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混凝土

混凝土是一種建築材料，由水泥（通常是波特蘭水泥）、集料（通常是礫石和沙子）和水組成。

混凝土在混合和放置後會固化並硬化，這是由於稱為水化的化學過程。水與水泥發生反應，將其他成分結合在一起，最終形成類似石頭的材料。它用於製作路面、建築結構、基礎、高速公路/道路、高架橋、停車場結構、磚/塊牆以及大門、圍欄和杆子的基礎。

亞述人和巴比倫人用粘土作為他們混凝土中的水泥。埃及人使用石灰和石膏水泥。在羅馬帝國，由生石灰、火山灰/火山灰和由浮石製成的集料製成的混凝土與現代波特蘭水泥混凝土非常相似。1756 年，英國工程師約翰·斯米頓率先在混凝土中使用波特蘭水泥，使用鵝卵石和粉碎的磚塊作為集料。在現代，由於越來越嚴格的環境法規，將再生材料用作混凝土成分的使用越來越受歡迎。其中最顯著的是飛灰，這是燃煤電廠的副產品。這透過減少開採和填埋空間的需求產生了重大影響。

波特蘭水泥是普通用途中最常見的型別。它是混凝土、砂漿和灰泥的基本成分。英國工程師約瑟夫·阿斯普丁於 1824 年獲得了波特蘭水泥的專利，它的名字來源於英格蘭波特蘭島上的石灰岩懸崖，因為它的顏色與在那裡開採的石頭相似。它由氧化鈣、矽和鋁的混合物組成。波特蘭水泥和類似材料是透過將石灰石（鈣的來源）與粘土一起加熱，然後將這種產品（稱為熟料）與硫酸鹽來源（最常見的是石膏）一起研磨製成的。當與水混合時，所得粉末會隨著時間的推移變成水合固體。

高溫應用，如磚砌烤箱等，通常需要使用耐火水泥；基於波特蘭水泥的混凝土可能會因高溫而損壞或破壞，但耐火混凝土更能承受此類條件。

水和水泥漿隨著時間的推移會硬化並增強。為了確保經濟實用，使用細集料和粗集料來構成混凝土混合物的大部分。沙子、天然礫石和碎石主要用於此目的。但是，越來越普遍的是，使用再生集料（來自建築、拆遷和開挖廢物）來部分替代天然集料，同時還允許使用許多人造集料，包括風冷高爐渣和底渣。

有時會將裝飾性石頭（如石英岩、小河石或碎玻璃）新增到混凝土表面，以獲得裝飾性的“裸露骨料”飾面，這在景觀設計師中很受歡迎。

可加工性（或在歐洲稱為稠度）是指新鮮（塑性）混凝土混合物在所需的加工（振動）下適當填充模具/模具的能力，而不會降低混凝土的質量。可加工性取決於含水量、化學外加劑、集料（形狀和尺寸分佈）、膠凝材料含量和年齡（水化程度）。提高含水量或新增化學外加劑會提高混凝土的可加工性。過多的水會導致出血（表面水）增加和/或集料分離（當水泥和集料開始分離時），導致所得混凝土質量下降。使用具有不良級配的集料會導致非常硬的混合物設計，其坍落度非常低，無法透過新增合理量的水使其更容易加工。

可加工性可以透過“坍落度試驗”來衡量，這是一種簡化的指標，用於衡量根據 ASTM C 143 或 EN 12350-2 測試標準測試後新鮮一批混凝土的塑性。坍落度通常透過用新鮮一批混凝土的樣品填充“阿布拉姆斯錐”來測量。將錐體倒置在水平的、不吸水的表面上，寬端朝下。當小心地將錐體抬起時，封閉的材料會由於重力而塌陷一定量。相對乾燥的樣品塌陷得很少，坍落度值為一英寸或兩英寸（25 毫米或 50 毫米）。相對溼潤的混凝土樣品可能會塌陷多達六英寸或七英寸（150 毫米到 175 毫米）。

可以透過新增化學外加劑（如中檔或高檔減水劑（超級塑化劑））來增加坍落度，而無需改變水灰比。在混凝土攪拌機中新增額外的水是一種不好的做法。高流動性混凝土，如自密實混凝土，透過其他流量測量方法進行測試。其中一種方法包括將錐體放置在窄端，並觀察混合物在逐漸抬起錐體時如何透過錐體流動。

混凝土的抗壓強度相對較高，但抗拉強度明顯較低（約為抗壓強度的 10%）。因此，混凝土總是因拉伸應力而失效——即使在受壓的情況下。這在實踐中的含義是，承受拉伸應力的混凝土構件必須加固。混凝土最常透過新增鋼筋或纖維增強來建造。增強可以透過鋼筋、網格或纖維來實現，從而生產出鋼筋混凝土。混凝土還可以透過使用內部鋼索（鋼筋）進行預應力（減少拉伸應力），從而使梁或板跨度比僅用鋼筋混凝土所能實現的跨度更長。

混凝土的極限強度受水灰比 (w/c) [水膠凝材料比 (w/cm)]、設計成分以及採用的混合、放置和養護方法的影響。在其他條件相同的情況下，水灰比（膠凝材料）較低的混凝土比水灰比（膠凝材料）較高的混凝土更堅固。膠凝材料的總量（波特蘭水泥、礦渣水泥、火山灰）會影響強度、需水量、收縮、耐磨性和密度。由於混凝土是一種液態物質，它會水化為固態，因此在放置後不久就會出現塑性收縮裂縫；但是，如果蒸發率高，它們通常會在抹面作業期間出現（例如，在炎熱的天氣或有風的日子）。結構構件中的骨料互鎖和鋼筋通常會抵消塑性收縮裂縫的影響，使其本質上具有美觀性。板中正確加工的控制接縫或鋸切提供了弱點平面，以便裂縫在接縫內部不可見地發生，從而呈現美觀的外觀。在極高強度的混凝土混合物（大於 10,000 psi）中，骨料的強度可能是極限抗壓強度的限制因素。在貧混凝土（水灰比高）中，使用圓形粗骨料可能會降低骨料互鎖。

透過指定所需的“可加工性”來進行各種混合物設計的實驗，該可加工性由給定的坍落度和所需的 28 天抗壓強度定義。粗集料和細集料的特性決定了混合物的需水量，以達到所需的可加工性。透過確定正確的膠凝材料量來獲得 28 天抗壓強度，以達到所需的水灰比。只有在極高強度的混凝土中，粗集料的強度和形狀才會成為決定極限抗壓強度的關鍵因素。

某些形狀的結構（如拱門和拱頂）中的內力主要是壓力，因此混凝土是此類結構的首選建築材料。

當需要孔隙率以允許一些空氣流動或促進水透過結構的排水和流動時，工程師和建築師有時會指定透水混凝土。透水混凝土被稱為“無細料”混凝土，因為它是在沒有沙子或“細集料”的情況下製造的。透水混凝土混合物幾乎不含沙子（細料），從而產生大量的空隙率。使用足夠的漿液來包覆並粘合骨料顆粒，從而形成一個高度滲透的互連空隙系統，該系統可以快速排水。典型情況下，在硬化後的混凝土中可以實現 15% 到 25% 的空隙率，透水混凝土的透水率通常約為 480 in./hr（0.34 cm/s，即 5 gal/ft²/ min 或 200 L/m²/min），儘管它可以更高。低砂漿含量和高孔隙率也會降低強度，使其與傳統混凝土混合物相比更低，但對於許多應用而言，很容易獲得足夠的強度。

透水混凝土路面是一種獨特且有效的解決重要環境問題並支援可持續發展的方法。 透水混凝土透過捕獲雨水並使其滲入地下，在補充地下水、減少雨水徑流和滿足美國環境保護署 (EPA) 雨水管理法規方面發揮著重要作用。 透水混凝土的使用是 EPA 以及全國各地的其他機構和岩土工程師推薦的最佳管理實踐 (BMP) 之一，用於區域和地方雨水徑流管理。 這種鋪路技術透過消除對蓄水池、排水溝和其他雨水管理設施的需求，創造了更高效的土地利用。 這樣做，透水混凝土能夠在首期成本方面降低總體專案成本。

工程師通常會指定混凝土所需的抗壓強度，通常以兆帕 (MPa) 或磅每平方英寸 (psi) 表示的 28 天抗壓強度。 28 天是一個漫長的等待時間來確定是否能達到所需的強度，因此 3 天和 7 天強度有助於預測混凝土的最終 28 天抗壓強度。 使用 100% OPC（普通矽酸鹽水泥）混合物時，通常在 7 天和 28 天之間觀察到 25% 的強度增長，使用粉煤灰和/或礦渣水泥等火山灰和補充水泥材料 (SCM) 時，強度增長可達 40%。 由於強度增長取決於混合物的型別、成分、標準養護的使用、運輸過程中對圓柱體的正確測試和護理等，因此必須同樣依賴於測試混凝土在新鮮、塑性狀態下的基本效能。

混凝土通常在澆築時取樣，測試協議要求測試樣品在實驗室條件下養護（標準養護）。 其他樣品可以在現場養護（非標準）以進行早期“剝離”強度測試，即模板拆除、養護評估等，但標準養護的圓柱體包括驗收標準。 混凝土測試可以測量混凝土在澆築之前和期間的“塑性”（未水化）效能。 由於這些效能會影響混凝土的硬化抗壓強度和耐久性（抗凍融性），因此會監測坍落度（工作性）、溫度、密度和年齡等效能，以確保生產和澆築“優質”混凝土。 測試按照 ASTM 國際標準或 CSA（加拿大標準協會）以及歐洲方法和實踐進行。 進行混凝土測試的技術人員必須獲得認證。 結構設計和材料效能通常根據 ACI 國際規範 (www.concrete.org) 在 ASTM C94（www.astm.org）的“處方”或“效能”採購選項下指定。

抗壓強度測試使用帶儀表的液壓缸將圓柱形或立方體樣品壓縮至破壞。 抗拉強度測試透過三點彎曲稜柱形梁試樣或沿圓柱形試樣側面進行壓縮。

當由混凝土製成的結構需要拆除時，混凝土回收是一種常見的廢渣處理方法。 混凝土碎屑曾經經常運往垃圾填埋場處理，但回收具有許多優勢，使其成為在當今環境意識增強、環境法律更多以及希望降低建築成本的時代中更具吸引力的選擇。

從拆除現場收集的混凝土塊被放入破碎機中，通常與瀝青、磚塊和岩石一起。 破碎設施只接受未汙染的混凝土，混凝土必須沒有垃圾、木材、紙張和其他此類材料。 金屬，如鋼筋，是可以接受的，因為它們可以使用磁鐵和其他分選裝置進行移除，並在其他地方熔化回收。 剩餘的骨料塊按尺寸進行分選。 更大的塊可能再次透過破碎機。 更小的混凝土塊用作新的建築專案的碎石。 骨料基層碎石鋪設在道路的最底層，上面覆蓋著新鮮混凝土或瀝青。 如果碎石混凝土不含汙染物，則有時可以用作全新混凝土的幹骨料，但使用回收混凝土會限制強度，並且在許多司法管轄區是不允許的。

回收混凝土具有環境效益，因為回收混凝土可以節省垃圾填埋空間，使用回收混凝土作為骨料可以減少對碎石開採的需求。

細菌本身對混凝土沒有明顯的影響。 然而，例如汙水中的厭氧菌會產生硫化氫，然後被水位以上混凝土表面生物膜上的好氧菌氧化成硫酸，硫酸會溶解固化水泥中的碳酸鹽，導致強度下降。 鋪設在含黃鐵礦的土地上的混凝土也面臨風險。 使用石灰石作為骨料使混凝土更耐酸，汙水可以透過提高 pH 值或氧化或沉澱硫化物來進行預處理，以抑制利用硫化物的細菌的活性。

暴露在海水中的混凝土容易受到其腐蝕作用的影響。 潮汐帶以上的影響比混凝土永久浸沒的地方更明顯。 在浸沒區，鎂和碳酸氫根離子沉澱出約 30 微米厚的水鎂石層，然後以文石的形式緩慢沉澱出碳酸鈣。 這些層在一定程度上保護混凝土免受其他過程的影響，這些過程包括鎂、氯離子和硫酸根離子的侵蝕以及碳酸化。 在水面以上，機械損傷可能由海浪本身或海浪攜帶的沙子和礫石的侵蝕以及從浸入混凝土孔隙中的水中結晶出來的鹽分乾燥引起。 使用火山灰水泥和使用超過 60% 礦渣作為骨料的水泥比純矽酸鹽水泥更耐海水。

當使用某些含有白雲石的骨料時，會發生白雲石化反應，其中碳酸鎂化合物與羥基離子反應，產生氫氧化鎂和碳酸根離子。 產生的膨脹可能導致材料破壞。 其他反應和重結晶，例如某些骨料中粘土礦物的水化，也可能導致破壞性膨脹。