混凝土实用手册

混凝土实用手册

第一章混凝土结构物的特性

1.1混凝土结构物的种类与特性

1.1.1混凝土结构物的种类

根据是否需要辅助材料，混凝土结构物（构件）大致可区分为钢筋混凝土和素混凝土结构物。

[1] 钢筋混凝土和素混凝土

最一般的混凝土结构物就是钢筋混凝土结构物，主要用于建筑、桥梁、高架桥、地铁等交通枢纽设施，防波堤、栈桥、码头等港湾设施，核反应堆设施、LNG（液化天然气）地下罐等能源关联设施。预应力混凝土（PC）也常作为桥梁的中心而被使用。

素混凝土可用于修建水坝、铺修公路以及隧道铺设等。

[2] 截面尺寸和混凝土

这些混凝土结构物根据种类截面也明显不同。以素混凝土为例，有的铺设板的厚度为20cm，而重力水坝上下流方向的顶部截面则要达到20m。即使是钢筋混凝土构件，从厚度为15cm的薄楼板到直径3m的柱子，其尺寸也是各种各样的。如果截面高度超过50cm，施工时就有必要根据水泥的水化热来考虑混凝土的温度上升问题。

[3] 邻水结构和混凝土

混凝土结构物中有长期和水接触的构筑物，如承受水压的水坝、沉埋隧道、储水槽等，都要求有很高的抗渗性。对于易被海水飞沫和海风侵蚀的混凝土和钢筋混凝土建筑，则需要考虑防侵蚀的设计与施工方法。

1.1.2 混凝土结构的特性

[1]混凝土的硬化特性和制造方式

混凝土随着水泥的不化反应的进行会缓慢的硬化，达到所需要的强度和耐久性至少需一个月。硬化后的混凝土质量在浇筑以后容易受数日内的温度和温度的影响。一般地，混凝土建筑都是在室外施工。所以，这时对温度和温度的控制，也就是养护条件，将决定混凝土的质量。养护需要花费大量的劳动和时间，费用高。养护是否能够达到要求，要等建筑完工后才能鉴定，养护不完善会成为使混凝土质量低下的原因之一。

[2]混凝土结构施工管理

混凝土结构物的特征之一在于能分别将材料放入设置场所而建设的巨大的结构物。但是，现场施工的巨大结构物在完工后要确认其质量非常困难。因此，混凝土结构物的施工管理变得重要起来。但是，1965年以后，比起质量优先，施工进度的管理开始一般化，质量为黑箱状态的结构物开始指生产。结构物巨大也就意味着建设时间很长。典型的例子就是水坝工程。另一方面，新干线和高速公路等建设工程从开始到竣工也需要花很多年。这些公共工程在建设开始后会遭受巨大的物价变动风险，材料单价和劳务费也可能上升。经常发生承包商要求增加工程费和调整合同费率条款的事件。

[3]混凝土结构物的耐久性

作为一般性倾向，直到1955年建设的混凝土结构物都具有良好的耐久性。这种情况尽管有程度上的差异，但在西欧各车也是一样的。早期表面劣化让“混凝土的耐久性神话”崩溃的原因之一，就是重视强度、轻视耐久性。并且越来越严重的就是无视施工性而追求极端合理性的设计。在工程现场的技术人员慢慢变少也是原因之一。现在，混凝土结构应该以维持稳定性为前提，与建造钢结构物同样重要。

1.2混凝土的基本特性

1.2.1耐火性和耐热性

硬化了的混凝土体积的10%~15%被多种多样形态的孔隙所占据，大部分孔隙会被水占据。另一方面，形成水泥硬化体骨骼的重要水化物是叫做水化硅酸钙（C-S-H）的细微结晶（C:CaO,S:SiO2,H:H2O）。C-S-H这样的符号明显表明，这一部分是由结晶水变化而成的。由此，混凝土是包含大量各种状态的“水”的独特构造材料。这样就使混凝土具有了耐火性。表面即使曝晒在1000。C的高温下，在短时间里可以控制内部温度的上升。宇宙飞行器在进入大气层时要受到高温，但飞行器表面的FRP有吸热作用，可以防止内部温度的上升。混凝土的作用就与FRP相似。

1.2.2振动吸收性和隔声性

与钢铁等金属材料相比，混凝土振动吸收性和隔声性要优越一些。因此，新干线的高架桥和大部分的桥梁都是由混凝土建造的。混凝土之所以有优越的振动吸收性的原因在于其有如图1.1所示的内部构造。图1.1是混凝土的剖面。大大小小、各种各样的骨料碎片占了大半部分，由水泥水化物填充空隙。总之，混凝土是由相对密度各异的各种骨料粒子的混合体构成，界面非常多。而且，界面之间还有空隙。图1.2就是水泥硬化体部分的扫描电子显微镜照片，可以看出是由多种多样的结晶群和孔缝变化而成的。也就是说，混凝土形成的是让外部而来的冲击等造成的弹性波动难以传播的构造，与由金属结晶形成的高均匀性的钢铁材料形成鲜明对比。

1.2.3 依赖材料合成化的性能改善性

对于混凝土，我们可以用合成材料的方法改善材料的性质。最具代表的就是掺进短纤维。

主要目的是要改善其脆性。尤其普遍的是掺进混凝土体积1%~2%的钢纤维制成的钢纤维强化混凝土。使用耐碱玻璃纤维强化水泥多被使用于建筑的外装材料。最近，为了增强弹性模量，也使用了有抑制龟裂效果的维尼纶纤维等。在掺和灰砂浆时，混入分散聚合物使其硬化后形成聚合物薄膜，增强耐水、耐蚀性以及耐磨损性的物体就是聚合物灰砂浆。近年来作为混凝土建工的辅助材料被广泛使用。

如果把占混凝土体积约3/4的骨料，由普通的岩石材料调换成烧制的分量轻质骨料和铁矿石等重骨料，混凝土的单位重量也可以在1.6~3.8内变化。

1.3 混凝土的内部构造特性

1.3.1微孔构造和微孔溶液

水泥硬化体中存在孔径为0.01~1um的毛细管孔隙（图1.2中的“CP”）。些毛细管孔隙通常被注满含大量钠离子和钾离子的强碱溶液（微孔溶液）。毛细管孔隙也充当着物质移动的通道角色。大气中二氧化碳和酸性物质、海水飞沫等产生的氯离子就是以从表面到内部相通的孔隙为媒介而浸入。物质移动引起钢筋的腐蚀和混凝土的碳化，给混凝土建筑的耐久性带来巨大的影响。

1.3.2 材料离析和非均质性

混凝土是相对密度和粒径各异的材料混合体。在一定高度的模板里浇筑流动状态的新拌混凝土，在浇筑后不久受到重力作用开始分离。相对密度较大的骨料粒子就会沉淀，而相对密度最小的水就会上升。由于这种分离现象，混凝土构件里就产生了宏观性和微观性两种水平的不均一性。宏观的不均一性会使构件表面产生水性水泥相对密度较大的多孔水泥。曾发生过高度5m的柱子上部与下部的混凝土强度差达10MPa的例子。混凝土的注入方向，也就是在重力作用方向与水的上升方向同时产生的连续性空隙也成为各种非均质的原因。例如，以碱骨料反应和膨胀性矿物掺合料为基础的混凝土的膨胀会使表面变大。水在分离过程中也会产生微观的不均匀性。粗骨料以下水的滞留会使硬化后的混凝土骨料下面形成空隙。其程度在表面尤为显著。这样的微观不均匀性，成为二氧化碳和氯化物等外部腐蚀因子的浸入而导致非均质的原因。钢筋的粘结强度是材料分离及钢筋混凝土结构物力学性质的最大影响因素。根据浇筑的高度，在水平方向配置的钢筋附着强度比垂直方向要降低1/2.由施工不良造成的材料离析的典型代表就是蜂窝（就也是麻面）。