【導讀】用于土建工程的材料總稱為建筑材料或土木工程材料。19世紀——鋼筋混凝土；材料費用一般占建筑工程總造價的50-70%；“十五”期間我國全社會固定資產(chǎn)投資總規(guī)模為22～24萬億元。要轉(zhuǎn)化為對建材業(yè)的需求，尤其是對水泥產(chǎn)品的需求。2020年，我國共生產(chǎn)水泥約70000萬噸，比2020年大幅增長了12.7%，占世界產(chǎn)量的三分之一左右，超過亞洲產(chǎn)量的50%強。泥行業(yè)，為我國經(jīng)濟持續(xù)、快速發(fā)展做出了重要貢獻。2020年水泥產(chǎn)量的大幅度增長與我國持續(xù)快速穩(wěn)定增長的宏觀經(jīng)濟形勢密切相關(guān)。國經(jīng)濟增長速度將達到8％，GDP將突破10萬億元大關(guān)。建筑材料工業(yè)在國民經(jīng)濟建設中意義。掌握常用材料的選用原則和方法。無機非金屬建筑材料的化學組成以各種氧化物含量來表示。材料中的元素和化合物以特定的礦物形式存在并決定著材料的許多重要性質(zhì)。

　　

【正文】 ５０ １５０ ３００ｍｍ棱柱體作為標準試件。試驗證明，棱柱體強度與立方體強度的比值為 ～ 。 ?(3)劈裂抗拉強度（ fts） 我國現(xiàn)行標準規(guī)定，采用標準試件１５０ｍｍ立方體，按規(guī)定的劈裂抗拉試驗裝置測得的強度為劈裂抗拉強度，簡稱劈拉強度 fts 混凝土劈裂抗拉強度應按下式計算： ?式中 fts——混凝土劈裂抗拉強度， MPa； F——破壞荷載，Ｎ； Ａ ——試件劈裂面面積， mm2。 ?(4) 混凝土抗彎強度 ( fcf ) 道路路面或機場跑道用混凝土，是以抗彎強 度（或稱抗折強度）為主要設計指標。 水泥混凝土的抗彎強度試驗是以標準方法制備成 150mm 150mm 550mm 的梁形試件，在標準條件下養(yǎng)護２８ｄ后，按三分點加荷，測定其抗彎強度（ fcf ），按下式計算： ?式中 fcf——混凝土抗彎強度，ＭＰ； F——破壞荷載，Ｎ； Ｌ ——支座間距， mm； ｂ ——試件截面寬度， mm； ｈ ——試件截面高度， mm； 如為跨中單點加荷得到的抗折強度，按斷裂力學推導應乘以折算系數(shù) 。 ? 影響混凝土強度的因素 影響混凝土強度的主要因素有： （ 1）水泥強度與水灰比 水泥是混凝土中的活性組分，其強度大小直接影響著混凝土強度的高低。在配合比相同的條件下，所用的水泥標號越高，制成的混凝土強度也越高。當用同一品種同一標號的水泥時，混凝土的強度主要取決于水灰比。因為水泥水化時所需的結(jié)合水，一般只占水泥重量的２３％左右，但在拌制混凝土混合物時，為了獲得必要的流動性，常需用較多的水（約占水泥重量的４０～ ７０％）?；炷劣不螅嘤嗟乃终舭l(fā)或殘存在混凝土中，形成毛細管、氣孔或水泡，它們減少了混凝土的有效斷面，并可能在受力時于氣孔或水泡周圍產(chǎn)生應力集中，使混凝土強度下降。 ?在保證施工質(zhì)量的條件下，水灰比愈小，混凝土的強度就愈高。但是，如果水灰比太小，拌合物過于干澀，在一定的施工條件下，無法保證澆灌質(zhì)量，混凝土中將出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，也將顯著降低混凝土的強度和耐久性。試驗證明，混凝土強度，隨水灰比增大而降低，呈曲線關(guān)系，而混凝土強度與灰水比呈直線關(guān)系 ?（圖 4－ 3）。 ?水泥石與骨料的粘結(jié)情況與骨料種 類和骨料表面性質(zhì)有關(guān)，表面粗糙的碎石比表面光滑的卵石（礫石）的粘結(jié)力大，硅質(zhì)集料與鈣質(zhì)集料也有分別。在其他條件相同的情況下，碎石混凝土的強度比卵石混凝土的強度高。 根據(jù)大量試驗建立的混凝土強度公式： ?式中 fcu,0——混凝土 28 天抗壓強度 , ＭＰ a； fce——水泥的實際強度 ,ＭＰ a； Ｃ／Ｗ ——灰水比； Ｃ ——每立方米混凝土中水泥用量 , kg。 ｗ ——每立方米混凝土中用水量 , kg。 α a,α b 為回歸系數(shù)，與骨料品種、水泥品種有關(guān)， 其數(shù)值可通過試驗求得?！镀胀ɑ炷僚浜媳仍O計規(guī)程》（ JGJ55—2020）提供的α a 、 α b 經(jīng)驗值為： 采用碎石：α a= α b＝ 采用卵石：α a= α b = ?（ 2）養(yǎng)護的溫度和濕度 混凝土強度的增長，是水泥的水化、凝結(jié)和硬化的過程，必須在一定的溫度和濕度條件下進行。在保證足夠濕度情況下，不同養(yǎng)護溫度，其結(jié)果也不相同。溫度高，水泥凝結(jié)硬化速度快，早期強度高，所以在混凝土制品廠常采用蒸汽養(yǎng)護的方法提高構(gòu)件的早期強度，以提高模板和場地周轉(zhuǎn)率。低溫時水泥混凝 土硬化比較緩慢，當溫度低至 0176。Ｃ以下時，硬化不但停止，且具有冰凍破壞的危險。水泥的水化必須在有水的條件下進行，因此，混凝土澆筑完畢后，必須加強養(yǎng)護，保持適當?shù)臏囟群蜐穸龋员ＷC混凝土不斷地凝結(jié)硬化。 ?(3) 齡期 在正常養(yǎng)護條件下，混凝土強度的增長遵循水泥水化歷程規(guī)律，即隨著齡期時間的延長，強度也隨之增長。最初７～１４ｄ內(nèi)，強度增長較快，２８ｄ以后增長較慢。但只要溫濕度適宜，其強度仍隨齡期增長。 普通水泥制成的混凝土，在標準養(yǎng)護條件下，其強度的發(fā)展，大致與其齡期的對數(shù)成正比（齡期不小于三天） ?實際工程中利用混凝土的成熟度來估算混凝土強度也是一種有效的方法。混凝土的成熟度是指混凝土所經(jīng)歷的時間和溫度的乘積的總和，單位為 h℃。當混凝土的初始溫度在某一范圍內(nèi)，并且在所經(jīng)歷的時間內(nèi)不發(fā)生干燥失水的情況下，混凝土強度和成熟度的對數(shù)成線性關(guān)系。 ?（ 4）施工質(zhì)量 施工質(zhì)量的好壞對混凝土強度有非常重要的影響。施工質(zhì)量包括配料準確，攪拌均勻，振搗密實，養(yǎng)護適宜等。任何一道工序忽視了規(guī)范管理和操作，都會導致混凝土強度的降低。 (5) 試驗條件 試驗條件對混凝土強度的測定也有直接影響。如試件尺寸，表面的平整度 ，加荷速度以及溫濕度等，測定時，要嚴格遵照試驗規(guī)程的要求進行，保證試驗的準確性。 ? 提高混凝土強度的措施 （ 1）選用高強度水泥和低水灰比 水泥是混凝土中的活性組分，在相同的配合比情況下，所用水泥的強度等級越高，混凝土的強度越高。水灰比是影響混凝土程度的重要因素，試驗證明，水灰比增加 １％，則混凝土強度將下降５％，在滿足施工和易性和混凝土耐久性要求條件下，盡可能降低水灰比和提高水泥強度，這對提高混凝土的強度是十分有效的。 ?（ 2）摻用混凝土外加劑 在混凝土中摻入減水劑，可減少用水量，提高混凝土強 度；摻入早強劑，可提高混凝土的早期強度。在混凝土中摻入礦物外加劑（如磨細礦渣、粉煤灰、硅灰、沸石粉等），可以節(jié)約水泥，降低成本；減少環(huán)境污染，改善混凝土諸多性能。 ?（ 3）采用機械攪拌和機械振動成型。 采用機械攪拌、機械振搗的混合料，可使混凝土混合料的顆粒產(chǎn)生振動，降低水泥漿的粘度和骨料的摩擦力，使混凝土拌合物轉(zhuǎn)入液體狀態(tài)，在滿足施工和易性要求條件下，可減少拌合用水量，降低水灰比。同時，混凝土混合物被振搗后，它的顆?；ハ嗫拷芽諝馀懦?，使混凝土內(nèi)部孔隙大大減少，從而使混凝土的密實度和強度大大提高。 ?（ 4）采用濕熱處理 濕熱處理可分為蒸汽養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護兩類。蒸汽養(yǎng)護就是將成型后的混凝土制品放在 100℃以下的常壓蒸汽中進行養(yǎng)護。以加快混凝土強度發(fā)展的速度。混凝土經(jīng) 16～ 20ｈ的蒸汽養(yǎng)護后，其強度即可達到標準養(yǎng)護條件下 28ｄ強度的 70％～ 80％。 ?蒸壓養(yǎng)護混凝土在 175℃溫度和８個大氣壓的蒸壓釜中進行養(yǎng)護。主要適用于硅酸鹽混凝土拌合物及其制品。 ? 引起混凝土變形的因素很多，歸納起來有兩類：非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形 ? 混凝土在非荷載作用下的變形 （ 1）化學收 縮 混凝土在硬化過程中，由于水泥水化產(chǎn)物的體積小于反應物（水和水泥）的體積，引起混凝土產(chǎn)生收縮，稱為化學收縮。其收縮量是隨著混凝土齡期的延長而增加，大致與時間的對數(shù)成正比一般在混凝土成型后 40ｄ內(nèi)收縮量增加較快，以后逐漸趨向穩(wěn)定。化學收縮是不可恢復的，可使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微細裂縫。 ?（ 2）塑性收縮 混凝土成型后尚未凝結(jié)硬化時屬塑性階段，在此階段往往由于表面失水而產(chǎn)生收縮稱為塑性收縮。新拌混凝土若表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時，會造成毛細管內(nèi)部產(chǎn)生負壓，因而使?jié){體中固體粒子間產(chǎn)生一 定引力，便產(chǎn)生了收縮，如果引力不均勻作用于混凝土表面，則表面將產(chǎn)生裂紋。 預防塑性收縮開裂的方法是降低混凝土表面失水速率，采取防風、降溫等措施。最有效的方法是凝結(jié)硬化前保持混凝土表面的濕潤，如在表面覆蓋塑料膜、噴灑養(yǎng)護劑等。 ?（ 3）干濕變形 混凝土的干濕變形主要取決于周圍環(huán)境濕度的變化，表現(xiàn)為干縮濕脹?；炷猎诟稍锟諝庵写娣艜r，混凝土內(nèi)部吸附水分蒸發(fā)而引起凝膠體失水產(chǎn)生緊縮，以及毛細管內(nèi)游離水分蒸發(fā)，毛細管內(nèi)負壓增大，也使混凝土產(chǎn)生收縮。如干縮后的混凝土再次吸水變濕后，一部分干縮變形是可 以恢復的。 混凝土在水中硬化時，體積不變，甚至有輕微膨脹。這是由于凝膠體中膠體粒子的吸附水膜增厚，膠體粒子間距離增大所致。 ? 混凝土的濕脹變形量很小，一般無破壞作用。但干縮變形對混凝土危害較大，干縮可能使混凝土表面出現(xiàn)拉應力而導致開裂，嚴重影響混凝土的耐久性。 影響混凝土干縮的因素有：水泥品種和細度、水泥用量和用水量等?；鹕交屹|(zhì)硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥干縮大；水泥越細，收縮也越大；水泥用量多，水灰比大，收縮也大；混凝土中砂石用量多，收縮??；砂石越干凈，搗固越好，收縮也越小 . ?（ 4）溫 度變形 混凝土與其他材料一樣，也具有熱脹冷縮的性質(zhì)，混凝土的熱脹冷縮的變形，稱為溫度變形?；炷翜囟扰蛎浵禂?shù)約為 1 105，即溫度升高 1℃，每 m 膨脹 。 溫度變形對大體積混凝土極為不利?；炷猎谟不跗冢嗨懦鲚^多的熱量，而混凝土是熱的不良導體，散熱很慢，使混凝土內(nèi)部溫度升高，但外部混凝土溫度則隨氣溫下降，致使內(nèi)外溫差達 50～ 70℃，造成內(nèi)部膨脹及外部收縮，使外部混凝土產(chǎn)生很大的拉應力，嚴重時使混凝土產(chǎn)生裂縫。 ?因此，對大體積混凝土工程，應設法降低混凝土的發(fā)熱量，如采用 低熱水泥，減少水泥用量，采用人工降溫措施以及對表層混凝土加強保溫保濕等，以減小內(nèi)外溫差，防止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。 對縱向長度較大的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應考慮混凝土溫度變形所產(chǎn)生的危害，每隔一段長度應設置溫度伸縮縫，以及在結(jié)構(gòu)內(nèi)配置溫度鋼筋。 ? 混凝土在荷載作用下的變形 （ 1）混凝土的受壓變形與破壞特征 硬化后的混凝土在未施加荷載前，由于水泥水化造成的化學收縮和物理收縮引起的砂漿體積的變化，在粗骨料與砂漿界面上產(chǎn)生了拉應力，同時混凝土成型后的泌水聚積于粗骨料的下緣，混凝土硬化后形成為 界面裂縫?；炷潦芡饬ψ饔脮r，其內(nèi)部產(chǎn)生了拉應力，這種拉應力很容易在具有幾何形狀為楔形的微裂縫頂部形成應力集中，隨著拉應力的逐漸增大，導致微裂縫的進一步延伸、匯合、擴大，形成可見的裂縫，致使混凝土結(jié)構(gòu)喪失連續(xù)性而遭到完全破壞。 ?當用混凝土立方體試件進行單軸靜力受壓試驗時，混凝土的荷載變形曲線如圖 44 所示，通過顯微觀察所查明的混凝土破壞過程各階段的裂縫狀態(tài)如圖 45 所示。 ?混凝土的受壓破壞發(fā)展過程及各階段情況如下： ?Ｉ階段：荷載到達 “比例極限 ”（約為極限荷載的３０％）以前、界面裂縫無明顯變化，荷載與變形 比較接近直線關(guān)系（圖中曲線ＯＡ段） ?II 階段：荷載超過 “比例極限 ”以后，界面裂縫的數(shù)量、長度和寬度都不斷增大，界面借摩阻力繼續(xù)承擔荷載，但尚無明顯的砂漿裂縫。此時，變形增大的速度超過荷載增大的速度，荷載與變形之間不再為線性關(guān)系（圖中曲線ＡＢ殷）。 ?III 階段：荷載超過 “臨界荷載 ”（約為極限荷載的７０～９０％）以后，界面裂縫繼續(xù)發(fā)展，開始出現(xiàn)砂漿裂縫，并將鄰近的界面裂縫連接起來成為連續(xù)裂縫。此時，變形增大的速度進一步加快，荷載一變形曲線明顯地彎向變形軸方向（圖中曲線ＢＣ段）。 ?IV 階段：荷載超過極限荷載以 后，連續(xù)裂縫急速發(fā)展，此時，混凝土的承載能力下降，荷載減小而變形迅速增大，以至完全破壞，荷載一變形曲線逐漸下降而最后結(jié)束（圖中曲線ＣＤ段）。 ?（２）彈性模量 彈性模量是反應應力與應變關(guān)系的物理量，由于混凝土是彈塑性體，隨荷載不同，應力與應變之間的比值成為一個變量，也就是說混凝土的彈性模量不是定值。 按我國 GBJ81 一 85 的規(guī)定，混凝上彈性模量的測定，是采用 150ｍｍ 150ｍｍ 300mm 的棱柱體試件，取其軸心抗壓強度值的 40％作為試驗控制應力荷載值，經(jīng) 4~5 次反復加荷和卸荷后，測得應力與應變的比值， 即為混凝土的彈性模量。 ? 影響混凝土彈性模量的因素有： ? ①混凝土的強度等級越高，彈性模量越高。水泥用量少，水灰比小，粗細骨料用量較多，彈性模量大。 ? ②骨料彈性模量大，混凝土彈性模量也大。 ? ③，早期養(yǎng)護溫度較低的混凝土具有較大的彈性模量。在相同強度情況下，蒸汽養(yǎng)護混凝土彈性模量較在標準條件下養(yǎng)護的混凝土彈性模量小。 ? ④引氣混凝土彈性模量較普通混凝土低 20％～ 30％。 ?（ 3）徐變 混凝土在恒定荷載長期作用下，隨時間增長而沿受力方向增加的非彈性變形，稱為混凝土的徐 變。 一般認為，徐變是由于水泥石中凝膠體在外力作用下，粘滯流變和凝膠粒子間的滑移而產(chǎn)生的變形，還與水泥石內(nèi)部吸附水的遷移等有關(guān)。 影響混凝土徐變因素很多，混凝土所受初應力越大，在混凝土制成后齡期較短時加荷，水灰比越大，水泥用量越多，都會使混凝土的徐變增大；另外混凝土彈性模量大，會減小徐變