普通混凝土的性能

第四章一般混凝土的性能混凝土的密实度它表示在肯定体积的混凝中,固体物质的填充程度,表示为：(4-1)式中D为密实度,V为确定体积,V为视体积。0D1。混凝土中不同程度地含有孔隙，混凝土的孔隙率P可按下式计算：P=1-D= (4-2)当V=1时，式(1-2)写成：0D=V= (4-3)式中γ 为混凝土的容重,γ 为混凝土的比重0因此，准确测定混凝土的密实度，需要测定混凝土的比重，这实际上是很困难的，由于组分的体积总和来近似地确定其密实度，已足以够准确。即：D=V+V+V (4-4)w e a式中V 每立方米混凝土中强结合水确实定体积；V每立方米混凝土中水泥确实定体积；Vw e a每立方米混凝土中集料确实定体积。但由于混凝土中水泥水化作用不断进展，所以V 值随着龄期和水泥品种的不同而变化。Vw a也可以分为粗集料和细集料确实定体积。因此(1-4)式可以写成：D=V+V+V+V (4-5)c s g w= + + (4-6)式中Wc、Ws、Wg分别表示每立方米混凝土中水泥、细集料、粗集料的用量〔公斤/m3〕；rc、rs、rg分别水泥、细集料、粗集料的比重〔/m3〕。表示肯定龄期的混凝土中强结合水为水泥重的百分数。依据28天混凝土密实度的不同，混凝土可以分为以下等级：高密实度混凝土 D=0.87-0.92较高密实度混凝土D=0.84-0.86一般密实度混凝土D=0.81-0.83较低密实度混凝土D=0.78-0.80低密实度混凝土D=0.75-0.77对所用材料一样而组织构造不同的混凝土混凝土，其密实性可用其容重近似的比较之。也可以用射线和超声波等仪器测试混凝土的密实度。混凝土的密实度几乎与混凝土的全部主要技术性能有亲热的联系隙的大小，外形，分布及其封闭程度，而混凝土的这些特征是直接影响上述性能的因素。一般混凝土的干缩与湿胀混凝土在硬化过程中及暴露在环境中的失水收缩和吸水膨胀简称—干缩和湿胀。分别的结果。另外，水的侵入，是凝胶体颗粒外表形成吸附水，降低了外表张力，也使得颗粒发生微小的膨胀。混凝土的湿胀同时引起重量的增加〔约1％〕，因此重量的增加比体积的增加大得多，这是由于相当局部得水占据了水泥水化作用而引起体积削减所产生的孔隙。压力小，其压力差为：〔4-7〕或 〔4-8〕由于分子引力的作用，使粒子间的距离变小甚至发生的化学结合而收缩。水泥石的一局部收缩还可能与沸石型水的迁移有关，已经证明水化硅酸钙在枯燥过程中，149埃。水化C4A和水化硫氯酸钙也有类似的性质。都能恢复。对一般混凝土而言，不行逆收缩约为干收缩的0.3-0.6，而低限更为普遍。这种的化学结合，这种结合，使再吸水时也不会被破坏。但随着水泥水化程度的提高，凝胶体养护后枯燥收缩，再浸水时也就没有剩余收缩。对于给定的混凝土，在连续不断地枯燥循环后，干缩与湿胀确实定值也会变小，这是由于混凝土在保水期间进一步水化，使水泥石强度越来越高的原因。由于徐变引起的收缩，也就是所谓的“无徐变无收缩混凝土”。限制作用而消灭裂纹。但是，由限制性收缩所产生的应力时逐步建立的，所以它将被混凝土的徐变所减小，随着时间的增加，一方面混凝土强度提高，削减开列的危急；另一方面混凝土弹性模量增加，能性渐渐变大。越大。此外水泥的性能，虽对水泥的收缩有影响，但对混凝土的收缩影响不大。凝土收缩率与水泥石收缩率的关系〔4-9〕式中： 为混凝土的收缩率；

为水泥石的收缩率；Va

集料的体积率；Vv

水泥石的=1-Va

；n与集料弹性性质有关的常数n=1.2-1.7。这种集料的弹性模量较低，对水泥石收缩的限制作用较小的原因。一般混凝土的热性能一般混凝土的热膨胀性能均值。水泥石的膨胀系数大约为10～20*10-6/℃,比集料的膨胀系数6～12*10-6/℃要大,所以混凝土的膨胀系数约为7～14*10-6/℃。一般可以说混凝土的膨胀系数石集料含量的函数，也是集料本身膨胀系数的函数。水泥石的热膨胀系数是湿度的函数，在相对湿度为100％或070是由于连续水化使结晶物质增加于凝胶体很少，其膨胀系数并不随温度而变化。一般混凝土的比热0.21～0.26千卡/千克·度的范围内，含水量的增加量而显著增加。集料对混凝土比热的影响可以表示为：C=C(1-W)+CW

(4-10)p a a a式中C为混凝土的比热，Cp水泥石的比热，Ca集料的比热，Wa混凝土中集料的重量比。混凝土中的容重〔公斤/3〕和比热〔千卡/千克·度〕之间的关系有：C≌725/ r0 (4-11)一般混凝土的热传导性能一般混凝土的导热系数取决于它的组成，当饱水时一般大约在1.2-1.4千卡/米·时·度之间，集料的种类对混凝土的导热系数有很大的影响。空气的导热系数格外小，为0.022〔千卡/米·时·度〕，0.52〔千卡/米·时·度〕1/25，所以枯燥的混凝土比含水状态的混凝土导热系数小，例如轻混凝土的含水量增加10％，导热系数就增加50％。同样，由于一般混凝土的热集中性能通常用热集中率(又称导温系数)度愈易到达均匀。材料的额热集中率在数值上等于其导热力量与储热力量之比即：(4-12)C为比热。2/时。一般混凝土的热集中率一般在0.002-0.006米2/时的范围内。影响混凝土导热系数及比热的因素，同样也影响混凝土的热集中率。其次节混凝土的力学性能1混凝土强度理论固体内聚强度理论〔双原子模型〕在立方晶体中，两原子〔离子〕间三维分布时的结合力为：(4-13)式中R0为离子处于平衡状态时的距离，R为晶体受力时两离子的真实距离。由两原子作用力曲线可知，要将立方离子晶体中的两离子分开，离子间作用力要渐渐增大到最大点，然后再下降到零。要找出断开所需的最大作用力，则需找出的值。对式〔4-13〕求微分，令其等于零即可(4-14)则有(4-15)(4-16)把〔4-16〕式代入〔4-13〕式，有(4-17)则最大抗拉强度〔单位面积的力〕为(4-18)(4-19)由式(4-18)联系式〔4-19〕，则有〔4-20〕联系式(4-19)可知，抗拉强度度 范围为：0.05E≤

是由晶体构造特征和组分打算，晶体的抗拉强≤0.11E。这样理论抗拉强度约为杨氏弹性模量的1/10。上面是从结合力角度动身推导了晶体的理论强度，下面从结合能量动身推导晶体的理论强系是一条抛物线曲线。此能量在原子平衡间距处具有最小值。由于断裂的结果之一是沿断s的两倍。对能量-距离曲线求微分，则可得力-位移曲线。在原子平衡间距处力为零，该曲线的初始斜-位移曲线可转化成近似半个正弦波的应力-应变曲线。曲线下2rsE。应力σ与位移x之间的关系为(4-21)因此，断裂功可写成(4-22)对于小位移，听从虎克定律，(4-23)由于对于小角度sinx≈x，由式〔4-21〕得(4-24)这样一来，由式〔4-22〕与式〔4-24〕相等可得(4-25)式中，为理论内聚强度。对于典型的和值，固体理论内聚强度的合理推测也是/10的数量级。这意味着混凝土的理论强度约为2100MPa〔300000lb/in.2〕。格里菲斯〔Griffith〕理论荷载的弹性体，他计算了体系总自由能最小的条件。体系中总能量为(4-26)式中，W=由于施加的荷载所做的功；U =贮存在体系中的应变能；U=用于产生裂缝表L E S面的自由外表能。dU/dC<0时，裂缝扩展。利用这一理论，我们可以导出Griffith理论断裂强度方程：(4-27)式中，C为裂缝长度的一半。在 时， 。虽然这一方程是用完全不同的方式导出的，但它与方程〔4-25〕格外相像。由此消灭强度的理论值与强度的实际测定值之间存在或许是二个或三个数量级的巨大差异。格利菲斯〔Griffith〕1920年首先对此做了答复：任何真实材料都确定含有缺陷、微裂缝力。因而，在施加的应力作用下，裂缝就会生长，直至发生破坏。一椭圆形孔〔在极端状况下它可代表一条裂缝〕，则裂缝端部的应力可写为(4-28)式中，为裂缝端部的半径，或对 有 (4-29)很明显，对于 ，即对于一条很“锋利”的裂缝，布存在格外大的应力集中。细观力学理论

变得很大。裂缝前沿的应力分混凝土是一种颗粒型多相复合材料，包含着至少七个相，即粗集料、砂、未水化水泥颗粒、水泥凝胶、凝胶孔、毛细管孔腔和引进的气孔。〔4-18〕〔4-20〕1/10理论强度。明显，材料强度不仅仅受组分和微观构造的影响，也与密度有关。由两个双原子〔分子或离子〕间结合力和结合能普适表达式可知，当原子间距为时，原子间作用力为零，作用势为，所以可得解这个方程组可得

〔4-30〕〔4-31〕将〔4-31〕式代入到结合力和结合能式中，得〔4-32〕〔4-33〕对式〔4-32〕求倒数可得到最大作用力时的〔4-34〕将式〔4-34〕代回式〔4-32〕可得〔4-35〕式中 ，因此相应于式〔4-20〕有〔4-36〕D为单位体积内包含的构造单元〔R

3〕D1/R3，明显有0 0〔4-37〕0这里Eb/Rn项是00在 时才起作用。当R=R时，此项可无视不计，即 ，0即 。又因 ，所以有或得

或 〔4-38〕〔4-39〕式中。此式得出了强度与密度之间的关系，已是属于细观层次的构造特征，而m为微观的构造特征。这说明强度与材料的微小观构造有关系。由化学键和引力系数m玻恩指数n关m61，代入式〔4-39〕，则有分子键材料的强度与密实度的关系为对离子键，共价键材料

〔4-40〕〔4-41〕这与人们大量的工程实践中总结的阅历公式是格外全都的：〔4-42〕式〔4-42〕中是阅历常数，不是波恩指数。与式〔4-40〕、〔4-41〕中的物理意义一样，为材料的本征强度，即材料确定密实度=1时的强度〔 〕。60年月初，美国学者鲍〔T.C.Powers〕〔X〕〔孔〕和未水化的水泥颗粒，其中〔4-43〕X实际上可以理解为密实度，并得出X与强度的关系为〔4-44〕式〔4-44〕与式〔4-40〕根本相符。这与现在争论的水泥石中分子键〔氢键〕对强度发挥主要作用也是全都的。复合材料理论波桑比为；基体相的弹性模量为，波桑比为；粒子相的体积率为；基体相的体积率为。〔4-45〕B.保尔〔Paul〕应用线弹性力学的极值〔变分〕方法分析合金〔多相金属材料〕弹性模量的上限和下限，推导出在 的特别状况下，复合材料弹性模量的上限为：〔4-46〕这是用刚度表示的混合律；复合材料弹性模量的下限为：〔4-47〕这是用柔度表示的混合律，也可以写为：〔4-48〕公式。因此，二相复合材料的弹性模量在不考虑波桑比的状况下的理论上限和下限可写为：〔4-49〕T.C.亨逊指出，这个上、下限对象混凝土这样的分散体系的弹性模量也适用。并认为：一般混凝土的弹性模量接近于下限、而轻集料混凝土则接近于上限这是由于对于 的硬基受一样的应力为合理。

T.J.赫沙〔Hirsch〕提出的串联和并联两种组合的模型，只要利用一个加权因素x就可以把上、下限两个公式联系起来：〔4-50〕x=0，得出混合律柔度公式，这说明基体和粒子所受应力一样。当x=1时，则得出混合律刚度公式，相当于基体和粒子间存在最大的结合力，两者应变一样。几种协作比的混凝土的x0.5。在分散相〔粒子相〕为孔隙的状况下，则=0。用上式计算，则得=0。这是不符合实际状况的。为了避开上述缺点，U.J.康脱〔Counto〕提出以下模型：一边长为单位长度的立方体，p，边长为d。明显，推导，则得：〔4-51〕

。对于硬基复合材料，可用并联形式在分散相为孔隙的状况下， ，则得：〔4-52〕式中为孔隙率。对于软基复合材料，则用串联形式推导，得：〔4-53〕这个公式与WC-CoWC-Co复合合金也是颗粒型二相复合材料、粒子相为碳化钨，基体相为钴。碳化钨的弹性模量为7.2×106公斤/平方厘米，波桑比为0.222.1×106公斤/0.3。这个公式可能也适用于砂浆和一般混凝土。混凝土破坏机理作用。混凝土和其砂浆、水泥浆体以及粗集料各组分具有典型的压应力-应变曲线。粗集料泥浆体和集料的行为很不一样。应力-应变曲线强调了混凝土是由两种或更多种截然不同的材料的三维组合，各组分由明确的界面分开。“本体”ITZITZ之间的黏结强度取决于集料颗粒的外表特性〔粗糙度〕、泌水程度、化学结合〔在某些状况下〕和特定的试件制备方法。假设浆体-集料黏结强度增大，则混凝土的抗压、抗拉和抗折强度也都增加，增加的幅度约为5%~40%10~20微米处。改善界面过渡区最有效的方法是参加占水泥质量10%~15%的硅灰。由于下面一些缘由，硅灰可改善界面区：1〕.它可排解界面过渡区中很多较大的孔，使其结构比较均匀；2〕.它可通过火山灰反响限制氢氧化钙的生成或使氢氧化钙转变成C-S-H；3〕.它具-集料的黏结。,应力增30%30%～40%开头增多。在应力约为抗压强度70%时，裂缝开头穿过混凝土的砂浆组分形成，并桥接在单个集料颗粒上的粘结裂缝。直到峰值应力，粘接裂缝和砂浆微开裂以增大的速率持续。当应裂缝还在连续形成。混凝土强度影响因素水灰比水泥石的质量又取决于所承受的水泥的特性和水灰比。1918年D.A.艾布拉姆斯〔Abrams〕得到以下混凝土强度计算公式：〔4-54〕式中，W/CK1

K为阅历常数。在此之前，R.费莱〔Feret〕1896年就提2出以下普适公式：〔4-55〕RC、ea分别为水泥、水和空气确实定体积，K为常数，可见艾布拉姆斯公式不过是费莱普适公式的一个特例。凝土内孔隙体积有影响，这就是在费莱普适公式中包含空气体积的缘由。〔如人工捣实或振动〕不能捣实时，水灰比的连续降低导致混凝土强度降低。由于双曲线可用 的方程式表示，故y与 的关系就是线性的。混凝土强度与水灰比约在1.2和2.5之间成线性关系。可表示为：KK1

〔4-56〕为阅历常数。假设考虑到水泥的活性，则可用下式表示：〔4-57〕式中ABR为水泥活性。c此外，还可以用其他的近似方法表示，例如，依据艾布拉姆斯公式两边取对数则得，〔4-58〕0.4100%。铝酸盐水泥混凝土的强度规律与硅酸盐水泥不同，强度随着灰水比的增大以一个渐渐降低的速率增加，不成线性关系。粗集料混凝土试件内部裂缝形成时的应力大多取决于粗集料的性质降低抗弯强度的作用。但混凝土的抗压强度则较砂浆的高。集灰比对于强度约大于350公斤/平方厘米的混凝土，在一样水灰比状况下，混凝土的强度随着集灰与混凝土内孔隙总体积有关；或者与集料对混凝土强度所起的作用得以更好的发挥有关。在〔500公斤/平方米生应力使水泥石开裂或水泥石-集料之间失去粘结，导致混凝土后期强度衰退。水泥水泥的性质是影响混凝土强度最根本的因素之一大，缘由是：水泥的质量波动大多是由于水泥细度和C3S含量的差异引起的，而这些因素在早期的影响最大，随时间延长其影响就不再重要了。养护〔或者接近于这个状态〕以使水泥水化速度达最大。混凝土的质量主要取决于水泥石中的胶空比于水泥水化产物所能填充的体积，则水化程度越大，混凝土强度越高，渗透性越低。致水化物的不均匀分布。在养护温度较低的状况下，由于水化缓慢，具有充分的集中时间，从而使水化物得以在水泥石中均匀分布在此状况下混凝土在某一龄期时的强度为最大。·度或天·度。混凝土强度与成熟度的关系取决于水泥的性质和混凝土的质量标号制度有关。湿热处理提高混凝土的养护温度可以加快混凝土强度进展的速度于铝酸盐水泥。常压蒸汽养护的蒸汽温度在100℃以内，可以把它看作潮湿养护的一个特例。在养护期间升的养护制度为：静置期—3～5小时〔即推迟时间〕；—以22～33℃/小时的升温速度升至最高温度66～82℃；恒温期—保持最高温度，随后尽可能有一个不加热的“浸泡”期；最终为冷却期—以中等速度冷却至室温。总的养护时间〔除静置期外〕以不超过18小时为佳。除用蒸汽加热的方法外，还有电热法、红外加热法等。但在承受这些方法时，要避开混凝土的过分枯燥。1758个计示大气压。〔2428天的强度、高〔及减小干缩和湿气迁移的效果。第三节混凝土的耐久性能混凝土的抗冻性致混凝土的破坏。混凝土冻融破坏机理理论做具体介绍。渗透压理论是依据混凝土孔隙中的液体受冻及其在孔隙中移动的状况提出的冰点越低。冻结时，纯水以晶体形式析出，溶液因此变浓。在低于冰点的某一温度下，毛细管内的冰、溶液和四周凝胶孔中的溶液到达热力学平衡，即蒸气压相等。进一步降低温度，这一平衡被打破。此时，毛细管中冰量增加，管内溶液浓度提高，蒸气压随之降低，而四周管渗透，直到建立的平衡。在这一过程中产生的渗透压即为混凝土破坏的缘由。较多争论者认为，水结冰时体积膨胀9%，假设混凝土毛细孔中含水率超过91.7%，则结冰时将在毛细孔中产生较大的应力。在这一压力下，水将通过渗透从结冰区向未结冰区迁移。下，裂纹的引发与扩展过程。之混凝土外表孔隙中的水也结冰生压力梯度。当使水移动的压力足够大时，混凝土就发生破坏。孔隙和微裂缝不断地扩展，有小变大，相互贯穿，最终破坏。孔构造理论孔是混凝土构造中一个格外重要的组成局部0 0士将孔划分成四级：孔径小于200A的孔为无害孔；孔径为200～500A的孔为少害孔；孔径0 0500～2023A2023A的孔为多害孔。尽管各国争论者对孔的划分0不尽一样，但一般认为只有1000A以上的孔才能对混凝土的强度、抗渗性和抗冻性有害。混凝土的抗冻性的影响因素越小，冰点越低。混凝土的抗冻性不仅取决于孔隙率，还取决于孔分布。在一样孔隙率条件下，小孔越多，可冻水越少，因而冻融对混凝土的破坏作用越小。混凝土的抗冻性还与混凝土的气泡构造有着亲热的关系冻性。混凝土的抗冻性还与以下因素有关：1).混凝土的饱水程度。从理论上讲发生冻结破坏的临91.7%，但混凝土的状况比较简单，饱水临界值要高于91.7%。2)水灰比。混凝土的水灰比越大，孔隙率越大，可能填充的水分越多，则对抗冻性不利3〕混凝土的龄期。因而冰点下降，抗冻性能提高。4〕集料的孔隙率及其间的含水率。在通常状况下，集料孔高，饱水程度越高，它自身的抗冻性就越差，导致混凝土的抗冻性能降低。提高混凝土抗冻性的措施提高混凝土的抗冻性可实行以下措施：1〕0.55。2〕掺入引气剂。在混凝土中引入均匀分布的气泡对改善其抗冻性剂，使得混凝土有肯定的含气量。3〕掺入适量的优质掺合料。掺入适量的优质掺合料，可4〕承受树脂浸渍混凝土。用树脂浸渍混凝土，可使大多数孔径降低到5nm以下，使得可冻孔数量削减，混凝土抗冻性提高。5〕参加颗粒状空心集料。在混凝土中参加少量10～60um的空心塑料气混凝土的气泡系统。混凝土的碱-集料反响所谓碱-集料反响，就是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反响。这种反响往往引起混凝土膨胀、开裂、甚至破坏。发生碱-集料反响必需具备三个条件：一是在混凝土中存在着肯定数量的活性集料；而是在混凝土中存在着肯定数量的碱；三是存在着水。目前公认的碱-集料反响类型只有碱-硅酸反响和碱-碳酸盐反响两类。碱-硅酸反响是指碱与集料中的活性SiO2发生反响，生产碱硅酸盐凝胶，吸水后体积膨胀，引起混凝土膨胀和开裂。碱-碳酸盐反响是指碱与泥质白云岩反响，由于这种白云岩含黏土较多，碱离子能通过通过黏土向外集中，从而使集料膨胀，造成混凝土膨胀开裂。为了避开碱-集料反响，主要实行三个方面的措施：一是尽量避开承受活性集料；二是限制混凝土的碱含量；三是掺用矿物掺合料。混凝土的硫酸盐腐蚀蚀五种腐蚀形式。在此主要介绍硫酸盐腐蚀。硫酸盐腐蚀机理：侵蚀介质中的SO2-与水泥石组成发生化学反响，生成二水石膏或水化硫4混凝土开裂。硫酸盐腐蚀有三种腐蚀形式：1〕硫铝酸盐腐蚀：当SO2-<1000mg/L时，由于石膏溶解度较4大，因而不能产生沉淀，石膏将与水泥的水化产物水化铝酸四钙反响，生产水化硫铝酸钙。此时固相体积增加64%，使得水泥石变得密实，强度有所增加。但当水化硫铝酸盐晶体到达肯定数量后，由于结晶压力的作用而产生局部膨胀应力，使水泥石构造膨胀，强度下降，2〕SO2-1000mg/L时，二水石膏将沉淀出来，4NaOH酸盐腐蚀停顿，变为单一的石膏型腐蚀。混凝土钢筋锈蚀钢筋电化学腐蚀机理钢筋锈蚀过程是一个电化学腐蚀过程，其电极反响为：阳极：Fe-2e→Fe2+阴极：HO+1/2O→2OH-2 2电池反响为：Fe+HO+1/2O→Fe2++2OH-2 2在钢筋外表发生电化学腐蚀必需具备以下四个条件：1〕钢筋外表具有电化学不均匀性，使其可以分为阳极区P和阴极区N在两个极区之间，电解质溶液的电阻R较小；3〕Fe离子化为F2+同时放出自由电子。也就是说阳极极化PP4〕在阴极区，钢筋外表上〔通常是水和氧气OH-。也就是说，阴极极化PN较小。要介绍氯化物去钝化机理。Foley等提出Cl—和OH—争夺腐蚀产生的铁离子Fe2+，形成易FeCl