混凝土强度课件

第四节混凝土的强度强度是混凝土硬化后的主要力学性能，并且与其他性质关系密切。按照我国现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81—1985)规定，混凝土强度有立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和与钢筋的粘结强度等。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小(约为抗压强度的1／10～1／20)，因此结构工程中混凝土主要用于承受压力。一、混凝土的立方体抗压强度与强度等级1.立方体抗压强度

混凝土的抗压强度，是指其标准试件在压力作用下直到破坏时单位面积所能承受的最大压力。混凝土结构构件常以抗压强度为主要设计依据。根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81—1985)制作150mm×150mm×150mm的标准立方体试件，在标准条件(温度20°C±3℃，相对湿度90％以上)下，养护到28d龄期，所测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度(简称立方体抗压强度)，以fcu表示采用标准试验方法测定其强度是为了使混凝土的质量有对比性，它是结构设计、混凝土配合比设计和质量评定的重要数据。2．强度等级

为了正确进行结构设计和控制工程质量，根据混凝土立方体抗压强度标准值(以fcu，k表示)，将混凝土划分不同的强度等级。混凝土立方体抗压强度标准值，系指按标准方法制作和养护的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5％(即具有强度保证率为95％的立方体抗压强度)。混凝土强度等级采用符号C与立方体抗压强度标准值(以N／mm2即MPa计)表示，共划分成C7．5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75及C80共16个强度等级。例如，C40表示混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k=40MPa。二、混凝土的轴心抗压强度(fcp)

确定混凝土强度等级采用立方体试件，但实际工程中钢筋混凝土构件形式极少是立方体的，大部分是棱柱体形或圆柱体形。为了使测得的混凝土强度接近于混凝土构件的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件(例如柱子、桁架的腹杆等)时，都采用混凝土的轴心抗压强度fcp作为设计依据。根据国家标准(GBJ81)的规定，轴心抗压强度采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，如有必要，也可采用非标准尺寸的棱柱体试件，但其高宽比h/a)应在2～3的范围。轴心抗压强度值fcp比同截面的立方体抗压强度值fcu小，棱柱体试件高宽比(h/a)越大，轴心抗压强度越小，但当h／a达到一定值后，强度不再降低。在立方体抗压强度fcu为10～55MPa范围内时，轴心抗压强度fcp≈(0.7-0.8)fcu。

三、混凝土的抗拉强度(fts)混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1／10～1／20，并且这个比值随着混凝土强度等级的提高而降低。由于混凝土受拉时呈脆性断裂，破坏时无明显残余应变，故在钢筋混凝土结构设计中，不考虑混凝土承受拉力，而是在混凝土中配以钢筋，由钢筋来承受结构中的拉力。但混凝土抗拉强度对于混凝土抗裂性具有重要作用，它是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要指标，有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋间的粘结强度，并预测由于干湿变化和温度变化而产生裂缝的情况。劈裂抗拉强度计算公式为：fts=2P/πA=0.637P/A式中fts——混凝土劈裂抗拉强度(MPa)；P一破坏荷载(N)；A——试件劈裂面积(mm2)。试验证明，在相同条件下，混凝土用轴拉法测得的抗拉强度，较用劈裂法测得的劈裂抗拉强度略小。二者比例约为0．9。混凝土的劈裂抗拉强度与混凝土标准立方体抗压强度(fcu)之间的关系，可用经验公式表达如下fts=O．35(fcu)¾图4—8劈裂试验时垂直于受力面的应力分布目前，还没有一种较适当的标准试验能准确测定混凝土与钢筋的粘结强度，为了对比不同混凝土的粘结强度，美国材料试验学会(ASTMC234)提出了一种拔出试验方法。混凝土试件为边长150mm的立方体，其中埋入ø19mm的标准变形钢筋，试验时以不超过34MPa／min的加荷速度对钢筋施加压力，直到钢筋发生屈服，或混凝土裂开，或加荷端钢筋滑移超过2．5mm。记录出现上述三种中任一情况时的荷载值P，用下式计算混凝土与钢筋的粘结强度：fN=P/πdl式中fN——粘结强度(MPa)；d——钢筋直径(mm)；L——钢筋埋入混凝土中的长度(mm)；P——测定的荷载值(N)。

1．水灰比

水泥强度等级和水灰比是决定混凝土强度最主要的因素。也是决定性因素。水泥是混凝土中的活性组成，在水灰比不变时，水泥强度等级愈高，则硬化水泥石的强度愈大，对骨料的胶结力就愈强，配制成的混凝土强度也就愈高。如常用的塑性混凝土，其水灰比均在0．4～0．8之间。当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或通道，大大减小了混凝土抵抗荷载的有效断面，而且可能在孔隙周围引起应力集中。因此，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力愈大，混凝土强度也愈高。但是，如果水灰比过小，拌合物过于干稠，在一定的施工振捣条件下，混凝土不能被振捣密实，出现较多的蜂窝、孔洞，将导致混凝土强度严重下降。参见图4—9。根据工程实践的经验资料统计，可建立如下的混凝土强度与水灰比、水泥强度等因素之间的线性经验公式Fcu=αafce(C/W-αb)式中fcU--混凝土28d龄期的抗压强度(MPa)；

c----1m3混凝土中水泥用量(kG)；

W----1m3混凝土中水的用量(kg)；fce——水泥的实际强度(MPa)，水泥厂为保证水泥出厂强度，所生产水泥的实际强度要高于其强度的标准值(fce,k)，在无法取得水泥实际强度数据时，可用式fce=fce,k代入，其中γc为水泥强度值的富余系数，根据各地区统计资料取得；αa,αb——回归系数，与骨料品种及水泥品种等因素有关，其数值通过试验求得，若无试验资料，则可按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ／T55—2000)提供的αa、αb系数取用：碎石αa=0．46，αb=0．07；卵石αa=O．48，αb=0．33。以上的经验公式，一般只适用于流动性混凝土及低流动性混凝土，对于干硬性混凝土则不适用，利用混凝土强度公式，可根据所用的水泥强度和水灰比来估计所配制混凝土的强度，也可根据水泥强度和要求的混凝土强度等级来计算应采用的水灰比。2．骨料的影响

当骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了坚强密实的骨架，有利于混凝土强度的提高。如果混凝土骨料中有害杂质较多，品质低，级配不好时，会降低混凝土的强度。由于碎石表面粗糙有棱角，提高了骨料与水泥砂浆之间的机械啮合力和粘结力，所以在原材料、坍落度相同的条件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石拌制的混凝土的强度要高。

骨料的强度影响混凝土的强度。一般骨料强度越高，所配制的混凝土强度越高，这在低水灰比和配制高强度混凝土时，特别明显。骨料粒形以三维长度相等或相近的球形或立方体形为好，若含有较多扁平或细长的颗粒，会增加混凝土的孔隙率，扩大混凝土中骨料的表面积，增加混凝土的薄弱环节，导致混凝土强度下降。

3．养护温度及湿度的影响

混凝土强度是一个渐进发展的过程，其发展的程度和速度取决于水泥的水化状况，而温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因素。因此，混凝土成型后，必须在一定时间内保持适当的温度和足够的湿度，以使水泥充分水化，这就是混凝土的养护。养护温度高，水泥水化速度加快，混凝土的强度发展也快；反之，在低温下混凝土强度发展迟缓，如图4—10所示。当温度降至冰点以下时，则由于混凝土中的水分大部分结冰，不但水泥停止水化，强度停止发展，而且由于混凝土孔隙中的水结冰，产生体积膨胀(约9％)，而对孔壁产生相当大的压应力(可达100MPa)，从而使硬化中的混凝土结构遭到破坏，导致混凝土已获得的强度受到损失。图4一10养护温度对混凝土强度的影响图4—11为潮湿养护对混凝土强度的影响。水泥水化不充分，水化作用未完成，还会使混凝土结构疏松，形成干缩裂缝，增大渗水性，从而影响混凝土的耐久性。为此，施工规范规定，在混凝土浇筑成型后，必须保证足够的湿度，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发。在夏季施工的混凝土，要特别注意浇水保湿。使用硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥时，浇水保湿应不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中掺用缓凝型外加剂或混凝土有抗渗要求时，保湿养护应不少于14d。图4一11混凝土强度与保湿养护时间的关系Fn/f28=lgn/lg28式中fn——nd龄期混凝土的抗压强度(MPa)；f28----28d龄期混凝土的抗压强度(MPa)；n----养护龄期(d)，n≥3。根据上式；可以由所测混凝土的早期强度，估算其28d龄期的强度。或者，可由混凝土的28d强度，推算28d前混凝土达到某一强度需要养护的天数，来确定混凝土拆模、构件起吊、放松预应力钢筋、制品养护、出厂等日期。但由于影响强度的因素很多，故按此式计算的结果只能作为参考。5．试验条件混凝土强度测定值的影响。·试验条件是指试件的尺寸、形状、表面状态及加荷速度等。试验条件不同，会影响混凝土强度的试验值。(1)试件尺寸相同的混凝土试件尺寸越小，测得的强度越高。试件尺寸影响强度的主要原因是，当试件尺寸大时，内部孔隙、缺陷等出现的几率也大，导致有效受力面积减小及应力集中，从而引起强度的降低。我国标准规定，采用150mm×150mm×150mm的立方体试件作为标准试件，‘当采用非标准的其他尺寸试件时，所测得的抗压强度应乘以表4—17所列的换算系数。表4一17混凝土试件不同尺寸的强度换算系数因此，我国标准规定，混凝土抗压强度的加荷速度为0．3～0．8MPa／s，且应连续均匀地进行加荷。图4—12压力机压板对试件的约束作用图4—13试件破坏后残存的棱锥体图4—14不受压板约束时试件的破坏情况

六、提高混凝土强度的措施

1．采用高强度等级水泥或早强型水泥在混凝土配合比相同的情况下，水泥的强度等级越高，混凝土的强度越高。采用早强型水泥可提高混凝土的早期强度，有利于加快施工进度。2．采用低水灰比的干硬性混凝土低水灰比的干硬性混凝土拌合物游离水分少，硬化后留下的孔隙少，混凝土密实度高，强度可显著提高。因此，降低水灰比是提高混凝土强度的最有效途径。但水灰比过小，将影响拌合物的流动性，造成施工困难，一般采取同时掺加减水剂的方法，使混凝土在低水灰比下，仍具有良好的和易性。4．采用机械搅拌合振捣

机械搅拌比人工拌合能使混凝土拌合物更均匀，特别是在拌合低流动性混凝土拌合物时效果显著。采用机械振捣，可使混凝土拌合物的颗粒产生振动，暂时破坏水泥浆体的凝聚结构，从而降低水泥浆的粘度和骨料间的摩擦阻力，提高混凝土拌合物的流动性，使混凝土拌合物能很好地充满模型，混凝土内部孔隙大大减少，从而使密实度和强度大大提高，如图4—15