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混凝土的强度与破坏 Strength of Concrete第三章 混凝土混凝土强度指标的重要性l在混凝土设计和质量控制中，一般以强度作为评价指标l强度是土木工程结构对材料的基本要求；l混凝土的其它难以直接测量的主要性能，如弹性模量、抗水性、抗渗性、耐久性都与强度有直接关系，所以，可以由强度数据推断出其它性能的好坏；l与其它许多性能相比，强度试验比较简单直观，通过制作试件，对其进行强度试验，测得的试件破坏时所能承受的最大内应力，即可计算得出混凝土的强度。3.6 混凝土的强度与破坏l混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。l混凝土的强度试验有：抗压强度试验p单轴受压 混凝土受单方向压力作用,工程中采用的强度一般是单轴抗压强度；p多轴向受压 混凝土受多方向压应力作用抗拉强度试验p直接拉伸试验p劈裂试验p抗弯试验3.6 混凝土的强度与破坏l几个基本概念 强度分类，强度标准值、强度等级等l混凝土受压破坏机理 混凝土试件的破坏过程就是裂缝发生、发展与连通的过程l决定混凝土强度的内在因素 水泥石的内聚力、结构致密、界面结合力等l混凝土强度的影响因素水泥强度等级与品种水灰比骨料品种、粒径、级配试验条件3.6 混凝土的强度与破坏本节知识架构抗压强度试验l混凝土试件几何形状有立方体、棱柱体和圆柱体立方体试件的边长有100mm、150mm、200mm三种l试件的养护条件标准条件：202C，相对湿度95%；工程现场条件。3.6.1 混凝土的抗压强度12aa圆柱体（美、法、日）立方体（英、德、中）试件形状示意图a3.6.1 混凝土的抗压强度抗压试验几个基本概念l立方体抗压强度 国家标准规定：制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件(202C，相对湿度95%)下，养护到28天龄期，测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度，以“fcu”表示。l立方体强度标准值 用标准试验方法测得的一组若干个立方体抗压强度值的总体分布中的某一个值，低于该值的百分率不超过5%,该抗压强度值称为立方体抗压强度标准值。以“fcu,k”表示l强度等级 根据混凝土立方体强度标准值(MPa)划分的等级，以符号C+混凝土立方体强度标准值(fcu,k)表示。普通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C8023.6.1 混凝土的抗压强度l实际强度 将试件在实际工程的温湿度条件下养护28天，测得的立方体试件强度，作为混凝土施工质量控制和验收依据l轴心抗压强度国家规范规定：用尺寸为150 mm 150 mm 300mm的标准棱柱体试件，按规定方法成型、标准条件下养护28天，测得的抗压强度为轴心抗压强度，以fcp表示；工程结构设计的依据；轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系：fcp=(0.70.8)fcu换算系数与混凝土强度有关强度越高，系数越小。几个基本概念23.6.1 混凝土的抗压强度问题？例如：一组试件的立方体抗压强度值分别为32.1,37.5,35.1,38.2,40.2,29.5,43.1,42.3,40.6,30.2,32.5,37.4,38.1,37.4,36.4,33.8,35.8,36.2,37.9,39.2(MPa)，共有20个数据。用比较法可得：其抗压强度标准值是30.2MPa；因为20个数据中，小于30.2MPa的只有一个29.5MPa，百分率为5。如何求得立方体抗压强度标准值的？3.6.1 混凝土的抗压强度混凝土立方体抗压强度及强度等级fcuPfcUfcu,k95%强度概率分布曲线混凝土立方体抗压强度标准值示意图3.6.1 混凝土的抗压强度混凝土受压破坏机理 l混凝土受压破坏过程 是内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程，也是混凝土内部固体相结构从连续到不连续的发展过程。l受力状态：由于粗骨料的强度和弹性模量大于水泥石的，在混凝土承受单向受压时，使骨料的上下两面产生压应力；而在骨料侧面则产生拉应力；由于力的传递在骨料的上下面形成一锲形，因而在契形两侧的水泥石还受到剪应力，而在裂缝的尖端会产生很大的应力集中33.6.1 混凝土的抗压强度混凝土试件受压时内部裂缝扩展情形3.6.1 混凝土的抗压强度剪切粘结破坏混凝土试件单轴受压普普通通混混凝凝土土3.6.1 混凝土的抗压强度混凝土受压破坏的三种形式？l水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏 l骨料劈裂破坏 l水泥石发生拉伸或剪切破坏 l破坏特点a.受压破坏，或者在较低应力水平上拉伸破坏，都是因为多裂缝的相互作用所导致，而不是单一裂缝扩展的结果；b.硬化水泥浆或混凝土中裂缝的扩展不沿直线，而是绕过水泥石或骨料颗粒边缘，沿着弯曲的路径延伸，在此过程裂缝发生畸变与挫钝。c.混凝土是硬化水泥浆、过渡区和骨料的复合体，三者各有其本身的断裂韧性(Kc)，很难测定。13.6.1 混凝土的抗压强度l裂缝的扩展 混凝土抗拉强度较低，而裂缝尖端的应力集中和受拉区所受的拉应力远远超过其抗拉强度，导致裂缝在较低的压应力水平下扩展和产生。l原始裂缝存在的原因：水泥水化收缩导致骨料与水泥石之间和水泥石内部产生微裂缝 由于水泥石与粗骨料的弹性模量的差异，温湿度的变化而导致产生界面微裂缝；混凝土拌和物的泌水现象，导致骨料下部形成水囊，干燥后即为界面裂缝。l混凝土内部界面区对于混凝土受压破坏很重要混凝土受压破坏机理23.6.1 混凝土的抗压强度混凝土中的界面裂缝扩展l研究混凝土的力学行为，将混凝土材料作为三相复合体是很有帮助的:水泥石、骨料、界面区 l一般认为界面区是混凝土强度的“限制相”l界面区特征？过渡区以厚度约为10-15 m的薄壳存在于粗骨料的周围；过渡区比混凝土中其它两相硬化水泥浆和骨料都弱，是混凝土中最薄弱的组份，所以虽然尺寸小，但对混凝土的力学行为影响很大；在混凝土浇灌好后，在粗骨料周围形成一层水膜，导致粗骨料周围的水灰比大于整体水泥浆，所以界面过渡区多孔，且钙矾石和羟钙石都呈取向性大晶体颗粒。33.6.1 混凝土的抗压强度骨 料过渡区水泥石本体C-S-H钙矾石CH骨 料裂缝扩展的路径和方向骨 料水泥石骨料周围的界面区普通混凝土的微结构裂缝沿界面区扩展3.6.1 混凝土的抗压强度界面区的重要性l混凝土界面区是一个薄弱面，会产生以下现象：混凝土在受拉是脆性的，而受压时又相当强韧；混凝土的拉伸强度只有抗压强度的1/20；在水灰比相同时，砂浆的强度大于混凝土的强度；硬化水泥浆和骨料是弹性体，而混凝土不是；在相同水灰比时，砂浆的渗透性只有混凝土的1/10043.6.1 混凝土的抗压强度水泥品种龄期养护条件外加剂水化度水灰比凝胶结构与组成孔隙率含水量水泥石水泥石强度强度骨料质量骨料质量表面特征化学组成骨料用量粒径弹 模水泥石骨料水泥石骨料粘结力粘结力混凝土混凝土强度强度生产因素生产因素混凝土强度的影响因素3.6.1 混凝土的抗压强度4混凝土强度的影响因素l原材料因素l生产工艺因素l试验因素43.6.1 混凝土的抗压强度l分析思路：材料的强度与其组成、结构密切有关n组成影响因素：水泥、骨料和水及其特性与掺量；n结构影响因素：组成材料及其分布、生产工艺与条件、浇灌与养护制度等混凝土强度的影响因素 原材料l原材料的影响n水泥石强度n骨料性能43.6.1 混凝土的抗压强度水泥石-骨料界面过渡区u水灰比u水泥品种u外加剂(化学外加剂、矿物外加剂)u拌合水13.6.1 混凝土的抗压强度水泥石强度的影响因素水灰比的影响l水泥水化所需的水量远少于为保证混凝土拌和物和易性所需的水量，剩余水将在混凝土中留下大量孔隙，而材料强度与孔隙率呈指数函数关系；3.6.1 混凝土的抗压强度l采用同种水泥时，混凝土强度主要决定于水灰比。满足和易性要求时，水灰比越小，水泥石强度越高。水灰比如何影响？l混凝土的强度随着水灰比的减小而增加；l当 w/c 0.5 降低到0.150.30；混凝土抗压强度从30MPa 提高到200800MPa！l化学外加剂减水剂通过降低水灰比、减少用水量，从而改善混凝土密实性和均质性，提高混凝土强度缓凝剂或早强剂通过影响水泥石强度及其发展，调节水化放热速度，从而改变其强度增长规律l矿物掺合料减少水泥用量改善水泥石密实性提高界面区密实度 外加剂的影响3.6.1 混凝土的抗压强度骨料性能的影响因素l骨料最大粒径经济上，应尽可能低选用大粒径的粗骨料；大粒径的粗骨料可以降低混凝土的用水量；粗骨料的粒径越大，过渡区就将越薄弱，并将含有更多的微裂缝，降低强度。l骨料矿物组成石灰石骨料可以产生较高的强度，因为在界面过渡区形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O；界面过渡区化学增强。l骨料的形状和表面特征粗糙表面有利于增加过渡区的粘结强度；针片状骨料容易引起应力集中，降低混凝土破坏的极限应力，因而降低强度。23.6.1 混凝土的抗压强度3.6.1 混凝土的抗压强度 扫描电镜照片显示：用石灰石做骨料的混凝土中，界面过渡区没有微裂缝和连通的孔隙水泥石、骨料 界面过渡区的共同影响l鲍罗米公式：fcu 混凝土28d抗压强度（MPa）fce 水泥的实测强度（Mpa），fce,k 水泥的强度等级 C/W 灰水比，c 1.13（富裕系数）a、b 与骨料种类有关的回归系数：对于卵石：a0.49;b 0.13;对于碎石：a0.53;b 0.20。3.6.1 混凝土的抗压强度3混凝土强度的影响因素 生产工艺l搅拌、浇筑l养护43.6.1 混凝土的抗压强度l搅拌：人工搅拌、机械搅拌；机械搅拌的方式l浇筑振捣：人工振捣、机械振捣混凝土强度的影响因素 生产工艺l养护 温度：新拌砂浆自身的温度（浇筑温度）、环境温度 湿度：环境湿度 龄期43.6.1 混凝土的抗压强度混凝土在21 C下浇灌并放置6小时后，再在指定温度下养护至测试龄期 混凝土在指定的温度下浇灌密封放置2小时后，再在21C下养护到测试龄期v养护温度越低，强度越低；v养护温度比浇灌温度更重要!v冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。3.6.1 混凝土的抗压强度试验发现：新拌混凝土养护初期采用较低的养护温度，反而可以混凝土的后期强度，为什么？湿养护时间越长，混凝土强度越高3.6.1 混凝土的抗压强度龄期的影响 混凝土强度在最初37d增长较快，然后逐渐缓慢下来。其随养护龄期的增长大致符合对数函数关系：fcu,n/fcu,a=lg n/lg a 式中：fcu,n n天龄期混凝土的抗压强度 fcu,a a天龄期混凝土的抗压强度3.6.1 混凝土的抗压强度混凝土强度的影响因素 试验条件43.6.1 混凝土的抗压强度l试件形状尺寸：试件尺寸会影响到混凝土强度实验的测试结果。试件尺寸越大，测得的强度值越低。当采用非标准尺寸试件时，应将其抗压强度折算为标准试件抗压强度。l表面状态：当混凝土受压面非常光滑时（如有油脂），由于压板与试件表面的磨擦力减小，使环箍效应减小，试件将出现垂直裂纹而破坏，测得的混凝土强度值较低。l含水程度：混凝土试件含水率越高，其强度越低。干燥试件比饱水试件强度高20 to 25%l 加荷速度：在进行混凝土试件抗压试验时，若加荷速度过快，材料裂纹扩展的速度慢于荷载增加速度，会造成测得的强度值偏高。故在进行混凝土立方体抗压强度试验时，应按规定的加荷速度进行；试件平整度。试件尺寸的影响试件尺寸越大，混凝土强度测试值越偏低；试件尺寸越小，混凝土强度测试值越偏高；相对强度()试件尺寸(cm)0 10 15 20 30 40 50 60 70 80其原因：环箍效应，尺寸小，环箍效应明显缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大3.6.1 混凝土的抗压强度3.6.1 混凝土的抗压强度环箍效应：压力机垫板的横向摩擦约束，造成混凝土试块端部处在多轴受力状态，就象在试件上下端各加了一个套箍，致使破坏时形成两个对顶的角锥破坏面，抗压强度高于无约束情况。未采取减摩措施采取减摩措施抗拉强度试验l直接轴心抗拉试验很困难荷载作用线难以与试件轴线保持重合，发生偏心；难以保证试件在受拉区断裂。l劈裂抗拉试验试件：边长为150mm的立方体试件或圆柱体试件原理：在试件的相对的表面素线上作用均匀分布的压应力，从而在竖向平面内产生均匀拉伸应力l四点弯拉试验试件：150150600(或550)mm3的梁式试件按三分点加荷进行弯曲试验，在试件下方产生拉伸应力3.6.2 混凝土的抗拉强度1单轴拉伸作用下混凝土的行为 混凝土的应力-应变曲线、弹性模量和泊松比均与单轴受压作用条件下的类似，但是因为在这种应力状态下抑制裂缝发展的可能性小得多，裂缝从扩展开始到失稳的过程短暂，呈现十分明显的脆性断裂。3.6.2 混凝土的抗拉强度PPft=P/A横截面积为A轴心直拉试验直拉试验3.6.2 混凝土的抗拉强度 劈裂抗拉试验 Splitting Testfs 劈拉强度计算：fts=2P/a2=0.637(P/a2)a：立方体试件的边长;150 mm 150 mm 150mm的立方体试件PPa受 拉fs3.6.2 混凝土的抗拉强度四点弯拉试验l用尺寸为150 mm 150 mm 550mm的梁式试件，标准条件下养护28天，采用三分点加荷方式试验，直至试件断裂。l根据材料力学理论合线弹性应力应变分析，试件断裂是的最大拉伸应力为：fb=PL/bd2 (bd=试件的截面积)称为断裂模量 modulus of rupture3.6.2 混凝土的抗拉强度混凝土抗压强度与抗拉强度的关系l混凝土的抗压强度与抗拉强度没有直接关系！l抗拉强度与抗压强度之比(拉压比)取决于混凝土抗压强度等级，强度等级越高，拉压比越小。低等级混凝土的拉压比为0.100.11；中等级混凝土的拉压比为0.080.09；高等级混凝土的拉压比为0.07l影响混凝土抗压强度的因素同样影响拉压比l为什么？23.6.2 混凝土的抗拉强度l一般采用预埋钢筋的拔出试验法测定。l为了增大与钢筋的粘结强度，采用压痕钢筋l改善混凝土与钢筋的界面状况。3.6.4与钢筋的黏结强度3.6.4 与钢筋的黏结强度问题：做钢筋和混凝土粘结强度时，共计有几种破坏模式？什么情况下，混凝土与钢筋的粘结力满足要求？解答：共计有三种破坏方式，第一种，钢筋拔出；第二种，钢筋拔断；第三种，混凝土拔出。在第二、三种情况下，混凝土与钢筋的粘结强度满足要求。如何使得混凝土具有所需的强度l原材料的选择水泥品种与强度等级骨料品种、粒径、级配外加剂l原材料之间的比例配制：配合比设计水灰比 砂率 用水量或胶凝材料用量l浇灌和养护温度 湿度 时间3.6 混凝土的强度与破坏Summaryl强度是混凝土的重要性能指标，它与混凝土其它性能有着密切的关系；l混凝土强度主要是抗压与抗拉强度，二者之间没有直接关系l抗压强度采用单轴抗压试验直接测量，而抗拉强度一般采用劈裂和四点弯曲试验间接测量与评价；l混凝土强度的主要影响因素比较复杂，主要有三个方面组成材料的性能与掺量；成型工艺与养护条件试件与试验参数(影响测试值)l获得指定强度的技术途径：原材料的选择配合比设计成形工艺与养护制度3.6 混凝土的强度与破坏