C10	C60	使用位置	主砌塊
外觀	空心砌塊	特殊功能	耐腐蝕
聯(lián)系人	馮偉光

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水泥最早是在1824年被英國約瑟夫·阿斯普丁所發(fā)明，在那之前，人類并沒有水泥的概念，那個時候的建筑物一般都是使用木頭或者泥土來進行建造，不過在古羅馬時期，人們已經(jīng)會使用火山灰和石灰加水來作為建筑的粘合劑，這樣能讓建筑物變得更加堅硬，但那個時候的人們并不知道其中的原因。只是后來的約瑟夫·阿斯普丁通過研究發(fā)現(xiàn)：石灰、黏土和礦渣按照一定的比例混合并進行煅燒，經(jīng)過煅燒之后的產(chǎn)物磨細后通過加水便能夠直接硬化，強度很大，能與英國波特蘭島上的天然石材相媲美，于是人們又稱之為“波特蘭水泥”。


古羅馬建筑遺址
在1824年英國約瑟夫·阿斯普丁發(fā)明了水泥之后并申請了專利，水泥才被大批量的開始使用，目前僅我國每年水泥的產(chǎn)量就近二十億噸，需求量十分巨大。水泥可以說是對人類最大貢獻的發(fā)明之一。那么為什么水泥一加水就會神奇地變硬呢？我們先來了解這個問題。



水泥制造以及硬化原理

水泥制造
常見的水泥一般都是硅酸鹽水泥，制造這類水泥的原料主要是石灰石、黏土和細砂，石灰石主要是提供碳酸鈣，而黏土和細砂可以提供水泥中所需的硅。為了節(jié)省時間和運輸成本，水泥廠一般會直接建在露天開采的石灰石礦場旁。


石灰石會使用爆破技術(shù)進行開采，開采出來的都是巨大的石塊，因此還需要使用破碎機進行破碎，破碎后的石灰水將會按一定的比例和黏土砂石等物質(zhì)混合，并一同磨細，進行煅燒，內(nèi)部溫度可高達1500℃。煅燒過程是水泥形成的關(guān)鍵，通過煅燒，這些混合原料會發(fā)生一系列化學反應(yīng)，形成一類加水即可硬化的膠凝材料。


在煅燒過程中，石灰石中的碳酸鈣會發(fā)生分解，生成氧化鈣，氧化鈣與氧化硅之間又會繼續(xù)反應(yīng)，生成硅酸鈣，硅酸鈣分為硅酸二鈣和硅酸三鈣，這兩種物質(zhì)是水泥能夠硬化的核心成分。反應(yīng)之后的產(chǎn)物會再次磨細，顆粒越細，在之后加入水時，水化反應(yīng)將會越充分，那么凝結(jié)之后的強度就會越高。


硬化原理
煅燒之后的產(chǎn)物我們就稱為水泥熟料，水泥熟料在加入水后，其中的硅酸鈣就會與水發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣，這兩種物質(zhì)的生成就是水泥加水能夠硬化過程中強度形成的原因。


水化硅酸鈣和氫氧化鈣會依靠氫鍵和分子之間的作用力緊密結(jié)合在一起，并且這些產(chǎn)物在生成過程中會不斷的生長，形成的長鏈結(jié)構(gòu)會相互交織在一起，我們可以將它們想像從顆粒中延伸出來的無數(shù)條細針，這些細針相互穿插，相互交織，于是形成了很高強度的固化材料，這就是水泥為什么加水后攪拌就能夠硬化的原因。那么硬化后形成的混凝土壽命真的只有傳說中的五十年嗎？



混凝土的壽命真的只有五十年？

實際上不考慮外界環(huán)境而單獨的去討論水泥的壽命有多長是沒有意義的，固化的水泥能使用多久與它實際所處的環(huán)境息息相關(guān)，就好像鐵在潮濕的地方容易生銹很快就被腐蝕掉，而在干燥的空氣中則能長時間不被氧化，在這種環(huán)境下，鐵的壽命可能是潮濕環(huán)境下的幾十倍。


兩千多年前的水泥建筑現(xiàn)在依舊保留著
水泥雖然在1824年才正式誕生，但人類使用這種具有水活性的物質(zhì)已經(jīng)有了幾千年的歷史，公元前一百多年前的古羅馬已經(jīng)開始使用火山灰加水作為建筑粘接劑，只是那個時候人們并不知道這些東西到底是什么成分，又是怎么形成的。以我們現(xiàn)在的角度來看，很容易就能明白為什么火山灰具有這種性質(zhì)，這是因為火山灰同樣的經(jīng)過了高溫煅燒過程，讓礦物發(fā)生分解和化合反應(yīng)，產(chǎn)生了加水便能夠固化的硅酸鈣、鋁酸鈣等物質(zhì)，這些硅鋁酸鹽加水后發(fā)生水化反應(yīng)于是能夠凝結(jié)。這些固化產(chǎn)物與我們現(xiàn)在所使用的水泥實際成分類似，只是那個時候并沒有將它科學化、系統(tǒng)化的進行研究，也就沒有水泥的批量化生產(chǎn)和大規(guī)模的使用，但這些建筑我們現(xiàn)在可以作為一種參考，例如古羅馬的萬神廟至今已經(jīng)過去了兩千多年還保存完好。


正常情況下，混凝土的壽命遠大于設(shè)計年限
不過目前國家按照不同使用標準對混凝土使用年限做了一定的規(guī)定，普通建筑物的設(shè)計使用年限為五十年，而特別重要的建筑設(shè)計年限為一百年。但這并不表示過了這個時候，水泥就不具有強度了，這只是一個最低設(shè)計標準，追蹤混凝土的使用年限一般會遠大于這個時間。


混凝土壽命的長短關(guān)鍵是看是否被腐蝕，這其中就有很多因素會影響水泥的壽命，例如由溫度變化、外界酸堿性變化、鹽溶液的腐蝕等等。

常見的比如鹽溶液中的氯離子會嚴重影響混凝土的性能，由于氯離子會與混凝土中的氫氧根離子發(fā)生交換，從而使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生溶解而坍塌，因此浸泡在海水中的建筑很容易被腐蝕掉，一般這些地方需要使用特種水泥材料或者使用一些防護措施來減少腐蝕從而增加使用壽命。


而我們居家的環(huán)境顯然沒有這么惡劣，正常的雨水沖刷或溫度變化對它們的影響并不會太大。例如美國上世紀的高層建筑——帝國大廈，竣工于1931年4月11日，曾是世界上最高的建筑物，至今已經(jīng)過去了近九十年，現(xiàn)在依舊是紐約的標志性建筑之一，現(xiàn)在來看，帝國大廈依舊是那么的堅挺。


所以說，混凝土在正常環(huán)境下使用五十年完全不在話下，除非遇上極端的情況，比如天災(zāi)（洪災(zāi)、地震等劇烈破壞性因素），因此我們完全不必擔心五十年后質(zhì)量是否會嚴重下降，房子還能不能住等問題，現(xiàn)在的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度足夠大，壽命能夠輕松超過百年，百年以后的事，可就不用我們過多操心了。

拌制水泥漿、砂漿、混凝土時所用的水和水泥的重量之比。水灰比影響混凝土的流變性能、水泥漿凝聚結(jié)構(gòu)以及其硬化后的密實度，因而在組成材料給定的情況下，水灰比是決定混凝土強度、耐久性和其他一系列物理力學性能的主要參數(shù)。對某種水泥就有一個最適宜的比值，過大或過小都會使強度等性能受到影響。 [1]
水灰比按同品種水泥固定。硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥為0.44；
火山灰水泥、粉煤灰水泥為0.46。

混凝土的水灰比和塌落度過是建筑工程在施工中經(jīng)常要碰到的問題，對于兩者的相互關(guān)系，大部分民工乃至部分施工技術(shù)人員和部分監(jiān)理人員，不是很清楚。



以為水灰比大就是塌落度大，塌落度大就是水灰比大，認為兩者是一碼事，其實不然。



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這兩者之間有本質(zhì)的區(qū)分，但兩者之間又有相互牽連的關(guān)系。要說明這個問題，得從混凝土的配合比設(shè)計說起，現(xiàn)以重量比為例，配合比的計算順序如下：



1、計算水灰比，計算公式如下：Rh=0.46Rc(C/W-0.52)式中：Rh為混凝土的試配強度，Rc為水泥強度，C/W為灰水比，即水灰比W/C的倒數(shù)，其中C代表水泥，W代表水



從式中可以看出，混凝土強度同水泥強度成正比，同灰水比成正比，即同水灰比成反比，（水灰比為灰水比的倒數(shù)，1÷灰水比即為水灰比，1÷水灰比即為灰水比），因此灰水比越大則水灰比越小，混凝土強度越大則水灰比越小。



由此可見，在確定水灰比大小的計算中，水灰比只與混凝土強度和水泥強度兩個因素有關(guān)，與塌落度的大小是沒有關(guān)系的。



故水灰比是根據(jù)混凝土配比強度和水泥強度計算所得，是既定的，是不能任意改變的。



2、確定塌落度，塌落度是根據(jù)混凝土澆灌部位、構(gòu)件體積、鋼筋密集等情況確定的，如基礎(chǔ)工程塌落度可小一點，一般為10-30mm，柱梁工程一般為30-50mm，構(gòu)件細小或者配筋密集，混凝土較難澆灌，則塌落度應(yīng)適當大一點，一般可在50-90mm。



3、確定用水量，每立方混凝土的用水量是根據(jù)塌落度的大小決定的，此外，與石子粒徑的大小和黃砂的粗細略有關(guān)系。



粒徑偏細的石子和細砂用水量略偏大，以中砂為例，石子最大粒徑40mm，塌落度30-50mm，每立方混凝土的用水量為180kg。關(guān)于用水量可在相關(guān)表中查得。



4、計算水泥用量，水泥用量根據(jù)每立方混凝土用水量和水灰比計算：即用水量Χ灰水比或者用水量÷水灰比，例如水灰比為0.5，用水量為180kg，則水泥用量為180÷0.5=360kg。



5、確定每立方混凝土的容重，一般混凝土每立方容重約2400kg，強度高的略重，強度低的略輕，但偏差不是很大。



6、計算砂石總用量，砂石總用量為砼容重—用水量—水泥用量，以上述為例，砂石總用量為砼容重2400—水180—水泥360=1860kg。



7、確定砂率并計算砂、石用量、砂率一般為35%，水灰比小的砂率略小，水灰比大的砂率略大，可根據(jù)試配混凝土的和易性調(diào)整砂率，以上述為例，中砂用量為1860Χ35%=651kg，石子用量為1860—651=1209kg。水、砂、石子用量分別除水泥用量，即成為以水泥為1的配合比，水泥1：水0.5:中砂1.81：石子3.36。



綜合上所述，水灰比是混凝土中水與水泥的比例，是計算所得，水灰比的大小只與混凝土試配強度和水泥強度有關(guān)，與塌落度的大小沒有關(guān)系。水灰比是保證混凝土強度的先決條件，這個比例在施工中自始至終不得改變。



而塌落度則是混凝土的干稀程度，即適宜混凝土施工的工作度，這就是我開頭所講水灰比與塌落度有本質(zhì)的區(qū)分。



塌落度大并非水灰比一定大，例如商品砼，塌落度很大，一般都在120mm及以上，可它的水灰比不大，只是用水量大而按水灰比增大了水泥的用量，故商品砼的水泥用量比一般自拌砼要大。



因此水灰比和塌落度都是在配合比中規(guī)定了的，是不能任意改變的。如果任意增大塌落度，則水灰比相應(yīng)增大，這就是塌落度和水灰比的牽連關(guān)系。



所以我們平時經(jīng)常講到要控制塌落度保證水灰比，道理就在此。因此，在混凝土搗拌時要經(jīng)常做塌落度試驗。



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有時在混凝土澆灌中，確實會碰到特殊情況，如局部構(gòu)件特別細小、配筋特別密集、澆灌有困難，這時可適當增大塌落度，但必須按水灰比相應(yīng)增加水泥用量，例如水灰比為0.5，用水量比原配比每一拌增加了5公斤水，則5÷0.5=10，就是說每拌應(yīng)增加10公斤水泥，這樣就仍然保持原來的水灰比。



在施工現(xiàn)場，工人們往往為了工作上省力，而任意增大用水量，則增大了水灰比，用他們自己的話講，我們只多加了一點水，水泥按配比沒有少放，對混凝土強度不會有影響。



當真對強度沒有影響嗎？非也，這就是我們經(jīng)常講的要控制塌落度的原因，而且原因很簡單，因為混凝土隨著硬化過程，水分逐漸蒸發(fā)，在混凝土內(nèi)部形成空隙，水分越多，空隙當然越多，從而降低了混凝土的密實度，則降低了混凝土的強度。



若為操作省力，增大塌落度，必須影響混凝土強度，此時只能按水灰比增加水泥用量，才能保證規(guī)定的水灰比，從而保證強度，但這無疑造成了水泥的浪費。因此，控制塌落度，不造成水泥的浪費，也有其一定的經(jīng)濟意義。