混凝土强度分析-建筑材料

强度是混凝土拌合物硬化后的重要力学性质,也是混凝土质量控制的主要指标。混凝土的强度包括抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等(如无特指,本书中混凝土强度一般指混凝土抗压强度)。其中抗压强度最高,因此在使用中主要利用混凝土抗压强度高的特点,用于承受压力的工程部位。混凝土的抗压强度与其他强度之间有一定的相关性,可根据抗压强度值的大小,推算其他强度值。

3.2.2.1　混凝土立方体抗压强度和强度等级

1. 立方体抗压强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T50081—2002),制作边长为150mm 的立方体试件,在标准养护条件下[温度为(20±2)℃,相对湿度95% 以上],养护至28d龄期,采用标准试验方法测得的混凝土极限抗压强度,称为混凝土立方体抗压强度。用fcu表示。其计算公式为

式中　fcu——混凝土立方体抗压强度,MPa；

F——试件破坏荷载,N；

A——试件承压面积,mm2。

立方体抗压强度测定采用的标准试件尺寸为150mm×150mm×150mm。也可根据粗骨料的最大粒径选择不同的非标试件,常用的尺寸规格有100mm×100mm×100mm 和200mm×200mm×200mm,在计算抗压强度时,应乘以换算系数,具体见表3.4。

表3.4　试件的尺寸选择及换算系数

2. 强度等级

在混凝土立方体极限抗压强度总体分布中,具有95%强度保证率的立方体抗压强度,称为混凝土立方体抗压强度标准值(以MPa计),用fcu,k表示。抗压强度标准值是按照数理统计处理方法达到规定保证率的某一数值,它不等同于立方体抗压强度。

混凝土强度等级是根据混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)来划分的,以“C” 和“混凝土立方体抗压强度标准值” 表示。主要有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共10个强度等级。

3.2.2.2　混凝土轴心抗压强度

轴心抗压强度,是以尺寸为150mm×150mm×300mm 的标准试件,在标准养护条件下养护28d,测得的抗压强度。以fcp表示。

混凝土的棱柱体抗压强度是钢筋混凝土结构设计的依据。在钢筋混凝土结构计算中,计算轴心受压构件时以棱柱体抗压强度作为依据,因为其接近于混凝土构件的实际受力状态。由于棱柱体抗压强度受压时受到的摩擦力作用范围比立方体试件的小,因此棱柱体抗压强度值比立方体抗压强度值低,实际中fcp＝(0.70～0.80)fcu,在结构设计计算时,一般取fcp＝0.67fcu。

3.2.2.3　混凝土抗拉强度

混凝土的抗拉强度采用劈裂抗拉试验法测得,其值较低,一般为抗压强度的1/10～1/20。在工程设计时,一般没有考虑混凝土的抗拉强度。但混凝土的抗拉强度对抵抗裂缝的产生具有重要意义,在结构设计中,混凝土抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。

3.2.2.4　影响混凝土抗压强度的因素

1. 水泥的强度等级和水灰比

水泥的强度等级和水灰比是影响混凝土抗压强度最重要的因素。在混凝土中,由于水泥石黏结了骨料,使混凝土成为具有一定强度的人造石材,因此水泥强度直接影响混凝土强度,在配合比相同的情况下,所用水泥强度越高,则水泥石与骨料的黏结强度越大,混凝土的强度越高。

在拌制混凝土时,为了使拌合物具有较好的和易性,通常加入较多的水,约占水泥质量的40%～70%。而水泥水化需要的水分大约只占水泥质量的23%左右,剩余的水分或泌出,或积聚在水泥石与骨料黏结的表面,降低了水泥石与骨料之间的黏结力,水分蒸发后,在混凝土内部形成孔隙。因此在水泥强度及其他条件相同时,混凝土的抗压强度主要取决于水灰比(W/C),这一规律称为水灰比定律。水灰比越小,则混凝土的强度越高,如图3.7所示。但水灰比小到一定程度后,强度不再增加,由于参与水化的水不足,反而使混凝土强度降低。

图3.7　混凝土强度与水灰比的关系

根据大量试验结果及工程实践,得出水泥强度、水灰比与混凝土强度的关系式式(3.3),称为混凝土强度公式,也叫做保罗米公式。

式中　fcu——混凝土28d龄期的抗压强度值,MPa；(www.xing528.com)

fce——水泥28d抗压强度的实测值,MPa,当无实测值时fce＝(1.0～1.3)fce,g；

fce,g——水泥强度等级,MPa；

C/W ——灰水比,当混凝土中掺入矿物掺和料时叫胶水比, (W/C 又叫水灰比或水胶比)；

αa、αb——回归系数,与水泥、骨料的品种有关。由工程所用水泥、骨料,通过试验建立水灰比与强度的关系式确定,无试验条件时可采用表3.5中的数据。

表3.5　混凝土强度公式的回归系数αa、αb选用表

利用上述经验公式,可以根据水泥强度和水灰比值的大小估计混凝土的强度,也可以根据水泥强度和要求的混凝土强度计算混凝土的水灰比。

大量的试验表明,当混凝土中掺入矿物掺和料且掺量不同时,胶水比与混凝土强度的关系将是二元非线性关系；当矿物掺和料掺量一定时,线性关系是成立的。因此,实际施工中配制混凝土时,关系公式要经试验确定。

2. 骨料的种类及质量

粗骨料在混凝土硬化后主要起骨架作用。水泥石与骨料的黏结强度不仅取决于水泥石的强度,而且还与粗骨料的品种有关。碎石形状不规则,表面粗糙、多棱角,与水泥石的黏结强度较高；卵石呈圆形或卵圆形,表面光滑,与水泥石的黏结强度较低。所以,碎石混凝土较卵石混凝土的强度高。骨料中有害杂质过多且质量不合格,会严重降低混凝土强度(如骨料含泥量不合格,强度会下降)。

3. 养护条件

在适当的温度和适当条件下,水泥的水化才能顺利进行,促使混凝土强度发展。为混凝土创造适当的温度、湿度条件以利其水化和硬化的工序称为养护。合适的温度和湿度是养护的基本条件。

(1)湿度的影响。环境的湿度是保证混凝土中水泥正常水化的重要条件。在适当的湿度下,水泥能正常水化,有利于混凝土强度的增长,如图3.8所示。湿度过低,混凝土表面会产生失水,迫使内部水分向表面迁移,在混凝土中形成毛细管通道,导致混凝土的密实度、抗冻性、抗渗性下降,强度降低。或者混凝土表面产生干缩裂缝,不仅强度较低,而且影响表面质量和耐久性。

图3.8　混凝土强度与保持湿度日期的关系图

(2)温度的影响。混凝土所处的温度环境对水泥的水化影响较大。温度越高,水化速度越快,混凝土的强度增长也越快,如图3.9所示。养护温度不宜高于40℃,也不宜低于0℃,最适宜的养护温度是5～20℃。为尽快提高混凝土的强度,在自然养护的同时,采取覆盖、利用太阳能的方式进行养护。另外,为提高混凝土的早期强度,还可以采用热养护,如蒸汽养护、蒸压养护。应当注意,当环境温度低于0℃时,混凝土中的大部分或全部水分结成冰,水泥不再水化,混凝土的强度将停止增长,还会使已有的强度受损。因此,低温施工时,混凝土浇筑完毕应立即覆盖保温。

图3.9　养护温度对混凝土强度的影响

《混凝土结构工程施工及验收规范》 (GB50204—2002) 规定,对已浇筑完毕的混凝土,应在12h内加以覆盖和浇水。覆盖可采用锯末、塑料薄膜、麻袋片等；浇水养护时间,对于硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土,浇水养护时间不得少于7昼夜,对掺缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土不得少于14昼夜,浇水次数应能保持混凝土表面长期处于潮湿状态。当环境温度低于4℃时,不得浇水养护。

4. 龄期

龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。在正常的养护条件下,混凝土的抗压强度随龄期的增加而不断增长,在7～14d内强度增长较快,以后逐渐减慢,28d后强度增长更慢。由于水泥水化的原因,混凝土的强度增长可持续数十年。

试验证明,当采用普通水泥拌制的、中等强度等级的混凝土,在标准养护条件下,混凝土的抗压强度与其龄期的对数成正比。

式中　fn、f28——nd、28d龄期的抗压强度,MPa,其中n＞3。

利用该经验公式,可以推算在28d之前达到某一强度值所需要的养护天数,以便组织生产,确定何时拆模、撤除保温、保湿设施、起吊等施工日程。

大坝混凝土常选用较长龄期,利用混凝土的后期强度以节约水泥。但也不能选取过长的龄期,以免造成早期强度过低,给施工带来困难。应根据建筑物型式、地区气候条件以及开始承受荷载的时间,选用28d、60d、90d或180d为设计龄期,最长不宜超过365d。在选用长龄期为设计龄期时,应提出28d龄期的强度要求。施工期间控制混凝土质量一般仍以28d强度为准。

5. 施工工艺和方法

施工工艺包括混凝土的配料、拌和、运输、浇筑、振捣、养护等工序,每一道工序对其质量都有影响,如配料误差过大、搅拌不均匀、振捣不密实、养护不好等,均会影响混凝土强度。同时,可以通过掺入适量减水剂或早强剂,提高混凝土强度。