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混凝土设计与建设

因为混凝土的许多有利特征，它与硅酸盐水泥制成的混凝土被广泛用作结构材料。其中最重要的是强度大，成本低，因此运用在在许多应用中。 另一种是混凝土的塑料，可以轻松地在常温下被塑成几乎任何所希望的形状。暴露面可发展成光滑或粗糙坚硬表面，能够承受卡车的磨损的或飞机的磨耗，或者它可以被处理，以达到所需的建筑效果。此外，混凝土还具有很高的抗火性和抗水渗透性。

但是，混凝土也有缺点。一个重要的缺点是，作为其他建筑材料，质量控制有时也不是那么精确，因为混凝土通常是在现场制造的条件下，那里的条件对其产生影响，不能精确定位。另一个缺点是混凝土是一种相对脆性材料，拉伸其压缩比小于强度。这一缺点，然而，可以通过加强结构和预应力钢混凝土抵消。该两种材料的组合，实体的钢筋，拥有多项每个最佳性能并且发现在各种构造的使用，包括建筑框架，地板，屋顶和墙壁; 桥梁，路面，桩，水坝，和坦克。

8.1混凝土重要性质

硅酸盐水泥混凝土的特性可以通过控制原料改变到相当的程度的。因此，对于一特定结构，它是经济地用于一个确切的具体特点需要，虽然在其他某些方面有些弱等。 例如，混凝土用于建筑物框架，应具有抗压强度高，而具体的大坝应耐用，防水，然而力量可以是相对小的。因此，对于特定的结构，它是经济的使用具有恰好所需要的特性的混凝土，虽然在其他方面有些弱。具体表现在服务取决于可塑料性和硬化属性两个状态。

8.1.1可塑性属性状态

对混凝土的应用来说，加工性是重要的特性。难以评估，加工性基本上是易于与该成分混合并将所得的混合处理，运送，并不均匀地放置，几乎没有损失。加工性的一种特性，即工程师经常尝试测量的一致性，或流动性。为此目的，他们往往进行一个艰难的考验。

在坍落度试验中，混合物的试样是放置在成形的一平截头体的锥形模具，在高12，8英寸底部直径和 4英尺直径顶部（ASTM规范C143）。当模具被移除，在高度的变化被测定下来。当测试是由按照ASTM规范，该高度的变化可作为坍落度。（正如该试验中测得，坍落度降低同时温度升高;此时的温度在测试时间内应明确记录，以避免出现错误的结论。）

测试完成以后，用捣固棒轻轻拍打下跌标本的一边，可以提供更多特性方面的信息，加工性，和混合的可浇筑性。“混凝土手册”农垦局， 政府印刷办公室，华盛顿特区 20402（www.gpo.gov））。匀称的，可操作的混合慢慢平息，保留其原有性质。一个困难的混合粉碎，分离，和分崩离析。一个给定的混合物的塌落度可以通过加入水，增加细粉的百分比（水泥或骨料），夹带空气，或者结合分级降低水的需求来增加。但是，这些变化会影响其他性能 ，有时对混凝土不利。在一般情况下， 坍落度应包含水和水泥最少量的设定。

8.1.2 硬化状态属性

强度是混凝土的一个属性，它几乎总是很受关注。通常，它由压缩样品的强度极限所决定，但有时弯曲或拉伸能力是也被看作标准。通常混凝土强度收益比需要很长一段时间，混凝土在28天的抗压强度通常用作这种测量标准。在美国，很通常通过标准的形式测试标本 按照ASTM规范制成圆筒 C192或C31来确定混凝土的抗压强度。C192是用于研究测试或用于选择混合样品（实验室样品）。C31适用于研究进步（场标本）工作。测试应按照ASTM推荐 C39。但是，有时有必要通过钻孔确定混凝土的具体强度; 在这种情况下，ASTM C42应当被采纳。（参见美国混凝土学会标准214，“推荐实践强度的评价 具体的测试结果。“（www.aci-int.org））

混凝土的28天抗压强度可以从7天强度中由一个混凝土来估计 通过穆拉提出了W. A.斯莱特可以得出（的诉讼 美国混凝土学会，1926年）

S₂₈=S₇ 30radic;S₇ (8.1)

其中S28是混凝土28天的抗压强度，单位psi

S₇ 是7天的抗压强度，单位psi

混凝土可强度可以在后28天里显著增加，特别是当水泥混合粉煤灰。因此，强度的规格在 56天或90天设计是合适的。混凝土强度主要由水灰比影响;该比率越高，强度越低。事实上，在条款中表达时的关系是近似线性的变量C/ W，水泥与水的重量比；一个可行的组合，是不使用减水剂的；

S28=2700C/W－760 (8.2)

强度可以增大通过降低水水泥比，使用强度更高的聚集体，分级聚集体，以产生一个更小的具体的空隙百分比，湿润固化之后，混凝土凝固，加入火山灰，例如粉煤灰，掺入减水剂混合，振动混凝土中的形式，并且以一定的形式从真空吸出多余的水。短时强度可能通过使用III型（高早强度）硅酸盐水泥（第5.6章）和增加外加剂并通过增加固化温度增加，但混凝土长期强度可能不受影响。强度增加外加剂一般为了理想的可操作性通过减少对水的需求完成自己的目标（参见第5.6）。

这些供应外加剂刺激着混凝土向着采用高强度混凝土走的趋势。在20000PSI的抗压强度范围内，高强度混凝土在现浇现浇混凝土的建筑物已被使用。抗张强度，f_ct , 具体比抗压强度低得多。对于部分受到弯曲，f_r模量的破裂被用于设计，而不是混凝土抗拉强度。对于正常重量，正常强度混凝土，特别是ACI, f_r=7.5radic;f_c^rsquo;.

对于一个具体的应力 -应变图 ,指定的抗压强度是条特定的弯曲的线 （图8）。最大的菌株达到最大应力 0.002英寸/英寸，在此之后，曲线下降。弹性率E的弹性模量C在一般使用设计混凝土是割线模量。在ACI318，“钢筋混凝土建筑规范要求 ”，它由下式确定

E_C = w^1.533radic;fcrsquo;, psi

其中w_c 是混凝土磅/立方英尺的密度

f_crsquo;是规定的28天抗压强度，psi

每单位应变

图8.1混凝土应力 - 应变曲线

该公式适用于90磅/立方英尺lt;W_Clt;155磅/立方英尺。对于体重正常的混凝土，以W=145磅/立方英尺表示，

E_C = 57000radic;f_crsquo;, psi (8.3b)

模量随着年龄的增加,强度随着增加。（见第5.6章节）

耐久性是混凝土另一个重要性能。混凝土在使用期间应能承受风化，化学作用和磨耗。大部分的混凝土遭受气候损坏是由于冻融循环。混凝土破坏到这种程度的阻力可以通过使用合适的经过改进类型的水泥，降低W/C的比率，提供适当的固话化，使用耐碱聚集体，使用合适的外加剂，使用空气洁净粉，或在表面施加保护层。

化学剂，如无机酸，乙酸和碳酸，以及钙，钠的硫酸盐，镁，钾，铝，铁，显示整合或损坏的混凝土。当接触这些试剂和可能发生的混凝土，所述混凝土应该具体应具有耐涂层保护。对于硫酸盐性能，V型硅酸盐水泥可以使用（第5.6章）。耐磨损功能通常通过由密混凝土硬骨料制成的高强度材料实现。

水密是混凝土一个重要的特性，混凝土可以通过减少水在混合体中的量改善其质量。多余的水通过空隙和孔穴蒸发后，并且如果它们 是相互关联的，水可以渗透通过混凝土。夹带的空气（微小气泡）通常会增加水密性，长时间的彻底固化。

混凝土应该考虑到体积变化这又一特点。由于混凝土材料之间的化学反应引起的扩张可能会引起屈曲并且干燥收缩可能引起开裂。

由于碱集料反应的扩展，可以通过选择非活性骨料避免。如果活性骨料必须使用，可以通过在混合物中加入火山灰减少或消除，例如粉煤灰。由于水泥水热化的膨胀能够通过把水泥含量尽可能控低，使用Ⅳ型水泥（第5.6）冷却所述集料，水和混凝土。由于空气中温度的增加引起的混凝土扩张可以通过生产低膨胀系数的降低膨胀率，通常使用低膨胀系数的粗骨料。

干燥收缩可以通过减少削减水在混合物中的含量来降减轻。但水泥少也将减少收缩，由于足够的滋润养护。除了火山灰，另外，除非 使在水中的还原，可以提高干燥收缩率。

混凝土体积的变化，化学的结果 反应，通常是时效收缩而非扩张，和相对水含量没多大关系。这种类型的收缩可以通过使用较少的水泥被降低，并且有时使用不同的水泥。

然而是体积变化往往会损坏混凝土，这取决于目前的约束。例如，高速公路板不能在路基上滑动，因为收缩可能造成混凝土开裂；建筑地板因为被固定到相对刚性大梁上不能收缩，也可能造成开裂。因此，应始终考虑坚持消除或抵抗它们可能导致的应力。

蠕变是指在荷载下持续发生应变。混凝土继续变形，但是变化率随着时间慢慢减小。在工作荷载中，压力随着水灰比增大成比例增长。它随着相对湿度的增加而降低。蠕变导致混凝土梁的挠度和裂缝产生，并造成预应力损失。

普通砂和碎石混凝土密度通常约为145磅/立方英尺。这可能是略低如果粗骨料的最大尺寸小于1¹/1。它可以通过使用密集的集料增重，它也可以通过使用轻质材料降低骨料，增加空气含量，或结合形成气泡，或扩大，添加外加剂。

（J. G.麦格雷戈，“钢筋混凝土” 麦格劳 - 希尔图书公司，纽约（books.mcgraw-hill.com）；M. Fintel，“手册 ，凡诺斯特兰混凝土工程，”第2版， 莱因霍尔德，纽约）。

8.2轻质混凝土

这种混凝土比普通砂石混凝土更轻，它主要用于较少固定荷载，或用于热绝缘，受钉性，或填充。轻质混凝土必须有足够的密度，以满足防火等级。

轻质混凝土通常采用轻骨料制成或使用气体形成或发泡剂，如铝粉制成加入到混合物中。轻质骨料是通过扩大粘土，页岩生产的，板岩，页岩硅藻土，珍珠岩黑曜石，和经过炉矿渣处理的散热蛭石。他们还从浮石，火山渣，火山灰烬，凝灰岩，硅藻土和自然界中获得，并从工业煤渣中索取。通常的权重范围如一些轻质骨料列于表8.1。

轻量级-骨料混凝土生产比普通混凝土的更加困难，由于聚集在水中的骨料的吸收不同，比重，水分含量，以及数量和的筛级划分。如果要得到均匀结果，频繁单位重量和暴跌测试是必要的，这样水泥和水混合物的含量可以调节。另外由于完成的孔隙度和棱角聚集，混凝土制作通常是苛刻和困难的地方。有时，聚集体可以浮动到表面。可加工性可以通过增加细粒料的比例，或通过提高混合物从4至6％的空气含量来得到提高。（参见ACI211.2，“推荐实践选择比例为结构轻质混凝土，”美国CON- 混凝土协会（www.aci-int.org）

为了改善骨料中的水分含量，和减少偏析存储以及运输，轻骨料应该在使用前24小时被浸润一次。干骨料不应该被放入混合器，因为骨料在离开混合器后将继后吸潮，从而导致混凝土分离并完成配售前变硬。连续水养护与轻质混凝土尤为重要。

轻量化表8.1 轻质混凝土的近似重量

其他类型的轻质混凝土的可与有机集体合制，或通过省略加热，或间隙分级，或用空气或气体聚集取代全部或部分骨料。钉混凝土通常包含木屑，尽管膨胀矿渣，浮石，珍珠岩和火山渣也很合适。一个好的钉混凝土可由等份波特兰水泥制成，还有砂，松木屑，和足量的水，以产生一个类似1到2的暴跌。锯末应该可以穿过四分之一屏并且够粗能够保留在16号屏上。（树皮木屑可延缓成型和设置，削弱了混凝土。）这种类型的行为具体取决于从锯末来的树的类型。山核桃，橡木，桦木或可能不会得到好的结果（“混凝土手册”美国局 填海工程，政府印刷局，华盛顿特区，20402（www.gpo.gov））一些隔热轻质混凝土由木屑作为骨料构成。

对于无砂混凝土，20至30％的夹带的空气取代了沙子。豆形砾石作为粗骨料来使用。这种类型的混凝土的使用，其中低自重和绝缘被需求期望并且强度不再那么重要。无砂混凝土五月重量从105变至118磅/立方英尺并且抗压强度从200变至1000psi。

多孔混凝土可以用间隙分级进行或用单骨料级配。它被用在排水需求或重量轻，低电导率。刚好够水泥是用来绑定聚集成团，类似爆米花。

天然气和泡沫混凝土通常包含外加剂。发泡剂包括月桂酯钠硫酸盐，烷基芳基磺酸酯，某些皂，和树脂。另一种方法中，泡沫是通过产生发泡剂，用于灭火，如水解废物蛋白质。泡沫协合范围的重量从20到110磅/立方英尺。

铝粉，通

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