1、精選ppt,1,混凝土的強度與破壞 Strength of Concrete,第三章 混凝土,精選ppt,2,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,精選ppt,3,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

2、驗有： 抗壓強度試驗 單軸受壓 混凝土受單方向壓力作用,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,精選ppt,4,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),精選ppt,5,抗壓強度試驗,混凝土試件 幾何形狀有立方體、棱柱體

3、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,精選ppt,6,2a,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,精選ppt,7,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

4、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,精選ppt,8,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，

5、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,精選ppt,9,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

6、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。,如何求得立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的？,3.6.1 混凝土的抗壓強度,精選ppt,10,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,精選ppt,11,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

7、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 混凝土的抗壓強度,精選ppt,12,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,精選ppt,13,普通混凝土,3.6.1 混凝土的抗壓強度,精選ppt,14,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

8、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,精選ppt,15,裂縫的擴展 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

9、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,精選ppt,16,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(rèn)為界面區(qū)是混凝土強度的“限制相” 界面區(qū)特征？ 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.

10、6.1 混凝土的抗壓強度,精選ppt,17,3.6.1 混凝土的抗壓強度,精選ppt,18,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,精選ppt,19,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

11、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,精選ppt,20,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,精選ppt,21,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),精選ppt,22,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

12、泥石強度的影響因素,精選ppt,23,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。,精選ppt,24,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

13、,精選ppt,25,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(xì)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,精選ppt,26,外加劑的影響,20多年里：由于外加劑技術(shù)的發(fā)展，水灰比（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

14、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,3.6.1 混凝土的抗壓強度,精選ppt,27,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

15、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,精選ppt,28,3.6.1 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,精選ppt,29,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)的回歸系數(shù)： 對于卵石： a0.49 ; b 0.13; 對于碎石： a0.53; b 0.20。,

16、3.6.1 混凝土的抗壓強度,3,精選ppt,30,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,精選ppt,31,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,精選ppt,32,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)護溫度比澆灌溫度更重要! 冬天施工的混凝土必須采

17、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？,精選ppt,33,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,精選ppt,34,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,精選ppt,35,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

18、件尺寸會影響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。,精選ppt,36,試件尺寸的影響,試件尺

19、寸越大，混凝土強度測試值越偏低； 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,精選ppt,37,3.6.1 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,精選ppt,38,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

20、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,精選ppt,39,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,精選ppt,40,直拉試驗,3.6.2 混凝土的抗拉強度,精選ppt,41,劈裂抗拉試驗 Sp

21、litting 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,精選ppt,42,四點彎拉試驗,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,精選ppt,43,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