混凝土与钢筋混凝土

现今大型的结构，多采用混凝土，大高楼、大坝、大桥梁。混凝土可以说是使用最多的结构材料。其所以如此，是由于混凝土具有独到的优点:原料丰富、易生产、施工简单、强度高、耐久。

混凝土施工其实是由沙子和石头等称为填料的材料和水泥混合后加水搅和均匀，用模板或其他方式赋予要求的形状，经过适当的时间固化后就成为混凝土结构。

而水泥生产，则以自然界大量存在的石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，在水泥窑中煅烧成熟料，再加入适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）磨细而成。如今全世界生产水泥的碳排放量已经占到3-5%，可见它的用量之大。水泥的英文是cement，由拉丁文caementum发展而来的。

在仔细讨论混凝土之前，我们先介绍中国古代有一种类似混凝土的材料，俗称三合土。三合土是由石灰、黏土（或碎砖、碎石）和细砂所组成。

三合土在我国有很长的历史，在明清两代已经广泛应用于建筑结构中。它的制作方法是将这三种原料按一定的比例混合后，用竹片或木槌不断地炼打、翻动，然后堆放停置一段时间使其融合、老化。

特别是石灰和黄土都有一个从生到熟的演化过程。停置时间的长短应掌握在混合物未硬化之前，几天十几天不一，然后再次炼打、翻动。这样的炼打次数越多、越久则效果越好。而它的干湿度应掌握在用手捏可以成团状，用手揉又会散开为适。

这就是建筑上所用的“三合土”。用这种“三合土”夯打土楼的墙基那是相当坚实的。它可以承载巨大的压力，还可以防止洪水、山水的冲刷和浸泡。

图1 三合土建造的土台

我们可以看出，三合土最重要的材料石灰，是由石灰石烧制而成的。而石灰石也是水泥的主要材料。所以他们有某些共同的特点。

图2 用石灰作为主要粘合剂的万里长城

在西方水泥发明之前，也有相当长一段类似于中国使用三合土的历史，不过他们用的是石灰、石膏，沙子、火山灰等。一直到1824年10月21日，英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯普丁（J. Aspdin）获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书，成为公认的现代水泥发明人。

图3 阿斯普丁（）像

“波特兰水泥”制造方法是：“把石灰石捣成细粉，配合一定量的黏土，掺水后以人工或机械搅和均匀成泥浆。置泥浆于盘上，加热干燥。将干料打击成块，然后装入石灰窑煅烧，烧至石灰石内碳酸气完全逸出。煅烧后的烧块再将其冷却和打碎磨细，制成水泥。

使用水泥时加入少量水，拌和成适当稠度的砂浆，可应用于各种不同的工作场合。” 该水泥水固化后的颜色类似英国波特兰地区建筑用石料的颜色，所以被称为“波特兰水泥”。 阿斯普丁父子长期对“波特兰水泥”生产方法保密，采取了各种保密措施。

水泥进入结构材料之后，由于世界设计与施工的需要，在全世界范围进行了大量的力学性能的实验研究。

首先是强度，由于水泥的性能依赖于原料生产过程不同，所以每一批次的强度会有差异。因之，出厂时要经过试验，标出它的强度。目前划分的强度等级的称为标号，分为C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80、C85、C90、C95、C100共19个等级。例如，强度等级为C30的混凝土是指它的抗压强度的范围为30MPa≤fcu，k<35MPa。

这里Fcu,k代表同一批次混凝土立方体试块抗压强度标准值。即立方体试块一般取150mm边长，在摄氏20°误差为3°，相对湿度在90%以上，经过28天的龄期的压强实验值。它是一个统计概率有95%可靠度的数值。fcu是force cube立方体所受压强的缩写K是Key缩写、关键值。

混凝土有一个特点，就是它抗压强度很好，而对拉力则很弱。实验表明，混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的1/10～1/20。所以，最早混凝土在结构上只用在拉应力很小的条件下，例如柱子、桥墩、挡土墙等。

19世纪中叶，炼钢技术得到了普及，人们开始能够大批生产钢。于是以钢作为主要结构材料的钢结构来到世界上。同时又由于钢具有很高的拉伸强度，人们自然想到用钢来补足混凝土的不足。这就是钢筋混凝土的诞生。

通常认为法国园艺师约瑟夫·莫尼尔（en:Joseph Monier）于1849年发明钢筋混凝土并于1867年取得包括钢筋混凝土花盆以及紧随其后应用于公路护栏的钢筋混凝土梁柱的专利。1872年，世界第一座钢筋混凝土结构的建筑在美国纽约落成，人类建筑史上一个崭新的纪元从此开始，钢筋混凝土结构在1900年之后在工程界得到了大规模的使用。

图4 钢筋混凝土梁配筋示意图

图4表示一根钢筋混凝土梁中钢筋与混凝土的分布情形。我们知道，梁在自重和承重下，中间层的应力近似为零，中间层下面受拉应力作用，上部受压应力作用。由于混凝土受拉的能力很弱，所以在梁的下部分配的钢筋就多。也许有读者会问，既然梁的上部混凝土抗压能力很强，为什么梁的上部还要配筋？这是因为，一根预制好的梁，做好后还会运输与吊装。在运输与吊装过程中，难免上部受拉。所以还是要适当配筋。一般说来，在配筋的时候，考虑截面上所有的拉应力全部由钢筋承受。大致上依此来决定配筋的多少。

钢筋混凝土来到世界上，由于他的高强度、耐久、便于施工的有点，很快被广泛应用于各种建筑中。图5、6、7表示一些钢筋混凝土结构的施工过程。

图5 施工中的三峡大坝钢筋混凝土结构的一部分

图6 唐山市二环路跨铁路桥梁施工

图7 施工中的钢筋混凝土大楼

上面我们只是简单介绍了一般混凝土材料。随着技术的进步，混凝土也得到各方面的发展。混凝土有关的研究课题也不断提出。

首先是为适应不同的要求产生了不同种类的混凝土，有加重的，有加入泡沫的轻型混凝土，有颗粒微细可以作为涂料的水泥，有以有机高分子材料和水泥共同作用而制得的聚合物混凝土，有耐热混凝土，有耐酸混凝土，等等不一而足。

另外，人们研究出各种添加剂，以改善混凝土的性能和便于施工。例如施工时防冻的添加剂，防止混凝土固化时过分膨胀的添加剂，防止开裂的添加剂等等。

混凝土的结构的强度和应力分析，一直是结构力学最重要的研究课题。例如钢筋与水泥之间的开裂问题，这是一种界面断裂问题；混凝土的持久强度问题；在高速爆炸条件下混凝土的应力应变关系问题；混凝土配筋后的二次应力分布问题；不同龄期下混凝土的强度与应力应变关系；混凝土在交变应力作用下的疲劳强度问题等等。

总之，只要混凝土作为重要的结构材料，就有许许多多的问题提出需要人们去研究解决，混凝土的技术也得到不断发展。

                                             2021,3,27