建筑材料第4章混凝土Part2

2.2混凝土的强度

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。我国现行标准〔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。(4)混凝土抗弯强度(fcf)

道路路面或机场跑道用混凝土，是以抗弯强度〔或称抗折强度〕为主要设计指标。水泥混凝土的抗弯强度试验是以标准方法制备成150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下养护２８ｄ后，按三分点加荷，测定其抗弯强度〔fcf〕，按下式计算：

式中 fcf——混凝土抗弯强度，ＭＰ；

F——破坏荷载，Ｎ；

Ｌ——支座间距，mm；

ｂ——试件截面宽度，mm；

ｈ——试件截面高度，mm；

如为跨中单点加荷得到的抗折强度，按断裂力学推导应乘以折算系数0.85。

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上下。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水泥石与骨料的粘结情况与骨料种类和骨料外表性质有关，外表粗糙的碎石比外表光滑的卵石〔砾石〕的粘结力大，硅质集料与钙质集料也有分别。在其他条件相同的情况下，碎石混凝土的强度比卵石混凝土的强度高。

根据大量试验建立的混凝土强度公式：

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，其强度的开展，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枯燥失水的情况下，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。任何一道工序无视了标准管理和操作，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，外表的平整度，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。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％，那么混凝土强度将下降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。

〔2〕掺用混凝土外加剂

在混凝土中掺入减水剂，可减少用水量，提高混凝土强度；掺入早强剂，可提高混凝土的早期强度。在混凝土中掺入矿物外加剂〔如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、沸石粉等〕，可以节约水泥，降低本钱；减少环境污染，改善混凝土诸多性能。〔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。以加快混凝土强度开展的速度。混凝土经16～20ｈ的蒸汽养护后，其强度即可到达标准养护条件下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响物〔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。

〔2〕塑性收缩

混凝土成型后尚未凝结硬化时属塑性阶段，在此阶段往往由于外表失水而产生收缩称为塑性收缩。新拌混凝土假设外表失水速率超过内部水向外表迁移的速率时，会造成毛细管内部产生负压，因而使浆体中固体粒子间产生一定引力，便产生了收缩，如果引力不均匀作用于混凝土外表，那么外表将产生裂纹。

预防塑性收缩开裂的方法是降低混凝土外表失水速率，采取防风、降温等措施。最有效的方法是凝结硬化前保持混凝土外表的湿润，如在外表覆盖塑料膜、喷洒养护剂等。

〔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。混凝土在枯燥空气中存放时，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，一局部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。

〔4〕温度变形

混凝土与其他材料一样，也具有热胀冷缩的性质，混凝土的热胀冷缩的变形，称为温度变形。混凝土温度膨胀系数约为1×10-5，即温度升高1℃，每m膨胀0.01ｍｍ。

温度变形对大体积混凝土极为不利。混凝土在硬化初期，水泥水化放出较多的热量，而混凝土是热的不良导体，散热很慢，使混凝土内部温度升高，但外部混凝土温度那么随气温下降，致使内外温差达50～70℃，造成内部膨胀及外部收缩，使外部混凝土产生很大的拉应力，严重时使混凝土产生裂缝。因此，对大体积混凝土工程，应设法降低混凝土的发热量，如采用低热水泥，减少水泥用量，采用人工降温措施以及对表层混凝土加强保温保湿等，以减小内外温差，防止裂缝的产生和开展。

对纵向长度较大的混凝土及钢筋混凝土结构，应考虑混凝土温度变形所产生的危害，每隔一段长度应设置温度伸缩缝，以及在结构内配置温度钢筋。

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开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，界面裂缝继续开展，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，连续裂缝急速开展，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，是内部微裂缝开展规律的表达。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开展过程，它是一个从量变开展到质变的过程。

〔２〕弹性模量

弹性模量是反响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