คอนกรีต

คอนกรีต เป็นวัสดุผสมที่นิยมใช้ในงานก่อสร้างที่สุด[1] คอนกรีตเป็นสารที่ใช้มากที่สุดเป็นอันดับสอง (รองจากน้ำ)[2] และเป็นวัสดุที่ผลิตมากที่สุดในโลก[3]
คอนกรีตประกอบด้วย 3 ส่วนหลักคือ น้ำ ปูนซีเมนต์ และ วัสดุผสม (เช่น หิน ทราย หรือ กรวด) โดยอาจจะมีสารเคมีเติมเพิ่มเข้าไปสำหรับคุณสมบัติด้านอื่น เมื่อผสมเสร็จคอนกรีตจะแข็งตัวอย่างช้า ๆ ซึ่งน้ำและซีเมนต์จะทำปฏิกิริยาทางเคมีกันในลักษณะที่เรียกว่าการไฮเดรชัน โดยซีเมนต์จะเริ่มจับตัวกับวัสดุอื่นและแข็งตัว ซึ่งในสถานะนี้จะนิยมเรียกกันว่าคอนกรีต ความแข็งแรงของคอนกรีตจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆหลังจากที่ผสม และยังแข็งแรงขึ้นภายหลังจากการแข็งตัว โดยประมาณหลังจากแข็งตัวแล้ว 28 วัน ความแข็งแรงจะเริ่มคงที่
คุณสมบัติหลักของคอนกรีตคือการรับแรงอัดสูง ในขณะที่สามารถรับแรงดึงได้ต่ำ (ประมาณ 10% ของแรงอัด) โดยเมื่อต้องการให้คอนกรีตสามารถรับแรงดึง จะมีการเสริมวัสดุอื่นเพิ่มเข้าไปในคอนกรีตโดยจะเรียกว่า คอนกรีตเสริมแรง หรือคอนกรีตเสริมเหล็กที่เรียกกัน (โดยเสริมแรงด้วยเหล็ก) วัสดุเหล่านี้จะช่วยรับแรงดึงภายในคอนกรีต ซึ่งงานโครงสร้างอาคารส่วนใหญ่นิยมใช้คอนกรีตเสริมแรงแทนที่คอนกรีตเปลือย
นอกจากนี้ในงานก่อสร้างยังมีการใช้วิธีการที่เรียกว่า คอนกรีตอัดแรง โดยทำการใส่แรงเข้าไปในคอนกรีตหล่อสำเร็จที่หล่อมาจากโรงงาน โดยเมื่อนำไปใช้งาน แรงที่ใส่เข้าไปในคอนกรีตจะหักล้างกับน้ำหนักของตัวคอนกรีตเองและน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นมา ซึ่งวิธีการนี้จะทำให้คอนกรีตสามารถรับน้ำหนักได้เพิ่มมากขึ้น โดยงานสะพานและทางยกระดับ นิยมใช้คอนกรีตอัดแรง
รากศัพท์
[แก้]คำว่าคอนกรีตมาจากคำภาษาละตินว่า "concretus" (แปลว่า อัดแน่น หรือ ควบแน่น)[4] ซึ่งเป็นกริยาช่อง 3 สมบูรณ์ของ "concrescere" จาก "con -" (รวมกัน) และ "crescere" (เติบโต)
ประวัติศาสตร์
[แก้]ยุคโบราณ
[แก้]พื้นคอนกรีตถูกพบในพระราชวังหลวงแห่ง ไทรินส์ ประเทศกรีซ ซึ่งมีอายุประมาณ 1,400 ถึง 1,200 ปีก่อนคริสตกาล[5][6] ปูนขาวถูกนำมาใช้ในกรีซเช่น ในครีตและไซปรัส ในช่วง 800 ปีก่อนคริสตกาล และท่อส่งน้ำ Jerwan ของชาวอัสซีเรีย (688 ปีก่อนคริสตกาล) ใช้คอนกรีตกันน้ำ[7] คอนกรีตถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างโบราณสถานหลายแห่ง[8]
คอนกรีตของชาวมายาที่ซากปรักหักพังเมืองอุชมัล (ราว ค.ศ. 850–925) ถูกกล่าวถึงในหนังสือ Incidents of Travel in the Yucatán โดยจอห์น ลอยด์ สตีเฟนส์กล่าวว่า "หลังคาเป็นแบบแบนและเคยถูกปกคลุมด้วยปูนซีเมนต์ พื้นทำด้วยปูนซีเมนต์ บางแห่งแข็งแรง แต่จากการถูกสภาพอากาศเป็นเวลานานก็แตกร้าว และตอนนี้กำลังผุพังภายใต้ฝ่าเท้า แต่ตลอดทั้งกำแพงยังคงแข็งแกร่ง ทำด้วยก้อนหินขนาดใหญ่ที่ฝังอยู่ในปูนเกือบจะแข็งราวกับหินจริง ๆ"
การผลิตวัสดุคล้ายคอนกรีตในระดับเล็ก ๆ เริ่มต้นโดยพ่อค้าชาวนาบาเทียน ซึ่งครอบครองและควบคุมโอเอซิสหลายแห่ง และพัฒนาจักรวรรดิขนาดเล็กในบริเวณซีเรียตอนใต้และจอร์แดนตอนเหนือ ตั้งแต่ราวคริสต์ศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาล พวกเขาค้นพบข้อดีของปูนขาวไฮดรอลิก ซึ่งมีคุณสมบัติการยึดเกาะตัวเองบางส่วนแล้วตั้งแต่ราว 700 ปีก่อนคริสตกาล พวกเขาสร้างเตาเผาเพื่อผลิตปูนสำหรับใช้ในการก่อสร้างบ้านที่ทำจากหินก่อ พื้นคอนกรีต และถังเก็บน้ำใต้ดินที่กันน้ำได้ดี พวกเขารักษาความลับเรื่องถังเก็บน้ำนั้นไว้ เนื่องจากสิ่งนี้ช่วยให้ชาวนาบาเทียนสามารถดำรงชีวิตได้ท่ามกลางทะเลทราย บางส่วนของสิ่งก่อสร้างเหล่านี้ยังคงหลงเหลืออยู่จนถึงทุกวันนี้[9]
ในยุคอียิปต์โบราณและ ยุคโรมันตอนปลาย ช่างก่อสร้างค้นพบว่าการเติมเถ้าภูเขาไฟลงในปูนขาวทำให้ส่วนผสมแข็งตัวใต้น้ำ พวกเขาค้นพบปฏิกิริยาปอซโซลาน[10]
ยุคคลาสสิค
[แก้]

ชาวโรมันใช้คอนกรีตอย่างกว้างขวางตั้งแต่ 300 ปีก่อนคริสตกาลจนถึงปี ค.ศ. 476[12] ในช่วงของจักรวรรดิโรมัน มีคอนกรีตโรมัน (หรือ opus caementicium) ทำจากปูนขาว ปอซโซลานาและหินพัมมิซ[13] มีการใช้คอนกรีตอย่างแพร่หลายในโครงสร้างของโรมันหลายแห่ง เหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์สถาปัตยกรรมที่เรียกว่าการปฏิวัติสถาปัตยกรรมโรมัน ทำให้การก่อสร้างโรมันไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุหินและอิฐ ทำให้เกิดการออกแบบใหม่ๆ ที่ปฏิวัติวงการทั้งในด้านความซับซ้อนและขนาดของโครงสร้าง[14] โคลอสเซียมในกรุงโรมส่วนใหญ่สร้างด้วยคอนกรีต และ วิหารแพนธีอันมีโดมคอนกรีตที่ไม่ได้เสริมเหล็กที่ใหญ่ที่สุดในโลก[15]
คอนกรีตตามที่ชาวโรมันรู้จัก เป็นวัสดุใหม่และเป็นนวัตกรรมใหม่ เมื่อวางเป็นรูปโค้งหลังคาโค้งและโดม คอนกรีตจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นมวลแข็ง ปราศจากแรงกดและแรงดึงภายในมากมายที่เคยสร้างปัญหาให้กับผู้สร้างโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันด้วยหินหรืออิฐ[16]
การทดสอบสมัยใหม่แสดงให้เห็นว่าคอนกรีตโรมันมีความแข็งแรงอัดใกล้เคียงกับคอนกรีตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์สมัยใหม่ (ประมาณ 200 kg/cm2 [20 MPa; 2,800 psi]).[17] อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีการเสริมแรงความแข็งแรง แรงดึงจึงต่ำกว่าคอนกรีตเสริมเหล็ก สมัยใหม่มาก และรูปแบบการใช้งานก็แตกต่างกันด้วย[18]
คอนกรีตโครงสร้างสมัยใหม่แตกต่างจากคอนกรีตโรมันในสองรายละเอียดสำคัญ ประการแรก ความสม่ำเสมอของส่วนผสมเป็นของเหลวและเป็นเนื้อเดียวกัน ทำให้สามารถเทลงในแบบหล่อได้ โดยไม่ต้องเทด้วยมือทีละชั้นพร้อมกับการเทหินกรวด ซึ่งในธรรมเนียมปฏิบัติของชาวโรมันมักประกอบด้วยเศษหินประการที่สอง เหล็กเสริมที่ผสานเข้าด้วยกันทำให้คอนกรีตสมัยใหม่มีความแข็งแรงรับแรงดึงสูง ในขณะที่คอนกรีตโรมันสามารถพึ่งพาความแข็งแรงของการยึดเกาะของคอนกรีตเพื่อต้านทานแรงดึงได้เพียงอย่างเดียว[19]
ความทนทานในระยะยาวของโครงสร้างคอนกรีตโรมันนั้น พบว่ามีสาเหตุมาจากการใช้หินและเถ้าจากภูเขาไฟ (pyroclastic) เป็นส่วนผสม ซึ่งนำไปสู่การตกผลึกของ สแตรตลิงไจต์ (strätlingite) ซึ่งเป็นสารประกอบแคลเซียมอะลูมิโนซิลิเกตไฮเดรตที่ซับซ้อนชนิดหนึ่ง[20] กระบวนการนี้เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของคอนกรีต โดยมีการรวมตัวเข้ากับโครงสร้างแคลเซียม-อะลูมิเนียม-ซิลิเกต-ไฮเดรต (C-A-S-H) ที่คล้ายกัน ซึ่งช่วยให้คอนกรีตโรมันมีความต้านทานต่อการแตกหักได้สูงกว่าเมื่อเทียบกับคอนกรีตสมัยใหม่[21] นอกจากนี้คอนกรีตโรมันยังมีความทนทานต่อการกัดเซาะโดยน้ำทะเลได้ดีกว่าคอนกรีตสมัยใหม่อย่างมีนัยสำคัญ วัสดุไพโรคลาสติกที่กล่าวถึงข้างต้นทำปฏิกิริยากับน้ำทะเลจนเกิดผลึกอัลโทเบอร์โมไรต์เมื่อเวลาผ่านไป[22][23] การใช้การผสมแบบร้อนในการเตรียมคอนกรีต ซึ่งทำให้เกิดชิ้นส่วนปูนขาว ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ได้ถูกเสนอว่าเป็นปัจจัยที่ทำให้คอนกรีตโรมันมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง[24][25]
การใช้คอนกรีตอย่างแพร่หลายในโครงสร้างโรมันหลายแห่งทำให้โครงสร้างหลายแห่งยังคงหลงเหลืออยู่จนถึงปัจจุบัน โรงอาบน้ำคาราคัลลาในกรุงโรมเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งเท่านั้น สะพานส่งน้ำและสะพานโรมันหลายแห่งเช่น สะพานปงดูว์การ์ อันงดงามทางตอนใต้ของฝรั่งเศส ล้วนมีผนังก่ออิฐก่อบนแกนคอนกรีต เช่นเดียวกับโดมของวิหารแพนธีอัน
ยุคกลาง
[แก้]หลังจากยุคจักรวรรดิโรมัน การใช้ปูนขาวเผาและปอซโซลานา (pozzolana) ก็ลดลงอย่างมาก อุณหภูมิเตาเผาที่ต่ำในการเผาปูนขาว การขาดแคลนปอซโซลานา และการผสมที่ไม่ดี ล้วนเป็นปัจจัยที่ทำให้คุณภาพของคอนกรีตและปูนก่อลดลง ตั้งแต่ศตวรรษที่ 11 เป็นต้นมา การใช้หินในการก่อสร้างโบสถ์และปราสาทที่เพิ่มขึ้นนำไปสู่ความต้องการปูนก่อที่สูงขึ้น คุณภาพเริ่มดีขึ้นในศตวรรษที่ 12 ผ่านการบดและการร่อนที่ดีขึ้น ปูนขาวและคอนกรีตในยุคกลางนั้นไม่แข็งตัวในน้ำ (non-hydraulic) และถูกใช้สำหรับยึดประสานงานก่ออิฐ, การทำไส้ใน (hearting) (การยึดแกนกลางของกำแพงที่ก่อด้วยเศษหิน) และการทำฐานราก
บาร์โธโลเมอุส แองกลิคัส (Bartholomaeus Anglicus) ได้อธิบายถึงการทำปูนไว้ในงานเขียนของเขาที่ชื่อว่า De proprietatibus rerum (1240) ในฉบับแปลภาษาอังกฤษปี 1397 มีข้อความว่า "lyme ... is a stone brent; by medlynge thereof with sonde and water sement is made" (ซึ่งแปลได้ว่า "ปูนขาว...คือหินที่ถูกเผา; โดยการผสมมันเข้ากับทรายและน้ำ ก็จะเกิดเป็นซีเมนต์") ตั้งแต่ศตวรรษที่ 14 คุณภาพของปูนก็กลับมายอดเยี่ยมอีกครั้ง แต่กว่าจะมีการเติมปอซโซลานาอย่างแพร่หลายก็ต้องรอจนถึงศตวรรษที่ 17[26]
คลองดูว์มิดีสร้างขึ้นโดยใช้คอนกรีตในปี ค.ศ. 1670[27]
ยุคอุตสาหกรรม
[แก้]
บางทีก้าวที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการใช้คอนกรีตในปัจจุบันคือหอคอย สมีตัน ซึ่งสร้างโดยวิศวกรชาวอังกฤษ จอห์น สมีตัน ในเดวอน ประเทศอังกฤษ ระหว่างปี ค.ศ. 1756 ถึง 1759 ประภาคารเอดดี้สโตน แห่งที่สามนี้เป็นผู้บุกเบิกการใช้ปูนขาวไฮดรอลิกในคอนกรีต โดยใช้หินกรวดและอิฐบดเป็นวัสดุผสม[28]
วิธีการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ได้รับการพัฒนาในประเทศอังกฤษและได้รับการจดสิทธิบัตรโดยโจเซฟ แอพสดิน ในปี ค.ศ. 1824[29] แอพสดินเลือกชื่อนี้เนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับหินปอร์ตแลนด์ ซึ่งถูกขุดขึ้นบนเกาะพอร์ตแลนด์ ดอร์เซต ประเทศอังกฤษ วิลเลียม บุตรชายของเขา ยังคงพัฒนาปูนซีเมนต์อย่างต่อเนื่องจนถึงช่วงทศวรรษที่ 1840 ทำให้เขาได้รับการยอมรับในด้านการพัฒนาปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์[30]
คอนกรีตเสริมเหล็กถูกคิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1859 โดย โจเซฟ โมเนียร์[31] และบ้านที่ใช้คอนกรีตเสริมเหล็กหลังแรกถูกสร้างขึ้นโดย ฟรองซัวส์ คอยเนต์[32] ในปี ค.ศ. 1853 สะพานคอนกรีตเสริมเหล็กแห่งแรกได้รับการออกแบบและสร้างโดย โจเซฟ โมเนียร์ ในปี ค.ศ. 1875[33]
คอนกรีตอัดแรงและคอนกรีตอัดแรงหลังดึง (post-tension concrete) ผู้บุกเบิกคือ เออแฌน เฟรย์ซิเนต์ วิศวกรโครงสร้างและโยธาชาว ฝรั่งเศส ส่วนประกอบหรือโครงสร้างคอนกรีตจะถูกบีบอัดด้วยสายเคเบิลเอ็นระหว่างหรือหลังการผลิต เพื่อเพิ่มความแข็งแรงทนทานต่อ แรง ดึงที่เกิดขึ้นขณะใช้งาน เฟรย์ซิเนต์ได้จดสิทธิบัตรเทคนิคนี้เมื่อวันที่ 2 ตุลาคม ค.ศ. 1928[34]
องค์ประกอบ
[แก้]คอนกรีตเป็นวัสดุผสมที่มนุษย์สร้างขึ้น ประกอบด้วยตัวกลางที่เป็นส่วนยึดเกาะที่มีฐานเป็นปูนซีเมนต์ (โดยทั่วไปจะเป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์หรือแอสฟัลต์) และตัวยึดเกาะนี้ทำหน้าที่ "กาว" ตัวเติมเข้าด้วยกันเพื่อก่อตัวเป็น conglomerate สังเคราะห์ (โดยทั่วไปเป็นวัสดุหิน กรวด และทราย)[35] คอนกรีตมีหลายชนิด ซึ่งแต่ละชนิดจะแตกต่างกันไปตามสูตรส่วนผสมของ ตัวประสาน (เช่น ปูนซีเมนต์) และประเภทของ มวลรวม (เช่น หิน, กรวด, ทราย) ที่เลือกใช้ เพื่อให้เหมาะสมกับงานแต่ละอย่าง ปัจจัยเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติต่างๆ ของคอนกรีตเมื่อสร้างเสร็จแล้ว เช่น ความแข็งแรง, ความหนาแน่น, ไปจนถึงความสามารถในการทนทานต่อสารเคมีและความร้อน

วัสดุผสมสำหรับก่อสร้างประกอบด้วยชิ้นส่วนวัสดุขนาดใหญ่ในส่วนผสมคอนกรีต โดยทั่วไปจะเป็นกรวดหยาบหรือ หินบด เช่นหินปูนหรือหินแกรนิตพร้อมด้วยวัสดุที่ละเอียดกว่า เช่นทราย
ซีเมนต์เพสต์ ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เป็นสารยึดเกาะคอนกรีตชนิดที่นิยมใช้กันมากที่สุด สำหรับสารยึดเกาะชนิดประสานน้ำจะถูกผสมกับผงปูนซีเมนต์แห้งและมวลรวม ซึ่งจะได้สารละลายกึ่งเหลว (เพสต์) ที่สามารถขึ้นรูปได้ โดยทั่วไปโดยการเทลงในแบบหล่อ คอนกรีตจะแข็งตัวและแข็งตัวผ่านกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่าไฮเดรชันน้ำจะทำปฏิกิริยากับซีเมนต์ ซึ่งจะยึดส่วนประกอบอื่นๆ เข้าด้วยกัน ทำให้เกิดวัสดุที่แข็งแรงคล้ายหิน วัสดุประสานชนิดอื่นๆ เช่นเถ้าลอยและซีเมนต์สแล็กบางครั้งก็ถูกเติมลงไป โดยผสมเข้ากับซีเมนต์ล่วงหน้าหรือผสมเป็นส่วนประกอบของคอนกรีตโดยตรง และกลายเป็นส่วนหนึ่งของสารยึดเกาะสำหรับมวลรวม[36] เถ้าลอยและสแล็กสามารถเพิ่มคุณสมบัติบางอย่างของคอนกรีตได้ เช่น ความทนทาน[36] อีกทางเลือกหนึ่งวัสดุอื่นๆ ก็สามารถใช้เป็นสารยึดเกาะคอนกรีตได้เช่นกัน วัสดุทดแทนที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือยางมะตอยซึ่งใช้เป็นสารยึดเกาะในคอนกรีตแอสฟัลต์
ส่วนผสมเพิ่มเติม ถูกเพิ่มเข้าไปเพื่อปรับเปลี่ยนอัตราการแข็งตัว (cure rate) หรือคุณสมบัติของวัสดุ ส่วนผสมเพิ่มเติมที่เป็นแร่ธาตุ (Mineral admixtures) ใช้วัสดุรีไซเคิลเป็นส่วนประกอบของคอนกรีต วัสดุที่เห็นได้ชัดเจน (Conspicuous materials) เช่นเถ้าลอยซึ่งเป็นผลพลอยได้ (by-product) จากโรงไฟฟ้าถ่านหิน ตะกรันเตาถลุงบดละเอียด (ground granulated blast furnace slag) ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตเหล็กกล้า ซิลิกาฟูม (silica fume) ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากเตาอาร์คไฟฟ้าอุตสาหกรรม
โครงสร้างที่ใช้คอนกรีตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์มักมีการเสริมเหล็กเนื่องจากคอนกรีตประเภทนี้สามารถผลิตให้มีความแข็งแรงรับแรงอัดได้สูง แต่จะรับแรงดึงได้ต่ำกว่า ดังนั้นจึงมักเสริมด้วยวัสดุที่รับแรงดึงสูง ซึ่งโดยทั่วไปคือเหล็กเส้น
การออกแบบส่วนผสม นั้นขึ้นอยู่กับ ประเภทของโครงสร้าง ที่จะสร้าง วิธีการ ผสมและขนส่ง คอนกรีต และวิธีการ เท (วาง) คอนกรีต เพื่อสร้างรูปทรงโครงสร้างนั้น
ปูนซีเมนต์
[แก้]ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เป็นปูนซีเมนต์ชนิดที่นิยมใช้กันมากที่สุด ปูนซีเมนต์เป็นส่วนผสมสำคัญของคอนกรีต ปูนและปูนปลาสเตอร์ หลายชนิด[37] ประกอบด้วยส่วนผสมของแคลเซียมซิลิเกต (อะไลต์, บีไลต์), อะลูมิเนต และเฟอร์ไรต์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่จะทำปฏิกิริยากับน้ำ ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์และวัสดุที่คล้ายคลึงกันผลิตขึ้นโดยการเผาหินปูน (ซึ่งเป็นแหล่งของแคลเซียม) กับดินเหนียวหรือหินดินดาน (ซึ่งเป็นแหล่งของซิลิคอน, อะลูมิเนียม และเหล็ก) แล้วนำผลิตภัณฑ์ที่ได้นี้ (เรียกว่า ปูนเม็ด หรือ คลิงเกอร์) มาบดร่วมกับสารประกอบซัลเฟต (โดยทั่วไปคือยิปซัม)
เตาเผาปูนซีเมนต์เป็นโรงงานอุตสาหกรรมที่มีขนาดใหญ่มาก ซับซ้อน และโดยธรรมชาติแล้วจะมีฝุ่นเยอะ ในบรรดาส่วนผสมต่างๆ ที่ใช้ในการผลิตคอนกรีต ปูนซีเมนต์ถือเป็นส่วนผสมที่ใช้พลังงานในการผลิตสูงที่สุด แม้แต่เตาเผาที่ซับซ้อนและมีประสิทธิภาพสูงก็ยังต้องใช้พลังงาน 3.3 ถึง 3.6 จิกะจูลเพื่อผลิตปูนเม็ดหนึ่งตันแล้วนำมาบดให้เป็นปูนซีเมนต์ เตาเผาจำนวนมากสามารถใช้ขยะที่กำจัดได้ยากเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งที่พบบ่อยที่สุดคือยางรถยนต์ใช้แล้ว อุณหภูมิที่สูงอย่างยิ่งและระยะเวลาการเผาที่ยาวนานทำให้เตาเผาปูนซีเมนต์สามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ใช้ยากได้อย่างมีประสิทธิภาพและสมบูรณ์[38] สารประกอบหลัก 5 ชนิดในกลุ่มแคลเซียมซิลิเกตและอะลูมิเนตที่เป็นส่วนประกอบของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์นั้น มีสัดส่วนตั้งแต่ร้อยละ 5 ถึง 50 โดยน้ำหนัก
การบ่ม
[แก้]การผสมน้ำเข้ากับวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นซีเมนต์ จะทำให้เกิด เนื้อปูนซีเมนต์เปียก (cement paste) ผ่านกระบวนการ ไฮเดรชัน (hydration) เนื้อปูนนี้จะทำหน้าที่เชื่อมประสานมวลรวม (aggregate) เข้าด้วยกัน เติมเต็มช่องว่างภายใน และช่วยให้วัสดุไหลได้คล่องตัวมากขึ้น [39]
ตามกฎขออับราฮัม อัตราส่วนระหว่างน้ำต่อซีเมนต์ที่ต่ำกว่าจะให้คอนกรีตที่แข็งแรงและมีความทนทานสูงกว่า ขณะที่การใช้น้ำมากขึ้นจะทำให้คอนกรีตไหลได้ง่ายขึ้นและมีค่าการยุบตัว สูงกว่า[40]
กระบวนการไฮเดรชันของซีเมนต์เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาหลายชนิดที่เกิดขึ้นพร้อมกัน รวมถึงพอลิเมอไรเซชัน และการเชื่อมโยงกันขององค์ประกอบซิลิเกตและอะลูมิเนต ตลอดจนการยึดติดกับเม็ดทรายและกรวด เพื่อก่อตัวเป็นมวลแข็ง[41]
ตัวอย่างปฏิกิริยาที่สำคัญคือการไฮเดรชันของ ไตรแคลเซียมซิลิเกต (tricalcium silicate):
- สัญกรณ์เคมีซีเมนต์: C3S + H → C-S-H + CH + ความร้อน
- สัญกรณ์มาตรฐาน: Ca3SiO5 + H2O → CaO・SiO2・H2O (gel) + Ca(OH)2 + ความร้อน
- สมดุล: 2 Ca3SiO5 + 7 H2O → 3 CaO・2 SiO2・4 H2O (gel) + 3 Ca(OH)2 + ความร้อน
- (เป็นประมาณการ เนื่องจากอัตราส่วนที่แน่นอนของ CaO, SiO 2 และ H 2 O ใน CSH นั้นไม่แน่นอน)[41]
กระบวนการไฮเดรชัน (หรือการบ่ม) ของซีเมนต์เป็นปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้[42][43]
การผสม
[แก้]มวลรวมหลักของคอนกรีตส่วนใหญ่ประกอบด้วยทราย กรวดธรรมชาติ และหินบดใช้เพื่อจุดประสงค์นี้เป็นหลัก มีการใช้มวลรวมรีไซเคิล (จากขยะก่อสร้าง การรื้อถอน และขุด) ถูกนำมาใช้ทดแทนมวลรวมธรรมชาติบางส่วนมากขึ้นเรื่อย ๆ ในขณะที่มวลรวมที่ผลิตขึ้นเองจำนวนหนึ่งเช่น ตะกรันจากเตาหลอมเหล็ก ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ และเถ้าของก้นเตาก็ใช้ได้เช่นกัน[44]
การกระจายตัวของมวลรวมเป็นตัวกำหนดปริมาณสารยึดเกาะที่ต้องการ มวลรวมที่มีการกระจายตัวสม่ำเสมอจะมีช่องว่างมากที่สุด ในขณะที่การเติมมวลรวมที่มีอนุภาคขนาดเล็กกว่ามักจะช่วยเติมเต็มช่องว่างเหล่านี้ สารยึดเกาะจะต้องเติมเต็มช่องว่างระหว่างมวลรวมและยึดเกาะพื้นผิวของมวลรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นส่วนประกอบที่มีราคาแพงที่สุด ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงขนาดของมวลรวมจึงช่วยลดต้นทุนของคอนกรีต[45] มวลรวมมักจะมีความแข็งแรงมากกว่าสารยึดเกาะ ดังนั้นการใช้งานจึงไม่ส่งผลเสียต่อความแข็งแรงของคอนกรีต
การกระจายตัวของมวลรวมใหม่หลังจากการอัดแน่นมักทำให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันเนื่องจากอิทธิพลของการสั่นสะเทือน ซึ่งอาจนำไปสู่ความต่างระดับของความแข็งแรง[46]
บางครั้งมีการใช้หินตกแต่งเช่นหินควอตไซต์ หินแม่น้ำขนาดเล็ก หรือแก้วบดลงบนพื้นผิวคอนกรีตเพื่อให้เกิดการตกแต่งแบบ "หินกรวดเปลือย" ซึ่งเป็นที่นิยมในหมู่นักออกแบบภูมิทัศน์
สารผสม
[แก้]สารผสมเพิ่มเติมคือวัสดุในรูปผงหรือของเหลวที่เติมลงในคอนกรีตเพื่อให้ได้คุณลักษณะบางอย่างที่ไม่สามารถหาได้จากการผสมคอนกรีตธรรมดา สารผสมเพิ่มถูกนิยามว่าเป็นวัสดุที่ “เติมเข้าไปในระหว่างการเตรียมส่วนผสมคอนกรีต”[47] สารผสมเพิ่มเติมที่พบได้บ่อยที่สุดคือสารหน่วงการแข็งตัวและสารเร่งการแข็งตัว ในการใช้งานปกติ ปริมาณสารผสมเพิ่มเติมจะน้อยกว่า 5% โดยมวลของซีเมนต์และจะถูกเติมลงในคอนกรีตในขณะที่ทำการผสม[48] (ดู § การผลิต ด้านล่าง) ประเภทของสารผสมเพิ่มเติมที่พบได้ทั่วไป[49] มีดังต่อไปนี้:
• สารเร่งปฏิกิริยาช่วยเร่งกระบวนการไฮเดรชั่น (การแข็งตัว) ของคอนกรีต วัสดุที่ใช้โดยทั่วไป ได้แก่แคลเซียมคลอไรด์ แคลเซียมไนเตรตและโซเดียมไนเตรตอย่างไรก็ตาม การใช้คลอไรด์อาจทำให้เหล็กเสริมเกิดการกัดกร่อนและถูกห้ามใช้ในบางประเทศ ดังนั้นไนเตรตจึงอาจเป็นที่นิยมมากกว่า แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเกลือคลอไรด์ก็ตาม สารเร่งปฏิกิริยามีประโยชน์อย่างยิ่งในการปรับปรุงคุณสมบัติของคอนกรีตในสภาพอากาศหนาวเย็น
• สารดักอากาศจะเพิ่มและดักจับฟองอากาศขนาดเล็กในคอนกรีต ซึ่งช่วยลดความเสียหายรระหว่างการแข็งตัวและการละลาย ทำให้มี ความทนทาน มากขึ้น อย่างไรก็ตาม อากาศที่ดักจับนั้นมีผลเสียต่อความแข็งแรง เนื่องจากอากาศ 1% อาจลดความแข็งแรงในการรับแรงอัดลง 5%[50] หากมีอากาศติดอยู่ในคอนกรีตมากเกินไปอันเป็นผลมาจากกระบวนการผสม สามารถใช้ สารลดฟองเพื่อกระตุ้นให้ฟองอากาศรวมตัวกัน ลอยขึ้นสู่ผิวของคอนกรีตเปียก แล้วกระจายตัวออกไป
• สารยึดเกาะใช้ในการสร้างพันธะระหว่างคอนกรีตเก่าและใหม่ (โดยทั่วไปเป็นโพลิเมอร์ชนิดหนึ่ง) ซึ่งทนต่ออุณหภูมิได้กว้างและทนต่อการกัดกร่อน
• สารยับยั้งการกัดกร่อนใช้เพื่อลดการกัดกร่อนของเหล็กและเหล็กเส้นในคอนกรีต
• โดยทั่วไปแล้วจะมีการเติมสารผสมผลึกในระหว่างการผสมคอนกรีตเพื่อลดการซึมผ่าน ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเมื่อสัมผัสกับน้ำและอนุภาคซีเมนต์ที่ยังไม่เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ทำให้เกิดผลึกรูปเข็มที่ไม่ละลายน้ำ ซึ่งจะเข้าไปเติมเต็มรูพรุนและรอยแตกขนาดเล็กในคอนกรีตเพื่อปิดกั้นทางเดินของน้ำและสิ่งปนเปื้อนที่มากับน้ำ คอนกรีตที่มีส่วนผสมของสารผสมผลึกสามารถปิดผนึกตัวเองได้ เนื่องจากเมื่อสัมผัสกับน้ำอย่างต่อเนื่องจะกระตุ้นกระบวนการตกผลึกอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มั่นใจได้ถึงการป้องกันน้ำอย่างถาวร
• สามารถใช้สีผสมอาหารเพื่อเปลี่ยนสีของคอนกรีตเพื่อความสวยงามได้
• สารเพิ่มความยืดหยุ่น (Plasticizers) ช่วยเพิ่มความสามารถในการทำงานของคอนกรีตสด ทำให้สามารถเทได้ง่ายขึ้น โดยใช้แรงในการอัดแน่นน้อยลง สารเพิ่มความยืดหยุ่นที่ใช้กันทั่วไปคือ ลิกโนซัลโฟเนต สารเพิ่มความยืดหยุ่นสามารถใช้เพื่อลดปริมาณน้ำในคอนกรีตโดยยังคงรักษาความสามารถในการทำงานไว้ได้ และบางครั้งจึงเรียกว่าสารลดน้ำเนื่องจากการใช้งานดังกล่าว การปรับปรุงคุณสมบัติดังกล่าวช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความทนทานของคอนกรีต
• สารลดน้ำชนิดพิเศษ (หรือเรียกว่าสารลดน้ำประสิทธิภาพสูง) เป็นสารลดน้ำชนิดหนึ่งที่มีผลเสียต่อคอนกรีตน้อยกว่า และสามารถใช้เพิ่มความสามารถในการทำงานได้ดีกว่าสารลดน้ำแบบดั้งเดิม สารลดน้ำชนิดพิเศษใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงอัด เพิ่มความสามารถในการทำงานของคอนกรีต และลดปริมาณน้ำที่ต้องการลง 15–30%
• สารช่วยในการปั๊มช่วยให้ปั๊มได้ง่ายขึ้น ทำให้เนื้อครีมข้นขึ้น และลดการแยกตัวและการไหลเยิ้ม
• สารหน่วงการแข็งตัวจะชะลอการไฮเดรชั่นของคอนกรีตและใช้ในการเทคอนกรีตปริมาณมากหรือยากลำบาก ซึ่งไม่ต้องการให้มีการแข็งตัวเพียงบางส่วนก่อนการเทเสร็จสมบูรณ์ สารหน่วงการแข็งตัวทั่วไป ได้แก่น้ำตาลโซเดียมกลูโคเนตกรดซิตริกและกรดทาร์ทาริก[51]
การผลิต
[แก้]ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มข้อมูลส่วนนี้ได้ |
การวิเคราะห์ตัวอย่าง—ความสามารถในการใช้งาน
[แก้]ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มข้อมูลส่วนนี้ได้ |
การใช้งาน
[แก้]คอนกรีตมีใช้กันในงานก่อสร้างหลายชนิด ซึ่งรวมถึง อาคาร ถนน เขื่อน สะพาน อนุสาวรีย์ และงานก่อสร้างต่าง ๆ ซึ่งมีเห็นได้ทั่วไป
อ้างอิง
[แก้]- ↑ Crow, James Mitchell (March 2008). "The concrete conundrum" (PDF). Chemistry World: 62–66. เก็บ (PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 2022-10-09.
- ↑ Gagg, Colin R. (May 2014). "Cement and concrete as an engineering material: An historic appraisal and case study analysis". Engineering Failure Analysis. 40: 114–140. doi:10.1016/j.engfailanal.2014.02.004.
- ↑ "Cement Statistics and Information". usgs.gov. United States Geological Survey. สืบค้นเมื่อ 2025-03-21.
- ↑ "concretus". Latin Lookup. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 12 May 2013. สืบค้นเมื่อ 1 October 2012.
- ↑ Heinrich Schliemann; Wilhelm Dörpfeld; Felix Adler (1885). Tiryns: The Prehistoric Palace of the Kings of Tiryns, the Results of the Latest Excavations. New York: Charles Scribner's Sons. pp. 190, 203–204, 215.
- ↑ Sparavigna, Amelia Carolina (2011). "Ancient concrete works". arXiv:1110.5230 [physics.pop-ph].
- ↑ Jacobsen T and Lloyd S, (1935) "Sennacherib's Aqueduct at Jerwan," Oriental Institute Publications 24, Chicago University Press
- ↑ Stella L. Marusin (1 January 1996). "Ancient Concrete Structures". Concrete International. 18 (1): 56–58.
- ↑ Gromicko, Nick; Shepard, Kenton (2016). "The History of Concrete". International Association of Certified Home Inspectors, Inc. สืบค้นเมื่อ 27 December 2018.
- ↑ "Riddle solved: Why was Roman concrete so durable?". MIT News | Massachusetts Institute of Technology (ภาษาอังกฤษ). 2023-01-06. สืบค้นเมื่อ 2024-10-25.
- ↑ Moore, David (6 October 2014). "Roman Concrete Research". Romanconcrete.com. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 6 October 2014. สืบค้นเมื่อ 2022-08-13.
- ↑ "The History of Concrete". Dept. of Materials Science and Engineering, University of Illinois, Urbana-Champaign. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 27 November 2012. สืบค้นเมื่อ 8 January 2013.
- ↑ Chiu, Y. C. (2010). An Introduction to the History of Project Management: From the Earliest Times to A.D. 1900 (ภาษาอังกฤษ). Eburon Uitgeverij B.V. p. 50. ISBN 978-90-5972-437-2.
- ↑ Lancaster, Lynne (2005). Concrete Vaulted Construction in Imperial Rome. Innovations in Context. Cambridge University Press. ISBN 978-0-511-16068-4.
- ↑ Moore, David (1999). "The Pantheon". romanconcrete.com. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 1 October 2011. สืบค้นเมื่อ 26 September 2011.
- ↑ D.S. Robertson (1969). Greek and Roman Architecture, Cambridge, p. 233
- ↑ Cowan, Henry J. (1977). The master builders: a history of structural and environmental design from ancient Egypt to the nineteenth century. New York: Wiley. ISBN 0-471-02740-5. OCLC 2896326.
- ↑ "CIVL 1101". www.ce.memphis.edu. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 27 February 2017.
- ↑ Robert Mark, Paul Hutchinson: "On the Structure of the Roman Pantheon", Art Bulletin, Vol. 68, No. 1 (1986), p. 26, fn. 5
- ↑ Kwan, Stephen; Larosa, Judith; Grutzeck, Michael W. (1995). "29Si and27Al MASNMR Study of Stratlingite". Journal of the American Ceramic Society. 78 (7): 1921–1926. doi:10.1111/j.1151-2916.1995.tb08910.x.
- ↑ Jackson, Marie D.; Landis, Eric N.; Brune, Philip F.; Vitti, Massimo; Chen, Heng; Li, Qinfei; Kunz, Martin; Wenk, Hans-Rudolf; Monteiro, Paulo J. M.; Ingraffea, Anthony R. (30 December 2014). "Mechanical resilience and cementitious processes in Imperial Roman architectural mortar". PNAS. 111 (52): 18484–18489. Bibcode:2014PNAS..11118484J. doi:10.1073/pnas.1417456111. PMC 4284584. PMID 25512521.
- ↑ Marie D. Jackson; Sean R. Mulcahy; Heng Chen; Yao Li; Qinfei Li; Piergiulio Cappelletti; Hans-Rudolf Wenk (3 July 2017). "Phillipsite and Al-tobermorite mineral cements produced through low-temperature water-rock reactions in Roman marine concrete". American Mineralogist. 102 (7): 1435–1450. Bibcode:2017AmMin.102.1435J. doi:10.2138/am-2017-5993CCBY. S2CID 53452767.
- ↑ Knapton, Sarah (3 July 2017). "Secret of how Roman concrete survived tidal battering for 2,000 years revealed". The Telegraph. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 4 July 2017.
- ↑ Seymour, Linda M.; Maragh, Janille; Sabatini, Paolo; Di Tommaso, Michel; Weaver, James C.; Masic, Admir (6 January 2023). "Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete". Science Advances. 9 (1): eadd1602. Bibcode:2023SciA....9D1602S. doi:10.1126/sciadv.add1602. PMC 9821858. PMID 36608117.
- ↑ Starr, Michelle (2024-02-01). "We Finally Know How Ancient Roman Concrete Was Able to Last Thousands of Years". ScienceAlert (ภาษาอังกฤษแบบอเมริกัน). สืบค้นเมื่อ 2024-02-01.
- ↑ Peter Hewlett and Martin Liska (eds.), Lea's Chemistry of Cement and Concrete, 5th ed. (Butterworth-Heinemann, 2019), pp. 3–4.
- ↑ Rassia, Stamatina Th; Pardalos, Panos M. (15 August 2013). Cities for Smart Environmental and Energy Futures: Impacts on Architecture and Technology (ภาษาอังกฤษ). Springer Science & Business Media. p. 58. ISBN 978-3-642-37661-0.
- ↑ Nick Gromicko & Kenton Shepard. "the History of Concrete". The International Association of Certified Home Inspectors (InterNACHI). เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 15 January 2013. สืบค้นเมื่อ 8 January 2013.
- ↑ Herring, Benjamin. "The Secrets of Roman Concrete" (PDF). Romanconcrete.com. เก็บ (PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 15 September 2012. สืบค้นเมื่อ 1 October 2012.
- ↑ Courland, Robert (2011). Concrete planet: the strange and fascinating story of the world's most common man-made material. Amherst, NY: Prometheus Books. ISBN 978-1-61614-481-4. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 4 November 2015. สืบค้นเมื่อ 28 August 2015.
- ↑ "The History of Concrete and Cement". ThoughtCo (ภาษาอังกฤษ). 9 April 2012. สืบค้นเมื่อ 2022-08-13.
- ↑ "Francois Coignet – French house builder". สืบค้นเมื่อ 23 December 2016.
- ↑ « Château de Chazelet » [archive], notice no PA00097319, base Mérimée, ministère français de la Culture.
- ↑ Billington, David (1985). The Tower and the Bridge. Princeton: Princeton University Press. ISBN 0-691-02393-X.
- ↑ "Concrete: Scientific Principles". matse1.matse.illinois.edu. สืบค้นเมื่อ 2021-10-06.
- 1 2 Askarian, Mahya; Fakhretaha Aval, Siavash; Joshaghani, Alireza (22 January 2019). "A comprehensive experimental study on the performance of pumice powder in self-compacting concrete (SCC)". Journal of Sustainable Cement-Based Materials. 7 (6): 340–356. doi:10.1080/21650373.2018.1511486. S2CID 139554392.
- ↑ Melander, John M.; Farny, James A.; Isberner, Albert W. Jr. (2003). "Portland Cement Plaster/Stucco Manual" (PDF). Portland Cement Association. เก็บ (PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 12 April 2021. สืบค้นเมื่อ 2021-07-13.
- ↑ Evelien Cochez; Wouter Nijs; Giorgio Simbolotti & Giancarlo Tosato. "Cement Production" (PDF). IEA ETSAP – Energy Technology Systems Analysis Programme. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 24 January 2013. สืบค้นเมื่อ 9 January 2013.
- ↑ Gibbons, Jack (7 January 2008). "Measuring Water in Concrete". Concrete Construction. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 11 May 2013. สืบค้นเมื่อ 1 October 2012.
- ↑ "Chapter 9: Designing and Proportioning Normal Concrete Mixtures" (PDF). PCA manual. Portland Concrete Association. เก็บ (PDF)จากแหล่งเดิมเมื่อ 26 May 2012. สืบค้นเมื่อ 1 October 2012.
- 1 2 "Cement hydration". Understanding Cement. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 17 October 2012. สืบค้นเมื่อ 1 October 2012.
- ↑ Beaudoin, James; Odler, Ivan (2019). "Hydration, Setting and Hardening of Portland Cement". Lea's Chemistry of Cement and Concrete. pp. 157–250. doi:10.1016/B978-0-08-100773-0.00005-8. ISBN 978-0-08-100773-0.
- ↑
{{cite journal}}: Citation ว่างเปล่า (help) - ↑ Oikonomou, Nik. D. (2005-02-01). "Recycled concrete aggregates". Cement and Concrete Composites. Cement and Concrete Research in Greece. 27 (2): 315–318. doi:10.1016/j.cemconcomp.2004.02.020. ISSN 0958-9465.
- ↑ "The Effect of Aggregate Properties on Concrete". www.engr.psu.edu. Engr.psu.edu. 25 December 2012. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 25 December 2012. สืบค้นเมื่อ 2022-08-13.
- ↑ Veretennykov, Vitaliy I.; Yugov, Anatoliy M.; Dolmatov, Andriy O.; Bulavytskyi, Maksym S.; Kukharev, Dmytro I.; Bulavytskyi, Artem S. (2008). "Concrete Inhomogeneity of Vertical Cast-in-Place Elements in Skeleton-Type Buildings". AEI 2008. pp. 1–10. doi:10.1061/41002(328)17. ISBN 978-0-7844-1002-8.
- ↑ Bye, Gerry; Livesey, Paul; Struble, Leslie (2011). "Admixtures and Special Cements". Portland Cement: Third edition. doi:10.1680/pc.36116.185 (inactive 11 July 2025). ISBN 978-0-7277-3611-6.
{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of กรกฎาคม 2025 (ลิงก์) - ↑ U.S. Federal Highway Administration (14 June 1999). "Admixtures". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 27 January 2007. สืบค้นเมื่อ 25 January 2007.
- ↑ Cement Admixture Association. "Admixture Types". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 3 September 2011. สืบค้นเมื่อ 25 December 2010.
- ↑ Hamakareem, Madeh Izat (14 November 2013). "Effect of Air Entrainment on Concrete Strength". The Constructor. สืบค้นเมื่อ 13 November 2020.
- ↑ Bensted, John (1998-01-01), Hewlett, Peter C. (บ.ก.), "14 – Special Cements", Lea's Chemistry of Cement and Concrete (Fourth Edition), Oxford: Butterworth-Heinemann, pp. 783–840, doi:10.1016/b978-075066256-7/50026-6, ISBN 978-0-7506-6256-7, สืบค้นเมื่อ 2024-11-03.