五、混凝土的力学性能

1、四、混凝土的物理力学性质Physical and Mechanical Properties of Hardened Concrete主要内容 v强度 包括抗压、抗拉和握裹强度等。v尺寸稳定性 包括弹塑性、徐变、体积变形等。(一) 混凝土的强度 Strength of Concretev几个基本概念v混凝土受压破坏机理 v决定混凝土强度的内在因素 v混凝土强度的影响因素混凝土强度指标的重要性v在混凝土设计和质量控制中，一般以强度作为评价的性能。（有其缺陷性）强度是土木工程结构对材料的基本要求；混凝土的其它难以直接测量的主要性能，如弹性模量、抗水性、抗渗性、耐久性都与强度有直接关系，所以，可以由

2、强度数据推断推断出其它性能的好坏；与其它许多性能相比，强度试验比较简单直观，通过制作试件，对其进行强度试验，测得的试件破坏时所能承受的最大内应力，即可计算得出混凝土的强度。三问？v混凝土受力破坏机理破坏机理是什么？What ?v混凝土强度有哪些影响因素？Which ?v如何使混凝土获得所需要的强度？How ?1、混凝土强度试验v混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。v混凝土的强度试验有：抗压试验l单轴受压 混凝土受单方向压力作用,工程中采用的强度一般是单轴抗压强度；l多轴向受压 混凝土受多方向压应力作用抗拉试验l直接拉伸试验l劈裂试验l抗弯试验(1) (1) 抗压强度试验v混凝土试件几何

3、形状有立方体、棱柱体和圆柱体，我国以立方体试件为主；立方体试件的边长有100mm、150mm、200mm三种；当混凝土中骨料的Dmax20mm 时，可采用100mm立方体；当混凝土中骨料的Dmax40mm 时，可采用150mm立方体或200mm。v试件的养护条件标准条件： 202C，相对湿度95%；工程现场条件。PPPP混凝土抗压强度的几个基本概念v立方体抗压强度v立方体强度标准值v强度等级v实际强度国家标准国家标准GB/T50081-2002规定：制作边长为规定：制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件的立方体试件，在标准条件(20 2 C，相对湿度相对湿度95%)下，养护到下，养护到2

4、8天龄期，测得天龄期，测得的抗压强度值称为的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度，以，以“fcu”表示。表示。 用标准试验方法测得的一组若干个立方体抗用标准试验方法测得的一组若干个立方体抗压强度值的总体分布中的某一个值，低于该值压强度值的总体分布中的某一个值，低于该值的百分率不超过的百分率不超过5%，该抗压强度值称为，该抗压强度值称为立方立方体抗压强度标准值体抗压强度标准值。以。以“fcu,k”表示表示 根据混凝土立方体强度标准值根据混凝土立方体强度标准值(MPa)划分的等级，划分的等级，以符号以符号C+混凝土立方体强度标准值混凝土立方体强度标准值(fcu,k)表示。普通表示

5、。普通混凝土混凝土14个强度等级个强度等级 将试件在实际工程的温湿度条件下养护将试件在实际工程的温湿度条件下养护28天，测得的立天，测得的立方体试件强度，作为混凝土施工质量控制和验收依据。方体试件强度，作为混凝土施工质量控制和验收依据。v轴心抗压强度国家规范规定：用尺寸为150 mm 150 mm 300mm的标准棱柱体试件，按规定方法成型、标准条件下养护28天，测得的抗压强度为轴心抗压强度，以fcp表示；工程结构设计的依据；轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系： fcp = (0.70.8)fcu换算系数与混凝土强度有关，强度越高，系数越小。C15、C20、C25、C30、C35、C40、C4

6、5、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80如何求得立方体抗压强度标准值的？例如：一组试件的立方体抗压强度值分别为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个数据。 用比较法可得：其抗压强度标准值是30.2MPa； 因为20个数据中，小于30.2MPa的只有一个29.5MPa，百分率为5。(2) 抗拉强度试验v直接轴心抗拉试验很困难荷载作用线难以与试件轴线保持重合，

7、发生偏心；难以保证试件在受拉区断裂。v劈裂抗拉试验试件：边长为150mm的立方体试件或圆柱体试件原理：在试件的相对的表面素线上作用均匀分布的压应力，从而在竖向平面内产生均匀拉伸应力v四点弯拉试验试件：150150600(或550)mm3的梁式试件按三分点加荷进行弯曲试验，在试件下方产生拉伸应力PPfd = P/A横截面积为A轴心直拉试验Tension Testing混凝土受拉伸 直拉试验 劈裂抗拉 四点弯曲拉伸单轴拉伸作用下混凝土的行为 混凝土的应力-应变曲线、弹性模量和泊松比均与单轴受压作用条件下的类似，但是因为在这种应力状态下抑制裂缝发展的可能性小得多，裂缝从扩展开始到失稳的过程短暂，呈现

8、十分明显的脆性断裂。 劈裂抗拉试验 Splitting Testfs 劈拉强度计算：fts = 2P/ a2 = 0.637( (P/ a2) ) a：立方体试件的边长 ;150 mm 150 mm 150mm的立方体试件PPa受 拉fs弯拉试验 Flexural Test/Modules of RuptureP L/3 L/3 L/3 fb拉 压v用尺寸为150 mm 150 mm 550mm的梁式试件，标准条件下养护28天，采用三分点加荷方式试验，直至试件断裂。v根据材料力学理论合线弹性应力应变分析，试件断裂是的最大拉伸应力为： fb = PL / bd2 (bd= 试件的截面积) 称为断

9、裂模量 modulus of rupture2、混凝土受压破坏机理 v混凝土受压破坏过程 是内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程，也是混凝土内部固体相结构从连续到不连续的发展过程。v受力状态：由于粗骨料的强度和弹性模量大于水泥石的，在混凝土承受单向受压时，使骨料的上下两面产生压应力；而在骨料侧面则产生拉应力；由于力的传递在骨料的上下面形成一锲形，因而在契形两侧的水泥石还受到剪应力，而在裂缝的尖端会产生很大的应力集中。混凝土试件受压时内部裂缝扩展情形混凝土受压破坏的三种形式 v骨料强度小于水泥石强度，则骨料劈裂破坏； v水泥石发生拉伸或剪切破坏； v水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏。 普通混凝土普

10、通混凝土剪切粘结破坏混凝土试件单轴受压v裂缝的扩展 混凝土抗拉强度较低，而裂缝尖端的应力集中和受拉区所受的拉应力远远超过其抗拉强度，导致裂缝在较低的压应力水平下扩展和产生。v原始裂缝存在的原因：水泥水化收缩导致骨料与水泥石之间和水泥石内部产生微裂缝； 由于水泥石与粗骨料的弹性模量的差异，温湿度的变化而导致产生界面微裂缝； 混凝土拌和物的泌水现象，导致骨料下部形成水囊，干燥后即为界面裂缝。v混凝土内部界面区对于混凝土受压破坏很重要混凝土受压破坏机理a. 受压破坏，或者在较低应力水平上拉伸破坏，都是因为多裂缝的相互作用所导致，而不是单一裂缝扩展的结果；b. 硬化水泥浆或混凝土中裂缝的扩展不沿直线，

11、而是绕过水泥石或骨料颗粒边缘，沿着弯曲的路径延伸，在此过程裂缝发生畸变与挫钝。c. 混凝土是硬化水泥浆、过渡区和骨料的复合体，三者各有其本身的断裂韧性(Kc)，很难测定。美国混凝土学会美国混凝土学会混凝土中的界面过渡区v研究混凝土的力学行为，将混凝土材料作为三相复合体是很有帮助的:硬化水泥浆水泥石骨料界面过渡区 (TZ ) v过渡区特征过渡区以厚度约为10-15 m的薄壳存在于粗骨料的周围；过渡区比混凝土中其它两相硬化水泥浆和骨料都弱，是混凝土中最薄弱的组份，所以虽然尺寸小，但对混凝土的力学行为影响很大；在混凝土浇灌好后，在粗骨料周围形成一层水膜，导致粗骨料周围的水灰比大于整体水泥浆，所以界面

12、过渡区多孔，且钙矾石和羟钙石都呈取向性大晶体颗粒。混凝土过渡区结构骨 料C-S-H钙矾石CH裂缝扩展的路径和方向骨 料水泥石骨料周围的界面区普通混凝土的微结构裂缝沿界面区扩展过渡区的重要性v为什么?混凝土在受拉是脆性的，而受压时又相当强韧；混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/20；在水灰比相同时，砂浆的强度大于混凝土的强度；硬化水泥浆和骨料是弹性体，而混凝土不是；在相同水灰比时，砂浆的渗透性只有混凝土的1/100。过过 渡渡 区区v过渡区是“链的最薄弱环节”，一般认为是混凝土强度的“限制相”；v改善过渡区的措施：低水灰比（w/c ）掺加超细矿物掺合料(很大比表面积) 选用骨料的种类 混凝土、砂浆

13、和水泥浆体的应力-应变曲线3、混凝土强度的影响因素 混凝土的强度fc随着龄期和养护不断增长，主要有三方面的影响因素：组成材料的特性与配合比（内在因素）浇灌与养护条件（温湿度、时间）生产工艺与条件此外，强度试验参数影响到测试值。分析和掌握的思路： 材料的强度与其组成、结构密切有关 组成影响因素：水泥、骨料和水及其特性与掺量； 结构影响因素：组成材料及其分布、生产工艺与条件、浇灌与养护制度等。水泥品种龄期养护条件外加剂水化度水灰比凝胶结构与组成孔隙率含水量水泥石强度骨料质量表面特征化学组成骨料用量粒径弹 模水泥石骨料粘结力混凝土混凝土强度强度生产因素混凝土强度的影响因素图解1) 组成材料的特性与配

14、合比v水灰比v水泥品种v骨料品种、最大粒径与级配v水泥浆与骨料相对含量v拌合水v外加剂(化学外加剂、矿物外加剂)水灰比的影响v水泥水化所需的水量远少于为保证混凝土拌和物和易性所需的水量，剩余水将在混凝土中留下大量孔隙，而材料强度与孔隙率呈指数函数关系；v混凝土强度与水灰比符合 “Abrams 定律”： 毛毛 细细 孔孔 隙隙 率率 （ %） 抗抗压压强强度度（Mpa） 硬化水泥浆体强度-毛细孔隙率关系140水灰比(W/C) fc （K1 / K2）w/cK1、K2 是常数，取决于混凝土的龄期、组成材料及测定方法等因素。不同水灰比硬化水泥浆体的应力应变关系水灰比如何影响？v混凝土的强度随着水灰比

15、的减小而增加；v当 w/c 0.5 降低到0.150.30； 混凝土抗压强度从30MPa 提高到200800MPa！2) 浇灌与养护条件的影响新拌混凝土的和易性捣实程度与养护条件硬化混凝土的微结构硬化混凝土的强度养 护 Curingv混凝土硬化过程中，人为地变化混凝土体周围环境的温度与湿度条件，使其微结构和性能达到所需要的结果，称为对混凝土的养护。温度湿度v分析思路：水泥矿物的水化反应与温度、湿度的关系？混凝土致密、均匀的微结构形成与温度、湿度的关系？强度与湿养护v混凝土连续湿养护有利于混凝土强度的发展。v湿养护的措施：喷洒水浴用砂、木屑或薄膜覆盖湿养护时间越长，混凝土强度越高timein a

16、ir entire timemoist cured entire timein air after 3 daysin air after 7 daysStrength28100%浇灌与养护温度的影响v三种情形:I. 浇灌和养护温度相同. 温度越高，强度增长越快，为什么？II. 不同温度下浇灌，常温下养护 养护温度相同时，浇灌温度越高，混凝土后期强度(180天)越低。III. 常温下浇灌，不同温度下养护 养护温度越低，强度越低。混凝土连续在21C下养护28天的试样强度的百分率(%) 混凝土在指定的温度下浇灌密封放置混凝土在指定的温度下浇灌密封放置2 2小时后，再在小时后，再在2121 C C下养

17、护到测试龄期下养护到测试龄期说明：混凝土在说明：混凝土在21下浇灌并放置下浇灌并放置6小时后，小时后，再在指定温度下养护至测试龄期再在指定温度下养护至测试龄期v养护温度越低，强度越低；v养护温度比浇灌温度更重要!v冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。v微观研究表明：较低温度的养护可以使得水泥石的结构致密、均匀。为什么？龄期的影响 混凝土强度在最初37d增长较快，然后逐渐缓慢下来。其随养护龄期的增长大致符合对数函数关系： fcu,n/fcu,a = lg n/lg a 式中： fcu,n n天龄期混凝土的抗压强度； fcu,a a天龄期混凝土的抗压强度； 养护龄期对混凝土强度的影响3) 试

18、件与试验参数对强度测试值的影响A. 试件形状；B. 试件尺寸；C. 表面处理；D. 加载时间（加荷速度）；E. 试验机的刚度等。 上述因素影响强度试验值，而不是实际混凝土强度！试件尺寸的影响试件尺寸越大，混凝土强度测试值越偏低；试件尺寸越小，混凝土强度测试值越偏高；相对强度()试件尺寸(cm)0 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90其原因：环箍效应，尺寸小，环箍效应明显；缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大试验参数v含水状态:试验时，要求试件是湿状态；干燥试件比饱水试件强度高20 25% v原因: 水泥石内部不连续压力的存在。v加荷条件：恒定加荷速度加荷速度越快，测试值越高，反之

19、亦然。v原因：材料对外加荷载的响应4、混凝土抗压强度与抗拉强度的关系v混凝土的抗压强度与抗拉强度没有直接关系！v抗拉强度与抗压强度之比(拉压比)取决于混凝土抗压强度等级，强度等级越高，拉压比越小。低等级混凝土的拉压比为0.100.11；中等级混凝土的拉压比为0.080.09；高等级混凝土的拉压比为0.07v影响混凝土强度的因素同样影响拉压比v为什么？5、与钢筋的粘结强度 v一般采用预埋钢筋的拔出试验法测定。v为了增大与钢筋的粘结强度，采用压痕钢筋。v改善混凝土与钢筋的界面状况。 混凝土沉降形成的界面缝隙钢筋钢筋混凝土混凝土双膜氢氧化钙水泥浆本体多孔层如何使得混凝土具有所需的强度三条技术途径：v

20、原材料的选择v配合比设计v浇灌和养护 水泥品种与强度等级 骨料品种、粒径、级配 外加剂 水灰比 砂率 用水量或胶凝材料用量 温度 湿度 时间Summaryv强度是混凝土的重要性能指标，它与混凝土其它性能有着密切的关系；v混凝土强度主要是抗压与抗拉强度，二者之间没有直接关系；v抗压强度采用单轴抗压试验直接测量，而抗拉强度一般采用劈裂和四点弯曲试验间接测量与评价；v混凝土强度的主要影响因素比较复杂，主要有三个方面：组成材料的性能与掺量；成型工艺与养护条件试件与试验参数(影响测试值)v获得指定强度的技术途径：原材料的选择配合比设计成形工艺与养护制度问题？1. 试从混凝土受压破坏过程，分析混凝土强度与

21、水泥强度等级、水灰比的关系？2. 为什么早期温度高，混凝土早期强度高，但后期强度低？而早期温度低，虽然早期强度低，但后期强度高？3. 早期干燥对混凝土抗压强度有何影响？为什么？4. 为什么混凝土强度的测量要用标准试件、标准养护条件、标准加荷速度？ 混凝土的变形性能Deformation Properties of Hardened Concrete(二) 混凝土的尺寸稳定性 Dimensional Stability of Concrete 硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿度变化)和外加荷载因素，因此有：v荷载作用下的变形 弹性变形非弹性变形 v非荷载作用下的变形 收缩变形膨胀变形

22、v复合作用下的变形 徐变三问：l 各种变形的特征是什么(What)？l 这些变形是如何产生的(How)？l 影响这些变形的因素有那些(Which)？引深思考：如何减小或消除这些变形的负面影响1、荷载作用下的变形v单轴受压时的应力应变行为v混凝土的弹性模量v混凝土弹性模量与组成关系v混凝土弹性模量的主要影响因素；v弹性模量与抗压强度的关系；(1) 单轴受压时的应力应变行为v在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。v特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产生塑性变形。在较低应力(极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主；在较高应力( f

23、cp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高，塑性变形量越大；混凝土强度越低，塑性变形越大。骨 料混凝土水泥石受压时，骨料、水泥石和混凝土的应力应变曲线混凝土受压的应力应变全曲线混凝土受压的应力应变全曲线重复荷载作用下的应力-应变曲线塑弹问题？v为什么骨料和水泥石是弹性体，而二者组成的混凝土是弹塑性体？v原因： 混凝土是一个多物相、多孔性的复合材料，其主体是颗粒堆聚体，存在界面过渡区，且过渡区有原生微裂缝。受力下，界面裂缝的扩展、颗粒间的滑移、孔隙中水的迁移等因素导致产生塑性变形。v混凝土单轴受压下的曲线可以分为4个阶段：在极限应力fcp的30%以下，界面过渡区微裂缝是稳定的，因此， 曲线是

24、线形的；当应力 fcp的30%时，随着应力增加，过渡区的裂缝长度、宽度和数量增加， /比值增加， 曲线偏离直线；如果应力 fcp的50%，过渡区的微裂缝稳定体系存在，基体水泥石不会产生微裂缝；当应力 fcp的5060%时，基体相中产生微裂缝，如果应力进一步增加，基体相微裂缝扩展，增多，过渡区微裂缝失稳，导致曲线弯向横轴当应力 fcp的7580%时，应变能释放速度达到在持久应力下裂缝自发扩展的水平，应变随应力增长很快，直至裂缝成为联系体系破坏。界面过渡区的微裂缝过渡区裂缝扩展，但基体相没有裂缝基体相中产生裂缝裂缝成为连续体系破坏(2) 混凝土的弹性模量v弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性模量v

25、混凝土的应力应变行为不完全遵循虎克定律， 曲线是非线性的，所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。v为了工程设计，故常对应力应变曲线的初始阶段作近似直线处理，有三种处理方式：原点切线弹性模量 Eo = tan 1； 割线弹性模量 Eh = tan 2； 切线弹性模量 Et = tan 3。原点切线 1 2 3割线切线难以准确测量，应力水平很低，实用意义小。 我国现行标准指定以应力 =1/3 fcp时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量Eh静力弹性模量。只适用于切点处荷载变化很小的范围内，工程意义也不大(3)影响混凝土弹性模量的因素v单相匀质材料的弹性模量和密度有直接关系；v混凝土是多物相复合

26、材料，因此，其弹性模量取决于下列因素：各物相的体积分数；各物相的密度；各物相的弹性模量界面过渡区的特性混凝土弹性模量影响因素v混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性行为取决于各个相的弹性行为：未水化的水泥颗粒水化物凝胶水粗骨料细骨料v混凝土的弹性模量取决于下列4个要素：水泥石的弹性模量Ep；骨料的弹性模量Ea；骨料的体积含量(或水泥石的体积含量)Vg。界面过渡区特性水泥石骨 料基体相分散相混凝土弹性行为的复合模型v将混凝土简化为由水泥石和骨料组成的两相复合材料，因而，可建立如下复合材料模型，来预测混凝土的整体行为：因为：c ap，c1a Vg+ p (1Vg)根据虎克定律： E得到： EcEaV

27、g+Ep(1Vg) (1)因为：cap ， c 1 aVg+ p (1Vg)根据虎克定律： E得到： (1/Ec)(Vg/Ea)+ (1Vg)/ Ep (2)该模型是由上下两层水泥石和中间第一个模型构成，同理可得：(1/Ec)(1-Vg1/2)/Ea+ Vg1/2/EaVg+Ep(1-Vg1/2) (3)弹性模量与组成的关系v根据上述3个公式，得到如图所示的曲线；v公式(1)和(2)分别为混凝土弹性模量的上、下限；v公式的适用取决于骨料与水泥石的弹性模量之比Ea/Ep：vEa/Ep=1，3个公式均适用，一般Ea/Ep1，公式(3)最接近实际情况；v所以，混凝土的弹性模量取决于水泥石和骨料的弹性

28、模量，以及骨料的体积分数EcEpEa(1)(3)(2)00.51.0混凝土中骨料的体积分数影响混凝土弹性模量的因素 v水泥石基体相的弹性模量水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制： Ep=E0(1Pc)3，即孔隙率越大，弹性模量越低；v水泥石的孔隙率的影响因素：水灰比 水灰比越小，弹性模量越高;水泥水化度(龄期) 弹性模量随水化龄期不断增长;空气含量 含气量越大，弹性模量越低；矿物掺合料 含水状态 吸水饱和时的弹性模量大于干燥时的；水 灰 比水泥石的弹性模量(GPa)龄期(天)水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响影响混凝土弹性模量的因素v骨料相的弹性模量骨

29、料的孔隙率 骨料越密实，弹性模量越高；粗骨料的体积含量 弹性模量高的粗骨料越多，一般来说，混凝土的弹性模量越高；v界面过渡区特征空隙, 微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。弹性模量弹性模量(GPa)玄武岩玄武岩辉绿岩辉绿岩辉长岩辉长岩白粒岩白粒岩石灰石石灰石石英岩石英岩蛇纹石蛇纹石冻石冻石混凝土试件、水泥浆体和骨料的弹性模量混凝土混凝土水泥石基体水泥石基体骨料骨料混凝土过渡区结构骨 料C-S-H钙矾石CH(4)(4) 混凝土弹性模量与抗压强度的关系v混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混凝土弹性模量应由试验测定；v一般来说，混凝土抗压强度越高，

30、弹性模量越大：二者之间存在经验公式： Ec 3.32( fcyl)0.5 + 6.9 (ACI 2000b) 式中： Ec 混凝土弹性模量； fcyl 标准棱柱体试件28天抗压强度 该公式适用于抗压强度在2183 MPa的混凝土PP水饱和状态下， 混凝土的泊松比 =0.250.3；干燥状态下， 混凝土的泊松比 =0.2；一般在0.170.2。混凝土泊松比随骨料含量的增加而增加。混凝土的泊松比2、混凝土在非荷载作用下的变形v干燥收缩v自收缩v温度变形(1) 湿胀干缩变形v定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形湿胀干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的。v水泥石和混凝土的收缩行为水泥

31、石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀；第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢复。试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。v混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约束下的收缩将导致混凝土开裂。连续浸泡连续浸泡下的湿胀下的湿胀不可逆收缩可逆收缩应变膨胀收缩第1次干燥时间水泥石或混凝土在干湿循环下的变形行为混凝土的干缩机理v干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图所示，收缩值随着水的损失变化的斜率不一致。v环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：毛细张力 毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因大气水蒸气压降低而蒸发时，表面张

32、力增加，产生拉伸应力，使得孔壁受压而收缩；分离压 水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁间存在分离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损失时，将降低孔壁的分离压，引起整体收缩；层间可挥发水的迁移 0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水损失对水灰比为0.5的水泥石干缩的影响变形百分率(%)水损失量（质量百分数%)毛细水吸附水分离压干燥收缩的危害u路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；u当混凝土的干燥收缩受到约束时，将导致裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。混凝土干缩的影响因素v混凝土组成与配合比混凝土的干缩小于水泥石，因此

33、，骨料体积含量越大，干缩越小：cp (1-Vg)n (n1.21.7)水泥用量 水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大；用水量 水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。水泥种类与细度 细度越细，干缩较大。 v良好养护可以减小收缩v构件几何尺寸和形状表面积与体积比值越大，收缩越大；湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。骨料的体积百分数(%)干缩值比骨料体积含量对混凝土干缩的影响普通混凝土范围水泥石的孔隙率干缩率(%)孔隙率对水泥石干缩的影响不可逆收缩可逆收缩第1次收缩(2) 自收缩v条件特征：与外界环境无水分交换；v产生的原因：水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛细管压力，引起收缩自干燥收缩

34、；水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导致混凝土硬化后收缩化学收缩；v特点：收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。v影响因素水泥品种 主要是矿物组成与混合材种类；水灰比 随水灰比减小，收缩增大 ；骨料及其体积分数水泥用量外加剂内部相对湿度(%)龄期(天)水泥石内部相对湿度随龄期的变化自收缩测量装置0100200300400500600700800900100000.51.534.56时间（天）自收缩（微应变）普通硅酸盐中热水泥快硬铁铝酸盐硫铝酸盐水泥品种对自收缩的影响水灰比对自收缩的影响0200400600800100000.51.534.56时间（天）自收缩（微应变）W/C=0.

35、45W/C=0.35W/C=0.30W/C=0.250200400600800100000.51.534.56时间（天）自收缩（微应变）(W/C)e=0(W/C)e=0.045(W/C)e=0.07外加剂对自收缩的影响骨料与未水化水泥颗粒的含量(%)收缩值之比骨料和未水化水泥颗粒含量对收缩值的影响问题？v混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？解答：相同点：机理相似，水分损失、毛细张力等；不同点：u 水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变化引起的，后者是由水泥水化引起的；u 前者主要发生在表面层，而后者发生在整个体积，尤其在中心部位更大。(3) 温度变形v与其它材料一样，混凝土也具有热胀冷缩的性

36、质；v混凝土的热膨胀系数为1105/C；v温度变形对大体积混凝土不利，因水泥水化放热，造成内外温差较大，内外膨胀不均，导致外部开裂；v混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。3、混凝土的徐变v什么是徐变？ 在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随时间而增加的变形称为徐变。v徐变曲线特征？v徐变产生的机理？v徐变对混凝土结构有何影响？v影响徐变的因素有那些？徐变曲线特征：v加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。v卸荷后，一部分变形可恢复，称为弹性恢复；其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复；最后残留下来的变形成为不可逆徐变。徐变恢复加荷后的时

37、间加荷后的时间( (天天) )弹性恢复不可恢复弹性变形徐变变形卸荷徐变产生的机理：v水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和剪切滑移；v在荷载作用下，凝胶体内的吸附水被挤出；v骨料的延后弹性变形 ；v过渡区裂缝的扩展或产生。 加荷后，水泥石首先变形，骨料上的应力增大，骨料产生弹性变形延后弹性变形吸附水吸附水吸附水排出吸附水排出徐变徐变徐变机理 不利： 徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达3050%； 混凝土构件会产生随时间变化的挠度或变形。 有利 徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小； 降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中

38、的应力峰值。徐变的影响： 西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(主跨为241m)，由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌 (1996年)。影响徐变的因素： v湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小；v环境湿度：湿度降低，徐变增大；v温度：温度升高，徐变增大，70C以上，使徐变降低；v骨料用量：体积含量增加，徐变减小；v骨料的特性：泊松比和弹性模量，弹模越大，徐变越小；v水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大；v水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小v荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大 。骨料的体积含量骨料的体积含量(%)骨料的体积含量对混凝土徐变

39、 的影响温度对混凝土徐变的影响荷载作用时间荷载作用时间(天天)加荷的应力水平对混凝土徐变的影响加荷时间加荷时间( (天天) )环境湿度对混凝土徐变的影响骨料的弹性模量对混凝土徐变的影响加荷时间加荷时间(对数对数)4、收缩与徐变对混凝土开裂的影响v混凝土的开裂受多种因素的影响环境的物理与化学因素和荷载作用下的变形；混凝土的延性、强度等性能；变形受到约束的程度。v开裂条件：收缩与徐变的相互作用收缩受到约束时，产生拉应力；在一定持续应力下，混凝土会产生徐变，引起应力松弛，导致应力随时间减小；当徐变后的实际应力达到抗拉强度时，混凝土才会开裂。干缩与徐变混凝土在干燥状态受压下的变形无松弛作用时出现开裂混

40、凝土的抗拉强度开裂延迟应力松弛后的实际应力应力松弛时 间收缩应变受约束时产生的弹性拉应力延伸性与开裂 Extensibility and Cracking延伸性的含义：弹性模量 弹模越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；徐变 徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。 Summaryv骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体，在受压应力作用，既产生弹性变形，又产生塑性变形；v混凝土的弹性模量不是一个常数，工程应用中，一般用割线弹性模量作为设计依据，其大小取决于水泥石和骨料的弹性模量及其相对含量，以及界面状况；v在干燥状态下，混

41、凝土内部水的损失，而引起干缩变形，它与混凝土的组成、构件几何尺寸与形状、环境条件等有关；v在与外界隔绝的条件下，由于水泥水化会引起混凝土内部自干燥，而产生整体的自干缩变形；v在荷载长期作用下，混凝土会发生随时间增加的变形徐变，干燥会使徐变增大；v在约束条件下，混凝土发生的各种变形，可引起开裂。混凝土耐久性Durability of Concrete概 念v混凝土耐久性 混凝土材料在长期使用过程中，抵抗因服役环境外部因素和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力。v混凝土构筑物的服役寿命 混凝土构筑物受到其服役环境因素的侵蚀和破坏，导致其使用性能下降到最低设计值时，所经历的时间(

42、年)。混凝土耐久性的重要性v保证混凝土构筑物运行的安全性v延长混凝土构筑物的服役寿命v节约混凝土构筑物维护成本v节约自然资源，减少消耗v改善人类居住的环境条件混凝土耐久性危机 时间 特点 措施第1次 40年代 盐冻 引气剂 第2次 70年代 离析、泌水 低水胶比 第3次 80年代 早期热裂缝 综合美国大量混凝土路面受冻融循环侵蚀很快发生剥落美国等国家大量混凝土桥面板、路面、停车场和港口设施受侵蚀破坏钢筋混凝土桥梁的侵蚀损毁拆除前的西直门桥一座桥何以只有二十年寿命？冰岛一港口混凝土路面受盐冻剥落混凝土路面受盐冻剥落碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝Map Cracking碱骨料反应引起混

43、凝土的自由变形产生网状裂缝碱骨料反应引起的错位硫酸盐侵蚀引起的大坝破坏混凝土性能劣化的模式v组成改变v体积膨胀、裂缝v表面开裂v表面剥落v溶蚀v磨损v结构酥松v承载力下降v弹性模量降低v质量损失v体积增长导致混凝土性能劣化的因素v外部环境因素： 水、风化、冻融、化学腐蚀、磨损、气体等； v材料内部原因： 碱骨料反应、体积变化、吸水性、渗透性等。 混凝土内部可蒸发水的可逆性和随之引起或产生的有害作用是导致混凝土劣化的重要原因。混凝土耐久性的内容v抗渗性 v抗冻性 v耐腐蚀性 v抗碳化性 v碱骨料反应 v耐火性v耐磨性与抗冲刷性混凝土的劣化分为两大类：u 第一类，由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入

44、混凝土的速率所决定。 化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀、碳化； 物理的：冻融、盐结晶、火灾等。u 第二类，是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一些另外的机理。一、混凝土的抗渗性 Permeability of Concretev定义：混凝土抵抗压力水(油、液体)渗透的能力，称为抗渗性。v评价指标：抗渗标号P以28d龄期的混凝土标准试件，按标准方法进行抗渗试验，以6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压确定，计算式如下： P = 10H 1 式中：P抗渗标号； H6个试件，3个试件出现渗水时的水压力(MPa)。 水的渗透与混凝土的劣化：v对许多建筑材料来说，水是它们生产过程的重要原料之

45、一，同时也是它们破坏过程的主要介质。v水也是多数结构混凝土出现耐久性问题的核心。不仅物理劣化过程与水有关；同时作为传输侵蚀性离子的介质，水又是其化学劣化过程的一个根源。v混凝土的抗渗性是反映混凝土耐久性的一个重要指标。为什么混凝土会渗水v 混凝土内部存在孔隙通道是其渗水的根本原因！v 孔隙通道包括：混凝土中可蒸发水蒸发后留下的孔道；拌合物泌水时在骨料和钢筋下方形成的水囊与水膜；混凝土各种原因引起的体积变形所产生的收缩裂缝；混凝土在荷载作用下的变形 1、高孔隙率、低渗透性4、多孔、高渗透性3、多孔、低渗透性2、低孔隙率、高渗透性孔隙率、孔隙特征与渗透性的关系混凝土抗渗性的影响因素v混凝土的配合比

46、水灰比胶凝材料(水泥矿物外加剂)用量v浇注成型工艺混凝土的搅拌混凝土的震捣v养护条件湿度温度龄期工程实践证明： 采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300350Kg/m3、水灰比0.450.55，制备出28d抗压强度为3540MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性和良好的耐久性能。 最初几周，硬化水泥浆体的渗透性下降几个量级渗透性水灰比的关系临界区高渗透性高水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低渗透性 水灰比是混凝土抗渗性的重要影水灰比是混凝土抗渗性的重要影响因素！为什么？响因素！为什么？混凝土的抗渗性与吸水性l硬化水泥浆体或混凝土因毛细作用(而不是压力梯度)

47、吸收或吸附水份于其孔隙里的性质，称为吸水性。l试验表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表层的抗渗性。二、混凝土抗冻性Frost Resistance of Concrete三问？v混凝土抗冻性的含义是什么？v混凝土冻融破坏机理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗冻性？什么是混凝土的抗冻性 定义：在吸水饱和状态下，混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏，也不显著降低其强度的性能，称为混凝土的抗冻性。冻冻 害害v什么引起冻害?混凝土内部孔中的水结冰水结冰使体积膨胀9%。v冻害破坏影响到水泥石和骨料v冻害破坏的外观模式剥落 龟裂、分层v构筑物的什么位置最易受损?北方气候混凝土路面、桥面板、挡土墙混凝土的冻

48、融破坏原因与模式 原因：混凝土中大毛细孔里的水结冰时，体积大约要膨胀9 %如果体内没有足够的空间容纳，就会产生可能引起开裂的压力作用于孔缝的壁上，导致孔缝扩展和连接反复的冻融循环使危害扩大和积累，孔缝不断增多，并扩展和连通，造成强度下降破坏模式：表面出现缺棱、掉角、脱皮等现象质量损失强度、弹性模量下降冻害造成D-型裂缝路面受盐冻剥落铁路桥梁的冻害剥落破坏铁路桥梁的冻害剥落破坏铁路桥梁的冻害剥落破坏混凝土冻害机理 水自由流动，作用于玻璃瓶壁的压力较小 水结冰开始，冰膨胀对瓶壁作用一个拉应力 随着结冰进行，瓶壁对冰的约束，产生累计应变能寻求释放 内压很大以至于导致瓶壁破裂让冰膨胀和能量释放冻害机理

49、水结冰产生压力的机理：v水压v渗透压v毛细孔中冰结晶生长压水 压 结冰前，两个孔中的水均处于低压； 冷却前锋到达上面的孔，孔压增加，周围混凝土处于高压水环境中； 冷却前锋继续穿过上面的孔，高压水到达下面的孔，引起流体进入下面的孔，流体通过毛细孔中间高度约束的通道的流动产生水压并加速破坏作用。提高混凝土抗冻性的方法v水泥石抗冻性：低水灰比保证混凝土良好的养护引气剂v骨料的抗冻性选用抗冻骨料混凝土中孔隙尺寸和水的存在v引入的气孔: 搅拌中引入的孔隙孔径为10mm-1cm; 通常是空的。v外加剂引入的气孔孔径为0.1-0.2 mm; 一般是干燥的。v毛细孔：由可蒸发水挥发留下的孔径为0.01-5mm

50、; 含水; 水的冰点为-1C -8C ，取决于孔隙水中离子浓度。v凝胶孔： C-S-H凝胶内部的孔，其孔径为 1-10nm; 含有化学结合水; 由于化学键而抗冻，典型冰点为-78Cv不是混凝土中的孔都对冻害有利。引入的气孔作用机理v水压很高，可使毛细孔间的水泥石破坏；v引入的气孔可以释放水压，避免高压水的产生；v大量的空气泡减小了水释放的平均距离；v引起的气孔有利于混凝土抗冻害性能的改善掺引气剂前掺引气剂后可提高抗冻性混凝土抗冻性试验v方法：用28d龄期、吸水饱和状态下的试件，进行低温冰冻，水中融化循环试验，经过一定循环后测定试件的强度或弹性模量和质量。v评价指标：以强度降低不超过25%、质量

51、损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数N为抗冻指标抗冻标号D或耐久性系数Km： Km = PN / 300 式中：N混凝土试件冻融循环试验至相对弹性模量下降到60%以下时的冻融循环次数； P经N次冻融循环后试件的相对弹性模量。 三、混凝土硫酸盐侵蚀Sulfate Attack on Concrete三问？v混凝土硫酸盐侵蚀的含义是什么？v硫酸盐侵蚀机理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗硫酸盐侵蚀？离子在混凝土中的扩散Diffusion of Ion in Concretev离子的扩散行为虽与水在混凝土中的传输不同，但它要以水为载体.v离子(或原子、分子)在浓度梯度作用下运动，即扩散过程，

52、传输速率由菲克(Fick)定律求得1、混凝土的硫酸盐侵蚀v什么导致混凝土硫酸盐侵蚀： 硫酸根离子与混凝土中水泥水化物之间的化学反应，形成有害化合物，而导致混凝土组成和结构的破坏、强度下降、表面剥离等。v硫酸根离子的来源：海水有机物环境(垃圾、生活污水)工业废料土壤和地下水水泥熟料2、混凝土硫酸盐侵蚀的劣化模式v劣化模式 体积膨胀 开裂 (从构件的边缘和角上开始) 表面剥落、质量损失 强度下降 外观劣化发白v最易发生的部位大坝桥墩地下基础水工设施受硫酸盐侵蚀的混凝土或砂浆试件外观劣化3、混凝土硫酸盐侵蚀机理v钙矾石型v石膏型v碳硫硅钙石型vC-S-H分解型(1)钙矾石型侵蚀机理v外部硫酸根离子渗

53、入水泥石中；v与单硫型硫铝酸钙、氢氧化钙、水反应形成钙矾石： C4AH18+2CH+3SO42+12H = C6A3H32 3C3A3CH+3SO42+29H C6A3H32v钙矾石体积膨胀产生拉应力v拉应力导致混凝土内部开裂破坏钙矾石形成钙矾石形成的膨胀机理v结晶压力机理: 膨胀由钙矾石晶体生长引起的，产生结晶压力作用于水泥石内部和骨料表面过渡区v肿胀理论 Swelling theory: 膨胀是由孔溶液中钙矾石结晶生长引起的，晶体有很大的表面，吸附水而肿胀，导致膨胀压力。(2)石膏型侵蚀机理v化学反应： 硫酸根离子渗入混凝土中的水泥石内；与氢氧化钙CH反应，形成二水石膏： CH + + H

54、 = CH2v石膏的形成导致强度降低，接着膨胀、开裂，将水泥石转变为糊状、无胶结力的物质。v硫酸盐溶液中阳离子(Na+ 、Mg2+ )的不同，可能将C-S-H凝胶转变为石膏。硫酸钠侵蚀:Na2SO4+CH+2H = CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸镁侵蚀：MgSO4+CH+2H = CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgSO4+3C-S-H+18H = 3(CaSO4).2H2O +3Mg(OH)2 +2SiO2.H2OXRD分析证明：v上图，未受侵蚀的水泥石的XRD图谱；v中图，表明石膏型硫酸盐侵蚀，在水泥石中形成大量石膏；v下图，表明钙矾石和石膏混合型硫酸盐侵蚀G: 石膏E: 钙矾

55、石(3)碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀v硫酸根离子SO42侵入硬化混凝土中，在碳酸盐或CO32或CO2的存在下，与C-S-H凝胶反应就形成碳硫硅钙石 ：3Ca2+ SO42+ CO32+ C-S-H+12H2O Ca3Si(OH)6(CO3) (SO4)12H2O v碳硫硅钙石是一种糊状、松软、毫无胶凝能力的物质,因而能使水泥石变成糊状、无粘结力的物体，严重破坏混凝土的结构，降低混凝土的强度。同时也会伴有膨胀性破坏，但膨胀性破坏不是碳硫硅钙石导致的典型破坏。 碳硫硅钙石的形成反应机理图碳化层，pH7-8反应区水泥水化物硫酸盐溶液碳硫硅钙石碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀v最易发生的部位低温环境下的结构物潮湿环境

56、下的结构物地下基础桥墩隧道(4)C-S-H分解型硫酸盐侵蚀v当硫酸盐溶液或含硫酸盐的地下水、污水作用于混凝土，将导致混凝土表面水泥石中C-S-H凝胶分解成硅凝胶： 2CaOSiO21.17H2O + SO42 2.83H2O 2CaSO42H2O + SiO2nH2O + OH v破坏C-S-H的胶凝结构，因而使水泥石丧失了粘结性，混凝土强度降低，表面软化 4、如何阻止混凝土的硫酸盐侵蚀v提高混凝土的质量和抗渗性(减水剂)v限制水泥中 C3A 矿物含量5中低热水泥抗硫酸盐水泥 v掺加火山灰质矿物外加剂15% 偏高岭土35% 磨细矿渣6% 硅灰 20% 低钙粉煤灰v表面涂层保护水泥中C3A含量与

57、混凝土试件体积变化时 间(年)膨胀率()混凝土膨胀率与水灰比的关系时间(年)膨胀率()粉煤灰对混凝土膨胀率的影响时间(年)膨胀率()2. 盐结晶引起开裂v混凝土因孔隙里盐发生结晶的物理作用，可能造成严重的损害，许多多孔材料都可能由于与其接触的饱和溶液析晶过程产生的压力引起开裂。v盐结晶只能发生在一定温度下溶质的浓度超过饱和浓度的时候。过饱和度越大，结晶压越大。v例如岩盐NaCl在过饱和度=2时，8C下产生的结晶压可达55.4MPa，足以让岩石或混凝土开裂四、混凝土的酸腐蚀 v由于混凝土中硬化水泥浆体呈高碱性，没有任何硅酸盐水泥混凝土可以耐酸腐蚀。但如果注意降低渗透性并且养护良好，也能够生产出在

58、弱酸环境中足够耐久的混凝土。v酸腐蚀机理：加速溶蚀 Ca(OH)2 + 2H+ Ca2+ + 2H2OC-S-H 分解成硅凝胶： 3Cao2SiO23H2O + 6H+ 3Ca2+ 2(SiO23nH2O) +6H2Ov破坏模式：表面溶蚀为主五、碱骨料反应 Alkali-Aggregate Reaction (AAR)v什么是碱骨料反应？v碱骨料反应的破坏形式和机理有哪些？v如何抑制混凝土中的碱骨料反应什么是碱骨料反应？ 最常见、最重要的反应是碱硅反应(简称ASR)，它是骨料中所含的无定形硅与孔隙里含碱(钠、钾、钙的氢氧化物)的溶液反应，生成易于吸水膨胀的碱-硅凝胶，当结构物暴露在潮湿环境中，

59、混凝土体内相对湿度超过85%时，就会出现膨胀，直到引起混凝土开裂与破坏。扫描电镜下的碱性反应凝胶碱硅反应 (ASR)“混凝土的癌症”v碱硅反应是下列物质间的反应 硅酸盐水泥中的碱金属离子 氢氧根离子 骨料中的硅成分碱骨料反应的破坏形式？vASR破坏形式膨胀与开裂 Expansion and cracking损失强度 Loss of strength粘性碱硅物质的溢出 或渗出Pop-outs and exudation of viscous alkali-silicate fluidv发生的部位湿环境 (大坝dams, 桥墩bridge piers, 海堤sea walls)暴露环境Expose

60、d environments (道路roads, 建筑物外部结构building exteriors)常见的碱骨料反应破坏形式ASR 膨胀机理膨胀机理v氢氧根离子破坏了骨料中的硅氧结构.v硅形成碱硅凝胶(AS gel)v碱硅凝胶与水接触产生肿胀v反应速度取决于：骨料中硅的活性水泥中碱含量 (wt% Na2O 等价.)vAS 凝胶是膨胀的主体v吸附肿胀理论: 骨料周围形成的碱硅凝胶的吸水肿胀和混凝土孔中水的迁移受阻，因而产生膨胀压。v渗透压理论 Osmotic pressure theory: 骨料周围形成的AS 凝胶是一个半透膜，它只允许一个方向流动：碱金属离子和OH离子扩散进入骨料表面，但硅