建筑材料第4章混凝土Part2

2.2混凝土的強(qiáng)度

混凝土的強(qiáng)度與強(qiáng)度等級

〔１〕抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度等級值①立方體抗壓強(qiáng)度〔fcu〕

按照標(biāo)準(zhǔn)的制作方法制成邊長為150ｍｍ的正立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件〔溫度２０士2°Ｃ，相對濕度95％以上〕下，養(yǎng)護(hù)至28ｄ齡期，按照標(biāo)準(zhǔn)的測定方法測定其抗壓強(qiáng)度值，稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度〞〔以fcu表示,以Ｎ／ｍｍ2即ＭＰa〕

測定混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，也可以按粗骨料最大粒徑的尺寸而選用不同的試件尺寸。但在計(jì)算其抗壓強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)乘以換算系數(shù)，以得到相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)結(jié)果。〔對于邊長為100ｍｍ的立方體試件，換算系數(shù)為0.95；邊長為200ｍｍ的立方體試件，換算系數(shù)為1.05〕。

③強(qiáng)度等級

混凝土的“強(qiáng)度等級〞是根據(jù)“立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值〞來確定的。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)〔GB/T50081——2002〕規(guī)定，普通混凝土按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值劃分為：Ｃ10、Ｃ15、C20、C25、C30、C40、C45、C50、C55等強(qiáng)度等級。(4)混凝土抗彎強(qiáng)度(fcf)

道路路面或機(jī)場跑道用混凝土，是以抗彎強(qiáng)度〔或稱抗折強(qiáng)度〕為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。水泥混凝土的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)是以標(biāo)準(zhǔn)方法制備成150mm×150mm×550mm的梁形試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)２８ｄ后，按三分點(diǎn)加荷，測定其抗彎強(qiáng)度〔fcf〕，按下式計(jì)算：

式中 fcf——混凝土抗彎強(qiáng)度，ＭＰ；

F——破壞荷載，Ｎ；

Ｌ——支座間距，mm；

ｂ——試件截面寬度，mm；

ｈ——試件截面高度，mm；

如為跨中單點(diǎn)加荷得到的抗折強(qiáng)度，按斷裂力學(xué)推導(dǎo)應(yīng)乘以折算系數(shù)0.85。

影響混凝土強(qiáng)度的因素

影響混凝土強(qiáng)度的主要因素有：

〔1〕水泥強(qiáng)度與水灰比

水泥是混凝土中的活性組分，其強(qiáng)度大小直接影響著混凝土強(qiáng)度的上下。在配合比相同的條件下，所用的水泥標(biāo)號越高，制成的混凝土強(qiáng)度也越高。當(dāng)用同一品種同一標(biāo)號的水泥時(shí)，混凝土的強(qiáng)度主要取決于水灰比。因?yàn)樗嗨瘯r(shí)所需的結(jié)合水，一般只占水泥重量的２３％左右，但在拌制混凝土混合物時(shí)，為了獲得必要的流動性，常需用較多的水〔約占水泥重量的４０～７０％〕?；炷劣不螅嘤嗟乃终舭l(fā)或殘存在混凝土中，形成毛細(xì)管、氣孔或水泡，它們減少了混凝土的有效斷面，并可能在受力時(shí)于氣孔或水泡周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使混凝土強(qiáng)度下降。

在保證施工質(zhì)量的條件下，水灰比愈小，混凝土的強(qiáng)度就愈高。但是，如果水灰比太小，拌合物過于干澀，在一定的施工條件下，無法保證澆灌質(zhì)量，混凝土中將出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，也將顯著降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。試驗(yàn)證明，混凝土強(qiáng)度，隨水灰比增大而降低，呈曲線關(guān)系，而混凝土強(qiáng)度與灰水比呈直線關(guān)系〔圖4－3〕。

圖4－3混凝土強(qiáng)度與水灰比及灰水比的關(guān)系

〔ａ〕強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系；〔ｂ〕強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系水泥石與骨料的粘結(jié)情況與骨料種類和骨料外表性質(zhì)有關(guān)，外表粗糙的碎石比外表光滑的卵石〔礫石〕的粘結(jié)力大，硅質(zhì)集料與鈣質(zhì)集料也有分別。在其他條件相同的情況下，碎石混凝土的強(qiáng)度比卵石混凝土的強(qiáng)度高。

根據(jù)大量試驗(yàn)建立的混凝土強(qiáng)度公式：

式中fcu,0——混凝土28天抗壓強(qiáng)度,ＭＰa；

fce——水泥的實(shí)際強(qiáng)度,ＭＰa；

Ｃ／Ｗ——灰水比；

Ｃ——每立方米混凝土中水泥用量,kg;

ｗ——每立方米混凝土中用水量,kg。

αa,αb為回歸系數(shù)，與骨料品種、水泥品種有關(guān)，其數(shù)值可通過試驗(yàn)求得。?普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程?〔JGJ55—2000〕提供的αa、αb經(jīng)驗(yàn)值為：

采用碎石：αa=0.46 αb＝0.07

采用卵石：αa=0.48 αb=0.33〔2〕養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度

混凝土強(qiáng)度的增長，是水泥的水化、凝結(jié)和硬化的過程，必須在一定的溫度和濕度條件下進(jìn)行。在保證足夠濕度情況下，不同養(yǎng)護(hù)溫度，其結(jié)果也不相同。溫度高，水泥凝結(jié)硬化速度快，早期強(qiáng)度高，所以在混凝土制品廠常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方法提高構(gòu)件的早期強(qiáng)度，以提高模板和場地周轉(zhuǎn)率。低溫時(shí)水泥混凝土硬化比較緩慢，當(dāng)溫度低至0°Ｃ以下時(shí)，硬化不但停止，且具有冰凍破壞的危險(xiǎn)。水泥的水化必須在有水的條件下進(jìn)行，因此，混凝土澆筑完畢后，必須加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，保持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸?，以保證混凝土不斷地凝結(jié)硬化。(3)齡期

在正常養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度的增長遵循水泥水化歷程規(guī)律，即隨著齡期時(shí)間的延長，強(qiáng)度也隨之增長。最初７～１４ｄ內(nèi)，強(qiáng)度增長較快，２８ｄ以后增長較慢。但只要溫濕度適宜，其強(qiáng)度仍隨齡期增長。

普通水泥制成的混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，其強(qiáng)度的開展，大致與其齡期的對數(shù)成正比〔齡期不小于三天〕式中 fn——nd齡期混凝土的抗壓程度,MPa；

ｆ28——28ｄ齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度,MPa；

lgｎ、lg28——ｎ〔ｎ不小于3〕和28的常用對數(shù)。實(shí)際工程中利用混凝土的成熟度來估算混凝土強(qiáng)度也是一種有效的方法?；炷恋某墒於仁侵富炷了?jīng)歷的時(shí)間和溫度的乘積的總和，單位為h·℃。當(dāng)混凝土的初始溫度在某一范圍內(nèi)，并且在所經(jīng)歷的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生枯燥失水的情況下，混凝土強(qiáng)度和成熟度的對數(shù)成線性關(guān)系。

〔4〕施工質(zhì)量

施工質(zhì)量的好壞對混凝土強(qiáng)度有非常重要的影響。施工質(zhì)量包括配料準(zhǔn)確，攪拌均勻，振搗密實(shí)，養(yǎng)護(hù)適宜等。任何一道工序無視了標(biāo)準(zhǔn)管理和操作，都會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低。

(5)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件對混凝土強(qiáng)度的測定也有直接影響。如試件尺寸，外表的平整度，加荷速度以及溫濕度等，測定時(shí)，要嚴(yán)格遵照試驗(yàn)規(guī)程的要求進(jìn)行，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。提高混凝土強(qiáng)度的措施

〔1〕選用高強(qiáng)度水泥和低水灰比

水泥是混凝土中的活性組分，在相同的配合比情況下，所用水泥的強(qiáng)度等級越高，混凝土的強(qiáng)度越高。水灰比是影響混凝土程度的重要因素，試驗(yàn)證明，水灰比增加１％，那么混凝土強(qiáng)度將下降５％，在滿足施工和易性和混凝土耐久性要求條件下，盡可能降低水灰比和提高水泥強(qiáng)度，這對提高混凝土的強(qiáng)度是十分有效的。

〔2〕摻用混凝土外加劑

在混凝土中摻入減水劑，可減少用水量，提高混凝土強(qiáng)度；摻入早強(qiáng)劑，可提高混凝土的早期強(qiáng)度。在混凝土中摻入礦物外加劑〔如磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰、沸石粉等〕，可以節(jié)約水泥，降低本錢；減少環(huán)境污染，改善混凝土諸多性能。〔3〕采用機(jī)械攪拌和機(jī)械振動成型。

采用機(jī)械攪拌、機(jī)械振搗的混合料，可使混凝土混合料的顆粒產(chǎn)生振動，降低水泥漿的粘度和骨料的摩擦力，使混凝土拌合物轉(zhuǎn)入液體狀態(tài)，在滿足施工和易性要求條件下，可減少拌合用水量，降低水灰比。同時(shí)，混凝土混合物被振搗后，它的顆?；ハ嗫拷?，并把空氣排出，使混凝土內(nèi)部孔隙大大減少，從而使混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度大大提高。

〔4〕采用濕熱處理

濕熱處理可分為蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)兩類。蒸汽養(yǎng)護(hù)就是將成型后的混凝土制品放在100℃以下的常壓蒸汽中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。以加快混凝土強(qiáng)度開展的速度?；炷两?jīng)16～20ｈ的蒸汽養(yǎng)護(hù)后，其強(qiáng)度即可到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28ｄ強(qiáng)度的70％～80％。

蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土在175℃溫度和８個(gè)大氣壓的蒸壓釜中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。主要適用于硅酸鹽混凝土拌合物及其制品。2.3.混凝土的變形性能

引起混凝土變形的因素很多，歸納起來有兩類：非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形2.3.1混凝土在非荷載作用下的變形

〔1〕化學(xué)收縮

混凝土在硬化過程中，由于水泥水化產(chǎn)物的體積小于反響物〔水和水泥〕的體積，引起混凝土產(chǎn)生收縮，稱為化學(xué)收縮。其收縮量是隨著混凝土齡期的延長而增加，大致與時(shí)間的對數(shù)成正比一般在混凝土成型后40ｄ內(nèi)收縮量增加較快，以后逐漸趨向穩(wěn)定?；瘜W(xué)收縮是不可恢復(fù)的，可使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微細(xì)裂縫。

〔2〕塑性收縮

混凝土成型后尚未凝結(jié)硬化時(shí)屬塑性階段，在此階段往往由于外表失水而產(chǎn)生收縮稱為塑性收縮。新拌混凝土假設(shè)外表失水速率超過內(nèi)部水向外表遷移的速率時(shí)，會造成毛細(xì)管內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，因而使?jié){體中固體粒子間產(chǎn)生一定引力，便產(chǎn)生了收縮，如果引力不均勻作用于混凝土外表，那么外表將產(chǎn)生裂紋。

預(yù)防塑性收縮開裂的方法是降低混凝土外表失水速率，采取防風(fēng)、降溫等措施。最有效的方法是凝結(jié)硬化前保持混凝土外表的濕潤，如在外表覆蓋塑料膜、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等。

〔3〕干濕變形

混凝土的干濕變形主要取決于周圍環(huán)境濕度的變化，表現(xiàn)為干縮濕脹?；炷猎诳菰锟諝庵写娣艜r(shí)，混凝土內(nèi)部吸附水分蒸發(fā)而引起凝膠體失水產(chǎn)生緊縮，以及毛細(xì)管內(nèi)游離水分蒸發(fā)，毛細(xì)管內(nèi)負(fù)壓增大，也使混凝土產(chǎn)生收縮。如干縮后的混凝土再次吸水變濕后，一局部干縮變形是可以恢復(fù)的。

混凝土在水中硬化時(shí)，體積不變，甚至有輕微膨脹。這是由于凝膠體中膠體粒子的吸附水膜增厚，膠體粒子間距離增大所致。

〔4〕溫度變形

混凝土與其他材料一樣，也具有熱脹冷縮的性質(zhì)，混凝土的熱脹冷縮的變形，稱為溫度變形。混凝土溫度膨脹系數(shù)約為1×10-5，即溫度升高1℃，每m膨脹0.01ｍｍ。

溫度變形對大體積混凝土極為不利?；炷猎谟不跗?，水泥水化放出較多的熱量，而混凝土是熱的不良導(dǎo)體，散熱很慢，使混凝土內(nèi)部溫度升高，但外部混凝土溫度那么隨氣溫下降，致使內(nèi)外溫差達(dá)50～70℃，造成內(nèi)部膨脹及外部收縮，使外部混凝土產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)使混凝土產(chǎn)生裂縫。因此，對大體積混凝土工程，應(yīng)設(shè)法降低混凝土的發(fā)熱量，如采用低熱水泥，減少水泥用量，采用人工降溫措施以及對表層混凝土加強(qiáng)保溫保濕等，以減小內(nèi)外溫差，防止裂縫的產(chǎn)生和開展。

對縱向長度較大的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮混凝土溫度變形所產(chǎn)生的危害，每隔一段長度應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫，以及在結(jié)構(gòu)內(nèi)配置溫度鋼筋。

當(dāng)用混凝土立方體試件進(jìn)行單軸靜力受壓試驗(yàn)時(shí)，混凝土的荷載變形曲線如圖4-4所示，通過顯微觀察所查明的混凝土破壞過程各階段的裂縫狀態(tài)如圖4-5所示。圖4-4混凝土的荷載變形曲線混凝土的受壓破壞開展過程及各階段情況如下：Ｉ階段：荷載到達(dá)“比例極限〞〔約為極限荷載的３０％〕以前、界面裂縫無明顯變化，荷載與變形比較接近直線關(guān)系〔圖中曲線ＯＡ段〕II階段：荷載超過“比例極限〞以后，界面裂縫的數(shù)量、長度和寬度都不斷增大，界面借摩阻力繼續(xù)承擔(dān)荷載，但尚無明顯的砂漿裂縫。此時(shí)，變形增大的速度超過荷載增大的速度，荷載與變形之間不再為線性關(guān)系〔圖中曲線ＡＢ殷〕。

III階段：荷載超過“臨界荷載〞〔約為極限荷載的７０～９０％〕以后，界面裂縫繼續(xù)開展，開始出現(xiàn)砂漿裂縫，并將鄰近的界面裂縫連接起來成為連續(xù)裂縫。此時(shí)，變形增大的速度進(jìn)一步加快，荷載一變形曲線明顯地彎向變形軸方向〔圖中曲線ＢＣ段〕。IV階段：荷載超過極限荷載以后，連續(xù)裂縫急速開展，此時(shí)，混凝土的承載能力下降，荷載減小而變形迅速增大，以至完全破壞，荷載一變形曲線逐漸下降而最后結(jié)束〔圖中曲線ＣＤ段〕。圖4-5混凝土不同受力破壞階段的裂縫狀態(tài)示意圖由此可見，荷載與變形的關(guān)系，是內(nèi)部微裂縫開展規(guī)律的表達(dá)?；炷猎谕饬ψ饔孟碌淖冃魏推茐倪^程，也就是內(nèi)部裂縫的發(fā)生和開展過程，它是一個(gè)從量變開展到質(zhì)變的過程。

〔２〕彈性模量

彈性模量是反響應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的物理量，由于混凝土是彈塑性體，隨荷載不同，應(yīng)力與應(yīng)變之間的比值成為一個(gè)變量，也就是說混凝土的彈性模量不是定值。

按我國GBJ81一85的規(guī)定，混凝上彈性模量的測定，是采用150ｍｍ×150ｍｍ×300mm的棱柱體試件，取其軸心抗壓強(qiáng)度值