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混凝土设计与施工
由波特兰水泥制成的混凝土由于其许多有利特性而被广泛用作建筑材料。其中最重要的一点是因为它在许多应用中具有很高的强度-成本比。另一个原因是混凝土有类似于塑料的性能，可以在常温下容易地浇铸成几乎任何所需的形状。暴露的表面可以发展成光滑或粗糙的硬表面，能够承受卡车或飞机运输的磨损，或者可以对其进行处理以产生期望的建筑效果。另外，混凝土具有很高的耐水和耐渗透性。
但混凝土也有缺点。 一个重要的问题是质量控制有时不如其他建筑材料好，因为混凝土往往是在生产责任无法确定的情况下在现场制造的。 另一个缺点是混凝土是一种相对脆性的材料，与其抗压强度相比，其抗拉强度较小。然而，这个缺点可以通过钢筋加固或预应力来抵消，这两种材料的组合，即钢筋混凝土，具有各种各样的最佳性能，并用于各种建筑物，包括建筑框架，地板，屋顶和墙壁；桥梁；路面；桩；水坝以及坦克等。
8.1 混凝土的重要特性
波特兰水泥混凝土的特性可以通过控制其配料成分进行相当程度的改变。因此，对于一个特定的结构来说，使用具有所需特性的混凝土是经济的，尽管该混凝土在其他方面的性能很弱。 例如，建筑框架的混凝土应该具有较高的抗压强度，而用于大坝的混凝土应该耐用且防水，强度可以相对较小。 使用中的混凝土的性能取决于塑性状态下的特性和硬化状态下的特性。
8.1.1 塑性状态中的属性
可加工性是混凝土的许多应用中的一个重要属性。难以评估，可加工性本质上是指这些成分可以很容易地混合在一起，并且所得混合物在处理、运输和放置过程中几乎没有质的损失。工程师经常试图测量的可加工性的一个特征是一致性或流动性。为此，他们经常进行坍落度试验。
在坍落度试验中，将混合物试样置于锥形锥体的模具中，高度12英寸，直径8英寸，顶部4英寸（ASTM 规格 C143）。当模具被移除时，测量样品高度的变化。 当根据ASTM标准进行测试时，高度的变化可以作为坍落度。（通过该测试测量，坍落度随着温度升高而降低，因此应指定测试时混合物的温度，以避免错误的结论。）
完成测试后，用捣鼓棒在一侧轻轻敲击塌落的试样可以得到关于混合物的粘结性、可使用性和可放置性的额外信息（“混凝土手册”，“填海区政府印刷局，华盛顿特区20402（www.gpo.gov））。一个适当配比、可正常使用的混合物能缓慢沉淀，保持其原有特征。 而一个紊乱的混合物会崩溃，分离，并分崩离析。
要增加给定混合物的坍落度，可以通过添加水，增加细粒的百分比（水泥或集料），夹带空气或掺入减少水的用量的外加剂来完成。但是这些变化会影响混凝土的其他属性，有时是不利的。一般来说，规定的坍落度应该以用最少量的水和水泥产生所需的一致性为标准。
8.1.2 处于硬化状态的属性
强度几乎总是令人关注的一个属性。通常由压缩样本的极限强度来决定，但有时候以拉伸或拉伸能力为准则。由于混凝土通常要经过很长一段时间才能达到一定强度，因此28天的抗压强度通常用作衡量这种性能的指标。在美国，一般通过按照ASTM 规范 C192或C31制造的标准圆柱体试样测试混凝土的抗压强度。C192用于研究测试或选择混合物（实验室标本）。C31适用于正在进行的工作（现场标本）。测试应按照ASTM C39的要求进行。然而，有时需要通过钻取岩芯来确定混凝土的强度；在这种情况下，应采用ASTM C42。（另见美国混凝土协会标准214，“评估混凝土强度测试结果的推荐做法”（www.aci-int.org））
混凝土的28天抗压强度可以通过W.A. Slater（美国混凝土学会会刊，1926年）提出的公式推算出7天的强度：
(8.1)
其中= 28天抗压强度，psi
=7天强度，psi
28天后混凝土的强度会显着增加，特别是当水泥与粉煤灰混合时增加更显著。因此，56天或90天的强度指标在设计上是合适的。
混凝土强度会因水灰比而变化，这个比例越高，强度越低。事实上，当以变量C/W（水泥与水的重量比）表示时，该关系近似线性：对于可正常使用的混合物，不使用减水剂时：
（8.2）
通过降低水灰比，使用较高强度的骨料，将骨料分级以在混凝土中产生较小百分比的空隙，凝固后对混凝土进行湿固化，比如添加火山灰（如粉煤灰），掺入超塑化剂混合物，振动规格中的混凝土，并用真空吸出规格中的混凝土中多余的水可以提高其强度。通过使用III型（高早强）硅酸盐水泥（第5.6条）和加速外加剂，以及增加固化温度，可以增加短时强度，但长期强度可能不会改变。为了获得所需的可加工性能，增强强度的外加剂通常通过减少水的需求来实现这一目标。（另见第5.6条）
这种外加剂的使用刺激了使用高强度混凝土的趋势。具有20000psi的抗压强度的高强混凝土已经被应用于在现浇混凝土建筑物中。
混凝土的抗拉强度fct远低于抗压强度。对于承受弯曲的构件，在设计中使用破裂模量fr而不是混凝土抗拉强度。对于正常重量的普通混凝土，ACI种类的破裂模量。
对于一种特定的抗压强度混凝土的应力-应变曲线是一条曲线（图8.1）。最大应力是在0.002 in/in应变下达到的，之后曲线下降。
图8.1混凝土的应力-应变曲线
通常用于混凝土设计的弹性模量Ec是正割模量。在ACI 318“钢筋混凝土建筑规范要求”中由下式确定：
(8.3a)
其中 w=混凝土密度，lb/ft3
= 28天具体的抗压强度，psi
这个公式适用于90pcf lt; w lt; 155 pcf。对于标准重量的混凝土，w = 145 lb / ft3时，
Ec= 57,000 (8.3b)
随着龄期的增加，模量也在增加，强度也随之增加。（另见第5.6条）
耐久性是混凝土的另一个重要特性。 混凝土应该能够承受使用中的风化，化学作用和磨损。大部分造成混凝土破坏的天气原因都可归因于冻融循环。通过使用合适的水泥类型，降低水灰比，提供适当的固化，使用耐碱聚集体，使用合适的外加剂，使用加热剂或在表面施加保护涂层，可以改善混凝土对这种损坏的抵抗力。
化学试剂，如无机酸，乙酸和碳酸，以及钙，钠，镁，钾，铝和铁的硫酸盐会腐蚀或损坏混凝土。当这些成分和混凝土之间可能发生接触时，混凝土应该用耐磨涂层保护。对于硫酸盐的抵抗，可以使用V型波特兰水泥（第5.6条）。通常通过使用由硬质聚集体制成的高强度密实混凝土来实现耐磨性。
水密性是混凝土的一个重要属性，通常可以通过减少混合物中的水量来改善。过量的水蒸发后会留下空隙和空洞，如果它们相互连通，水可以穿透或穿过混凝土。 夹带的空气（微小气泡）通常会增加水密性，如同经长时间彻底固化一样。
体积变化是应该考虑的另一个特征，因为混凝土成分之间的化学反应引起的膨胀可能导致屈曲，干燥收缩可能导致开裂。
通过选择非反应性聚集体可以避免由于碱-骨料反应而引起的膨胀。如果必须使用活性聚集体，则可以通过向混合物中加入火山灰质材料（如粉煤灰）来减少或消除膨胀。通过使用IV型水泥（第5.6条），以及冷却模板中的骨料，水和混凝土，可以降低水泥水化热膨胀。通过生产具有较低膨胀系数的混凝土，使用具有较低膨胀系数的粗骨料，可以降低由于空气温度升高引起的膨胀。
干燥收缩主要通过减少混合物中的水分来降低。 另外少量的水泥在减少收缩的同时还会有足够的湿润固化。另外，添加火山可以减少水分但也有可能会增加干燥收缩。
自身体积变化是混凝土中化学反应和老化的结果，通常是收缩而不是膨胀，与水含量相对独立。这种类型的收缩程度可以通过使用较少的水泥来减小，有时通过使用不同的水泥来减小。
体积变化是否会损坏混凝土往往取决于目前的约束。例如，不能在路基上滑动的高速公路板在收缩时可能会开裂；一座不能收缩的建筑物，因为它固定在相对较硬的大梁上也可能开裂。因此，应始终考虑消除约束或抵抗它们可能造成的压力。
蠕变是在持续负载下发生的应变，混凝土继续变形但速度随着时间的推移而减小。它与工作荷载的应力大致成正比，随着水灰比的增加而增加，它随着相对湿度的增加而降低。蠕变会增加混凝土梁和板的挠度破坏并导致预应力损失。
普通沙砾混凝土的密度通常约为145lb/ft3。如果粗骨料的最大尺寸小于11/2英寸，它可能会略低。它可以通过使用更密集的聚合物来增加，通过使用轻质骨料，增加空气含量，或者掺入发泡剂或膨胀剂来减少。（J.G.MacGregor，“钢筋混凝土”，McGraw-Hill Book Company，纽约（books.mcgraw-hill.com）；M. Fintel，“手册混凝土工程“，第二版，Van Nostrand Reinhold，纽约）。
8.2 轻质混凝土
比普通沙砾混凝土重量轻的混凝土主要用于减少静载荷，或用于隔热，加固或填充。轻质混凝土必须具有足够的密度以满足防火等级。
轻质混凝土通常是通过使用轻质骨料或使用气体成型剂或发泡剂（如铝粉）加入混合物中制成的。轻质集料是通过加热膨胀粘土，页岩，板岩，硅藻泥页岩，珍珠岩，黑曜石和蛭石，并通过高炉矿渣的特殊冷却而得到。它们也是从浮石，矿渣，火山灰，凝灰岩和硅藻土以及工业灰渣中获得的。表8.1中列出了用一些轻量级聚合物获得的重量的通常范围。
表8.1轻量级混凝土的近似重量
骨料 混凝土重量，lb/ft3
煤渣：
无沙子 85
有沙子 110 – 115
页岩或粘土 90 – 110
浮石 90 – 100
矿渣 90 – 110
珍珠岩 50 – 80
蛭石 35 – 75
轻质混凝土的生产比普通混凝土要困难得多，因为骨料在吸水量，比重，含水量，以及数量和尺寸等方面都会有所不同。如果要获得均匀的结果，则必须多次进行单位重量和坍落度试验，以便可以调整混合物的水泥和水含量。另外，由于聚集体的孔隙度和角度，混凝土通常难以放置和使用。有时，聚集体可能会浮在表面而聚集。可通过增加聚集体的百分比或使用加气混合物加入4至6％的空气来提高其可使用性能。（另见ACI 211.2，“结构轻质混凝土选择比例推荐实践”，美国混凝土研究所（www.aci-int.org）。）
为了改善水分含量的均匀性聚集和减少储存和运输过程中的离析，轻质集料应在使用前24小时润湿。不应将干骨料放入搅拌机，因为骨料离开搅拌机后会继续吸收水分，从而导致混凝土在放置完成之前分离并变硬。轻质混凝土的连续水固化尤为重要。
其他类型的轻质混凝土可以用有机骨料制造，或者通过省略或间隙分级，或用空气或气体代替全部或部分骨料。受钉混凝土通常用锯末制成，但膨胀的矿渣，浮石，珍珠岩和火山灰也可以制造它。可以用等体积的波特兰水泥，沙子和松木屑以及足够的水制成好的受钉混凝土，以产生1至2英寸的坍落度。锯末应该足够细，细到可以通过1/4英寸的筛子，粗到足以保留在16号筛子上。（木屑中的树皮可能会延缓凝结并削弱混凝土。）这种类型的混凝土的性质取决于锯屑来自哪种树木。 山核桃，橡树或桦树可能会造成损害（“混凝土手册”，美国政府印刷局，华盛顿特区，20402（www.gpo.gov））。 一些绝缘轻质混凝土是用木片作为骨料制成的。
对于无粘结混凝土，夹带20-30％空气取代沙子，豌豆砾石作为粗骨料。这种类型的混凝土用于要求低自重、绝热和强度不重要的地方。无粉混凝土的重量可以从105到118 lb/ft3，抗压强度从200到1000 psi。
多孔混凝土可以通过间隙分级或单级集料分级来制造，它用于需要排水，重量轻和导电率低的场合。例如，排水砖可以用4号3frasl;8英寸或1frasl;2 英寸的骨料和低的水灰比制成，用足够的水泥将聚集体结合成类似爆米花的块状物。
气体和泡沫混凝土通常由掺合物制成。起泡剂包括月桂基硫酸钠，烷基芳基磺酸盐，某些肥皂和树脂。在另一种方法中，泡沫是通过用于消除水分的发泡剂如水解的废弃蛋白质来生产的。泡沫混凝土的重量范围为20至110 lb/ft3。
当铝粉用作混合物时，它可以通过产生氢气泡来使混凝土膨胀。一般来说，每一袋水泥约有1/4磅粉末加入到混合料中，有时会加入碱如氢氧化钠或磷酸三钠以加速反应。
对于建筑物的结构来说，例如板或屋顶，较重的蜂窝状混凝土具有足够的强度。 而较轻的混凝土强度就较弱了，但它们能提供良好的隔热和隔音效果或者可作为填充物；例如，它们被用于嵌入电气导管的结构楼板上。
（ACI 213R，“结构轻质集料混凝土指南”和211.2“结构轻质混凝土选择比例的推荐做法”，美国混凝土协会，美国密歇根州法明顿希尔斯乡村俱乐部38800号，48331（www.aci-int.org ）。）
8.3 重质混凝土
重达约385lb/ft3的混凝土可以通过使用比普通骨料更重的材料
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