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混凝土的前世今生

時間:2022-05-18

材料是結構設計中不可缺少的一個著眼點,近現代建筑的選材主要依靠鋼鐵、混凝土及玻璃這三種工業制品。在近現代工業中立腳已穩的鋼鐵和玻璃及混凝土,漸漸被認為是國際性的結構材料。

其中鋼筋混凝土可以稱得上是人類歷史上最偉大的材料,小到各種住宅樓商鋪,大到超高層地標建筑、大跨度橋梁,無不是鋼筋混凝土在充當著主要的建筑材料。

而混凝土作為一種以水泥為膠結劑,結合各種集料、外加劑等而形成的水硬性膠凝材料,它的發展歷史也可以說是伴隨著人類文明的。

No.1 混凝土的發展

早在5000年前,當時的凌家灘人在簡單的搭建屋舍的基礎上,已經懂得了“挖槽填燒土,木骨撐泥墻”的建筑工藝,這和如今的鋼筋混凝土非常相似。通過專家研究發現,原始先民要用經過火燒過土作為房基槽與墻體的填充材料,在基槽內用木棍作為墻體的支撐柱,然后填埋紅燒的土塊,并在墻體兩側表面敷上較厚的粘泥,甚至一部分還可能用蘆葦桿加固。

奧古斯都時期的羅馬帝國城市極速擴張,奧古斯都對羅馬城進行了史無前例的重建工作,這之中混凝土已經成為了建造活動中的常見材料。其中公元120年建成的萬神廟可謂是其集大成者,而促成這一成功的重要因素就是砂漿的強度,這使得其穹頂在一定程度上為一個整體。羅馬的混凝土技藝從最開始的用作傳統砌體內芯或背后的填料,已經發展成為一種單獨的建筑用材,通過塊狀骨料在灰泥中混合攪拌,形成高質量的灰漿,被用于填料或者依靠自身強度用作建筑材料??上щS著羅馬帝國的逐漸落寞,這一技藝也淡出了人們視線消失在了歷史中。

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羅馬萬神廟

而現代混凝土的產生,這與社會高速發展下的急切的需求是密不可分的。在進入工業革命后,質量好的建筑石材供不應求,這就促使人們采用工業制造的人工材料來替代石筑材料。1756年,約翰·斯密頓首先使用水硬性水泥與骨料、水的混合物,這成為了現代混凝土的開端,此后混凝土開始蓬勃發展。1867年,老花匠約瑟夫·莫尼埃進行了著名的鐵絲網混凝土花盆實驗,隨后他在1877年為結構用的混凝土申請了專利,其帶來的立筋和水平橫筋形成框架,表面澆筑混凝土的做法沿用至今。1890年,弗朗索瓦·埃納比克獲得鋼筋混凝土建造方法的壟斷權,可以利用木模板來進行現場澆筑。

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約瑟夫·莫尼埃鐵絲網混凝土花盆實驗

No.2 混凝土存在的問題

但是新事物產生于舊事物,它總是吸取、保留和改造舊事物中積極的因素作為自己存在和發展的基礎。工業大發展時期的巨大需求所促使產生的鋼筋混凝土在經歷一個多世紀后,也開始逐漸顯得不是那么“萬能”了。隨著建筑物高度越來越高,對于混凝土強度的要求也越來越大。而為了提高混凝土強度,就要少加水,少加水又會造成混凝土攪拌不開的局面,在這窘境之下加入減水劑的方法就被提出了,減水劑加入的最顯而易見的好處就是可以減少混凝土的用水,讓混凝土的內部結構更加致密,不僅強度大幅提高,而且孔隙少了,提高了耐久性??墒卿摻钿P蝕與混凝土的凍融循環等問題仍會對混凝土的結構造成損傷;此外在高溫下,混凝土中的氫氧化鈣會分化,其中的水分會快速蒸發,這對建筑物本身而言可以說是毀滅性的破壞。

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鋼筋混凝土銹蝕

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鋼筋混凝土凍融破壞

No.3 新型混凝土的應用

混凝土材料的改良一直都是建筑材料學家熱切關心的問題,其中對于超高性能混凝土(UPHC)的研究應用,可以說是當今水泥基材料發展的主要方向之一。

UPHC是指抗壓強度在150MPa以上,具有超高韌性、超長耐久性的纖維增強水泥基復合材料的統稱。UHPC材料組分內不包含粗骨料,顆粒粒徑一般小于1mm。UHPC中分散的鋼纖維可大大減緩材料內部微裂縫的擴展,從而使材料表現出超高的韌性和延性。

UHPC具有致密的微觀結構,幾乎是不滲透性的,具有很強的抗滲透、抗碳化、抗腐蝕和抗凍融循環能力,其材料的耐久性根據研究表明可達200年,從而大幅度地提高了混凝土的使用壽命??梢哉f它已經成為當今國際上最具創新性和實用性的水泥基復合材料,國內外學者對它展開了深入的研究。

目前UHPC已經在橋梁工程中得到了廣闊的應用,眾多的橋梁工程將UHPC應用于主梁、拱圈、華夫板、橋梁接縫和舊橋加固等多個方面。

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普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能對比

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世界上第一座UHPC橋——加拿大Sherbrooke橋

除了UHPC以外,筆者就再介紹一下幾種重要的新型混凝土吧。

再生混凝土

再生混凝土是將工地上或者施工過程中一些不用的廢棄混凝土塊經過破碎、清洗等步驟之后,再按照一定的比例與級配合,部分甚至全部代替砂石等天然骨料,再加入水泥、水等就可以配制成新混凝土了。這種新型混凝土的出現不僅僅解決了廢棄混凝土如何安置的難題,更能讓資源回收充分利用,節約成本,是節能環保的好材料。

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再生混凝土公共座椅

透水混凝土

透水混凝土以其特殊的構造及組成材料輕松解決城市排水難題,其以骨料、水泥、增強劑和水拌制作而成。它還具備透氣、透水及重量輕等特點,使得它在城市雨水管理和水污染治理方面功不可沒。除了排水透氣等特點,透水混凝土還具有減緩徑流、再利用雨水等功能。

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透水混凝土構造

清水混凝土

即裝飾混凝土,它所帶來的厚重感和清雅感使得他被越來越多的建筑大師在設計中所大量使用。綠色建筑理念深入人心,清水混凝土的應用隨之廣泛,它散發出的獨特魅力也讓更多的人被吸引。

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清水混凝土清雅畫室

自愈混凝土

自愈混凝土就是擁有和人類類似的特性的一種新型混凝土,即擁有破碎之后能夠自行“修復愈合”的功能。而混凝土作為當今社會中使用最廣泛的建筑材料之一,其不足之處就是很容易出現裂縫。它包含有可生產石灰石的休眠的細菌孢子和細菌生長所需要的養分,通過作用于結構的腐蝕性雨水滲入加以激活,以期對混凝土開裂部分進行局部填充?;炷两Y構失效的主要原因是微裂縫的擴展,自愈混凝土的主要性能便是能夠在混凝土產生裂縫后做出反應自行愈合,這種新材料不僅可以提高混凝土的使用壽命,更能有效降低節約混凝土結構中的維護成本。

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自愈混凝土材料

結語

隨著中國經濟的蓬勃發展,中國的基建工程尤其是超高層建筑可以說是需求量很大的,高性能混凝土的研究以及相應的施工手段的改良的重擔很大程度上落在了中國工程師們的頭上。相信在不久的未來,混凝土一定能夠被更加深入地研究,從而能夠更好地服務于人類的生活中。

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