混凝土的抗壓強(qiáng)度

現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度的構(gòu)成

從整體上說(shuō)，混凝土是高度復(fù)雜的非均質(zhì)多相體，其內(nèi)部的相互作用力主要的是范德華力，影響作用力大小的因素具有對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系。工程對(duì)混凝土的要求與保證

水泥水化后生成的凝膠體是由納米級(jí)大小的凝膠粒子組成的，互相之間產(chǎn)生較大的吸引力，把粗的、結(jié)晶態(tài)的、本身強(qiáng)度高的其它粒子膠結(jié)在一起組成產(chǎn)生強(qiáng)度的整體，這應(yīng)當(dāng)就是硅酸鹽水泥膠凝性的本質(zhì)?，F(xiàn)代混凝土強(qiáng)度的構(gòu)成水泥漿體中納米尺度單元的尺寸多樣化無(wú)序團(tuán)聚的粒子群賦予混凝土的強(qiáng)度。顆粒越細(xì)，粒子間距離越近，相互間的吸引力越大。骨料界面的粘結(jié)效果對(duì)強(qiáng)度的構(gòu)成具有顯著影響。顆粒的密實(shí)填充對(duì)于形成高強(qiáng)度很重要?；炷劣不Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)復(fù)雜和不勻質(zhì)

硬化混凝土是一種多相(氣、液、固三相兼而有之）、多孔的復(fù)合材料，具有高度不均勻性和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

多相的界面混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與硬化水泥漿基相及單一骨料相微觀結(jié)構(gòu)的最大差別在于第三相—水泥石-骨料界面過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡區(qū)的微觀與系統(tǒng)中水泥石或水泥砂漿（骨料）的結(jié)構(gòu)有著明顯的區(qū)別。

混凝土的非均一復(fù)雜特點(diǎn)體現(xiàn)于以下三個(gè)方面：

⑴過(guò)渡區(qū)是圍繞骨料（特別是大骨料）周?chē)囊粚颖?，厚度一般?0-15μm，通常比混凝土另兩個(gè)主要相薄弱。⑵三相中任一相本身，本質(zhì)上都是多相的非均一復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如在任何一相中都含有不同類(lèi)型和不同數(shù)量的固體相、孔和微裂縫。⑶混凝土中的水泥石和過(guò)渡區(qū)這兩個(gè)相是不穩(wěn)定的，即它們的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間、環(huán)境溫度和濕度的變化而變化。過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度

過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度比水泥石本體要低，是三相中最薄弱的環(huán)節(jié)，原因有三：

⑴在水化的早期由于過(guò)渡區(qū)的水灰比大，所以它的孔體積與孔徑均比水泥石或砂漿基體大，這種情況只有在長(zhǎng)齡期才會(huì)有所改善。⑵過(guò)渡區(qū)內(nèi)的氫氧化鈣結(jié)晶體大，因此表面積減少，相應(yīng)的范德華引力也變?nèi)?，且取向生長(zhǎng)，有利于裂縫形成。⑶過(guò)渡區(qū)裂縫的存在。強(qiáng)度-孔隙率這個(gè)普遍的關(guān)系對(duì)水泥漿和砂漿材料比較適用，對(duì)混凝土材料其適用性受到骨料和水泥漿之間軟弱過(guò)渡區(qū)的影響?；炷敛牧系膹?qiáng)度不僅受孔隙的影響，而且同時(shí)受到過(guò)渡區(qū)原生裂縫的影響。

混凝土的破壞理論

對(duì)于理想材料而言，強(qiáng)度大約應(yīng)該是彈性模量的十分之一?；炷恋膹椥阅Ａ看蠹s在幾萬(wàn)兆帕，混凝土如果是理想結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度應(yīng)該是幾千兆帕，而實(shí)際上只有幾十兆帕。這是為什么呢？

混凝土的破壞理論Griffith理論得到廣泛認(rèn)可。混凝土中存在許多微裂縫，在受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力在微裂縫尖端集中現(xiàn)象。隨著荷載的增大，微裂縫尖端材料的局部拉應(yīng)力可能增長(zhǎng)到某種水平以至于變形能的減小恒大于表面能的增加，此時(shí)裂縫即成為能夠不斷擴(kuò)展的不穩(wěn)定裂縫，導(dǎo)致材料的破壞。(1)混凝土的受力變形及破壞過(guò)程10070-90300極限荷載，%變形ABCⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅡⅢⅣ未加荷載Ⅰ—界面裂縫無(wú)明顯變化；Ⅱ—界面裂縫增長(zhǎng)；Ⅲ—出現(xiàn)砂漿裂縫和連續(xù)裂縫；Ⅳ—連續(xù)裂縫迅速發(fā)展；Ⅴ—裂縫緩慢增長(zhǎng)；Ⅵ—裂縫迅速增長(zhǎng)。混凝土受壓變形曲線不同受力階段裂縫示意(2)混凝土的抗壓強(qiáng)度150mm150mm150mm溫度：20℃±2℃濕度：﹥95%齡期：28d300mm立方體抗壓強(qiáng)度棱柱體抗壓強(qiáng)度（軸心抗壓強(qiáng)度）Dmax折算系數(shù)試塊尺寸≤300.951003≤4011503≤601.052003fcu,MPafcp,MPafcp=(0.70-0.80)·fcu立方體試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu，k）

立方體抗壓強(qiáng)度（fcu）只是一組混凝土試件抗壓強(qiáng)度的算術(shù)平均值，并未涉及數(shù)理統(tǒng)計(jì)和保證率的概念。而立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu,,k）是按數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定，具有不低于９５％保證率的立方體抗壓強(qiáng)度。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)

依據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60；(3)混凝土的抗拉強(qiáng)度

混凝土的抗拉強(qiáng)度很小,只有抗壓強(qiáng)度的1/10—1/20。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,抗拉強(qiáng)度是確定混凝土抗裂度的重要指標(biāo)。

拉伸破壞：脆性破壞

在單軸拉伸作用下，使硬化水泥漿體產(chǎn)生裂縫及其擴(kuò)展只需要較小的能量，在過(guò)渡區(qū)存在的原生裂縫和漿體內(nèi)新生成的裂縫迅速地?cái)U(kuò)展與彼此連通，稱(chēng)之為脆性開(kāi)裂劈裂抗拉強(qiáng)度（fts）

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用標(biāo)準(zhǔn)試件１５０ｍｍ立方體，按規(guī)定的劈裂抗拉試驗(yàn)裝置測(cè)得的強(qiáng)度為劈裂抗拉強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)劈拉強(qiáng)度f(wàn)ts

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中fts——混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

F——破壞荷載，Ｎ；

Ａ——試件劈裂面面積，mm2。

(4)影響混凝土強(qiáng)度的因素混凝土破壞過(guò)程

界面裂縫

砂漿裂縫

連續(xù)裂縫破壞骨料與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度

砂漿強(qiáng)度由水泥等級(jí)、水灰比(水膠比)、骨料的性質(zhì)、施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)及齡期決定

水灰比和水泥等級(jí)

——決定傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度的主要因素

fcu=Afce(-B)CW對(duì)于流動(dòng)性和低流動(dòng)性混凝土有：

fcu——混凝土28天抗壓強(qiáng)度，MPa；A、B——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。與骨料的品種、水種品種等因素有關(guān)。

采用碎石：A=0.46，B=0.07；采用卵石：A=0.48，B=0.33。fce——水泥的實(shí)際強(qiáng)度，MPa；C/W——灰水比（質(zhì)量比）；

W/C——水灰比。水泥完全水化理論值0.23包羅米（Bolomey）公式在摻加礦物細(xì)粉摻和料的混凝土中水膠比決定著混凝土的強(qiáng)度混凝土和水泥強(qiáng)度之間不再有線性關(guān)系齡期

齡期，dfn=f28———Ln(n)Ln(28)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（n≥3d）抗壓強(qiáng)度,MPa3728需要說(shuō)明的是此公式適用于四組分傳統(tǒng)混凝土混凝土的養(yǎng)護(hù)基本概念：水化反應(yīng)進(jìn)程決定孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展。養(yǎng)護(hù)通過(guò)控制混凝土硬化過(guò)程的時(shí)間、溫度、濕度條件來(lái)促進(jìn)或控制水化進(jìn)程。

混凝土的養(yǎng)護(hù)在常溫下，水泥顆粒一遇水就開(kāi)始水化反應(yīng)，當(dāng)水化產(chǎn)物包裹了未水化的水泥顆粒后，反應(yīng)速度明顯降低，因?yàn)樗挥性陲査畻l件下才能繼續(xù)，當(dāng)毛細(xì)孔內(nèi)的水蒸氣分壓下降到80％飽和蒸汽壓以下（即相對(duì)濕度小于80%），水化就停止了。因此時(shí)間和濕度是水分?jǐn)U散控制水化過(guò)程的重要參數(shù)，此外，如同所有的化學(xué)反應(yīng)一樣，溫度對(duì)水化反應(yīng)有促進(jìn)作用。養(yǎng)護(hù)溫度和濕度的影響抗壓強(qiáng)度,MPa齡期，d養(yǎng)護(hù)28天強(qiáng)度，%4℃18℃38℃齡期，d保持潮濕1d保持潮濕3d保持潮濕7d長(zhǎng)期保持潮濕混凝土強(qiáng)度與保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響?zhàn)B護(hù)濕度的控制

混凝土自然養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，保持一定的濕度，一般是表面覆蓋草袋等物并不斷澆水。使用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥，澆水保濕應(yīng)不少于7d；火山灰水泥和粉煤灰水泥或摻有緩凝劑或有抗?jié)B要求時(shí)不少于14d；高鋁水泥不少于3d。搗實(shí)方法對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響水灰比抗壓強(qiáng)度，MPa0.30.40.50.65040302010121——人工搗實(shí)2——機(jī)械搗實(shí)(5)

提高混凝土強(qiáng)度和促進(jìn)混凝土強(qiáng)度

發(fā)展的措施

有早期強(qiáng)度要求時(shí)，采用高等級(jí)水泥，并保證一定的水泥摻用比例。使用高效減水劑，采用低水膠比。

摻入礦物細(xì)粉摻合料，選擇尤其硅灰，可以提高混凝土強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度；摻加粉煤灰可以保證后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。采用強(qiáng)度相對(duì)較高，粒形良好和級(jí)配合理的骨料。機(jī)械攪拌和振搗，可使混凝土拌合物很好充滿模板，內(nèi)部孔隙大大減小，從而使混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度大大提高；采用濕熱處理（蒸汽養(yǎng)護(hù)或蒸壓養(yǎng)護(hù)）一般作為制備構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)工藝采用濕熱處理

普通水泥最適合的蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度為80℃左右，時(shí)間5～8h，蒸汽壓力為0.1MPa；礦渣水泥及火山灰水泥為90℃左右，時(shí)間不超過(guò)12h，蒸汽壓力為0.1MPa；蒸壓養(yǎng)護(hù)溫度175℃,蒸汽壓力0.8MPa，時(shí)間8～10h。試件尺寸和形狀此外—骨料的影響

總體來(lái)講，在較低水膠比情況下，骨料粒徑增大將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。主要原因是：⑴較大骨料減少了其比表面積，從而黏結(jié)強(qiáng)度比較小。⑵較大粒徑骨料對(duì)硬化水泥漿體的體積變化約束也比較大，因而會(huì)在混凝土內(nèi)部引起附加拉應(yīng)力。⑶較大粒徑骨料更易集聚內(nèi)部泌水形成水囊。在這些位置上的界面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生微裂縫。問(wèn)題以下情況哪一種將產(chǎn)生較高的28天強(qiáng)度，并說(shuō)明原因：1.水灰比0.5和0.4，2.養(yǎng)護(hù)溫度25度和10度，3.使用100mm和150mm立方體試件4.加載速率3MPa/s和0.3MPa/s*4.2.3混凝土的變形荷載變形溫度變形干濕變形、化學(xué)減縮、塑性收縮、自生收縮、化學(xué)減縮

化學(xué)減縮是由水泥的水化反應(yīng)所產(chǎn)生的固有體積收縮。雖然化學(xué)減縮率很小，在限制應(yīng)力下不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生破壞作用，但其收縮過(guò)程在混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)物微細(xì)裂縫，影響到混凝土的受載性能和耐久性能。塑性收縮

到達(dá)頂部的泌出水會(huì)蒸發(fā)掉，如果泌水速度低于蒸發(fā)速度，表面混凝土含水減小，而引起的變形，一般發(fā)生在拌合后3～12h以內(nèi)，在終凝前比較明顯。由于干縮引起塑性狀態(tài)下的裂縫。這是由于混凝土表面區(qū)域受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)變，而這時(shí)它的抗拉強(qiáng)度幾乎為零，所以形成塑性收縮裂縫，這種裂縫與塑性沉降裂縫明顯不一樣。當(dāng)混凝土本體或環(huán)境溫度高、相對(duì)濕度小，以及風(fēng)大時(shí)容易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。

自生收縮

混凝土在干燥過(guò)程中，首先發(fā)生氣孔水和毛細(xì)水的蒸發(fā)。氣孔水的蒸發(fā)并不引起混凝土的收縮。毛細(xì)孔水的蒸發(fā)，使毛細(xì)孔中形成負(fù)壓，隨著空氣濕度的降低，負(fù)壓逐漸增大，產(chǎn)生收縮力，導(dǎo)致混凝土收縮。同時(shí)，水泥凝膠體顆粒的吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)，由于分子引力的作用，粒子間距離變小，使凝膠體產(chǎn)生緊縮。混凝土的這種體積收縮稱(chēng)為干縮.干濕變形（干縮濕脹）膨脹

0收縮應(yīng)變齡期空氣中養(yǎng)護(hù)水中養(yǎng)護(hù)

混凝土中過(guò)大的干縮會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫，使混凝土性能變差?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中干縮率取值一般為1.5～2.0×10-4。干縮主要是水泥石產(chǎn)生的，因此降低水泥用量，減小水灰比是減少干縮的關(guān)鍵。【案例】混凝土早期養(yǎng)護(hù)不好導(dǎo)致出現(xiàn)收縮裂縫

概要連云港地區(qū)某多層住宅，為7層磚混結(jié)構(gòu)，混凝土等級(jí)均為C30，該工程2002年1月開(kāi)工，該年12月竣工。2004年8月16日，六樓住戶發(fā)現(xiàn)書(shū)房以及主臥室的墻角處有兩道圓弧型的裂縫。8月24日，在鋪貼閣樓瓷磚時(shí)，在書(shū)房處發(fā)現(xiàn)其頂板從中間向兩邊呈45。開(kāi)裂。后發(fā)現(xiàn)主臥室的頂板也發(fā)生明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象。該樓層施工氣象條件為該地區(qū)大氣比較寒冷的一段時(shí)期，最低氣溫30C，最高氣溫150C，相對(duì)濕度在30%—40%之間，當(dāng)日的風(fēng)速很大。施土中雖然采取了多種冬季施工措施，但在作業(yè)時(shí)僅采用雙層草簾覆蓋保溫，未采取灑水養(yǎng)護(hù)和防風(fēng)措施。分析如前所述，特別是風(fēng)大時(shí)，施土完畢后，混凝土正處于初凝期，強(qiáng)度尚未有大的發(fā)展，作業(yè)又沒(méi)有防風(fēng)措施，導(dǎo)致混凝土失去水分過(guò)快，引起表面混凝土干縮，產(chǎn)生裂縫。另外，從裂縫絕大多數(shù)集中在構(gòu)件較薄及與外界接觸面積最大的樓板上這一現(xiàn)象也可證實(shí)，開(kāi)裂與其使用的材料關(guān)系不大，而受氣象條件的影響大些。與樓板厚度接近的墻體之所以未裂，是因?yàn)閴w兩面都有模板，不直接受大氣的影響。由此可以基本斷定，大氣因素是導(dǎo)致混凝土現(xiàn)澆板出現(xiàn)干縮裂縫的直接因素。

混凝土表面的干燥收縮裂縫

溫度變形

混凝土硬化期間由于水化放熱產(chǎn)生溫升而膨脹，到達(dá)溫峰后降溫時(shí)產(chǎn)生收縮變形。升溫期因混凝土模量還很低，只產(chǎn)生較小的壓應(yīng)力，且因徐變作用而松弛；降溫期收縮變形因彈模增長(zhǎng)，而松弛作用減小，受約束時(shí)形成大得多的拉應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)抗拉強(qiáng)度（斷裂能）時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂。溫度變形

混凝土中骨料與水泥石間熱膨脹系數(shù)的差異，可能會(huì)導(dǎo)致界面裂縫的產(chǎn)生；不同溫度區(qū)域熱膨脹作用的差異，如大體積混凝土中內(nèi)部溫度較高，產(chǎn)生較大膨脹，而外部則收縮，因而在外表混凝土中將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生裂縫?；炷翢崤蛎浵禂?shù)約(6-12)×10-6/℃

對(duì)大體積混凝土工程，必須盡量減少混凝土發(fā)熱量，目前常用的方法有：1)最大限度減少用水量和水泥用量；2)大量摻加粉煤灰、磨細(xì)礦渣等摻和料；2)采用低熱水泥；3)預(yù)冷原材料4)選用熱膨脹系數(shù)低的骨料，減小熱變形；5)在混凝土中埋冷卻水管，表面絕熱，減小內(nèi)外溫差；6)對(duì)混凝土合理分縫、分塊、減輕約束等