混凝土力学性质

混凝土的强度

第二节混凝土的强度混凝土强度的形成混凝土硬化结构的特点混凝土的破坏理论

混凝土的受力变形及破坏过程；混凝土的抗压强度；混凝土的抗拉强度；影响混凝土强度的因素；提高混凝土强度和促进混凝土强度发展的措施。

混凝土强度的形成

混凝土的强度归根结底来源于水泥石。水泥水化物质生成后，将不是一粒一粒地离开水泥颗粒母体向着液体游动，而是立即互相交织粘结起来，成为立体网结构，这种具有强度而仍有变形能力的网构状的物质，以固体键在交接点上联结，这才形成了赋予水泥浆强度的基本单元―凝胶。

在一部分交接点上固体与固体直接紧密接触，其间范德华力是如此巨大，可与化学键相比。但是一旦接触脱开，即不再能够重新接续。这种相互作用可以称为固体键，交接点可以称为固接点。在另一部分交接点上，可能存在着微薄的液体中介层，范德华力通过液体作用，受力时可能发生某种缓慢的滑移。这一部分交接点可以称为非固接点。

凝胶可看作是一种交接点没有充分焊接牢固的空间钢构架。在荷载作用下，杆件（凝胶纤细微粒）产生足以支持荷载的应力，只发生一定的变形，而构架的破坏则归因于交接点的失效。对交接点施加拉力，可以使它失效（断开），反之，如果施加压力，则不论大小如何，都不能造成破坏。混凝土硬化结构的特点

硬化混凝土是一种多相(气、液、固三相兼而有之）、多孔的复合材料，具有高度不均匀性和复杂的内部结构。混凝土的微观结构与硬化水泥浆基相及单一骨料相微观结构的最大差别在于第三相—水泥石-骨料界面过渡区。过渡区的微观与系统中水泥石或水泥砂浆（骨料）的结构有着明显的区别。

混凝土的非均一复杂特点体现于以下三个方面：

⑴过渡区是围绕骨料（特别是大骨料）周围的一层薄壳，厚度一般为10-15μm，通常比混凝土另两个主要相薄弱。⑵三相中任一相本身，本质上都是多相的非均一复杂结构。例如在任何一相中都含有不同类型和不同数量的固体相、孔和微裂缝。⑶混凝土中的水泥石和过渡区这两个相是不稳定的，即它们的结构随时间、环境温度和湿度的变化而变化。过渡区的强度

过渡区的强度比水泥石本体要低，是三相中最薄弱的环节，原因有三：

⑴在水化的早期由于过渡区的水灰比大，所以它的孔体积与孔径均比水泥石或砂浆基体大，这种情况只有在长龄期才会有所改善。⑵过渡区内的氢氧化钙结晶体大，因此表面积减少，相应的范德华引力也变弱，且取向生长，有利于裂缝形成。⑶过渡区裂缝的存在。

混凝土的破坏理论

对于理想材料而言，强度大约应该是弹性模量的十分之一。混凝土的弹性模量大约在几万兆帕，混凝土如果是理想结构，强度应该是几千兆帕，而实际上只有几十兆帕。这是为什么呢？Griffith理论得到广泛认可。混凝土中存在许多微裂缝，在受到外力作用时，会产生应力在微裂缝尖端集中现象。随着荷载的增大，微裂缝尖端材料的局部拉应力可能增长到某种水平以至于变形能的减小恒大于表面能的增加，此时裂缝即成为能够不断扩展的不稳定裂缝，导致材料的破坏。(1)混凝土的受力变形及破坏过程10070-90300极限荷载，%变形ABCⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅡⅢⅣ未加荷载Ⅰ—界面裂缝无明显变化；Ⅱ—界面裂缝增长；Ⅲ—出现砂浆裂缝和连续裂缝；Ⅳ—连续裂缝迅速发展；Ⅴ—裂缝缓慢增长；Ⅵ—裂缝迅速增长。混凝土受压变形曲线不同受力阶段裂缝示意(2)混凝土的抗压强度150mm150mm150mm温度：20℃±3℃湿度：﹥90%龄期：28d300mm立方体抗压强度棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）Dmax折算系数试块尺寸≤300.951003≤4011503≤601.052003fcu,MPafcp,MPafcp=(0.70-0.80)·fcu立方体试件抗压强度标准值（fcu，k）

立方体抗压强度（fcu）只是一组混凝土试件抗压强度的算术平均值，并未涉及数理统计和保证率的概念。而立方体抗压强度标准值（fcu,,k）是按数理统计方法确定，具有不低于９５％保证率的立方体抗压强度。

混凝土强度等级依据立方体抗压强度标准值确定普通混凝土强度等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60；(3)混凝土的抗拉强度

混凝土的抗拉强度很小,只有抗压强度的1/10—1/20。在结构设计中,抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。

劈裂抗拉强度（fts）

我国现行标准规定，采用标准试件１５０ｍｍ立方体，按规定的劈裂抗拉试验装置测得的强度为劈裂抗拉强度，简称劈拉强度fts

混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算：

式中fts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；

F——破坏荷载，Ｎ；

Ａ——试件劈裂面面积，mm2。

(4)影响混凝土强度的因素混凝土破坏过程界面裂缝砂浆裂缝连续裂缝破坏骨料与砂浆的粘结强度

砂浆强度由水泥等级、水灰比(水胶比)、骨料的性质、施工质量、养护及龄期决定

水灰比和水泥等级

——决定混凝土强度的主要因素

fcu=Afce(-B)CW对于流动性和低流动性混凝土有：

fcu——混凝土28天抗压强度，MPa；A、B——经验系数。与骨料的品种、水种品种等因素有关。

采用碎石：A=0.46，B=0.07；采用卵石：A=0.48，B=0.33。fce——水泥的实际强度，MPa；C/W——灰水比（质量比）；

W/C——水灰比。水泥完全水化理论值0.23包罗米（Bolomey）公式在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中水胶比决定着混凝土的强度龄期

龄期，dfn=f28———Ln(n)Ln(28)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（n≥3d）抗压强度,MPa3728养护温度和湿度的影响抗压强度,MPa龄期，d养护28天强度，%4℃18℃38℃龄期，d保持潮湿1d保持潮湿3d保持潮湿7d长期保持潮湿混凝土强度与保湿养护时间的关系养护温度对混凝土强度的影响养护湿度的控制混凝土自然养护过程中，保持一定的湿度，一般是表面覆盖草袋等物并不断浇水。使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，浇水保湿应不少于7d；

火山灰水泥和粉煤灰水泥或掺有缓凝剂或有抗渗要求时不少于14d；

高铝水泥不少于3d。捣实方法对混凝土强度的影响水灰比抗压强度，MPa0.30.40.50.65040302010121——人工捣实2——机械捣实(5)

提高混凝土强度和

促进混凝土强度发展的措施

采用高等级水泥使用高效减水剂，掺入矿物细粉掺合料（尤其是硅灰）,采用低水胶比。

采用强度高，级配合理的骨料。机械搅拌和振捣，可使混凝土拌合物很好充满模板，内部孔隙大大减小，从而使混凝土的密实度和强度大大提高；采用湿热处理（蒸汽养护或蒸压养护）；采用湿热处理普通水泥最适合的蒸汽养护温度为80℃左右，时间5～8h，蒸汽压力为0.1MPa；

矿渣水泥及火山灰水泥为90℃左右，时间不超过12h，蒸汽压力为0.1MPa；

蒸压养护温度175℃,蒸汽压力0.8MPa，时间8～10h。此外—骨料的影响

总体来讲，在较低水胶比情况下，骨料粒径增大将导致混凝土强度降低。主要原因是：⑴较大骨料减少了其比表面积，从而黏结强度比较小。⑵较大粒径骨料对硬化水泥浆体的体积变化约束也比较大，因而会在混凝土内部引起附加拉应力。⑶较大粒径骨料更易集聚内部泌水形成水囊。在这些位置上的界面过渡区产生微裂缝。4.2.3混凝土的变形荷载变形温度变形干湿变形、化学减缩、塑性收缩、自生收缩、化学减缩

化学减缩是由水泥的水化反应所产生的固有体积收缩。虽然化学减缩率很小，在限制应力下不会对结构物产生破坏作用，但其收缩过程在混凝土内部会产物微细裂缝，影响到混凝土的受载性能和耐久性能。塑性收缩

到达顶部的泌出水会蒸发掉，如果泌水速度低于蒸发速度，表面混凝土含水减小，而引起的变形，一般发生在拌合后3～12h以内，在终凝前比较明显。由于干缩引起塑性状态下的裂缝。这是由于混凝土表面区域受到约束产生拉应变，而这时它的抗拉强度几乎为零，所以形成塑性收缩裂缝，这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不一样。当混凝土本体或环境温度高、相对湿度小，以及风大时容易出现塑性收缩裂缝。

自生收缩在高性能混凝土中，水胶比低，外界水分不易补充，伴随着水化，产生的收缩应得到重视。

混凝土在干燥过程中，首先发生气孔水和毛细水的蒸发。气孔水的蒸发并不引起混凝土的收缩。毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压，随着空气湿度的降低，负压逐渐增大，产生收缩力，导致混凝土收缩。同时，水泥凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，由于分子引力的作用，粒子间距离变小，使凝胶体产生紧缩。混凝土的这种体积收缩称为干缩.干湿变形（干缩湿胀）膨胀

0收缩应变龄期空气中养护水中养护混凝土中过大的干缩会产生干缩裂缝，使混凝土性能变差。混凝土结构设计中干缩率取值一般为1.5～2.0×10-4。干缩主要是水泥石产生的，因此降低水泥用量，减小水灰比是减少干缩的关键。【案例】混凝土早期养护不好导致出现收缩裂缝

概要连云港地区某多层住宅，为7层砖混结构，混凝土等级均为C30，该工程2002年1月开工，该年12月竣工。2004年8月16日，六楼住户发现书房以及主卧室的墙角处有两道圆弧型的裂缝。8月24日，在铺贴阁楼瓷砖时，在书房处发现其顶板从中间向两边呈45。开裂。后发现主卧室的顶板也发生明显的开裂现象。该楼层施工气象条件为该地区大气比较寒冷的一段时期，最低气温30C，最高气温150C，相对湿度在30%—40%之间，当日的风速很大。施土中虽然采取了多种冬季施工措施，但在作业时仅采用双层草帘覆盖保温，未采取洒水养护和防风措施。分析如前所述，特别是风大时，施土完毕后，混凝土正处于初凝期，强度尚未有大的发展，作业又没有防风措施，导致混凝土失去水分过快，引起表面混凝土干缩，产生裂缝。另外，从裂缝绝大多数集中在构件较薄及与外界接触面积最大的楼板上这一现象也可证实，开裂与其使用的材料关系不大，而受气象条件的影响大些。与楼板厚度接近的墙体之所以未裂，是因为墙体两面都有模板，不直接受大气的影响。由此可以基本断定，大气因素是导致混凝土现浇板出现干缩裂缝的直接因素。

混凝土表面的干燥收缩裂缝

温度变形

混凝土中骨料与水泥石间热膨胀系数的差异，可能会导致界面裂缝的产生；不同温度区域热膨胀作用的差异，如大体积混凝土中内部温度较高，产生较大膨胀，而外部则收缩，因而在外表混凝土中将产生很大的拉应力，使混凝土产生裂缝。混凝土热膨胀系数约(6-12)×10-6/℃

对大体积混凝土工程，必须尽量减少混凝土发热量，目前常用的方法有：1)最大限度减少用水量和水泥用量；2)大量掺加粉煤灰、磨细矿渣等掺和料；2)采用低热水泥；3)预冷原材料4)选用热膨胀系数低的骨料，减小热变形；5)在混凝土中埋冷却水管，表面绝热，减小内外温差；6)对混凝土合理分缝、分块、减轻约束等。【案例】因温度导致的混凝土结构开裂

概况某跨海大桥承台采用钢筋混凝土预制箱内填充现浇混凝土的结构形式，预制混凝土强度等级为C50，现浇混凝土强度等级为C60。在浇注过程中发现混凝土预制箱频繁出现开裂现象，且这种开裂均发生在混凝土浇注后2～3天内。

分析

引起混凝土预制箱频繁开裂的原因是承台内部现浇混凝土温度膨胀变形过大。现场测温发现，混凝土浇注3天内温度上升超过40℃，内外温差大，此后温度逐渐下降。混凝土表面受到较大拉应力导致混凝土预制箱开裂。短期荷载作用下的变形混凝土内部结构中含有砂石骨料、水泥石（水泥石中又存在着凝胶、晶体和未水化的水泥颗粒）、游离水分和气泡，这就决定了混凝土本身的不匀质性。因而它不是一种完全的弹性体，而是一种弹塑性体。应