คอนกรีต

คอนกรีต เป็นวัสดุผสมที่นิยมใช้ในงานก่อสร้างที่สุด คอนกรีตเป็นสารที่ใช้มากที่สุดเป็นอันดับสอง (รองจากน้ำ) และเป็นวัสดุที่ผลิตมากที่สุดในโลก

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 
คำว่าคอนกรีตมาจากคำภาษาละตินว่า "concretus" (แปลว่า อัดแน่น หรือ ควบแน่น) ซึ่งเป็นกริยาช่อง 3 สมบูรณ์ของ "concrescere" จาก "con -" (รวมกัน) และ "crescere" (เติบโต)

 ประวัติศาสตร์ 
 ยุคโบราณ 
พื้นคอนกรีตถูกพบในพระราชวังหลวงแห่ง ไทรินส์ ประเทศกรีซ ซึ่งมีอายุประมาณ 1,400 ถึง 1,200 ปีก่อนคริสตกาล ปูนขาวถูกนำมาใช้ในกรีซเช่น ในครีตและไซปรัส ในช่วง 800 ปีก่อนคริสตกาล และท่อส่งน้ำ Jerwan ของชาวอัสซีเรีย (688 ปีก่อนคริสตกาล) ใช้คอนกรีตกันน้ำJacobsen T and Lloyd S, (1935) "Sennacherib's Aqueduct at Jerwan," Oriental Institute Publications 24, Chicago University Press คอนกรีตถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างโบราณสถานหลายแห่ง

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

ในยุคอียิปต์โบราณและ ยุคโรมันตอนปลาย ช่างก่อสร้างค้นพบว่าการเติมเถ้าภูเขาไฟลงในปูนขาวทำให้ส่วนผสมแข็งตัวใต้น้ำ พวกเขาค้นพบปฏิกิริยาปอซโซลาน

 ยุคคลาสสิค 

ชาวโรมันใช้คอนกรีตอย่างกว้างขวางตั้งแต่ 300 ปีก่อนคริสตกาลจนถึงปี ค.ศ. 476 ในช่วงของจักรวรรดิโรมัน มีคอนกรีตโรมัน (หรือ opus caementicium) ทำจากปูนขาว ปอซโซลานาและหินพัมมิซ มีการใช้คอนกรีตอย่างแพร่หลายในโครงสร้างของโรมันหลายแห่ง เหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์สถาปัตยกรรมที่เรียกว่าการปฏิวัติสถาปัตยกรรมโรมัน ทำให้การก่อสร้างโรมันไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุหินและอิฐ ทำให้เกิดการออกแบบใหม่ๆ ที่ปฏิวัติวงการทั้งในด้านความซับซ้อนและขนาดของโครงสร้าง โคลอสเซียมในกรุงโรมส่วนใหญ่สร้างด้วยคอนกรีต และ วิหารแพนธีอันมีโดมคอนกรีตที่ไม่ได้เสริมเหล็กที่ใหญ่ที่สุดในโลก

คอนกรีตตามที่ชาวโรมันรู้จัก เป็นวัสดุใหม่และเป็นนวัตกรรมใหม่ เมื่อวางเป็นรูปโค้งหลังคาโค้งและโดม คอนกรีตจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นมวลแข็ง ปราศจากแรงกดและแรงดึงภายในมากมายที่เคยสร้างปัญหาให้กับผู้สร้างโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันด้วยหินหรืออิฐD.S. Robertson (1969). Greek and Roman Architecture, Cambridge, p. 233

การทดสอบสมัยใหม่แสดงให้เห็นว่าคอนกรีตโรมันมีความแข็งแรงอัดใกล้เคียงกับคอนกรีตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์สมัยใหม่ (ประมาณ ). อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีการเสริมแรงความแข็งแรง แรงดึงจึงต่ำกว่าคอนกรีตเสริมเหล็ก สมัยใหม่มาก และรูปแบบการใช้งานก็แตกต่างกันด้วย

คอนกรีตโครงสร้างสมัยใหม่แตกต่างจากคอนกรีตโรมันในสองรายละเอียดสำคัญ ประการแรก ความสม่ำเสมอของส่วนผสมเป็นของเหลวและเป็นเนื้อเดียวกัน ทำให้สามารถเทลงในแบบหล่อได้ โดยไม่ต้องเทด้วยมือทีละชั้นพร้อมกับการเทหินกรวด ซึ่งในธรรมเนียมปฏิบัติของชาวโรมันมักประกอบด้วยเศษหินประการที่สอง เหล็กเสริมที่ผสานเข้าด้วยกันทำให้คอนกรีตสมัยใหม่มีความแข็งแรงรับแรงดึงสูง ในขณะที่คอนกรีตโรมันสามารถพึ่งพาความแข็งแรงของการยึดเกาะของคอนกรีตเพื่อต้านทานแรงดึงได้เพียงอย่างเดียวRobert Mark, Paul Hutchinson: "On the Structure of the Roman Pantheon", Art Bulletin, Vol. 68, No. 1 (1986), p. 26, fn. 5

ความทนทานในระยะยาวของโครงสร้างคอนกรีตโรมันนั้น พบว่ามีสาเหตุมาจากการใช้หินและเถ้าจากภูเขาไฟ (pyroclastic) เป็นส่วนผสม ซึ่งนำไปสู่การตกผลึกของ สแตรตลิงไจต์ (strätlingite) ซึ่งเป็นสารประกอบแคลเซียมอะลูมิโนซิลิเกตไฮเดรตที่ซับซ้อนชนิดหนึ่ง กระบวนการนี้เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของคอนกรีต โดยมีการรวมตัวเข้ากับโครงสร้างแคลเซียม-อะลูมิเนียม-ซิลิเกต-ไฮเดรต (C-A-S-H) ที่คล้ายกัน ซึ่งช่วยให้คอนกรีตโรมันมีความต้านทานต่อการแตกหักได้สูงกว่าเมื่อเทียบกับคอนกรีตสมัยใหม่ นอกจากนี้คอนกรีตโรมันยังมีความทนทานต่อการกัดเซาะโดยน้ำทะเลได้ดีกว่าคอนกรีตสมัยใหม่อย่างมีนัยสำคัญ วัสดุไพโรคลาสติกที่กล่าวถึงข้างต้นทำปฏิกิริยากับน้ำทะเลจนเกิดผลึกอัลโทเบอร์โมไรต์เมื่อเวลาผ่านไป การใช้การผสมแบบร้อนในการเตรียมคอนกรีต ซึ่งทำให้เกิดชิ้นส่วนปูนขาว ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ได้ถูกเสนอว่าเป็นปัจจัยที่ทำให้คอนกรีตโรมันมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง

การใช้คอนกรีตอย่างแพร่หลายในโครงสร้างโรมันหลายแห่งทำให้โครงสร้างหลายแห่งยังคงหลงเหลืออยู่จนถึงปัจจุบัน โรงอาบน้ำคาราคัลลาในกรุงโรมเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งเท่านั้น สะพานส่งน้ำและสะพานโรมันหลายแห่งเช่น สะพานปงดูว์การ์ อันงดงามทางตอนใต้ของฝรั่งเศส ล้วนมีผนังก่ออิฐก่อบนแกนคอนกรีต เช่นเดียวกับโดมของวิหารแพนธีอัน

 ยุคกลาง 
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 17Peter Hewlett and Martin Liska (eds.), Lea's Chemistry of Cement and Concrete, 5th ed. (Butterworth-Heinemann, 2019), pp. 3–4.

คลองดูว์มิดีสร้างขึ้นโดยใช้คอนกรีตในปี ค.ศ. 1670

 ยุคอุตสาหกรรม 

บางทีก้าวที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการใช้คอนกรีตในปัจจุบันคือหอคอย สมีตัน ซึ่งสร้างโดยวิศวกรชาวอังกฤษ จอห์น สมีตัน ในเดวอน ประเทศอังกฤษ ระหว่างปี ค.ศ. 1756 ถึง 1759 ประภาคารเอดดี้สโตน แห่งที่สามนี้เป็นผู้บุกเบิกการใช้ปูนขาวไฮดรอลิกในคอนกรีต โดยใช้หินกรวดและอิฐบดเป็นวัสดุผสม

วิธีการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ได้รับการพัฒนาในประเทศอังกฤษและได้รับการจดสิทธิบัตรโดยโจเซฟ แอพสดิน ในปี ค.ศ. 1824 แอพสดินเลือกชื่อนี้เนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับหินปอร์ตแลนด์ ซึ่งถูกขุดขึ้นบนเกาะพอร์ตแลนด์ ดอร์เซต ประเทศอังกฤษ วิลเลียม บุตรชายของเขา ยังคงพัฒนาปูนซีเมนต์อย่างต่อเนื่องจนถึงช่วงทศวรรษที่ 1840 ทำให้เขาได้รับการยอมรับในด้านการพัฒนาปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์

คอนกรีตเสริมเหล็กถูกคิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1859 โดย โจเซฟ โมเนียร์ และบ้านที่ใช้คอนกรีตเสริมเหล็กหลังแรกถูกสร้างขึ้นโดย ฟรองซัวส์ คอยเนต์ ในปี ค.ศ. 1853 สะพานคอนกรีตเสริมเหล็กแห่งแรกได้รับการออกแบบและสร้างโดย โจเซฟ โมเนียร์ ในปี ค.ศ. 1875« Château de Chazelet » [archive], notice no PA00097319, base Mérimée, ministère français de la Culture.

คอนกรีตอัดแรงและคอนกรีตอัดแรงหลังดึง (post-tension concrete) ผู้บุกเบิกคือ เออแฌน เฟรย์ซิเนต์ วิศวกรโครงสร้างและโยธาชาว ฝรั่งเศส ส่วนประกอบหรือโครงสร้างคอนกรีตจะถูกบีบอัดด้วยสายเคเบิลเอ็นระหว่างหรือหลังการผลิต เพื่อเพิ่มความแข็งแรงทนทานต่อ แรง ดึงที่เกิดขึ้นขณะใช้งาน เฟรย์ซิเนต์ได้จดสิทธิบัตรเทคนิคนี้เมื่อวันที่ 2 ตุลาคม ค.ศ. 1928

 องค์ประกอบ 
คอนกรีตเป็นวัสดุผสมที่มนุษย์สร้างขึ้น ประกอบด้วยตัวกลางที่เป็นส่วนยึดเกาะที่มีฐานเป็นปูนซีเมนต์ (โดยทั่วไปจะเป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์หรือแอสฟัลต์) และตัวยึดเกาะนี้ทำหน้าที่ "กาว" ตัวเติมเข้าด้วยกันเพื่อก่อตัวเป็น conglomerate สังเคราะห์ (โดยทั่วไปเป็นวัสดุหิน กรวด และทราย) 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 เถ้าลอยและสแล็กสามารถเพิ่มคุณสมบัติบางอย่างของคอนกรีตได้ เช่น ความทนทาน 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 


ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เป็นปูนซีเมนต์ชนิดที่นิยมใช้กันมากที่สุด ปูนซีเมนต์เป็นส่วนผสมสำคัญของคอนกรีต ปูนและปูนปลาสเตอร์ หลายชนิด 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 สารประกอบหลัก 5 ชนิดในกลุ่มแคลเซียมซิลิเกตและอะลูมิเนตที่เป็นส่วนประกอบของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์นั้น มีสัดส่วนตั้งแต่ร้อยละ 5 ถึง 50 โดยน้ำหนัก

 การบ่ม 
การผสมน้ำเข้ากับวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นซีเมนต์ จะทำให้เกิด เนื้อปูนซีเมนต์เปียก (cement paste) ผ่านกระบวนการ ไฮเดรชัน (hydration) เนื้อปูนนี้จะทำหน้าที่เชื่อมประสานมวลรวม (aggregate) เข้าด้วยกัน เติมเต็มช่องว่างภายใน และช่วยให้วัสดุไหลได้คล่องตัวมากขึ้น 

ตามกฎขออับราฮัม อัตราส่วนระหว่างน้ำต่อซีเมนต์ที่ต่ำกว่าจะให้คอนกรีตที่แข็งแรงและมีความทนทานสูงกว่า ขณะที่การใช้น้ำมากขึ้นจะทำให้คอนกรีตไหลได้ง่ายขึ้นและมีค่าการยุบตัว สูงกว่า

กระบวนการไฮเดรชันของซีเมนต์เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาหลายชนิดที่เกิดขึ้นพร้อมกัน รวมถึงพอลิเมอไรเซชัน และการเชื่อมโยงกันขององค์ประกอบซิลิเกตและอะลูมิเนต ตลอดจนการยึดติดกับเม็ดทรายและกรวด เพื่อก่อตัวเป็นมวลแข็ง

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)

กระบวนการไฮเดรชัน (หรือการบ่ม) ของซีเมนต์เป็นปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้

 การผสม 

มวลรวมหลักของคอนกรีตส่วนใหญ่ประกอบด้วยทราย กรวดธรรมชาติ และหินบดใช้เพื่อจุดประสงค์นี้เป็นหลัก มีการใช้มวลรวมรีไซเคิล (จากขยะก่อสร้าง การรื้อถอน และขุด) ถูกนำมาใช้ทดแทนมวลรวมธรรมชาติบางส่วนมากขึ้นเรื่อย ๆ ในขณะที่มวลรวมที่ผลิตขึ้นเองจำนวนหนึ่งเช่น ตะกรันจากเตาหลอมเหล็ก ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ และเถ้าของก้นเตาก็ใช้ได้เช่นกัน

การกระจายตัวของมวลรวมเป็นตัวกำหนดปริมาณสารยึดเกาะที่ต้องการ มวลรวมที่มีการกระจายตัวสม่ำเสมอจะมีช่องว่างมากที่สุด ในขณะที่การเติมมวลรวมที่มีอนุภาคขนาดเล็กกว่ามักจะช่วยเติมเต็มช่องว่างเหล่านี้ สารยึดเกาะจะต้องเติมเต็มช่องว่างระหว่างมวลรวมและยึดเกาะพื้นผิวของมวลรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นส่วนประกอบที่มีราคาแพงที่สุด ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงขนาดของมวลรวมจึงช่วยลดต้นทุนของคอนกรีต มวลรวมมักจะมีความแข็งแรงมากกว่าสารยึดเกาะ ดังนั้นการใช้งานจึงไม่ส่งผลเสียต่อความแข็งแรงของคอนกรีต

การกระจายตัวของมวลรวมใหม่หลังจากการอัดแน่นมักทำให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันเนื่องจากอิทธิพลของการสั่นสะเทือน ซึ่งอาจนำไปสู่ความต่างระดับของความแข็งแรง

บางครั้งมีการใช้หินตกแต่งเช่นหินควอตไซต์ หินแม่น้ำขนาดเล็ก หรือแก้วบดลงบนพื้นผิวคอนกรีตเพื่อให้เกิดการตกแต่งแบบ "หินกรวดเปลือย" ซึ่งเป็นที่นิยมในหมู่นักออกแบบภูมิทัศน์

 สารผสม 
สารผสมเพิ่มเติมคือวัสดุในรูปผงหรือของเหลวที่เติมลงในคอนกรีตเพื่อให้ได้คุณลักษณะบางอย่างที่ไม่สามารถหาได้จากการผสมคอนกรีตธรรมดา สารผสมเพิ่มถูกนิยามว่าเป็นวัสดุที่ “เติมเข้าไปในระหว่างการเตรียมส่วนผสมคอนกรีต” สารผสมเพิ่มเติมที่พบได้บ่อยที่สุดคือสารหน่วงการแข็งตัวและสารเร่งการแข็งตัว ในการใช้งานปกติ ปริมาณสารผสมเพิ่มเติมจะน้อยกว่า 5% โดยมวลของซีเมนต์และจะถูกเติมลงในคอนกรีตในขณะที่ทำการผสม (ดู  ด้านล่าง) ประเภทของสารผสมเพิ่มเติมที่พบได้ทั่วไป มีดังต่อไปนี้:

• สารเร่งปฏิกิริยาช่วยเร่งกระบวนการไฮเดรชั่น (การแข็งตัว) ของคอนกรีต วัสดุที่ใช้โดยทั่วไป ได้แก่แคลเซียมคลอไรด์ แคลเซียมไนเตรตและโซเดียมไนเตรตอย่างไรก็ตาม การใช้คลอไรด์อาจทำให้เหล็กเสริมเกิดการกัดกร่อนและถูกห้ามใช้ในบางประเทศ ดังนั้นไนเตรตจึงอาจเป็นที่นิยมมากกว่า แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเกลือคลอไรด์ก็ตาม สารเร่งปฏิกิริยามีประโยชน์อย่างยิ่งในการปรับปรุงคุณสมบัติของคอนกรีตในสภาพอากาศหนาวเย็น

• สารดักอากาศจะเพิ่มและดักจับฟองอากาศขนาดเล็กในคอนกรีต ซึ่งช่วยลดความเสียหายรระหว่างการแข็งตัวและการละลาย ทำให้มี ความทนทาน มากขึ้น อย่างไรก็ตาม อากาศที่ดักจับนั้นมีผลเสียต่อความแข็งแรง เนื่องจากอากาศ 1% อาจลดความแข็งแรงในการรับแรงอัดลง 5% 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.

 การผลิต 

 การวิเคราะห์ตัวอย่าง—ความสามารถในการใช้งาน 

 การใช้งาน 
คอนกรีตมีใช้กันในงานก่อสร้างหลายชนิด ซึ่งรวมถึง อาคาร ถนน เขื่อน สะพาน อนุสาวรีย์ และงานก่อสร้างต่าง ๆ ซึ่งมีเห็นได้ทั่วไป

อ้างอิง

 ดูเพิ่ม 
 คอนกรีตเสริมแรง

หมวดหมู่:วัสดุก่อสร้าง
หมวดหมู่:การก่อสร้าง
คอนกรีต