混凝土學講義

1、緒 論一、簡述混凝土的應用隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，土木建筑事業(yè)也迅速發(fā)展，對混凝土的需求也日益增大。目前，混凝土的應用已從一般的工業(yè)與民用建筑、港口碼頭、道路橋梁、水利工程等領域擴展到了海上浮動領域、海底建筑、地下城市建筑、高壓儲罐、核電站等領域，已成為世界上用量最大的人造石才。二、混凝土的定義由膠結(jié)材(無機的、有機的或無機有機復合的)、顆粒狀材料以及必要時加入化學外加劑和礦物摻合料等組分合理組成的混合料經(jīng)硬化后形成具有堆聚結(jié)構(gòu)的復合材料稱為混凝土（這類混凝土的組織結(jié)構(gòu)類似干某些天然巖石，故又稱為人造石）。三、混凝土的分類 (一)按膠結(jié)材分 1無機膠結(jié)材混凝土 (1)水泥混凝土：各種水泥為膠結(jié)材

2、(2)石灰硅質(zhì)膠結(jié)材混凝土：石灰和各種合硅原料(砂及工業(yè)廢渣等)以水熱合成方法來產(chǎn)生水化礦物膠凝物質(zhì) (3)石膏混凝土：以各種倉膏為膠結(jié)材制成 (4)水玻璃氟硅酸鈉混凝土：木玻璃為膠結(jié)材，以氟硅酸鈉為促硬劑制成 2有機膠結(jié)材混凝土 (1)瀝青混凝土：以瀝青為膠結(jié)材制成，主要用于道路工程 (2)聚合物膠結(jié)混凝土：以純聚合物為膠結(jié)材制成 3無機有機復合膠結(jié)材混凝土 (1)聚合物水泥混凝土：在水泥混凝土混合料中摻入聚合物或者用摻有聚合物的水泥制成 (2)聚合物浸漬混凝：以水泥混凝土為基材，用有機單體液浸談和聚合制成 (二)按混凝土的結(jié)構(gòu)分1普通結(jié)構(gòu)混凝土：它由粗、細集料和膠結(jié)材制成。（碎石或卵石、砂

3、和水泥制成者，即是普通混凝土。）2細?；炷粒杭毤虾湍z結(jié)材制成3大孔混凝土：僅由粗集料和膠結(jié)材制成4多孔混凝土：既無粗集料、也無細集料全由磨細的膠結(jié)材和其他粉料加水拌成的料漿用機械方法或化學方法位之形成許多微小的氣泡后再經(jīng)硬化制成(三)按容重分1特重混凝土 2重混凝土 3輕混凝土 4特輕混凝土 (四)按用途分結(jié)構(gòu)用混凝土、隔熱瘟凝土、裝飾混凝土、耐酸混凝土、耐堿混凝土、耐火混凝土、道路混凝土、大壩混凝土、收縮補償混凝土、海洋混凝土、防護混凝土等等。四、混凝土的發(fā)展歷史氣硬膠材混凝土水泥混凝土1887年，科倫首先發(fā)明了鋼筋混凝土的計算方法。1918年，艾布拉姆斯發(fā)表了計算混凝土強度的水灰比理論

4、。1918年，用張拉鋼筋對預先是施以壓應力的方法可以保證混凝土構(gòu)件在荷載作用下既能抵抗拉應力又不致產(chǎn)生裂縫預應力混凝土應運而生。1950年，外加劑廣泛應用于混凝土，使混凝土的性能得到更好的改善。后來，又出現(xiàn)了現(xiàn)代混凝土，特種混凝土，高性能混凝土及綠色混凝土等等。五、研究方法主線；感性認識理性科學研究六、教學任務牢固掌握各類混凝土（普通混凝土、硅酸鹽混凝土、輕集料混凝土等）的結(jié)構(gòu)、性能、各種參數(shù)與結(jié)構(gòu)和性能的 的基本理論以及各種混凝土的基本實驗技術(shù)，能根據(jù)實際工程中對混凝土的使用要求，正確選材，合理設計和選用配合比，最后制成經(jīng)濟、耐久的混凝土。§1 普通混凝土§11 普通混凝

5、土的原材料§1-1-1水泥一、水泥的應用要求（一） 水泥的強度等級（二） 使用條件下的穩(wěn)定性（三） 水泥強度的發(fā)展規(guī)律（四） 其他要求二、水泥品種的選擇硅酸鹽系列水泥、鋁酸鹽系列水泥、硫鋁酸鹽系列水泥和其他水泥（根據(jù)混凝土的工程特點和所處環(huán)境條件來選擇）§1-1-2骨料一、骨料作用經(jīng)濟上：作為混凝土的填充料，比水泥便宜，可降低建材的成本，具有經(jīng)濟意義。性能上：提高混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性； 改善混凝土的強度和其他力學性能； 特種骨料可配制特種混凝土。二、分類粒徑：粗骨料（5mm）和細骨料（0.165 mm）性質(zhì)：普通骨料、重骨料和輕骨料來源：天然骨料和人工骨料三、主要技術(shù)性

6、質(zhì)（一）強度評定原因：骨架作用評定方法：巖石立方體法和壓碎指標法（二）密度、表觀密度、堆積密度、空隙率和孔隙率（三）含水率、吸水率含水率：材料中所含水的質(zhì)量與干燥狀態(tài)材料的質(zhì)量之比。吸水率：材料吸水飽和時，其含水率就為吸水率質(zhì)量吸水率和體積吸水率（四）砂的容脹1、原因：潮濕的砂，各顆砂粒的表面有層水膜，引起一定重量的砂子體積顯著增加，這種現(xiàn)象稱為砂的容脹。按體積況料時，著忽視砂于的容比特造成混掇土混合料缺砂，出現(xiàn)離析和蜂窩現(xiàn)象。2、規(guī)律：容脹的程度取決于砂子的含水率和細度。 隨著砂的含水率增加到大約58的數(shù)值時，砂的體積將增加20一30。再增加含水率時，則砂粒表面的水增厚，水的自重超過砂粒表面

7、對水的吸附作用而發(fā)生跟動，并遷移到砂粒間的空隙中，砂粒表面的水膜消失。這時砂的容積隨含水率的增加而減少。（五）體積穩(wěn)定性1定義：這里專指集料抵抗由于自然條件 的變化引起體積過分變化的能力。2對混凝土性能的影響：引起集料體積變化的自然因素有凍融損壞、干混交替等。集料的體積變化可能導致混凝土的局部開裂、剝落甚至使整個結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)。（六）顆粒形狀和表面狀態(tài)1評定原因：對混凝土的性能由影響：工作性、強度、耐久性等，形狀，狀態(tài)均有影響。2形狀：球 棱角 針狀 片狀3形狀評定：棱角系數(shù) 一種尺寸的顆粒，堆實的程度取決干它們的形狀。在英國用“棱角系數(shù)”表示集料的顆粒形狀對堆實程度的影響。棱角系數(shù)以67減

8、去按規(guī)定的方法將集料填滿容器時，固體體積所占的份數(shù)。（67代表最圓的卵石用同樣的填充方法所得的固體體積份數(shù)）所以“棱角系數(shù)”即表示超過圓形卵石空隙率的百分數(shù)?！袄饨窍禂?shù)”愈大，集料顆粒的棱角愈多，堆積時的空隙率也愈大。針片狀顆粒含量4表面狀態(tài)：孔及粗糙程度（七）集料中有害雜質(zhì)：1有機雜質(zhì)2鉆土、淤泥和粉塵3硫化物和硫酸鹽類4云母5鹽四、骨料的級配 （一）概念及工程意義（二）表示方法（三）級配要求（四）最大粒徑§1-1-3 磨細礦物摻料一、具有弱自硬性的材料，如堿性粒狀高爐礦渣、某些爐渣和燒頁巖灰。二、具有活性水硬性材料，這些材料不能自行硬化，但能夠與水泥水化析出的氫氧化鈣或者與加入的

9、石灰相互作用而形成較強較穩(wěn)定的膠按物質(zhì)。例如酸性粒狀高爐礦渣、爐渣、扮煤灰、輕燒粘土、燒頁巖以及含有非晶狀氧化硅的火山和沉積巖石，前者如浮石、凝灰?guī)r、火山灰，后者如硅藻石、蛋白石等。三、微活性摻料(填充料)。如各種巖石風化分解的產(chǎn)物如砂、石英、黃土、粘土等。§1-1-4 混凝土拌合用水 拌合混凝土混合料幾乎可以來用任何天然水，只要它不合有過量的鹽類，特別是硫酸鹽和酸性化合物以及有機雜質(zhì)。不允許使用富有有機雜質(zhì)的沼澤水、含有腐植酸或其他酸、鹽的污水和工業(yè)廢水。 §12 普通混凝土混合料§1-2-1 混凝土混合料的特性0、概念新拌混凝土：混授土的各組成材料(水泥、粗細

10、集抖、水等)按定的比例攪拌而得的尚未凝結(jié)硬化的材料，也稱混凝土拌和物。一、流變學概念（一）幾個概念1流變學：研究混凝土物體流動和變形的科學。2彈性：外力作用后發(fā)生變形，外力撤消，變形立即恢復的性質(zhì)。3塑性：外力作用發(fā)生變形，外力撤消，變形立不消失且材料也不破壞的性質(zhì)。4結(jié)構(gòu)粘性：某些粘性液體在靜止不動時有較大粘性，攪動時粘性降低，停止攪動，粘性有迅速增加，原結(jié)構(gòu)恢復。 粘度：阻礙液體流動的粘滯力。5脆性：6剛性：抵抗塑性變形的能力。7韌性：8觸變形：某些液體在外力作用下，粘性破壞后緩慢恢復的性質(zhì)。9應力松弛：在持續(xù)外力作用下，發(fā)生的變形不變，內(nèi)應力逐漸減小的過程。10彈性后效：在持續(xù)外力作用下

11、，發(fā)生緩慢變形，而外力撤消后，變形緩慢恢復的現(xiàn)象。（二）流變基元（模型）1胡克體(H模型)：表示具有完全彈性的理想材料，2牛頓液體(N模型)：表示只具有粘性的理想材料。3圣維南體(Stv一模型)表示超過屈服點后只具有塑性變形的理想材料（三）基本組成形式（現(xiàn)實物質(zhì)模擬）1麥克斯威爾（MaxWellM）模型最簡單的串聯(lián)模型：MNH，表示恒定變形的應力變化歷程。2Kelvin模型（K）最簡單的并聯(lián)模型：MH / N ，表示恒定應力下的變形過程。二、混凝土混合料的流變方程（一）混凝土拌和物的流變特點1流變原因：顆粒間相互潤滑2流變阻力：顆粒間附著力、摩擦力（二）流變模型1變形特征：瞬時有較小的彈性變形

12、 克服一定阻力，發(fā)生較大的變形Stv特種 存在一定的粘性，隨時間延長變形增大N特種2流變模型賓漢姆模型：H-(Stv/N)3流動曲線的基本類型（圖119） 牛頓液體 非牛頓液體 賓漢姆體 一般賓漢姆體三、混合科流變參數(shù)y與的含義（一）屈服剪應力（y）1定義：屈服剪應力（y）是阻止塑性變形的最大應力，故又稱為塑性強度。2產(chǎn)生原因：混合科的屈服剪切應力是組成材料各顆粒之間的附著力和摩擦力引起的3測定：土壤剪切法（圖112）（二）粘度系數(shù)()1定義：液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動的種性能。2產(chǎn)生原因：它是由于流動的液體中，在平行流動方向的各流層之間，產(chǎn)生與流動方向相反的阻力(粘滯阻力)的結(jié)果。因此，粘性是流動

13、的反面。對于不同的液體，粘性有的大，有的小，取決于液體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3特征：對于理想的流體：是固定值； 對于一般流體：是變值，隨和D而變化(圖123)四、流動特性的測定（一）y的測定1土壤剪切法2錐體塑性法（二）的測定流速法（三）綜合測定1細顆粒分散質(zhì)均勻原理：外筒轉(zhuǎn) 內(nèi)筒轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)處理：2新拌混凝土大顆粒分散質(zhì)不連續(xù)性大，測試困難§1-2-2 新拌混凝土的工作性一、工作性的定義（一）建材.定義：在一定施工條件下，便于各種施工操作并均勻密實地填充模板的性能。（不能定量）流動性粘聚性保水性（二）混凝土定義：流動性可塑性穩(wěn)定性易密性（未量化）（三）ASTMC125：使一定數(shù)量的新拌混凝土在不喪

14、失勻的前提下，澆注振實所需的功。（內(nèi)阻力；混凝土與鋼筋、模板的摩擦阻力）二、工作性的測定（一）塌落度法1簡介2原理過程：重力作用下混凝土料的流變過程靜止條件：重力產(chǎn)生的煎應力y測試實質(zhì)：測混凝土的塑性強度討論：(2y/pg)30時，SL0，無塌落（二）流動度法簡介：這是美國所采用的試驗方法測定：將一堆成定形狀的混合料置于跳桌上，經(jīng)過跳動一定的次數(shù)后，測定混合料擴展的程度，以鑒定混合科的流動度及離析的程度。（三）凱利球法簡介：測定：每下沉2.5cm，相當于SL5 cm（四）重塑數(shù)試驗簡介： 1932年美國鮑威爾斯所建議的試驗，以改變混合科試樣的形狀所做的功來評價混合料的工作性。（五）工業(yè)粘度計（

15、六）維皮試驗現(xiàn)行規(guī)范方法簡介：這是重塑數(shù)試驗的改進試驗。省取了重塑數(shù)的內(nèi)圓環(huán)，以振動代替跳動使混合科達引重型密實，更接近于實際情況。（七）密實數(shù)法簡介：起于英國，密實數(shù)測定密度/實際密度（八）倒置SL筒法簡介：適用于鋼纖維混凝土§1-2-3 影響混凝土工作性的因素 混凝上混合料的工作性取決于各紹份的特性及其相對含量。一、混合料的單位加水量對流動性的影響（一）水的作用：水化、潤滑（二）影響1規(guī)律：初始流動性為y的混凝土，變化條件為流動性的變量為dydy與y的關系：dyy dy與Vs/Vw(固/水體積比)的變化（VsVw1）由于Vs，Vw，yy，所以有下式成立： dyKd(Vs/Vw)

16、降低表示2規(guī)律結(jié)合，得：dyKyd(Vs/Vw)y =Y0eK(Vs/Vw)Y0eK(11/Vw)令：W=W0時，y=y0（可測），得： 因為：所以：由上可見： 與成正比（線形關系）3規(guī)律 積分得： 4二者比較二、集灰比（Va/Vc）的影響與水有關由上式可見：Va/Vc,y；Va/Vc,y。三、砂率（Sp）的影響 過大、過小的流變模型解釋四、材料的影響五、時間、溫度的影響（SL的損失） 時間, SL的損失，SL； 溫度, SL的損失，SL。§1-2-4 離析和泌水一、離析（一）定義：沿合料的離所是指混合料各組份分離，造成不均勻和失去連續(xù)性的現(xiàn)象。（二）產(chǎn)生原因：這是由于構(gòu)成混合料的各

17、種固體粒子大小、比質(zhì)不同，它們之間發(fā)生了不同的運動而產(chǎn)生不同的位移而引起的。（三）兩種形式：一種足粗集抖從混合料中分離，因為它們比細骨料更易于沿著斜面下滑或在模內(nèi)下沉；另一種是稀水泥漿從混合料淌出，這主要發(fā)生在流動性性大的混合料中。二、泌水（一）定義：混合料澆灌之后到開始凝結(jié)期間，固體粒小下沉，水上升，并在表面析出水的現(xiàn)象稱為泌水。（同時，混合料發(fā)生沉陷收縮）（二）產(chǎn)生原因：固體粒子小下沉、水上浮而引起的。（三）結(jié)果：使表面混合料含水量增加，產(chǎn)生大量的浮漿，硬化后使面層的混經(jīng)上強度弱于下面混凝土的強度，并產(chǎn)生大量容易剝落的“紛塵”；如果混凝上是分層澆注，若刁；沒法除去面層上的這些浮漿，則會損害

18、每層混凝土之間的粘結(jié)；一些上升的水還會聚結(jié)在粗集料或鋼筋的下方，毆化后成為空隙，出現(xiàn)弱粘結(jié)地帶。上升的水，在其后留下水的通道，降低了混凝上的抗?jié)B性和抗原性；在和模板的交界面上，池水時會把水泥漿帶走，僅留下砂子，出現(xiàn)“砂紋”現(xiàn)象。§13 普通混凝土的硬化及結(jié)構(gòu)的形成過程§130 概述一、組成、結(jié)構(gòu)與性能的關系（一）組成：構(gòu)成物質(zhì)的基本單元 化學組成元素礦物組成氧化物相組成混凝土組成集料水泥石孔+水（二）結(jié)構(gòu)：基本單元的結(jié)合形式（三）組成、結(jié)構(gòu)決定性能二、普通混凝土的組成多相、多組分；宏觀均勻、微觀不均勻三、普通混凝土的結(jié)構(gòu)形成拌和澆注密實硬化混凝土§131 普通混凝

19、土的分層一、外分層（一）定義：混凝土振搗密實過程中及完畢后，大顆粒下沉，小顆粒上浮而導致的混凝土不均勻現(xiàn)象。（二）危害：強度不均勻；表面軟弱起粉。二、內(nèi)分層（一）定義：粗骨料間隙內(nèi)砂漿中，砂顆粒及水泥顆粒下沉、水上浮的現(xiàn)象。（二）危害：骨料下部水富集充水區(qū)域，孔，滲水通道§132硅酸鹽水泥的水化及凝結(jié)硬化（自學）§133水泥石的亞微觀結(jié)構(gòu)及強度（自學）§134硬化混凝土的結(jié)構(gòu)及界面過渡區(qū)一、混凝土結(jié)構(gòu)組成三部分：水化水泥漿體集料水泥漿體和集料間的過渡區(qū)（宏觀：由集料顆粒分散在水泥漿基體中所組成的兩相材料）過渡區(qū)：存在于在水泥漿體與集料結(jié)合的界面，過渡區(qū)是圍繞大集料

20、周圍納一層薄殼，此處的硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)中水泥石或水泥砂漿的結(jié)構(gòu)有明顯的不同，其厚度一般為1015m，是混凝土性能中的一個薄弱環(huán)節(jié)。二、集料相結(jié)構(gòu)及其對混凝土性能的影響 集料相對混凝土性能所起的作用，不是化學性的，而是物理性的，諸如：容重、彈性模量、體積穩(wěn)定性等。影響因素：集料的容重、強度、粗集料的形狀和織構(gòu)與粒徑等。如混凝土所用的粗集料尺寸越大，長條或扁平顆粒含量越多，都會使混凝土強度降低，這是由于上述集料表面集聚水膜的傾向也越大，從而使水泥漿體與集料間的過渡區(qū)減弱。三、過渡區(qū)結(jié)構(gòu)（一）研究背景1混凝土的拉伸破壞為何呈脆性?而壓縮破壞時為何具有一定的彈塑性?2混凝土各組分材料當分別以單

21、軸壓力試驗時，直到破壞都保持彈性，而為何混凝土卻表現(xiàn)為非完全彈性行為?3混凝土的抗壓強度為何能較其抗拉強度高一個數(shù)量級?4水泥用量、水灰比和水化齡期均相同，為何水泥砂漿的強度比混凝土高?5為何混凝土的抗?jié)B性比相應的水泥漿體低一個數(shù)量級?6混凝土暴露在火中，為何彈性模量的降低比抗壓強度要快得多？（二）過渡區(qū)結(jié)構(gòu)1.過渡區(qū)成因首先，粗集料表面的水灰比大于混凝土的本體；其次，水灰比值高，結(jié)晶約束小此處所形成的結(jié)晶產(chǎn)物的晶體尺寸大。2.過渡區(qū)模型3.界面過渡區(qū)特點局部水灰比高孔隙率大及多，及晶粒粒徑大取向性生長(三)過渡區(qū)強度1影響因素3個因素：孔的體積和孔徑大??；氫氧化鈣晶體的大小與取向?qū)?；存在的?/p>

22、裂縫。2改善措施采用活性摻料，降低CH尺寸及取相性，增加密實性；降低W/C，減少骨料下方的充水區(qū)域，也會使CH的尺寸減小，取向性差；骨料的粗糙表面，減小粒徑；制作工藝（攪拌，振實，養(yǎng)護等）（四）對混凝土性能的影響1強度下降；2非彈性破壞；3f拉f壓4剛度下降；5耐久性下降。四混凝土結(jié)構(gòu)模型（一）中心質(zhì)假說（吳中偉） 該論述將混凝土作為一種復合材料，混凝土是由各級分散相分散在各級連續(xù)相中而組成的多相聚集體。中心質(zhì)假說持各級分散相命名為中心質(zhì)，將各級連續(xù)相命名為介質(zhì)。中心質(zhì)與介質(zhì)根據(jù)尺度各分為大、次、微3個層次，即大中心質(zhì)、次中心質(zhì)、微中心質(zhì)和大介質(zhì)、次介質(zhì)、微介質(zhì)。 大中心質(zhì)包含各種集料、摻合料

23、、增強材料、長期殘存的未水化的水泥熟料。 次中心質(zhì)是鼓度小于l0um的水泥熟料粒子，屬過渡性組分。 微中心質(zhì)是水泥水化后生成的各種晶體，包括I、型CSH纖維狀和網(wǎng)狀結(jié)晶。 大介質(zhì)是大中心質(zhì)所分散成的連續(xù)相，其中有結(jié)構(gòu)膜層。 次介質(zhì)是次中心質(zhì)歷分散成的連續(xù)相，其中有水化層。 微介質(zhì)是微中心質(zhì)所分散成的連續(xù)相。、型CSH、尺寸較小的不規(guī)則的粒子與結(jié)構(gòu)水及吸附水均可視為該級的連續(xù)相。2模型（近代混凝土技術(shù) P152 圖52）集料、增強材料（鋼筋，纖維）熟料、混合材水溶性聚合物物）水空氣粗粒殘渣細?；钚耘c離解部分非膠體結(jié)合水毛細水膠體微中心質(zhì)微介質(zhì)次中心質(zhì)次介質(zhì)大介質(zhì)大中心質(zhì)大中心質(zhì)P層次層次層次圖1

24、 混凝土結(jié)構(gòu)的中心質(zhì)假說圖解3理想結(jié)構(gòu)的模型 （1）各級中心質(zhì)(分散相)以最佳狀態(tài)(均布、網(wǎng)絡、緊密)分散在各級介質(zhì)(連續(xù)相)之中。在中心質(zhì)與介質(zhì)問存在著過渡區(qū)的界面，是漸變的非勻質(zhì)的過渡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)組成的排列順序為中心質(zhì)一界面區(qū)一介質(zhì)。 （2）網(wǎng)絡化是中心質(zhì)的特征。各層次的中心質(zhì)網(wǎng)絡構(gòu)成水泥基材料的骨架。各級介質(zhì)填充于各級中心質(zhì)網(wǎng)絡之間。強化網(wǎng)絡骨架是提高水泥基材料性能的一個必要條件。 （3）界面區(qū)保證著中心質(zhì)與介質(zhì)的連續(xù)性。因此，界面區(qū)的優(yōu)劣決定了水泥基材料的強度、韌性、耐久性、整體性與均勻性的優(yōu)劣。界面區(qū)不應是水泥基材料中的薄弱部分，因為它的作用是特中心質(zhì)的某些性能傳給介質(zhì)，應是有利于網(wǎng)絡

25、結(jié)構(gòu)的形成和中心質(zhì)效應的發(fā)揮。強化界面區(qū)是提高水泥基材料性能的又一個必要條件。 （4）各種尺度的孔、縫也是一種分散相，分布在各級介質(zhì)之中，因此，也是中心質(zhì)。尺度較大的孔(毛細扎)對強度等性能不利，也不參加構(gòu)成網(wǎng)絡。因此，對其尺度與含量應加以限制。但是，它在水泥基材料中還起著補給水分與提供水化物空間的有利作用。孔的有利作用過去很少捉及。但吳中偉教授對此一直很重稅，認為孔在水泥基材料中的存在，陳有利于水化外今后在研究開發(fā)輕質(zhì)高強、提高抗裂性與耐久性(如抗沖密、抗凍融等)時，應加強并深化對孔的研究。（二）四層次理論（黃蘊元）1基本內(nèi)容 4個結(jié)構(gòu)層次是按照在光學顯微鏡下能見到的結(jié)構(gòu)單元尺度來劃分的。A

26、：原子分子層次；細觀層次：尺度為lo nm一1mm，在此層次上研究的內(nèi)容為：硬化水泥漿體的孔隙串、晶體與膠體的比例(晶膠比)和不同相之間的界面諸因素。粗觀層次：尺度為1mm到幾厘米，以粗集料與水泥砂漿基材的界面作為主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。而砂漿中的大孔、砂水泥漿體的界面和裂縫。宏觀層次：則是工程結(jié)構(gòu)單元尺度。B：1在混凝土的原子分子、細觀和租觀諸層次上，組分、結(jié)構(gòu)和界面在不同方面和不同程度上彩向其宏觀力學性質(zhì)。其綜合影響，則決定了整體混凝土的宏觀力學行為。所謂力學行為就是材料發(fā)生變形和斷裂的全部特征和過程。 2所謂“結(jié)構(gòu)”，實際上是不同的鍵和結(jié)構(gòu)元的集合，主要是不同鍍和界面的集合，而界面實際上是離子、分

27、子或微晶體等組成的過渡區(qū)。從混凝土的結(jié)構(gòu)形成到結(jié)構(gòu)破損的整個過程中，始終貫穿著界面的形成、轉(zhuǎn)移和消失，而且還會發(fā)生雙電層的形成、轉(zhuǎn)移和消失。 3能量是貫通所有結(jié)構(gòu)層次的共同物理量，它也是確定組分一結(jié)構(gòu)一界面一性能關系的主要媒介?；炷恋目估瓘姸仁瞧鋯挝惑w積內(nèi)界面能的函數(shù)。 4鍵和結(jié)構(gòu)元的集合總是統(tǒng)計性的，因而其一般性質(zhì)也應是統(tǒng)計性的。 5如果在應力作用下，應變能不能轉(zhuǎn)變而及時消散，或者不在變形時的晶形轉(zhuǎn)變中校消耗，又不發(fā)生其他能耗，裂縫就會產(chǎn)生并使該應變能轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺?、核邊能和棱角能。其中表面能是主要的，并會貯存在整個材料體系中，影響其力學行為。 6如果混凝土在歷受的應力下，不同層次的組分、結(jié)

28、構(gòu)和界面，能自動轉(zhuǎn)變至對抗力更為合適的狀態(tài)，則其抗變形性及強度就能提高。 7孔隙不僅在粗雙層次而且也在細觀層次影響混凝土的力學行為?？椎某叽绾托螤钤谶@種影響中起重要的作用?？撞荒鼙徽J為僅是混凝土中的一個無質(zhì)星的空洞在小孔所成的紉縫中，二孔壁間的范德華力及其他長程力將影響混凝土的力學行為。2模型硬化水泥漿體強度水泥石強度§14 普通混凝土的物理性質(zhì) 概念：密實度 體積變形 滲透性 導熱性§141 密實度（自學）§142 混凝土的變形性質(zhì)（非荷載）一、混凝土內(nèi)的濕度變化而導致的變形（一）干燥1定義：混凝土的失水過程。 原因：水分外逸、蒸發(fā)（干燥）；混凝土內(nèi)水分的自發(fā)性

29、減少（水化）2水面的曲率半徑和飽和蒸氣壓的熱力學平衡關系用下式表示：(二)干縮1原因：毛細孔失水；凝膠孔失水2結(jié)果：無限制條件下：混凝土密實過程； 有約束：裂縫（鄰位，鋼筋，濕度梯度）3影響因素：水泥用量；環(huán)境濕度；齡期；骨料性質(zhì)；集灰比；外加劑、摻合料。（三）自收縮：混凝土在水化硬化過程中由于自身水化需水導致混凝土干燥而造成德收縮。1.背景 高水泥用量、低水灰比混凝土的應用2.減小措施：高水灰比、低水膠比（四）混凝土的塑性收縮1.定義：新拌混凝土硬化前的收縮。2.原因：混凝土拌合物失水速度大于泌水速度3發(fā)生時間：澆注振搗數(shù)小時發(fā)生4特點：平行裂縫，間距2.57.5cm，深度：2.55cm（五

30、）濕脹1定義：混凝土吸水后體積膨脹。2原因：水泥凝膠體顆粒之間吸入水分，水分子破壞了凝膠體顆粒的凝聚力，迫使顆粒分離的結(jié)果；水的浸入，使凝膠體顆粒表面形成吸附加降低了表面張力；使顆粒發(fā)生微小的膨脹。（六）干濕變形規(guī)律存在不可逆收縮原因：當毛細孔中的水蒸發(fā)完后，如繼續(xù)干燥，則凝肢體顆粒的吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)。失去水膜的凝膠體顆粒，由于分子引力的作用，使粒子間的匪離變小甚至發(fā)生新的化學結(jié)合而收縮。 二溫度變形：熱脹冷縮大體積混凝土三碳化收縮（一）定義：混凝土中水泥的水化產(chǎn)物CH與CO2、H2O反應生成CaCO3和H2O產(chǎn)生的收縮。（二）原因：1碳化產(chǎn)物水毛細管收縮2新生產(chǎn)物體積收縮（三）收縮規(guī)律1

31、碳化進行在相對濕度50左右最快；2先干縮，再碳化，收縮值最大；3隨CO2濃度的增加而加快；4蒸養(yǎng)混凝土碳化后，變形減小。（四）碳化對混凝土性能的影響1增大不可逆收縮；2抗壓強度下降，滲透性下降。 §143滲透性一、多孔材料的滲透性 Q=KA×hw/l 式中：A滲透面積； hw壓力差； l試件厚度二、普通混凝土的滲水性（一）原理：孔，微裂縫的存在（二）影響因素：p，孔結(jié)構(gòu)，W/C（三）測試方法抗?jié)B等級§15 普通混凝土的力學性能§151普通混凝土的強度0、概述（一）強度定義：混凝土在外力或荷載作用下抵抗破華的能力。（二）強度的工程意義：1表征承載能力；2相

32、關其他性能：強度抗凍；抗?jié)B；剛性（三）混凝土強度分類（外荷載作用形式）1抗壓強度2抗拉強度3抗折強度4抗剪強度5與鋼筋的粘結(jié)強度一、抗壓強度（一）、概念1立方體抗壓強度2立方體抗壓強度標準值3立方體抗壓強度代表值4軸心抗壓強度（二）立方體抗壓強度的測試方法1 試件：標準（150×150×150mm的立方體），非標準（100×100×100的立方體，200×200×200mm立方體的）標準試件的測定結(jié)果不用修正，非標準試件的測定結(jié)果要乘以一個系數(shù)，0.95或1.052 養(yǎng)護條件：標準養(yǎng)護自然養(yǎng)護：自然條件下養(yǎng)護。加速養(yǎng)護：蒸汽養(yǎng)護（1a

33、tm的水蒸汽中養(yǎng)護）和蒸壓養(yǎng)護（壓力大于1atm，溫度大于100的高溫高壓中）。同條件養(yǎng)護：養(yǎng)護條件和同結(jié)構(gòu)的混凝土的養(yǎng)護條件一致，這樣可以用來指導生產(chǎn)。3加載速度：C30為0.30.5 MPa/s；C30為0.50.8 MPa/s。4試件濕度：標準養(yǎng)護后，擦干即可（三）軸心抗壓強度1試件：標準：150mm×l50mm×300mm的棱柱體 非標準：100mm×l00mm×200mm；200mm×200mm×400mm2養(yǎng)護與上同。3加載：0.30.8 MPa/s4fcp與fcu的關系：fcp0.70.8fcu二、抗拉強度（軸心抗拉強度

34、和劈裂抗拉強度）（一）定義（ft）（二）與抗壓強度的關系：ft0.5( fcc)2/3（三）測試方法1軸心抗拉2辟裂抗拉（四）影響因素1隨齡期增長，ft，但增長率較fcc低；2混凝土集料，ft改善優(yōu)于fcc3ft對養(yǎng)護條件更敏感4搗實不充分或含氣量高，ft降低幅度大于fcc三、抗折強度（機場，跑道）（一）定義（二）測試條件四、粘結(jié)強度（主要是由于混凝土與鋼筋之間的摩擦力和附著力引起的）（一）測試條件1、拉出法2、壓入法（二）原因因素1鋼筋表面狀態(tài)2混凝土本身狀態(tài)3鋼筋的位置4溫度5濕度五、抗剪強度混凝土的剪切強度較抗拉強度為大。由于測試上的困難混凝土的剪切強度不易準確測定；有人認為剪切強皮較抗

35、拉強度大2030，但也行人認為剪切強度為抗拉強度的幾倍，而常為抗壓強度的5090。§152 混凝土強度的影響因素0概述宏觀力學分析細觀力學分析一、水灰比和水泥強度等級決定混凝土強度的主要因素 定性角度：水泥的實際強度，混凝土強度；水灰比，混凝土強度。 定量角度：式中： C/ W灰水比(水泥與水質(zhì)量比)； fce水泥28d抗壓強度實測值，MPa； 水泥28d抗壓強度標推值富余系數(shù)（c1.13）A、B與骨料的種類、表面狀態(tài)有關：采用碎石：A0.46、B0.07采用卵石：A0.48、B0.33二、骨料（一）表面狀態(tài)：W/C大時不明顯；W/C小時明顯（二）最大粒徑（Dm）：Dm,同條件f（三

36、）骨料自身強度三、集/灰（一）趨勢：集/灰，f（二）原因1骨料吸水，有效W/C，f；2骨料水泥用量，總P，f；3骨料，每顆骨料下部的充水區(qū)域，CH等取向性，晶粒尺寸，界面過渡區(qū)改進，f。四、養(yǎng)護的溫度和濕度趨勢：T，在一定范圍內(nèi)，f混凝土。濕度：若混凝土早期失水，則強度。原因：周圍環(huán)境的濕度對水泥的水化作用能否正常進行有顯著影響：濕度適當，水泥水化便能順利進行，使混凝土強度得到充分發(fā)展。如果濕度不夠，混凝土會失水干燥而影響水泥水化作用的正常進行，甚至停止水化。因為水泥水化只能在為水填充的毛細管內(nèi)發(fā)生。而且混凝土中大量自由水在水泥水化過程中逐漸被產(chǎn)生的凝膠所吸附，內(nèi)部供水化反應的水則愈來愈少。這

37、不僅嚴重降低混凝土的強度，而且因水化作用未能完成，使混凝土結(jié)構(gòu)疏松，滲水性增大，或形成干縮裂縫，從而影響耐久性。五、齡期 定義：混凝土加水拌合開始至進行強度測試所經(jīng)歷的時間）趨勢：齡期越長，混凝土強度越高。關系式（n天的強度和28天強度之間的關系如下）： 注意：要求n3。六、測試條件 （不會影響強度的實際值，只是影響強度的觀測值）（1）試件大小趨勢：試件越小，f觀測。原因：小試件包含的裂縫總數(shù)少，那么破壞概率小，只有增加荷載才可以破壞；大試件包含的裂縫總數(shù)多，則破壞概率大，小荷載下就可破壞。（2）試件的形狀趨勢：立方體抗壓強度>軸心抗壓強度原因：環(huán)箍效應（測定強度時，混凝土試件與鋼板受到

38、的力是一樣的。任何材料在發(fā)生縱向變形時也可以發(fā)生橫向變形（試件變矮的同時會變胖，試件是固體，壓縮時體積不變），鋼材的泊松比小，發(fā)生的變形小，混凝土變形大?；炷翙M向膨脹，鋼板不膨脹，橫向就存在摩擦力，摩擦力作用給試件有一個限制試件變形的環(huán)箍效應，使混凝土三向受壓，f觀測。環(huán)箍效應的作用高度是（a是混凝土試件邊長），上、下面都是，+>a，在試件中部有部分疊加，這樣試件破壞后是棱錐體。對于棱柱體試件（150×150×300mm），同樣有環(huán)箍效應，上、下表面均為，那么在中間部位沒有環(huán)箍效應，中間所受的荷載只是單向的受壓，f觀測要低。fcp0.70.8fcu。）（3）試件的濕

39、度趨勢：試件越濕，f觀測。原因：試件濕表明試件中有孔隙存在，空中進入水，水是塑性的，受荷載作用很容易變形，對混凝土產(chǎn)生撕裂作用，相當于在內(nèi)部拉混凝土，混凝土更容易破壞。注意：試件從養(yǎng)護室拿出來擦干后（飽和面干狀態(tài)），立即測試強度。（4）加載速度 趨勢：越快，f觀測。原因：混凝土內(nèi)部裂縫擴展、連續(xù)造成混凝土破壞，如果加載快，裂縫來不及擴展、連續(xù)。GB規(guī)定：加載速度為0.30.8MPa/s，C30為0.30.5 MPa/s，C30為0.50.8 MPa/s。（5）表面狀態(tài)表面特別粗糙，實際受壓面積小，f觀測；表面特別光滑（涂油），無環(huán)箍效應，f觀測。注意：實際測試時，受壓的表面為與模板相接觸的光滑

40、表面，粗糙的表面對著實驗者。七、影響因素綜合示意圖混 凝 土 的 強 度試件的參數(shù)試件尺寸 試件形狀 試件濕度加荷參數(shù)加荷速度組成各相的強度水泥石的強度 水泥強度等級 水灰比 養(yǎng)護溫度、濕度 養(yǎng)護時間 骨料的強度過渡區(qū)的強度 水泥強度等級 水灰比 骨料的特征 養(yǎng)護溫度、濕度 養(yǎng)護時間 圖2 影響因素綜合示意圖§153 普通混凝土的脆性斷裂0、研究背景（一）混凝土材料的宏觀力學行為低，高，不與成正比高強度混凝土：不與成正比，有一定的塑性，不大（二）混凝土材料力學行為分析宏觀力學細觀力學（三）材料的理論強度1雙原子模型2理論強度研究假設(三)材料實際強度理論強度原因：混凝土內(nèi)部缺陷引入斷

41、裂力學理論一、Griffith理論（一）假設研究前提1無垠大平板2線彈性材料，有貫串裂縫3張開型裂縫（張開型，推開型和撕開型）（二）應力應變狀態(tài)1單向受力2雙向受力（三）Griffith能量平衡理論1出現(xiàn)裂縫時，表面能變化（出現(xiàn)一個裂縫，暴露兩個面）W1=2×2C×（單位厚度） 4 C2應變能變化：Ws（減?。兡埽菏芰Πl(fā)生變形時所儲存的能量；應變能量變化：平面應變狀態(tài) 平面應力狀態(tài)3系統(tǒng)總能量變化VV4 CWs討論：dv/dc0，能量增加的過程非自發(fā)過程dv/dc0，能量減小的過程自發(fā)過程4臨界應力裂縫的擴展：dv/dc0平面應力：平面應變：（四）應力強度因子K（五）G

42、riffith公式的修正材料的非絕對線彈性，本身塑性在裂縫擴展時可以吸收能量，對強度有利，S塑性能。平面應力：平面應變：（六）實際強度與理論強度比較（七）多孔應力下混凝土的破壞（八）Griffith理論的局限1混凝土的斷裂由許多相互作用的裂縫控制，而非單一裂縫擴展控制；2混凝土非各向同性，裂縫擴展非直線型曲線型；3斷裂韌性不是混凝土的基本材料性能；4粗骨料阻斷了裂縫的擴展。二、混凝土裂縫的擴展（0）研究背景（一）裂縫擴展的測試方法1曲線：斜率開始下降的點，為裂縫出現(xiàn)擴展時刻2利用u曲線：u突然增大的點3應變比法4超聲波法5顯微鏡觀察（二）裂縫擴展的階段1初始裂縫2受力引發(fā)3緩慢擴展階段4裂縫快

43、速擴展不穩(wěn)定裂縫擴展（三）裂縫出現(xiàn)位置1界面2水泥石基體3集料顆粒內(nèi)（四）混凝土的破壞：裂縫發(fā)生、發(fā)展、連續(xù)的過程三、混凝土的強度理論 分子理論 唯象理論 統(tǒng)升理論 模擬理論§154 混凝土的彈性模量0、概述彈性模量（E）：反映了材料的應力應變關系的物理量 彈性體：EC；非彈性體：EC意義：表征結(jié)構(gòu)剛性一、普通混凝土的彈性模量（0）混凝土的非彈性體特征（一）幾種研究方式1初始彈性模量無實際意義2切線彈性模量很小的荷載范圍3割線彈性模量易測定，準確，過程常用4弦線彈性模量消除向上翹的影響（二）動彈性模量1動彈性模量E與彈性模量En不同彈性模量：靜力作用（可逆狀態(tài)）動彈性模量：動力作用（

44、振動等），變荷載2測試：超聲波脈沖聲速3E與En的關系En（1.25E-19）×103MPa（三）彈性模量影響因素因素：試驗條件 水泥石強度 過渡區(qū) 集料彈性模量 趨勢：干濕狀態(tài)E PE 組成及P P及集/灰E 及加快速度E 二、混凝土彈性模量的細觀力學分析（0）混凝土的二相體模型 非連續(xù)相（P）：石子混凝土 連續(xù)相（凝膠） 連續(xù)相（水泥石）連續(xù)相（m）：砂漿 非連續(xù)相非連續(xù)相（砂）（一）并連模型（剛度混合率）FF1F2×SF1×S1 EE1V1V2E2F2×S2（二）串連模型（柔度混合率）12 1V1V2212（三）H irsch模型總體是串列，上部體

45、積：1X，下部體積：X(四)Counto模型連續(xù)介質(zhì)包裹非連續(xù)體：1P較軟，Ep低時，就相當于并列： 2P較硬，就相當于串列： （五）哈欣模型（略）§155 混凝土的徐變一、定義：徐變是材料在長期荷載作用下隨著時間而增加的變形。二、規(guī)律：混凝土的徐變，在加荷早期增加得比較快，然后逐漸減慢，在居千年后則增加很少。在荷載除去后，一部分變形瞬時校復。此瞬時恢復的變形等于混凝土在卸荷時的彈性變形，較在加荷時的小。那些約在若干天內(nèi)能逐漸恢復的變形，稱為徐變恢復。最后殘留下來的不能恢復的變形為殘余變形。恢復性徐變約在加荷后兩個劉礎趨于穩(wěn)定，而非恢復性徐變則在相當反的時間內(nèi)仍繼續(xù)增加。三、相關名詞

46、1基本徐變：混凝土與周圍環(huán)境無水分遷移時的徐變。2干燥徐變：混凝土試件承受荷載時為干燥狀態(tài)。3總徐變：基本徐變干燥徐變4比徐變：施加單位應變時的徐變應變。5徐變系數(shù)：徐變應變與彈性應變的比值。四、與干縮的相似點1均源于水泥漿體2影響干縮的因素影響徐變趨勢一致3應變量大致相同4變形部分可逆五、徐變對工程的影響1內(nèi)力重新分布2預應力損失3大體積混凝土裂縫修復后再生升溫階段：松弛應力后期徐變速率快，可導致產(chǎn)生拉應力4影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性六、成因徐變是凝膠體與水分的遷移造成的。七、影響因素 W/C；集料與集/灰；外加劑與摻和料；尺寸效應；應力狀態(tài)；溫度與濕度§16 混凝土的耐久性§160

47、 概述一、定義：混凝土抵抗周圍環(huán)境介質(zhì)作用而不破壞的能力。二、隨時間的延長，混凝土強度的變化1有利：水泥不斷水化，強度不斷增長2不利：各種腐蝕不斷發(fā)生，強度下降3綜合作用三、耐久性研究意義混凝土結(jié)構(gòu)未達到預期使用年限二破壞四、耐久性不良破壞形式磨蝕（機械磨耗、沖蝕、氣蝕）物理作用（干濕交替，水的滲透、凍融、鹽結(jié)晶）化學作用（化學介質(zhì)侵蝕，混凝土本身：堿骨料反應等）鋼筋銹蝕（大氣中CO2、海水Cl）§161 普通混凝土的抗凍性一、混凝土內(nèi)水的冰點（一）冰點：某一壓力下，水、冰共存的平衡溫度。（二）混凝土內(nèi)冰點的變化1趨勢：降低2原因：混凝土中的水一般都溶有鹽類。根據(jù)稀溶液的性質(zhì)，則其冰

48、點要低于純水時的冰點，冰點的降低值與溶液的濃度成正比；彎液面附壓作用，彎液面蒸汽壓降低，冰點下降。二、凍融破壞機理（一）靜水壓力：水結(jié)冰，體積膨脹，推動未結(jié)冰的水向周圍遷移，遷移不自由，引起的壓力。（二）滲透壓力：1未結(jié)冰的細孔的飽和蒸汽壓大于毛細孔的飽和蒸汽壓，水分遷移；2結(jié)冰后，冰水共存的孔中，鹽濃度上升，小孔水向大孔轉(zhuǎn)移。（三）抗凍性評定1抗凍等級：m損5%；f損25%的凍融循環(huán)次數(shù)。2抗凍耐久性指數(shù) DF=E300/E0 DFEn/E0×300未到300次，E損失達40以上； 式中： E300300次凍融后的動彈性模量；E0未凍時的彈性模量；n次數(shù)三、抗凍性的影響因素集料；水

49、泥品種；強度；W/C；氣泡間距四、提高措施1 合理選擇集料2普通硅酸鹽水泥，如，摻粉煤灰等3控制含氣量及W/C4引氣造成強度的下降，需要調(diào)整配合比降低W/C。§162 普通混凝土的化學侵蝕一、軟水的侵蝕(溶出性侵蝕)1反應：氫氧化鈣溶于水。2條件：流動的水及壓力水作用。3原因：孔隙率大及氫氧化鈣的存在。4原理：溶出性破壞二、鹽類腐蝕1硫酸鹽的腐蝕（在海水、湖水、鹽沼水、地下水、某些工業(yè)污水及流經(jīng)高爐礦渣或煤渣的水中常含鈉、鉀、銨等）（1）反應：硫酸鹽+水泥石中的氫氧化鈣起置換作用生成硫酸鈣。硫酸鈣+水泥石中的固態(tài)水化鋁酸鈣高硫型水化硫鋁酸鈣。 （2）機理：膨脹破壞（3）條件：硫酸根、

50、氫氧化鈣以及水化鋁酸鈣的存在。三者缺一不可。（4）特例：硫酸氨生成氨氣破壞更加劇烈。2鎂鹽的腐蝕（1）反應：MgSO4+Ca(OH)2+ H2O = Ca SO4 ·H2O+ Mg(OH)2MgCl 2+ Ca(OH)2= CaCl2+ Mg(OH)2生成的氫氧化鎂松軟而無膠凝能力，氯化鈣易溶于水，二水石膏則引起硫酸鹽的破壞作用。因此，硫酸鎂對水泥石起鎂鹽和硫酸鹽的雙重腐蝕作用。（2）機理：溶解性和膨脹破壞三、酸類腐蝕1碳酸腐蝕Ca(OH)2十CO2十H 2OCaCO3十2H2O生成的碳酸鈣再與含碳酸的水作用轉(zhuǎn)變成重碳酸鈣，是可逆反應：CaCO3十CO2十H2OCa(HCO3)2生成

51、的重碳酸鈣易溶于水。當水中含有較多的碳酸，并超過平衡濃度，則上式反應向右進行。因此水泥石中的氫氧化鈣，通過轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹艿闹靥妓徕}而溶失。氫氧化鈣濃度降低，還會導致水泥石中其他水化物的分解，使腐蝕作用進一步加劇。2一般酸的腐蝕 HCl十Ca(OH)2CaCl2十2H 2OH2S04十Ca(OH)2CaSO4·2H2O。生成的二水石膏或者直接在水泥石孔隙中結(jié)晶產(chǎn)生膨脹，或者再與水泥石中的水化鋁酸鈣作用，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，其破壞性更大。四、強堿的腐蝕堿類溶液如濃度不大時一般是無害的。但鋁酸鹽含量較高的硅酸鹽水泥遇到強堿(如氫氧化鈉)作用后也會破壞： 氫氧化鈉+鋁酸鹽易溶的鋁酸鈉當水泥石被氫氧化鈉浸透后