第四章 混凝土与砂浆硬化后混凝土的性能Properties of Hardened Concrete第四章 混凝土与砂浆 一、混凝土强度1基本概念：J 抗压强度J 抗拉强度J 强度等级，等1混凝土受压破坏机理 1混凝土强度的影响因素第四章 混凝土与砂浆 1、强度的几个基本概念1 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；1 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；换算系数与混凝土强度有关，强度 越高，系数越小；第四章 混凝土与砂浆 强度的几个基本概念1 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。1 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。第四章 混凝土与砂浆 强度的几个基本概念1 强度等级1 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。1 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”表示第四章 混凝土与砂浆 0yx第四章 混凝土与砂浆 如何求得立方体抗压强度标准值的？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 。第四章 混凝土与砂浆 混凝土强度试验1 混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。1 混凝土的强度试验有：抗压试验 l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；l多轴向受压 混凝土受多方向压应力作用抗拉试验 l直接拉伸试验l劈裂试验l抗弯试验第四章 混凝土与砂浆 抗压强度试验1 试件形状与尺寸J几何形状有立方体、棱柱体和圆柱体，我国以立 方体试件为主；J立方体试件的边长有100mm、150mm、200mm三 种； 当骨料的Dmax20mm 时，可采用100mm当骨料的Dmax40mm 时，可采用150或 200mm。PP第四章 混凝土与砂浆PPfd = P/A横截面积为A轴心直拉试验 Tension Testing直接轴心抗 拉试验很困 难J荷载作用线 难以与试件 轴线保持重 合，发生偏 心；J难以保证试 件在受拉区 断裂。抗拉强度试验第四章 混凝土与砂浆直拉试验第四章 混凝土与砂浆混凝土受拉伸 第四章 混凝土与砂浆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 波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。第四章 混凝土与砂浆劈裂抗拉1 劈裂抗拉试验J试件：边长为150mm的立方体试件或圆柱体试件J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抗拉强度试验第四章 混凝土与砂浆fs劈拉强度计算：fts = 2P/ a2 = 0.637(P/ a2)a：立方体试件的边长 ;PPa受 拉fs第四章 混凝土与砂浆1四点弯拉试验J 试件：150150600(或550)mm3的梁式试件J 按三分点加荷进行弯曲试验，在试件下方产生拉伸 应力抗拉强度试验第四章 混凝土与砂浆PL/3 L/3 L/3 fb拉 压1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)第四章 混凝土与砂浆2、混凝土受压破坏机理 1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。1受力状态：J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；J而在骨料侧面则产生拉应力；J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。第四章 混凝土与砂浆第四章 混凝土与砂浆混凝土试件受压时 内部裂缝扩展情形第四章 混凝土与砂浆混凝土受压破坏的三种形式 1骨料强度小于水泥石强度，则骨料劈裂 破坏； 1水泥石发生拉伸或剪切破坏； 1水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏。 第四章 混凝土与砂浆普通混凝土第四章 混凝土与砂浆剪切粘结破坏混凝土试件单轴受压第四章 混凝土与砂浆水泥石剪切破坏第四章 混凝土与砂浆1 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。1 原始裂缝存在的原因：J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； J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； J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。1 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第四章 混凝土与砂浆 混凝土中的界面过渡区1 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:J硬化水泥浆水泥石 J骨料 J界面过渡区 (TZ ) 1 过渡区特征J过渡区以厚度约为10-15 m的薄壳存在于粗骨料的周围 ；J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；J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。第四章 混凝土与砂浆混凝土过渡区结构骨 料C-S-H钙矾石CH第四章 混凝土与砂浆裂缝扩展的 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 面区扩展第四章 混凝土与砂浆过渡区的重要性1一般认为，因为过渡区的存在，所以.J混凝土在受拉是脆性的，而受压时又相当强韧；J混凝土的拉伸强度只有抗压强度的1/20；J在水灰比相同时，砂浆的强度大于混凝土的强度 ；J硬化水泥浆和骨料是弹性体，而混凝土不是；J在相同水灰比时，砂浆的渗透性只有混凝土的 1/100。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”；第四章 混凝土与砂浆1 改善过渡区的措施：J改善和易性，减少泌水；J提高混凝土体积稳定性；J低水灰比（w/c ）；J掺加超细矿物掺合料(很大比表面积) ；J选用骨料的种类；第四章 混凝土与砂浆混凝土、砂浆和水泥浆体的应力-应变曲线第四章 混凝土与砂浆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，主要有三方面的影响因素：组成材料的特性与配合比（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。第四章 混凝土与砂浆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 强度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 粘结力混凝土 强度生产因素混凝土强度的影响因素图解第四章 混凝土与砂浆材料的强度与材料组成、材料结构的密切关系J组成影响因素：水泥、骨料和水及其特性 与掺量；J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。分析和掌握的思路：第四章 混凝土与砂浆主要影响因素1水灰比1水泥品种1骨料品种、最大粒径与级配1水灰比、水泥及骨料的综合影响1拌合水1外加剂(化学外加剂、矿物外加剂)1养护时间与条件1龄期的影响1试件、试验参数的影响第四章 混凝土与砂浆水灰比的影响1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- 毛细孔隙率关系第四章 混凝土与砂浆1混凝土强度与水灰比符合 “Abrams 定律”： 水灰比(W/C)：fc K1 / K2w/c K1、K2 为常数，与龄期、组成材料及测定方法等因素有关 。1混凝土的强度随着水灰比的减小而增加；当 w/c 0.5 降低到0.150.30；J 混凝土抗压强度从30MPa 提高到200800MPa ！back外加剂的影响影响第四章 混凝土与砂浆浇灌与养护条件的影响新拌混凝土 的和易性捣实程度与 养护条件硬化混凝土的 微结构硬化混凝土 的强度第四章 混凝土与砂浆养 护 Curing1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 1分析思路： 水泥矿物的水化反应与温度、湿度的关系？混凝土致密、均匀的微结构形成与温、湿度 的关系？第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与湿养护1混凝土连续湿养护有利于混凝土强度的发展1湿养护的措施：喷洒水浴用砂、木屑或薄膜覆盖第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与湿养护时间timein air entire timemoist cured entire timein air after 3 daysin air after 7 daysStrength28100%第四章 混凝土与砂浆第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与浇灌与养护温度1 三种情形: I. 浇灌和养护温度相同.温度越高，强度增长越快，为什么？ II. 不同温度下浇灌，常温下养护养护温度相同时，浇灌温度越高，混凝土后期强 度(180天)越低。 III. 常温下浇灌，不同温度下养护养护温度越低，强度越低。第四章 混凝土与砂浆混凝土连续在21C下养护28天的 试样强度的百分率(%)第四章 混凝土与砂浆混凝土在指定的温度下浇灌密封放置 2小时后，再在21C下养护到测试龄期第四章 混凝土与砂浆说明：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第四章 混凝土与砂浆养护温度越低，强度越低；养护温度比浇灌温度更重要!冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。微观研究表明：较低温度的养护可以使得水泥石 的结构致密、均匀。为什么？浇灌与养护温度影响概括back第四章 混凝土与砂浆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；第四章 混凝土与砂浆养护龄期对混凝土强度的影响back第四章 混凝土与砂浆试件与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！第四章 混凝土与砂浆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