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建筑材料 第四章 混凝土 CONCRETE Part 2 2.2 混凝土的强度 2.2.1混凝土的强度与强度等级 （１）抗压强度标准和强度等级值 ①立方体抗压强度（fcu） 按照标准的制作方法制成边长为150ｍｍ 的正立方体试件，在标准养护条件（温 度２０士2°Ｃ，相对湿度95％以上）下， 养护至28ｄ龄期，按照标准的测定方法 测定其抗压强度值，称为混凝土立方体 抗压强度”（以fcu表示, 以Ｎ／ｍｍ2即 ＭＰa） F f cc A 测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以 按粗骨料最大粒径的尺寸而选用不同的试 件尺寸。但在计算其抗压强度时，应乘以 换算系数，以得到相当于标准试件的试验 结果。 （对于边长为 100ｍｍ的立方体试件，换 算系数为0.95；边长为200ｍｍ的立方体 试件，换算系数为1.05）。 ②立方体试件抗压强度标准值（fcu，k） 立方体抗压强度（fcu）只是一组混 凝土试件抗压强度的算术平均值，并未涉 及数理统计和保证率的概念。而立方体抗 压强度标准值（fcu,,k）是按数理统计方 法确定，具有不低于９５％保证率的立方 体抗压强度。 ③强度等级 混凝土的“强度等级”是根据“立方体抗 压强度标准值”来确定的。我国现行规范 （GB/T50081——2002）规定，普通混凝 土按立方体抗压强度标准值划分为：Ｃ10、 Ｃ15、C20、C25、C30、C40、C45、C50、 C55等强度等级。 (2)轴心抗压强度（fcp） 为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结 构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中， 计算轴心受压构件（例如柱子、衍架的腹 杆等）时，都是采用混凝土的轴心抗压强 度作为依据。 我国现行标准（ＧＢ/T50081——2002） 规定，测定轴心抗压强度采用 １５０× １５０× ３００ｍｍ棱柱体作为标准试 件。试验证明，棱柱体强度与立方体强度 的比值为0.7～0.8。 (3)劈裂抗拉强度（fts） 我国现行标准规定，采用标准试件１５ ０ｍｍ立方体，按规定的劈裂抗拉试验 装置测得的强度为劈裂抗拉强度，简称 劈拉强度fts 混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算： 2F F f ts 0.637 A A 式中fts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa； F——破坏荷载，Ｎ； Ａ——试件劈裂面面积，mm2。 (4) 混凝土抗弯强度( fcf ) 道路路面或机场跑道用混凝土，是以抗弯强度（或 称抗折强度）为主要设计指标。 水泥混凝土的抗弯 强度试验是以标准方法制备成 150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下养 护２８ｄ后，按三分点加荷，测定其抗弯强度 （fcf ），按下式计算： FL f cf 2 bh fcf——混凝土抗弯强度，ＭＰ； F——破坏荷载，Ｎ； Ｌ——支座间距，mm； ｂ——试件截面宽度，mm； ｈ——试件截面高度，mm； 如为跨中单点加荷得到的抗折强度，按断裂力 学推导应乘以折算系数0.85。 式中 2.2.2影响混凝土强度的因素 影响混凝土强度的主要因素有： （1）水泥强度与水灰比 水泥是混凝土中的活性组分，其强度大小直接 影响着混凝土强度的高低。在配合比相同的条件下， 所用的水泥标号越高，制成的混凝土强度也越高。 当用同一品种同一标号的水泥时，混凝土的强度主 要取决于水灰比。因为水泥水化时所需的结合水， 一般只占水泥重量的２３％左右，但在拌制混凝土 混合物时，为了获得必要的流动性，常需用较多的 水（约占水泥重量的４０～７０％）。混凝土硬化 后，多余的水分蒸发或残存在混凝土中，形成毛细 管、气孔或水泡，它们减少了混凝土的有效断面， 并可能在受力时于气孔或水泡周围产生应力集中， 使混凝土强度下降。 在保证施工质量的条件下，水灰比愈小， 混凝土的强度就愈高。但是，如果水灰比 太小，拌合物过于干涩，在一定的施工条 件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出 现较多的蜂窝、孔洞，也将显著降低混凝 土的强度和耐久性。试验证明，混凝土强 度，随水灰比增大而降低，呈曲线关系， 而混凝土强度与灰水比呈直线关系 （图4－3）。 图4－3 混凝土强度与水灰比及灰水比的关系 （ａ）强度与水灰比的关系； （ｂ）强度与灰水比的关系 水泥石与骨料的粘结情况与骨料种类和 骨料表面性质有关，表面粗糙的碎石比 表面光滑的卵石（砾石）的粘结力大， 硅质集料与钙质集料也有分别。在其他 条件相同的情况下，碎石混凝土的强度 比卵石混凝土的强度高。 根据大量试验建立的混凝土强度公式： f cu，0 a f ce（C / W b） 式中fcu,0——混凝土28天抗压强度, ＭＰa； fce——水泥的实际强度,ＭＰa； Ｃ／Ｗ——灰水比； Ｃ——每立方米混凝土中水泥用量, kg; ｗ——每立方米混凝土中用水量, kg。 αa,αb为回归系数，与骨料品种、水泥品种 有关，其数值可通过试验求得。《普通混凝土配 合比设计规程》（JGJ55—2000）提供的αa 、αb 经验值为： 采用碎石：αa=0.46 αb＝0.07 采用卵石：αa=0.48 αb =0.33 （2）养护的温度和湿度 混凝土强度的增长，是水泥的水化、凝结和 硬化的过程，必须在一定的温度和湿度条件下 进行。在保证足够湿度情况下，不同养护温度， 其结果也不相同。温度高，水泥凝结硬化速度 快，早期强度高，所以在混凝土制品厂常采用 蒸汽养护的方法提高构件的早期强度，以提高 模板和场地周转率。低温时水泥混凝土硬化比 较缓慢，当温度低至0°Ｃ以下时，硬化不但 停止，且具有冰冻破坏的危险。水泥的水化必 须在有水的条件下进行，因此，混凝土浇筑完 毕后，必须加强养护，保持适当的温度和湿度， 以保证混凝土不断地凝结硬化。 (3) 龄期 在正常养护条件下，混凝土强度的增长遵循 水泥水化历程规律，即随着龄期时间的延长，强 度也随之增长。最初７～１４ｄ内，强度增长较 快，２８ｄ以后增长较慢。但只要温湿度适宜， 其强度仍随龄期增长。 普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，其 强度的发展，大致与其龄期的对数成正比（龄期 不小于三天） f 28 lg n fn lg 28 fn——nd龄期混凝土的抗压程度, MPa； ｆ28—— 28ｄ龄期混凝土的抗压强度, MPa； lgｎ、lg 28——ｎ（ｎ不小于3）和28的常用对数。 式中 例 4-1．配制混凝土时，制作１０cm×10cm×10cm 立方体试件 ３块，在标准条件下养护 7d 后，测得破坏荷载分别为 140kN、 135kN、 140kN 试估算该混凝土 28d 的标准立方体抗压强度。 解 7ｄ龄期时： １０ｃｍ混凝土立方体的平均强度为： 140 135 140 f 13 .8MPa 100 100 3 换算为标准立方体抗压强度： f 7 13.8 0.95 13.1MPa ２８ｄ龄期时： f 28 lg 28 f 7 1.71 13.1 22.4 MPa lg 7 该混凝土２８ｄ的标准立方体抗压强度为 22.4ＭPa。 实际工程中利用混凝土的成熟度来估算混 凝土强度也是一种有效的方法。混凝土的 成熟度是指混凝土所经历的时间和温度的 乘积的总和，单位为h·℃。当混凝土的初 始温度在某一范围内，并且在所经历的时 间内不发生干燥失水的情况下，混凝土强 度和成熟度的对数成线性关系。 （4）施工质量 施工质量的好坏对混凝土强度有非常重要 的影响。施工质量包括配料准确，搅拌均 匀，振捣密实，养护适宜等。任何一道工 序忽视了规范管理和操作，都会导致混凝 土强度的降低。 (5) 试验条件 试验条件对混凝土强度的测定也有直接影 响。如试件尺寸，表面的平整度，加荷速 度以及温湿度等，测定时，要严格遵照试 验规程的要求进行，保证试验的准确性。 2.2.3提高混凝土强度的措施 （1）选用高强度水泥和低水灰比 水泥是混凝土中的活性组分，在相同的配 合比情况下，所用水泥的强度等级越高， 混凝土的强度越高。水灰比是影响混凝土 程度的重要因素，试验证明，水灰比增加 １％，则混凝土强度将下降５％，在满足 施工和易性和混凝土耐久性要求条件下， 尽可能降低水灰比和提高水泥强度，这对 提高混凝土的强度是十分有效的。 （2）掺用混凝土外加剂 在混凝土中掺入减水剂，可减少用水量， 提高混凝土强度；掺入早强剂，可提高混 凝土的早期强度。在混凝土中掺入矿物外 加剂（如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、沸石 粉等），可以节约水泥，降低成本；减少 环境污染，改善混凝土诸多性能。 （3）采用机械搅拌和机械振动成型。 采用机械搅拌、机械振捣的混合料，可使 混凝土混合料的颗粒产生振动，降低水泥 浆的粘度和骨料的摩擦力，使混凝土拌合 物转入液体状态，在满足施工和易性要求 条件下，可减少拌合用水量，降低水灰比。 同时，混凝土混合物被振捣后，它的颗粒 互相靠近，并把空气排出，使混凝土内部 孔隙大大减少，从而使混凝土的密实度和 强度大大提高。 （4）采用湿热处理 湿热处理可分为蒸汽养护和蒸压养护两类。 蒸汽养护就是将成型后的混凝土制品放在 100℃以下的常压蒸汽中进行养护。以加 快混凝土强度发展的速度。混凝土经16～ 20ｈ的蒸汽养护后，其强度即可达到标准 养护条件下28ｄ强度的70％～ 80％。 蒸压养护混凝土在175℃温度和８个大气 压的蒸压釜中进行养护。主要适用于硅酸 盐混凝土拌合物及其制品。 2.3.混凝土的变形性能 引起混凝土变形的因素很多，归纳起来有两类： 非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形 2.3.1 混凝土在非荷载作用下的变形 （1）化学收缩 混凝土在硬化过程中，由于水泥水化产物的 体积小于反应物（水和水泥）的体积，引起混凝 土产生收缩，称为化学收缩。其收缩量是随着混 凝土龄期的延长而增加，大致与时间的对数成正 比一般在混凝土成型后40ｄ内收缩量增加较快， 以后逐渐趋向稳定。化学收缩是不可恢复的，可 使混凝土内部产生微细裂缝。 （2）塑性收缩 混凝土成型后尚未凝结硬化时属塑性阶段， 在此阶段往往由于表面失水而产生收缩称为塑性 收缩。新拌混凝土若表面失水速率超过内部水向 表面迁移的速率时，会造成毛细管内部产生负压， 因而使浆体中固体粒子间产生一定引力，便产生 了收缩，如果引力不均匀作用于混凝土表面，则 表面将产生裂纹。 预防塑性收缩开裂的方法是降低混凝土表面 失水速率，采取防风、降温等措施。最有效的方 法是凝结硬化前保持混凝土表面的湿润，如在表 面覆盖塑料膜、喷洒养护剂等。 （3）干湿变形 混凝土的干湿变形主要取决于周围环 境湿度的变化，表现为干缩湿胀。混凝土 在干燥空气中存放时，混凝土内部吸附水 分蒸发而引起凝胶体失水产生紧缩，以及 毛细管内游离水分蒸发，毛细管内负压增 大，也使混凝土产生收缩。如干缩后的混 凝土再次吸水变湿后，一部分干缩变形是 可以恢复的。 混凝土在水中硬化时，体积不变，甚 至有轻微膨胀。这是由于凝胶体中胶体粒 子的吸附水膜增厚，胶体粒子间距离增大 所致。 混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作 用。但干缩变形对混凝土危害较大，干缩 可能使混凝土表面出现拉应力而导致开裂， 严重影响混凝土的耐久性。 影响混凝土干缩的因素有：水泥品种 和细度、水泥用量和用水量等。火山灰质 硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥干缩大；水 泥越细，收缩也越大；水泥用量多，水灰 比大，收缩也大；混凝土中砂石用量多， 收缩小；砂石越干净，捣固越好，收缩也 越小. （4）温度变形 混凝土与其他材料一样，也具有热胀冷缩 的性质，混凝土的热胀冷缩的变形，称为温度 变形。混凝土温度膨胀系数约为 1×10-5，即温 度升高1℃，每m膨胀0.01ｍｍ。 温度变形对大体积混凝土极为不利。混凝 土在硬化初期，水泥水化放出较多的热量，而 混凝土是热的不良导体，散热很慢，使混凝土 内部温度升高，但外部混凝土温度则随气温下 降，致使内外温差达50～70℃，造成内部膨胀 及外部收缩，使外部混凝土产生很大的拉应力， 严重时使混凝土产生裂缝。 因此，对大体积混凝土工程，应设法降低混 凝土的发热量，如采用低热水泥，减少水泥 用量，采用人工降温措施以及对表层混凝土 加强保温保湿等，以减小内外温差，防止裂 缝的产生和发展。 对纵向长度较大的混凝土及钢筋混凝土 结构，应考虑混凝土温度变形所产生的危害， 每隔一段长度应设置温度伸缩缝，以及在结 构内配置温度钢筋。 2.3.2 混凝土在荷载作用下的变形 （1）混凝土的受压变形与破坏特征 硬化后的混凝土在未施加荷载前，由于水泥水 化造成的化学收缩和物理收缩引起的砂浆体积 的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了拉应力， 同时混凝土成型后的泌水聚积于粗骨料的下缘， 混凝土硬化后形成为界面裂缝。混凝土受外力 作用时，其内部产生了拉应力，这种拉应力很 容易在具有几何形状为楔形的微裂缝顶部形成 应力集中，随着拉应力的逐渐增大，导致微裂 缝的进一步延伸、汇合、扩大，形成可见的裂 缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破 坏。 当用混凝土立方体试件进行单轴静力受压试验 时，混凝土的荷载变形曲线如图4-4所示，通 过显微观察所查明的混凝土破坏过程各阶段的 裂缝状态如图4-5所示。 图4-4 混凝土的荷载变形曲线 混凝土的受压破坏发展过程及各阶段情况如下： Ｉ阶段：荷载到达“比例极限”（约为极限荷载 的３０％）以前、界面裂缝无明显变化，荷载与 变形比较接近直线关系（图中曲线ＯＡ段） II阶段：荷载超过“比例极限”以后，界面裂缝 的数量、长度和宽度都不断增大，界面借摩阻力 继续承担荷载，但尚无明显的砂浆裂缝。此时， 变形增大的速度超过荷载增大的速度，荷载与变 形之间不再为线性关系（图中曲线ＡＢ殷）。 III阶段：荷载超过“临界荷载”（约为极 限荷载的７０～９０％）以后，界面裂缝继 续发展，开始出现砂浆裂缝，并将邻近的界 面裂缝连接起来成为连续裂缝。此时，变形 增大的速度进一步加快，荷载一变形曲线明 显地弯向变形轴方向（图中曲线ＢＣ段）。 IV阶段：荷载超过极限荷载以后，连续裂缝 急速发展，此时，混凝土的承载能力下降， 荷载减小而变形迅速增大，以至完全破坏， 荷载一变形曲线逐渐下降而最后结束（图中 曲线ＣＤ段）。 图4-5 混凝土不同受力破坏阶段的裂缝状态示意图 由此可见，荷载与变形的关系，是内部微裂缝发 展规律的体现。混凝土在外力作用下的变形和破坏过 程，也就是内部裂缝的发生和发展过程，它是一个从 量变发展到质变的过程。 （２）弹性模量 弹性模量是反应应力与应变关系的物理量， 由于混凝土是弹塑性体，随荷载不同，应 力与应变之间的比值成为一个变量，也就 是说混凝土的弹性模量不是定值。 按我国GBJ81一85的规定，混凝上弹性模 量的测定，是采用150ｍｍ×150ｍｍ ×300mm的棱柱体试件，取其轴心抗压强 度值的40％作为试验控制应力荷载值，经 4~5次反复加荷和卸荷后，测得应力与应变 的比值，即为混凝土的弹性模量。 影响混凝土弹性模量的因素有： ①混凝土的强度等级越高，弹性模量越 高。水泥用量少，水灰比小，粗细骨料用量 较多，弹性模量大。 ②骨料弹性模量大，混凝土弹性模量也 大。 ③，早期养护温度较低的混凝土具有较 大的弹性模量。在相同强度情况下，蒸汽养 护混凝土弹性模量较在标准条件下养护的混 凝土弹性模量小。 ④引气混凝土弹性模量较普通混凝土低 20％～30％。 （3）徐变 混凝土在恒定荷载长期作用下，随时间增 长而沿受力方向增加的非弹性变形，称为混凝土 的徐变。 一般认为，徐变是由于水泥石中凝胶体在 外力作用下，粘滞流变和凝胶粒子间的滑移而产 生的变形，还与水泥石内部吸附水的迁移等有关。 影响混凝土徐变因素很多，混凝土所受初应 力越大，在混凝土制成后龄期较短时加荷，水灰 比越大，水泥用量越多，都会使混凝土的徐变增 大；另外混凝土弹性模量大，会减小徐变，混凝 土养护条件越好，水泥水化越充分，徐变也越小。 混凝土的徐变会使构件的变形增加，在 钢筋混凝土截面中引起应力的重新分布。 对预应力钢筋混凝土结构，混凝土的徐变 将使钢筋的预应力受到损失。但有时徐变 也对工程有利，如徐变可消除或减小钢筋 混凝土内的应力集中，使应力均匀地重新 分布。对大体积混凝土，徐变能消除一部 分由温度变形所产生的破坏应力。 2.4 混凝土的耐久性 混凝土抵抗环境介质作用 并长期保持其良好的使用性能 的能力称为混凝土的耐久性。 提高混凝土耐久性，对于延长 结构寿命，减少修复工作量， 提高经济效益具有重要的意义。 2.4.1混凝土的抗渗性 混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力 水渗透的能力。 混凝土渗水的原因，是由于内部孔隙 形成连通的渗水孔道。这些孔道主要来源 于水泥浆中多余水分蒸发而留下的气孔、 水泥浆泌水所产生的毛细管孔道、内部的 微裂缝以及施工振捣不密实产生的蜂窝、 孔洞，这些都会导致混凝土渗漏水。 混凝土的抗渗性以抗渗等级来表示。抗渗 等级是以28ｄ龄期的标准抗渗试件，按规 定方法试验，以不渗水时所能承受的最大 水压力来表示，划分为P2、P4、P6、P8、 P12 等等级，它们分别表示能抵抗0.2、 0.4、0.6、0.8、1.2 MPa的水压力而不渗 透。 混凝土的抗渗性与水灰比有密切关系， 还与水泥品种、骨料级配、施工质量、养 护条件以及是否掺外加剂、掺合料有关。 2.4.2混凝土的抗冻性 混凝土的抗冻性是指混凝土在水饱和状态 下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时 也不严重降低强度的性能。 混凝土抗冻性一般以抗冻等级表示。抗冻等级 是采用龄期28ｄ的试块在吸水饱和后，承受反 复冻融循环，以抗压强度下降不超过25％，而 且质量损失不超过 ５％时所能承受的最大冻融 循环次数来确定的。ＧＢＪ50164—92将混凝土 划分为以下抗冻等级：Ｆ10、F15、F25、F50、 F150、F200、F250、F300等九个等级，分别表 示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10、25、 25、50、100、150、200、250和300次。 混凝土受冻融作用破坏的原因，是混凝 土内部的孔隙水在负温下结冰后体积膨 胀造成的静水压力，因冷冻水蒸汽压的 差别推动未冻水向冻结区的迁移造成的 渗透压力，当这两种压力所产生的内应 力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会 产生裂缝，多次冻融使裂缝不断扩展直 至破坏。 影响混凝土抗冻性的因素有： （１）混凝土强度愈高，抵抗冻融破坏的能力越强， 抗冻性越好。 （２）混凝土密实度、混凝土孔隙构造及数量。密 实度越小，开口孔隙愈多，水分愈易渗入，静水压 力越大，抗冻性越差。 （３）混凝土孔隙充水程度。饱水程度愈高，冻结 后产生的冻胀作用就大，抗冻性越差。 （４）水灰比。水灰比与孔隙率成正比，水灰比越 大，且开口孔隙率大，抗冻性越差。 （５）外加剂。在混凝土中掺入引气剂，可在水泥 石中形成无数细小、均匀的气泡，使之成为压力水 进出的“水库”，使静水压力和渗透压力得以释放， 对冰冻破坏起到很好的缓冲作用。适宜的引气量以 ４％～６％为宜。 2.4.3抗侵蚀性 抗侵蚀性是指混凝土在含有侵蚀 性介质环境中遭受到化学侵蚀、 物理作用不破坏的能力。 混凝土的抗侵蚀性主要取决于水 泥的品种、混凝土密实度与孔隙 特征等。 2.4.4 混凝土的碳化 混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳 与水泥石中的氢氧化钙作用，生成碳酸钙 和水。碳化又叫中性化。 碳化对混凝土性能有明显的影响，首先是 减弱对钢筋的保护作用。由于水泥水化过 程中生成大量氢氧化钙，使混凝土孔隙中 充满饱和的氢氧化钙溶液，其 ＰＨ值可 达到12.6～13。这种强碱性环境能使混凝 土中的钢筋表面生成一层钝化薄膜，从而 保护钢筋免于锈蚀。碳化作用降低了混凝 土的碱度，当ＰＨ值低于10时，钢筋表面 钝化膜破坏，导致钢筋锈蚀。 其次，当碳化深度超过钢筋的保护层时，钢 筋不但易发生锈蚀，还会因此引起体积膨胀， 使混凝土保护层开裂或剥落，进而又加速混 凝土进一步碳化。 碳化作用还会引起混凝土的收缩，使混凝土 表面碳化层产生拉应力，可能产生微细裂缝， 从而降低了混凝土的抗折强度。 影响混凝土碳化速度的主要因素有： （1）水泥品种。掺混合材的水泥，因其 氢氧化钙含量较少，碳化比普通水泥快。 （2）水灰比。水灰比大的混凝土，因孔 隙较多，二氧化碳易于进入，碳化也快。 （3）环境湿度。在相对湿度为50～75％ 的环境时，碳化最快。相对湿度小于25％ 或达到100％时，碳化停止。因为碳化需 要水分，但不能堵塞二氧化碳的通道。此 外，空气中二氧化碳浓度越高，碳化速度 也越快。 （4）硬化条件。空气中或蒸汽中养护的 混凝土，比在潮湿环境或水中养护的混凝 土碳化快。因为前者促使水泥石形成多孔 结构或产生微裂缝，后者水化程度高，混 凝土较密实。 混凝土的碳化深度大体上与碳化时间的平 方成正比。为防止钢筋锈蚀，必须设置足 够的钢筋保护层。