混凝土強(qiáng)度課件

第四節(jié)混凝土的強(qiáng)度強(qiáng)度是混凝土硬化后的主要力學(xué)性能，并且與其他性質(zhì)關(guān)系密切。按照我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBJ81—1985)規(guī)定，混凝土強(qiáng)度有立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度等。其中以抗壓強(qiáng)度最大，抗拉強(qiáng)度最小(約為抗壓強(qiáng)度的1／10～1／20)，因此結(jié)構(gòu)工程中混凝土主要用于承受壓力。一、混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與強(qiáng)度等級(jí)1.立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度，是指其標(biāo)準(zhǔn)試件在壓力作用下直到破壞時(shí)單位面積所能承受的最大壓力?；炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件常以抗壓強(qiáng)度為主要設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBJ81—1985)制作150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度20°C±3℃，相對(duì)濕度90％以上)下，養(yǎng)護(hù)到28d齡期，所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱立方體抗壓強(qiáng)度)，以fcu表示采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定其強(qiáng)度是為了使混凝土的質(zhì)量有對(duì)比性，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土配合比設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)定的重要數(shù)據(jù)。2．強(qiáng)度等級(jí)

為了正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制工程質(zhì)量，根據(jù)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(以fcu，k表示)，將混凝土劃分不同的強(qiáng)度等級(jí)。混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，系指按標(biāo)準(zhǔn)方法制作和養(yǎng)護(hù)的立方體試件，在28d齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度總體分布中的一個(gè)值，強(qiáng)度低于該值的百分率不超過5％(即具有強(qiáng)度保證率為95％的立方體抗壓強(qiáng)度)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用符號(hào)C與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(以N／mm2即MPa計(jì))表示，共劃分成C7．5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75及C80共16個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。例如，C40表示混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k=40MPa。二、混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度(fcp)

確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用立方體試件，但實(shí)際工程中鋼筋混凝土構(gòu)件形式極少是立方體的，大部分是棱柱體形或圓柱體形。為了使測(cè)得的混凝土強(qiáng)度接近于混凝土構(gòu)件的實(shí)際情況，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算中，計(jì)算軸心受壓構(gòu)件(例如柱子、桁架的腹桿等)時(shí)，都采用混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fcp作為設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GBJ81)的規(guī)定，軸心抗壓強(qiáng)度采用150mm×150mm×300mm的棱柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，如有必要，也可采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的棱柱體試件，但其高寬比h/a)應(yīng)在2～3的范圍。軸心抗壓強(qiáng)度值fcp比同截面的立方體抗壓強(qiáng)度值fcu小，棱柱體試件高寬比(h/a)越大，軸心抗壓強(qiáng)度越小，但當(dāng)h／a達(dá)到一定值后，強(qiáng)度不再降低。在立方體抗壓強(qiáng)度fcu為10～55MPa范圍內(nèi)時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度fcp≈(0.7-0.8)fcu。

三、混凝土的抗拉強(qiáng)度(fts)混凝土的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1／10～1／20，并且這個(gè)比值隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而降低。由于混凝土受拉時(shí)呈脆性斷裂，破壞時(shí)無明顯殘余應(yīng)變，故在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不考慮混凝土承受拉力，而是在混凝土中配以鋼筋，由鋼筋來承受結(jié)構(gòu)中的拉力。但混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)于混凝土抗裂性具有重要作用，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定混凝土抗裂度的主要指標(biāo)，有時(shí)也用它來間接衡量混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度，并預(yù)測(cè)由于干濕變化和溫度變化而產(chǎn)生裂縫的情況。劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：fts=2P/πA=0.637P/A式中fts——混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度(MPa)；P一破壞荷載(N)；A——試件劈裂面積(mm2)。試驗(yàn)證明，在相同條件下，混凝土用軸拉法測(cè)得的抗拉強(qiáng)度，較用劈裂法測(cè)得的劈裂抗拉強(qiáng)度略小。二者比例約為0．9。混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)之間的關(guān)系，可用經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)如下fts=O．35(fcu)?圖4—8劈裂試驗(yàn)時(shí)垂直于受力面的應(yīng)力分布目前，還沒有一種較適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確測(cè)定混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度，為了對(duì)比不同混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTMC234)提出了一種拔出試驗(yàn)方法?；炷猎嚰檫呴L(zhǎng)150mm的立方體，其中埋入?19mm的標(biāo)準(zhǔn)變形鋼筋，試驗(yàn)時(shí)以不超過34MPa／min的加荷速度對(duì)鋼筋施加壓力，直到鋼筋發(fā)生屈服，或混凝土裂開，或加荷端鋼筋滑移超過2．5mm。記錄出現(xiàn)上述三種中任一情況時(shí)的荷載值P，用下式計(jì)算混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度：fN=P/πdl式中fN——粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)；d——鋼筋直徑(mm)；L——鋼筋埋入混凝土中的長(zhǎng)度(mm)；P——測(cè)定的荷載值(N)。

1．水灰比

水泥強(qiáng)度等級(jí)和水灰比是決定混凝土強(qiáng)度最主要的因素。也是決定性因素。水泥是混凝土中的活性組成，在水灰比不變時(shí)，水泥強(qiáng)度等級(jí)愈高，則硬化水泥石的強(qiáng)度愈大，對(duì)骨料的膠結(jié)力就愈強(qiáng)，配制成的混凝土強(qiáng)度也就愈高。如常用的塑性混凝土，其水灰比均在0．4～0．8之間。當(dāng)混凝土硬化后，多余的水分就殘留在混凝土中或蒸發(fā)后形成氣孔或通道，大大減小了混凝土抵抗荷載的有效斷面，而且可能在孔隙周圍引起應(yīng)力集中。因此，在水泥強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下，水灰比愈小，水泥石的強(qiáng)度愈高，與骨料粘結(jié)力愈大，混凝土強(qiáng)度也愈高。但是，如果水灰比過小，拌合物過于干稠，在一定的施工振搗條件下，混凝土不能被振搗密實(shí)，出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重下降。參見圖4—9。根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，可建立如下的混凝土強(qiáng)度與水灰比、水泥強(qiáng)度等因素之間的線性經(jīng)驗(yàn)公式Fcu=αafce(C/W-αb)式中fcU--混凝土28d齡期的抗壓強(qiáng)度(MPa)；

c----1m3混凝土中水泥用量(kG)；

W----1m3混凝土中水的用量(kg)；fce——水泥的實(shí)際強(qiáng)度(MPa)，水泥廠為保證水泥出廠強(qiáng)度，所生產(chǎn)水泥的實(shí)際強(qiáng)度要高于其強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值(fce,k)，在無法取得水泥實(shí)際強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)，可用式fce=fce,k代入，其中γc為水泥強(qiáng)度值的富余系數(shù)，根據(jù)各地區(qū)統(tǒng)計(jì)資料取得；αa,αb——回歸系數(shù)，與骨料品種及水泥品種等因素有關(guān)，其數(shù)值通過試驗(yàn)求得，若無試驗(yàn)資料，則可按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ／T55—2000)提供的αa、αb系數(shù)取用：碎石αa=0．46，αb=0．07；卵石αa=O．48，αb=0．33。以上的經(jīng)驗(yàn)公式，一般只適用于流動(dòng)性混凝土及低流動(dòng)性混凝土，對(duì)于干硬性混凝土則不適用，利用混凝土強(qiáng)度公式，可根據(jù)所用的水泥強(qiáng)度和水灰比來估計(jì)所配制混凝土的強(qiáng)度，也可根據(jù)水泥強(qiáng)度和要求的混凝土強(qiáng)度等級(jí)來計(jì)算應(yīng)采用的水灰比。2．骨料的影響

當(dāng)骨料級(jí)配良好、砂率適當(dāng)時(shí)，由于組成了堅(jiān)強(qiáng)密實(shí)的骨架，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。如果混凝土骨料中有害雜質(zhì)較多，品質(zhì)低，級(jí)配不好時(shí)，會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。由于碎石表面粗糙有棱角，提高了骨料與水泥砂漿之間的機(jī)械嚙合力和粘結(jié)力，所以在原材料、坍落度相同的條件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石拌制的混凝土的強(qiáng)度要高。

骨料的強(qiáng)度影響混凝土的強(qiáng)度。一般骨料強(qiáng)度越高，所配制的混凝土強(qiáng)度越高，這在低水灰比和配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r，特別明顯。骨料粒形以三維長(zhǎng)度相等或相近的球形或立方體形為好，若含有較多扁平或細(xì)長(zhǎng)的顆粒，會(huì)增加混凝土的孔隙率，擴(kuò)大混凝土中骨料的表面積，增加混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

3．養(yǎng)護(hù)溫度及濕度的影響

混凝土強(qiáng)度是一個(gè)漸進(jìn)發(fā)展的過程，其發(fā)展的程度和速度取決于水泥的水化狀況，而溫度和濕度是影響水泥水化速度和程度的重要因素。因此，混凝土成型后，必須在一定時(shí)間內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臏囟群妥銐虻臐穸?，以使水泥充分水化，這就是混凝土的養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度高，水泥水化速度加快，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展也快；反之，在低溫下混凝土強(qiáng)度發(fā)展遲緩，如圖4—10所示。當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí)，則由于混凝土中的水分大部分結(jié)冰，不但水泥停止水化，強(qiáng)度停止發(fā)展，而且由于混凝土孔隙中的水結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹(約9％)，而對(duì)孔壁產(chǎn)生相當(dāng)大的壓應(yīng)力(可達(dá)100MPa)，從而使硬化中的混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致混凝土已獲得的強(qiáng)度受到損失。圖4一10養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響圖4—11為潮濕養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。水泥水化不充分，水化作用未完成，還會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)疏松，形成干縮裂縫，增大滲水性，從而影響混凝土的耐久性。為此，施工規(guī)范規(guī)定，在混凝土澆筑成型后，必須保證足夠的濕度，應(yīng)在12h內(nèi)進(jìn)行覆蓋，以防止水分蒸發(fā)。在夏季施工的混凝土，要特別注意澆水保濕。使用硅酸鹽水泥、普通水泥和礦渣水泥時(shí)，澆水保濕應(yīng)不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中摻用緩凝型外加劑或混凝土有抗?jié)B要求時(shí)，保濕養(yǎng)護(hù)應(yīng)不少于14d。圖4一11混凝土強(qiáng)度與保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系Fn/f28=lgn/lg28式中fn——nd齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度(MPa)；f28----28d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度(MPa)；n----養(yǎng)護(hù)齡期(d)，n≥3。根據(jù)上式；可以由所測(cè)混凝土的早期強(qiáng)度，估算其28d齡期的強(qiáng)度?；蛘撸捎苫炷恋?8d強(qiáng)度，推算28d前混凝土達(dá)到某一強(qiáng)度需要養(yǎng)護(hù)的天數(shù)，來確定混凝土拆模、構(gòu)件起吊、放松預(yù)應(yīng)力鋼筋、制品養(yǎng)護(hù)、出廠等日期。但由于影響強(qiáng)度的因素很多，故按此式計(jì)算的結(jié)果只能作為參考。5．試驗(yàn)條件混凝土強(qiáng)度測(cè)定值的影響。·試驗(yàn)條件是指試件的尺寸、形狀、表面狀態(tài)及加荷速度等。試驗(yàn)條件不同，會(huì)影響混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)值。(1)試件尺寸相同的混凝土試件尺寸越小，測(cè)得的強(qiáng)度越高。試件尺寸影響強(qiáng)度的主要原因是，當(dāng)試件尺寸大時(shí)，內(nèi)部孔隙、缺陷等出現(xiàn)的幾率也大，導(dǎo)致有效受力面積減小及應(yīng)力集中，從而引起強(qiáng)度的降低。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用150mm×150mm×150mm的立方體試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件，‘當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)的其他尺寸試件時(shí)，所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度應(yīng)乘以表4—17所列的換算系數(shù)。表4一17混凝土試件不同尺寸的強(qiáng)度換算系數(shù)因此，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，混凝土抗壓強(qiáng)度的加荷速度為0．3～0．8MPa／s，且應(yīng)連續(xù)均勻地進(jìn)行加荷。圖4—12壓力機(jī)壓板對(duì)試件的約束作用圖4—13試件破壞后殘存的棱錐體圖4—14不受壓板約束時(shí)試件的破壞情況

六、提高混凝土強(qiáng)度的措施

1．采用高強(qiáng)度等級(jí)水泥或早強(qiáng)型水泥在混凝土配合比相同的情況下，水泥的強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土的強(qiáng)度越高。采用早強(qiáng)型水泥可提高混凝土的早期強(qiáng)度，有利于加快施工進(jìn)度。2．采用低水灰比的干硬性混凝土低水灰比的干硬性混凝土拌合物游離水分少，硬化后留下的孔隙少，混凝土密實(shí)度高，強(qiáng)度可顯著提高。因此，降低水灰比是提高混凝土強(qiáng)度的最有效途徑。但水灰比過小，將影響拌合物的流動(dòng)性，造成施工困難，一般采取同時(shí)摻加減水劑的方法，使混凝土在低水灰比下，仍具有良好的和易性。4．采用機(jī)械攪拌合振搗

機(jī)械攪拌比人工拌合能使混凝土拌合物更均勻，特別是在拌合低流動(dòng)性混凝土拌合物時(shí)效果顯著。采用機(jī)械振搗，可使混凝土拌合物的顆粒產(chǎn)生振動(dòng)，暫時(shí)破壞水泥漿體的凝聚結(jié)構(gòu)，從而降低水泥漿的粘度和骨料間的摩擦阻力，提高混凝土拌合物的流動(dòng)性，使混凝土拌合物能很好地充滿模型，混凝土內(nèi)部孔隙大大減少，從而使密實(shí)度和強(qiáng)度大大提高，如圖4—15