混凝土的强度.doc

第三章 强度73 22预览：混凝土的强度是设计者和负责质量控制的工程师们坐看中的性质。在固体材料中，强度与孔隙率（孔隙的体积分数）在一般情况下是成反比关系的。像混凝土这样不是单相的材料，它的微观结构每一组成相的孔隙率都可能成为强度的限制因素。天然骨料的特点一般事致密而坚硬，所以水泥浆料基体以及粗骨料之间的界面过渡区的孔隙率常常决定着普通混凝土的强度。 水灰比是决定集体与表面过渡区孔隙率的重要组成因素，从而决定了混凝土的强度。还有一些因素比如压实和固化条件（水泥水化程度），骨料的粒径与矿物成分、外加剂的种类、湿度和样品形状、压力的种类和加载负荷的速率对混凝土的强度也有很大影响。本章节详细的分析不同因素对于混凝土强度的影响。由于单轴抗压强度已经作为混凝土常用的强度指标，与其他类型的强度指标一起在本章节进行讨论，如抗拉强度、抗折强度、和双轴强度之间的关系。3.1 定义材料的强度指的是其抵抗外力不被破坏的能力大小。破坏有时会伴随着裂纹的出现。第二章酱紫，对普通混凝土微观结构的研究发现，混凝土不同于其它结构材料，在没有受到外力作用之前就存在这很多的微小裂纹。所以，在混凝土中，强度是与引起破坏的应力相关的，把混凝土所能抵抗的最大应定义为混凝土的强度。在抗拉实验中样品断裂算作被破坏。而在抗压测试中，即使表面没有可见裂纹，但是内部的裂纹使其不能承载更大应力的时候，就可以算作已经被破坏。3.2 作用 在混凝土设计和质量控制过程中，强度通常是一个呗限定的性质。这是因为与大多数其它性质相比，强度的测试相对比比较容易。而且，很多混凝土的其他性质，比如弹性模量、水密度或抗渗性，以及抵抗大气中的介质（包括侵蚀水）的作用等，都被认为要取决于强度，并可以由强度数据推理出来。如第一章所述，混凝土的抗压强度值要比其它类型的强度值高数倍，因此大多数混凝土构件在设计时候，都利用了该材料具有较高抗压强度的优点。尽管在实际结构中，大多数混凝土在两个方向或者更多方向收到压应力、剪应力和拉应力的复合作用，但是，单轴抗压试验在实验室中最容易进行，由标准单轴抗压试验测定的28d抗压强度已被广泛接受，作为混凝土的强度通用指标。3.3 强度与孔隙率 一般情况，固体材料的孔隙率和强度成反比，对于简单的均质材料，可用式子3 - 1表达： S=S0e-kp （3 - 1）式中 S：为孔隙率为p是材料的抗压强度； S0：孔隙率为零时的本征强度； K：常数。对于很多材料来说，S/ S0与孔隙率之间呈相同的曲线关系。例如，图3 - 1（a）的数据表示标准养护的水泥、蒸压养护的水泥和不同骨料的孔隙率与强度的关系。实际上，这种强度与孔隙率的关系适用于很多材料，如贴、熟石膏、烧结氧化铝、氧化锆等图3-1（b） （a） 抗压强度/MPa（b） 相对强度。锆、铁、熟石膏、烧结氧化铝（c） 立方体强度/MPa。砂浆 配合比A、B、C 毛细管孔隙率（%） 孔隙率（%） 胶孔比x （a） （b） （c）（a）标准养护水泥制品，蒸压养护水泥制品和不同骨料；（b）铁、熟石膏、烧结氧化铝氧化锆；（c）不同配比的硅酸盐水泥砂浆。而且，孔隙率与强度之间的反比关系不仅局限与水泥制品，对很多材料和适用Powers1这个人发现三种不同浆料的28d抗压强度fc 与胶孔比相关，或者说，与体系中固相水化产物和总空间之比有关。 fc =ax3 （3 - 2）其中 a：材料孔隙率p为零是的本征强度 x：固孔比，或系统中固体的比值，因此x=1 pPowers的数据如图3 1（c）所示，他发现a=234MPa。图3 1中三条曲线的相似性，说明固体材料的强度孔隙率关系具有普适性。尽管硬化水泥浆或者砂浆的孔隙率与强度有关，但是混凝土的情况却并不简单。粗骨料和集体之间的界面过渡区中微裂纹的存在，使得混凝土更为复杂，无法用精确地强度孔隙率关系来预测混凝土强度。然而，强度孔隙率关系的普适性必须硬气重视，因为混凝土各项（包括界面过渡区）的孔隙率确实会限制强度。用常规的低孔隙率或高强度骨料配置的混凝土，其强度将由基体和界面过渡区的强度共同决定。3.4 混凝土的破坏方式像混凝土这样的材料，基体中含有形状不同、大小不一的空隙，界面过区存在微裂纹，因此在应力作用下的破坏方式非常复杂，而且随载荷类型的不同而变化。简单的惠顾一下破坏样本模型，有助于理解和控制影响混凝土强度的诸多因素。图3 2 典型的混凝土压缩破坏模型单轴拉伸是，基体中裂纹的形成和发展所需能量相对较小，裂纹（包括界面过渡区的原生裂纹和基体中的新生裂纹）的快速扩展和联通，导致脆性破坏。受压时，由于基体中裂纹的形成和扩展需要更多的能量，破坏时表现的脆性较小。较为普遍的观点是，在单轴抗压试验中，中、低强度的混凝土在破坏应力的50%以前，基体不会产生裂纹；在此阶段称为剪切黏结裂纹的稳定系统已在粗骨料周围存在。在更高应力水平时，裂纹在基体内产生，在其数量和大小随应力水平的提高而逐渐增大。最后，基体和界面过渡区的裂纹（剪切黏结裂纹）联通起来，和载荷形成2030方向形成破坏面，如图所示。3.5 抗压强度及影响因素混凝土所承受外加应力的能力不仅取决于应力种类，还取决于影响混凝土各相孔隙率不同因素的组合。这些因素包括混凝土混合物中各种原材料的性能和比例、压实程度和养护条件。从强度的角度来看，水灰比和孔隙率的关系无疑是最后总要的因素，因为它不依赖于其他因素，直接影响着水泥砂浆基体、粗骨料之间界面过渡区的孔隙率直接测定混凝土各独立结构相（基体和界面过渡区）的孔隙率是不切实际的，因而也无法得到测试混凝土强度的精确模型。然而，人们经过长期研究，发现了许多有用的经验关系，为实际应用提供了很多有关影响抗压强度很多因素的简介信息。虽然混凝土对于外加应力的反应是不同因素交互作用的结果，但是为了便于理解，可以把这些因素分为三类分别进行讨论：材料特征与配合比；养护条件；试验参数。3.5.1 材料特性和配合比制备混凝土混合物之前，首先需要选择满足设计强度的原材料及其配合比。混凝土配置材料的成分和性质在后面会有介绍，把一些有关的重要的混凝土强度