1、混凝土的強度混凝土的強度 第二節第二節 混凝土的強度混凝土的強度 混凝土強度的形成混凝土強度的形成 混凝土硬化結構的特點混凝土硬化結構的特點混凝土的破壞理論混凝土的破壞理論 混凝土的受力變形及破壞過程；混凝土的受力變形及破壞過程； 混凝土的抗壓強度；混凝土的抗壓強度； 混凝土的抗拉強度；混凝土的抗拉強度； 影響混凝土強度的因素；影響混凝土強度的因素； 提高混凝土強度和促進混凝土強度發展的措施。提高混凝土強度和促進混凝土強度發展的措施。 混凝土強度的形成混凝土強度的形成 混凝土的強度歸根結底來源于水泥石混凝土的強度歸根結底來源于水泥石。水泥水化物質生成后，將不是一粒一粒地水泥水化物質生成后，將不

2、是一粒一粒地離開水泥顆粒母體向著液體游動，而是立離開水泥顆粒母體向著液體游動，而是立即互相交織粘結起來，成為立體網結構，即互相交織粘結起來，成為立體網結構，這種具有強度而仍有變形能力的網構狀的這種具有強度而仍有變形能力的網構狀的物質，物質，以固體鍵在交接點上聯結，這才形以固體鍵在交接點上聯結，這才形成了賦予水泥漿強度的基本單元成了賦予水泥漿強度的基本單元凝膠。凝膠。 在一部分交接點上固體與固體直接在一部分交接點上固體與固體直接緊密接觸，其間范德華力是如此巨大，緊密接觸，其間范德華力是如此巨大，可與化學鍵相比。但是一旦接觸脫開，可與化學鍵相比。但是一旦接觸脫開，即不再能夠重新接續。這種相互作用即

3、不再能夠重新接續。這種相互作用可以稱為固體鍵，交接點可以稱為固可以稱為固體鍵，交接點可以稱為固接點。在另一部分交接點上，可能存接點。在另一部分交接點上，可能存在著微薄的液體中介層，范德華力通在著微薄的液體中介層，范德華力通過液體作用，受力時可能發生某種緩過液體作用，受力時可能發生某種緩慢的滑移。這一部分交接點可以稱為慢的滑移。這一部分交接點可以稱為非固接點。非固接點。 凝膠可看作是一種交接點沒有充分凝膠可看作是一種交接點沒有充分焊接牢固的空間鋼構架。在荷載作用焊接牢固的空間鋼構架。在荷載作用下，桿件（凝膠纖細微粒）產生足以下，桿件（凝膠纖細微粒）產生足以支持荷載的應力，只發生一定的變形，支持荷

4、載的應力，只發生一定的變形，而構架的破壞則歸因于交接點的失效。而構架的破壞則歸因于交接點的失效。對交接點施加拉力，可以使它失效對交接點施加拉力，可以使它失效（斷開），反之，如果施加壓力，則（斷開），反之，如果施加壓力，則不論大小如何，都不能造成破壞。不論大小如何，都不能造成破壞。混凝土硬化結構的特點混凝土硬化結構的特點 硬化混凝土是一種多相硬化混凝土是一種多相( (氣、液、氣、液、固三相兼而有之）、多孔的復合材料，固三相兼而有之）、多孔的復合材料，具有高度不均勻性和復雜的內部結構。具有高度不均勻性和復雜的內部結構。 混凝土的微觀結構與硬化水泥漿混凝土的微觀結構與硬化水泥漿基相及單一骨料相微觀結

5、構的最大差基相及單一骨料相微觀結構的最大差別在于第三相別在于第三相水泥石水泥石- -骨料界面過渡骨料界面過渡區區。過渡區的微觀與系統中水泥石或。過渡區的微觀與系統中水泥石或水泥砂漿（骨料）的結構有著明顯的水泥砂漿（骨料）的結構有著明顯的區別。區別。 混凝土的非均一復雜特點體現于以下三個混凝土的非均一復雜特點體現于以下三個方面：方面： 過渡區是圍繞骨料（特別是大骨料）周過渡區是圍繞骨料（特別是大骨料）周圍的一層薄殼，厚度一般為圍的一層薄殼，厚度一般為10-15m10-15m，通常，通常比混凝土另兩個主要相薄弱。比混凝土另兩個主要相薄弱。 三相中任一相本身，本質上都是多相的三相中任一相本身，本質上

6、都是多相的非均一復雜結構。例如在任何一相中都含有非均一復雜結構。例如在任何一相中都含有不同類型和不同數量的固體相、孔和微裂縫。不同類型和不同數量的固體相、孔和微裂縫。 混凝土中的水泥石和過渡區這兩個相是混凝土中的水泥石和過渡區這兩個相是不穩定的，即它們的結構隨時間、環境溫度不穩定的，即它們的結構隨時間、環境溫度和濕度的變化而變化。和濕度的變化而變化。過渡區的強度過渡區的強度 過渡區的強度比水泥石本體要低，是三相過渡區的強度比水泥石本體要低，是三相中最薄弱的環節，原因有三：中最薄弱的環節，原因有三： 在水化的早期由于過渡區的水灰比大，在水化的早期由于過渡區的水灰比大，所以它的孔體積與孔徑均比水泥

7、石或砂漿基所以它的孔體積與孔徑均比水泥石或砂漿基體大，這種情況只有在長齡期才會有所改善。體大，這種情況只有在長齡期才會有所改善。 過渡區內的氫氧化鈣結晶體大，因此表過渡區內的氫氧化鈣結晶體大，因此表面積減少，相應的范德華引力也變弱，且取面積減少，相應的范德華引力也變弱，且取向生長，有利于裂縫形成。向生長，有利于裂縫形成。 過渡區裂縫的存在。過渡區裂縫的存在。 混凝土的破壞理論混凝土的破壞理論 對于理想材料而言，強度大約應該是對于理想材料而言，強度大約應該是彈性模量的十分之一。混凝土的彈性模量彈性模量的十分之一。混凝土的彈性模量大約在幾萬兆帕，混凝土如果是理想結構，大約在幾萬兆帕，混凝土如果是理

8、想結構，強度應該是幾千兆帕，而實際上只有幾十強度應該是幾千兆帕，而實際上只有幾十兆帕。這是為什么呢？兆帕。這是為什么呢？GriffithGriffith理論得到理論得到廣泛認可。廣泛認可。混凝土中存在許多微裂縫，在混凝土中存在許多微裂縫，在受到外力作用時，會產生應力在微裂縫尖受到外力作用時，會產生應力在微裂縫尖端集中現象。隨著荷載的增大，微裂縫尖端集中現象。隨著荷載的增大，微裂縫尖端材料的局部拉應力可能增長到某種水平端材料的局部拉應力可能增長到某種水平以至于變形能的減小恒大于表面能的增加，以至于變形能的減小恒大于表面能的增加，此時裂縫即成為能夠不斷擴展的不穩定裂此時裂縫即成為能夠不斷擴展的不穩

9、定裂縫，導致材料的破壞。縫，導致材料的破壞。(1) (1) 混凝土的受力變形及破壞過程混凝土的受力變形及破壞過程10070-90300極限荷載，極限荷載，% %變變 形形A AB BC C未加荷載界面裂縫無明顯變化；界面裂縫無明顯變化；界面裂縫增長；界面裂縫增長；出現砂漿裂縫和連續裂縫；出現砂漿裂縫和連續裂縫；連續裂縫迅速發展；連續裂縫迅速發展；裂縫緩慢增長；裂縫緩慢增長；裂縫迅速增長。裂縫迅速增長。混凝土受壓變形曲線不同受力階段裂縫示意(2) (2) 混凝土的抗壓強度混凝土的抗壓強度150mm150mm150mm溫度：溫度：202033濕度：濕度：90%90%齡期：齡期：28d28d300m

10、m立方體抗壓強度立方體抗壓強度棱柱體抗壓強度棱柱體抗壓強度（軸心抗壓強度）D Dmaxmax折算折算系數系數試塊試塊尺寸尺寸30300.950.951001003 340401 11501503 360601.051.052002003 3f fcucu,MPa,MPaf fcpcp,MPa,MPaf fcpcp=(0.70-0.80)=(0.70-0.80)f fcucul 立方體試件抗壓強度標準值（立方體試件抗壓強度標準值（f fcucu，k k） l 立方體抗壓強度（立方體抗壓強度（f fcucu）只是一組混凝土試件）只是一組混凝土試件抗壓強度的算術平均值，并未涉及數理統計和保抗壓強度的

11、算術平均值，并未涉及數理統計和保證率的概念。而立方體抗壓強度標準值（證率的概念。而立方體抗壓強度標準值（f fcucu,k,k）是按數理統計方法確定，具有不低于保證是按數理統計方法確定，具有不低于保證率的立方體抗壓強度。率的立方體抗壓強度。混凝土強度等級混凝土強度等級v 依據依據立方體抗壓強度標準值確定立方體抗壓強度標準值確定普通混普通混凝土強度等級：凝土強度等級：C7.5C7.5、C10C10、C15C15、C20C20、C25C25、C30C30、C35C35、C40C40、C45C45、C50C50、C55C55、C60C60；(3) (3) 混凝土的抗拉強度混凝土的抗拉強度 混凝土的抗

12、拉強度很小混凝土的抗拉強度很小, ,只有抗壓強度的只有抗壓強度的1/101/101/201/20。在結構設計中。在結構設計中, ,抗拉強度是確定抗拉強度是確定混凝土抗裂度的重要指標。混凝土抗裂度的重要指標。 l 劈裂抗拉強度（劈裂抗拉強度（f ftsts）我國現行標準規定，采用標準試件立我國現行標準規定，采用標準試件立方體，按規定的劈裂抗拉試驗裝置測得的強度為方體，按規定的劈裂抗拉試驗裝置測得的強度為劈裂抗拉強度，簡稱劈拉強度劈裂抗拉強度，簡稱劈拉強度f ftsts 混凝土劈裂抗拉強度應按下式計算：混凝土劈裂抗拉強度應按下式計算： l 式中式中f ftsts混凝土劈裂抗拉強度，混凝土劈裂抗拉強

13、度，MPaMPa； F F破壞荷載，；破壞荷載，； 試件劈裂面面積，試件劈裂面面積，mmmm2 2。AFAFfts637.02(4) (4) 影響混凝土強度的因素影響混凝土強度的因素混凝土破壞過程混凝土破壞過程 界面裂縫界面裂縫 砂漿裂縫砂漿裂縫 連續裂縫連續裂縫破壞破壞骨料與砂漿骨料與砂漿的粘結強度的粘結強度 砂漿強度砂漿強度由水泥等級、水灰比由水泥等級、水灰比(水膠比水膠比)、骨料的性質、施工質量、骨料的性質、施工質量、養護及齡期決定養護及齡期決定 水灰比和水泥等級水灰比和水泥等級決定混凝土強度的主要因素決定混凝土強度的主要因素 f fcucu=Af=Afcece( -B)( -B)C C

14、W W對于流動性和低流動性混凝土有：對于流動性和低流動性混凝土有： f fcucu混凝土混凝土2828天抗壓強度，天抗壓強度，MPaMPa；A A、B B經驗系數。與骨料的品種、水種品種等因素有關。經驗系數。與骨料的品種、水種品種等因素有關。 采用碎石：采用碎石：A=0.46A=0.46，B=0.07B=0.07； 采用卵石：采用卵石：A=0.48A=0.48，B=0.33B=0.33。f fcece水泥的實際強度，水泥的實際強度，MPaMPa；C/WC/W灰水比（質量比）；灰水比（質量比）； W/CW/C水灰比。水灰比。水泥完全水化理論值0.23包羅米（包羅米（BolomeyBolomey）

15、公式）公式l在摻加礦物細粉摻和料的混凝土中在摻加礦物細粉摻和料的混凝土中水膠比決定著混凝土的強度水膠比決定著混凝土的強度齡期齡期 齡期，df fn n = f= f2828LnLn(n)(n)Ln(28)Ln(28) f fn n nd nd齡期混凝土的抗壓強度，齡期混凝土的抗壓強度，MPaMPa；f f2828 28d 28d齡期混凝土的抗壓強度，齡期混凝土的抗壓強度，MPaMPa； n n 養護齡期（養護齡期（n n3d3d） 抗壓強度,MPa3 73 72828例例 4 4- -1 1配配制制混混凝凝土土時時，制制作作c cm m1 10 0c cm m1 10 0c cm m 立立方方

16、體體試試件件 塊塊，在在標標準準條條件件下下養養護護 7 7d d 后后，測測得得破破壞壞荷荷載載分分別別為為 1 14 40 0k kN N、1 13 35 5k kN N、 1 14 40 0k kN N 試試估估算算該該混混凝凝土土 2 28 8d d 的的標標準準立立方方體體抗抗壓壓強強度度。 解解 7 7齡齡期期時時： 混混凝凝土土立立方方體體的的平平均均強強度度為為： MPaf8 .133100100140135140 換換算算為為標標準準立立方方體體抗抗壓壓強強度度： MPaf1 .1395. 08 .137 齡齡期期時時： MPaff4 .221 .1371.17lg28lg7

17、28 該該混混凝凝土土的的標標準準立立方方體體抗抗壓壓強強度度為為 2 22 2. .4 4P Pa a。 養護溫度和濕度的影響養護溫度和濕度的影響抗壓強度,MPa齡期，d養護28天強度，%4418183838齡期，d保持潮濕保持潮濕1d1d保持潮濕保持潮濕3d3d保持潮濕保持潮濕7d7d長期保持潮濕長期保持潮濕混凝土強度與保濕養護時間的關系混凝土強度與保濕養護時間的關系養護溫度對混凝土強度的影響養護溫度對混凝土強度的影響養護濕度的控制養護濕度的控制v 混凝土自然養護過程中，保持一定的濕度，混凝土自然養護過程中，保持一定的濕度，一般是表面覆蓋草袋等物并不斷澆水。一般是表面覆蓋草袋等物并不斷澆水

18、。v 使用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅使用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥，澆水保濕應不少于酸鹽水泥，澆水保濕應不少于7d7d；v 火山灰水泥和粉煤灰水泥或摻有緩凝劑或有火山灰水泥和粉煤灰水泥或摻有緩凝劑或有抗滲要求時不少于抗滲要求時不少于14d14d；v 高鋁水泥不少于高鋁水泥不少于3d3d。搗實方法對混凝土強度的影響搗實方法對混凝土強度的影響水灰比抗壓強度，MPa0.3 0.4 0.5 0.60.3 0.4 0.5 0.6505040403030202010101 12 21 1人工搗實人工搗實2 2機械搗實機械搗實(5)(5) 提高混凝土強度和提高混凝土強度和促進混凝土強

19、度發展的措施促進混凝土強度發展的措施v 采用高等級水泥采用高等級水泥v 使用高效減水劑，摻入礦物細粉摻合料（尤其使用高效減水劑，摻入礦物細粉摻合料（尤其是硅灰）是硅灰）, ,采用低水膠比。采用低水膠比。 v采用強度高，級配合理的骨料。采用強度高，級配合理的骨料。v機械攪拌和振搗，可使混凝土拌合物很好充滿機械攪拌和振搗，可使混凝土拌合物很好充滿模板，內部孔隙大大減小，從而使混凝土的密實模板，內部孔隙大大減小，從而使混凝土的密實度和強度大大提高；度和強度大大提高；v采用濕熱處理（蒸汽養護或蒸壓養護）；采用濕熱處理（蒸汽養護或蒸壓養護）；采用濕熱處理采用濕熱處理v 普通水泥最適合的蒸汽養護溫度為普通

20、水泥最適合的蒸汽養護溫度為8080左右，左右，時間時間5 58h8h，蒸汽壓力為，蒸汽壓力為0.1MPa 0.1MPa ；v 礦渣水泥及火山灰水泥為礦渣水泥及火山灰水泥為9090左右，時間不左右，時間不超過超過12h12h，蒸汽壓力為，蒸汽壓力為0.1MPa0.1MPa；v 蒸壓養護溫度蒸壓養護溫度175,175,蒸汽壓力蒸汽壓力0.8MPa0.8MPa，時間，時間8 810h10h。此外骨料的影響 總體來講，在較低水膠比情況下，骨總體來講，在較低水膠比情況下，骨料粒徑增大將導致混凝土強度降低。主要料粒徑增大將導致混凝土強度降低。主要原因是：原因是： 較大骨料減少了其比表面積，從而黏較大骨料減

21、少了其比表面積，從而黏結強度比較小。結強度比較小。 較大粒徑骨料對硬化水泥漿體的體積較大粒徑骨料對硬化水泥漿體的體積變化約束也比較大，因而會在混凝土內部變化約束也比較大，因而會在混凝土內部引起附加拉應力。引起附加拉應力。 較大粒徑骨料更易集聚內部泌水形成水較大粒徑骨料更易集聚內部泌水形成水囊。在這些位置上的界面過渡區產生微裂囊。在這些位置上的界面過渡區產生微裂縫。縫。4.2.3 4.2.3 混凝土的變形混凝土的變形荷載變形荷載變形溫度變形溫度變形干濕變形干濕變形、化學減縮化學減縮、塑性收縮塑性收縮、自生收縮自生收縮、化學減縮化學減縮 化學減縮是由水泥的水化反應所產化學減縮是由水泥的水化反應所產

22、生的固有體積收縮。雖然化學減縮率很生的固有體積收縮。雖然化學減縮率很小，在限制應力下不會對結構物產生破小，在限制應力下不會對結構物產生破壞作用，但其收縮過程在混凝土內部會壞作用，但其收縮過程在混凝土內部會產物微細裂縫，影響到混凝土的受載性產物微細裂縫，影響到混凝土的受載性能和耐久性能。能和耐久性能。塑性收縮塑性收縮 到達頂部的泌出水會蒸發掉，如果泌水速度到達頂部的泌出水會蒸發掉，如果泌水速度低于蒸發速度，表面混凝土含水減小，而引起的低于蒸發速度，表面混凝土含水減小，而引起的變形，一般發生在拌合后變形，一般發生在拌合后3 312h12h以內，在終凝前以內，在終凝前比較明顯。比較明顯。 由于干縮引

23、起塑性狀態下的裂縫。這是由于由于干縮引起塑性狀態下的裂縫。這是由于混凝土表面區域受到約束產生拉應變，而這時它混凝土表面區域受到約束產生拉應變，而這時它的抗拉強度幾乎為零，所以形成塑性收縮裂縫，的抗拉強度幾乎為零，所以形成塑性收縮裂縫，這種裂縫與塑性沉降裂縫明顯不一樣。當混凝土這種裂縫與塑性沉降裂縫明顯不一樣。當混凝土本體或環境溫度高、相對濕度小，以及風大時容本體或環境溫度高、相對濕度小，以及風大時容易出現塑性收縮裂縫。易出現塑性收縮裂縫。 自生收縮自生收縮l在高性能混凝土中，水膠比低，外界水分不易補充，伴隨著水化，產生的收縮應得到重視。 混凝土在干燥過程中，首先發生氣混凝土在干燥過程中，首先發

24、生氣孔水和毛細水的蒸發。氣孔水的蒸發孔水和毛細水的蒸發。氣孔水的蒸發并不引起混凝土的收縮。毛細孔水的并不引起混凝土的收縮。毛細孔水的蒸發，使毛細孔中形成負壓，隨著空蒸發，使毛細孔中形成負壓，隨著空氣濕度的降低，負壓逐漸增大，產生氣濕度的降低，負壓逐漸增大，產生收縮力，導致混凝土收縮。同時，水收縮力，導致混凝土收縮。同時，水泥凝膠體顆粒的吸附水也發生部分蒸泥凝膠體顆粒的吸附水也發生部分蒸發，由于分子引力的作用，粒子間距發，由于分子引力的作用，粒子間距離變小，使凝膠體產生緊縮。離變小，使凝膠體產生緊縮。 混凝土的這種體積收縮混凝土的這種體積收縮稱為干稱為干縮縮. .干濕變形（干縮濕脹）干濕變形（干

25、縮濕脹）膨脹 0收縮應變齡期空氣中養護水中養護 混凝土中過大的混凝土中過大的干縮會產生干縮裂縫，干縮會產生干縮裂縫，使混凝土性能變差。使混凝土性能變差。混凝土結構設計中干混凝土結構設計中干縮率取值一般為縮率取值一般為1.51.52.02.01010-4-4。 干縮主要是水泥干縮主要是水泥石產生的，因此降低石產生的，因此降低水泥用量，減小水灰水泥用量，減小水灰比是減少干縮的關鍵。比是減少干縮的關鍵。【案例】混凝土早期養護不好導致出現收縮裂縫 概要概要 連云港地區某多層住宅，為7層磚混結構，混凝土等級均為C30，該工程2002年1月開工，該年12月竣工。2004年8月16日，六樓住戶發現書房以及主

26、臥室的墻角處有兩道圓弧型的裂縫。8月24日，在鋪貼閣樓瓷磚時，在書房處發現其頂板從中間向兩邊呈45。開裂。后發現主臥室的頂板也發生明顯的開裂現象。該樓層施工氣象條件為該地區大氣比較寒冷的一段時期，最低氣溫30C ，最高氣溫150C，相對濕度在30%40%之間，當日的風速很大。施土中雖然采取了多種冬季施工措施，但在作業時僅采用雙層草簾覆蓋保溫，未采取灑水養護和防風措施。 分析分析 如前所述，特別是風大時，施土完畢后，混凝土正處于初凝期，強度尚未有大的發展，作業又沒有防風措施，導致混凝土失去水分過快，引起表面混凝土干縮，產生裂縫。另外，從裂縫絕大多數集中在構件較薄及與外界接觸面積最大的樓板上這一現

27、象也可證實，開裂與其使用的材料關系不大，而受氣象條件的影響大些。與樓板厚度接近的墻體之所以未裂，是因為墻體兩面都有模板，不直接受大氣的影響。由此可以基本斷定，大氣因素是導致混凝土現澆板出現干縮裂縫的直接因素。 混凝土表面的干燥收縮裂縫 溫度變形溫度變形v 混凝土中骨料與水泥石間熱膨脹系數的混凝土中骨料與水泥石間熱膨脹系數的差異，可能會導致界面裂縫的產生；差異，可能會導致界面裂縫的產生；v 不同溫度區域熱膨脹作用的差異，如大不同溫度區域熱膨脹作用的差異，如大體積混凝土中內部溫度較高，產生較大膨體積混凝土中內部溫度較高，產生較大膨脹，而外部則收縮，因而在外表混凝土中脹，而外部則收縮，因而在外表混凝

28、土中將產生很大的拉應力，使混凝土產生裂縫。將產生很大的拉應力，使混凝土產生裂縫。混凝土熱膨脹系數約混凝土熱膨脹系數約(6-12)(6-12)1010-6-6/ 對大體積混凝土工程，必須盡量減少混凝土發對大體積混凝土工程，必須盡量減少混凝土發熱量，目前常用的方法有：熱量，目前常用的方法有：1) 1) 最大限度減少用水量和水泥用量；最大限度減少用水量和水泥用量；2) 2) 大量摻加粉煤灰、磨細礦渣等摻和料；大量摻加粉煤灰、磨細礦渣等摻和料；2) 2) 采用低熱水泥；采用低熱水泥；3) 3) 預冷原材料預冷原材料4) 4) 選用熱膨脹系數低的骨料，減小熱變形；選用熱膨脹系數低的骨料，減小熱變形；5) 5) 在混凝土中埋冷卻水管，表面絕熱，減小在混凝土中埋冷卻水管，表面絕熱，減小 內外溫差；內外溫差；6) 6) 對混凝土合理分縫、