五、混凝土的力學(xué)性能

1、四、混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)Physical and Mechanical Properties of Hardened Concrete主要內(nèi)容 v強(qiáng)度 包括抗壓、抗拉和握裹強(qiáng)度等。v尺寸穩(wěn)定性 包括彈塑性、徐變、體積變形等。(一) 混凝土的強(qiáng)度 Strength of Concretev幾個基本概念v混凝土受壓破壞機(jī)理 v決定混凝土強(qiáng)度的內(nèi)在因素 v混凝土強(qiáng)度的影響因素混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的重要性v在混凝土設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制中，一般以強(qiáng)度作為評價的性能。（有其缺陷性）強(qiáng)度是土木工程結(jié)構(gòu)對材料的基本要求；混凝土的其它難以直接測量的主要性能，如彈性模量、抗水性、抗?jié)B性、耐久性都與強(qiáng)度有直接關(guān)系，所以，可以由

2、強(qiáng)度數(shù)據(jù)推斷推斷出其它性能的好壞；與其它許多性能相比，強(qiáng)度試驗(yàn)比較簡單直觀，通過制作試件，對其進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測得的試件破壞時所能承受的最大內(nèi)應(yīng)力，即可計(jì)算得出混凝土的強(qiáng)度。三問？v混凝土受力破壞機(jī)理破壞機(jī)理是什么？What ?v混凝土強(qiáng)度有哪些影響因素？Which ?v如何使混凝土獲得所需要的強(qiáng)度？How ?1、混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)v混凝土的強(qiáng)度是通過對試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的。v混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)有：抗壓試驗(yàn)l單軸受壓 混凝土受單方向壓力作用,工程中采用的強(qiáng)度一般是單軸抗壓強(qiáng)度；l多軸向受壓 混凝土受多方向壓應(yīng)力作用抗拉試驗(yàn)l直接拉伸試驗(yàn)l劈裂試驗(yàn)l抗彎試驗(yàn)(1) (1) 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)v混凝土試件幾何

3、形狀有立方體、棱柱體和圓柱體，我國以立方體試件為主；立方體試件的邊長有100mm、150mm、200mm三種；當(dāng)混凝土中骨料的Dmax20mm 時，可采用100mm立方體；當(dāng)混凝土中骨料的Dmax40mm 時，可采用150mm立方體或200mm。v試件的養(yǎng)護(hù)條件標(biāo)準(zhǔn)條件： 202C，相對濕度95%；工程現(xiàn)場條件。PPPP混凝土抗壓強(qiáng)度的幾個基本概念v立方體抗壓強(qiáng)度v立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值v強(qiáng)度等級v實(shí)際強(qiáng)度國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2002規(guī)定：制作邊長為規(guī)定：制作邊長為150mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件(20 2 C，相對濕度相對濕度95%)下，養(yǎng)護(hù)到下，養(yǎng)護(hù)到2

4、8天齡期，測得天齡期，測得的抗壓強(qiáng)度值稱為的抗壓強(qiáng)度值稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以，以“fcu”表示。表示。 用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的一組若干個立方體抗用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的一組若干個立方體抗壓強(qiáng)度值的總體分布中的某一個值，低于該值壓強(qiáng)度值的總體分布中的某一個值，低于該值的百分率不超過的百分率不超過5%，該抗壓強(qiáng)度值稱為，該抗壓強(qiáng)度值稱為立方立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。以。以“fcu,k”表示表示 根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)劃分的等級，劃分的等級，以符號以符號C+混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)表示。普通表示

5、。普通混凝土混凝土14個強(qiáng)度等級個強(qiáng)度等級 將試件在實(shí)際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)將試件在實(shí)際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)28天，測得的立天，測得的立方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗(yàn)收依據(jù)。方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗(yàn)收依據(jù)。v軸心抗壓強(qiáng)度國家規(guī)范規(guī)定：用尺寸為150 mm 150 mm 300mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，按規(guī)定方法成型、標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，測得的抗壓強(qiáng)度為軸心抗壓強(qiáng)度，以fcp表示；工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)；軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系： fcp = (0.70.8)fcu換算系數(shù)與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，系數(shù)越小。C15、C20、C25、C30、C35、C40、C4

6、5、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80如何求得立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的？例如：一組試件的立方體抗壓強(qiáng)度值分別為32.1, 37.5, 35.1, 38.2, 40.2 , 29.5, 43.1, 42.3, 40.6, 30.2, 32.5, 37.4, 38.1, 37.4, 36.4, 33.8, 35.8, 36.2, 37.9, 39.2(MPa) ，共有20個數(shù)據(jù)。 用比較法可得：其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是30.2MPa； 因?yàn)?0個數(shù)據(jù)中，小于30.2MPa的只有一個29.5MPa，百分率為5。(2) 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)v直接軸心抗拉試驗(yàn)很困難荷載作用線難以與試件軸線保持重合，

7、發(fā)生偏心；難以保證試件在受拉區(qū)斷裂。v劈裂抗拉試驗(yàn)試件：邊長為150mm的立方體試件或圓柱體試件原理：在試件的相對的表面素線上作用均勻分布的壓應(yīng)力，從而在豎向平面內(nèi)產(chǎn)生均勻拉伸應(yīng)力v四點(diǎn)彎拉試驗(yàn)試件：150150600(或550)mm3的梁式試件按三分點(diǎn)加荷進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，在試件下方產(chǎn)生拉伸應(yīng)力PPfd = P/A橫截面積為A軸心直拉試驗(yàn)Tension Testing混凝土受拉伸 直拉試驗(yàn) 劈裂抗拉 四點(diǎn)彎曲拉伸單軸拉伸作用下混凝土的行為 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量和泊松比均與單軸受壓作用條件下的類似，但是因?yàn)樵谶@種應(yīng)力狀態(tài)下抑制裂縫發(fā)展的可能性小得多，裂縫從擴(kuò)展開始到失穩(wěn)的過程短暫，呈現(xiàn)

8、十分明顯的脆性斷裂。 劈裂抗拉試驗(yàn) Splitting Testfs 劈拉強(qiáng)度計(jì)算：fts = 2P/ a2 = 0.637( (P/ a2) ) a：立方體試件的邊長 ;150 mm 150 mm 150mm的立方體試件PPa受 拉fs彎拉試驗(yàn) Flexural Test/Modules of RuptureP L/3 L/3 L/3 fb拉 壓v用尺寸為150 mm 150 mm 550mm的梁式試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，采用三分點(diǎn)加荷方式試驗(yàn)，直至試件斷裂。v根據(jù)材料力學(xué)理論合線彈性應(yīng)力應(yīng)變分析，試件斷裂是的最大拉伸應(yīng)力為： fb = PL / bd2 (bd= 試件的截面積) 稱為斷

9、裂模量 modulus of rupture2、混凝土受壓破壞機(jī)理 v混凝土受壓破壞過程 是內(nèi)部裂縫的發(fā)生、擴(kuò)展直致連通的過程，也是混凝土內(nèi)部固體相結(jié)構(gòu)從連續(xù)到不連續(xù)的發(fā)展過程。v受力狀態(tài)：由于粗骨料的強(qiáng)度和彈性模量大于水泥石的，在混凝土承受單向受壓時，使骨料的上下兩面產(chǎn)生壓應(yīng)力；而在骨料側(cè)面則產(chǎn)生拉應(yīng)力；由于力的傳遞在骨料的上下面形成一鍥形，因而在契形兩側(cè)的水泥石還受到剪應(yīng)力，而在裂縫的尖端會產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中?；炷猎嚰軌簳r內(nèi)部裂縫擴(kuò)展情形混凝土受壓破壞的三種形式 v骨料強(qiáng)度小于水泥石強(qiáng)度，則骨料劈裂破壞； v水泥石發(fā)生拉伸或剪切破壞； v水泥石與骨料的界面之間的粘結(jié)破壞。 普通混凝土普

10、通混凝土剪切粘結(jié)破壞混凝土試件單軸受壓v裂縫的擴(kuò)展 混凝土抗拉強(qiáng)度較低，而裂縫尖端的應(yīng)力集中和受拉區(qū)所受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫在較低的壓應(yīng)力水平下擴(kuò)展和產(chǎn)生。v原始裂縫存在的原因：水泥水化收縮導(dǎo)致骨料與水泥石之間和水泥石內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫； 由于水泥石與粗骨料的彈性模量的差異，溫濕度的變化而導(dǎo)致產(chǎn)生界面微裂縫； 混凝土拌和物的泌水現(xiàn)象，導(dǎo)致骨料下部形成水囊，干燥后即為界面裂縫。v混凝土內(nèi)部界面區(qū)對于混凝土受壓破壞很重要混凝土受壓破壞機(jī)理a. 受壓破壞，或者在較低應(yīng)力水平上拉伸破壞，都是因?yàn)槎嗔芽p的相互作用所導(dǎo)致，而不是單一裂縫擴(kuò)展的結(jié)果；b. 硬化水泥漿或混凝土中裂縫的擴(kuò)展不沿直線，

11、而是繞過水泥石或骨料顆粒邊緣，沿著彎曲的路徑延伸，在此過程裂縫發(fā)生畸變與挫鈍。c. 混凝土是硬化水泥漿、過渡區(qū)和骨料的復(fù)合體，三者各有其本身的斷裂韌性(Kc)，很難測定。美國混凝土學(xué)會美國混凝土學(xué)會混凝土中的界面過渡區(qū)v研究混凝土的力學(xué)行為，將混凝土材料作為三相復(fù)合體是很有幫助的:硬化水泥漿水泥石骨料界面過渡區(qū) (TZ ) v過渡區(qū)特征過渡區(qū)以厚度約為10-15 m的薄殼存在于粗骨料的周圍；過渡區(qū)比混凝土中其它兩相硬化水泥漿和骨料都弱，是混凝土中最薄弱的組份，所以雖然尺寸小，但對混凝土的力學(xué)行為影響很大；在混凝土澆灌好后，在粗骨料周圍形成一層水膜，導(dǎo)致粗骨料周圍的水灰比大于整體水泥漿，所以界面

12、過渡區(qū)多孔，且鈣礬石和羥鈣石都呈取向性大晶體顆粒?；炷吝^渡區(qū)結(jié)構(gòu)骨 料C-S-H鈣礬石CH裂縫擴(kuò)展的路徑和方向骨 料水泥石骨料周圍的界面區(qū)普通混凝土的微結(jié)構(gòu)裂縫沿界面區(qū)擴(kuò)展過渡區(qū)的重要性v為什么?混凝土在受拉是脆性的，而受壓時又相當(dāng)強(qiáng)韌；混凝土的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/20；在水灰比相同時，砂漿的強(qiáng)度大于混凝土的強(qiáng)度；硬化水泥漿和骨料是彈性體，而混凝土不是；在相同水灰比時，砂漿的滲透性只有混凝土的1/100。過過 渡渡 區(qū)區(qū)v過渡區(qū)是“鏈的最薄弱環(huán)節(jié)”，一般認(rèn)為是混凝土強(qiáng)度的“限制相”；v改善過渡區(qū)的措施：低水灰比（w/c ）摻加超細(xì)礦物摻合料(很大比表面積) 選用骨料的種類 混凝土、砂漿

13、和水泥漿體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線3、混凝土強(qiáng)度的影響因素 混凝土的強(qiáng)度fc隨著齡期和養(yǎng)護(hù)不斷增長，主要有三方面的影響因素：組成材料的特性與配合比（內(nèi)在因素）澆灌與養(yǎng)護(hù)條件（溫濕度、時間）生產(chǎn)工藝與條件此外，強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)影響到測試值。分析和掌握的思路： 材料的強(qiáng)度與其組成、結(jié)構(gòu)密切有關(guān) 組成影響因素：水泥、骨料和水及其特性與摻量； 結(jié)構(gòu)影響因素：組成材料及其分布、生產(chǎn)工藝與條件、澆灌與養(yǎng)護(hù)制度等。水泥品種齡期養(yǎng)護(hù)條件外加劑水化度水灰比凝膠結(jié)構(gòu)與組成孔隙率含水量水泥石強(qiáng)度骨料質(zhì)量表面特征化學(xué)組成骨料用量粒徑彈 模水泥石骨料粘結(jié)力混凝土混凝土強(qiáng)度強(qiáng)度生產(chǎn)因素混凝土強(qiáng)度的影響因素圖解1) 組成材料的特性與配

14、合比v水灰比v水泥品種v骨料品種、最大粒徑與級配v水泥漿與骨料相對含量v拌合水v外加劑(化學(xué)外加劑、礦物外加劑)水灰比的影響v水泥水化所需的水量遠(yuǎn)少于為保證混凝土拌和物和易性所需的水量，剩余水將在混凝土中留下大量孔隙，而材料強(qiáng)度與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；v混凝土強(qiáng)度與水灰比符合 “Abrams 定律”： 毛毛 細(xì)細(xì) 孔孔 隙隙 率率 （ %） 抗抗壓壓強(qiáng)強(qiáng)度度（Mpa） 硬化水泥漿體強(qiáng)度-毛細(xì)孔隙率關(guān)系140水灰比(W/C) fc （K1 / K2）w/cK1、K2 是常數(shù)，取決于混凝土的齡期、組成材料及測定方法等因素。不同水灰比硬化水泥漿體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系水灰比如何影響？v混凝土的強(qiáng)度隨著水灰比

15、的減小而增加；v當(dāng) w/c 0.5 降低到0.150.30； 混凝土抗壓強(qiáng)度從30MPa 提高到200800MPa！2) 澆灌與養(yǎng)護(hù)條件的影響新拌混凝土的和易性搗實(shí)程度與養(yǎng)護(hù)條件硬化混凝土的微結(jié)構(gòu)硬化混凝土的強(qiáng)度養(yǎng) 護(hù) Curingv混凝土硬化過程中，人為地變化混凝土體周圍環(huán)境的溫度與濕度條件，使其微結(jié)構(gòu)和性能達(dá)到所需要的結(jié)果，稱為對混凝土的養(yǎng)護(hù)。溫度濕度v分析思路：水泥礦物的水化反應(yīng)與溫度、濕度的關(guān)系？混凝土致密、均勻的微結(jié)構(gòu)形成與溫度、濕度的關(guān)系？強(qiáng)度與濕養(yǎng)護(hù)v混凝土連續(xù)濕養(yǎng)護(hù)有利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。v濕養(yǎng)護(hù)的措施：噴灑水浴用砂、木屑或薄膜覆蓋濕養(yǎng)護(hù)時間越長，混凝土強(qiáng)度越高timein a

16、ir entire timemoist cured entire timein air after 3 daysin air after 7 daysStrength28100%澆灌與養(yǎng)護(hù)溫度的影響v三種情形:I. 澆灌和養(yǎng)護(hù)溫度相同. 溫度越高，強(qiáng)度增長越快，為什么？II. 不同溫度下澆灌，常溫下養(yǎng)護(hù) 養(yǎng)護(hù)溫度相同時，澆灌溫度越高，混凝土后期強(qiáng)度(180天)越低。III. 常溫下澆灌，不同溫度下養(yǎng)護(hù) 養(yǎng)護(hù)溫度越低，強(qiáng)度越低。混凝土連續(xù)在21C下養(yǎng)護(hù)28天的試樣強(qiáng)度的百分率(%) 混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置2 2小時后，再在小時后，再在2121 C C下養(yǎng)

17、護(hù)到測試齡期下養(yǎng)護(hù)到測試齡期說明：混凝土在說明：混凝土在21下澆灌并放置下澆灌并放置6小時后，小時后，再在指定溫度下養(yǎng)護(hù)至測試齡期再在指定溫度下養(yǎng)護(hù)至測試齡期v養(yǎng)護(hù)溫度越低，強(qiáng)度越低；v養(yǎng)護(hù)溫度比澆灌溫度更重要!v冬天施工的混凝土必須采取措施保暖一段時間。v微觀研究表明：較低溫度的養(yǎng)護(hù)可以使得水泥石的結(jié)構(gòu)致密、均勻。為什么？齡期的影響 混凝土強(qiáng)度在最初37d增長較快，然后逐漸緩慢下來。其隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長大致符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系： fcu,n/fcu,a = lg n/lg a 式中： fcu,n n天齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度； fcu,a a天齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度； 養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土強(qiáng)度的影響3) 試

18、件與試驗(yàn)參數(shù)對強(qiáng)度測試值的影響A. 試件形狀；B. 試件尺寸；C. 表面處理；D. 加載時間（加荷速度）；E. 試驗(yàn)機(jī)的剛度等。 上述因素影響強(qiáng)度試驗(yàn)值，而不是實(shí)際混凝土強(qiáng)度！試件尺寸的影響試件尺寸越大，混凝土強(qiáng)度測試值越偏低；試件尺寸越小，混凝土強(qiáng)度測試值越偏高；相對強(qiáng)度()試件尺寸(cm)0 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90其原因：環(huán)箍效應(yīng)，尺寸小，環(huán)箍效應(yīng)明顯；缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大試驗(yàn)參數(shù)v含水狀態(tài):試驗(yàn)時，要求試件是濕狀態(tài)；干燥試件比飽水試件強(qiáng)度高20 25% v原因: 水泥石內(nèi)部不連續(xù)壓力的存在。v加荷條件：恒定加荷速度加荷速度越快，測試值越高，反之

19、亦然。v原因：材料對外加荷載的響應(yīng)4、混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系v混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度沒有直接關(guān)系！v抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比(拉壓比)取決于混凝土抗壓強(qiáng)度等級，強(qiáng)度等級越高，拉壓比越小。低等級混凝土的拉壓比為0.100.11；中等級混凝土的拉壓比為0.080.09；高等級混凝土的拉壓比為0.07v影響混凝土強(qiáng)度的因素同樣影響拉壓比v為什么？5、與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度 v一般采用預(yù)埋鋼筋的拔出試驗(yàn)法測定。v為了增大與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度，采用壓痕鋼筋。v改善混凝土與鋼筋的界面狀況。 混凝土沉降形成的界面縫隙鋼筋鋼筋混凝土混凝土雙膜氫氧化鈣水泥漿本體多孔層如何使得混凝土具有所需的強(qiáng)度三條技術(shù)途徑：v

20、原材料的選擇v配合比設(shè)計(jì)v澆灌和養(yǎng)護(hù) 水泥品種與強(qiáng)度等級 骨料品種、粒徑、級配 外加劑 水灰比 砂率 用水量或膠凝材料用量 溫度 濕度 時間Summaryv強(qiáng)度是混凝土的重要性能指標(biāo)，它與混凝土其它性能有著密切的關(guān)系；v混凝土強(qiáng)度主要是抗壓與抗拉強(qiáng)度，二者之間沒有直接關(guān)系；v抗壓強(qiáng)度采用單軸抗壓試驗(yàn)直接測量，而抗拉強(qiáng)度一般采用劈裂和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)間接測量與評價；v混凝土強(qiáng)度的主要影響因素比較復(fù)雜，主要有三個方面：組成材料的性能與摻量；成型工藝與養(yǎng)護(hù)條件試件與試驗(yàn)參數(shù)(影響測試值)v獲得指定強(qiáng)度的技術(shù)途徑：原材料的選擇配合比設(shè)計(jì)成形工藝與養(yǎng)護(hù)制度問題？1. 試從混凝土受壓破壞過程，分析混凝土強(qiáng)度與

21、水泥強(qiáng)度等級、水灰比的關(guān)系？2. 為什么早期溫度高，混凝土早期強(qiáng)度高，但后期強(qiáng)度低？而早期溫度低，雖然早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度高？3. 早期干燥對混凝土抗壓強(qiáng)度有何影響？為什么？4. 為什么混凝土強(qiáng)度的測量要用標(biāo)準(zhǔn)試件、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件、標(biāo)準(zhǔn)加荷速度？ 混凝土的變形性能Deformation Properties of Hardened Concrete(二) 混凝土的尺寸穩(wěn)定性 Dimensional Stability of Concrete 硬化混凝土的變形來自兩方面：環(huán)境因素(溫、濕度變化)和外加荷載因素，因此有：v荷載作用下的變形 彈性變形非彈性變形 v非荷載作用下的變形 收縮變形膨脹變形

22、v復(fù)合作用下的變形 徐變?nèi)龁枺簂 各種變形的特征是什么(What)？l 這些變形是如何產(chǎn)生的(How)？l 影響這些變形的因素有那些(Which)？引深思考：如何減小或消除這些變形的負(fù)面影響1、荷載作用下的變形v單軸受壓時的應(yīng)力應(yīng)變行為v混凝土的彈性模量v混凝土彈性模量與組成關(guān)系v混凝土彈性模量的主要影響因素；v彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系；(1) 單軸受壓時的應(yīng)力應(yīng)變行為v在壓應(yīng)力作用下，骨料是彈性體，水泥石也是彈性體，但由骨料與水泥石組成的混凝土是一種彈塑性體。v特點(diǎn)：混凝土在壓應(yīng)力作用下，既產(chǎn)生彈性變形，也產(chǎn)生塑性變形。在較低應(yīng)力(極限應(yīng)力fcp的30%)下，以彈性變形為主；在較高應(yīng)力( f

23、cp的30%)下，產(chǎn)生彈塑性變形，應(yīng)力水平越高，塑性變形量越大；混凝土強(qiáng)度越低，塑性變形越大。骨 料混凝土水泥石受壓時，骨料、水泥石和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑彈問題？v為什么骨料和水泥石是彈性體，而二者組成的混凝土是彈塑性體？v原因： 混凝土是一個多物相、多孔性的復(fù)合材料，其主體是顆粒堆聚體，存在界面過渡區(qū)，且過渡區(qū)有原生微裂縫。受力下，界面裂縫的擴(kuò)展、顆粒間的滑移、孔隙中水的遷移等因素導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。v混凝土單軸受壓下的曲線可以分為4個階段：在極限應(yīng)力fcp的30%以下，界面過渡區(qū)微裂縫是穩(wěn)定的，因此， 曲線是

24、線形的；當(dāng)應(yīng)力 fcp的30%時，隨著應(yīng)力增加，過渡區(qū)的裂縫長度、寬度和數(shù)量增加， /比值增加， 曲線偏離直線；如果應(yīng)力 fcp的50%，過渡區(qū)的微裂縫穩(wěn)定體系存在，基體水泥石不會產(chǎn)生微裂縫；當(dāng)應(yīng)力 fcp的5060%時，基體相中產(chǎn)生微裂縫，如果應(yīng)力進(jìn)一步增加，基體相微裂縫擴(kuò)展，增多，過渡區(qū)微裂縫失穩(wěn)，導(dǎo)致曲線彎向橫軸當(dāng)應(yīng)力 fcp的7580%時，應(yīng)變能釋放速度達(dá)到在持久應(yīng)力下裂縫自發(fā)擴(kuò)展的水平，應(yīng)變隨應(yīng)力增長很快，直至裂縫成為聯(lián)系體系破壞。界面過渡區(qū)的微裂縫過渡區(qū)裂縫擴(kuò)展，但基體相沒有裂縫基體相中產(chǎn)生裂縫裂縫成為連續(xù)體系破壞(2) 混凝土的彈性模量v彈性模量E：靜力彈性模量與動荷載彈性模量v

25、混凝土的應(yīng)力應(yīng)變行為不完全遵循虎克定律， 曲線是非線性的，所以，混凝土的彈性模量不是一個恒定值。v為了工程設(shè)計(jì)，故常對應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始階段作近似直線處理，有三種處理方式：原點(diǎn)切線彈性模量 Eo = tan 1； 割線彈性模量 Eh = tan 2； 切線彈性模量 Et = tan 3。原點(diǎn)切線 1 2 3割線切線難以準(zhǔn)確測量，應(yīng)力水平很低，實(shí)用意義小。 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指定以應(yīng)力 =1/3 fcp時的加荷割線彈性模量定義為混凝土的彈性模量Eh靜力彈性模量。只適用于切點(diǎn)處荷載變化很小的范圍內(nèi)，工程意義也不大(3)影響混凝土彈性模量的因素v單相勻質(zhì)材料的彈性模量和密度有直接關(guān)系；v混凝土是多物相復(fù)合

26、材料，因此，其彈性模量取決于下列因素：各物相的體積分?jǐn)?shù)；各物相的密度；各物相的彈性模量界面過渡區(qū)的特性混凝土彈性模量影響因素v混凝土是多物相復(fù)合材料，因此，其彈性行為取決于各個相的彈性行為：未水化的水泥顆粒水化物凝膠水粗骨料細(xì)骨料v混凝土的彈性模量取決于下列4個要素：水泥石的彈性模量Ep；骨料的彈性模量Ea；骨料的體積含量(或水泥石的體積含量)Vg。界面過渡區(qū)特性水泥石骨 料基體相分散相混凝土彈性行為的復(fù)合模型v將混凝土簡化為由水泥石和骨料組成的兩相復(fù)合材料，因而，可建立如下復(fù)合材料模型，來預(yù)測混凝土的整體行為：因?yàn)椋篶 ap，c1a Vg+ p (1Vg)根據(jù)虎克定律： E得到： EcEaV

27、g+Ep(1Vg) (1)因?yàn)椋篶ap ， c 1 aVg+ p (1Vg)根據(jù)虎克定律： E得到： (1/Ec)(Vg/Ea)+ (1Vg)/ Ep (2)該模型是由上下兩層水泥石和中間第一個模型構(gòu)成，同理可得：(1/Ec)(1-Vg1/2)/Ea+ Vg1/2/EaVg+Ep(1-Vg1/2) (3)彈性模量與組成的關(guān)系v根據(jù)上述3個公式，得到如圖所示的曲線；v公式(1)和(2)分別為混凝土彈性模量的上、下限；v公式的適用取決于骨料與水泥石的彈性模量之比Ea/Ep：vEa/Ep=1，3個公式均適用，一般Ea/Ep1，公式(3)最接近實(shí)際情況；v所以，混凝土的彈性模量取決于水泥石和骨料的彈性

28、模量，以及骨料的體積分?jǐn)?shù)EcEpEa(1)(3)(2)00.51.0混凝土中骨料的體積分?jǐn)?shù)影響混凝土彈性模量的因素 v水泥石基體相的彈性模量水泥石基體相的彈性模量受其孔隙率控制： Ep=E0(1Pc)3，即孔隙率越大，彈性模量越低；v水泥石的孔隙率的影響因素：水灰比 水灰比越小，彈性模量越高;水泥水化度(齡期) 彈性模量隨水化齡期不斷增長;空氣含量 含氣量越大，彈性模量越低；礦物摻合料 含水狀態(tài) 吸水飽和時的彈性模量大于干燥時的；水 灰 比水泥石的彈性模量(GPa)齡期(天)水灰比和水化齡期對水泥石彈性模量的影響水灰比和水化齡期對水泥石彈性模量的影響影響混凝土彈性模量的因素v骨料相的彈性模量骨

29、料的孔隙率 骨料越密實(shí)，彈性模量越高；粗骨料的體積含量 彈性模量高的粗骨料越多，一般來說，混凝土的彈性模量越高；v界面過渡區(qū)特征空隙, 微裂縫和CH晶體的取向等因素決定混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因而影響到混凝土的彈性模量。彈性模量彈性模量(GPa)玄武巖玄武巖輝綠巖輝綠巖輝長巖輝長巖白粒巖白粒巖石灰石石灰石石英巖石英巖蛇紋石蛇紋石凍石凍石混凝土試件、水泥漿體和骨料的彈性模量混凝土混凝土水泥石基體水泥石基體骨料骨料混凝土過渡區(qū)結(jié)構(gòu)骨 料C-S-H鈣礬石CH(4)(4) 混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系v混凝土的彈性模量與強(qiáng)度間沒有簡單關(guān)系，所以混凝土彈性模量應(yīng)由試驗(yàn)測定；v一般來說，混凝土抗壓強(qiáng)度越高，

30、彈性模量越大：二者之間存在經(jīng)驗(yàn)公式： Ec 3.32( fcyl)0.5 + 6.9 (ACI 2000b) 式中： Ec 混凝土彈性模量； fcyl 標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件28天抗壓強(qiáng)度 該公式適用于抗壓強(qiáng)度在2183 MPa的混凝土PP水飽和狀態(tài)下， 混凝土的泊松比 =0.250.3；干燥狀態(tài)下， 混凝土的泊松比 =0.2；一般在0.170.2。混凝土泊松比隨骨料含量的增加而增加。混凝土的泊松比2、混凝土在非荷載作用下的變形v干燥收縮v自收縮v溫度變形(1) 濕脹干縮變形v定義：濕度變化所引起的混凝土體積變形濕脹干縮，主要原因是水泥石中的凝膠水和毛細(xì)孔水的變化引起的。v水泥石和混凝土的收縮行為水泥

31、石在水中連續(xù)浸泡，產(chǎn)生相當(dāng)小的連續(xù)膨脹；第1次干燥時，收縮最大，其收縮值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢復(fù)。試驗(yàn)證明：相對濕度為70%的空氣中的收縮值為水中膨脹值的6倍，相對濕度為50%，為8倍。v混凝土的濕脹干縮變形重要的是干縮變形，因在約束下的收縮將導(dǎo)致混凝土開裂。連續(xù)浸泡連續(xù)浸泡下的濕脹下的濕脹不可逆收縮可逆收縮應(yīng)變膨脹收縮第1次干燥時間水泥石或混凝土在干濕循環(huán)下的變形行為混凝土的干縮機(jī)理v干縮來自材料內(nèi)部水的損失，二者的關(guān)系如圖所示，收縮值隨著水的損失變化的斜率不一致。v環(huán)境濕度不同，有以下幾種不同的干縮機(jī)理：毛細(xì)張力 毛細(xì)孔和較大的凝膠孔中的自由水因大氣水蒸氣壓降低而蒸發(fā)時，表面張

32、力增加，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使得孔壁受壓而收縮；分離壓 水泥石中的凝膠孔中的吸附水使得孔壁間存在分離壓力(濕脹的原因),因干燥而吸附水損失時，將降低孔壁的分離壓，引起整體收縮；層間可揮發(fā)水的遷移 0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)毛細(xì)水吸附水分離壓干燥收縮的危害u路面板、橋面板、機(jī)場道面、停車場等暴露面積大且厚度較小的結(jié)構(gòu)物干縮最為顯著；u當(dāng)混凝土的干燥收縮受到約束時，將導(dǎo)致裂縫，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性?；炷粮煽s的影響因素v混凝土組成與配合比混凝土的干縮小于水泥石，因此

33、，骨料體積含量越大，干縮越小：cp (1-Vg)n (n1.21.7)水泥用量 水灰比一定時，水泥用量越多，干縮越大；用水量 水泥用量一定時，用水量越多，干縮越大。水泥種類與細(xì)度 細(xì)度越細(xì)，干縮較大。 v良好養(yǎng)護(hù)可以減小收縮v構(gòu)件幾何尺寸和形狀表面積與體積比值越大，收縮越大；濕度擴(kuò)散的路徑越長，收縮速率越低。骨料的體積百分?jǐn)?shù)(%)干縮值比骨料體積含量對混凝土干縮的影響普通混凝土范圍水泥石的孔隙率干縮率(%)孔隙率對水泥石干縮的影響不可逆收縮可逆收縮第1次收縮(2) 自收縮v條件特征：與外界環(huán)境無水分交換；v產(chǎn)生的原因：水泥水化吸收毛細(xì)管中的水分，使毛細(xì)管失水，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，引起收縮自干燥收縮

34、；水泥水化物的體積小于反應(yīng)前各物質(zhì)的體積和，因而導(dǎo)致混凝土硬化后收縮化學(xué)收縮；v特點(diǎn)：收縮值隨齡期而增加，早期較快，后期緩慢。v影響因素水泥品種 主要是礦物組成與混合材種類；水灰比 隨水灰比減小，收縮增大 ；骨料及其體積分?jǐn)?shù)水泥用量外加劑內(nèi)部相對濕度(%)齡期(天)水泥石內(nèi)部相對濕度隨齡期的變化自收縮測量裝置0100200300400500600700800900100000.51.534.56時間（天）自收縮（微應(yīng)變）普通硅酸鹽中熱水泥快硬鐵鋁酸鹽硫鋁酸鹽水泥品種對自收縮的影響水灰比對自收縮的影響0200400600800100000.51.534.56時間（天）自收縮（微應(yīng)變）W/C=0.

35、45W/C=0.35W/C=0.30W/C=0.250200400600800100000.51.534.56時間（天）自收縮（微應(yīng)變）(W/C)e=0(W/C)e=0.045(W/C)e=0.07外加劑對自收縮的影響骨料與未水化水泥顆粒的含量(%)收縮值之比骨料和未水化水泥顆粒含量對收縮值的影響問題？v混凝土的干燥收縮與自干燥收縮有何異同？解答：相同點(diǎn)：機(jī)理相似，水分損失、毛細(xì)張力等；不同點(diǎn)：u 水分損失的原因不同，前者是因環(huán)境濕度變化引起的，后者是由水泥水化引起的；u 前者主要發(fā)生在表面層，而后者發(fā)生在整個體積，尤其在中心部位更大。(3) 溫度變形v與其它材料一樣，混凝土也具有熱脹冷縮的性

36、質(zhì)；v混凝土的熱膨脹系數(shù)為1105/C；v溫度變形對大體積混凝土不利，因水泥水化放熱，造成內(nèi)外溫差較大，內(nèi)外膨脹不均，導(dǎo)致外部開裂；v混凝土的熱膨脹系數(shù)取決于骨料的熱膨脹系數(shù)。3、混凝土的徐變v什么是徐變？ 在持續(xù)（恒定）荷載作用下，混凝土產(chǎn)生隨時間而增加的變形稱為徐變。v徐變曲線特征？v徐變產(chǎn)生的機(jī)理？v徐變對混凝土結(jié)構(gòu)有何影響？v影響徐變的因素有那些？徐變曲線特征：v加上恒定荷載時，混凝土立即產(chǎn)生瞬時彈性變形，隨后，徐變隨時間增加較快，然后逐漸減慢。v卸荷后，一部分變形可恢復(fù)，稱為彈性恢復(fù)；其后將有一個隨時間而減小的應(yīng)變恢復(fù)稱為徐變恢復(fù)；最后殘留下來的變形成為不可逆徐變。徐變恢復(fù)加荷后的時

37、間加荷后的時間( (天天) )彈性恢復(fù)不可恢復(fù)彈性變形徐變變形卸荷徐變產(chǎn)生的機(jī)理：v水泥石中的水化物凝膠顆粒之間的粘性流動和剪切滑移；v在荷載作用下，凝膠體內(nèi)的吸附水被擠出；v骨料的延后彈性變形 ；v過渡區(qū)裂縫的擴(kuò)展或產(chǎn)生。 加荷后，水泥石首先變形，骨料上的應(yīng)力增大，骨料產(chǎn)生彈性變形延后彈性變形吸附水吸附水吸附水排出吸附水排出徐變徐變徐變機(jī)理 不利： 徐變會引起混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國幾十年來生產(chǎn)的構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失達(dá)3050%； 混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生隨時間變化的撓度或變形。 有利 徐變會使溫度或其他收縮變形受約束時產(chǎn)生的應(yīng)力減?。?降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中

38、的應(yīng)力峰值。徐變的影響： 西太平洋Caroline群島上的一座橋梁(主跨為241m)，由于徐變使跨中向下?lián)锨?，加鋪的橋面板進(jìn)一步加劇徐變，使該橋在建成不到20年后坍塌 (1996年)。影響徐變的因素： v濕含量：混凝土中的濕含量降低，徐變減??；v環(huán)境濕度：濕度降低，徐變增大；v溫度：溫度升高，徐變增大，70C以上，使徐變降低；v骨料用量：體積含量增加，徐變減?。籿骨料的特性：泊松比和彈性模量，彈模越大，徐變越??；v水灰比與齡期：水灰比增大，徐變增大；v水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐變減小v荷載應(yīng)力水平：荷載越大，徐變會越大 。骨料的體積含量骨料的體積含量(%)骨料的體積含量對混凝土徐變

39、 的影響溫度對混凝土徐變的影響荷載作用時間荷載作用時間(天天)加荷的應(yīng)力水平對混凝土徐變的影響加荷時間加荷時間( (天天) )環(huán)境濕度對混凝土徐變的影響骨料的彈性模量對混凝土徐變的影響加荷時間加荷時間(對數(shù)對數(shù))4、收縮與徐變對混凝土開裂的影響v混凝土的開裂受多種因素的影響環(huán)境的物理與化學(xué)因素和荷載作用下的變形；混凝土的延性、強(qiáng)度等性能；變形受到約束的程度。v開裂條件：收縮與徐變的相互作用收縮受到約束時，產(chǎn)生拉應(yīng)力；在一定持續(xù)應(yīng)力下，混凝土?xí)a(chǎn)生徐變，引起應(yīng)力松弛，導(dǎo)致應(yīng)力隨時間減??；當(dāng)徐變后的實(shí)際應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時，混凝土才會開裂。干縮與徐變混凝土在干燥狀態(tài)受壓下的變形無松弛作用時出現(xiàn)開裂混

40、凝土的抗拉強(qiáng)度開裂延遲應(yīng)力松弛后的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)力松弛時 間收縮應(yīng)變受約束時產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)力延伸性與開裂 Extensibility and Cracking延伸性的含義：彈性模量 彈模越小，產(chǎn)生一定量收縮引起的彈性拉應(yīng)力越??；徐變 徐變越大，應(yīng)力松弛越顯著，殘余拉應(yīng)力就越??；抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度越高，拉應(yīng)力使材料開裂的危險(xiǎn)越小。 Summaryv骨料和水泥石是彈性體，而混凝土是彈塑性體或粘彈性體，在受壓應(yīng)力作用，既產(chǎn)生彈性變形，又產(chǎn)生塑性變形；v混凝土的彈性模量不是一個常數(shù)，工程應(yīng)用中，一般用割線彈性模量作為設(shè)計(jì)依據(jù)，其大小取決于水泥石和骨料的彈性模量及其相對含量，以及界面狀況；v在干燥狀態(tài)下，混

41、凝土內(nèi)部水的損失，而引起干縮變形，它與混凝土的組成、構(gòu)件幾何尺寸與形狀、環(huán)境條件等有關(guān)；v在與外界隔絕的條件下，由于水泥水化會引起混凝土內(nèi)部自干燥，而產(chǎn)生整體的自干縮變形；v在荷載長期作用下，混凝土?xí)l(fā)生隨時間增加的變形徐變，干燥會使徐變增大；v在約束條件下，混凝土發(fā)生的各種變形，可引起開裂。混凝土耐久性Durability of Concrete概 念v混凝土耐久性 混凝土材料在長期使用過程中，抵抗因服役環(huán)境外部因素和材料內(nèi)部原因造成的侵蝕和破壞，而保持其原有性能不變的能力。v混凝土構(gòu)筑物的服役壽命 混凝土構(gòu)筑物受到其服役環(huán)境因素的侵蝕和破壞，導(dǎo)致其使用性能下降到最低設(shè)計(jì)值時，所經(jīng)歷的時間(

42、年)?；炷聊途眯缘闹匾詖保證混凝土構(gòu)筑物運(yùn)行的安全性v延長混凝土構(gòu)筑物的服役壽命v節(jié)約混凝土構(gòu)筑物維護(hù)成本v節(jié)約自然資源，減少消耗v改善人類居住的環(huán)境條件混凝土耐久性危機(jī) 時間 特點(diǎn) 措施第1次 40年代 鹽凍 引氣劑 第2次 70年代 離析、泌水 低水膠比 第3次 80年代 早期熱裂縫 綜合美國大量混凝土路面受凍融循環(huán)侵蝕很快發(fā)生剝落美國等國家大量混凝土橋面板、路面、停車場和港口設(shè)施受侵蝕破壞鋼筋混凝土橋梁的侵蝕損毀拆除前的西直門橋一座橋何以只有二十年壽命？冰島一港口混凝土路面受鹽凍剝落混凝土路面受鹽凍剝落堿骨料反應(yīng)引起混凝土的自由變形產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫Map Cracking堿骨料反應(yīng)引起混

43、凝土的自由變形產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫堿骨料反應(yīng)引起的錯位硫酸鹽侵蝕引起的大壩破壞混凝土性能劣化的模式v組成改變v體積膨脹、裂縫v表面開裂v表面剝落v溶蝕v磨損v結(jié)構(gòu)酥松v承載力下降v彈性模量降低v質(zhì)量損失v體積增長導(dǎo)致混凝土性能劣化的因素v外部環(huán)境因素： 水、風(fēng)化、凍融、化學(xué)腐蝕、磨損、氣體等； v材料內(nèi)部原因： 堿骨料反應(yīng)、體積變化、吸水性、滲透性等。 混凝土內(nèi)部可蒸發(fā)水的可逆性和隨之引起或產(chǎn)生的有害作用是導(dǎo)致混凝土劣化的重要原因?；炷聊途眯缘膬?nèi)容v抗?jié)B性 v抗凍性 v耐腐蝕性 v抗碳化性 v堿骨料反應(yīng) v耐火性v耐磨性與抗沖刷性混凝土的劣化分為兩大類：u 第一類，由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透進(jìn)入

44、混凝土的速率所決定。 化學(xué)的：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應(yīng)、硫酸鹽、海水和酸的侵蝕、碳化； 物理的：凍融、鹽結(jié)晶、火災(zāi)等。u 第二類，是磨耗、沖磨與空蝕，涉及一些另外的機(jī)理。一、混凝土的抗?jié)B性 Permeability of Concretev定義：混凝土抵抗壓力水(油、液體)滲透的能力，稱為抗?jié)B性。v評價指標(biāo)：抗?jié)B標(biāo)號P以28d齡期的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，以6個試件中4個試件未出現(xiàn)滲水時的最大水壓確定，計(jì)算式如下： P = 10H 1 式中：P抗?jié)B標(biāo)號； H6個試件，3個試件出現(xiàn)滲水時的水壓力(MPa)。 水的滲透與混凝土的劣化：v對許多建筑材料來說，水是它們生產(chǎn)過程的重要原料之

45、一，同時也是它們破壞過程的主要介質(zhì)。v水也是多數(shù)結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)耐久性問題的核心。不僅物理劣化過程與水有關(guān)；同時作為傳輸侵蝕性離子的介質(zhì)，水又是其化學(xué)劣化過程的一個根源。v混凝土的抗?jié)B性是反映混凝土耐久性的一個重要指標(biāo)。為什么混凝土?xí)B水v 混凝土內(nèi)部存在孔隙通道是其滲水的根本原因！v 孔隙通道包括：混凝土中可蒸發(fā)水蒸發(fā)后留下的孔道；拌合物泌水時在骨料和鋼筋下方形成的水囊與水膜；混凝土各種原因引起的體積變形所產(chǎn)生的收縮裂縫；混凝土在荷載作用下的變形 1、高孔隙率、低滲透性4、多孔、高滲透性3、多孔、低滲透性2、低孔隙率、高滲透性孔隙率、孔隙特征與滲透性的關(guān)系混凝土抗?jié)B性的影響因素v混凝土的配合比

46、水灰比膠凝材料(水泥礦物外加劑)用量v澆注成型工藝混凝土的攪拌混凝土的震搗v養(yǎng)護(hù)條件濕度溫度齡期工程實(shí)踐證明： 采用適宜的原材料及良好的生產(chǎn)、澆筑與養(yǎng)護(hù)操作，當(dāng)水泥用量為300350Kg/m3、水灰比0.450.55，制備出28d抗壓強(qiáng)度為3540MPa的混凝土，在大多數(shù)環(huán)境條件下可以呈現(xiàn)足夠低的滲透性和良好的耐久性能。 最初幾周，硬化水泥漿體的滲透性下降幾個量級滲透性水灰比的關(guān)系臨界區(qū)高滲透性高水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低滲透性 水灰比是混凝土抗?jié)B性的重要影水灰比是混凝土抗?jié)B性的重要影響因素！為什么？響因素！為什么？混凝土的抗?jié)B性與吸水性l硬化水泥漿體或混凝土因毛細(xì)作用(而不是壓力梯度)

47、吸收或吸附水份于其孔隙里的性質(zhì)，稱為吸水性。l試驗(yàn)表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表層的抗?jié)B性。二、混凝土抗凍性Frost Resistance of Concrete三問？v混凝土抗凍性的含義是什么？v混凝土凍融破壞機(jī)理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗凍性？什么是混凝土的抗凍性 定義：在吸水飽和狀態(tài)下，混凝土能夠經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，也不顯著降低其強(qiáng)度的性能，稱為混凝土的抗凍性。凍凍 害害v什么引起凍害?混凝土內(nèi)部孔中的水結(jié)冰水結(jié)冰使體積膨脹9%。v凍害破壞影響到水泥石和骨料v凍害破壞的外觀模式剝落 龜裂、分層v構(gòu)筑物的什么位置最易受損?北方氣候混凝土路面、橋面板、擋土墻混凝土的凍

48、融破壞原因與模式 原因：混凝土中大毛細(xì)孔里的水結(jié)冰時，體積大約要膨脹9 %如果體內(nèi)沒有足夠的空間容納，就會產(chǎn)生可能引起開裂的壓力作用于孔縫的壁上，導(dǎo)致孔縫擴(kuò)展和連接反復(fù)的凍融循環(huán)使危害擴(kuò)大和積累，孔縫不斷增多，并擴(kuò)展和連通，造成強(qiáng)度下降破壞模式：表面出現(xiàn)缺棱、掉角、脫皮等現(xiàn)象質(zhì)量損失強(qiáng)度、彈性模量下降凍害造成D-型裂縫路面受鹽凍剝落鐵路橋梁的凍害剝落破壞鐵路橋梁的凍害剝落破壞鐵路橋梁的凍害剝落破壞混凝土凍害機(jī)理 水自由流動，作用于玻璃瓶壁的壓力較小 水結(jié)冰開始，冰膨脹對瓶壁作用一個拉應(yīng)力 隨著結(jié)冰進(jìn)行，瓶壁對冰的約束，產(chǎn)生累計(jì)應(yīng)變能尋求釋放 內(nèi)壓很大以至于導(dǎo)致瓶壁破裂讓冰膨脹和能量釋放凍害機(jī)理

49、水結(jié)冰產(chǎn)生壓力的機(jī)理：v水壓v滲透壓v毛細(xì)孔中冰結(jié)晶生長壓水 壓 結(jié)冰前，兩個孔中的水均處于低壓； 冷卻前鋒到達(dá)上面的孔，孔壓增加，周圍混凝土處于高壓水環(huán)境中； 冷卻前鋒繼續(xù)穿過上面的孔，高壓水到達(dá)下面的孔，引起流體進(jìn)入下面的孔，流體通過毛細(xì)孔中間高度約束的通道的流動產(chǎn)生水壓并加速破壞作用。提高混凝土抗凍性的方法v水泥石抗凍性：低水灰比保證混凝土良好的養(yǎng)護(hù)引氣劑v骨料的抗凍性選用抗凍骨料混凝土中孔隙尺寸和水的存在v引入的氣孔: 攪拌中引入的孔隙孔徑為10mm-1cm; 通常是空的。v外加劑引入的氣孔孔徑為0.1-0.2 mm; 一般是干燥的。v毛細(xì)孔：由可蒸發(fā)水揮發(fā)留下的孔徑為0.01-5mm

50、; 含水; 水的冰點(diǎn)為-1C -8C ，取決于孔隙水中離子濃度。v凝膠孔： C-S-H凝膠內(nèi)部的孔，其孔徑為 1-10nm; 含有化學(xué)結(jié)合水; 由于化學(xué)鍵而抗凍，典型冰點(diǎn)為-78Cv不是混凝土中的孔都對凍害有利。引入的氣孔作用機(jī)理v水壓很高，可使毛細(xì)孔間的水泥石破壞；v引入的氣孔可以釋放水壓，避免高壓水的產(chǎn)生；v大量的空氣泡減小了水釋放的平均距離；v引起的氣孔有利于混凝土抗凍害性能的改善摻引氣劑前摻引氣劑后可提高抗凍性混凝土抗凍性試驗(yàn)v方法：用28d齡期、吸水飽和狀態(tài)下的試件，進(jìn)行低溫冰凍，水中融化循環(huán)試驗(yàn)，經(jīng)過一定循環(huán)后測定試件的強(qiáng)度或彈性模量和質(zhì)量。v評價指標(biāo)：以強(qiáng)度降低不超過25%、質(zhì)量

51、損失不超過5%時所能承受的最大凍融循環(huán)次數(shù)N為抗凍指標(biāo)抗凍標(biāo)號D或耐久性系數(shù)Km： Km = PN / 300 式中：N混凝土試件凍融循環(huán)試驗(yàn)至相對彈性模量下降到60%以下時的凍融循環(huán)次數(shù)； P經(jīng)N次凍融循環(huán)后試件的相對彈性模量。 三、混凝土硫酸鹽侵蝕Sulfate Attack on Concrete三問？v混凝土硫酸鹽侵蝕的含義是什么？v硫酸鹽侵蝕機(jī)理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕？離子在混凝土中的擴(kuò)散Diffusion of Ion in Concretev離子的擴(kuò)散行為雖與水在混凝土中的傳輸不同，但它要以水為載體.v離子(或原子、分子)在濃度梯度作用下運(yùn)動，即擴(kuò)散過程，

52、傳輸速率由菲克(Fick)定律求得1、混凝土的硫酸鹽侵蝕v什么導(dǎo)致混凝土硫酸鹽侵蝕： 硫酸根離子與混凝土中水泥水化物之間的化學(xué)反應(yīng)，形成有害化合物，而導(dǎo)致混凝土組成和結(jié)構(gòu)的破壞、強(qiáng)度下降、表面剝離等。v硫酸根離子的來源：海水有機(jī)物環(huán)境(垃圾、生活污水)工業(yè)廢料土壤和地下水水泥熟料2、混凝土硫酸鹽侵蝕的劣化模式v劣化模式 體積膨脹 開裂 (從構(gòu)件的邊緣和角上開始) 表面剝落、質(zhì)量損失 強(qiáng)度下降 外觀劣化發(fā)白v最易發(fā)生的部位大壩橋墩地下基礎(chǔ)水工設(shè)施受硫酸鹽侵蝕的混凝土或砂漿試件外觀劣化3、混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理v鈣礬石型v石膏型v碳硫硅鈣石型vC-S-H分解型(1)鈣礬石型侵蝕機(jī)理v外部硫酸根離子滲

53、入水泥石中；v與單硫型硫鋁酸鈣、氫氧化鈣、水反應(yīng)形成鈣礬石： C4AH18+2CH+3SO42+12H = C6A3H32 3C3A3CH+3SO42+29H C6A3H32v鈣礬石體積膨脹產(chǎn)生拉應(yīng)力v拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土內(nèi)部開裂破壞鈣礬石形成鈣礬石形成的膨脹機(jī)理v結(jié)晶壓力機(jī)理: 膨脹由鈣礬石晶體生長引起的，產(chǎn)生結(jié)晶壓力作用于水泥石內(nèi)部和骨料表面過渡區(qū)v腫脹理論 Swelling theory: 膨脹是由孔溶液中鈣礬石結(jié)晶生長引起的，晶體有很大的表面，吸附水而腫脹，導(dǎo)致膨脹壓力。(2)石膏型侵蝕機(jī)理v化學(xué)反應(yīng)： 硫酸根離子滲入混凝土中的水泥石內(nèi)；與氫氧化鈣CH反應(yīng)，形成二水石膏： CH + + H

54、 = CH2v石膏的形成導(dǎo)致強(qiáng)度降低，接著膨脹、開裂，將水泥石轉(zhuǎn)變?yōu)楹隣?、無膠結(jié)力的物質(zhì)。v硫酸鹽溶液中陽離子(Na+ 、Mg2+ )的不同，可能將C-S-H凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槭唷Ａ蛩徕c侵蝕:Na2SO4+CH+2H = CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸鎂侵蝕：MgSO4+CH+2H = CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgSO4+3C-S-H+18H = 3(CaSO4).2H2O +3Mg(OH)2 +2SiO2.H2OXRD分析證明：v上圖，未受侵蝕的水泥石的XRD圖譜；v中圖，表明石膏型硫酸鹽侵蝕，在水泥石中形成大量石膏；v下圖，表明鈣礬石和石膏混合型硫酸鹽侵蝕G: 石膏E: 鈣礬

55、石(3)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕v硫酸根離子SO42侵入硬化混凝土中，在碳酸鹽或CO32或CO2的存在下，與C-S-H凝膠反應(yīng)就形成碳硫硅鈣石 ：3Ca2+ SO42+ CO32+ C-S-H+12H2O Ca3Si(OH)6(CO3) (SO4)12H2O v碳硫硅鈣石是一種糊狀、松軟、毫無膠凝能力的物質(zhì),因而能使水泥石變成糊狀、無粘結(jié)力的物體，嚴(yán)重破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，降低混凝土的強(qiáng)度。同時也會伴有膨脹性破壞，但膨脹性破壞不是碳硫硅鈣石導(dǎo)致的典型破壞。 碳硫硅鈣石的形成反應(yīng)機(jī)理圖碳化層，pH7-8反應(yīng)區(qū)水泥水化物硫酸鹽溶液碳硫硅鈣石碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕v最易發(fā)生的部位低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物潮濕環(huán)境

56、下的結(jié)構(gòu)物地下基礎(chǔ)橋墩隧道(4)C-S-H分解型硫酸鹽侵蝕v當(dāng)硫酸鹽溶液或含硫酸鹽的地下水、污水作用于混凝土，將導(dǎo)致混凝土表面水泥石中C-S-H凝膠分解成硅凝膠： 2CaOSiO21.17H2O + SO42 2.83H2O 2CaSO42H2O + SiO2nH2O + OH v破壞C-S-H的膠凝結(jié)構(gòu)，因而使水泥石喪失了粘結(jié)性，混凝土強(qiáng)度降低，表面軟化 4、如何阻止混凝土的硫酸鹽侵蝕v提高混凝土的質(zhì)量和抗?jié)B性(減水劑)v限制水泥中 C3A 礦物含量5中低熱水泥抗硫酸鹽水泥 v摻加火山灰質(zhì)礦物外加劑15% 偏高嶺土35% 磨細(xì)礦渣6% 硅灰 20% 低鈣粉煤灰v表面涂層保護(hù)水泥中C3A含量與

57、混凝土試件體積變化時 間(年)膨脹率()混凝土膨脹率與水灰比的關(guān)系時間(年)膨脹率()粉煤灰對混凝土膨脹率的影響時間(年)膨脹率()2. 鹽結(jié)晶引起開裂v混凝土因孔隙里鹽發(fā)生結(jié)晶的物理作用，可能造成嚴(yán)重的損害，許多多孔材料都可能由于與其接觸的飽和溶液析晶過程產(chǎn)生的壓力引起開裂。v鹽結(jié)晶只能發(fā)生在一定溫度下溶質(zhì)的濃度超過飽和濃度的時候。過飽和度越大，結(jié)晶壓越大。v例如巖鹽NaCl在過飽和度=2時，8C下產(chǎn)生的結(jié)晶壓可達(dá)55.4MPa，足以讓巖石或混凝土開裂四、混凝土的酸腐蝕 v由于混凝土中硬化水泥漿體呈高堿性，沒有任何硅酸鹽水泥混凝土可以耐酸腐蝕。但如果注意降低滲透性并且養(yǎng)護(hù)良好，也能夠生產(chǎn)出在

58、弱酸環(huán)境中足夠耐久的混凝土。v酸腐蝕機(jī)理：加速溶蝕 Ca(OH)2 + 2H+ Ca2+ + 2H2OC-S-H 分解成硅凝膠： 3Cao2SiO23H2O + 6H+ 3Ca2+ 2(SiO23nH2O) +6H2Ov破壞模式：表面溶蝕為主五、堿骨料反應(yīng) Alkali-Aggregate Reaction (AAR)v什么是堿骨料反應(yīng)？v堿骨料反應(yīng)的破壞形式和機(jī)理有哪些？v如何抑制混凝土中的堿骨料反應(yīng)什么是堿骨料反應(yīng)？ 最常見、最重要的反應(yīng)是堿硅反應(yīng)(簡稱ASR)，它是骨料中所含的無定形硅與孔隙里含堿(鈉、鉀、鈣的氫氧化物)的溶液反應(yīng)，生成易于吸水膨脹的堿-硅凝膠，當(dāng)結(jié)構(gòu)物暴露在潮濕環(huán)境中，

59、混凝土體內(nèi)相對濕度超過85%時，就會出現(xiàn)膨脹，直到引起混凝土開裂與破壞。掃描電鏡下的堿性反應(yīng)凝膠堿硅反應(yīng) (ASR)“混凝土的癌癥”v堿硅反應(yīng)是下列物質(zhì)間的反應(yīng) 硅酸鹽水泥中的堿金屬離子 氫氧根離子 骨料中的硅成分堿骨料反應(yīng)的破壞形式？vASR破壞形式膨脹與開裂 Expansion and cracking損失強(qiáng)度 Loss of strength粘性堿硅物質(zhì)的溢出 或滲出Pop-outs and exudation of viscous alkali-silicate fluidv發(fā)生的部位濕環(huán)境 (大壩dams, 橋墩bridge piers, 海堤sea walls)暴露環(huán)境Expose

60、d environments (道路roads, 建筑物外部結(jié)構(gòu)building exteriors)常見的堿骨料反應(yīng)破壞形式ASR 膨脹機(jī)理膨脹機(jī)理v氫氧根離子破壞了骨料中的硅氧結(jié)構(gòu).v硅形成堿硅凝膠(AS gel)v堿硅凝膠與水接觸產(chǎn)生腫脹v反應(yīng)速度取決于：骨料中硅的活性水泥中堿含量 (wt% Na2O 等價.)vAS 凝膠是膨脹的主體v吸附腫脹理論: 骨料周圍形成的堿硅凝膠的吸水腫脹和混凝土孔中水的遷移受阻，因而產(chǎn)生膨脹壓。v滲透壓理論 Osmotic pressure theory: 骨料周圍形成的AS 凝膠是一個半透膜，它只允許一個方向流動：堿金屬離子和OH離子擴(kuò)散進(jìn)入骨料表面，但硅