工艺技术_硬化混凝土的性能讲义

第十三章硬化混凝土的性能 主要包括 强度变形耐久性 第一节混凝土的强度 一 混凝土的抗压强度立方体抗压强度 边长为100mm 150mm 200mm的立方体试件轴心抗压强度 150mm 150mm 300mm的棱柱体试件圆柱体抗压强度 150mm 300mm的圆柱体试件 GBJ81 85 普通混凝土力学性能试验方法 搅拌 实验室制作试件 一般先加砂子 石子 再加水泥 掺合料 然后加水和外加剂 共同搅拌2 5分钟 商品混凝土搅拌站 根据混凝土强度等级不同 搅拌机不同 设计不同的投料顺序和搅拌时间 成型 将混凝土拌合物一次装入试模 采用震动台成型 振动至混凝土表面出浆为止 刮去多余的混凝土并抹平 养护 成型后覆盖表面 在20 5 静置一昼夜 拆模 在20 3 相对湿度90 以上的标准养护室中养护至龄期 抗压强度试验 将试件表面擦拭干净 测量尺寸 放在压力机的承压板中央 以试件的浇注面作为受压面 混凝土强度等级低于C30时 加荷速度取每秒钟0 3 0 5MPa 混凝土强度等级高于或等于C30时 取每秒钟0 5 0 8MPa 试验结果计算 以三个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值 三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15 时 则把最大及最小值一并舍除 取中间值作为该组试件的抗压强度值 如有两个测值与中间值的差均超过中间值的15 则该组试件的试验结果无效 GBJ10 89 混凝土结构设计规范 混凝土强度等级是按立方体抗压强度标准值来确定的 立方体抗压强度标准值是指具有95 保证率的立方体抗压强度 也就是指在混凝土立方体抗压强度测定值的总体分布中 低于该值的百分率不超过5 分为C7 5 C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C6012个等级 C30表示混凝土立方体抗压强度 30MPa 其保证率为95 不同的建筑工程 不同的部位采用不同强度等级的混凝土 实际工程强度 与工程相同的环境下养护 按需要的龄期进行测试 作为现场混凝土质量控制的依据 二 抗拉强度 混凝土是一种脆性材料 在直接受拉时 变形很小就会开裂 破坏 脆性系数 混凝土抗压强度与抗拉强度的比值 在9 0 14 5之间 随混凝土强度等级提高 脆性系数越大 抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标 也可用来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度 轴向抗拉强度 难取得满意结果劈裂抗拉强度 150mm 150mm 150mm立方体弯曲抗拉强度 抗折强度 三分点加载法 150mm 150mm 600mm棱柱体小梁中心点加载法 劈裂抗拉试验示意图 1 上压板2 垫条3 垫层4 下压板 三分点加载法试验示意图 中心点加载法试验示意图 三 混凝土强度的影响因素 1 水泥强度等级 越高 所配制的混凝土中的水泥浆体强度越高 水泥浆体与集料间的粘结力越大 混凝土的强度也越高 2 水灰比 在一定范围内 随水灰比的减小 强度有规律的提高 用于水化后多余的水分残留在混凝土中 形成水泡和水道 挥发后形成气孔和孔道 减少了抵抗荷载的有效断面 受力时在孔隙和孔道周围产生应力集中 引起微裂纹的扩展 混凝土强度降低 混凝土强度与水灰比的关系式 fcu 0 a fce C W b fcu 0 混凝土28天抗压强度 MPa fce 水泥强度等级或实际强度 MPa C W 灰水比 适用范围1 2 3 0 a b 回归系数 与集料品种 水泥品种有关 碎石 a 0 46 b 0 07卵石 a 0 48 b 0 33 利用上式解决 当水泥强度等级fce已经选定 配制某一强度fcu 0的混凝土时 计算出应用的水灰比W C近似值 当已知水泥强度等级fce和选定水灰比W C时 计算该混凝土28天可能达到的强度fcu 0 3 集料的品种 质量和数量 品种 与卵石相比 碎石表面粗糙富有棱角对强度更有利 与水泥浆体的粘结力较强 颗粒之间具有嵌固作用 石子品种的影响与所用水灰比有关 a W C 0 4时 碎石混凝土与卵石混凝土强度差值可高达38 因为主要矛盾为界面强度b 随W C增大 两者差值逐渐减少 c W C 0 65 两者的强度差异不太显著 因为主要矛盾为水泥浆强度 质量 有害杂质含量过多 降低混凝土强度 与水泥浆体有一定程度的化学反应 影响界面强度 如 a 石英岩 玄武岩等酸性集料可与水泥浆中的Ca OH 2反应 在界面生成强度较高的水化硅酸钙反应层 b 部分碳酸盐质碱性集料会形成弱的接触层 界面水泥浆强度较低 数量 集灰比 对C35以上混凝土强度影响大W C一定时 集灰比增大 混凝土强度提高 集料增多 表面积增加 吸收了部分润湿水 降低了有效水灰比 使水泥浆体密实 水泥浆数量减少 混凝土内的总孔隙体积减少 4 养护条件 湿度 a 水泥凝结以后水化反应只能在毛细孔内发生 所以要防止毛细孔中水的蒸发 b 潮湿环境下养护 湿砂覆盖 喷雾 浸水和塑料薄膜覆盖 温度 对混凝土强度的发展有很大影响 温度较低混凝土强度增长率下降 需要较长的潮湿养护时间 早期养护温度稍低 混凝土早期强度发展较慢 但后期强度发展较好 高温养护可以提高早期强度 但后期强度较低 因为水泥颗粒外表过早形成水化产物 不易分布均匀 a 水化物稠密度较低的区域 成为水泥浆体的薄弱点 降低了整体强度 b 水化物稠密度过高的区域 水化物包裹在水泥粒子周围 阻碍水分进入内部继续进行水化反应 从而减少了水化产物的量 后期强度降低 5 龄期 混凝土强度随龄期增长 Rt Algt B对数公式 Rn R28lgn lg28 n 3 斯拉特公式 R28 R7 kR7 6 试验条件 非标准尺寸试件 a 试件尺寸越小 环箍效应越大 对测得的强度值的提高效果更大 b 试件尺寸越大 出现裂纹 孔隙的机会越多 强度值偏低 加荷速度 越大 测得的强度值越高 第二节混凝土的变形 一 非荷载作用状态下的变形1 化学收缩 水泥水化使生成物总体积小于反应物总体积 不可恢复 收缩值随龄期延长而增加 与时间的对数成正比 在40多天内增长较快 以后减缓 2 干湿变形 由于毛细孔水蒸发及部分凝胶体颗粒中的吸附水蒸发所致 大部分可恢复 收缩受到约束 会引起混凝土开裂 结构设计 配筋原材料品质 如水泥品种 火山灰水泥收缩大于普通水泥 水泥强度等级 越高 混凝土收缩越大 集料含泥量 越大 混凝土收缩越大 混凝土配合比 如水泥用量 水灰比 砂率养护 保湿 3 温度变形 温度升高1 1m3混凝土约膨胀0 01mm 混凝土是热不良导体 散热较慢 热量聚集在混凝土内部 使内外产生温差 对大体积混凝土温差可达50 70 内部温度高混凝土体积膨胀 外部温度随气温降低混凝土体积收缩 两者相互制约 在混凝土外表层产生很大拉应力 使混凝土产生裂缝 水泥用量 凝结特性的影响 养护制度的影响 伸缩缝设置 二 弹塑性变形和弹性模量 弹性变形 加载时出现 卸载时恢复到原始状态的变形 塑性变形 加载时出现 卸载时不能恢复到原始状态的变形 混凝土是一种多相复合材料 既有弹性变形 又有塑性变形 是一种弹塑性材料 随应力增大 应力与应变的比值减小 加荷和卸荷时混凝土应力 应变曲线 混凝土在低应力重复荷载时的应力 应变曲线 GBJ81 85 普通混凝土力学性能试验方法 割线弹性模量 在低应力下 随荷载重复次数增加 塑性变形的增量逐渐减少 最后得到的应力 应变曲线与初始切线平行 割线A C 的弹性模量 测定 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 经多次反复加荷和卸荷 测得应力与应变的比值为弹性模量Ec 混凝土强度越高 弹性模量越高 混凝土配合比影响 集料含量较多 水灰比较小 弹性模量较大 养护制度影响 标准养护条件好 龄期影响 越长 弹性模量越大 三 混凝土的徐变 徐变 混凝土在长期恒定荷载作用下 随时间延长 沿作用力方向的变形发展 一般要2 3年才趋于稳定 在荷载作用初期 徐变变形增长较快 以后逐渐变慢 最终稳定下来 加荷 瞬时变形 弹性变形 徐变卸荷 瞬时恢复 弹性变形恢复 徐变恢复 原因 在长期荷载作用下a 水泥石中的凝胶体产生粘性流动 向毛细孔内迁移 b 凝胶体内的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透 初期 未填满的毛细孔较多 迁移较容易 徐变增长较快 后期 由于水化和迁移的进行 毛细孔较少变小 徐变速度越慢 影响因素 水泥用量多 徐变大水灰比小 徐变小水中养护 徐变小混凝土弹性模量大 徐变小集料弹性模量大 徐变小 第三节混凝土的耐久性 定义 混凝土在长期外界因素作用下 抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性 从而维持混凝土结构安全 正常使用的能力称为混凝土的耐久性 混凝土的耐久性主要包括抗渗 抗冻 抗侵蚀 碳化 碱集料反应及混凝土中钢筋锈蚀等性能 钢筋锈蚀 碳化 Cl 离子侵蚀 抗侵蚀 组分溶解和浸析 离子交换反应 形成膨胀性产物 碱度降低 产生内应力 变形开裂 Ca2 作为可溶产物被移走 Ca2 作为不溶不膨胀产物被移走 C S H中的Ca2 被置换 强度下降 质量损失孔隙增加抗渗变差 一 抗渗性 定义 混凝土抵抗水 油等液体在压力下渗透的性能 抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因素 抗渗性差 水及有害介质容易渗入 抗冻 抗侵蚀 抗碳化 抗钢筋锈蚀能力均下降 GBJ82 85 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 测定 采用顶面直径为175mm 底面直径为185mm 高度为150mm的圆台体试件 将试件养护至要求的龄期时 使用抗渗仪进行试验 试验从水压0 1MPa开始 以后每隔8h增加水压0 1MPa 当六个试件中有三个试件端面出现渗水现象时 即可停止试验并记录当时的水压 混凝土的抗渗标号以每组六个试件中四个试件未出现渗水时的最大水压力计算 其计算式为S 10H l式中S 抗渗标号 H 六个试件中三个渗水时的水压力 MPa 混凝土的渗透系数K可用下式表示 式中 总孔隙率 r 孔的水力半径 流体的粘度 C 常数 说明渗透性与总孔隙率和孔隙大小密切相关 渗透系数正比于孔隙半径的平方 与总孔隙率成一次方的正比关系 因而孔径大小对抗渗性的影响比孔隙率的影响更大 主要影响因素 孔结构 水灰比研究表明 凝胶孔对抗渗性几乎无影响 毛细孔 尤其是连通的毛细孔对抗渗性极为不利 总孔隙率越大 渗透的通道就越多 孔径大的毛细孔越多 渗透的通道越大 连通孔越多 渗透的通道越通畅 混凝土的抗渗性越差 实际工程中的影响因素 集料与水泥浆体的界面 存在过渡的多孔区 集料越粗 影响越大 混凝土捣实不良或泌水过度 形成渗透的通路蒸气养护 混凝土中部分水被蒸发形成渗透的通路混凝土先经干燥然后受湿 干燥时混凝土中的水被蒸发形成渗透的通路 二 抗冻性 定义 是指混凝土在饱水状态下 经受多次冻融循环作用 能保持强度和外观完整性的能力 在寒冷地区 尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土 要求具有较高的抗冻性能 冻融破坏的原因 由于混凝土内部空隙和毛细孔道中的水结冰时产生体积膨胀 9 和冷水迁移 产生一定的应力 当这种应力超过混凝土的抗拉强度时 则使混凝土产生微细裂缝 微细裂缝为不可逆的结构变化 在冰融化后不能完全复原 所产生的膨胀仍有部分残留 再次冻融时 原先形成的裂缝又由于结冰而扩大 在反复受冻融作用下 微细裂缝逐渐增多和扩大 混凝土强度降低直至破坏 结冰特点 水泥浆体中的结合水是不会结冰的 由于凝胶孔极为窄小 凝胶水只能在极低的温度 78 下才能结冰 一般自然条件的低温下 只有毛细孔中的水和自由水才会结冰 浆体中的水并非纯水 而是含有Ca OH 2和碱类的盐溶液 故冰点非0 而是在 1 以下 毛细孔中的水还受到表面力的作用 毛细孔越细 冰点越低 破坏机理 应力的产生 静水压理论 毛细孔内水结冰并不直接使浆体胀坏 而是由于水结冰体积增加时 未冻水被迫向外流动 从而产生危害性的静水压力 与静水压力获得解除前的最短流程密切相关 结冰点到 出口处 的距离 气孔的存在可以为静水压的解除提供 出口 渗透压理论 当毛细孔水部分结冰时 水中所含的碱以及其它物质等溶质的浓度增大 但在凝胶孔内的水由于定向排列的缘故在此时尚未结冰 溶液浓度不变 因而产生浓度差 促使凝胶孔的水向毛细孔扩散 形成渗透压 造成一定的膨胀应力 影响因素 水泥品种 硅酸盐水泥比掺混合材水泥的抗冻性好 水泥强度等级越高 抗冻性越好 熟料矿物组成 增加熟料中C3S含量 抗冻性可以改善 因为 影响早期水化程度 从而影响强度 抵抗膨胀应力的抗拉强度低 和可结冰水的数量 水灰比 水灰比提高 可结冰的水量增加 毛细孔增多且尺寸变大 更易结冰 冰点提高 龄期 除对孔结构影响外 可结冰的水量减少 水中溶解的盐类浓度提高 冰点下降 浆体的充水程度 充水孔隙占总孔隙率的百分比低 可结冰的水量减少 气孔相对多 静水压力能够就近有 出口 而解除 三 环境介质的侵蚀 抗蚀性 是指混凝土抵抗环境有害介质侵蚀 能保持强度和外观完整性的能力 C S H CH AFt AFm等比较难溶的含钙水化产物 一般与高pH值的孔液处于稳定的平衡状态 由于孔液中的Na K 和OH 离子浓度甚高 其pH值可高达12 5 13 5 从理论上说 任何pH值在12 5以下的环境介质都可作为侵蚀性介质看待 淡水 软水 酸性水 酸 SO42 Cl 侵蚀速度决定于侵蚀介质的pH值以及混凝土的抗渗能力 1 组分的溶解和浸析 混凝土受到淡水 软水 的作用 其中一些组成如Ca OH 2等将按照溶解度的大小 依次逐渐被水溶解 产生溶出性侵蚀 最终导致破坏 在各种水化产物中 Ca OH 2的溶解度最大 首先被溶解 如水量不多 水中的Ca OH 2浓度很快就达到饱和程度 溶出作用就停止 在流动水中 特别在有水压作用且混凝土的渗透性又较大的情况下 水流就不断将Ca OH 2溶出并带走 不仅增加了孔隙率 使水更易渗透 而且由于液相中Ca OH 2浓度降低 还会使其它水化产物发生分解 水化产物稳定存在的液相CaO浓度 2CaO SiO2 aq 接近Ca OH 2饱和浓度 1 2g LCaO 3CaO 2SiO2 aq 接近Ca OH 2饱和浓度 1 2g LCaO CaO SiO2 aq 0 031 0 52g LCaO4CaO Al2O3 13H2O 1 06 1 08g LCaO3CaO Al2O3 6H2O 0 415 0 56g LCaO4CaO Fe2O3 aq 1 06g LCaO3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 0 045g LCaO 随着液相中CaO浓度的降低 首先是晶体被溶解 其次是高碱性的水化硅酸盐 水化铝酸盐等分解而成为低碱性的水化产物 如果不断浸析 最后会变成硅酸凝胶 氢氧化铝等无胶结能力的产物 2 离子交换反应 形成可溶性钙盐 酸性溶液与硬化浆体的组成生成可溶性的钙盐 随而被水带走 化工厂含盐酸 硫酸或硝酸的废水 食品厂含醋酸 蚁酸或乳酸的废水 软饮料中的碳酸 农业化肥厂含氯化铵和硫酸铵的溶液 大气中的CO2溶于水天然水中的碳酸 CO2 H2O Ca OH 2 CaCO3 不溶于水 CaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2 易溶于水 使Ca OH 2不断溶失 进而引起水化硅酸钙和水化铝酸钙的分解 平衡的碳酸 天然水本身含有少量碳酸氢钙 必须有一定量的碳酸与之平衡 结合的碳酸 与氢氧化钙结合成碳酸钙 侵蚀的碳酸 当水中含有的碳酸超过平衡碳酸量时 其中部分剩余碳酸与碳酸钙反应 碳化 水的暂时硬度越大 水中所含的碳酸氢钙越多 所需的平衡碳酸量越多 所含的碳酸氢钙与浆体中的Ca OH 2反应 生成碳酸钙 堵塞表面的毛细孔 提高致密度 形成不溶性钙盐 草酸 鞣酸 酒石酸 氢氟酸以及磷酸与浆体中的Ca OH 2反应生成不溶性钙盐 随而被水带走 C S H中的Ca2 被置换 如镁盐侵蚀 MgSO4 Ca OH 2 2H2OCaSO4 2H2O Mg OH 2 水化硅酸钙分解MgSO4 3CaO 2SiO2 aq nH2O3 CaSO4 2H2O 3Mg OH 2 2SiO2 aq 在长期接触的条件下 未分解的水化硅酸钙中的Ca2 离子也要逐渐被Mg2 离子所置换 转化为水化硅酸镁 3 形成膨胀性产物 硫酸盐侵蚀 Ca OH 2 Na2SO4 10H2O CaSO4 2H2O 2NaOH 8H2O固相体积增加124 C4AH19 3 CaSO4 2H2O 8H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O Ca OH 2固相体积再增加94 在石灰饱和溶液中 当SO42 1500mg L 与硫酸盐的种类有关 硫酸镁 既有硫酸盐侵蚀又有镁盐侵蚀硫酸氨 生成极易挥发的氨 为不可逆反应 而且会使水化硅酸钙分解 NH4 2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O 2NH3 盐类结晶膨胀 孔液中水分蒸发到溶液的浓度达到一定过饱和度时 其中的盐类结晶析出 产生结晶压力而导致膨胀 影响因素 孔结构 水灰比 集料级配 混凝土配合比熟料矿物组成 如 C3A含量多 抗硫酸盐侵蚀差 生成的水化产物在硫酸盐溶液中的稳定性 高铝玻璃体 铁铝酸盐晶体 高铁玻璃体 所以高铝配方急冷抗蚀性好 高铁配方适当慢冷抗蚀性好 C3S含量多 抗溶出性侵蚀差 掺加混合材料 C3A和C3S的含量相对减少 抗蚀性好 发生二次水化反应 生成更多凝胶产物 混凝土密实性高 侵蚀介质渗透更难 二次水化生成的水化硅酸钙Ca Si比低 平衡所需的石灰极限浓度低 0 05 0 09gCaO L 溶出性侵蚀速度慢 液相CaO浓度较低 产生硫酸盐侵蚀所需SO42 离子浓度需要更大 膨胀更趋缓和 四 碱 集料反应 1 碱 硅酸反应 水泥中碱含量高 集料中含有活性SiO2 它们相互作用 形成碱的硅酸盐凝胶 致使混凝土开裂破坏 活性SiO2的所有硅氧四面体呈任意的网状结构 实际的内表面积很大 碱离子较易将其中起联结作用的硅 氧键破坏 使其解体 活性SiO2 2mNaOHmNa2O SiO2 nH2O活性集料 蛋白石 玉髓 燧石 流纹石 安山岩 凝灰岩等 膨胀机理 膨胀压理论 生成的凝胶吸水后体积增加 但受到周围水泥浆体的约束 结果产生内压 导致膨胀 开裂 渗透压理论 包围活性集料的水泥浆体起着半透膜的作用 使反应产物的硅酸根离子难以透过 但允许水和碱的氢氧化物扩散进来 产生渗透压 导致膨胀 开裂 影响因素 活性集料结构特征 硅氧四面体的任意网状结构水泥含碱量 Na2O 0 658K2O 0 6 活性集料的粒径及含量 中间尺寸时膨胀最大 存在最危险含量 集料活性越大 最危险含量越小 小于最危险含量 产生的膨胀小 不足以破坏 大于最危险含量 活性集料颗粒多 单位面积上能作用的有效碱减少 膨胀率变小 掺加火山灰 粉煤灰 沸石粉等可有效抑制碱 硅酸反应 水分存在混凝土的渗透性 2 碱 碳酸盐反应 碱 碳酸盐反应 水泥中所含的碱与白云质灰岩反应 产生膨胀 导致混凝土破坏 反应 去白云石化反应CaMg CO3 2 2MOH CaCO3 Mg OH 2 M2CO3膨胀机理 间接反应机理 包括粘土基质吸水肿胀假说 渗透压假说 直接反应机理 包括水化复盐产物假说 唐明述院士提出膨胀是局部化学反应和结晶压引起的理论 把碱 碳酸盐反应化害为利碱激发碳酸盐矿灌浆材料 五 钢筋锈蚀 正常情况下 混凝土呈强碱性 其pH值约为12 13 在钢筋表面形成一层致密的氧化膜 厚度约为20 60A的水化氧化物nFe2O3 mH2O 使钢筋处于钝化状态不被腐蚀 pH 9 88 钝化膜开始生成 低于此临界值不可能有钝化膜存在 pH 11 5 形成完整的钝化膜 低于此临界值钝化膜不稳定 所以要使混凝土中钢筋不锈蚀 pH值必须大于11 5 混凝土中的钢筋锈蚀属于电化学腐蚀 阳极 Fe2e Fe2 阴极 0 5O2 H2O 2e 2OH 空气 水 Fe2 2OH Fe OH 24Fe OH 2 O2 2H2O4Fe OH 32Fe2O3 6H2O 红锈 6Fe OH 2 O22Fe3O4 6H2O 黑锈 钢筋锈蚀发生的条件 1 在钢筋表面存在电位差 构成腐蚀电池 由于钢筋含有杂质及成分不均匀 混凝土不均匀 该条件总是被满足 2 钢筋表面的钝化膜破坏 处于活化状态 3 在钢筋表面有腐蚀反应所需的水和溶解氧 空气中的氧气和水分易通过孔隙和微裂缝进入到达钢筋表面 钢筋处于活化状态的原因 氯离子侵蚀或混凝土中掺入过量氯盐 当钢筋表面的氯离子超过临界值 则使钢筋脱钝 混凝土碳化使保护层混凝土的pH值降低 从而破坏钢筋表面的钝化膜 1 碳化的影响 混凝土碳化是指水泥石中的水化产物与环境中的CO2作用 生成碳酸钙或其它物质的现象 CO2 H2OH2CO3Ca OH 2 H2CO3CaCO3 2H2O3CaO 2SiO2 3H2O 3H2CO33CaCO3 2SiO2 6H2O2CaO SiO2 4H2O 2H2CO32CaCO3 SiO2 6H2O 混凝土表面轻度碳化可使一些孔被碳酸钙封闭 对减少碳化层的渗透和提高强度 耐久性有一定的作用 但是 如果混凝土本身孔隙较多 孔径较大且多连通 碳化继续使碳酸钙转变为碳酸氢钙 并溶出