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普通混凝土的技术性质(中篇)

2006/01/18 00:00 来源:

......

    二、硬化混凝土的性能

    (一)混凝土的强度

    强度是硬化混凝土最重要的性质,混凝土的其他性能与强度均有密切关系,混凝土的强度也是配合比设计、施工控制和质量检验评定的主要技术指标。混凝土的强度主要有抗压强度、抗折强度、抗拉强度和抗剪强度等。其中抗压强度值最大,也是最主要的强度指标。

    1.混凝土的立方体抗压强度和强度等级。根据我国《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81—85)规定,立方体试件的标准尺寸为150mm×150mm×150mm;标准养护条件为温度20±3℃,相对湿度90%以上;标准龄期为28天。在上述条件下测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度,以表示。其测试和计算方法详见试验部分。

    根据 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002),混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值确定,混凝土立方体抗压强度标准值系指标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件,在28天龄期用标准方法测得的具有95%保证率的抗压强度。钢筋混凝土结构用混凝土分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。根据《混凝土质量控制标准》(GB50164-1992)的规定,强度等级采用符号C和相应的标准值表示,普通混凝土划分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共12个强度等级。如C30表示立方体抗压强度标准值为30MPa,亦即混凝土立方体抗压强度≥30MPa的概率要求95%以上。

    混凝土强度等级的划分主要是为了方便设计、施工验收等。强度等级的选择主要根据建筑物的重要性、结构部位和荷载情况确定。一般可按下列原则初步选择:

    (1)普通建筑物的垫层、基础、地坪及受力不大的结构或非永久性建筑选用C7.5~C15。
    (2)普通建筑物的梁、板、柱、楼梯、屋架等钢筋混凝土结构选用C20~C30。
    (3)高层建筑、大跨度结构、预应力混凝土及特种结构宜选用C30以上混凝土。

    2.轴心抗压强度。轴心抗压强度也称为棱柱体抗压强度。由于实际结构物(如梁、柱)多为棱柱体构件,因此采用棱柱体试件强度更有实际意义。它是采用150mm×150mm×(300~450)mm的棱柱体试件,经标准养护到28天测试而得。同一材料的轴心抗压强度小于立方体强度,其比值大约为=0.7~0.8。这是因为抗压强度试验时,试件在上下两块钢压板的摩擦力约束下,侧向变形受到限制,即“环箍效应”其影响高度大约为试件边长的0.866倍,如图4-8。因此立方体试件整体受到环箍效应的限制,测得的强度相对较高。而棱柱体试件的中间区域未受到“环箍效应”的影响,属纯压区,测得的强度相对较低。当钢压板与试件之间涂上润滑剂后,摩擦阻力减小,环箍效应减弱,立方体抗压强度与棱柱体抗压强度趋于相等。
   
    图4-8 钢压板对试件的约束作用
    3.抗拉强度。混凝土的抗拉强度很小,只有抗压强度的1/10~1/20,混凝土强度等级越高,其比值越小。为此,在钢筋混凝土结构设计中,一般不考虑承受拉力,而是通过配置钢筋,由钢筋来承担结构的拉力。但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要作用,它是结构设计中裂逢宽度和裂缝间距计算控制的主要指标,也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。

    用轴向拉伸试验测定混凝土的抗拉强度,由于荷载不易对准轴线而产生偏拉,且夹具处由于应力集中常发生局部破坏,因此试验测试非常困难,测试值的准确度也较低,故国内外普遍采用劈裂法间接测定混凝土的抗拉强度,即劈裂抗拉强度。

    劈拉试验的标准试件尺寸为边长150mm的立方体,在上下两相对面的中心线上施加均布线荷载,使试件内竖向平面上产生均布拉应力,如图4-9。
   
    图4-9 劈裂抗拉试验装置示意图

    此拉应力可通过弹性理论计算得出,计算式如下:
    (4-8)
    式中:
    ——混凝土劈裂抗拉强度(MPa);
    P——破坏荷载(N);
    A——试件劈裂面积(mm2)。

    劈拉法不但大大简化了试验过程,而且能较准确地反应混凝土的抗拉强度。试验研究表明,轴拉强度低于劈拉强度,两者的比值约为0.8~0.9。在无试验资料时,劈拉强度也可通过立方体抗压强度由下式估算:
    (4-9)
    4.抗折强度。道路路面或机场道面用水泥混凝土通常以抗折强度为主要强度指标,抗压强度仅作为参考指标。根据我国《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012—94)规定,不同交通量分级的水泥混凝土计算抗折强度如表4-14。道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的换算关系如表4-15。

表4-14 路面水泥混凝土计算抗折强度
交通量分级
特重
中等
混凝土计算抗折强度(MPa)
5.0
5.0
4.5
4.0
 
表4-15 道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的关系
抗折强度(MPa)
4.0
4.5
5.0
5.5
抗压强度(MPa)
25.0
30.0
35.5
40.0
 
    道路水泥混凝土的抗折强度标准试件尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁,在标准条件下养护28天,按三分点加荷方式(如图4-10)测定抗折破坏荷载,根据下式计算抗折强度:
    (4-10)
    式中:
    ——破坏荷载(N);
    L——支座间距(mm);
    b、h——试件的宽度和高度(mm)。

    如采用跨中单点加荷得到的抗折强度,应乘以折算系数0.85。
   
    图4-10 路面混凝土三分点抗折试验装置示意图

    5.影响混凝土强度的主要因素。影响混凝土强度的因素很多,从内因来说主要有水泥强度、水灰比和骨料质量;从外因来说,则主要有施工条件、养护温度、湿度、龄期、试验条件和外加剂等等。分析影响混凝土强度各因素的目的,在于可根据工程实际情况,采取相应技术措施,提高混凝土的强度。

    (1)水泥强度和水灰比:混凝土的强度主要来自水泥石以及与骨料之间的粘结强度。水泥强度越高,则水泥石自身强度及与骨料的粘结强度就越高,混凝土强度也越高,试验证明,混凝土与水泥强度成正比关系。

    水泥完全水化的理论需水量约为水泥重的23%左右,但实际拌制混凝土时,为获得良好的和易性,水灰比大约在0.40~0.65之间,多余水分蒸发后,在混凝土内部留下孔隙,且水灰比越大,留下的孔隙越大,使有效承压面积减少,混凝土强度也就越小。另一方而,多余水分在混凝土内的迁移过程中遇到粗骨料时,由于受到粗骨料的阻碍,水分往往在其底部积聚,形成水泡,极大地削弱砂浆与骨料的粘结强度,使混凝土强度下降。因此,在水泥强度和其他条件相同的情况下,水灰比越小,混凝土强度越高,水灰比越大,混凝土强度越低。但水灰比太小,混凝土过于干稠,使得不能保证振捣均匀密实,强度反而降低。试验证明,在相同的情况下,混凝土的强度()与水灰比呈有规律的曲线关系,而与灰水比则成线性关系。如图4-11所示,通过大量试验资料的数理统计分析,建立了混凝土强度经验公式(又称鲍罗米公式):

 
    4-11 混凝土强度与水灰比及灰水比的关系
    (4-11  )
    式中: 
    ——混凝土的立方体抗压强度(MPa):
    ——混凝土的灰水比;即1m3混凝土中水泥与水用量之比,其倒数即是水灰比;
    ——水泥的实际强度(MPa);
   ——与骨料种类有关的经验系数。

    水泥的实际强度根据水泥胶砂强度试验方法测定。在进行混凝土配合比设计和实际施工中,需要事先确定水泥强度。当无条件时,可根据我国水泥生产标准及各地区实际情况,水泥实际强度以水泥强度等级乘以富余系数确定:
    (4-12)
    式中:
    ——水泥强度等级富余系数,一般取1.05~1.15。如水泥已存放一定时间,则取1.0;如存放时间超过3个月,或水泥已有结块现象, 可能小于1.0,必须通过试验实测。
    ——水泥强度等级。如42.5级, 取42.5MPa。

    经验系数可通过试验或本地区经验确定。根据所用骨料品种,JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》提供的参数为:
    碎石:=0.46,=0.07
    卵石:=0.48,=0.33

    混凝土强度经验公式为配合比设计和质量控制带来极大便利。例如,当选定水泥强度等级(或强度)、水灰比和骨料种类时,可以推算混凝土28天强度值。又例如,根据设计要求的混凝土强度值,在原材料选定后,可以估算应采用的水灰比值。

    [例4-2] 已知某混凝土用水泥强度为45.6MPa,水灰比0.50,碎石。试估算该混凝土28天强度值。

    [解] 因为:W/C=0.50 所以C/W=1/0.5=2

    碎石:=0.46,=0.07

    代入混凝土强度公式有:=0.46×45.6(2-0.07)=40.5(MPa)

    答:估计该混凝土28天强度值为40.5MPa。

    [例4-3] 已知某工程用混凝土采用强度等级为42.5的普通水泥(强度富余系数KC为1.10),卵石,要求配制强度为36.8MPa的混凝土。估算应采用的水灰比。

    [解] =1.10×42.5=46.8(MPa)

    卵石:=0.48,=0.33

    代入混凝土强度公式有:36.8=0.48×46.8×(C/W-0.33)

    解得:C/W=1.97, 所以:W/C=0.51

    答:配制该混凝土应采用的水灰比为0.51。

    (2)骨料的品质:骨料中的有害物质含量高,则混凝土强度低,骨料自身强度不足,也可能降低混凝土强度。在配制高强混凝土时尤为突出。

    骨料的颗粒形状和表面粗糙度对强度影响较为显著,如碎石表面较粗糙,多棱角,与水泥砂浆的机械啮合力(即粘结强度)提高,混凝土强度较高。相反,卵石表面光洁,强度也较低,这一点在混凝土强度公式中的骨料系数已有所反映。但若保持流动性相等,水泥用量相等时,由于卵石混凝土可比碎石混凝土适当少用部分水,即水灰比略小,此时,两者强度相差不大。砂的作用效果与粗骨料类似。

    当粗骨料中针片状含量较高时,将降低混凝土强度,对抗折强度的影响更显著。所以在骨料选择时要尽量选用接近球状体的颗粒。

    (3)施工条件:施工条件主要指搅拌和振捣成型。一般来说机械搅拌比人工搅拌均匀,因此强度也相对较高(如图4-12所示);搅拌时间越长,混凝土强度越高,如图4-13。但考虑到能耗、施工进度等,一般要求控制在2~3min之间;投料方式对强度也有一定影响,如先投入粗骨料、水泥和适量水搅拌一定时间,再加入砂和其余水,能比一次全部投料搅拌提高强度10%左右。

    一般情况下,采用机械振捣比人工振捣均匀密实,强度也略高。而且机械振捣允许采用更小的水灰比,获得更高的强度。此外,高频振捣,多频振捣和二次振捣工艺等,均有利于提高强度。
     
    图4-12 机械振动和手工捣实对混凝土强度的影响        图4-13 搅拌时间对混凝土强度的影响

    (4)养护条件:混凝土浇筑成型后的养护温度、湿度是决定强度发展的主要外部因素。

    养护环境温度高,水泥水化速度加快,混凝土强度发展也快,早期强度高;反之亦然。但是,当养护温度超过40℃以上时,虽然能提高混凝土的早期强度,但28天以后的强度通常比20℃标准养护的低。若温度在冰点以下,不但水泥水化停止,而且有可能因冰冻导致混凝土结构疏松,强度严重降低,尤其是早期混凝土应特别加强防冻措施。

    湿度通常指的是空气相对湿度。相对湿度低,空气干燥,混凝土中的水分挥发加快,致使混凝土缺水而停止水化,混凝土强度发展受阻。另一方面,混凝土在强度较低时失水过快,极易引起干缩,影响混凝土耐久性。因此,应特别加强混凝土早期的浇水养护,确保混凝土内部有足够的水分使水泥充分水化。根据有关规定和经验,在混凝土浇筑完毕后12h内应开始对混凝土加以覆盖或浇水,对硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥配制的混凝土浇水养护不得少于7天;对掺有缓凝剂、膨胀剂、大量掺合料或有防水抗渗要求的混凝土浇水养护不得少于14天。

    (5)龄期:龄期是指混凝土在正常养护下所经历的时间。随养护龄期增长,水泥水化程度提高,凝胶体增多,自由水和孔隙率减少,密实度提高,混凝土强度也随之提高。最初的7天内强度增长较快,而后增幅减少,28天以后,强度增长更趋缓慢,但如果养护条件得当,则在数十年内仍将有所增长。
    
    普通硅酸盐水泥配制的混凝土,在标准养护下,混凝土强度的发展大致与龄期(天)的对数成正比关系,因此可根据某一龄期的强度推定另一龄期的强度。特别是以早期强度推算28天龄期强度。如下式:
    (4-13)
    式中:
   分别为28天和第n天时的混凝土抗压强度。 必须n≥3天。当采用早强型普通硅酸盐水泥时,由3~7天强度推算28天强度会偏大。

    在实际工程中,可根据温度、龄期对混凝土强度的影响曲线,从已知龄期的强度估计另一龄期的强度,如图4-14所示。
   
    图4-14 温度、龄期对混凝土强度的影响曲线

    (6)外加剂:在混凝土中掺入减水剂,可在保证相同流动性前提下,减少用水量,降低水灰比,从而提高混凝土的强度。掺入早强剂,则可有效加速水泥水化速度,提高混凝土早期强度,但对28天强度不一定有利,后期强度还有可能下降。

    (7)试验条件对测试结果的影响:试验条件是指试件的尺寸、形状、表面状态和加载速度等。

    ① 试件尺寸:大量的试验研究证明,试件的尺寸越小,测得的强度相对越高,这是由于大试件内存在孔隙、裂缝或局部缺陷的机率增大,使强度降低。因此,当采用非标准尺寸试件时,要乘以尺寸换算系数。根据JGJ55规定,100mm×100mm×100mm立方体试件换算成150mm立方体标准试件时,应乘以系数0.95;200mm×200mm×200mm的立方体试件的尺寸换算系数为1.05。
    ② 试件形状:主要指棱柱体和立方体试件之间的强度差异。由于“环箍效应”的影响,棱柱体强度较低,这在前面已有分析。
    ③ 表面状态:表面平整,则受力均匀,强度较高;而表面粗糙或凹凸不平,则受力不均匀,强度偏低。若试件表面涂润滑剂及其他油脂物质时,“环箍效应”减弱,强度较低。
    ④含水状态:混凝土含水率较高时,由于软化作用,强度较低;而混凝土干燥时,则强度较高。且混凝土强度等级越低,差异越大。
    ⑤加载速度:根据混凝土受压破坏理论,混凝土破坏是在变形达到极限值时发生的。当加载速度较快时,材料变形的增长落后于荷载的增加速度,故破坏时的强度值偏高;相反,当加载速度很慢,混凝土将产生徐变,使强度偏低。
    
    综上所述,混凝土的试验条件,将在一定程度上影响混凝土强度测试结果,因此,试验时必须严格执行有关标准规定,熟练掌握试验操作技能。

    6.提高混凝土强度的措施。根据上述影响混凝土强度的因素分析,提高混凝土强度可从以下几方面采取措施:

    (1)采用高标号水泥。
    (2)尽可能降低水灰比,或采用干硬性混凝土。
    (3)采用优质砂石骨料,选择合理砂率。
    (4)采用机械搅拌和机械振捣,确保搅拌均匀性和振捣密实性,加强施工管理。
    (5)改善养护条件,保证一定的温度和湿度条件,必要时可采用湿热处理,提高早期强度。特别对掺混合材料的混凝土或用粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥配制的混凝土,湿热处理的增强效果更加显著,不仅能提高早期强度,后期强度也能提高。
    (6)掺入减水剂或早强剂,提高混凝土的强度或早期强度。
    (7)掺硅灰或超细矿渣粉也是提高混凝土强度的有效措施。

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