混凝土是一种建筑复合材料，由水泥（通常是波特兰水泥）和其他胶凝材料组成，如粉煤灰和矿渣水泥、骨料（通常是由砾石或碎岩石如石灰岩、花岗岩加上细骨料制成的粗骨料）、水和化学外加剂。混凝土的英文“concrete”来自拉丁语“concretus”（意为紧凑或浓缩）。跟水混合放置一段时间后，混凝土由于发生水化反应而产生凝固和硬化。混凝土用于建造人行道、管道、建筑结构、地基、高速公路/道路、桥梁/立交桥、停车场、围墙、电线杆甚至船。仅在美国，混凝土就驱动着350亿美元的产业，工人数超过二百万名，并且超过89000公里的高速公路铺着混凝土。钢筋混凝土、预应力混凝土和预制混凝土是现代使用最广泛的三种混凝土类型。

    混凝土的组成

    通过改变主要组成的比例，可以获得不同类型的混凝土，并且可以根据不同应用需要对成品的强度、密度、化学和热性能进行调控。

    水泥

    在一般使用情况下，最常见的水泥类型是波特兰水泥。它是混凝土、砂浆和石膏的基本配料。英国砌筑工人Joseph Aspdin于获得1824年波特兰水泥专利；之所命名为波特兰水泥是因为其颜色与波特兰石灰岩相似，波特兰石灰岩产于英国波特兰岛并广泛应用于伦敦建筑。波特兰水泥由钙、硅和铝的氧化物混合组成。波特兰水泥是由加热石灰石（钙的来源）与粘土混合物，然后加入石膏（硫酸来源）并研磨熟料得到的。像波特兰水泥这样的产品，生产过程中会产生大量的温室气体。因此，最近几年出现了一些水泥的替代品。

    水

    将水与胶凝材料混合，水化过程中形成水泥浆。水泥浆将骨料胶黏在一起，填补骨料之间的空隙，并且使得骨料的流动性变好。水泥浆中的水较少时有助于形成更坚固、更耐用的混凝土，水较多时则会形成坍落度更高、流动性更好的混凝土。如果用于制造混凝土的水不纯净，在凝固过程中就可能出现问题或者导致建筑结构过早失效。水化过程涉及许多不同的反应，通常发生在同一时间。随着反应的进行，水泥水化过程中的产物，逐渐将单颗粒的砂和砾石及其他混凝土成分粘结在一起，形成固体。

    骨料

    作为一种脆性材料，混凝土是一种名副其实的复合材料，骨料的存在大大增加了混凝土的强度。细骨料和粗骨料占了混凝土拌合物的绝大部分。骨料主要是砂、天然砾石和碎石。来自建造、拆迁和挖掘的废弃物作为再生骨料被越来越多地用来替代部分天然骨料，此外，一些工厂生产过程中产生的骨料比如风冷高炉矿渣和底灰也可以用来替代部分天然骨料。有时将装饰石材如石英石、小河石或碎玻璃添加到混凝土表面作为“暴露骨料”，这在景观设计中很受欢迎。

    增强体

    混凝土在压缩过程中有很强的抗压性，因为骨料能有效地承受压缩载荷。然而，它的抗拉能力很弱，因为在拉伸的过程中水泥基体容易破裂而导致构筑物失效。为了能让混凝土承受拉伸载荷，人们通过添加钢筋、玻璃纤维或塑料纤维来进行增强。

    化学外加剂

    化学外加剂是指在混凝土中添加的粉末或液体材料，可调节和改善混凝土的性能，使其具有纯混凝土拌合物所不能得到的某些特性。正常使用时，外加剂是在拌合时掺入混凝土中的，掺量小于水泥的5%。

    常用外加剂的种类如下：

    1、速凝剂：加速混凝土的水化（硬化）。典型的加速剂有氯化钙、硝酸钙和硝酸钠。然而，使用氯化物可能会引起钢筋腐蚀，而且在一些国家是被禁止的，所以，使用硝酸盐更恰当。

    2、缓凝剂：延缓混凝土的水化，用于大型或复杂浇筑（这时如果在浇筑完成之前发生部分凝固将是不利的）。典型的多元醇缓凝剂有白糖、蔗糖、葡萄糖酸钠、葡萄糖、柠檬酸和酒石酸。

    3、引气剂：在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，减弱冻融循环破坏，从而提高混凝土的耐久性。然而，每夹带1%的空气可能会导致抗压强度下降5%。

    4、塑化剂：提高新拌混凝土的和易性，使它更容易成型。塑化剂可用来减少拌合用水量而不损害和易性，因此有时也被称为减水剂。高效减水剂是一类具有较少有害影响并可提高混凝土和易性的塑化剂。作为高效减水剂的化合物包括萘磺酸甲醛缩合物、磺化三聚氰胺甲醛缩合物、丙酮甲醛缩合物和聚羧酸醚。

    5、着色剂：美学上用来改变混凝土的颜色。

    6、阻锈剂：用来减少钢筋在混凝土中的腐蚀。

    7、粘结剂：用来胶结新、旧混凝土（通常是一种类型的聚合物）。

    8、泵送剂：改善混凝土拌合物泵送性能。

    矿物掺合料和水泥混合材

    部分无机材料也有火山灰活性或潜在的水硬性。这些粒度非常细小的材料被添加到混凝土拌合料中，以改善混凝土的性能（矿物掺合料），或作为波特兰水泥的替代品（水泥混合材）。

    1、粉煤灰：燃煤发电厂的副产品，用来取代部分波特兰水泥（取代量可高达60%）。粉煤灰的性质取决于煤燃烧类型。一般来说，硅质粉煤灰具有火山灰活性，而钙质粉煤灰具有潜在的水硬性。

    2、粒化高炉矿渣（GGBFS）：生产钢铁的副产品，用来取代部分波特兰水泥（取代量可高达80%）。它具有潜在的水硬性。

    3、硅粉：生产硅和硅铁合金的副产品。硅灰类似于粉煤灰，但颗粒要小100倍，从而具有更高的比表面积，火山灰反应更快。硅灰用来提高混凝土的强度和耐久性，但通常需要使用高效减水剂来改善和易性。

    4、高活性偏高岭土（HRM）：混凝土中添加高活性偏高岭土产生的强度和耐久性可与硅粉媲美。硅灰的颜色一般是深灰色或黑色，而高活性偏高岭土一般是亮白色，这使得高活性偏高岭土在装饰用混凝土选择中更具外观优势。

    混凝土的历史

    在罗马帝国时期，混凝土是由生石灰、火山灰和浮石骨料制成。罗马建筑广泛使用混凝土是建筑史上的一个重要事件——被称为罗马建筑革命，使罗马建筑从石头和砖的限制中解放出来，并且促进了结构复杂度和尺寸设计上的革新。正如罗马人所知的那样，混凝土是一种新的、革命性的材料，当铺设拱、拱顶和穹顶时，混凝土很快就能变成一个刚体，而不像石头或砖那样由于存在较多相互作用力而困扰建设者。

    现代测试表明，罗马帝国时期的混凝土和现代波特兰水泥混凝土的抗压强度相当（约200kg/cm2）。然而，由于没有钢筋，其抗拉强度远低于现代混凝土。混凝土的广泛应用使许多罗马建筑得以幸存至今，卡拉卡拉浴场就是其中一个例子。许多罗马水道和桥梁与万神殿圆顶一样具有混凝土芯砖石包层。混凝土外加剂的使用可以追溯到古罗马和埃及时代，当时人们在混凝土拌合物中加入火山灰以使其在水下凝固。此外，罗马人还知道，加入马毛可使混凝土硬化时不易开裂，加入血液可使其更耐霜冻。

    如今，因为日益严格的环保法规，使用回收材料作为混凝土配料已经越来越受欢迎。其中最引人注目的是粉煤灰——火力发电厂的副产品，粉煤灰作为水泥替代物使用减少了所需水泥量、采石量和垃圾填埋空间。研究人员还尝试添加其他材料来改善混凝土的性质，如提高其强度和电导率。Marconite（马可尼特，一种用于生产导电混凝土的骨料）就是一个例子。

    世界记录

    单一工程最大混凝土灌注量的世界纪录保持者是中国湖北三峡大坝，大坝建设用混凝土估计为1600万立方米。此前的纪录是巴西伊泰普水电站的320万立方米。

    混凝土泵送最大高度的世界纪录是印度于2009年8月7 日在一个水电工程的施工过程中创造的，当时混凝土泵送的垂直高度达到了715米。

    混凝土最大连续浇筑量的世界记录是Al Habtoor-CCC合资公司于2007年8月在阿布扎比（阿拉伯联合酋长国首都）创造的，当时阿布扎比地表大厦基础一部分的混凝土连续浇筑量在两天内达到了16000立方米。前一个记录（接近10500立方米）是迪拜承包公司在2007 年3月23日创造的。

    最大连续浇筑混凝土地面的世界记录是一个建筑设计公司于1997年11月8日在路易斯维尔（美国肯塔基州城市）创造的，整体包含20900平方米混凝土的施工在30小时内完成，总体积超过了前一个记录50%，总面积超过了前一个记录7.5%。

    水下混凝土最大连续浇筑量的世界记录是俄亥俄州马汉建筑公司于2010年10月18日创造的，通过使用两个混凝土泵和两个专用混凝土搅拌机在58小时内完成了包含7817立方米混凝土的施工。

责任编辑：李玲珊

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