土木工程材料学习课件第4章-3 混凝土强度

4.3混凝土的强度与破坏混凝土强度的意义：强度是混凝土最重要的力学性质，混凝土主要用于承受荷载或抵抗各种作用力。混凝土强度与混凝土的其它性能关系密切，一般来说，混凝土的强度愈高，其刚性、不透水性、抵抗风化和某些侵蚀介质的能力也愈高，通常用混凝土强度来评定和控制混凝土的质量。重庆綦江彩虹桥钢筋混凝土柱的破坏状态预存缺陷的存在对硬化后的水泥混凝土结构，在未受荷载之前，由于原因，在混凝土结构内部已存在孔缝系统。混凝土结构受荷下的破坏，主要是原有孔缝系统的延伸、联生和扩大。混凝土内多余水分的泌水、蒸发形成的毛细孔；温度的变化引起的温度裂缝；湿度变化引起的干缩裂缝；砂浆和粗骨料之间的不一致变化产生的界面裂缝等。一、混凝土强度的分类包括：抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度与钢筋的粘结强度等。1、砼的抗压强度与强度等级定义：混凝土的抗压强度是指标准试件在压力作用下直到破坏的单位面积所能承受的最大应力（亦称极限强度）。混凝土结构物常以抗压强度为主要参数进行设计，而且抗压强度与其它强度及变形有良好的相关性，因此，抗压强度常作为评定混凝土质量的指标，并作为确定强度等级的依据。立方体标准试件依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）：

150mm×150mm×150mm的标准立方体试件，在标准条件（温度20±3℃，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抗压强度，以fcu表示。a2aaa圆柱体（美、法、日）立方体（英、德、中）试件形状示意图砼强度等级依据混凝土立方体抗压强度标准值（以fcu.k表示），将混凝土划分为十四个强度等级：

C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80混凝土立方体抗压强度标准值系指对按标准方法制作和养护的边长为150mm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％。高强混凝土技术规程从C50~C80分为七个等级：C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80高强混凝土等级2、轴心抗压强度（fcp）原因：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结构形式极少是立方体的，大部分是棱柱体型或圆柱体型。为了使测得的混凝土强度接近与混凝土结构的实际情况，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，都是采用混凝土的轴心抗压强度fcp作为计算依据。轴心抗压强度试件根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）的规定，轴心抗压强度采用：

150mm×150mm×300mm的棱柱体高宽比（h/a＝2～3）的非标棱柱体试件棱柱体试件轴心抗压强度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h/a达到一定值后，强度不再降低。在立方体抗压强度fcu＝10～55Mpa范围内，轴心抗压强度fcp≈（0.70～0.80）fcu。轴心抗压强度试验示意图HSCNSC普通混凝土高强混凝土轴向应变（mm)应力MPa普通混凝土高强混凝土0.0061203、砼抗拉强度（fts）混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/20，并且这个比值随着混凝土强度等级的提高而降低。混凝土受拉时呈脆性断裂，破坏时无明显残余变形。在钢筋混凝土结构设计中，不考虑混凝土承受拉力，而是在混凝土中配以钢筋，由钢筋来承受结构中的拉力。但混凝土抗拉强度对于混凝土抗裂性具有重要作用，它是结构设计中确定混凝土抗裂度的主要指标，有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋间的粘结强度，及预测由于干湿变化和温度变化而产生的开裂大小的指标。抗拉强度的测定早期——轴向拉伸法。存在荷载不易对准轴线，夹具处常发生局部破坏，致使准确测试困难；现行——劈裂抗拉强度试验法。间接地得出混凝土的抗拉强度，称为劈裂抗拉强度fts；公路——抗折强度法。试件：边长为150mm的立方体或圆柱体作为标准试件。该法的原理——是在试件的两个相对的表面素线上，施加均匀分布的压力，这样就能在外力作用的竖向平面内产生均匀分布的拉应力，该应力可以根据弹性理论计算得出。PPft=P/A横截面积为A

Ⅰ直拉试验TensionTesting直拉试验直拉试验示意图混凝土受拉伸

2.4MpaⅡ劈裂抗拉试验

SplittingTestPPdftsfts

=2P/πdll-试件长度受拉立方试件的劈裂抗拉强度计算公式式中fts———混凝土劈裂抗拉强度（Mpa）；

P————破坏荷载（N）；

A————试件劈裂面积（mm）。Ⅲ抗折试验

FlexuralTest

PL/3L/3L/3

拉压fbfb=PL/bd2b×d=截面积劈裂抗拉强度与其它强度的比较试验证明，在相同条件下，混凝土用轴拉法测得的轴拉强度，较用劈裂法测得的劈裂抗拉强度略小，二者比值约为0.9。混凝土的劈裂抗拉强度与混凝土标准立方体抗压强度（fcu）之间的关系，可用经验公式表达如下：

4、砼与钢筋的粘结强度在钢筋混凝土结构中，混凝土用钢筋来增强，要使钢筋混凝土这类复合材料有效工作，混凝土与钢筋之间必须要有适当的粘结强度。砼与钢筋的粘结强度的产生：混凝土与钢筋之间的摩擦力钢筋与水泥石之间的粘结力变形钢筋的表面机械啮合力影响钢筋与砼粘结强度的因素混凝土质量－与混凝土抗压强度成正比。钢筋尺寸及变形钢筋种类；钢筋在砼中的位置（水平钢筋或垂直钢筋）；加载类型（受拉钢筋或受压钢筋）；干湿变化、温度变化等。粘结强度的评定美国材料试验学会（ASTMC234）拔出试验方法：混凝土试件为边长150mm的立方体，其中埋入φ19mm的标准变形钢筋，试验时以不超过34Mpa/min的加荷速度对钢筋施加拉力，直到钢筋发生屈服；＆混凝土劈开；＆加荷端钢筋滑移超过2.5mm。

记录出现上述三种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。粘结强度计算公式式中fN————粘结强度（MPa）;d————钢筋直径（mm）；

l————钢筋埋入混凝土中长度（mm）；

P————测定的荷载值（N）。二、影响混凝土强度的因素砼结构连续性的丧失：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。混凝土破坏的断面形式分：骨料剥离型骨料破裂型粘结界面破坏型混凝土强度关系式

fcu=f(骨料强度、水泥石强度、界面强度)受力作用破坏类型破坏断面图1、水泥强度与水灰比水泥强度和水灰比是决定混凝土强度最主要的因素。水灰比不变时，水泥强度越高，则硬化水泥石强度越大，对骨料的胶结力也就越强，配制成的混凝土强度也就愈高。水泥强度相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力愈大，混凝土强度愈高。但水灰比过小，拌和物过于干稠，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，反将导致混凝土强度严重下降。图3-6龄期与水灰比对混凝土强度的影响强度与水灰比的关系示意图砼强度与W/C、水泥强度等的经验公式

fcu=Afce（C/W—B）

式中fcu———混凝土28d龄期的抗压强度（Mpa）；

C————每立方米混凝土中水泥用量（Kg）；

W————每立方米混凝土中水的用量（Kg）；

C/W———混凝土的灰水比；

fce———水泥的实际强度（Mpa）。

在无法取得水泥实际强度时，可用式

fce=γ.fce.k代入，其中fce.k为水泥标号，γ为水泥标号值的富余系数（一般为1.13）。A、B——经验系数（骨料系数）A、B——经验系数，与骨料品种及水泥品种等因素有关，其数值通过试验求得。若无试验统计资料，则可按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55－2000）提供的A、B经验系数取用：采用碎石A＝0.46B＝0.07

采用卵石A＝0.48B＝0.33公式的适用范围：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。混凝土强度公式的应用：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。3、骨料的影响影响因素：骨料的强度骨料的种类骨料的级配骨料的表面状态骨料的粒形骨料的有害杂质和弱颗粒含量4、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，而混凝土成型后的温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因素。因此，混凝土浇捣成型后，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，保证混凝土强度不断增长，以获得质量良好的混凝土。温度影响养护温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度的发展也快；在低温下混凝土强度发展迟缓。当温度降至冰点以下时，则由于混凝土中水分大部分结冰，不但水泥停止水化，混凝土强度停止发展，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受破坏，导致混凝土已获得的强度受到损失。混凝土早期强度低，更容易冻坏。冬季施工时，要特别注意保温养护，以免混凝土早期受冻破坏。蒸汽养护蒸汽养护湿度影响周围环境的湿度对水泥的水化能否正常进行有显著影响。湿度适当，水泥水化反应顺利进行，使混凝土强度得到充分发展，因为水是水泥水化反应的必要成份。如果湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，严重降低砼强度，而且使砼结构疏松，形成干缩裂缝，增大了渗水性，从而影响混凝土的耐久性。施工规范规定：在混凝土浇筑完毕后，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发过快。在夏季施工混凝土进行自然养护时，使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥时，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有抗渗要求时，应不少于14d。砼强度与保湿时间的关系图覆盖养护喷养护液养护野外公路的遮阳保湿养护野外公路的遮阳保湿5、龄期定义：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7～14天内强度发展较快，以后逐渐变缓，28天达到设计强度。28天后强度仍在发展，其增长过程可延续数十年之久。砼强度与龄期的关系图龄期与强度经验公式在标准养护条件下，混凝土强度的发展，大致与其龄期的常用对数成正比关系（龄期不小于3d）。

式中fn———nd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），n≥3。龄期与强度经验公式的应用可以由所测混凝土早期强度，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，如确定混凝土拆模、构件起吊、放松预应力钢筋、制品养护、出厂等日期。6、试验条件对砼强度测定值的影响试验条件是指：试件的尺寸试件形状试件表面状态加荷速度等Ⅰ试件尺寸相同配合比的混凝土，试件的尺寸越小，测得的强度越高，反之亦然。试件尺寸影响的主要原因是：试件尺寸大时，内部孔隙、缺陷等出现的机率也越大，导致有效受力面积的减小及应力集中，从而引起强度的降低。我国标准规定采用150mm×150mm×150mm的立方体试件作为标准试件，当采用非标准的其它尺寸试件时，所测得的抗压强度应乘以下表的换算系数。混凝土试件不同尺寸的强度换算系数表骨料最大粒径（mm）试件尺寸（mm）换算系数30100×100×1000.9540150×150×1501.060200×200×2001.05Ⅱ试件的形状当试件受压面积（a×a）相同时，h/a越大，测得的抗压强度越小。原因：环箍效应——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。愈接近试件的端面，这种约束作用就愈大，在距端面大约的范围以外，约束作才消失。试件破坏后，其上下部分各呈现一个较完整的棱柱体，这就是这种约束作用的结果。通常称这种作用为环箍效应。PP压力机压板对试件的约束a压板环箍效应Ⅲ试件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，测出的强度值也较低。试验破坏后残存的棱锥体不受压板约束时试件破坏情况涂油摩擦力压板表面约束Ⅳ加荷速度加荷速度越快，测得