混凝土力学性质

1、混凝土的强度混凝土的强度 第二节第二节 混凝土的强度混凝土的强度 混凝土强度的形成混凝土强度的形成 混凝土硬化结构的特点混凝土硬化结构的特点 混凝土的破坏理论混凝土的破坏理论 混凝土的受力变形及破坏过程；混凝土的受力变形及破坏过程； 混凝土的抗压强度；混凝土的抗压强度； 混凝土的抗拉强度；混凝土的抗拉强度； 影响混凝土强度的因素；影响混凝土强度的因素； 提高混凝土强度和促进混凝土强度发展的措施。提高混凝土强度和促进混凝土强度发展的措施。 混凝土强度的形成混凝土强度的形成 混凝土的强度归根结底来源于水泥石混凝土的强度归根结底来源于水泥石。 水泥水化物质生成后，将不是一粒一粒地水泥水化物质生成后，

2、将不是一粒一粒地 离开水泥颗粒母体向着液体游动，而是立离开水泥颗粒母体向着液体游动，而是立 即互相交织粘结起来，成为立体网结构，即互相交织粘结起来，成为立体网结构， 这种具有强度而仍有变形能力的网构状的这种具有强度而仍有变形能力的网构状的 物质，物质，以固体键在交接点上联结，这才形以固体键在交接点上联结，这才形 成了赋予水泥浆强度的基本单元成了赋予水泥浆强度的基本单元凝胶。凝胶。 在一部分交接点上固体与固体直接在一部分交接点上固体与固体直接 紧密接触，其间范德华力是如此巨大，紧密接触，其间范德华力是如此巨大， 可与化学键相比。但是一旦接触脱开，可与化学键相比。但是一旦接触脱开， 即不再能够重新

3、接续。这种相互作用即不再能够重新接续。这种相互作用 可以称为固体键，交接点可以称为固可以称为固体键，交接点可以称为固 接点。在另一部分交接点上，可能存接点。在另一部分交接点上，可能存 在着微薄的液体中介层，范德华力通在着微薄的液体中介层，范德华力通 过液体作用，受力时可能发生某种缓过液体作用，受力时可能发生某种缓 慢的滑移。这一部分交接点可以称为慢的滑移。这一部分交接点可以称为 非固接点。非固接点。 凝胶可看作是一种交接点没有充分凝胶可看作是一种交接点没有充分 焊接牢固的空间钢构架。在荷载作用焊接牢固的空间钢构架。在荷载作用 下，杆件（凝胶纤细微粒）产生足以下，杆件（凝胶纤细微粒）产生足以 支

4、持荷载的应力，只发生一定的变形，支持荷载的应力，只发生一定的变形， 而构架的破坏则归因于交接点的失效。而构架的破坏则归因于交接点的失效。 对交接点施加拉力，可以使它失效对交接点施加拉力，可以使它失效 （断开），反之，如果施加压力，则（断开），反之，如果施加压力，则 不论大小如何，都不能造成破坏。不论大小如何，都不能造成破坏。 混凝土硬化结构的特点混凝土硬化结构的特点 硬化混凝土是一种多相硬化混凝土是一种多相( (气、液、气、液、 固三相兼而有之）、多孔的复合材料，固三相兼而有之）、多孔的复合材料， 具有高度不均匀性和复杂的内部结构。具有高度不均匀性和复杂的内部结构。 混凝土的微观结构与硬化水泥

5、浆混凝土的微观结构与硬化水泥浆 基相及单一骨料相微观结构的最大差基相及单一骨料相微观结构的最大差 别在于第三相别在于第三相水泥石水泥石- -骨料界面过渡骨料界面过渡 区区。过渡区的微观与系统中水泥石或。过渡区的微观与系统中水泥石或 水泥砂浆（骨料）的结构有着明显的水泥砂浆（骨料）的结构有着明显的 区别。区别。 混凝土的非均一复杂特点体现于以下三个混凝土的非均一复杂特点体现于以下三个 方面：方面： 过渡区是围绕骨料（特别是大骨料）周过渡区是围绕骨料（特别是大骨料）周 围的一层薄壳，厚度一般为围的一层薄壳，厚度一般为10-15m10-15m，通常，通常 比混凝土另两个主要相薄弱。比混凝土另两个主要

6、相薄弱。 三相中任一相本身，本质上都是多相的三相中任一相本身，本质上都是多相的 非均一复杂结构。例如在任何一相中都含有非均一复杂结构。例如在任何一相中都含有 不同类型和不同数量的固体相、孔和微裂缝。不同类型和不同数量的固体相、孔和微裂缝。 混凝土中的水泥石和过渡区这两个相是混凝土中的水泥石和过渡区这两个相是 不稳定的，即它们的结构随时间、环境温度不稳定的，即它们的结构随时间、环境温度 和湿度的变化而变化。和湿度的变化而变化。 过渡区的强度过渡区的强度 过渡区的强度比水泥石本体要低，是三相过渡区的强度比水泥石本体要低，是三相 中最薄弱的环节，原因有三：中最薄弱的环节，原因有三： 在水化的早期由于

7、过渡区的水灰比大，在水化的早期由于过渡区的水灰比大， 所以它的孔体积与孔径均比水泥石或砂浆基所以它的孔体积与孔径均比水泥石或砂浆基 体大，这种情况只有在长龄期才会有所改善。体大，这种情况只有在长龄期才会有所改善。 过渡区内的氢氧化钙结晶体大，因此表过渡区内的氢氧化钙结晶体大，因此表 面积减少，相应的范德华引力也变弱，且取面积减少，相应的范德华引力也变弱，且取 向生长，有利于裂缝形成。向生长，有利于裂缝形成。 过渡区裂缝的存在。过渡区裂缝的存在。 混凝土的破坏理论混凝土的破坏理论 对于理想材料而言，强度大约应该是对于理想材料而言，强度大约应该是 弹性模量的十分之一。混凝土的弹性模量弹性模量的十分

8、之一。混凝土的弹性模量 大约在几万兆帕，混凝土如果是理想结构，大约在几万兆帕，混凝土如果是理想结构， 强度应该是几千兆帕，而实际上只有几十强度应该是几千兆帕，而实际上只有几十 兆帕。这是为什么呢？兆帕。这是为什么呢？GriffithGriffith理论得到理论得到 广泛认可。广泛认可。混凝土中存在许多微裂缝，在混凝土中存在许多微裂缝，在 受到外力作用时，会产生应力在微裂缝尖受到外力作用时，会产生应力在微裂缝尖 端集中现象。随着荷载的增大，微裂缝尖端集中现象。随着荷载的增大，微裂缝尖 端材料的局部拉应力可能增长到某种水平端材料的局部拉应力可能增长到某种水平 以至于变形能的减小恒大于表面能的增加，

9、以至于变形能的减小恒大于表面能的增加， 此时裂缝即成为能够不断扩展的不稳定裂此时裂缝即成为能够不断扩展的不稳定裂 缝，导致材料的破坏。缝，导致材料的破坏。 (1) (1) 混凝土的受力变形及破坏过程混凝土的受力变形及破坏过程 100 70- 90 30 0 极限荷载，极限荷载，% % 变变 形形 A A B B C C 未加荷载 界面裂缝无明显变化；界面裂缝无明显变化； 界面裂缝增长；界面裂缝增长； 出现砂浆裂缝和连续裂缝；出现砂浆裂缝和连续裂缝； 连续裂缝迅速发展；连续裂缝迅速发展； 裂缝缓慢增长；裂缝缓慢增长； 裂缝迅速增长。裂缝迅速增长。 混凝土受压变形曲线 不同受力阶段裂缝示意 (2)

10、 (2) 混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度 150mm 150mm 150mm 温度：温度：202033 湿度：湿度：90%90% 龄期：龄期：28d28d 300mm 立方体抗压强度立方体抗压强度 棱柱体抗压强度棱柱体抗压强度 （轴心抗压强度） D Dmax max 折算折算 系数系数 试块试块 尺寸尺寸 30300.950.951001003 3 40401 11501503 3 60601.051.052002003 3 f fcu cu,MPa ,MPa f fcp cp,MPa ,MPa f fcp cp=(0.70-0.80) =(0.70-0.80)f fcu cu l 立方体试

11、件抗压强度标准值（立方体试件抗压强度标准值（f fcu cu，k k） ） l 立方体抗压强度（立方体抗压强度（f fcu cu）只是一组混凝土试件 ）只是一组混凝土试件 抗压强度的算术平均值，并未涉及数理统计和保抗压强度的算术平均值，并未涉及数理统计和保 证率的概念。而立方体抗压强度标准值（证率的概念。而立方体抗压强度标准值（f fcu cu,k,k） ） 是按数理统计方法确定，具有不低于保证是按数理统计方法确定，具有不低于保证 率的立方体抗压强度。率的立方体抗压强度。 混凝土强度等级混凝土强度等级 v 依据依据立方体抗压强度标准值确定立方体抗压强度标准值确定普通混普通混 凝土强度等级：凝土

12、强度等级：C7.5C7.5、C10C10、C15C15、C20C20、 C25C25、C30C30、C35C35、C40C40、C45C45、C50C50、C55C55、 C60C60； (3) (3) 混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度 混凝土的抗拉强度很小混凝土的抗拉强度很小, ,只有抗压强度的只有抗压强度的 1/101/101/201/20。在结构设计中。在结构设计中, ,抗拉强度是确定抗拉强度是确定 混凝土抗裂度的重要指标。混凝土抗裂度的重要指标。 l 劈裂抗拉强度（劈裂抗拉强度（f fts ts） ） 我国现行标准规定，采用标准试件立我国现行标准规定，采用标准试件立 方体，按规定的劈裂

13、抗拉试验装置测得的强度为方体，按规定的劈裂抗拉试验装置测得的强度为 劈裂抗拉强度，简称劈拉强度劈裂抗拉强度，简称劈拉强度f fts ts 混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算：混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算： l 式中式中f fts ts混凝土劈裂抗拉强度， 混凝土劈裂抗拉强度，MPaMPa； F F破坏荷载，；破坏荷载，； 试件劈裂面面积，试件劈裂面面积，mmmm2 2。 A F A F f ts 637.0 2 (4) (4) 影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素 混凝土破坏过程混凝土破坏过程 界面裂缝界面裂缝 砂浆裂缝砂浆裂缝 连续裂缝连续裂缝破坏破坏 骨料与砂浆骨料与砂浆 的粘结强度的粘

14、结强度 砂浆强度砂浆强度 由水泥等级、水灰比由水泥等级、水灰比(水胶比水胶比)、 骨料的性质、施工质量、骨料的性质、施工质量、 养护及龄期决定养护及龄期决定 水灰比和水泥等级水灰比和水泥等级 决定混凝土强度的主要因素决定混凝土强度的主要因素 f fcu cu=Af =Afce ce( -B) ( -B) C C W W 对于流动性和低流动性混凝土有：对于流动性和低流动性混凝土有： f fcu cu混凝土 混凝土2828天抗压强度，天抗压强度，MPaMPa； A A、B B经验系数。与骨料的品种、水种品种等因素有关。经验系数。与骨料的品种、水种品种等因素有关。 采用碎石：采用碎石：A=0.46A

15、=0.46，B=0.07B=0.07； 采用卵石：采用卵石：A=0.48A=0.48，B=0.33B=0.33。 f fce ce水泥的实际强度， 水泥的实际强度，MPaMPa； C/WC/W灰水比（质量比）；灰水比（质量比）； W/CW/C水灰比。水灰比。 水泥完全水化 理论值0.23 包罗米（包罗米（BolomeyBolomey）公式）公式 l在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中 水胶比决定着混凝土的强度水胶比决定着混凝土的强度 龄期龄期 龄期，d f fn n = f = f28 28 LnLn(n)(n) Ln(28)Ln(28) f fn n nd nd龄期混

16、凝土的抗压强度，龄期混凝土的抗压强度，MPaMPa； f f28 28 28d 28d龄期混凝土的抗压强度，龄期混凝土的抗压强度，MPaMPa； n n 养护龄期（养护龄期（n n3d3d） 抗压强度,MPa 3 73 72828 例例 4 4- -1 1配配制制混混凝凝土土时时，制制作作c cm m1 10 0c cm m1 10 0c cm m 立立方方体体试试件件 块块，在在标标准准条条件件下下养养护护 7 7d d 后后，测测得得破破坏坏荷荷载载分分别别为为 1 14 40 0k kN N、 1 13 35 5k kN N、 1 14 40 0k kN N 试试估估算算该该混混凝凝土土

17、 2 28 8d d 的的标标准准立立方方体体抗抗压压强强度度。 解解 7 7龄龄期期时时： 混混凝凝土土立立方方体体的的平平均均强强度度为为： MPaf8 .13 3100100 140135140 换换算算为为标标准准立立方方体体抗抗压压强强度度： MPaf1 .1395. 08 .13 7 龄龄期期时时： MPaff4 .221 .1371.1 7lg 28lg 728 该该混混凝凝土土的的标标准准立立方方体体抗抗压压强强度度为为 2 22 2. .4 4P Pa a。 养护温度和湿度的影响养护温度和湿度的影响 抗压强度,MPa 龄期，d 养护28天强度，% 44 1818 3838 龄

18、期，d 保持潮湿保持潮湿1d1d 保持潮湿保持潮湿3d3d 保持潮湿保持潮湿7d7d 长期保持潮湿长期保持潮湿 混凝土强度与保湿养护时间的关系混凝土强度与保湿养护时间的关系养护温度对混凝土强度的影响养护温度对混凝土强度的影响 养护湿度的控制养护湿度的控制 v 混凝土自然养护过程中，保持一定的湿度，混凝土自然养护过程中，保持一定的湿度， 一般是表面覆盖草袋等物并不断浇水。一般是表面覆盖草袋等物并不断浇水。 v 使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅 酸盐水泥，浇水保湿应不少于酸盐水泥，浇水保湿应不少于7d7d； v 火山灰水泥和粉煤灰水泥或掺有缓凝剂或有火山

19、灰水泥和粉煤灰水泥或掺有缓凝剂或有 抗渗要求时不少于抗渗要求时不少于14d14d； v 高铝水泥不少于高铝水泥不少于3d3d。 捣实方法对混凝土强度的影响捣实方法对混凝土强度的影响 水灰比 抗压强度，MPa 0.3 0.4 0.5 0.60.3 0.4 0.5 0.6 5050 4040 3030 2020 1010 1 1 2 2 1 1人工捣实人工捣实 2 2机械捣实机械捣实 (5)(5) 提高混凝土强度和提高混凝土强度和 促进混凝土强度发展的措施促进混凝土强度发展的措施 v 采用高等级水泥采用高等级水泥 v 使用高效减水剂，掺入矿物细粉掺合料（尤其使用高效减水剂，掺入矿物细粉掺合料（尤其

20、 是硅灰）是硅灰）, ,采用低水胶比。采用低水胶比。 v采用强度高，级配合理的骨料。采用强度高，级配合理的骨料。 v机械搅拌和振捣，可使混凝土拌合物很好充满机械搅拌和振捣，可使混凝土拌合物很好充满 模板，内部孔隙大大减小，从而使混凝土的密实模板，内部孔隙大大减小，从而使混凝土的密实 度和强度大大提高；度和强度大大提高； v采用湿热处理（蒸汽养护或蒸压养护）；采用湿热处理（蒸汽养护或蒸压养护）； 采用湿热处理采用湿热处理 v 普通水泥最适合的蒸汽养护温度为普通水泥最适合的蒸汽养护温度为8080左右，左右， 时间时间5 58h8h，蒸汽压力为，蒸汽压力为0.1MPa 0.1MPa ； v 矿渣水泥

21、及火山灰水泥为矿渣水泥及火山灰水泥为9090左右，时间不左右，时间不 超过超过12h12h，蒸汽压力为，蒸汽压力为0.1MPa0.1MPa； v 蒸压养护温度蒸压养护温度175,175,蒸汽压力蒸汽压力0.8MPa0.8MPa，时间，时间 8 810h10h。 此外骨料的影响 总体来讲，在较低水胶比情况下，骨总体来讲，在较低水胶比情况下，骨 料粒径增大将导致混凝土强度降低。主要料粒径增大将导致混凝土强度降低。主要 原因是：原因是： 较大骨料减少了其比表面积，从而黏较大骨料减少了其比表面积，从而黏 结强度比较小。结强度比较小。 较大粒径骨料对硬化水泥浆体的体积较大粒径骨料对硬化水泥浆体的体积 变

22、化约束也比较大，因而会在混凝土内部变化约束也比较大，因而会在混凝土内部 引起附加拉应力。引起附加拉应力。 较大粒径骨料更易集聚内部泌水形成水较大粒径骨料更易集聚内部泌水形成水 囊。在这些位置上的界面过渡区产生微裂囊。在这些位置上的界面过渡区产生微裂 缝。缝。 4.2.3 4.2.3 混凝土的变形混凝土的变形 荷载变形荷载变形 温度变形温度变形 干湿变形干湿变形、 化学减缩化学减缩、 塑性收缩塑性收缩、 自生收缩自生收缩、 化学减缩化学减缩 化学减缩是由水泥的水化反应所产化学减缩是由水泥的水化反应所产 生的固有体积收缩。虽然化学减缩率很生的固有体积收缩。虽然化学减缩率很 小，在限制应力下不会对结

23、构物产生破小，在限制应力下不会对结构物产生破 坏作用，但其收缩过程在混凝土内部会坏作用，但其收缩过程在混凝土内部会 产物微细裂缝，影响到混凝土的受载性产物微细裂缝，影响到混凝土的受载性 能和耐久性能。能和耐久性能。 塑性收缩塑性收缩 到达顶部的泌出水会蒸发掉，如果泌水速度到达顶部的泌出水会蒸发掉，如果泌水速度 低于蒸发速度，表面混凝土含水减小，而引起的低于蒸发速度，表面混凝土含水减小，而引起的 变形，一般发生在拌合后变形，一般发生在拌合后3 312h12h以内，在终凝前以内，在终凝前 比较明显。比较明显。 由于干缩引起塑性状态下的裂缝。这是由于由于干缩引起塑性状态下的裂缝。这是由于 混凝土表面

24、区域受到约束产生拉应变，而这时它混凝土表面区域受到约束产生拉应变，而这时它 的抗拉强度几乎为零，所以形成塑性收缩裂缝，的抗拉强度几乎为零，所以形成塑性收缩裂缝， 这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不一样。当混凝土这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不一样。当混凝土 本体或环境温度高、相对湿度小，以及风大时容本体或环境温度高、相对湿度小，以及风大时容 易出现塑性收缩裂缝。易出现塑性收缩裂缝。 自生收缩自生收缩 l在高性能混凝土中，水胶比低，外界水分 不易补充，伴随着水化，产生的收缩应得 到重视。 混凝土在干燥过程中，首先发生气混凝土在干燥过程中，首先发生气 孔水和毛细水的蒸发。气孔水的蒸发孔水和毛细水的蒸发。气孔

25、水的蒸发 并不引起混凝土的收缩。毛细孔水的并不引起混凝土的收缩。毛细孔水的 蒸发，使毛细孔中形成负压，随着空蒸发，使毛细孔中形成负压，随着空 气湿度的降低，负压逐渐增大，产生气湿度的降低，负压逐渐增大，产生 收缩力，导致混凝土收缩。同时，水收缩力，导致混凝土收缩。同时，水 泥凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸泥凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸 发，由于分子引力的作用，粒子间距发，由于分子引力的作用，粒子间距 离变小，使凝胶体产生紧缩。离变小，使凝胶体产生紧缩。 混凝土的这种体积收缩混凝土的这种体积收缩称为干称为干缩缩. . 干湿变形（干缩湿胀）干湿变形（干缩湿胀） 膨胀 0收缩 应变 龄期 空气中养

26、护 水中养护 混凝土中过大的混凝土中过大的 干缩会产生干缩裂缝，干缩会产生干缩裂缝， 使混凝土性能变差。使混凝土性能变差。 混凝土结构设计中干混凝土结构设计中干 缩率取值一般为缩率取值一般为 1.51.52.02.01010-4 -4。 。 干缩主要是水泥干缩主要是水泥 石产生的，因此降低石产生的，因此降低 水泥用量，减小水灰水泥用量，减小水灰 比是减少干缩的关键。比是减少干缩的关键。 【案例】混凝土早期养护不好导致出现收缩裂缝 概要概要 连云港地区某多层住宅，为7层砖混结构，混 凝土等级均为C30，该工程2002年1月开工，该年 12月竣工。2004年8月16日，六楼住户发现书房 以及主卧室

27、的墙角处有两道圆弧型的裂缝。8月 24日，在铺贴阁楼瓷砖时，在书房处发现其顶板 从中间向两边呈45。开裂。后发现主卧室的顶板 也发生明显的开裂现象。该楼层施工气象条件为 该地区大气比较寒冷的一段时期，最低气温30C ， 最高气温150C，相对湿度在30%40%之间，当 日的风速很大。施土中虽然采取了多种冬季施工 措施，但在作业时仅采用双层草帘覆盖保温，未 采取洒水养护和防风措施。 分析分析 如前所述，特别是风大时，施土完毕后， 混凝土正处于初凝期，强度尚未有大的发 展，作业又没有防风措施，导致混凝土失 去水分过快，引起表面混凝土干缩，产生 裂缝。另外，从裂缝绝大多数集中在构件 较薄及与外界接触

28、面积最大的楼板上这一 现象也可证实，开裂与其使用的材料关系 不大，而受气象条件的影响大些。与楼板 厚度接近的墙体之所以未裂，是因为墙体 两面都有模板，不直接受大气的影响。由 此可以基本断定，大气因素是导致混凝土 现浇板出现干缩裂缝的直接因素。 混凝土表面的干燥收缩裂缝 温度变形温度变形 v 混凝土中骨料与水泥石间热膨胀系数的混凝土中骨料与水泥石间热膨胀系数的 差异，可能会导致界面裂缝的产生；差异，可能会导致界面裂缝的产生； v 不同温度区域热膨胀作用的差异，如大不同温度区域热膨胀作用的差异，如大 体积混凝土中内部温度较高，产生较大膨体积混凝土中内部温度较高，产生较大膨 胀，而外部则收缩，因而在

29、外表混凝土中胀，而外部则收缩，因而在外表混凝土中 将产生很大的拉应力，使混凝土产生裂缝。将产生很大的拉应力，使混凝土产生裂缝。 混凝土热膨胀系数约混凝土热膨胀系数约(6-12)(6-12)1010-6 -6/ / 对大体积混凝土工程，必须尽量减少混凝土发对大体积混凝土工程，必须尽量减少混凝土发 热量，目前常用的方法有：热量，目前常用的方法有： 1) 1) 最大限度减少用水量和水泥用量；最大限度减少用水量和水泥用量； 2) 2) 大量掺加粉煤灰、磨细矿渣等掺和料；大量掺加粉煤灰、磨细矿渣等掺和料； 2) 2) 采用低热水泥；采用低热水泥； 3) 3) 预冷原材料预冷原材料 4) 4) 选用热膨胀系数低的骨料，减小热变形；选用热膨胀系数低的骨料，减小热变形； 5) 5) 在混凝土中埋冷却水管，表面绝热，减小在混凝土中埋冷却水管，表面绝热，减小 内外温差；内外温差； 6) 6) 对混凝土合理分缝、分块、减