混凝土断裂力学：材料性能实验证明

自19世纪中叶以来，混凝土以其优越的性能已成为当今世界上最大宗的建筑材料之一，其应用涵盖了整个土木工程领域（图1.1）。目前，广泛使用混凝土结构的工程领域有：建筑工程各类民用和公共建筑、单层和多层工业厂房，以及高层建筑；桥梁和交通工程上部结构、墩台、承台、桩基础和公路路面；水利工程的大坝、水电站、港口码头、海洋平台、蓄水池和输水管；地下工程中的隧道、地铁设施；某些特殊结构，例如电视塔、风塔、机场跑道、核反应堆的压力容器等。

图1.1　混凝土在土木工程领域的广泛应用

正因为如此，许多高校和研究机构以及土木建筑类和材料类专业的学生都热情地投身到混凝土的研究之中。然而，混凝土看似简单，实则复杂。事实上，由于混凝土本质上并非是一种匀质材料，其组成和微观结构十分复杂，在许多问题上很难将其纳入一般材料科学的范畴去解决。

混凝土是以水泥为胶凝材料，与水、砂（细骨料）、石（粗骨料）按适当比例配合，并掺入一定量的化学外加剂和矿物掺合料，养护硬化而成的人造石材。当今世界混凝土生产中主要的水泥形式为硅酸盐水泥（即波特兰水泥，Portland Cement）。1824年，英国发明家约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）发明了波特兰水泥。波特兰水泥以石灰石和黏土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。波特兰水泥制备的混凝土具有优良的性能，使得约瑟夫·阿斯普丁一举成为流芳百世的发明人。以波特兰水泥为基础生产的现代混凝土之所以能成为应用最广泛的工程材料，至少有下述一些主要原因。(www.xing528.com)

首先，混凝土具有很好的抗水性。与木材和普通钢材不同，混凝土能很长时间经受水的作用而不会产生劣化，是一种建造控水、蓄水和输水结构物的理想材料。现在，素混凝土在大坝、渠道衬砌和路面的应用随处可见。

其次，新拌混凝土具有良好的流动性，能使材料流入预先制好的模板中，若干小时后，当混凝土凝结硬化成为坚硬的物质时，模板即可拆除并留待重新使用。混凝土这种良好的工作性，可浇筑制备出各式各样大小不同的混凝土结构构件。因此，几乎可以随心所欲地通过结构设计和模板定形，制备出形态各异的混凝土结构物及构件。混凝土的可塑性极强。

同其他材料相比，混凝土价格较低，容易就地取材，结构建成后的维护费用也较低，具有经济性。制备混凝土的主要成分骨料、水和硅酸盐水泥都相对便宜，并且在世界上大部分地区都能获得。同时，混凝土维护比钢材容易，混凝土不会发生锈蚀，具有更好的耐久性，不需要进行表面处理，并且通常强度还会随龄期增长而提高。而钢结构在近海环境中容易受到严重的腐蚀，需要高成本的表面处理和其他保护措施，使得维护和维修费用相当高。

抗火性突出也是混凝土相较于钢材的另一个优点。混凝土一般而言可有1~2小时的防火时效，不会像钢结构建筑那样在高温下很快软化造成坍塌，比起钢铁来说，混凝土抗火性能好。由于钢筋或钢丝束需要足够的混凝土保护层以满足结构构造要求，因此，混凝土结构同时还具有一定的抗火保护作用，使内部配筋免遭高温破坏。