成材料经拌和后形成的拌和物应具有一定的和易性,以便于施工。
(2)混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度。
(3)硬化后的混凝土应具有适应其所处环境的耐久性。
(4)经济合理,在保证质量的前提下,节约造价。
耐久性
混凝土的耐久性是指混凝土能抵抗环境介质的长期作用,保持正常使用性能和外观完整性的能力。
混凝土的抗渗性
混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力液体(水、油和溶液等)渗透作用的能力。它是决定混凝土耐久性最主要的因素。因为外界环境中的侵蚀性介质只有通过渗透才能进入混凝土内部产生破坏作用。
工程上用抗渗等级来表示混凝土的抗渗性。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)的规定,采用标准养护28d的标准试件,按规定的方法进行试验,以其所能承受的最大水压力(MPa)来计算其抗渗等级。混凝土抗渗等级分为P4、P6、P8、P10和P12五级,相应表示混凝土能抵抗0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa的水压力而不渗水。
混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下,经受多次冻融循环作用,强度不严重降低,外观能保持完整的性能。水结冰时体积膨胀约9%,如果混凝土毛细孔充水程度超过某一临界值(91.7%),则结冰产生很大的压力。此压力的大小取决于毛细孔的充水程度、冻结速度及尚未结冰的水向周围能容纳水的孔隙流动的阻力(包括凝胶体的渗透性及水通路的长短)。
混凝土的抗冻性用抗冻等级Fn来表示,分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300九个等级,其中数字表示混凝土能承受的最大冻融循环次数。按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)的规定,混凝土抗冻等级的测定有两种方法:一是慢冻法,以标准养护28d龄期的立方体试件,在水饱和后,于-15℃~20℃情况下进行冻融,最后以抗压强度下降率不超过25%、质量损失率不超过5%时,混凝土所能承受的最大冻融循环次数来表示。二是快冻法,采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件,以混凝土快速冻融循环后,相对动弹性模量不小于60%、质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数表示。
混凝土的碳化
混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中的Ca(OH)2与空气中的CO2,在一定湿度条件下发生化学反应,生成CaCO3和H2O的过程。碳化对混凝土的物理力学性能有明显作用,会使混凝土出现碳化收缩,强度下降,还会使混凝土中的钢筋因失去碱性保护而锈蚀,并引起混凝土顺筋开裂;碳化收缩会引起微细裂纹,使混凝土强度降低。但是碳化时生成的CaCO3填充在水泥石的孔隙中,使混凝土的密实度和抗压强度提高,对防止有害杂质的侵入有一定的缓冲作用。
混凝土的碱-骨料反应
碱-骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction,简称AAR)是指混凝土中的碱与具有碱活性的骨料之间发生反应,反应产物吸水膨胀或反应导致骨料膨胀,造成混凝土开裂破坏的现象。根据骨料中活性成分的不同,碱-骨料反应分为三种类型:碱-硅酸反应(Alkali-SilicaReaction,ASR)、碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction,ACR)和碱-硅酸盐反应(Alkali-Silicate Reaction)。
碱-硅酸反应(ASR)是分布最广、研究最多的碱-骨料反应,该反应是指混凝土内的碱与骨料中的活性SiO2反应,生成碱-硅酸凝胶,并从周围介质中吸收水分而膨胀,导致混凝土开裂破坏的现象。
混凝土的抗侵蚀性
环境介质对混凝土的化学侵蚀主要有淡水的侵蚀、硫酸盐的侵蚀、海水的侵蚀、酸碱侵蚀等,其侵蚀机理与水泥石化学侵蚀相同。
对以上各类侵蚀难以有共同的防止措施。一般是通过提高混凝土的密实度,改善混凝土的孔隙结构,以使环境侵蚀介质不容易渗入混凝土内部,或者采用外部保护措施以隔离侵蚀介质不与混凝土相接触。
混凝土的表面磨损
混凝土的表面磨损有三种情况:一是机械磨耗,如路面、机场跑道、厂房地坪等处的混凝土受到反复摩擦、冲击而造成的磨耗;二是冲磨,如桥墩、水工泄水结构物、沟渠等处的混凝土受到高速水流中夹带的泥沙、石子颗粒的冲刷、撞击和摩擦造成的磨耗;三是空蚀,如水工泄水结构物受到水流速度和方向改变形成的空穴冲击而造成的磨耗。
配合比
普通水泥混凝土的配合比是指混凝土中水泥、水、砂、石子四种主要组成材料用量之间的比例关系。常用的表示方法有两种:一种是以每立方米混凝土中各材料的用量(kg)来表示的,另一种是以水泥用量为1,表示出各材料用量之间的比例关系,分别称为质量表示法和比例表示方法。
混凝土中各材料的用量
组成材料 | 水泥 | 水 | 砂 | 石 |
质量表示法 | 300kg/m³ | 180kg/m³ | 720kg/m3 | 1200kg/m³ |
比例表示法 | 1 | 0.60 | 2.40 | 4.00 |
当混凝土所用原材料不同时,为使混凝土达到同样的技术要求,其配合比将是不同的。因此,在进行配合比设计时,必须根据工程中所采用的原材料并结合实际施工条件,通过必要的计算和试验来慎重决定。对于已有的混凝土配合比经验数据只能作为参考,不能套用。因此,必须掌握混凝土配合比设计的基本原则与方法,以便能结合实际条件,设计出最合理的混凝土配合比。
其他品种
高强高性能混凝土
将强度等级大于等于C60的混凝土称为高强混凝土;将具有良好的施工和易性和优异的耐久性,且均匀密实的混凝土称为高性能混凝土;同时具备上述性能的混凝土称为高强高性能混凝土。
轻骨料混凝土
用轻粗骨料、轻细骨料(或普通砂)和水泥配制而成的混凝土,其干表观密度不大于1950kg/m3,称为轻骨料混凝土。当粗细骨料均为轻骨料时,称为全轻混凝土;当细骨料为普通砂时,称砂轻混凝土。
多孔混凝土
多孔混凝土中无粗、细骨料,内部充满大量细小封闭的孔,孔隙率高达60%以上。多孔混凝土可分为加气混凝土和泡沫混凝土两种。近年来,也有用压缩空气经过充气介质弥散成大量微气泡,均匀地分散在料浆中而形成多孔结构。这种多孔混凝土称为充气混凝土。
大孔混凝土
大孔混凝土指无细骨料的混凝土。按其粗骨料的种类,可分为普通无砂大孔混凝土和轻骨料大孔混凝土两类。普通大孔混凝土是用碎石、卵石、重矿渣等配制而成。轻骨料大孔混凝土则是用陶粒、浮石、碎砖、煤渣等配制而成。有时为了提高大孔混凝土的强度,也可掺入少量细骨料,这种混凝土称为少砂混凝土。
碾压式水泥混凝土
碾压式水泥混凝土是以较低的水泥用量和很小的水灰比配制而成的超干硬性混凝土,经机械振动碾压密实而成,通常简称为碾压混凝土。这种混凝土主要用来铺筑路面和坝体,具有强度高、密实度大、耐久性好和成本低等优点。
抗渗混凝土
抗渗混凝土系指抗渗等级不低于P6级的混凝土。即它能抵抗0.6MPa静水压力作用而不发生透水现象。为了提高混凝土的抗渗性,通常采用合理选择原材料、提高混凝土的密实程度以及改善混凝土内部孔隙结构等方法来实现。
耐热混凝土
耐热混凝土是指由合适的胶凝材料、耐热粗、细骨料及水,按一定比例配制而成,能长期在高温(200~900℃)作用下保持所要求的物理和力学性能的一种特种混凝土。
耐酸混凝土
能抵抗多种酸及大部分腐蚀性气体侵蚀作用的混凝土称为耐酸混凝土。耐酸混凝土主要有水玻璃耐酸混凝土和硫磺耐酸混凝土。
泵送混凝土
泵送混凝土系指坍落度不小于100mm,并用泵送施工的混凝土。它能一次连续完成水平运输和垂直运输,效率高、节约劳动力,因而近年来国内外应用也十分广泛。
耐火混凝土
耐火混凝土是一种能长期承受高温作用(900℃以上),并在高温下保持所需要的物理力学性能(如有较高的耐火度、热稳定性、荷重软化点以及高温下较小的收缩等)的特种混凝土。它是由耐火骨料(粗细骨料)与适量的胶结料(有时还有矿物掺和料或有机掺和料)和水按一定比例配制而成。
发展历史
混凝土材料的应用可追溯到古老年代。数千年前,我国劳动人民及埃及人就用石灰与砂配制成砂浆砌筑房屋。后来罗马人又使用石灰、砂及石子配制成混凝土,并在石灰中掺入火山灰配制成用于海岸工程的混凝土,这类混凝土强度不高,使用量少。
现代意义上的混凝土,是在约瑟夫·阿斯帕丁1824年发明波特兰水泥以后,于1830年前后才得以问世;1850年出现了钢筋混凝土,使混凝土技术发生了第一次革命性的飞跃;1928年制成了预应力钢筋混凝土,产生了混凝土技术的第二次飞跃;1965年前后混凝土外加剂,特别是减水剂的应用,使轻易获得高强度混凝土成为可能,混凝土的工作性能显著提高,导致了混凝土技术的第三次革命性飞跃。目前,混凝土技术正朝着超高强、轻质、高耐久性、多功能和智能化方向发展。
水泥混凝土经过180多年的发展,已演变成了有多个品种的土木工程材料。
发展方向
混凝土作为主要的土木工程材料,在土木工程各个领域的应用不断增加。现代土木工程结构向大跨度、轻型、高耸结构发展,混凝土材料也在地下工程、海洋工程中不断扩展,使得工程结构对混凝土的性能要求越来越高。随着人类社会向智能化社会发展,将出现智能交通系统、智能大厦、智能化社区等。传统的混凝土向高性能、多功能、智能化混凝土发展将是必然趋势。而混凝土第五组分(化学外加剂)与第六组分(掺和料)的研究及应用,则是现代混凝土技术发展的核心。