影响混凝土强度的关键因素

根据混凝土内部组织结构的特点和相组成，混凝土的破坏形式通常有三种。最常见的是骨料与水泥石的界面破坏；其次是水泥凝胶体本身破坏；第三种是骨料破坏，这种形式不常见。混凝土的强度主要取决于水泥凝胶体的强度及其与骨料之间的界面粘结强度，所以水泥的强度等级、水灰比及骨料的性质是影响混凝土强度的主要因素，此外，混凝土强度还受到施工质量、养护条件及龄期的影响。

1.水泥强度等级及水灰比

水泥的强度等级与水灰比是影响混凝土强度最主要的因素，也是决定性因素。水泥是混凝土中的活性组分，其强度大小直接影响水泥凝胶体本身的强度及其与骨料之间界面强度，因此是控制混凝土总体强度的决定性因素。在水灰比不变的前提下，水泥强度等级越高，硬化后的水泥凝胶体强度和胶结能力越强，混凝土的强度也就越高。

当采用同一品种、同一强度等级的水泥时，混凝土的强度取决于水灰比。所谓水灰比是指单方混凝土的用水量与水泥质量之比。水泥凝胶体的强度来源于水泥的水化反应，所以在拌制混凝土时，需要加入水。按照理论计算，水泥水化所需的结合水一般只占水泥质量的23％左右，即水灰比为0.23；考虑水泥颗粒与水的有效接触，以及在施工过程中水分蒸发等因素，理论上使混凝土中的水泥充分水化所需的水灰比为0.38。但是在拌制混凝土时，为了获得必要的施工和易性，常需要加入较多的水，尤其不使用减水剂、塑化剂的混凝土，水灰比通常在0.4～0.7的范围。所以，混凝土硬化后将有一部分多余的水分残留在混凝土中形成水泡或蒸发后形成气孔，大大减少了混凝土抵抗荷载的有效截面；同时水灰比较大使水泥颗粒之间的距离增大，水化产物难以密实地填充孔隙，而留下一些毛细孔。同时，多余的水分在蒸发或泌水过程中，也将形成毛细管通道及在大颗粒骨料下部形成水隙，降低水泥石与骨料的粘结强度。

由上述分析可见，采用同一强度等级的水泥，水灰比越小，水泥凝胶体的强度以及界面粘结力越大，混凝土的强度也就越高。但是如果水灰比过小，混凝土拌合物流动性很小，很难保证浇灌、振实的质量，混凝土中将出现较多的蜂窝和孔洞，强度也将下降。

大量试验证明，混凝土的强度随水灰比的增大而降低，如图5-18所示，近似于双曲线形状。在完全振捣密实的条件下，水灰比越小，强度越高；但是如果不能保证完全振实，当水灰比降低到一定值时，由于施工原因，反而会使混凝土的强度降低。根据大量试验结果，鲍罗米提出了混凝土强度与水灰比的倒数（灰水比C/W）之间呈线形关系，即鲍罗米公式，如式（5-8）所示：式中fcu，0——混凝土28d龄期抗压强度，MPa；

图5-18　混凝土强度与水灰比关系曲线

C/W——水灰比，单方混凝土中水泥用量与用水量之比；

αa、αb——回归系数，与骨料品种有关，应根据工程所使用的水泥、骨料，通过试验建立灰水比与混凝土强度的关系式，进行回归确定，当不具备条件进行试验或工程规模不大时，可采用表5-17给出的经验值；

fce——水泥28d抗压强度实测值，MPa，当没有水泥28d强度实测值时，可按式（5-9）确定fce：

式中　fce，g——水泥强度等级值，MPa；

γc——水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定。

表5-17　回归系数αa、αb选用表

鲍罗米公式反应了混凝土强度与水泥强度等级、水灰比的关系。同时回归系数αa、αb中又包含了骨料的影响。利用鲍罗米公式，可根据所使用的水泥、水灰比来估算混凝土的强度。另一方面，当确定了混凝土所要求的强度及工程所采用的水泥、骨料之后，可根据鲍罗米公式初步计算W/C，进行配合比计算。

2.骨料的影响

骨料的有害杂质、含泥量、泥块含量、骨料的形状及表面特征、颗粒级配等均影响混凝土的强度。例如含泥量较大将使界面强度大大降低；骨料中的有机质将影响到水泥的水化，从而影响水泥凝胶体的强度。颗粒级配影响骨架的强度和颗粒之间的空隙；有棱角、三维尺寸相近的颗粒有利于骨架的受力性能，表面粗糙的骨料有利于界面强度等等。

3.养护条件和龄期的影响(www.xing528.com)

（1）温度的影响。养护温度是决定水泥水化速度的重要条件。混凝土的强度来源于水泥的水化反应，所以养护温度越高，水泥的水化速度越快，同一龄期混凝土的强度越高，如图5-19所示即为养护温度对混凝土强度的影响。但是，初期温度过高将对混凝土的后期强度发展不利，当温度高于40°C时，水泥的水化速率加快，在水泥颗粒周围将聚集高浓度的水化产物层，使得内部的水泥继续水化受到阻碍，后期强度增长不快；同时，如果初期水化产物生成速度过快，与扩散速度不匹配，难以形成密实、有序堆积的凝胶体，也会影响最终强度。温度在5～20°C范围内，水化产物的生成速度与扩散速度相匹配，始终能保持较好的水化进行速度，同时能够较密实地填充空隙，形成较密实、均匀的凝胶结构，有利于强度，但需要较长的养护时间。当温度低于0°C时，水化反应将停止，混凝土的强度增长也将停止，而且混凝土中的拌合水将冻结成冰，严重破坏混凝土的组织结构。因为水化初期还没有形成较多的水化产物，也没有形成比较完善的组织结构，强度很低，此时如果结冰产生体积膨胀，将使混凝土的结构遭到破坏，以后即使温度回升，水泥也不能恢复水化并发展强度。所以混凝土早期养护温度一定不能低于0°C。北方寒冷地区冬季施工必须采取必要的保温措施，例如搭设临时保温棚或覆盖草袋等，保证混凝土早期强度的发展。图5-20所示为混凝土的强度与冻结龄期的关系，可见，混凝土浇注成型后保温时间越长，最终混凝土的强度越高。

图5-19　养护温度对混凝土强度的影响

图5-20　混凝土强度与冻结龄期的关系

（2）湿度的影响。水分是水泥水化的反应物之一，在混凝土养护早期如果缺乏水分，水化反应将停止，混凝土就不能正常地增长强度。通常混凝土的水灰比在0.4～0.7的范围，但是如果环境干燥，拌合水将很快蒸发，不仅不能保证足够的水化反应用水，而且由于失水收缩，容易使早期水泥凝胶体结构产生裂缝。所以养护环境保持较高的湿度是水泥正常水化、混凝土强度增长的必要条件。

水泥的水化是一个逐步进行的过程，在合适的温湿度条件下一般在28d水化能达到90％以上，保持足够湿度养护的时间越长，水化进行的越完全，混凝土的强度也就越高。图5-21所示为混凝土的强度发展与保潮养护时间的关系。可见，保持潮湿养护龄期越长，混凝土的最终强度发展越好。因此，施工时要采取必要的保潮措施，成型后12h以内要覆盖塑料薄膜，防止水分蒸发，以后要采取覆盖草袋、浇水等措施，保证95％以上的湿度。不同品种的水泥，其水化速度有所不同，所要求的保潮时间也有所不同，通常使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥的混凝土至少要保潮养护7d，而使用火山灰水泥、粉煤灰水泥的混凝土至少要保潮养护14d。

图5-21　混凝土强度与保潮时间的关系

（3）龄期的影响。在正常养护条件下，混凝土的强度随龄期的发展趋势可以用式（5-10）的对数关系来描述。即随龄期的延长强度呈对数曲线趋势增长，开始增长速度快，以后逐渐减慢，28d以后强度基本趋于稳定。所以通常以28d强度作为确定混凝土强度等级的依据。虽然28d以后强度增长很少，但只要温度、湿度条件合适，混凝土的强度在几年甚至十几年期间都会有增长的趋势。

利用式（5-10），可以由早期强度推算混凝土的28d强度：

式中　fn——龄期为n天的混凝土抗压强度，MPa；

f28——28d龄期的混凝土抗压强度，MPa；

n——混凝土的龄期，d，n＞3d。

此外，也可利用该公式由混凝土的28d设计强度，推算在28d之前达到某一强度值所需的养护天数，组织生产，确定何时拆模、撤除保温、保潮设施、起吊等施工日程。

4.施工方法的影响

相同原材料、相同配比的混凝土采用不同的施工方法，最终混凝土的强度也将有所不同。例如机械搅拌均匀性好，混凝土强度大约比人工搅拌高10％。目前工程施工几乎都采用机械搅拌，搅拌机的形式有水平方向强制式搅拌机和自由落体式卧轴搅拌机，前者适用于较低水灰比、流动性较小的混凝土，后者适用于流动性较大的混凝土。个别在试验室内进行少量试验时还有采用手工搅拌的，要特别注意混合料的均匀性。根据搅拌地点有在混凝土搅拌站进行搅拌的商品混凝土和施工现场搅拌混凝土，前者对原材料及配比容易控制，性能比较稳定；后者质量波动性较大，从发展趋势上看，商品混凝土将占据主要地位。在实际工程中大多采用机械振捣方式对浇注后的混凝土进行振实，在试验室进行试配时也有采用手工捣实的方法。这些不同的施工方法对混凝土的强度均有影响。

综合上述影响混凝土强度的因素，可以从以下几个方面提高或调整混凝土的强度，获得所需强度的混凝土材料。所用水泥的强度等级要与混凝土所要求的强度等级相匹配，通常水泥的强度等级是混凝土强度等级的（0.9～1.5）倍。避免低强度混凝土使用高强度水泥，因为混凝土的性能不仅仅要考虑强度，采用高强度的水泥，往往用较少的水泥量即可满足强度要求，但是由于胶凝材料太少会造成混凝土的和易性不良，而多用水泥又将造成大的浪费；根据工程需要，如果要求混凝土的早期强度高，或者冬季施工希望混凝土强度较快增长，可采用早强型水泥；降低水灰比可以减少混凝土中多余的游离水，提高混凝土的密实度，从而达到提高混凝土强度的目的。因此，配制高强度混凝土时尽量降低水灰比，为保证流动性掺入高效减水剂。改善施工条件，采取有效的保温、保湿措施，对获得结构完好、性能优良的混凝土至关重要。在混凝土预制构件厂，为了加快水泥水化，提高模板及场地、设施周转率，实现构件产品的批量化生产，通常采用湿热养护手段使混凝土在1d之内即可完成生产过程。通常采用蒸汽养护，将成型后的构件放入养护窑，通入80～100°C的常压蒸汽，16h即可达到28d标准强度的70％～80％。这种湿热养护的缺点是高温高湿条件下，早期水化被促进，结晶粗大化，在升温与降温过程中，混凝土内部与外部温度差较大，易引起水分蒸发，混凝土内部孔隙率大，后期强度较标准养护稍低。对于加气混凝土，还有采用蒸压养护的方法，即在175°C、8×105Pa的蒸压釜中养护，使混合料在高温高压条件下形成结晶良好的水化硅酸钙，强度高。蒸压养护对掺活性混合材料的水泥混凝土更为有效。

此外，现在具有各种功能的混凝土外加剂已成为生产混凝土必不可少的组分，可根据工程需要掺入减水剂、早强剂等，达到减少用水量、提高强度或提高早期强度的效果。各种矿物细掺料也已成为混凝土的组分材料之一，尤其在配制高强、高性能混凝土时，经常掺入比水泥还细的矿物掺合料，达到提高强度、改善混凝土性能的目的。