建筑材料第4章混凝土Part2

2.2混凝土的強度

混凝土的強度與強度等級

〔１〕抗壓強度標準和強度等級值①立方體抗壓強度〔fcu〕

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

測定混凝土立方體試件抗壓強度，也可以按粗骨料最大粒徑的尺寸而選用不同的試件尺寸。但在計算其抗壓強度時，應乘以換算系數，以得到相當于標準試件的試驗結果?！矊τ谶呴L為100ｍｍ的立方體試件，換算系數為0.95；邊長為200ｍｍ的立方體試件，換算系數為1.05〕。

③強度等級

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

道路路面或機場跑道用混凝土，是以抗彎強度〔或稱抗折強度〕為主要設計指標。水泥混凝土的抗彎強度試驗是以標準方法制備成150mm×150mm×550mm的梁形試件，在標準條件下養(yǎng)護２８ｄ后，按三分點加荷，測定其抗彎強度〔fcf〕，按下式計算：

式中 fcf——混凝土抗彎強度，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；

如為跨中單點加荷得到的抗折強度，按斷裂力學推導應乘以折算系數0.85。

影響混凝土強度的因素

影響混凝土強度的主要因素有：

〔1〕水泥強度與水灰比

水泥是混凝土中的活性組分，其強度大小直接影響著混凝土強度的上下。在配合比相同的條件下，所用的水泥標號越高，制成的混凝土強度也越高。當用同一品種同一標號的水泥時，混凝土的強度主要取決于水灰比。因為水泥水化時所需的結合水，一般只占水泥重量的２３％左右，但在拌制混凝土混合物時，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，并可能在受力時于氣孔或水泡周圍產生應力集中，使混凝土強度下降。

在保證施工質量的條件下，水灰比愈小，混凝土的強度就愈高。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度和耐久性。試驗證明，混凝土強度，隨水灰比增大而降低，呈曲線關系，而混凝土強度與灰水比呈直線關系〔圖4－3〕。

圖4－3混凝土強度與水灰比及灰水比的關系

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

根據大量試驗建立的混凝土強度公式：

式中fcu,0——混凝土28天抗壓強度,ＭＰa；

fce——水泥的實際強度,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，與骨料品種、水泥品種有關，其數值可通過試驗求得。?普通混凝土配合比設計規(guī)程?〔JGJ55—2000〕提供的αa、αb經驗值為：

采用碎石：αa=0.46 αb＝0.07

采用卵石：αa=0.48 αb=0.33〔2〕養(yǎng)護的溫度和濕度

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

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

普通水泥制成的混凝土，在標準養(yǎng)護條件下，其強度的開展，大致與其齡期的對數成正比〔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度,MPa；

lgｎ、lg28——ｎ〔ｎ不小于3〕和28的常用對數。實際工程中利用混凝土的成熟度來估算混凝土強度也是一種有效的方法。混凝土的成熟度是指混凝土所經歷的時間和溫度的乘積的總和，單位為h·℃。當混凝土的初始溫度在某一范圍內，并且在所經歷的時間內不發(fā)生枯燥失水的情況下，混凝土強度和成熟度的對數成線性關系。

〔4〕施工質量

施工質量的好壞對混凝土強度有非常重要的影響。施工質量包括配料準確，攪拌均勻，振搗密實，養(yǎng)護適宜等。任何一道工序無視了標準管理和操作，都會導致混凝土強度的降低。

(5)試驗條件

試驗條件對混凝土強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，要嚴格遵照試驗規(guī)程的要求進行，保證試驗的準確性。提高混凝土強度的措施

〔1〕選用高強度水泥和低水灰比

水泥是混凝土中的活性組分，在相同的配合比情況下，所用水泥的強度等級越高，混凝土的強度越高。水灰比是影響混凝土程度的重要因素，試驗證明，水灰比增加１％，那么混凝土強度將下降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度，這對提高混凝土的強度是十分有效的。

〔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，提高混凝土強度；摻入早強劑，可提高混凝土的早期強度。在混凝土中摻入礦物外加劑〔如磨細礦渣、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?！?〕采用機械攪拌和機械振動成型。

采用機械攪拌、機械振搗的混合料，可使混凝土混合料的顆粒產生振動，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，混凝土混合物被振搗后，它的顆?；ハ嗫拷芽諝馀懦?，使混凝土內部孔隙大大減少，從而使混凝土的密實度和強度大大提高。

〔4〕采用濕熱處理

濕熱處理可分為蒸汽養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護兩類。蒸汽養(yǎng)護就是將成型后的混凝土制品放在100℃以下的常壓蒸汽中進行養(yǎng)護。以加快混凝土強度開展的速度?；炷两?6～20ｈ的蒸汽養(yǎng)護后，其強度即可到達標準養(yǎng)護條件下28ｄ強度的70％～80％。

蒸壓養(yǎng)護混凝土在175℃溫度和８個大氣壓的蒸壓釜中進行養(yǎng)護。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〕化學收縮

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

〔2〕塑性收縮

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

預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、降溫等措施。最有效的方法是凝結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。混凝土在枯燥空氣中存放時，混凝土內部吸附水分蒸發(fā)而引起凝膠體失水產生緊縮，以及毛細管內游離水分蒸發(fā)，毛細管內負壓增大，也使混凝土產生收縮。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的。

混凝土在水中硬化時，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，混凝土的熱脹冷縮的變形，稱為溫度變形?；炷翜囟扰蛎浵禂导s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跗冢嗨懦鲚^多的熱量，而混凝土是熱的不良導體，散熱很慢，使混凝土內部溫度升高，但外部混凝土溫度那么隨氣溫下降，致使內外溫差達50～70℃，造成內部膨脹及外部收縮，使外部混凝土產生很大的拉應力，嚴重時使混凝土產生裂縫。因此，對大體積混凝土工程，應設法降低混凝土的發(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保溫保濕等，以減小內外溫差，防止裂縫的產生和開展。

對縱向長度較大的混凝土及鋼筋混凝土結構，應考慮混凝土溫度變形所產生的危害，每隔一段長度應設置溫度伸縮縫，以及在結構內配置溫度鋼筋。

當用混凝土立方體試件進行單軸靜力受壓試驗時，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“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，界面裂縫的數量、長度和寬度都不斷增大，界面借摩阻力繼續(xù)承擔荷載，但尚無明顯的砂漿裂縫。此時，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，變形增大的速度進一步加快，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，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，荷載與變形的關系，是內部微裂縫開展規(guī)律的表達?；炷猎谕饬ψ饔孟碌淖冃魏推茐倪^程，也就是內部裂縫的發(fā)生和開展過程，它是一個從量變開展到質變的過程。

〔２〕彈性模量

彈性模量是反響應力與應變關系的物理量，由于混凝土是彈塑性體，隨荷載不同，應力與應變之間的比值成為一個變量，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，取其軸心抗壓強度值