土木工程材料學(xué)習(xí)課件第4章-3 混凝土強(qiáng)度

4.3混凝土的強(qiáng)度與破壞混凝土強(qiáng)度的意義：強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性質(zhì)，混凝土主要用于承受荷載或抵抗各種作用力?；炷翉?qiáng)度與混凝土的其它性能關(guān)系密切，一般來說，混凝土的強(qiáng)度愈高，其剛性、不透水性、抵抗風(fēng)化和某些侵蝕介質(zhì)的能力也愈高，通常用混凝土強(qiáng)度來評定和控制混凝土的質(zhì)量。重慶綦江彩虹橋鋼筋混凝土柱的破壞狀態(tài)預(yù)存缺陷的存在對硬化后的水泥混凝土結(jié)構(gòu)，在未受荷載之前，由于原因，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部已存在孔縫系統(tǒng)?；炷两Y(jié)構(gòu)受荷下的破壞，主要是原有孔縫系統(tǒng)的延伸、聯(lián)生和擴(kuò)大?；炷羶?nèi)多余水分的泌水、蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔；溫度的變化引起的溫度裂縫；濕度變化引起的干縮裂縫；砂漿和粗骨料之間的不一致變化產(chǎn)生的界面裂縫等。一、混凝土強(qiáng)度的分類包括：抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度等。1、砼的抗壓強(qiáng)度與強(qiáng)度等級定義：混凝土的抗壓強(qiáng)度是指標(biāo)準(zhǔn)試件在壓力作用下直到破壞的單位面積所能承受的最大應(yīng)力（亦稱極限強(qiáng)度）?；炷两Y(jié)構(gòu)物常以抗壓強(qiáng)度為主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，而且抗壓強(qiáng)度與其它強(qiáng)度及變形有良好的相關(guān)性，因此，抗壓強(qiáng)度常作為評定混凝土質(zhì)量的指標(biāo)，并作為確定強(qiáng)度等級的依據(jù)。立方體標(biāo)準(zhǔn)試件依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GB/T50081-2002）：

150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度20±3℃，相對濕度90％以上）下，養(yǎng)護(hù)到28d齡期，所測得的抗壓強(qiáng)度值為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以fcu表示。a2aaa圓柱體（美、法、日）立方體（英、德、中）試件形狀示意圖砼強(qiáng)度等級依據(jù)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（以fcu.k表示），將混凝土劃分為十四個強(qiáng)度等級：

C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值系指對按標(biāo)準(zhǔn)方法制作和養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm的立方體試件，在28d齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的抗壓強(qiáng)度總體分布中的一個值，強(qiáng)度低于該值的百分率不超過5％。高強(qiáng)混凝土技術(shù)規(guī)程從C50~C80分為七個等級：C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80高強(qiáng)混凝土等級2、軸心抗壓強(qiáng)度（fcp）原因：確定混凝土強(qiáng)度等級采用立方體試件，但實際工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式極少是立方體的，大部分是棱柱體型或圓柱體型。為了使測得的混凝土強(qiáng)度接近與混凝土結(jié)構(gòu)的實際情況，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算中，計算軸心受壓構(gòu)件（例如柱子、桁架的腹桿等）時，都是采用混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fcp作為計算依據(jù)。軸心抗壓強(qiáng)度試件根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GB/T50081-2002）的規(guī)定，軸心抗壓強(qiáng)度采用：

150mm×150mm×300mm的棱柱體高寬比（h/a＝2～3）的非標(biāo)棱柱體試件棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度fcp比同截面的立方體抗壓強(qiáng)度值fcu小，棱柱體試件高寬比h/a越大，軸心抗壓強(qiáng)度越小，但當(dāng)h/a達(dá)到一定值后，強(qiáng)度不再降低。在立方體抗壓強(qiáng)度fcu＝10～55Mpa范圍內(nèi)，軸心抗壓強(qiáng)度fcp≈（0.70～0.80）fcu。軸心抗壓強(qiáng)度試驗示意圖HSCNSC普通混凝土高強(qiáng)混凝土軸向應(yīng)變（mm)應(yīng)力MPa普通混凝土高強(qiáng)混凝土0.0061203、砼抗拉強(qiáng)度（fts）混凝土的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/10～1/20，并且這個比值隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高而降低?；炷潦芾瓡r呈脆性斷裂，破壞時無明顯殘余變形。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不考慮混凝土承受拉力，而是在混凝土中配以鋼筋，由鋼筋來承受結(jié)構(gòu)中的拉力。但混凝土抗拉強(qiáng)度對于混凝土抗裂性具有重要作用，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定混凝土抗裂度的主要指標(biāo)，有時也用它來間接衡量混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度，及預(yù)測由于干濕變化和溫度變化而產(chǎn)生的開裂大小的指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度的測定早期——軸向拉伸法。存在荷載不易對準(zhǔn)軸線，夾具處常發(fā)生局部破壞，致使準(zhǔn)確測試?yán)щy；現(xiàn)行——劈裂抗拉強(qiáng)度試驗法。間接地得出混凝土的抗拉強(qiáng)度，稱為劈裂抗拉強(qiáng)度fts；公路——抗折強(qiáng)度法。試件：邊長為150mm的立方體或圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件。該法的原理——是在試件的兩個相對的表面素線上，施加均勻分布的壓力，這樣就能在外力作用的豎向平面內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的拉應(yīng)力，該應(yīng)力可以根據(jù)彈性理論計算得出。PPft=P/A橫截面積為A

Ⅰ直拉試驗TensionTesting直拉試驗直拉試驗示意圖混凝土受拉伸

2.4MpaⅡ劈裂抗拉試驗

SplittingTestPPdftsfts

=2P/πdll-試件長度受拉立方試件的劈裂抗拉強(qiáng)度計算公式式中fts———混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度（Mpa）；

P————破壞荷載（N）；

A————試件劈裂面積（mm）。Ⅲ抗折試驗

FlexuralTest

PL/3L/3L/3

拉壓fbfb=PL/bd2b×d=截面積劈裂抗拉強(qiáng)度與其它強(qiáng)度的比較試驗證明，在相同條件下，混凝土用軸拉法測得的軸拉強(qiáng)度，較用劈裂法測得的劈裂抗拉強(qiáng)度略小，二者比值約為0.9。混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度（fcu）之間的關(guān)系，可用經(jīng)驗公式表達(dá)如下：

4、砼與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土用鋼筋來增強(qiáng)，要使鋼筋混凝土這類復(fù)合材料有效工作，混凝土與鋼筋之間必須要有適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)強(qiáng)度。砼與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度的產(chǎn)生：混凝土與鋼筋之間的摩擦力鋼筋與水泥石之間的粘結(jié)力變形鋼筋的表面機(jī)械嚙合力影響鋼筋與砼粘結(jié)強(qiáng)度的因素混凝土質(zhì)量－與混凝土抗壓強(qiáng)度成正比。鋼筋尺寸及變形鋼筋種類；鋼筋在砼中的位置（水平鋼筋或垂直鋼筋）；加載類型（受拉鋼筋或受壓鋼筋）；干濕變化、溫度變化等。粘結(jié)強(qiáng)度的評定美國材料試驗學(xué)會（ASTMC234）拔出試驗方法：混凝土試件為邊長150mm的立方體，其中埋入φ19mm的標(biāo)準(zhǔn)變形鋼筋，試驗時以不超過34Mpa/min的加荷速度對鋼筋施加拉力，直到鋼筋發(fā)生屈服；＆混凝土劈開；＆加荷端鋼筋滑移超過2.5mm。

記錄出現(xiàn)上述三種任一情況時的荷載值P，用下式計算混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度。粘結(jié)強(qiáng)度計算公式式中fN————粘結(jié)強(qiáng)度（MPa）;d————鋼筋直徑（mm）；

l————鋼筋埋入混凝土中長度（mm）；

P————測定的荷載值（N）。二、影響混凝土強(qiáng)度的因素砼結(jié)構(gòu)連續(xù)性的喪失：硬化后的混凝土在未受到外力作用之前，由于水泥水化造成的化學(xué)收縮和物理收縮引起砂漿體積的變化，在粗骨料與砂漿界面上產(chǎn)生了分布極不均勻的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致界面上形成了許多微細(xì)的裂縫。另外還因為混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分為粗骨料顆粒所阻止，因而聚集于粗骨料的下緣，混凝土硬化后就成為界面裂縫。當(dāng)混凝土受力時，這些預(yù)存的界面裂縫會逐漸擴(kuò)大、延長并匯合連通起來，形成可見的裂縫，致使混凝土結(jié)構(gòu)喪失連續(xù)性而遭到完全破壞?；炷疗茐牡臄嗝嫘问椒郑汗橇蟿冸x型骨料破裂型粘結(jié)界面破壞型混凝土強(qiáng)度關(guān)系式

fcu=f(骨料強(qiáng)度、水泥石強(qiáng)度、界面強(qiáng)度)受力作用破壞類型破壞斷面圖1、水泥強(qiáng)度與水灰比水泥強(qiáng)度和水灰比是決定混凝土強(qiáng)度最主要的因素。水灰比不變時，水泥強(qiáng)度越高，則硬化水泥石強(qiáng)度越大，對骨料的膠結(jié)力也就越強(qiáng)，配制成的混凝土強(qiáng)度也就愈高。水泥強(qiáng)度相同的情況下，水灰比愈小，水泥石的強(qiáng)度愈高，與骨料粘結(jié)力愈大，混凝土強(qiáng)度愈高。但水灰比過小，拌和物過于干稠，在一定的施工振搗條件下，混凝土不能被振搗密實，出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，反將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重下降。圖3-6齡期與水灰比對混凝土強(qiáng)度的影響強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系示意圖砼強(qiáng)度與W/C、水泥強(qiáng)度等的經(jīng)驗公式

fcu=Afce（C/W—B）

式中fcu———混凝土28d齡期的抗壓強(qiáng)度（Mpa）；

C————每立方米混凝土中水泥用量（Kg）；

W————每立方米混凝土中水的用量（Kg）；

C/W———混凝土的灰水比；

fce———水泥的實際強(qiáng)度（Mpa）。

在無法取得水泥實際強(qiáng)度時，可用式

fce=γ.fce.k代入，其中fce.k為水泥標(biāo)號，γ為水泥標(biāo)號值的富余系數(shù)（一般為1.13）。A、B——經(jīng)驗系數(shù)（骨料系數(shù)）A、B——經(jīng)驗系數(shù)，與骨料品種及水泥品種等因素有關(guān)，其數(shù)值通過試驗求得。若無試驗統(tǒng)計資料，則可按《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55－2000）提供的A、B經(jīng)驗系數(shù)取用：采用碎石A＝0.46B＝0.07

采用卵石A＝0.48B＝0.33公式的適用范圍：只適用于流動性混凝土及低流動性混凝土，對于干硬性混凝土則不適用。混凝土強(qiáng)度公式的應(yīng)用：可根據(jù)所用的水泥強(qiáng)度和水灰比來估計所配制混凝土的強(qiáng)度，也可根據(jù)水泥強(qiáng)度和要求的混凝土強(qiáng)度等級來計算應(yīng)采用的水灰比。3、骨料的影響影響因素：骨料的強(qiáng)度骨料的種類骨料的級配骨料的表面狀態(tài)骨料的粒形骨料的有害雜質(zhì)和弱顆粒含量4、養(yǎng)護(hù)溫度及濕度的影響混凝土強(qiáng)度是一個漸進(jìn)發(fā)展的過程，其發(fā)展的程度和速度取決于水泥的水化，而混凝土成型后的溫度和濕度是影響水泥水化速度和程度的重要因素。因此，混凝土澆搗成型后，必須在一定時間內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臏囟群妥銐虻臐穸纫允顾喑浞炙ＷC混凝土強(qiáng)度不斷增長，以獲得質(zhì)量良好的混凝土。溫度影響?zhàn)B護(hù)溫度高，水泥水化速度加快，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展也快；在低溫下混凝土強(qiáng)度發(fā)展遲緩。當(dāng)溫度降至冰點以下時，則由于混凝土中水分大部分結(jié)冰，不但水泥停止水化，混凝土強(qiáng)度停止發(fā)展，而且由于混凝土孔隙中的水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹（約9％），而對孔壁產(chǎn)生相當(dāng)大的壓應(yīng)力（可達(dá)100MPa），從而使硬化中的混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞，導(dǎo)致混凝土已獲得的強(qiáng)度受到損失?；炷猎缙趶?qiáng)度低，更容易凍壞。冬季施工時，要特別注意保溫養(yǎng)護(hù)，以免混凝土早期受凍破壞。蒸汽養(yǎng)護(hù)蒸汽養(yǎng)護(hù)濕度影響周圍環(huán)境的濕度對水泥的水化能否正常進(jìn)行有顯著影響。濕度適當(dāng)，水泥水化反應(yīng)順利進(jìn)行，使混凝土強(qiáng)度得到充分發(fā)展，因為水是水泥水化反應(yīng)的必要成份。如果濕度不夠，水泥水化反應(yīng)不能正常進(jìn)行，甚至停止水化，嚴(yán)重降低砼強(qiáng)度，而且使砼結(jié)構(gòu)疏松，形成干縮裂縫，增大了滲水性，從而影響混凝土的耐久性。施工規(guī)范規(guī)定：在混凝土澆筑完畢后，應(yīng)在12h內(nèi)進(jìn)行覆蓋，以防止水分蒸發(fā)過快。在夏季施工混凝土進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)時，使用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣水泥時，澆水保濕應(yīng)不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中摻用緩凝型外加劑或有抗?jié)B要求時，應(yīng)不少于14d。砼強(qiáng)度與保濕時間的關(guān)系圖覆蓋養(yǎng)護(hù)噴養(yǎng)護(hù)液養(yǎng)護(hù)野外公路的遮陽保濕養(yǎng)護(hù)野外公路的遮陽保濕5、齡期定義：齡期——是指混凝土在正常養(yǎng)護(hù)條件下所經(jīng)歷的時間。在正常養(yǎng)護(hù)的條件下，混凝土的強(qiáng)度將隨齡期的增長而不斷發(fā)展，最初7～14天內(nèi)強(qiáng)度發(fā)展較快，以后逐漸變緩，28天達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。28天后強(qiáng)度仍在發(fā)展，其增長過程可延續(xù)數(shù)十年之久。砼強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖齡期與強(qiáng)度經(jīng)驗公式在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，大致與其齡期的常用對數(shù)成正比關(guān)系（齡期不小于3d）。

式中fn———nd齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

f28———28d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

n———養(yǎng)護(hù)齡期（d），n≥3。齡期與強(qiáng)度經(jīng)驗公式的應(yīng)用可以由所測混凝土早期強(qiáng)度，估算其28d齡期的強(qiáng)度?；蛘呖捎苫炷恋?8d強(qiáng)度，推算28d前混凝土達(dá)到某一強(qiáng)度需要養(yǎng)護(hù)的天數(shù)，如確定混凝土拆模、構(gòu)件起吊、放松預(yù)應(yīng)力鋼筋、制品養(yǎng)護(hù)、出廠等日期。6、試驗條件對砼強(qiáng)度測定值的影響試驗條件是指：試件的尺寸試件形狀試件表面狀態(tài)加荷速度等Ⅰ試件尺寸相同配合比的混凝土，試件的尺寸越小，測得的強(qiáng)度越高，反之亦然。試件尺寸影響的主要原因是：試件尺寸大時，內(nèi)部孔隙、缺陷等出現(xiàn)的機(jī)率也越大，導(dǎo)致有效受力面積的減小及應(yīng)力集中，從而引起強(qiáng)度的降低。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用150mm×150mm×150mm的立方體試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件，當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)的其它尺寸試件時，所測得的抗壓強(qiáng)度應(yīng)乘以下表的換算系數(shù)?；炷猎嚰煌叽绲膹?qiáng)度換算系數(shù)表骨料最大粒徑（mm）試件尺寸（mm）換算系數(shù)30100×100×1000.9540150×150×1501.060200×200×2001.05Ⅱ試件的形狀當(dāng)試件受壓面積（a×a）相同時，h/a越大，測得的抗壓強(qiáng)度越小。原因：環(huán)箍效應(yīng)——這是由于試件受壓時，試件受壓面與試件承壓板之間的摩擦力，對試件相對于承壓板的橫向膨脹起著約束作用，該約束有利于強(qiáng)度的提高。愈接近試件的端面，這種約束作用就愈大，在距端面大約的范圍以外，約束作才消失。試件破壞后，其上下部分各呈現(xiàn)一個較完整的棱柱體，這就是這種約束作用的結(jié)果。通常稱這種作用為環(huán)箍效應(yīng)。PP壓力機(jī)壓板對試件的約束a壓板環(huán)箍效應(yīng)Ⅲ試件表面狀態(tài)混凝土試件承壓面的狀態(tài)也是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素。當(dāng)試件受壓面上有油脂類潤滑劑時，試件受壓時的環(huán)箍效應(yīng)大大減小，試件將出現(xiàn)直裂破壞，測出的強(qiáng)度值也較低。試驗破壞后殘存的棱錐體不受壓板約束時試件破壞情況涂油摩擦力壓板表面約束Ⅳ加荷速度加荷速度越快，測得