混凝土的強(qiáng)度與破壞

混凝土的強(qiáng)度與破壞

StrengthofConcrete第三章混凝土混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的重要性在混凝土設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制中，一般以強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)強(qiáng)度是土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求；混凝土的其它難以直接測(cè)量的主要性能，如彈性模量、抗水性、抗?jié)B性、耐久性都與強(qiáng)度有直接關(guān)系，所以，可以由強(qiáng)度數(shù)據(jù)推斷出其它性能的好壞；與其它許多性能相比，強(qiáng)度試驗(yàn)比較簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)制作試件，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得的試件破壞時(shí)所能承受的最大內(nèi)應(yīng)力，即可計(jì)算得出混凝土的強(qiáng)度。3.6

混凝土的強(qiáng)度與破壞

混凝土的強(qiáng)度是通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的?；炷恋膹?qiáng)度試驗(yàn)有：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)單軸受壓混凝土受單方向壓力作用,工程中采用的強(qiáng)度一般是單軸抗壓強(qiáng)度；多軸向受壓混凝土受多方向壓應(yīng)力作用抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)直接拉伸試驗(yàn)劈裂試驗(yàn)抗彎試驗(yàn)3.6

混凝土的強(qiáng)度與破壞

幾個(gè)基本概念強(qiáng)度分類(lèi)，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、強(qiáng)度等級(jí)等混凝土受壓破壞機(jī)理混凝土試件的破壞過(guò)程就是裂縫發(fā)生、發(fā)展與連通的過(guò)程決定混凝土強(qiáng)度的內(nèi)在因素

水泥石的內(nèi)聚力、結(jié)構(gòu)致密、界面結(jié)合力等混凝土強(qiáng)度的影響因素水泥強(qiáng)度等級(jí)與品種水灰比骨料品種、粒徑、級(jí)配試驗(yàn)條件3.6

混凝土的強(qiáng)度與破壞

本節(jié)知識(shí)架構(gòu)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)混凝土試件幾何形狀有立方體、棱柱體和圓柱體立方體試件的邊長(zhǎng)有100mm、150mm、200mm三種試件的養(yǎng)護(hù)條件標(biāo)準(zhǔn)條件：202C，相對(duì)濕度＞95%；工程現(xiàn)場(chǎng)條件。

混凝土的抗壓強(qiáng)度

1試件尺寸(mm)骨料最大粒徑(mm)強(qiáng)度換算系數(shù)100×100×100150×150×150200×200×20031.540630.9511.052aa圓柱體（美、法、日）立方體（英、德、中）試件形狀示意圖a

混凝土的抗壓強(qiáng)度

抗壓試驗(yàn)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(202C，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(chēng)為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以“fcu”表示。立方體強(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)立方體抗壓強(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(guò)5%,該抗壓強(qiáng)度值稱(chēng)為立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。以“fcu,k”表示強(qiáng)度等級(jí)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。普通混凝土劃分為十四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C802

混凝土的抗壓強(qiáng)度

實(shí)際強(qiáng)度

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)軸心抗壓強(qiáng)度國(guó)家規(guī)范規(guī)定：用尺寸為150mm150mm300mm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天，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度為軸心抗壓強(qiáng)度，以fcp表示；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：

fcp=(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。幾個(gè)基本概念2

混凝土的抗壓強(qiáng)度

問(wèn)題？

例如：一組試件的立方體抗壓強(qiáng)度值分別為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個(gè)數(shù)據(jù)。

用比較法可得：其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是30.2MPa；因?yàn)?0個(gè)數(shù)據(jù)中，小于30.2MPa的只有一個(gè)29.5MPa，百分率為5％。如何求得立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的？

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度等級(jí)fcuPμfcUfcu,k95%強(qiáng)度—概率分布曲線(xiàn)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值示意圖

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土受壓破壞機(jī)理混凝土受壓破壞過(guò)程是內(nèi)部裂縫的發(fā)生、擴(kuò)展直致連通的過(guò)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(guò)程。受力狀態(tài)：由于粗骨料的強(qiáng)度和彈性模量大于水泥石的，在混凝土承受單向受壓時(shí)，使骨料的上下兩面產(chǎn)生壓應(yīng)力；而在骨料側(cè)面則產(chǎn)生拉應(yīng)力；由于力的傳遞在骨料的上下面形成一鍥形，因而在契形兩側(cè)的水泥石還受到剪應(yīng)力，而在裂縫的尖端會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中3

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土試件受壓時(shí)內(nèi)部裂縫擴(kuò)展情形

混凝土的抗壓強(qiáng)度

剪切粘結(jié)破壞混凝土試件單軸受壓普通混凝土

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土受壓破壞的三種形式？

水泥石與骨料的界面之間的粘結(jié)破壞骨料劈裂破壞水泥石發(fā)生拉伸或剪切破壞破壞特點(diǎn)a.

受壓破壞，或者在較低應(yīng)力水平上拉伸破壞，都是因?yàn)槎嗔芽p的相互作用所導(dǎo)致，而不是單一裂縫擴(kuò)展的結(jié)果；b.硬化水泥漿或混凝土中裂縫的擴(kuò)展不沿直線(xiàn)，而是繞過(guò)水泥石或骨料顆粒邊緣，沿著彎曲的路徑延伸，在此過(guò)程裂縫發(fā)生畸變與挫鈍。c.混凝土是硬化水泥漿、過(guò)渡區(qū)和骨料的復(fù)合體，三者各有其本身的斷裂韌性(Kc)，很難測(cè)定。1

混凝土的抗壓強(qiáng)度

裂縫的擴(kuò)展

混凝土抗拉強(qiáng)度較低，而裂縫尖端的應(yīng)力集中和受拉區(qū)所受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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。原始裂縫存在的原因：水泥水化收縮導(dǎo)致骨料與水泥石之間和水泥石內(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；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。混凝土內(nèi)部界面區(qū)對(duì)于混凝土受壓破壞很重要混凝土受壓破壞機(jī)理2

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土中的界面裂縫擴(kuò)展研究混凝土的力學(xué)行為，將混凝土材料作為三相復(fù)合體是很有幫助的:水泥石、骨料、界面區(qū)一般認(rèn)為界面區(qū)是混凝土強(qiáng)度的“限制相”界面區(qū)特征？過(guò)渡區(qū)以厚度約為10-15m的薄殼存在于粗骨料的周?chē)?；過(guò)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?chē)纬梢粚铀?，?dǎo)致粗骨料周?chē)乃冶却笥谡w水泥漿，所以界面過(guò)渡區(qū)多孔，且鈣礬石和羥鈣石都呈取向性大晶體顆粒。3

混凝土的抗壓強(qiáng)度

骨料過(guò)渡區(qū)水泥石本體C-S-H鈣礬石CH骨料裂縫擴(kuò)展的路徑和方向骨料水泥石骨料周?chē)慕缑鎱^(qū)普通混凝土的微結(jié)構(gòu)裂縫沿界面區(qū)擴(kuò)展

混凝土的抗壓強(qiáng)度

界面區(qū)的重要性混凝土界面區(qū)是一個(gè)薄弱面，會(huì)產(chǎn)生以下現(xiàn)象：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)，砂漿的滲透性只有混凝土的1/1004

混凝土的抗壓強(qiáng)度

水泥品種齡期養(yǎng)護(hù)條件外加劑水化度水灰比凝膠結(jié)構(gòu)與組成孔隙率含水量水泥石強(qiáng)度骨料質(zhì)量表面特征化學(xué)組成骨料用量粒徑彈模水泥石－骨料粘結(jié)力混凝土強(qiáng)度生產(chǎn)因素混凝土強(qiáng)度的影響因素

混凝土的抗壓強(qiáng)度

4混凝土強(qiáng)度的影響因素原材料因素生產(chǎn)工藝因素試驗(yàn)因素4

混凝土的抗壓強(qiáng)度

分析思路：材料的強(qiáng)度與其組成、結(jié)構(gòu)密切有關(guān)組成影響因素：水泥、骨料和水及其特性與摻量；結(jié)構(gòu)影響因素：組成材料及其分布、生產(chǎn)工藝與條件、澆灌與養(yǎng)護(hù)制度等混凝土強(qiáng)度的影響因素–原材料原材料的影響水泥石強(qiáng)度骨料性能4

混凝土的抗壓強(qiáng)度

水泥石-骨料界面過(guò)渡區(qū)水灰比水泥品種外加劑(化學(xué)外加劑、礦物外加劑)拌合水1

混凝土的抗壓強(qiáng)度

水泥石強(qiáng)度的影響因素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；

混凝土的抗壓強(qiáng)度

采用同種水泥時(shí)，混凝土強(qiáng)度主要決定于水灰比。滿(mǎn)足和易性要求時(shí)，水灰比越小，水泥石強(qiáng)度越高。水灰比如何影響？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；這個(gè)結(jié)果歸結(jié)于界面過(guò)渡區(qū)(TZ)強(qiáng)度的明顯提高原因：界面區(qū)中氫氧化鈣晶體顆粒的尺寸隨著水灰比降低而減小

混凝土的抗壓強(qiáng)度

水泥品種的影響

水泥品種通過(guò)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，從而提高水泥石和混凝土的強(qiáng)度。

混凝土的抗壓強(qiáng)度

20多年里：由于外加劑技術(shù)的發(fā)展，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！化學(xué)外加劑減水劑通過(guò)降低水灰比、減少用水量，從而改善混凝土密實(shí)性和均質(zhì)性，提高混凝土強(qiáng)度緩凝劑或早強(qiáng)劑通過(guò)影響水泥石強(qiáng)度及其發(fā)展，調(diào)節(jié)水化放熱速度，從而改變其強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律礦物摻合料減少水泥用量改善水泥石密實(shí)性提高界面區(qū)密實(shí)度

外加劑的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度

骨料性能的影響因素骨料最大粒徑經(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(guò)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^(guò)渡區(qū)形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O；界面過(guò)渡區(qū)化學(xué)增強(qiáng)。骨料的形狀和表面特征粗糙表面有利于增加過(guò)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。2

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度

掃描電鏡照片顯示：用石灰石做骨料的混凝土中，界面過(guò)渡區(qū)沒(méi)有微裂縫和連通的孔隙水泥石、骨料界面過(guò)渡區(qū)的共同影響鮑羅米公式：fcu——混凝土28d抗壓強(qiáng)度（MPa）

fce——水泥的實(shí)測(cè)強(qiáng)度（Mpa），fce,k——水泥的強(qiáng)度等級(jí)

C/W——灰水比，

γc

＝1.13（富裕系數(shù)）a

、b——與骨料種類(lèi)有關(guān)的回歸系數(shù)：對(duì)于卵石：a＝0.49;b

＝0.13;

對(duì)于碎石：a＝0.53;b

＝0.20。

混凝土的抗壓強(qiáng)度

3混凝土強(qiáng)度的影響因素–生產(chǎn)工藝攪拌、澆筑養(yǎng)護(hù)4

混凝土的抗壓強(qiáng)度

攪拌：人工攪拌、機(jī)械攪拌；機(jī)械攪拌的方式澆筑振搗：人工振搗、機(jī)械振搗混凝土強(qiáng)度的影響因素–生產(chǎn)工藝養(yǎng)護(hù)

溫度：新拌砂漿自身的溫度（澆筑溫度）、環(huán)境溫度

濕度：環(huán)境濕度齡期4

混凝土的抗壓強(qiáng)度

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

混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置2小時(shí)后，再在21C下養(yǎng)護(hù)到測(cè)試齡期養(yǎng)護(hù)溫度越低，強(qiáng)度越低；養(yǎng)護(hù)溫度比澆灌溫度更重要!冬天施工的混凝土必須采取措施保暖一段時(shí)間。

混凝土的抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：新拌混凝土養(yǎng)護(hù)初期采用較低的養(yǎng)護(hù)溫度，反而可以混凝土的后期強(qiáng)度，為什么？濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度越高

混凝土的抗壓強(qiáng)度

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

=lgn/lga

式中：

fcu,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

混凝土的抗壓強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度的影響因素–試驗(yàn)條件4

混凝土的抗壓強(qiáng)度

試件形狀尺寸：試件尺寸會(huì)影響到混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。試件尺寸越大，測(cè)得的強(qiáng)度值越低。當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件時(shí)，應(yīng)將其抗壓強(qiáng)度折算為標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度。表面狀態(tài)：當(dāng)混凝土受壓面非常光滑時(shí)（如有油脂），由于壓板與試件表面的磨擦力減小，使環(huán)箍效應(yīng)減小，試件將出現(xiàn)垂直裂紋而破壞，測(cè)得的混凝土強(qiáng)度值較低。含水程度：混凝土試件含水率越高，其強(qiáng)度越低。干燥試件比飽水試件強(qiáng)度高20to25%加荷速度：在進(jìn)行混凝土試件抗壓試驗(yàn)時(shí)，若加荷速度過(guò)快，材料裂紋擴(kuò)展的速度慢于荷載增加速度，會(huì)造成測(cè)得的強(qiáng)度值偏高。故在進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)按規(guī)定的加荷速度進(jìn)行；試件平整度。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；相對(duì)強(qiáng)度(％)試件尺寸(cm)0

10

15

20

304050607080其原因：環(huán)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

混凝土的抗壓強(qiáng)度

試件尺寸(mm)骨料最大粒徑(mm)強(qiáng)度換算系數(shù)100×100×100150×150×150200×200×20031.540630.9511.05

混凝土的抗壓強(qiáng)度

環(huán)箍效應(yīng)：壓力機(jī)墊板的橫向摩擦約束，造成混凝土試塊端部處在多軸受力狀態(tài)，就象在試件上下端各加了一個(gè)套箍，致使破壞時(shí)形成兩個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F破壞面，抗壓強(qiáng)度高于無(wú)約束情況。未采取減摩措施采取減摩措施抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)直接軸心抗拉試驗(yàn)——很困難荷載作用線(xiàn)難以與試件軸線(xiàn)保持重合，發(fā)生偏心；難以保證試件在受拉區(qū)斷裂。劈裂抗拉試驗(yàn)試件：邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件或圓柱體試件原理：在試件的相對(duì)的表面素線(xiàn)上作用均勻分布的壓應(yīng)力，從而在豎向平面內(nèi)產(chǎn)生均勻拉伸應(yīng)力四點(diǎn)彎拉試驗(yàn)試件：150×150×600(或550)mm3的梁式試件按三分點(diǎn)加荷進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，在試件下方產(chǎn)生拉伸應(yīng)力

混凝土的抗拉強(qiáng)度

1單軸拉伸作用下混凝土的行為

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、彈性模量和泊松比均與單軸受壓作用條件下的類(lèi)似，但是因?yàn)樵谶@種應(yīng)力狀態(tài)下抑制裂縫發(fā)展的可能性小得多，裂縫從擴(kuò)展開(kāi)始到失穩(wěn)的過(guò)程短暫，呈現(xiàn)十分明顯的脆性斷裂。

混凝土的抗拉強(qiáng)度

PPft=P/A橫截面積為A軸心直拉試驗(yàn)直拉試驗(yàn)

混凝土的抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉試驗(yàn)

SplittingTestfs

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)

;150mm150mm150mm的立方體試件PPa受拉fs

混凝土的抗拉強(qiáng)度

四點(diǎn)彎拉試驗(yàn)用尺寸為150mm150mm550mm的梁式試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，采用三分點(diǎn)加荷方式試驗(yàn)，直至試件斷裂。根據(jù)材料力學(xué)理論合線(xiàn)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)

稱(chēng)為斷裂