混凝土强度分析及检测

1.混凝土强度的含义

混凝土单位面积所能承受的最大外应力,称为混凝土强度。其表示混凝土单位面积所能抵抗外力的一种自身能力。强度是混凝土最重要的力学性质,混凝土主要用于承受荷载或抵抗各种作用力。

混凝土强度与其他性能关系密切,一般来说,混凝土的强度越高,其刚性、抗渗性、抵抗风化和某些侵蚀介质的能力也越高,通常用强度来评定和控制混凝土的质量。

(1)立方体抗压强度。混凝土立方体抗压强度是指按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)标准方法制作的边长为150mm 的立方体试件,在标准条件(温度为20 ℃±2 ℃,相对湿度为95%以上)下养护28d,用标准试验方法测得的抗压强度值,用ƒcu表示。

混凝土立方体抗压强度标准值是指按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)标准方法测得具有不低于95%保证率的立方体抗压强度值,用fcu,k表示,是确定混凝土强度等级的主要依据。混凝土强度等级用符号C与立方体抗压强度标准值表示,分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个强度等级。例如,C40表示混凝土立方体抗压强度标准值为40MPa。

(2)轴心抗压强度(棱柱体抗压强度)。混凝土轴心抗压强度是指按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)标准方法制作的边长为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件,在标准条件下养护28d,用标准试验方法测得的抗压强度值,用ƒcp表示。

在实际结构物中,混凝土受压构件大多数为棱柱体(或圆柱体),所以,采用棱柱体试件比采用立方体试件更能反映混凝土的实际受压情况。

(3)抗拉强度。混凝土的抗拉强度很低,一般只有抗压强度的1/10～1/20,所以在结构设计中,一般不考虑混凝土的承受拉力。但混凝土的抗拉强度对于混凝土抵抗裂缝的产生具有重要的意义,作为确定构件抗裂程度的重要指标。通常用劈裂法测定混凝土的抗拉强度。

(4)为了实现钢筋与混凝土协同工作,必须保证钢筋与混凝土之间具有可靠的锚固和黏结,以实现在钢筋和混凝土交界处的应力传递。而混凝土与钢筋之间的黏结强度取决于水泥石与钢筋之间的黏结力、混凝土与钢筋之间的摩擦力和混凝土的强度等级。钢筋的直径越小,有效黏结面积越大,黏结强度越高;变形钢筋的黏结力高于光圆钢筋与混凝土表面的机械咬合力;强度等级越高的混凝土,其与钢筋之间的黏结强度越高。

2.影响混凝土强度的因素

(1)水泥强度和水胶比。水泥强度和水胶比是影响混凝土强度最主要的因素。水泥是混凝土中的活性成分,其水化活性大小直接影响水泥石自身强度及其与骨料之间的界面强度。在混凝土配合比相同的条件下,水泥强度等级越高,混凝土强度越高。

水胶比较大时,混凝土硬化后,多余的水分就会残留在混凝土中,形成水泡或蒸发后形成气孔,混凝土密实度下降,降低了水泥石与骨料的黏结强度。但是,如果水胶比太小,混凝土拌合物过于干稠,则很难保证浇筑、振实的质量,混凝土中将出现较多的空洞与蜂窝,也会导致混凝土强度降低。

大量试验表明,普通强度等级的密实混凝土强度与水泥28d强度及水胶比符合鲍罗米公式关系:

式中　ƒcu——混凝土28d抗压强度值(MPa);

ƒb——胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值(MPa);

αa,αb——回归系数,对于碎石混凝土,αa＝0.53,αb＝0.20;对于卵石混凝土,αa＝0.49,αb＝0.13。

(2)骨料的品种、质量及数量。在其他条件相同的情况下,碎石混凝土比卵石混凝土强度高。影响混凝土强度的骨料质量,主要包括有害杂质含量(泥、泥块、有机物、云母、硫化物、轻物质及针、片状颗粒等)及骨料强度等。强度等级为C35以下的混凝土,骨料数量对混凝土强度影响不大;强度等级为C35以上的混凝土,骨料数量对混凝土强度的影响有所增大。但总的来说,该因素为影响强度的次要因素。

(3)养护条件。养护时的温度是影响水泥水化反应速度的重要因素。周围环境或养护温度高,水泥水化速度快,早期强度高,但后期强度增进率低。一般情况下,湿度越大,保湿养护时间越长,混凝土强度越高,如图3-8所示。

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图3-8　养护温度对混凝土强度的影响

(4)龄期。混凝土早期强度增长快,在最初的3～7d强度增长速度较快,以后逐渐减慢,28d以后,强度基本趋于稳定。普通强度等级混凝土,在标养条件下,3～28d龄期内,混凝土强度与龄期对数成正比关系,满足以下规律:

式中　ƒn——n天龄期的混凝土抗压强度(MPa);

ƒ28——28d龄期的混凝土抗压强度(MPa);

n——养护龄期(d)。

不同龄期混凝土的强度增长值见表3-25。

表3-25　不同龄期混凝土的强度增长值

(5)施工质量。混凝土在施工过程中,应配料准确,搅拌均匀,振捣密实。一般采用机械振捣更加密实,可使混凝土强度得到提高。

3.混凝土强度的提高措施

(1)采用高强度水泥和早期型水泥。对于紧急抢修工程、桥梁拼装接头、严寒的冬期施工及其他要求早期强度高的混凝土结构物,可优先选用早强型水泥。

(2)采用较小的水胶比、较少的用水量。在不影响施工情况下,尽量减小水胶比,减少拌合水的使用量,制得相对干硬的混凝土,以减少硬化混凝土中由于多余水分的挥发而产生的孔隙,提高混凝土强度。

(3)采用级配良好的碎石。碎石表面粗糙多棱角,可以增大骨料与胶凝材料浆体之间的黏结面积,提高黏结强度。

(4)掺加外加剂和掺合料。在混凝土中掺加减水剂,尤其是高效减速剂,可以大幅度减少水的加入量,使混凝土强度得到提高;根据工程需要适当地使用早强剂,可以提高混凝土的早期强度。

(5)改进施工工艺,提高混凝土的密实度。采用机械振捣的方式,可以增加混凝土的密实度,提高混凝土强度。

测试题

(6)采用湿热养护方式。常用的混凝土湿热养护方法包括蒸汽养护和蒸压养护。蒸汽养护是在常压下,将浇筑完毕的混凝土构件经1～3h预养后,在90%以上的相对湿度、60 ℃以上的饱和水蒸气中进行的养护;蒸压养护是指将浇筑好的混凝土构件静停8～10h后,放入175℃和8个大气压的蒸压釜内,进行的饱和蒸汽养护。蒸压养护又称高压蒸汽养护。

蒸汽养护和蒸压养护都是在足够的温度和湿度条件下进行的养护,较高的温度、湿度加快了水泥的水化和硬化速度,使混凝土的强度得到了提高。