1、混凝土的強度與破壞 Strength of Concrete,第三章 混凝土,混凝土強度指標(biāo)的重要性,在混凝土設(shè)計和質(zhì)量控制中，一般以強度作為評價指標(biāo) 強度是土木工程結(jié)構(gòu)對材料的基本要求； 混凝土的其它難以直接測量的主要性能，如彈性模量、抗水性、抗?jié)B性、耐久性都與強度有直接關(guān)系，所以，可以由強度數(shù)據(jù)推斷出其它性能的好壞； 與其它許多性能相比，強度試驗比較簡單直觀，通過制作試件，對其進行強度試驗，測得的試件破壞時所能承受的最大內(nèi)應(yīng)力，即可計算得出混凝土的強度。,3.6 混凝土的強度與破壞,混凝土的強度是通過對試件進行強度試驗獲得的。 混凝土的強度試驗有： 抗壓強度試驗 單軸受壓 混凝土受單方向壓

2、力作用,工程中采用的強度一般是單軸抗壓強度； 多軸向受壓 混凝土受多方向壓應(yīng)力作用 抗拉強度試驗 直接拉伸試驗 劈裂試驗 抗彎試驗,3.6 混凝土的強度與破壞,幾個基本概念 強度分類，強度標(biāo)準(zhǔn)值、強度等級等 混凝土受壓破壞機理 混凝土試件的破壞過程就是裂縫發(fā)生、發(fā)展與連通的過程 決定混凝土強度的內(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 混凝土強度的影響因素 水泥強度等級與品種 水灰比 骨料品種、粒徑、級配 試驗條件,3.6 混凝土的強度與破壞,本節(jié)知識架構(gòu),抗壓強度試驗,混凝土試件 幾何形狀有立方體、棱柱體和圓柱體 立方體試件的邊長有100mm、150mm、200mm三種 試件的養(yǎng)護條

3、件 標(biāo)準(zhǔn)條件： 202C，相對濕度95%； 工程現(xiàn)場條件。,3.6.1 混凝土的抗壓強度,1,2a,a,圓柱體（美、法、日）,立方體（英、德、中）,試件形狀示意圖,a,3.6.1 混凝土的抗壓強度,抗壓試驗,幾個基本概念,立方體抗壓強度 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：制作邊長為150mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件(202C，相對濕度95%)下，養(yǎng)護到28天齡期，測得的抗壓強度值稱為混凝土立方體抗壓強度，以“fcu”表示。 立方體強度標(biāo)準(zhǔn)值 用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的一組若干個立方體抗壓強度值的總體分布中的某一個值，低于該值的百分率不超過5%,該抗壓強度值稱為立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。以“fcu,k”表示 強度等級 根據(jù)混

4、凝土立方體強度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)劃分的等級，以符號C+混凝土立方體強度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)表示。普通混凝土劃分為十四個強度等級：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80,2,3.6.1 混凝土的抗壓強度,實際強度 將試件在實際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護28天，測得的立方體試件強度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗收依據(jù) 軸心抗壓強度 國家規(guī)范規(guī)定：用尺寸為150 mm 150 mm 300mm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28天，測得的抗壓強度為軸心抗壓強度，以fcp表示； 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)； 軸心抗壓強度與立方體抗

5、壓強度的關(guān)系： fcp = (0.70.8)fcu 換算系數(shù)與混凝土強度有關(guān)，強度越高，系數(shù)越小。,幾個基本概念,2,3.6.1 混凝土的抗壓強度,問題？,例如：一組試件的立方體抗壓強度值分別為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個數(shù)據(jù)。 用比較法可得：其抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值是30.2MPa； 因為20個數(shù)據(jù)中，小于30.2MPa的只有一個29.5MPa，百分率為5。,如何求得立

6、方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的？,3.6.1 混凝土的抗壓強度,混凝土立方體抗壓強度及強度等級,fcu,P,fcU,fcu,k,95%,強度概率分布曲線,混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值示意圖,3.6.1 混凝土的抗壓強度,混凝土受壓破壞機理,混凝土受壓破壞過程 是內(nèi)部裂縫的發(fā)生、擴展直致連通的過程，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)展過程。 受力狀態(tài)： 由于粗骨料的強度和彈性模量大于水泥石的，在混凝土承受單向受壓時，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，而在裂縫的尖端會產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中,3,3.6.1 混

7、凝土的抗壓強度,混凝土試件受壓時內(nèi)部裂縫擴展情形,3.6.1 混凝土的抗壓強度,普通混凝土,3.6.1 混凝土的抗壓強度,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 a. 受壓破壞，或者在較低應(yīng)力水平上拉伸破壞，都是因為多裂縫的相互作用所導(dǎo)致，而不是單一裂縫擴展的結(jié)果； b. 硬化水泥漿或混凝土中裂縫的擴展不沿直線，而是繞過水泥石或骨料顆粒邊緣，沿著彎曲的路徑延伸，在此過程裂縫發(fā)生畸變與挫鈍。 c. 混凝土是硬化水泥漿、過渡區(qū)和骨料的復(fù)合體，三者各有其本身的斷裂韌性(Kc)，很難測定。,1,3.6.1 混凝土的抗壓強度,裂縫的

8、擴展 混凝土抗拉強度較低，而裂縫尖端的應(yīng)力集中和受拉區(qū)所受的拉應(yīng)力遠遠超過其抗拉強度，導(dǎo)致裂縫在較低的壓應(yīng)力水平下擴展和產(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)對于混凝土受壓破壞很重要,混凝土受壓破壞機理,2,3.6.1 混凝土的抗壓強度,混凝土中的界面裂縫擴展,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) 一般認為界面區(qū)是混凝土強度的“限制相” 界面區(qū)特征

9、？ 過渡區(qū)以厚度約為10-15 m的薄殼存在于粗骨料的周圍； 過渡區(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，在粗骨料周圍形成一層水膜，導(dǎo)致粗骨料周圍的水灰比大于整體水泥漿，所以界面過渡區(qū)多孔，且鈣礬石和羥鈣石都呈取向性大晶體顆粒。,3,3.6.1 混凝土的抗壓強度,3.6.1 混凝土的抗壓強度,界面區(qū)的重要性,混凝土界面區(qū)是一個薄弱面，會產(chǎn)生以下現(xiàn)象： 混凝土在受拉是脆性的，而受壓時又相當(dāng)強韌； 混凝土的拉伸強度只有抗壓強度的1/20； 在水灰比相同時，砂漿的強度大于混凝土的強度； 硬化水泥漿和骨料是彈性

10、體，而混凝土不是； 在相同水灰比時，砂漿的滲透性只有混凝土的1/100,4,3.6.1 混凝土的抗壓強度,水泥品種,齡期,養(yǎng)護條件,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 強度,生產(chǎn)因素,混凝土強度的影響因素,3.6.1 混凝土的抗壓強度,4,混凝土強度的影響因素,原材料因素 生產(chǎn)工藝因素 試驗因素,4,3.6.1 混凝土的抗壓強度,分析思路： 材料的強度與其組成、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)護制度等

11、,混凝土強度的影響因素 原材料,原材料的影響 水泥石強度 骨料性能,4,3.6.1 混凝土的抗壓強度,水泥石-骨料界面過渡區(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,1,3.6.1 混凝土的抗壓強度,水泥石強度的影響因素,水灰比的影響,水泥水化所需的水量遠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，而材料強度與孔隙率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；,3.6.1 混凝土的抗壓強度,采用同種水泥時，混凝土強度主要決定于水灰比。滿足和易性要求時，水灰比越小，水泥石強度越高。,水灰比如何影響？,混凝土的強度隨著水灰比的減小而增加； 當(dāng) w/c 0.3時, 水灰比很小的降

12、低都將導(dǎo)致混凝土強度很大的增加，上述關(guān)系不再適用； 這個結(jié)果歸結(jié)于界面過渡區(qū)(TZ)強度的明顯提高 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,3.6.1 混凝土的抗壓強度,水泥品種的影響,水泥品種通過下列幾方面影響混凝土的強度： 水泥的強度等級 混凝土強度與水泥強度成正比； 水泥細度 水泥比表面積越大，水化速度越快，混凝土早期強度增長快； 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度。,3.6.1 混凝土的抗壓強度,20多年里：由于外加劑技術(shù)的發(fā)展，水

13、灰比（水膠比）從 0.5 降低到0.150.30； 混凝土抗壓強度從30MPa 提高到200800MPa！ 化學(xué)外加劑 減水劑通過降低水灰比、減少用水量，從而改善混凝土密實性和均質(zhì)性，提高混凝土強度 緩凝劑或早強劑通過影響水泥石強度及其發(fā)展，調(diào)節(jié)水化放熱速度，從而改變其強度增長規(guī)律 礦物摻合料 減少水泥用量 改善水泥石密實性 提高界面區(qū)密實度,外加劑的影響,3.6.1 混凝土的抗壓強度,骨料性能的影響因素,骨料最大粒徑 經(jīng)濟上，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，過渡區(qū)就將越薄弱，并將含有更多的微裂縫，降低強度。 骨料礦物組成 石灰石骨料可

14、以產(chǎn)生較高的強度，因為在界面過渡區(qū)形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O； 界面過渡區(qū)化學(xué)增強。 骨料的形狀和表面特征 粗糙表面有利于增加過渡區(qū)的粘結(jié)強度； 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，因而降低強度。,2,3.6.1 混凝土的抗壓強度,3.6.1 混凝土的抗壓強度,掃描電鏡照片顯示：用石灰石做骨料的混凝土中，界面過渡區(qū)沒有微裂縫和連通的孔隙,水泥石、骨料 界面過渡區(qū)的共同影響,鮑羅米公式： fcu 混凝土28d抗壓強度（MPa） fce 水泥的實測強度（Mpa）， fce ,k 水泥的強度等級 C/W 灰水比， c 1.13（富裕系數(shù)） a 、b 與骨料種類有關(guān)的回

15、歸系數(shù)： 對于卵石： a0.49 ; b 0.13; 對于碎石： a0.53; b 0.20。,3.6.1 混凝土的抗壓強度,3,混凝土強度的影響因素 生產(chǎn)工藝,攪拌、澆筑 養(yǎng)護,4,3.6.1 混凝土的抗壓強度,攪拌：人工攪拌、機械攪拌；機械攪拌的方式 澆筑振搗：人工振搗、機械振搗,混凝土強度的影響因素 生產(chǎn)工藝,養(yǎng)護 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,4,3.6.1 混凝土的抗壓強度,混凝土在21 C下澆灌并放置6小時后，再在指定溫度下養(yǎng)護至測試齡期,混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置2小時后，再在21C下養(yǎng)護到測試齡期,養(yǎng)護溫度越低，強度越低； 養(yǎng)護溫度

16、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間。,3.6.1 混凝土的抗壓強度,試驗發(fā)現(xiàn)：新拌混凝土養(yǎng)護初期采用較低的養(yǎng)護溫度，反而可以混凝土的后期強度，為什么？,濕養(yǎng)護時間越長，混凝土強度越高,3.6.1 混凝土的抗壓強度,齡期的影響,混凝土強度在最初37d增長較快，然后逐漸緩慢下來。其隨養(yǎng)護齡期的增長大致符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系： fcu,n/fcu,a = lg n/lg a 式中： fcu,n n天齡期混凝土的抗壓強度 fcu,a a天齡期混凝土的抗壓強度,3.6.1 混凝土的抗壓強度,混凝土強度的影響因素 試驗條件,4,3.6.1 混凝土的抗壓強度,試件形狀尺寸：試件尺寸會影響

17、到混凝土強度實驗的測試結(jié)果。試件尺寸越大，測得的強度值越低。當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件時，應(yīng)將其抗壓強度折算為標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強度。 表面狀態(tài)：當(dāng)混凝土受壓面非常光滑時（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，測得的混凝土強度值較低。 含水程度：混凝土試件含水率越高，其強度越低。干燥試件比飽水試件強度高20 to 25% 加荷速度：在進行混凝土試件抗壓試驗時，若加荷速度過快，材料裂紋擴展的速度慢于荷載增加速度，會造成測得的強度值偏高。故在進行混凝土立方體抗壓強度試驗時，應(yīng)按規(guī)定的加荷速度進行；試件平整度。,試件尺寸的影響,試件尺寸越大，混凝土強度測試值越偏低

18、； 試件尺寸越小，混凝土強度測試值越偏高；,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,3.6.1 混凝土的抗壓強度,3.6.1 混凝土的抗壓強度,環(huán)箍效應(yīng)：壓力機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套箍，致使破壞時形成兩個對頂?shù)慕清F破壞面，抗壓強度高于無約束情況。,未采取減摩措施,采取減摩措施,抗拉強度試驗,直接軸心抗拉試驗很困難 荷載作用線難以與試件軸線保持重合，發(fā)生偏心； 難以保證試件在受拉區(qū)斷裂。 劈裂抗拉試驗 試件：邊長為150mm的立方體試件或圓柱體試件 原理：在試件的相對的表面素線上作用均勻分布的壓應(yīng)力，從

19、而在豎向平面內(nèi)產(chǎn)生均勻拉伸應(yīng)力 四點彎拉試驗 試件：150150600(或550)mm3的梁式試件 按三分點加荷進行彎曲試驗，在試件下方產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,3.6.2 混凝土的抗拉強度,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、彈性模量和泊松比均與單軸受壓作用條件下的類似，但是因為在這種應(yīng)力狀態(tài)下抑制裂縫發(fā)展的可能性小得多，裂縫從擴展開始到失穩(wěn)的過程短暫，呈現(xiàn)十分明顯的脆性斷裂。,3.6.2 混凝土的抗拉強度,直拉試驗,3.6.2 混凝土的抗拉強度,劈裂抗拉試驗 Splitting Test,fs,劈拉強度計算： fts = 2P/ a2 = 0.637(P/ a2) a：立方體試件的邊長 ;,150 mm 150 mm 150mm的立方體試件,3.6.2 混凝土的抗拉強度,四點彎拉試驗,用尺寸為150 mm 150 mm 550mm的梁式試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28天，采用三分點加荷方式試驗，直至試件斷裂。 根據(jù)材料力學(xué)理論合線彈性應(yīng)力應(yīng)變分析，試件斷裂是的最大拉伸應(yīng)力為： fb = PL / bd2 (bd= 試件的截面積) 稱為斷裂模量 modulus of rupture,3.6.2 混凝土的抗拉強度,混凝土抗壓強度與抗拉強度的關(guān)系,混凝土的抗壓強度與抗拉強度沒有直接關(guān)系！ 抗拉強度與抗壓強度之比(拉