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2.材料
2.1导引
本文所探讨的结构和组成部件是由通过钢筋以及在某些情况下用钢丝、钢线或者合金棒施加预应力所加强的混凝土组成的。对材料特性以及其在受载情况下的反应的掌握是理解混凝土结构表现以及保证安全性、经济性和混凝土结构可使用性的基础。虽然材料反应的基础的预测是假定的，但是本章提供了简要的回顾以及对加强钢筋和预应力钢的共同应用的描述。本章也为那些为在讨论话题寻找更多信息的人提供了大量参考文献。
2.2水泥
胶结材料是一种使惰性集合体转变为拥有足够强度和耐久性固体块所必须的具有粘结性和结合性的材料。这种科学性地重要材料种类不仅仅包含了水泥本身，石灰、沥青、柏油以及类似的被用于道路修建以及其他地方。对于修建混凝土结构，被称作液压水泥的材料有其独有的优势。水是水泥粉放置进固体块并在其中产生化学反应（水合作用）变硬所需要的，在现在已经研究出的多种液压水泥中，1824年在英国获得专利的波特兰水泥是目前为止最通用的水泥。
波特兰水泥是一种主要有钙硅酸盐和铝硅酸盐组成的非常好的浅灰色粉末状材料，这种通用的生水泥来自于提供CaO的石灰岩以及提供SiO2和Al2O3的黏土和页岩。这些在烧窖经过研磨、混合、融凝成渣块最后冷却，然后加入石膏并将混合物研磨到所要求的成色。这些水泥通过散装或者94磅一袋的袋装运输。
在过去一年里，五种波特兰水泥的衡量标准被研究出来了。种类Ⅰ，普通波特兰水泥，美国90％以上的建筑都使用这种水泥，用种类Ⅰ水泥所制造的混凝土通常需要大约两周时间去达到足够的强度然后才能去移动这些杆件和板件并且合理的加载应用，混凝土在经过28天达到设计的强度之后它们仍然会持续以降低的速率增加强度。在必要的时候为了加快建筑速度，早期强度更高的水泥被研究出来了，例如种类Ⅲ，这种水泥比普通波特兰水泥更加昂贵，但是相应的它在7到14天内就会达到种类Ⅰ水泥在28天使达到的强度。种类Ⅲ波特兰水泥包含了和种类Ⅰ水泥一样的基础化合物，但是相关的比例不同并且它研磨的更加精细。
当水泥加入水去形成软坯时，它逐渐变硬直到它变为一个固体。这个过程被熟知为固化和硬化，当水泥获得足够的强度去支持一个任意的确定压力时认为它已经被固化好了，在这之后它持续很长一段时间的硬化，也就是获得进一步的强度。浆糊中的水不断溶解水泥颗粒表面的原料并形成体积和刚度逐渐增大的胶体，这就造成了在水泥中加入水之后的2到4个小时内的逐渐劲化现象。伴随着物块的劲化和硬化现象，水合作用在水泥颗粒中以一种降低的速率持续向更深层次进行。水合作用的原则性产物是不溶的硅酸钙水合物和可溶的钙水合物。
通常在混凝土里，水泥是不可能完全水合的。硬化浆糊的胶体结构似乎是造成由于水分变化，例如当混凝土干燥时的缩水，而引起体积变化的主要原因。
对于给定数量的水泥完全水合部分，从重量上来看，一定数量的水需要相当于25％水量的水泥--也就是说，水-水泥的比率为0.25是完全水合的化学上层次上所必需的。然而，额外数量的水泥必须在水合作用进程里用于为水在水泥浆中提供流动能力，这样水才能接触到水泥颗粒并为混凝土混合物提供必要的可加工性。对于正常的混凝土，水-水泥比率通常分布在0.40到0.60之间，但是在高强度混凝土中，比率低如0.21的也在使用。在这种情况下，必须的可加工性就通过混合剂的使用来获得。
关于那些在化学反应中消耗于在水泥浆中产生气孔的水，硬化泥浆的强度随着气孔占总体积的比例的升高而减小。换种说法，因为只有固体抵抗压力，而不是空心体，所以泥浆的强度随着固体占总体积的比例的增加而增加。这就是水泥浆的强度基本决定于水-水泥比率并且随着水-水泥比率的增加强度逐渐降低。
在固化和硬化的化学反应过程中会释放热量，熟知为水合热。在巨大的混凝土块中，例如大坝，热量消散非常慢并且导致混凝土在水合作用中温度上升以及体积扩张，在这之后再冷却并且体积收缩。 为了避免由于这个过程可能引起的严重开裂以及削弱，需要采取一些特殊措施来控制这种现象。
2.3聚合物
在通常的混凝土结构中，聚合物占据了大约70％到75％硬化物的总体积。硬化水泥浆剩余组成部分，未结合水（也就是没有与水泥进行水合作用的水）、空气。后两者明显不增加混凝土的强度。通常情况下，聚合物被压的越密集，混凝土的耐久性和经济性就越好。由于这个原因，聚合物中的颗粒尺寸大小以及生产密集的包装是非常重要的。当然聚合物拥有高强度、耐久性、以及天气抗性也是很重要的；表面能免受壤土，黏土，泥沙以及有机物质等可能削弱水泥浆之间的联系的物质的影响；并且它们与水泥之间不会发生不利的化学反应 。
自然聚合物通常被定级分为精良和粗糙两级。精良聚合物（典型的是自然形成的沙子）是任何一种可以通过4号筛子的原料，4号筛子也就是每线一英寸有4个开口的筛子。比这更粗糙的原料被定级为粗糙聚合物，当需要优良等级的聚合物时，将聚合物通过筛子分为两种或三种尺寸的沙子和数种尺寸的粗糙聚合物。在这之后能通过分级表进行组合从而形成密集的聚合体。粗糙聚合物的最大尺寸由其应能轻易的适应形势以及填入钢筋之间的要求所控制管理，为达到这个目的，它不应该大于结构最窄尺寸的1/5或板厚的1/3以及钢筋之间最小距离的3/4.在STM C 33 ，混凝土聚合物标准规范，中可找到满意的聚合物，并且聚合物性质以及它们对混凝土性质的影响的权威信息也可以在这里面找到，同时选择、准备的导引和聚合物的处理都可以在参考书2.1中找到。
混凝土块的单位重量，也就是含有天然聚合物的混凝土，每立方英尺从140到152英镑不等，通常可判定为145英镑每立方英尺。对于某些特殊要求，一方面使用轻量混凝土，另一方面使用重量混凝土。
当今存在着多种轻量混凝土。某些未加工的聚合物，例如浮石或煤渣，适用于绝缘混凝土，但是对于工程用轻量混凝土，由于更好的可控性则使用加工过的混凝土。这些包含了众多的页岩、粘土、石板、矿渣或者制造出的飞灰。在高温状态下（通常在2000℉以上）于回转窖中处理聚合物时形成的气体和蒸汽造成了聚合物粒子个体的多孔、细胞结构 ，并造成它们的重量很轻。可以在ASYM C 330，结构混凝土轻质集料的标准规范，中找到满意的轻量级聚合物。
在参考书2.2中将轻量级混凝土分为了3级:低密度混凝土，主要包含了那些每立方英尺重量极少超过50磅的原料，其主要应用于绝缘；中强度混凝土，主要包含每立方英尺重量分布在60到85英镑以及抗压强度在1000到2500每平方米的原料，其主要应用于充填，例如在轻型钢质地板上；以及结构混凝土，拥有每立方英尺90到120磅的重量以及与石块混凝土相当的抗压强度。轻量混凝土和石块混凝土的相似和不同性质在2.8节和2.9节中会讨论。
重量级混凝土经常被用于在核反应堆遮挡gamma;和X射线，并且类似的为了保护结构以及某些特殊的目的，例如吊桥计算重量，也配备这种混凝土。重量级聚合物就用于这种混凝土。将这些包含重铁矿石或者钡石（硫酸钡）的原料粉碎到合适的尺寸，以废料的形式捶打，敲击或者射击 （一样好）的方法也在使用。包含自然的重量级岩石聚合物的重级混凝土重量分布在200到230磅每立方英尺。如果铁料被加入到高密度矿石中就形成了高达 270磅没立方英尺的原料。 如果矿石只用于精良聚合物而钢用于粗糙聚合物甚至能使其重量达到330磅每立方英尺。
2.4配料以及搅拌混凝土
混合物的多种组成部分就叫配料，以便混凝土产物拥有足够的强度，合适的工作能力去放置，并且花销较小。第三点需要使用最少量的水泥（配料的消耗最多)去达到足够的要求。聚合物的层次越高，也就是空隙体积越小，需要去充填空隙所需要的水泥浆就越少。除了需要进行水合作用的水以外，任然需要水去润湿聚合物的表面。当加入水时，混合物的可塑性和流动性就会增加（也就是它的工作能力提高了），但是由于更大部分的空隙由自由水去组成而导致强度降低。为了减少自由水并且保持工作能力就需要加入水泥。因此，至于水泥浆，水-水泥比率就是控制混凝土强度的主要因素。对于一个给定的水-水泥比，选择水泥量比率最小的也就保证了工作能力。
图2.1表现了水-水泥比率对水泥抗压强度的决定性影响。它对拉伸强度的影响，如同对名义弯曲强度或者破裂模量的测量一样，被视为是可以断定的，但是却远小于它对抗压强度的影响。因为拉伸强度更多的决定于粗糙聚合物和水泥砂浆之间关系的强弱（也就是水泥浆加精良聚合物），除了空隙率以外，这似乎正是如此。而且康奈尔大学的一项测试显示，水-水泥的比率只能轻微地这种关系的强弱（参考书2.3）。
我们习惯性的去用制造1ydsup3;湿混凝土时所需要的某一种配料的总重量来定义为它在混凝土混合物中占的比例，例如517磅水泥，300磅水，1270磅沙和1940磅粗糙聚合物，当空气被故意加入进混合物时（通常加入4％到7％），还要加上空气的总体积，再用百分比表示。精良和粗糙聚合物的重量基于饱和条件下表面干燥的材料，其中，正如描述中所推断的，聚集体完全饱和但是在粒子的外观上没有水。
使用多种方法根据手中现有的水泥和聚合物去配料从而得到拥有预期性质的混合物。其一被称为试料方法，根据信息，例如图2.1，来选择一个水-水泥比，以不同量的聚合物生产数种少量试料并通过少数泥浆来获的需要的强度、稠度以及一些其他性质。混凝土稠度最常用坍落度测试来衡量，一个被以指定方式装满新鲜混凝土的12英寸高的截锥形状的金属模具，模具在被填补后马上升空，测量混凝土的坍落度就能区分模具和一堆混凝土在重量上的差异。坍落度是衡量混合物中水总含量的一个优良尺度，并且水含量应该保持在于可加工性兼容的低水平。在建筑结构中混凝土的坍落度从2到5英寸不等，虽然更高坍落度的混凝土在化学外加剂协助下仍然在使用.
被称为ACI的配料方法利用与一系列不同条件下（结构种类，构件尺寸，暴露于风化的程度）的表格相关的坍落度测试来估计能产生出所需性质的比例（参考书2.5）。这些初步的比例选择通过试搅拌来检验和调整以获定比例的混凝土的强度会因批次的不同而有差别，因此，为了使出于偶然而生产出的强度比较比较低的批次也能拥有足够强度，选择一个能使平均强度也可以充分高与指定设计强度就是非常必要的（详情见2.6节）。关于详细讨论如何混凝土配料超出了本书的范围，这个话题以及混凝土石块和轻量聚合物混凝土在参考书2.5和2.6中详细讲解了。
强度（psi） 强度（MPa）
水-水泥比率（重量比）
图2.1 水-水泥比率对28天时的压缩强度、弯曲强度和
拉伸强度的影响
如果试搅拌和现场经验没有得到结果，如果得到了监督项目的注册设计专业人员的许可，ACI Code允许按经验或情报来配比。这种替换不适合于规定的抗压强度高与5000磅/平方英寸的情况。
除了最小的工作外，配料工作都在特殊的配料长中进行，分离料斗含有水泥和多种聚合物的馏分，配料比例通过手动操作或者连接到料斗上的自动称按重量控制。而用于混合的水通过测量罐或者水表控制。
混合的原则是生产出水泥、水、精良和粗糙聚合物混合良好的混合物，甚至可能的话生产出每个批次都均匀一致的混合物，这已经通过转筒型搅拌机实现了。最少的搅拌时间是不超过1ydsup3;容量时为一分钟，每超过1ydsup3;则增加15秒。搅拌可以在不受不利影响的情况下持续很长时间，这个事实对预拌混凝土尤其重要。
在大工程里，尤其是在在那些有充足空间的野外，会在工作场地安装可移动搅拌厂并就地运行。另一方面，在拥挤城市环境条件下、小工程以及频繁的公路建设施工中，则使用预先搅拌好的混凝土；这种混凝土是在固定的厂中搅拌好然后用卡车托运到工地的，托运方法有3中：（1）在固定工厂中完全搅拌好然后用卡车搅拌器托运到工地，（2）运送拌和，也就是在厂中成批并在卡车混合器中搅拌，或者（3）在厂中部分搅拌再在卡车混合器中搅拌完全。在把水加入之后要在一个限定的时间内把混凝土从混合器或者搅拌器中卸载下来。尽管规范经常会提供在各种情况下的时间值，由于高温会导致坍落度损失加快和固化加快，因此搅拌时间的最大值应该基于混凝土温度来决定。反过来，低温可以延长混凝土保持工作能力的时间。建议在70下允许的搅拌时间为1小时，在40到90℉之间时，混凝土每下降（上升）5℉加（减）15分钟。在95℉时，正常搅拌和控制在比例和其他方面的信息。
2.5运输，配售，压实和养护
大多数建筑混凝土从混合器或卡车运输通过底部卸料斗或者通过钢管运输。运输过程中的主要危险是隔离，混凝土各种组成部分会由于它们之间的不同而有分离的趋势，在容器中或形式上过湿的混凝土，较重的砾石会沉降；而较轻的材料，尤其是水，会上升。横向运动，例如在结构中流动，则会将混合物中的粗糙砾石和其他精细的组成部分分离。
配售则是将新制凝土保持其形式从运送设备运输到最终地点的过程。在配售之前，必须移除钢筋表面疏松锈层，结构必须整洁，并且必须清理和正确处理透水混凝土升降机的硬化表层。配售和巩固在它们对混凝土最终质量的影响上有争议，正确的放置必须避免分离现象、结构的移位或者移位现象的加强，或者将混凝土两层之间较好联系削弱现象的发生。在配送之后，混凝土需要立刻合并，常用振动的方法来实现。合并防止了蜂窝状现象的发生，并保证了结构和加固之间的联系，还可以作为可能发生的事先隔离现象的部分补救措施。合并通过高频率的电动振动实现。这些都是内部类型，包含在混凝土里的，还有外部类型，附着在结构上的。前者是最好的，但是在某些狭小的地方或者存在会造成内部问题的障碍的地方需要后者的辅助（参考书2.8）。
新制的混凝土在最初的几天或几周会快速提升强度。结构设计通常基于第28天的强度来设计，其中70％的强度会在配售后的第一周结束的达到。最后的强度极大的决定于初始阶段的环境的湿气和温度。这段时间内维持优良环境的行为就叫养护，过早的使混凝土干燥可能会使混凝土损失30％以上的强度；除非在这之后让混凝土保持长时间的潮湿，否则在最初的几天内让混凝土温度降到40℉也会使混凝土损失相似数值的强度。冰冻新制混凝土可能会使它的强度降低50％甚至更多。
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