混凝土 Part2教学课件

土木工程材料

第四章

混凝土

CONCRETE

主讲Part22.2混凝土的强度

2.2.1混凝土的强度与强度等级

（１）抗压强度标准和强度等级值①立方体抗压强度（fcu）

按照标准的制作方法制成边长为150ｍｍ的正立方体试件，在标准养护条件（温度２０士2°Ｃ，相对湿度95％以上）下，养护至28ｄ龄期，按照标准的测定方法测定其抗压强度值，称为混凝土立方体抗压强度”（以fcu表示,以Ｎ／ｍｍ2即ＭＰa）

测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以按粗骨料最大粒径的尺寸而选用不同的试件尺寸。但在计算其抗压强度时，应乘以换算系数，以得到相当于标准试件的试验结果。（对于边长为100ｍｍ的立方体试件，换算系数为0.95；边长为200ｍｍ的立方体试件，换算系数为1.05）。

③强度等级

混凝土的“强度等级”是根据“立方体抗压强度标准值”来确定的。我国现行规范（GB/T50081——2002）规定，普通混凝土按立方体抗压强度标准值划分为：Ｃ10、Ｃ15、C20、C25、C30、C40、C45、C50、C55等强度等级。(2)轴心抗压强度（fcp）

为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件（例如柱子、衍架的腹杆等）时，都是采用混凝土的轴心抗压强度作为依据。

我国现行标准（ＧＢ/T50081——2002）规定，测定轴心抗压强度采用１５０×１５０×３００ｍｍ棱柱体作为标准试件。试验证明，棱柱体强度与立方体强度的比值为0.7～0.8。

(3)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。

2.2.2影响混凝土强度的因素

影响混凝土强度的主要因素有：

（1）水泥强度与水灰比

水泥是混凝土中的活性组分，其强度大小直接影响着混凝土强度的高低。在配合比相同的条件下，所用的水泥标号越高，制成的混凝土强度也越高。当用同一品种同一标号的水泥时，混凝土的强度主要取决于水灰比。因为水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥重量的２３％左右，但在拌制混凝土混合物时，为了获得必要的流动性，常需用较多的水（约占水泥重量的４０～７０％）。混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残存在混凝土中，形成毛细管、气孔或水泡，它们减少了混凝土的有效断面，并可能在受力时于气孔或水泡周围产生应力集中，使混凝土强度下降。

在保证施工质量的条件下，水灰比愈小，混凝土的强度就愈高。但是，如果水灰比太小，拌合物过于干涩，在一定的施工条件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，也将显著降低混凝土的强度和耐久性。试验证明，混凝土强度，随水灰比增大而降低，呈曲线关系，而混凝土强度与灰水比呈直线关系（图4－3）。

图4－3混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

（ａ）强度与水灰比的关系；（ｂ）强度与灰水比的关系式中fcu,0——混凝土28天抗压强度,ＭＰa；

fce——水泥的实际强度,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为回归系数，与骨料品种、水泥品种有关，其数值可通过试验求得。《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2000）提供的αa、αb经验值为：

采用碎石：αa=0.46 αb＝0.07

采用卵石：αa=0.48 αb=0.33（2）养护的温度和湿度

混凝土强度的增长，是水泥的水化、凝结和硬化的过程，必须在一定的温度和湿度条件下进行。在保证足够湿度情况下，不同养护温度，其结果也不相同。温度高，水泥凝结硬化速度快，早期强度高，所以在混凝土制品厂常采用蒸汽养护的方法提高构件的早期强度，以提高模板和场地周转率。低温时水泥混凝土硬化比较缓慢，当温度低至0°Ｃ以下时，硬化不但停止，且具有冰冻破坏的危险。水泥的水化必须在有水的条件下进行，因此，混凝土浇筑完毕后，必须加强养护，保持适当的温度和湿度，以保证混凝土不断地凝结硬化。(3)龄期

在正常养护条件下，混凝土强度的增长遵循水泥水化历程规律，即随着龄期时间的延长，强度也随之增长。最初７～１４ｄ内，强度增长较快，２８ｄ以后增长较慢。但只要温湿度适宜，其强度仍随龄期增长。

普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，其强度的发展，大致与其龄期的对数成正比（龄期不小于三天）式中 fn——nd龄期混凝土的抗压程度,MPa；

ｆ28——28ｄ龄期混凝土的抗压强度,MPa；

lgｎ、lg28——ｎ（ｎ不小于3）和28的常用对数。实际工程中利用混凝土的成熟度来估算混凝土强度也是一种有效的方法。混凝土的成熟度是指混凝土所经历的时间和温度的乘积的总和，单位为h·℃。当混凝土的初始温度在某一范围内，并且在所经历的时间内不发生干燥失水的情况下，混凝土强度和成熟度的对数成线性关系。

（4）施工质量

施工质量的好坏对混凝土强度有非常重要的影响。施工质量包括配料准确，搅拌均匀，振捣密实，养护适宜等。任何一道工序忽视了规范管理和操作，都会导致混凝土强度的降低。

(5)试验条件

试验条件对混凝土强度的测定也有直接影响。如试件尺寸，表面的平整度，加荷速度以及温湿度等，测定时，要严格遵照试验规程的要求进行，保证试验的准确性。2.2.3提高混凝土强度的措施

（1）选用高强度水泥和低水灰比

水泥是混凝土中的活性组分，在相同的配合比情况下，所用水泥的强度等级越高，混凝土的强度越高。水灰比是影响混凝土程度的重要因素，试验证明，水灰比增加１％，则混凝土强度将下降５％，在满足施工和易性和混凝土耐久性要求条件下，尽可能降低水灰比和提高水泥强度，这对提高混凝土的强度是十分有效的。

（3）采用机械搅拌和机械振动成型。

采用机械搅拌、机械振捣的混合料，可使混凝土混合料的颗粒产生振动，降低水泥浆的粘度和骨料的摩擦力，使混凝土拌合物转入液体状态，在满足施工和易性要求条件下，可减少拌合用水量，降低水灰比。同时，混凝土混合物被振捣后，它的颗粒互相靠近，并把空气排出，使混凝土内部孔隙大大减少，从而使混凝土的密实度和强度大大提高。

（4）采用湿热处理

湿热处理可分为蒸汽养护和蒸压养护两类。蒸汽养护就是将成型后的混凝土制品放在100℃以下的常压蒸汽中进行养护。以加快混凝土强度发展的速度。混凝土经16～20ｈ的蒸汽养护后，其强度即可达到标准养护条件下28ｄ强度的70％～80％。

蒸压养护混凝土在175℃温度和８个大气压的蒸压釜中进行养护。主要适用于硅酸盐混凝土拌合物及其制品。2.3.混凝土的变形性能

引起混凝土变形的因素很多，归纳起来有两类：非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形2.3.1混凝土在非荷载作用下的变形

（1）化学收缩

混凝土在硬化过程中，由于水泥水化产物的体积小于反应物（水和水泥）的体积，引起混凝土产生收缩，称为化学收缩。其收缩量是随着混凝土龄期的延长而增加，大致与时间的对数成正比一般在混凝土成型后40ｄ内收缩量增加较快，以后逐渐趋向稳定。化学收缩是不可恢复的，可使混凝土内部产生微细裂缝。

（3）干湿变形

混凝土的干湿变形主要取决于周围环境湿度的变化，表现为干缩湿胀。混凝土在干燥空气中存放时，混凝土内部吸附水分蒸发而引起凝胶体失水产生紧缩，以及毛细管内游离水分蒸发，毛细管内负压增大，也使混凝土产生收缩。如干缩后的混凝土再次吸水变湿后，一部分干缩变形是可以恢复的。

混凝土在水中硬化时，体积不变，甚至有轻微膨胀。这是由于凝胶体中胶体粒子的吸附水膜增厚，胶体粒子间距离增大所致。

混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干缩变形对混凝土危害较大，干缩可能使混凝土表面出现拉应力而导致开裂，严重影响混凝土的耐久性。

影响混凝土干缩的因素有：水泥品种和细度、水泥用量和用水量等。火山灰质硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥干缩大；水泥越细，收缩也越大；水泥用量多，水灰比大，收缩也大；混凝土中砂石用量多，收缩小；砂石越干净，捣固越好，收缩也越小.2.3.2混凝土在荷载作用下的变形

（1）混凝土的受压变形与破坏特征

硬化后的混凝土在未施加荷载前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起的砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了拉应力，同时混凝土成型后的泌水聚积于粗骨料的下缘，混凝土硬化后形成为界面裂缝。混凝土受外力作用时，其内部产生了拉应力，这种拉应力很容易在具有几何形状为楔形的微裂缝顶部形成应力集中，随着拉应力的逐渐增大，导致微裂缝的进一步延伸、汇合、扩大，形成可见的裂缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破坏。当用混凝土立方体试件进行单轴静力受压试验时，混凝土的荷载变形曲线如图4-4所示，通过显微观察所查明的混凝土破坏过程各阶段的裂缝状态如图4-5所示。图4-4混凝土的荷载变形曲线混凝土的受压破坏发展过程及各阶段情况如下：Ｉ阶段：荷载到达“比例极限”（约为极限荷载的３０％）以前、界面裂缝无明显变化，荷载与变形比较接近直线关系（图中曲线ＯＡ段）II阶段：荷载超过“比例极限”以后，界面裂缝的数量、长度和宽度都不断增大，界面借摩阻力继续承担荷载，但尚无明显的砂浆裂缝。此时，变形增大的速度超过荷载增大的速度，荷载与变形之间不再为线性关系（图中曲线ＡＢ殷）。

III阶段：荷载超过“临界荷载”（约为极限荷载的７０～９０％）以后，界面裂缝继续发展，开始出现砂浆裂缝，并将邻近的界面裂缝连接起来成为连续裂缝。此时，变形增大的速度进一步加快，荷载一变形曲线明显地弯向变形轴方向（图中曲线ＢＣ段）。IV阶段：荷载超过极限荷载以后，连续裂缝急速发展，此时，混凝土的承载能力下降，荷载减小而变形迅速增大，以至完全破坏，荷载一变形曲线逐渐下降而最后结束（图中曲线ＣＤ段）。图4-5混凝土不同受力破坏阶段的裂缝状态示意图由此可见，荷载与变形的关系，是内部微裂缝发展规律的体现。混凝土在外力作用下的变形和破坏过程，也就是内部裂缝的发生和发展过程，它是一个从量变发展到质变的过程。

（２）弹性模量

弹性模量是反应应力与应变关系的物理量，由于混凝土是弹塑性体，随荷载不同，应力与应变之间的比值成为一个变量，也就是说混凝土的弹性模量不是定值。

按我国GBJ81一85的规定，混凝上弹性模量的测定，是采用150ｍｍ×150ｍｍ×300mm的棱柱体试件，取其轴心抗压强度值的40％作为试验控制应力荷载值，经4~5次反复加荷和卸荷后，测得应力与应变的比值，即为混凝土的弹性模量。

影响混凝土弹性模量的因素有：①混凝土的强度等级越高，弹性模量越高。水泥用量少，水灰比小，粗细骨料用量较多，弹性模量大。②骨料弹性模量大，混凝土弹性模量也大。③，早期养护温度较低的混凝土具有较大的弹性模量。在相同强度情况下，蒸汽养护混凝土弹性模量较在标准条件下养护的混凝土弹性模量小。④引气混凝土弹性模量较普通混凝土低20％～30％。

（3）徐变

混凝土在恒定荷载长期作用下，随时间增长而沿受力方向增加的非弹性变形，称为混凝土的徐变。

一般认为，徐变是由于水泥石中凝胶体在外力作用下，粘滞流变和凝胶粒子间的滑移而产生的变形，还与水泥石内部吸附水的迁移等有关。

影响混凝土徐变因素很多，混凝土所受初应力越大，在混凝土制成后龄期较短时加荷，水灰比越大，水泥用量越多，都会使混凝土的徐变增大；另外混凝土弹性模量大，会减小徐变，混凝土养护条件越好，水泥水化越充分，徐变也越小。混凝土的徐变会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力的重新分布。对预应力钢筋混凝土结构，混凝土的徐变将使钢筋的预应力受到损失。但有时徐变也对工程有利，如徐变可消除或减小钢筋混凝土内的应力集中，使应力均匀地重新分布。对大体积混凝土，徐变能消除一部分由温度变形所产生的破坏应力。2.4混凝土的耐久性

混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能的能力称为混凝土的耐久性。提高混凝土耐久性，对于延长结构寿命，减少修复工作量，提高经济效益具有重要的意义。2.4.1混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。

混凝土渗水的原因，是由于内部孔隙形成连通的渗水孔道。这些孔道主要来源于水泥浆中多余水分蒸发而留下的气孔、水泥浆泌水所产生的毛细管孔道、内部的微裂缝以及施工振捣不密实产生的蜂窝、孔洞，这些都会导致混凝土渗漏水。

混凝土的抗渗性以抗渗等级来表示。抗渗等级是以28ｄ龄期的标准抗渗试件，按规定方法试验，以不渗水时所能承受的最大水压力来表示，划分为P2、P4、P6、P8、P12等等级，它们分别表示能抵抗0.2、0.4、0.6、0.8、1.2MPa的水压力而不渗透。

混凝土的抗渗性与水灰比有密切关系，还与水泥品种、骨料级配、施工质量、养护条件以及是否掺外加剂、掺合料有关。

2.4.2混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。

混凝土抗冻性一般以抗冻等级表示。抗冻等级是采用龄期28ｄ的试块在吸水饱和后，承受反复冻融循环，以抗压强度下降不超过25％，而且质量损失不超过５％时所能承受的最大冻融循环次数来确定的。ＧＢＪ50164—92将混凝土划分为以下抗冻等级：Ｆ10、F15、F25、F50、F150、F200、F250、F300等九个等级，分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10、25、25、50、100、150、200、250和300次。

混凝土受冻融作用破坏的原因，是混凝土内部的孔隙水在负温下结冰后体积膨胀造成的静水压力，因冷冻水蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区的迁移造成的渗透压力，当这两种压力所产生的内应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，多次冻融使裂缝不断扩展直至破坏。

影响混凝土抗冻性的因素有：

（１）混凝土强度愈高，抵抗冻融破坏的能力越强，抗冻性越好。

（２）混凝土密实度、混凝土孔隙构造及数量。密实度越小，开口孔隙愈多，水分愈易渗入，静水压力越大，抗冻性越差。

（３）混凝土孔隙充水程度。饱水程度愈高，冻结后产生的冻胀作用就大，抗冻性越差。

（４）水灰比。水灰比与孔隙率成正比，水灰比越大，且开口孔隙率大，抗冻性越差。

（５）外加剂。在混凝土中掺入引气剂，可在水泥石中形成无数细小、均匀的气泡，使之成为压力水进出的“水库”，使静水压力和渗透压力得以释放，对冰冻破坏起到很好的缓冲作用。适宜的引气量以４％～６％为宜。

2.4.3抗侵蚀性

抗侵蚀性是指混凝土在含有侵蚀性介质环境中遭受到化学侵蚀、物理作用不