1、混凝土的性能,Properties of Concrete,4.3、硬化混凝土性能,4.3.1、混凝土强度,1、强度的几个基本概念,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。,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fc表示；,轴心抗压强度,轴心抗压强度是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： fc = (0.70.8)fcu；换
2、算系数与混凝土强度有关，强度越高，系数越小；,轴心抗拉强度,混凝土轴心抗拉强度（ft）不宜直接测量，通过间接测定劈裂抗拉强度(fts)换算得到。换算系数可由试验确定。,抗折强度,根据GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准规定，采用3分点抗折试验方法。,强度等级,实际强度,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。,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。,强度标准值,用标准试验方法测得的一组若干个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%,该强
3、度值称为强度标准值。以“fcu,k立方体抗压强度标准值”或“fcu,k轴心抗压强度标准值”表示,混凝土强度试验,x,直拉试验,劈裂抗拉,fs,劈拉强度计算： fts = 2P/ a2 = 0.637(P/ a2)a：立方体试件的边长 ;,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),2、混凝土受压破坏过程,剪切粘结破坏,水泥石剪切破坏,受 压 破 坏 过 程,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。内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程，也是混凝
4、土内部固体相结构从连续到不连续的发展过程。,内部裂缝,水泥水化收缩导致骨料与水泥石之间（界面过渡区）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（界面过渡区） ； 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（界面过渡区） 。,过渡区的认识,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
5、羟钙石都呈取向性大晶体颗粒。,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,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，砂浆的渗透性远低于混凝土,故，过渡区是“链的最薄弱环节”，一般认为是混凝土强度的“限制相”；,过渡区的影响,改善和易性，减少泌水； 提高混凝土体积稳定性； 低水灰比（w/c ）； 掺加超细矿物掺合料 选用骨料的种类；,过渡区的改善,受压破坏过程描述,在极限应力fcp的30%以下，界面过渡区微裂
6、缝是稳定的，因此， 曲线是线形的；当应力 fcp的30%时， fcp的50% 随着应力增加，过渡区的裂缝长度、宽度和数量增加， /比值增加， 曲线偏离直线；过渡区的微裂缝稳定体系存在，基体水泥石不会产生微裂缝； 当应力 fcp的5060%时，基体相中产生微裂缝，如果应力进一步增加，基体相微裂缝扩展，增多，过渡区微裂缝失稳，导致曲线弯向横轴 当应力 fcp的7580%时，应变能释放速度达到在持久应力下裂缝自发扩展的水平，应变随应力增长很快，直至裂缝成为联系体系破坏。,单轴受压下的曲线的4个阶段,3、混凝土强度的影响因素,混凝土的强度fc随着龄期和养护不断增长，主要有以下几方面的影响因素： 组成材
7、料的特性与配合比（内在因素） 浇灌与养护条件（温湿度、时间） 生产工艺与条件 此外，强度试验参数影响到测试值。,主要影响因素,水泥品种 水灰比 骨料品种、最大粒径与级配 水灰比、水泥及骨料的综合影响 拌合水 外加剂(化学外加剂、矿物外加剂) 养护时间与条件 龄期的影响 试件、试验参数的影响,水泥品种的影响,水泥品种通过下列几方面影响混凝土的强度： 水泥的强度等级 混凝土强度与水泥强度成正比； 水泥细度 水泥比表面积越大，水化速度越快，混凝土早期强度增长快； 水泥矿物组成 由于90天龄期以后，水泥的水化度基本相同，因此，水泥矿物组成主要影响早期强度； 标准稠度需水量 需水量低则有利于降低水灰比和
8、孔隙率，从而提高水泥石和混凝土的强度。,back,水灰比的影响,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；,硬化水泥浆体强度-毛细孔隙率关系,混凝土强度与水灰比的关系：,混凝土的强度随着水灰比的减小而增加；当 w/c 0.3时, 水灰比很小的降低都将导致混凝土强度很大的增加，上述关系不再适用；,back,f cu，0 = a fce ( C/W b ),骨料如何影响？,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
9、缝，降低强度。 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。 骨料的表面特征 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。,骨料最大粒径对混凝土抗压强度的影响,粗骨料品种对混凝土抗压强度的影响,back,混凝土强度与水灰比、水泥强度等级 和骨料种类的关系,鲍罗米公式：fcu = a fce ( C/W b )fcu混凝土28d抗压强度（MPa）fce 水泥的实测强度（MPa） C/W灰水比a 、b 与骨料种类有关的回归系数： 对于卵石： a0.48 ;
10、b 0.33; 对于碎石： a0.46 ; b 0.07。,混凝土抗压强度设计公式,back,拌合水如何影响,饮用水是最适合于拌和混凝土； 含油水、酸性水和海水不得用于拌和混凝土； 如果饮用水缺乏，用其它水拌和混凝土前，必须与蒸馏水进行对比试验，如果强度降低不大于10，那么这种水能用于拌和混凝土。 含有影响水泥水化的化学物质的废水不得用于拌和混凝土。,back,化学外加剂 (Chemical Admixture)矿物外加剂（掺合料） (Mineral Admixture)由于混凝土技术的发展，在20多年里： 水灰比（水胶比）从 0.5 降低到0.150.30；混凝土抗压强度从30MPa 提高到
11、200800MPa！,back,外加剂的影响影响,浇灌与养护条件的影响,新拌混凝土 的和易性,养 护 Curing,混凝土硬化过程中，人为地变化混凝土体周围环境的温度与湿度条件，使其微结构和性能达到所需要的结果，称为对混凝土的养护温度湿度,说明：混凝土在21C下浇灌并放置6小时后，再在指定温度下养护至测试龄期,back,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；,养护龄期对混凝土强度的影响,back,试件与
12、试验参数对强度测试值的影响,A. 试件形状； B. 试件尺寸； C. 表面处理； D. 加载时间（加荷速度）； E. 试验机的刚度等。,上述因素影响强度试验值，而不是实际混凝土强度！,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；,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,试验参数的影响,含水状态: 试验时，要求试件是湿状态； 干燥试件比饱水试件强度高20 to 25% 原因: 水泥石内部不连续压力的存在 加荷条件： 恒定加荷速度 加荷速度越快，测试值越高，反之亦然。 原因：材料对外加荷载的响应,back,如何使得混
13、凝土具有所需的强度,三条技术途径： 原材料的选择配合比设计浇灌和养护,水泥品种与强度等级；骨料品种、粒径、级配；外加剂,水灰比；砂率；用水量或胶凝材料用量,温度；湿度；时间,问题？,1.试从混凝土受压破坏过程，分析混凝土强度与水泥强度等级、水灰比的关系？ 2.为什么早期温度高，混凝土早期强度高，但后期强度低？而早期温度低，虽然早期强度低，但后期强度高？ 3.早期干燥对混凝土抗压强度有何影响？为什么？ 4.为什么混凝土强度的测量要用标准试件、标准养护条件、标准加荷速度？,4.3.2、混凝土尺寸稳定性（变形性能）,硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿度变化)和外加荷载因素，因此有： 非荷载
14、作用下的变形 收缩变形 膨胀变形 荷载作用下的变形 弹性变形 非弹性变形 长期荷载作用徐变,思考：如何减小或消除这些变形的负面影响,1、非荷载作用下的变形,自收缩 干燥收缩 温度变形,back,自收缩,条件特征：与外界环境无水分交换； 产生的原因： 水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛细管压力，引起收缩自干燥收缩； 水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导致混凝土硬化后收缩化学收缩； 特点：收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。 影响因素 水泥品种 主要是矿物组成与混合材种类； 水灰比 随水灰比减小，收缩增大 ； 骨料及其体积分数 水泥用量 外加剂,自收缩测量装置,水灰比
15、对自收缩的影响,水泥品种对自收缩的影响,外加剂对自收缩的影响,湿胀干缩变形,定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形湿胀干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的。 水泥石和混凝土的收缩行为 水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀； 第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢复。 试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。 混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约束下的收缩将导致混凝土开裂。,干燥收缩的危害,路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著； 当混凝土的干燥收缩受到约
16、束时，将导致裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。,混凝土干缩的影响因素,混凝土组成与配合比 混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，干缩越小：cp (1-Vg)n (n1.21.7) 水泥用量 水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大； 用水量 水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。 水泥种类与细度 细度越细，干缩较大。 良好养护可以减小收缩 构件几何尺寸和形状 表面积与体积比值越大，收缩越大； 湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。,温度变形,与其它材料一样，混凝土也具有热胀冷缩的性质； 混凝土的热膨胀系数为1105/C； 温度变形对大体积混凝土不利，因水泥水化放热，造成内外温差较大，内外膨胀不
17、均，导致外部开裂； 混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。,back,2、荷载作用下的变形,back,单轴受压时的应力应变行为,在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。 特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产生塑性变形。 在较低应力(极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主； 在较高应力( fcp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高，塑性变形量越大； 混凝土强度越低，塑性变形越大。,混凝土受压的应力应变全曲线,混凝土的弹性模量,弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性模量 混凝土的应力应变行为不完全遵循虎克定律， 曲线是非线
18、性的，所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。 为了工程设计，故常对应力应变曲线的初始阶段作近似直线处理，有三种处理方式： 原点切线弹性模量 Eo = tan 1； 割线弹性模量 Eh = tan 2； 切线弹性模量 Et = tan 3。,难以准确测量，应力水平很低，实用意义小。,只适用于切点处荷载变化很小的范围内，工程意义也不大,back,我国现行标准指定以应力 =1/3 fcp时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量Eh静力弹性模量。,影响混凝土弹性模量的因素,水泥石基体相的弹性模量 水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制：Ep=E0(1Pc)3，即孔隙率越大，弹性模量越低； 水泥石的孔隙
19、率的影响因素： 水灰比 水灰比越小，弹性模量越高; 水泥水化度(龄期) 弹性模量随水化龄期不断增长; 空气含量 含气量越大，弹性模量越低； 矿物掺合料 含水状态 吸水饱和时的弹性模量大于干燥时的；,骨料相的弹性模量 骨料的孔隙率 骨料越密实，弹性模量越高； 粗骨料的体积含量 弹性模量高的粗骨料越多，一般来说，混凝土的弹性模量越高； 界面过渡区特征 空隙, 微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。,水饱和状态下，混凝土的泊松比 =0.250.3； 干燥状态下，混凝土的泊松比 =0.2； 一般在0.170.2。 混凝土泊松比随骨料含量的增加而增加。,混凝土的
20、泊松比,back,3、混凝土的徐变,徐变曲线特征：,加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。 卸荷后， 一部分变形可恢复，称为弹性恢复； 其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复； 最后残留下来的变形成为不可逆徐变。,不利：徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达3050%；混凝土构件会产生随时间变化的挠度或变形。有利徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中的应力峰值。,徐变的影响：,西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(主跨为241m)，由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌 (1996年)。,影响徐变的因素：,湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小； 环境湿度：湿度降低，徐变增大； 温度：温度升高，徐变增大，70C以上，使徐变降低； 骨料用量：体积含量增加，徐变减小； 骨料的特性：泊松比和弹性模量，弹模越大，徐变越小； 水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大； 水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小 荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大 。,环境湿度对混凝土徐变的影响,
