04 混凝土與砂漿-硬化混凝土性能

1、混凝土的性能,Properties of Concrete,4.3、硬化混凝土性能,4.3.1、混凝土強(qiáng)度,1、強(qiáng)度的幾個(gè)基本概念,立方體抗壓強(qiáng)度,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：制作邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件(20?2?C，相對(duì)濕度＞95%)下，養(yǎng)護(hù)到28天齡期，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以“fcu”表示。,國(guó)家規(guī)范規(guī)定：用尺寸為150 mm ?150 mm ?300mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，按規(guī)定方法成型、標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28

2、天，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度為軸心抗壓強(qiáng)度，以fc表示；,軸心抗壓強(qiáng)度,軸心抗壓強(qiáng)度是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)；軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系： fc = (0.7~0.8)fcu；換算系數(shù)與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，系數(shù)越小；,軸心抗拉強(qiáng)度,混凝土軸心抗拉強(qiáng)度（ft）不宜直接測(cè)量，通過間接測(cè)定劈裂抗拉強(qiáng)度(fts)換算得到。換算系數(shù)可由試驗(yàn)確定。,抗折強(qiáng)度,根據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用3分點(diǎn)抗折試

3、驗(yàn)方法。,強(qiáng)度等級(jí),實(shí)際強(qiáng)度,根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)劃分的等級(jí)，以符號(hào)C+混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)表示。,將試件在實(shí)際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)得的立方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗(yàn)收依據(jù)。,強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的一組若干個(gè)強(qiáng)度值的總體分布中的某一個(gè)值，低于該值的百分率不超過5%,該強(qiáng)度值稱為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。以“fcu,k立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值”或“fcu,k軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值”表示,混凝土強(qiáng)

4、度試驗(yàn),x,,,,直拉試驗(yàn),劈裂抗拉,,,,fs,劈拉強(qiáng)度計(jì)算：fts = 2P/? a2 = 0.637(P/ a2) a：立方體試件的邊長(zhǎng) ;,根據(jù)材料力學(xué)理論合線彈性應(yīng)力－應(yīng)變分析，試件斷裂是的最大拉伸應(yīng)力為： fb = PL / bd2 (b×d= 試件的截面積),2、混凝土受壓破壞過程,剪切粘結(jié)破壞,,,水泥石剪切破壞,,,受壓破壞過程,混凝土抗拉強(qiáng)度較低，而裂縫

5、尖端的應(yīng)力集中和受拉區(qū)所受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫在較低的壓應(yīng)力水平下擴(kuò)展和產(chǎn)生。 內(nèi)部裂縫的發(fā)生、擴(kuò)展直致連通的過程，也是混凝土內(nèi)部固體相結(jié)構(gòu)從連續(xù)到不連續(xù)的發(fā)展過程。,內(nèi)部裂縫,水泥水化收縮導(dǎo)致骨料與水泥石之間（界面過渡區(qū)）和水泥石內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫； 由于水泥石與粗骨料的彈性模量的差異，溫濕度的變化而導(dǎo)致產(chǎn)生界面微裂縫（界面過渡區(qū)） ； 混凝土拌和物的泌水現(xiàn)象，導(dǎo)致骨料下部形成水囊，干燥后即為界面裂縫（界面過

6、渡區(qū)） 。,過渡區(qū)的認(rèn)識(shí),過渡區(qū)以厚度約為10-15 ?m的薄殼存在于粗骨料的周圍；過渡區(qū)比混凝土中其它兩相——硬化水泥漿和骨料都弱，是混凝土中最薄弱的組份，所以雖然尺寸小，但對(duì)混凝土的力學(xué)行為影響很大；在混凝土澆灌好后，在粗骨料周圍形成一層水膜，導(dǎo)致粗骨料周圍的水灰比大于整體水泥漿，所以界面過渡區(qū)多孔，且鈣礬石和羥鈣石都呈取向性大晶體顆粒。,裂縫擴(kuò)展的路徑和方向,骨 料,水泥石,骨料周圍的界面區(qū),普通混凝土的微結(jié)構(gòu),裂縫沿界面區(qū)擴(kuò)

7、展,,混凝土在受拉是脆性的，而受壓時(shí)又相當(dāng)強(qiáng)韌混凝土的拉伸強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/20在水灰比相同時(shí)，砂漿的強(qiáng)度大于混凝土的強(qiáng)度硬化水泥漿和骨料是彈性體，而混凝土不是在相同水灰比時(shí)，砂漿的滲透性遠(yuǎn)低于混凝土,故，過渡區(qū)是“鏈的最薄弱環(huán)節(jié)”，一般認(rèn)為是混凝土強(qiáng)度的“限制相”；,過渡區(qū)的影響,改善和易性，減少泌水；提高混凝土體積穩(wěn)定性；低水灰比（w/c ）；摻加超細(xì)礦物摻合料選用骨料的種類；,過渡區(qū)的改善,受壓破壞過程描述,在

8、極限應(yīng)力fcp的30%以下，界面過渡區(qū)微裂縫是穩(wěn)定的，因此， ?－?曲線是線形的； 當(dāng)應(yīng)力＞ fcp的30%時(shí)，＜ fcp的50% 隨著應(yīng)力增加，過渡區(qū)的裂縫長(zhǎng)度、寬度和數(shù)量增加， ?/?比值增加， ?－?曲線偏離直線；過渡區(qū)的微裂縫穩(wěn)定體系存在，基體水泥石不會(huì)產(chǎn)生微裂縫；當(dāng)應(yīng)力＞ fcp的50~60%時(shí)，基體相中產(chǎn)生微裂縫，如果應(yīng)力進(jìn)一步增加，基體相微裂縫擴(kuò)展，增多，過渡區(qū)微裂縫失穩(wěn)，導(dǎo)致?－?曲線彎向橫軸當(dāng)應(yīng)力＞ fcp的75

9、~80%時(shí)，應(yīng)變能釋放速度達(dá)到在持久應(yīng)力下裂縫自發(fā)擴(kuò)展的水平，應(yīng)變隨應(yīng)力增長(zhǎng)很快，直至裂縫成為聯(lián)系體系—破壞。,單軸受壓下的?－?曲線的4個(gè)階段,3、混凝土強(qiáng)度的影響因素,混凝土的強(qiáng)度f(wàn)c隨著齡期和養(yǎng)護(hù)不斷增長(zhǎng)，主要有以下幾方面的影響因素：組成材料的特性與配合比（內(nèi)在因素）澆灌與養(yǎng)護(hù)條件（溫濕度、時(shí)間）生產(chǎn)工藝與條件此外，強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)影響到測(cè)試值。,主要影響因素,水泥品種水灰比骨料品種、最大粒徑與級(jí)配水灰比、水泥及骨料的綜

10、合影響拌合水外加劑(化學(xué)外加劑、礦物外加劑)養(yǎng)護(hù)時(shí)間與條件齡期的影響試件、試驗(yàn)參數(shù)的影響,水泥品種的影響,水泥品種通過下列幾方面影響混凝土的強(qiáng)度：水泥的強(qiáng)度等級(jí) 混凝土強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度成正比；水泥細(xì)度 水泥比表面積越大，水化速度越快，混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快；水泥礦物組成 由于90天齡期以后，水泥的水化度基本相同，因此，水泥礦物組成主要影響早期強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量 需水量低則有利于降低水灰比和孔隙率，從而

11、提高水泥石和混凝土的強(qiáng)度。,back,水灰比的影響,水泥水化所需的水量遠(yuǎn)少于為保證混凝土拌和物和易性所需的水量，剩余水將在混凝土中留下大量孔隙，而材料強(qiáng)度與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；,硬化水泥漿體強(qiáng)度-毛細(xì)孔隙率關(guān)系,混凝土強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系：,混凝土的強(qiáng)度隨著水灰比的減小而增加；當(dāng) w/c < 0.3時(shí), 水灰比很小的降低都將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度很大的增加，上述關(guān)系不再適用；,back,f cu，0 = ?a? fce ( C/W –

12、?b ),骨料如何影響？,最大粒徑經(jīng)濟(jì)上，應(yīng)盡可能低選用大粒徑的粗骨料；大粒徑的粗骨料可以降低混凝土的用水量；粗骨料的粒徑越大，過渡區(qū)就將越薄弱，并將含有更多的微裂縫，降低強(qiáng)度。骨料礦物組成石灰石骨料可以產(chǎn)生較高的強(qiáng)度，因?yàn)樵诮缑孢^渡區(qū)形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O；界面過渡區(qū)化學(xué)增強(qiáng)。骨料的表面特征粗糙表面有利于增加過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度；針片狀骨料容易引起應(yīng)力集中，降低混凝土破壞的極限應(yīng)力，因而降低強(qiáng)度。,骨料

13、最大粒徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,粗骨料品種對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,back,混凝土強(qiáng)度與水灰比、水泥強(qiáng)度等級(jí)和骨料種類的關(guān)系,鮑羅米公式： fcu = ?a? fce ( C/W – ?b ) fcu——混凝土28d抗壓強(qiáng)度（MPa） fce —— 水泥的實(shí)測(cè)強(qiáng)度（MPa） C/W——灰水比 ?a 、?b ——與骨料種類有關(guān)的回歸系數(shù)

14、： －－ 對(duì)于卵石： ?a＝0.48 ; ?b ＝0.33; －－ 對(duì)于碎石： ?a＝0.46 ; ?b ＝0.07。,混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式,back,拌合水如何影響,飲用水是最適合于拌和混凝土；含油水、酸性水和海水不得用于拌和混凝土；如果飲用水缺乏，用其它水拌和混凝土前，必須與蒸餾水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如果強(qiáng)度降低不大于10％，那么這種水能用于拌和混凝土。含有影響水泥水化的化學(xué)物質(zhì)

15、的廢水不得用于拌和混凝土。,back,化學(xué)外加劑 (Chemical Admixture) 礦物外加劑（摻合料） (Mineral Admixture) 由于混凝土技術(shù)的發(fā)展，在20多年里：水灰比（水膠比）從> 0.5 降低到0.15~0.30； 混凝土抗壓強(qiáng)度從~30MPa 提高到200~800MPa！,back,外加劑的影響影響,澆灌與養(yǎng)護(hù)條件的影響,新拌混凝土的和易性,,,,養(yǎng) 護(hù) Curing,混凝土硬化

16、過程中，人為地變化混凝土體周圍環(huán)境的溫度與濕度條件，使其微結(jié)構(gòu)和性能達(dá)到所需要的結(jié)果，稱為對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù) 溫度 濕度,說(shuō)明：混凝土在21C下澆灌并放置6小時(shí)后，再在指定溫度下養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期,back,齡期的影響,混凝土強(qiáng)度在最初3~7d增長(zhǎng)較快，然后逐漸緩慢下來(lái)。其隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)大致符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系： fcu,n/fcu,a = lg n/lg a 式中： fcu

17、,n— n天齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度； fcu,a — a天齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度；,養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,back,試件與試驗(yàn)參數(shù)對(duì)強(qiáng)度測(cè)試值的影響,A. 試件形狀；B. 試件尺寸；C. 表面處理；D. 加載時(shí)間（加荷速度）；E. 試驗(yàn)機(jī)的剛度等。,上述因素影響強(qiáng)度試驗(yàn)值，而不是實(shí)際混凝土強(qiáng)度！,試件尺寸的影響,試件尺寸越大，混凝土強(qiáng)度測(cè)試值越偏低；試件尺寸越小，混凝土強(qiáng)度測(cè)試值越偏高；,其原因：環(huán)

18、箍效應(yīng)，尺寸小，環(huán)箍效應(yīng)明顯缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大,試驗(yàn)參數(shù)的影響,含水狀態(tài):試驗(yàn)時(shí)，要求試件是濕狀態(tài)；干燥試件比飽水試件強(qiáng)度高20 to 25% 原因: 水泥石內(nèi)部不連續(xù)壓力的存在加荷條件：恒定加荷速度加荷速度越快，測(cè)試值越高，反之亦然。原因：材料對(duì)外加荷載的響應(yīng),back,如何使得混凝土具有所需的強(qiáng)度,三條技術(shù)途徑：原材料的選擇配合比設(shè)計(jì)澆灌和養(yǎng)護(hù),水泥品種與強(qiáng)度等級(jí)；骨料品種、粒徑、級(jí)配；外加劑

19、,水灰比；砂率；用水量或膠凝材料用量,溫度；濕度；時(shí)間,問題？,1.試從混凝土受壓破壞過程，分析混凝土強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比的關(guān)系？2.為什么早期溫度高，混凝土早期強(qiáng)度高，但后期強(qiáng)度低？而早期溫度低，雖然早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度高？3.早期干燥對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有何影響？為什么？4.為什么混凝土強(qiáng)度的測(cè)量要用標(biāo)準(zhǔn)試件、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件、標(biāo)準(zhǔn)加荷速度？,4.3.2、混凝土尺寸穩(wěn)定性（變形性能）,硬化混凝土的變形來(lái)自兩方面：環(huán)境因素(溫、

20、濕度變化)和外加荷載因素，因此有：非荷載作用下的變形 收縮變形膨脹變形荷載作用下的變形 彈性變形非彈性變形長(zhǎng)期荷載作用－徐變,思考：如何減小或消除這些變形的負(fù)面影響,1、非荷載作用下的變形,自收縮干燥收縮溫度變形,back,自收縮,條件特征：與外界環(huán)境無(wú)水分交換；產(chǎn)生的原因：水泥水化吸收毛細(xì)管中的水分，使毛細(xì)管失水，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，引起收縮——自干燥收縮；水泥水化物的體積小于反應(yīng)前各物質(zhì)的體積和，因而導(dǎo)致

21、混凝土硬化后收縮——化學(xué)收縮；特點(diǎn)：收縮值隨齡期而增加，早期較快，后期緩慢。影響因素水泥品種 主要是礦物組成與混合材種類；水灰比 隨水灰比減小，收縮增大 ；骨料及其體積分?jǐn)?shù)水泥用量外加劑,自收縮測(cè)量裝置,水灰比對(duì)自收縮的影響,水泥品種對(duì)自收縮的影響,外加劑對(duì)自收縮的影響,濕脹干縮變形,定義：濕度變化所引起的混凝土體積變形——濕脹干縮，主要原因是水泥石中的凝膠水和毛細(xì)孔水的變化引起的。水泥石和混凝土的收縮行為水

22、泥石在水中連續(xù)浸泡，產(chǎn)生相當(dāng)小的連續(xù)膨脹；第1次干燥時(shí)，收縮最大，其收縮值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢復(fù)。試驗(yàn)證明：相對(duì)濕度為70%的空氣中的收縮值為水中膨脹值的6倍，相對(duì)濕度為50%，為8倍?；炷恋臐衩浉煽s變形重要的是干縮變形，因在約束下的收縮將導(dǎo)致混凝土開裂。,干燥收縮的危害,路面板、橋面板、機(jī)場(chǎng)道面、停車場(chǎng)等暴露面積大且厚度較小的結(jié)構(gòu)物干縮最為顯著；當(dāng)混凝土的干燥收縮受到約束時(shí)，將導(dǎo)致裂縫，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性

23、。,混凝土干縮的影響因素,混凝土組成與配合比混凝土的干縮小于水泥石，因此，骨料體積含量越大，干縮越?。?c＝?p (1-Vg)n (n＝1.2~1.7)水泥用量 水灰比一定時(shí)，水泥用量越多，干縮越大；用水量 水泥用量一定時(shí)，用水量越多，干縮越大。水泥種類與細(xì)度 細(xì)度越細(xì)，干縮較大。 良好養(yǎng)護(hù)可以減小收縮構(gòu)件幾何尺寸和形狀表面積與體積比值越大，收縮越大；濕度擴(kuò)散的路徑越長(zhǎng)，收縮速率越低。,溫

24、度變形,與其它材料一樣，混凝土也具有熱脹冷縮的性質(zhì)；混凝土的熱膨脹系數(shù)為1×10－5/?C；溫度變形對(duì)大體積混凝土不利，因水泥水化放熱，造成內(nèi)外溫差較大，內(nèi)外膨脹不均，導(dǎo)致外部開裂；混凝土的熱膨脹系數(shù)取決于骨料的熱膨脹系數(shù)。,back,2、荷載作用下的變形,back,單軸受壓時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變行為,在壓應(yīng)力作用下，骨料是彈性體，水泥石也是彈性體，但由骨料與水泥石組成的混凝土是一種彈塑性體。特點(diǎn)：混凝土在壓應(yīng)力作用下，既產(chǎn)生

25、彈性變形，也產(chǎn)生塑性變形。在較低應(yīng)力(＜極限應(yīng)力fcp的30%)下，以彈性變形為主；在較高應(yīng)力(＞ fcp的30%)下，產(chǎn)生彈塑性變形，應(yīng)力水平越高，塑性變形量越大；混凝土強(qiáng)度越低，塑性變形越大。,混凝土受壓的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€,混凝土的彈性模量,彈性模量E：靜力彈性模量與動(dòng)荷載彈性模量混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變行為不完全遵循虎克定律， ?－?曲線是非線性的，所以，混凝土的彈性模量不是一個(gè)恒定值。為了工程設(shè)計(jì)，故常對(duì)應(yīng)力~應(yīng)變曲線的初始

26、階段作近似直線處理，有三種處理方式：原點(diǎn)切線彈性模量 Eo = tan ?1； 割線彈性模量 Eh = tan ?2； 切線彈性模量 Et = tan ?3。,難以準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)力水平很低，實(shí)用意義小。,只適用于切點(diǎn)處荷載變化很小的范圍內(nèi)，工程意義也不大,back,我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指定以應(yīng)力? =1/3 fcp時(shí)的加荷割線彈性模量定義為混凝土的彈性模量Eh——靜力彈性模量。,影響混凝土彈性模量的因素,水泥石基體相的彈性模量水泥石基

27、體相的彈性模量受其孔隙率控制： Ep=E0(1－Pc)3，即孔隙率越大，彈性模量越低；水泥石的孔隙率的影響因素：水灰比 水灰比越小，彈性模量越高;水泥水化度(齡期) 彈性模量隨水化齡期不斷增長(zhǎng);空氣含量 含氣量越大，彈性模量越低；礦物摻合料 含水狀態(tài) 吸水飽和時(shí)的彈性模量大于干燥時(shí)的；,骨料相的彈性模量骨料的孔隙率 骨料越密實(shí)，彈性模量越高；粗骨料的體積含量 彈性模量高的粗骨料越多，一般

28、來(lái)說(shuō)，混凝土的彈性模量越高；界面過渡區(qū)特征空隙, 微裂縫和CH晶體的取向等因素決定混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，因而影響到混凝土的彈性模量。,水飽和狀態(tài)下， 混凝土的泊松比 =0.25~0.3；干燥狀態(tài)下， 混凝土的泊松比 =0.2；一般在0.17~0.2?；炷敛此杀入S骨料含量的增加而增加。,混凝土的泊松比,back,3、混凝土的徐變,徐變曲線特征：,加上恒定荷載時(shí)，混凝土立即產(chǎn)生瞬時(shí)彈性變形，隨后，徐變隨時(shí)間增

29、加較快，然后逐漸減慢。卸荷后，一部分變形可恢復(fù)，稱為彈性恢復(fù)；其后將有一個(gè)隨時(shí)間而減小的應(yīng)變恢復(fù)稱為徐變恢復(fù)；最后殘留下來(lái)的變形成為不可逆徐變。,不利： 徐變會(huì)引起混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)幾十年來(lái)生產(chǎn)的構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失達(dá)30～50%； 混凝土構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的撓度或變形。 有利 徐變會(huì)使溫度或其他收縮變形受約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力減??； 降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值。,徐變的

30、影響：,西太平洋Caroline群島上的一座橋梁(主跨為241m)，由于徐變使跨中向下?lián)锨?，加鋪的橋面板進(jìn)一步加劇徐變，使該橋在建成不到20年后坍塌 (1996年)。,影響徐變的因素：,濕含量：混凝土中的濕含量降低，徐變減小；環(huán)境濕度：濕度降低，徐變?cè)龃螅粶囟龋簻囟壬?，徐變?cè)龃螅?0?C以上，使徐變降低；骨料用量：體積含量增加，徐變減??；骨料的特性：泊松比和彈性模量，彈模越大，徐變?cè)叫?；水灰比與齡期：水灰比增大，徐變?cè)龃螅?/p>