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(GBJ811985)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110120)，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 (GBJ811985)制作150mm150mm150mm的标准立方体试件，在标准条件(温度20C3，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。,在实际的混凝土工程中，其养护条件(温度、湿度)不可能与标准养护条件一样，为了能说明工程中混凝土实际达到的强度，往往把混凝土试件放在与工程实际相同的条件下养护，再按所需的龄期测得立方体试件抗压强度值，作为工地混凝土质量控制的依据。 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。但是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。 目前，美、日等国家采用机5cm30cm的圆柱体作为标准试件，所得抗压强度值约等于150mm150mm150mm立方体试件抗压强度的08倍。,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Nmm2即MPa计)表示，共划分成C75、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150mm150mm300mm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23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ha达到一定值后，强度不再降低。在立方体抗压强度fcu为1055MPa范围内时，轴心抗压强度fcp(0.7-0.8)fcu。,四、混凝土与钢筋的粘结强度 在钢筋混凝土结构中，为使钢筋和混凝土能有效协同工作，混凝土与钢筋之间必须要有适当的粘结强度。 这种粘结强度，主要来源于混凝土与钢筋之间的摩擦力、钢筋与水泥之间的粘结力及变形钢筋的表面机械啮合力。 粘结强度与混凝土质量有关，与混凝土抗压强度成正比，此外，粘结强度还受其他许多因素影响，如钢筋尺寸及变形钢筋种类；钢筋在混凝土中的位置(水平钢筋或垂直钢筋)；加载类型(受拉钢筋或受压钢筋)；以及干湿变化、温度变化等。,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19mm的标准变形钢筋，试验时以不超过34MPamin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25mm。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/dl 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)。,五、影响混凝土强度的主要因素 硬化后的混凝土在未受到外力作用之前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力，从而导致界面上形成了许多微细的裂缝。另外，还因为混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止，因而聚集于粗骨料的下缘，混凝土硬化后就成为界面裂缝。当混凝土受力时，这些预存的界面裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来，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。强度试验也证实，正常配比的混凝土破坏主要是骨料与水泥石的粘结界面发生破坏。所以，混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与骨料的粘结强度。而粘结强度又与水泥强度等级、水灰比及骨料的性质有密切关系，此外混凝土的强度还受施工质量、养护条件及龄期的影响。,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0408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49。,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=afce(C/W -b) 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c为水泥强度值的富余系数，根据各地区统计资料取得； a, b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 (JGJT 552000)提供的a、b系数取用：碎石a =046， b =007；卵石a =O48， b =033。,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410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。,同时，混凝土早期强度低，更容易冻坏。 因为水是水泥水化反应的必要条件，只有周围环境湿度适当，水泥水化反应才能顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，会严重降低混凝土强度。,图411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。,4龄期 龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。在正常养护的条件下，混凝土的强度将随龄期的增长而不断发展，最初714d内强度发展较快，以后逐渐缓慢，28d达到设计强度。28d后强度仍在发展，。其增长过程可延续数十年之久，混凝土强度与龄期的关系从图411也可看出。 普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，混凝土强度的发展，大致与其龄期的常用对数成正比关系(龄期不少于3d),Fn/f28=lgn/lg28 式中 fnnd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)，n3。 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150mm150mm150mm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417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,(2)试件的形状 当试件受压面积(aa)相同，而高度(h)不同时，高宽比(h/a)越大，抗压强度越小。这是由于试件受压时，试件受压面与试件承压板之间的摩擦力，对试件相对于承压板的横向膨胀起着约束作用，该约束有利于强度的提高，如图412。愈接近试件的端面，这种约束作用就愈大，在距端面大约1.732/2的范围以外，约束作用才消失，通常称这种约束作用为环箍效应，见图413 (3) 表面状态 混凝土试件承压面的状态，也是影响混凝土强度的重要因素。当试件受压面上有油脂类润滑剂时，试件受压时的环箍效应大大减小，试件将出现直裂破坏(如图414)，测出的强度值也较低。 ， (4)加荷速度 加荷速度越快，测得的混凝土强度值也越大，当加荷速度超过10MPas时，这种趋势更加显著。,因此，我国标准规定，混凝土抗压强度的加荷速度为0308MPas，且应连续均匀地进行加荷。,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。,3采用湿热处理养护混凝土 湿热处理，可分为蒸汽、蒸压养护两类，水泥混凝土一般不必采用蒸压养护。 蒸汽养护，是将混凝土放在温度低于100C的常压蒸汽中进行养护。一般混凝土经过1620h蒸汽养护，其强度可达正常条件下养护28d强度的7080，蒸汽养护最适于掺活性混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥制备的混凝土。因为蒸汽养护可加速活性混合材料内的活性Si02及活性A1203与水泥水化析出的Ca(OH)2反应，使混凝土不仅提高早期强度，而且后期强度也有所提高，其28d强度可提高1020。而对普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥制备的混凝土进行蒸汽养护，其早期强度也能得到提高，但因在水泥颗粒表面过早形成水化产物凝胶膜层，阻碍水分继续深入水泥颗粒内部，使后期强度增长速度反而减缓，其28d强度比标准养护28d的强度约低1015。,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