1.混凝土建筑

構成成分

混凝土（來源于拉丁文中的“Concretus”一詞，表示集中的、濃縮的意思，是動詞“Concrescere”的一種分詞形式，意為“生長在一起”）是由水泥或者類似的黏合劑材料，加上骨料（碎石和沙子）和水混合，從而形成一種能較容易塑造及壓制的混合物。水合作用的化學工藝會降低混合物的可塑性，幾小時后，則開始出現類似于石頭的緊湊固體。最后的成品，即硬化混凝土為一種高度耐加工材料。通常使用數值比例法來表示混合材料的成分。例如：1.3.4 表示：1 份水泥，3 份骨料（沙）及4 份粗骨料（石塊）。將鋼材和混凝土混合在一起則制成鋼筋混凝土。

水泥

可以這么說，水泥是混凝土的靈魂。水泥的歷史也折射出人類的歷史。人類在不斷地追求舒適與安全的過程中，利用周圍環境可用的材料建造房屋。歷史學家們首推歐內斯特·萊斯利·蘭瑟姆（Ernest L.Ransome）建筑師兼發明家，將他視為使鋼筋混凝土成為現在廣泛應用的建筑材料的催化劑。19 世紀及20 世紀初許多黏合劑被授予專利，就是我們今天所熟知的水泥。其中最著名的要數硅酸鹽水泥，一種由鈣、硅石、礬土、鐵和鎂構成的細粉，與水混合便會變硬。

水泥是混凝土的基本材料，因為使用的水泥種類會大大影響成品混凝土的特性。混凝土的強度主要取決于混入水的比例。水泥中的某些堿性化合物也會防止鋼筋結構銹蝕。

因此水泥中水的比例及水泥的種類很大程度上決定了鋼筋混凝土構件的強度與耐久度。

鋼筋混凝土構筑物中使用的水泥是一種水凝水泥，能夠因水合作用而在水中變硬。這類水泥可被分為以下幾類。

· 硅酸鹽水泥

· 硅酸鹽復合水泥

· 高爐水泥

· 火山灰水泥

· 復合水泥

· 天然水泥

· 鈣鋁水泥

· 其他附加特殊屬性的水泥

硅酸鹽水泥

在所有水泥類型中，這種水泥是鋼筋混凝土結構中最常用的。

硅酸鹽水泥由研碎的石灰石與黏土或其他挖掘出來的原料混合制成。這種混合物緊接著被放到窯中加熱。當窯內一旦達到合適的溫度，便會產生化學反應，生成硅酸鈣。這種加熱后的物質，又被稱為“爐渣”，通常為黑灰色的小顆粒狀。隨后爐渣被冷卻、碾碎，形成一種超細的粉末，再用少量石膏加固。

成品水泥的成分可分為主要成分（活性成分）及次要成分。前者有助于生成決定特殊水泥特性的關鍵成分，后者則會使摻入水泥的混凝土或砂漿數量盡量減少到最低值。

主要成分中的硅酸鹽可以賦予水泥機械強度。

硅酸鈣主要負責最初的硬化（凝結）和前期的強度。盡管硅酸三鈣和硅酸二鈣最后都會達到相同的強度，但它們的硬化曲線卻不一樣。硅酸二鈣起初對混凝土強度并沒有太大作用，但28 天之后它就與硅酸三鈣效果相同了。

另外兩種主要成分——鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣對水泥的強度并沒有太大作用。鋁酸鹽在最初幾小時有加速硬化的作用，但時間一長便會影響混凝土的耐用度，因為其易受硫酸鹽的腐蝕。鐵鋁酸四鈣僅僅有助于在硬化過程中增加強度。

硅酸鹽水泥的規格根據對現場取樣的試驗測出的28 天后的最小抗壓強度（kg/cm2或psi）而定。

硅酸鹽復合水泥

硅酸鹽復合水泥由硅酸鹽水泥熟料制成，這種熟料是一種水泥調凝劑，構成總量的80%以上及火山灰熔渣的20% 以下。硅酸鹽復合水泥的規格也是根據28 天后的抗壓強度而定的。

添加劑是能賦予水泥附加的有益特性的產品。某些高爐熔渣具有水硬性，而火山灰作為一種天然產物在水中與鈣接觸后便會產生具有水硬特性的化合物。

高爐水泥

與硅酸鹽復合水泥相似，這種水泥也是由硅酸鹽水泥熟料制成的。水泥調凝劑保持在總量的20% ～80% 之間。高爐熔渣至少占總量的20%。

火山灰水泥

由硅酸鹽水泥熟料及水泥調凝劑（不超過總量的80%）構成，其中火山灰至少占總量的20%。在歐洲標準EN-197 中火山灰水泥被歸類為CEM/IV類。

復合水泥

其中含有硅酸鹽水泥熟料、65% 以上的水泥調凝劑及惰性添加劑（不與水泥和水發生反應），這些類型的水泥不適合在結構混凝土中使用。

天然水泥

將天然水泥的熟料研磨而成，種類很多，規格也根據28天后的抗壓強度而定，分為“慢凝”和“速凝”天然水泥。

鋁酸鈣水泥

由含有水硬性質的鋁酸鈣熟料研磨而成。因此它在原料、成分、生產方式及特性方面與由硅酸鹽水泥熟料制成的水泥是完全不同的。

有附加屬性的水泥

這些水泥不僅符合相關類別水泥的基本要求，而且還擁有額外的特性。

高初期強度硅酸鹽水泥：在48 小時內最低抗壓強度能達到250kg/cm2（3555psi）。

抗硫酸硅酸鹽水泥：由于含有少量的鋁酸三鈣，因而不易于受溶解于水或土壤中的硫酸鹽腐蝕。

低熱量硅酸鹽水泥：在水合作用的第7天產生65kcal/g熱量，第28 天產生熱量75kcal/g的水泥為低熱量硅酸鹽水泥。

白水泥：擁有至少70% 的潔白度，這是基于氧化鎂粉的反射，根據參考值，測量光的反射度所得出的結果。

骨料

骨料通常分為兩種類型：細骨料和粗骨料。細骨料是每粒尺寸不超過10mm的天然或人工沙礫。尺寸少于0.08mm的不能被用在混凝土中，尤其是當其大小相當于干水泥顆粒時。粗骨料是指不能通過16 號鋼筋網、直徑最大可達152mm的骨料。傳統粗骨料的最大尺寸通常在19～25mm之間。

選擇堅硬、堅固、清潔、沒有黏土或污垢的骨料是十分重要的，否則會對水泥的水合作用造成影響。

一般來說，骨料的密度是衡量其質量的重要的指標，因為低密度的骨料滲透性強且缺乏強度。

骨料的特性對水泥的屬性有重要的影響，因為它占到成品水泥體積的70%～80%。

添加劑

添加劑是混合過程中加入的產品，可以被認為是混凝土的第4 種成分。它們的作用是在水泥硬化之前及硬化之后對其進行更改，改良某些特性。

由于供應商很多，因此選擇合適的添加劑是十分重要的第一步。所以預先精確地知曉需要何種效果的添加劑十分重要。同樣，了解添加劑的副作用也是至關重要的，因為在某些情況下副作用會抵消掉最初的效果，此時還是不要使用添加劑為好。

與混凝土中的其他成分不同，目前并沒有規則或標準規定添加劑應該具備哪些特性，所以精心挑選一個能夠保證優質產品的可靠供應商是十分必要的。這一點尤為重要，因為添加劑并不是用得劑量越多越好，而需根據供應商提供的精確用量使用。

因此添加劑只能在質量控制水平極高的場所現場使用，使其在運送到場時即可檢查原料，或在配制及建筑過程中使用。

混合比例

模架（模殼）與其他成分共同制成混凝土，它在制成混凝土構件過程中是十分必要的，且在建筑結構中必須加入鋼筋。模板通常由木材組成，能根據工程項目的性質形成任何形狀，從簡單的方塊到更加復雜的形狀。根據構件需要的尺寸和強度，鋼筋中鋼的強度可強可弱。將流質混凝土混合物倒進模板中，當其變硬后再撤掉模板，此時可以對混凝土的表面進行拋光或進行多層涂漆。

在任何使用鋼筋混凝土的項目中，混凝土成分之間有兩種關系十分重要：骨料和水泥的反應及水與水泥的反應。當沒有其他因素（例如，使用成分的質量問題）影響時，隨著時間的推移，這兩種反應就決定了混凝土的密度、穩定性、耐用性、強度及“健康”程度。

水泥的量在很大程度上決定了混凝土結構的潛在特性。一般來說，確實可以采用參考數值，但通常不能滿足一般建設工地的需要。在某些惡劣的化學條件下或者需要特別高強度的混凝土時，也常常會超過參考劑量。但需要注意的是，水泥不能超過總量的30%。

靠添加水泥所得到的額外強度與使用水泥的量并不成正比，相反，如添加數量超過某一數值，反而會削弱強度。但其黏結強度、鋼筋的抗腐蝕度及隔熱度是隨著水泥的用量成比例增加的。

過量的水會降低鋼筋結構的強度及韌性，并且有可能因為收縮作用而產生裂縫。同時孔洞太多也會增加鋼筋結構腐蝕的可能性。這些都是預拌混凝土經常遇到的問題，因為為了有更多時間將混凝土運到建筑場地及促進混凝土的抽運，需要在里面加水。

收縮作用（由于水的流失而造成的體積減小）是混凝土固有的現象，通常在凝結或在其完全硬化之前，即混合物仍為液態時出現。在樓板的調配過程中可能會因為干燥收縮而產生裂縫，特別是新造樓板結構的收縮受到其他因素，如柱子的限制時。通常高層建筑會出現裂縫，因為它們的底板橫梁及柱子十分堅硬。以下情況下會增加出現裂縫的可能性：當混凝土在炎熱的天氣或者陽光過于充足的地方澆筑時，混凝土表層的水分蒸發得太快導致裂縫，或者由于施工現場機械的過度震動導致裂縫。

從水泥中堿金屬與骨料之間的化學反應、碳化過程及黃鐵礦石（二硫化鐵）中的氯化物化學腐蝕均會對混凝土構成損害，腐蝕鋼筋結構。如果混凝土中含有氯化物，那么即使當其整體PH值很高（PH值達到9 以上）的情況下仍會發生腐蝕，因為氯離子將其中的水變成了電導體。水和骨料中的氯化鈉會持續留存在混凝土中，并且通過小孔滲透到已經凝固了的混凝土中。當氯化鈉的含量超過混凝土總體積的0.1% 時就會發生危險，因為它會影響混凝土對鋼筋的保護能力并且使小面積的混凝土碎裂。這些薄弱部分會被進一步腐蝕，最終會導致鋼筋的裸露，使鋼筋腐蝕、凹陷甚至斷裂。

混凝土種類

高強度混凝土

專門在腐蝕性環境或者需要支撐特別重負荷的情況下使用。

主要用途：

· 受壓環境下的鋼筋混凝土構件，如柱子和墻。

· 受彎曲應力作用的鋼筋混凝土構件，如梁、板和擋土墻。

· 鋼筋混凝土地基、系梁。

· 橋板材。

優點：

· 用于柱子時，性價比更高。

· 因體積較小、所用鋼材較少而節省構造成本，尤其用于柱子中時。

· 橫截面小，節省空間。

· 孔隙少，更耐用，尤其適用于化學腐蝕性環境。

· 支撐結構之間跨度可以更大。

輕質（多孔）混凝土

低密度混凝土，具有更好的隔熱隔音性能。

主要用途：

· 平屋頂。

· 下水道。

· 現有結構翻新。

優點：

· 防火性能好。

· 隔熱隔音性好。

· 熱膨脹系數低。

· 質量輕，建筑結構成本低。

防輻射混凝土

這類混凝土因為較高的密度（>2800kg/m3）是制造防核輻射屏障的理想選擇。

用途：

· 防核輻射屏障。

· 在細長的結構中用作地基，因為增加重量可以防止壓彎。

優點：

· 更加有效地屏蔽X射線和伽馬射線。

· 高效吸收輻射及高速中子。

· 構建幾乎不需要維修的耐用屏障。

抗菌混凝土

能夠防止細菌（革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌）及霉菌在其表面或內部的生長和擴散。

主要用途：

· 糧倉。

· 食品加工基地。

· 牲口棚。

· 回收設備。

· 醫院及保健中心。

· 游泳池。

· 飲用水供給的基礎設施。優點：

· 使用對定量的殺菌劑對人和動植物無害。

· 使用抗菌劑 / 殺菌劑不影響混凝土的性能。

· 混凝土不需要額外涂漆或樹脂等。

自密實混凝土

此種混凝土不需要額外的施壓，在自重的作用下可以流動，變得密實堅固。這種混凝土特別適合建造深層地基，因為深層地基要求成分不易層化或不層化。

主要用途：

· 墊式地基、梁式地基、條形地基。

· 樁、擋土墻及樓板。

優點：

· 建造速度快。

· 浸于水中時能保持形狀不會解體。

· 樁體不易出現裂痕。

· 低透水性。

· 降低了樁頂滲水的風險。

噴漿混凝土

土以高速噴射到表面。“噴漿”是一個總稱，適用于濕混（通過軟管汲取預拌混凝土）及干混工藝（在干水泥混合物通過軟管從噴頭噴出時，在使用前立即注入水）。后者就是通常所說的“壓力噴漿（Gunite）”。使用這種方法可以在缺乏模架或支撐結構的不規則表面鋪設混凝土，可以留存生混凝土。

主要用途：

· 隧道施工。

· 邊坡的穩定。

· 蓄水池、游泳池和運河的成形。

· 修繕現有的構造物

· 鋼結構防火處理

優點：

在部分拆除的情況下，對鋼筋混凝土進行修補。

干混時，噴漿混凝土可以很精確地進行，幾乎不會出現反彈。

混凝土澆筑

為了防止混凝土粘連在模架上從而導致難以去除及損害混凝土表面，在混凝土澆筑前，必須在模架（模板）的內表面涂上脫模劑。脫模劑種類的選取根據模板的材料（酚醛樹脂或金屬夾板）而定。混凝土應該按照生產廠商建議的速率澆筑在不超過500mm的連續層面上，這是為了防止澆筑時產生的壓力對表層的損害。模板應該盡快撤去，具體根據施工現場的特點而定，一般來說，應在澆筑后24～48 小時撤除。

為了使混凝土達到質量要求，一定要給其足夠的時間進行硬化，具體時間根據混凝土的種類及其自重與設計負荷之間的關系而定。這個過程可能需要14～28天，在時間沒到前不能移除定心（支撐物）。

模板

模板是由木制板材或金屬板材臨時構成的結構，用于使生混凝土成形。當混凝土硬化到足夠程度后模板即可被撤除。這些板材幾乎總是需要由木頭或金屬制成的結構（腳手架或定心裝置）支撐。墻壁、地板、柱子、鋪路材料和樓梯的建造需要不同種類的模板。在澆筑混凝土之前鋼筋結構必須先安裝好。模板的基本作用是：使混凝土成所需形狀，并保護正在凝固的混凝土不受外力敲擊，免受極限溫度及水分流失的影響。

今天廣泛應用的模板都是工業生產的預制板，不同于傳統模板，這些模板可以重復使用，且可應用到每個特定項目中。這些模板可以很輕也可很重，需要起重機才能夠現場安裝。有可制作平板的水平模板及制作墻面的垂直模板，當然，幾乎工程所需要的任何構件都可以定做。市場上可見各種各樣的模板，需要根據預算、設備、空間、可用時間及對飾面的要求來選擇合適的模板。

當利用可重復使用的模板在大面積連續區域進行施工時，腳手架是十分有用的，因為它容易拆卸、重新定位板材。對于大型項目，可以使用自我支撐的板材或組合機制，在不需要起重機的情況下進行水平和垂直方向的滑動。后者通常尺寸介于1～3m。

模板最常用的材料是木材（通常為松木、櫸木或樺木），可以切成厚木板或用作板材中的薄木片，厚度在12～35mm之間。通常用無水醋酸浸漬或涂以酚以增加耐久性。

其他材料如鋼鐵、塑料及塑料層壓紙板可以在施工現場快速安裝。后者厚度約9mm，特別適合圓形、方形及矩形的柱子。適用于直 徑 在150～1500mm，高 度3～12m的柱子。這是具有高濕度的絕佳材料，因此適合于成形。建造墻壁和柱子所使用的模板由 規 格 為（250mm、500mm、750mm和900mm/10mm、20mm、30mm和35mm寬，0.6～3m高）的板材、內外角表面部分及可調節的包有聚氯乙烯材料的金屬接頭組成。后者必須超過墻壁及柱子的寬度，用于模具的收緊和釋放，在模板被撤除時能取出混凝土。

在建造圓柱形混凝土墻壁時，無論半徑是小（3～5m）還是大（超過5m），都會是一項艱巨的任務。設計師面臨的一個挑戰是沿墻壁頂部建造一個平坦、水平的墻面，另一個挑戰是建造能承受住濕混凝土對模板墻施加壓力的模板。為了防止模板彎曲，在壓縮及拉伸下需要多方位支撐。

建造圓形柱子時可以使用一次性或可重復使用的模板。前者通常由含有塑料或鋁制襯墊的不透水紙板制成。塑料里襯模板較為堅固，可以用來建造更高的構造物（最大可達直徑為200mm，12m高）。可重復利用的模板可以由鋼構件（需要繩索及支撐物的單個板材）或者簡單的鐵箱結構制成。

水泥板可以與用鋁架支撐的可反復使用的酚醛膠合板、鋼架支撐的塑料或金屬板鑄塑。只要最后拆掉金屬釘，這些都可以被輕易拆卸。

移除模板

大多數情況下模板都是臨時的，當混凝土足夠硬，類似于“人造石”時即可撤除。撤除時間根據使用混凝土及模板的種類而定。

露石混凝土

現代的建筑師在許多設計中采用了露石混凝土表面的設計。為了使飾面具有良好的質量，尤其是在復雜的項目中，需要相關各方的交流協調：建筑師、項目經理、承包商、工程師、模板制造商和混凝土生產商。對于露石混凝土表面有許多處理方法，如振搗、噴灑以裸露骨料、表面織紋、拋光和染色等。

露石混凝土就是指混凝土沒有任何材料的覆蓋，因此混凝土表面的外觀也就決定整棟建筑的外觀效果。有時有必要按最終外觀對混凝土進行分類。如白混凝土、露石混凝土、纖維增強混凝土等。

在裸露混凝土時最好使用光滑而不透水的金屬模板，因為一般來說金屬板要比木質板重復使用的次數更多。根據情況也可使用脫模劑。