混凝土：结构、性能与材料

2020年1月3日09:09:51已关闭评论 3,935

P. Mehta

水泥混凝土是当今广泛采用的人造材料。从世界的发展趋势来看，混凝土的前途将日益光大，因此在大多数场合下它以低廉的成本提供合适的工程材料，同时收到节能和生态学方面的效益。故工程师们对混凝土应比其他建筑材料钻研得更深透些。

撰写一篇混凝土材料的科学论著，会遇到不少困难。第一，尽管混凝土看上去简单，但实际具有十分复杂的结构；因而，通常对于理解和控制材料性质很有利的结构-性能关系对混凝土却不适用。混凝土含有许多分布不均的固体成分以及形状和大小不同的空隙，这些空隙部分或全部都充满了碱性的溶液。对于相对匀质且不太复杂的人造材料，例如钢、塑料和陶瓷所适用的固体力学和材料科学的一些分析方法，却不能解决混凝土的问题。

第二点，混凝土的结构与其他材料相比，其材料性质不是静止的。这是因为结构中的三个明显不同组分中的两个，即水泥浆体及它与骨料之间的过渡区，是随着时间不断变化的。在这一点上混凝土跟木材和其他有生命的东西相似。事实上，混凝土这个词来源于拉丁词Concretus，它的意思是生长。混凝土的强度和其他性质决定于连续多年不断形成的水泥水化产物。虽然这些水化产物是不溶的，但它们在潮湿环境中能缓慢分解和再结晶，因而赋予混凝土愈合微裂缝的能力。

第三点，混凝土不像其他材料拿来就可以使用，一般需要使用前在工程现场或附近加以搅拌配制。一本典型的混凝土著作一开始总是详尽地叙述配制混凝土的原材料，即水泥、骨料和外加剂的组成和性质，接着描述配合比设计方法，称量、搅拌和输送设备；混凝土的捣实、抹面和养护工艺。混凝土作为一种材料的性能以及左右其性能的一些原理，放在书的很后面才讲，而诸如试验方法、规范（标准）和应用常是一些含混不清的不够科学的报告。

本书不是一本应有尽有的混凝土论著。本书是为了土木工程专业的大学生而写的，力求以简单、清楚和科学的方式介绍混凝土科学和技术。所谓科学的方式并不意味着对理论物理、化学或数学的强调。因为这种材料极为复杂和动态的性质，理论模型只能产生出“理论混凝土”，这已在实践中证明是没有价值的。事实上在混凝土业界有一句众所周知的趣言：“凡是抽象的都不是混凝土”。有关混凝土各种性质的知识以及影响这些性质的因素，是修订现行混凝土施工规范的主要依据。这些知识大多并不来源于理论研究，而来源于实验室和现场的经验。这种经验给混凝土的各种性质以及各种因素“为什么”和“如何”影响混凝土性能提供令人信服的解释。因此，对本科目应用科学来处理，作者认为凡是可能的地方都要强调结构－性能关系，也就是说，除了介绍现状以外，还对观察到的品质做出合理的解释。

关于题材的组织，作者采取了与传统不一致的方法。在许多国家中由于大多混凝土是预拌的，并由于预拌混凝土业已日益担负起选择混凝土组分材料和配合比的责任，故没有必要在书的开头部分把这些题材作为重点。大多数从事混凝土设计、施工和分析的土木工程师的主要兴趣是已硬化混凝土的性质。因此，本书的第一部分专门论述硬化后混凝土的各种性质，例如强度、弹性模量、干缩、温度收缩、徐变、拉应变能力、渗透性，以及经受物理和化学破坏作用中的耐久性。以简明扼要的方式叙述了术语的定义，每种性能的根源及其意义。

本书第二部分讲的是混凝土的生产。对常用的水泥、骨料和外加剂的成分及其性能方面分别在各章中做了最新的报导，有一章专门讲混凝土拌合物的配制原理，另一章则描述混凝土早期的各种性质，以及这些性质如何影响新拌混凝土的浇、捣等各项操作。在这章的后面一部分还简单讨论了保证质量的要领，如快速试验、现场试验和统计控制表格等。

本书第三部分描述在特种工程中创造性地应用混凝土，从而使混凝土工艺获得很大的进展。提供了几种类型特种混凝土的组分、性质和应用方面的最新报导，包括结构用轻混凝土、核屏蔽用重混凝土、高强混凝土、高和易性混凝土、收缩补偿混凝土、纤维增强混凝土、含聚合物混凝土以及大体积混凝土。最后一章对混凝土作为一种建筑材料的前途作了预测。这些预测是根据工程性能、成本经济、节能以及生态学方面做出的。

许多独特的图标、照片和总结性表格都列入书中，将有助于教学。新的术语在本教科书第一次出现时用粗体字并加以定义。在每章开头有个提纲；每章结尾有自我测试题和提高性读物介绍。当本书用作土木工程材料课的教材时，按照授课对象的水平，教师可删节某些章节。（例如，对本科生大学生讲时，水泥和外加剂两章可能内容太多）或者有些章节需加补充（例如，对研究生讲时，强度和尺寸改变似乎还可加深）。

混凝土的应用领域和研究领域是广阔的，而人的努力总不能达到十全十美。因此读者会在本书中找到不少缺点。作者自己知道删节了某些资料。例如，由于作者不太熟悉美国以外的大量优秀混凝土论著，故没有把它们列入参考书目中。限于篇幅是个主要矛盾。这一缺点希望能通过参阅每章末所列供进一步研究的书籍和报告获得补偿。此外，有几个重要的题材没有包括在内。土木工程师懂得建筑装饰混凝土，混凝土结构的维修，混凝土组成材料（水泥、骨料和外加剂）的试验方法是有好处的。遗憾的是不可能把认为有用的资料都写进这本字数有限的书里去。

在计算机时代，要求多讲一些为了预测混凝土性能而发展起来的数学概念，例如，干缩、徐变、开裂和耐久性。在出版的文献中有些作品确实激励着人们的智慧，并且应该在再进一步更深入的研究中加以应用；另一方面，许多关于材料的微观结构方面的作品则是以一些有疑问的假定为依据的，因而它们的价值不大。由于作者在区分有意义和没有意义方面努力不够而造成的失误，以至于本书没有选用这些内容，则由作者负主要责任。希望教师和学生个人自己能弥补这个不足。

然而，作者更愿提出一个忠告。由于混凝土的品行接近于有生命的东西，它不能单凭机械地去对待。无论在实际上和理论上把混凝土分解成几个孤立的单元时，这个材料的性质就被破坏了。F. Capra在他的《转折点》（The Turning Point）一书中对有生命体系的系统观点所做的短评时说：简化论者对个别的有机体的描述可能有用，而且在某些场合是必要的，但是把它作为完整的解释那是危险的。几千年前在Srimad Bhagvad Gita中发表过同样的观点：

“坚持把单独的一个结果认作完整的知识，在实际上是没有基础且没有理由的，这种知识是狭义的，因而也是琐碎的。”

对于明天的工程师们，我提出以下忠告：对于模型、数学的抽象以及预测混凝土性质而开发的计算机程序必须保持开放的头脑。但千万勿忘混凝土世界与人类世界一样是非线性的，且在非线性中有着不连续性。所以，实验室凭经验的观察和现场经验将不断地充实理论。

编者按：

这是Concrete: Microstructure, Properties, and Materials一书的前言，由清华大学覃维祖教授翻译并推荐给本网站。此文中建议或忠告读者要用整体的观点来看待混凝土，这一点特别重要。混凝土工程的从业人员，特别是土木工程的从业人员，常常将混凝土视为一种类似水、钢材那样的材料，只是在某一个工序中使用它们而已。但由于混凝土材料的特殊性质，在工程建设中，它涉及到材料、机械、工艺各个环节，并不能单纯地以工序的观点来对待混凝土施工。这本书为我们打开了看待混凝土材料的新视角。这是我们在本网站发表此文的根本目的，也是我们开办本网站，并分享混凝土工程观点或混凝土整体论的根本目的。

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