混凝土与砂浆-硬化混凝土性能.ppt
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1、硬化后混凝土的性能,Properties of Hardened Concrete,一、混凝土强度,基本概念:抗压强度 抗拉强度 强度等级,等混凝土受压破坏机理 混凝土强度的影响因素,1、强度的几个基本概念,立方体抗压强度,国家标准规定:制作边长为150mm的立方体试件,在标准条件(202C,相对湿度95%)下,养护到28天龄期,测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度,以“fcu”表示。,国家规范规定:用尺寸为150 mm 150 mm 300mm的标准棱柱体试件,按规定方法成型、标准条件下养护28天,测得的抗压强度为轴心抗压强度,以fc表示;,轴心抗压强度,轴心抗压强度是工程结构设计的依据
2、;轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系:fc=(0.70.8)fcu;换算系数与混凝土强度有关,强度越高,系数越小;,强度的几个基本概念,轴心抗拉强度,混凝土轴心抗拉强度(ft)不宜直接测量,通过间接测定劈裂抗拉强度(fts)换算得到。换算系数可由试验确定。,抗折强度,根据GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准规定,采用3分点抗折试验方法。,强度的几个基本概念,强度等级,实际强度,根据混凝土立方体强度标准值(MPa)划分的等级,以符号C+混凝土立方体强度标准值(fcu,k)表示。,将试件在实际工程的温湿度条件下养护28天,测得的立方体试件强度,作为混凝土施工质量控制和验收依
3、据。,强度标准值,用标准试验方法测得的一组若干个强度值的总体分布中的某一个值,低于该值的百分率不超过5%,该强度值称为强度标准值。以“fcu,k立方体抗压强度标准值”或“fcu,k轴心抗压强度标准值”表示,如何求得立方体抗压强度标准值的?,例如:一组试件的立方体抗压强度值分别为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个数据。,混凝土强度试验,混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。混凝土的强度试验有:抗压试验单轴受
4、压 混凝土受单方向压力作用,工程中采用的强度一般是单轴抗压强度;多轴向受压 混凝土受多方向压应力作用抗拉试验直接拉伸试验劈裂试验抗弯试验,抗压强度试验,试件形状与尺寸几何形状有立方体、棱柱体和圆柱体,我国以立方体试件为主;立方体试件的边长有100mm、150mm、200mm三种;当骨料的Dmax20mm 时,可采用100mm当骨料的Dmax40mm 时,可采用150或200mm。,直接轴心抗拉试验很困难荷载作用线难以与试件轴线保持重合,发生偏心;难以保证试件在受拉区断裂。,抗拉强度试验,直拉试验,混凝土受拉伸,单轴拉伸作用下混凝土的行为,混凝土的应力-应变曲线、弹性模量和波松比均与单轴受压作用
5、条件下的类似,但是因为在这种应力状态下抑制裂缝发展的可能性小得多,裂缝从扩展开始到失稳的过程短暂,呈现十分明显的脆性断裂。,劈裂抗拉,劈裂抗拉试验试件:边长为150mm的立方体试件或圆柱体试件原理:在试件的相对的表面素线上作用均匀分布的压应力,从而在竖向平面内产生均匀拉伸应力,抗拉强度试验,fs,劈拉强度计算:fts=2P/a2=0.637(P/a2)a:立方体试件的边长;,四点弯拉试验 试件:150150600(或550)mm3的梁式试件 按三分点加荷进行弯曲试验,在试件下方产生拉伸应力,抗拉强度试验,根据材料力学理论合线弹性应力应变分析,试件断裂是的最大拉伸应力为:fb=PL/bd2(bd
6、=试件的截面积),2、混凝土受压破坏机理,混凝土受压破坏过程 是内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程,也是混凝土内部固体相结构从连续到不连续的发展过程。受力状态:由于粗骨料的强度和弹性模量大于水泥石的,在混凝土承受单向受压时,使骨料的上下两面产生压应力;而在骨料侧面则产生拉应力;由于力的传递在骨料的上下面形成一锲形,因而在契形两侧的水泥石还受到剪应力,而在裂缝的尖端会产生很大的应力集中。,混凝土试件受压时内部裂缝扩展情形,混凝土受压破坏的三种形式,骨料强度小于水泥石强度,则骨料劈裂破坏;水泥石发生拉伸或剪切破坏;水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏。,普通混凝土,剪切粘结破坏,混凝土试件单轴受压,水
7、泥石剪切破坏,裂缝的扩展 混凝土抗拉强度较低,而裂缝尖端的应力集中和受拉区所受的拉应力远远超过其抗拉强度,导致裂缝在较低的压应力水平下扩展和产生。原始裂缝存在的原因:水泥水化收缩导致骨料与水泥石之间和水泥石内部产生微裂缝;由于水泥石与粗骨料的弹性模量的差异,温湿度的变化而导致产生界面微裂缝;混凝土拌和物的泌水现象,导致骨料下部形成水囊,干燥后即为界面裂缝。混凝土内部界面区对于混凝土受压破坏很重要,混凝土受压破坏机理,混凝土中的界面过渡区,研究混凝土的力学行为,将混凝土材料作为三相复合体是很有帮助的:硬化水泥浆水泥石骨料界面过渡区(TZ),过渡区特征过渡区以厚度约为10-15 m的薄壳存在于粗骨
8、料的周围;过渡区比混凝土中其它两相硬化水泥浆和骨料都弱,是混凝土中最薄弱的组份,所以虽然尺寸小,但对混凝土的力学行为影响很大;在混凝土浇灌好后,在粗骨料周围形成一层水膜,导致粗骨料周围的水灰比大于整体水泥浆,所以界面过渡区多孔,且钙矾石和羟钙石都呈取向性大晶体颗粒。,裂缝扩展的路径和方向,骨 料,水泥石,骨料周围的界面区,普通混凝土的微结构,裂缝沿界面区扩展,过渡区的重要性,一般认为,因为过渡区的存在,所以.混凝土在受拉是脆性的,而受压时又相当强韧;混凝土的拉伸强度只有抗压强度的1/20;在水灰比相同时,砂浆的强度大于混凝土的强度;硬化水泥浆和骨料是弹性体,而混凝土不是;在相同水灰比时,砂浆的
9、渗透性只有混凝土的1/100。,故,过渡区是“链的最薄弱环节”,一般认为是混凝土强度的“限制相”;,改善过渡区的措施:改善和易性,减少泌水;提高混凝土体积稳定性;低水灰比(w/c);掺加超细矿物掺合料(很大比表面积);选用骨料的种类;,混凝土、砂浆和水泥浆体的应力-应变曲线,3、混凝土强度的影响因素,混凝土的强度fc随着龄期和养护不断增长,主要有三方面的影响因素:组成材料的特性与配合比(内在因素)浇灌与养护条件(温湿度、时间)生产工艺与条件此外,强度试验参数影响到测试值。,材料的强度与材料组成、材料结构的密切关系组成影响因素:水泥、骨料和水及其特性与掺量;结构影响因素:组成材料及其分布、生产工
10、艺与条件、浇灌与养护制度等。,分析和掌握的思路:,主要影响因素,水灰比水泥品种骨料品种、最大粒径与级配水灰比、水泥及骨料的综合影响拌合水外加剂(化学外加剂、矿物外加剂)养护时间与条件龄期的影响试件、试验参数的影响,水灰比的影响,水泥水化所需的水量远少于为保证混凝土拌和物和易性所需的水量,剩余水将在混凝土中留下大量孔隙,而材料强度与孔隙率呈指数函数关系;,硬化水泥浆体强度-毛细孔隙率关系,混凝土强度与水灰比符合“Abrams 定律”:,水灰比(W/C):fc K1/K2w/cK1、K2 为常数,与龄期、组成材料及测定方法等因素有关。,混凝土的强度随着水灰比的减小而增加;当 w/c 0.3时,水灰
11、比很小的降低都将导致混凝土强度很大的增加,上述关系不再适用;这个结果归结于界面过渡区(TZ)强度的明显提高;因为界面过渡区中氢氧化钙晶体颗粒的尺寸随着水灰比降低而减小。,back,水泥品种的影响,水泥品种通过下列几方面影响混凝土的强度:水泥的强度等级 混凝土强度与水泥强度成正比;水泥细度 水泥比表面积越大,水化速度越快,混凝土早期强度增长快;水泥矿物组成 由于90天龄期以后,水泥的水化度基本相同,因此,水泥矿物组成主要影响早期强度;标准稠度需水量 需水量低则有利于降低水灰比和孔隙率,从而提高水泥石和混凝土的强度。,back,骨料如何影响?,最大粒径经济上,应尽可能低选用大粒径的粗骨料;大粒径的
12、粗骨料可以降低混凝土的用水量;粗骨料的粒径越大,过渡区就将越薄弱,并将含有更多的微裂缝,降低强度。骨料矿物组成石灰石骨料可以产生较高的强度,因为在界面过渡区形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O;界面过渡区化学增强。骨料的表面特征粗糙表面有利于增加过渡区的粘结强度;针片状骨料容易引起应力集中,降低混凝土破坏的极限应力,因而降低强度。,骨料最大粒径对混凝土抗压强度的影响,粗骨料品种对混凝土抗压强度的影响,扫描电镜照片显示:用石灰石做骨料的混凝土中,界面过渡区没有微裂缝和连通的孔隙,back,混凝土强度与水灰比、水泥强度等级和骨料种类的关系,鲍罗米公式:fcu=a fce(C/W b)fcu混凝
13、土28d抗压强度(MPa)fce 水泥的实测强度(MPa)C/W灰水比 a、b 与骨料种类有关的回归系数:对于卵石:a0.48;b 0.33;对于碎石:a0.46;b 0.07。,混凝土抗压强度设计公式,back,拌合水如何影响,饮用水是最适合于拌和混凝土;含油水、酸性水和海水不得用于拌和混凝土;如果饮用水缺乏,用其它水拌和混凝土前,必须与蒸馏水进行对比试验,如果强度降低不大于10,那么这种水能用于拌和混凝土。含有影响水泥水化的化学物质的废水不得用于拌和混凝土。,back,化学外加剂(Chemical Admixture)矿物外加剂(掺合料)(Mineral Admixture)由于混凝土技术
14、的发展,在20多年里:水灰比(水胶比)从 0.5 降低到0.150.30;混凝土抗压强度从30MPa 提高到200800MPa!,back,外加剂的影响影响,浇灌与养护条件的影响,新拌混凝土的和易性,养 护 Curing,混凝土硬化过程中,人为地变化混凝土体周围环境的温度与湿度条件,使其微结构和性能达到所需要的结果,称为对混凝土的养护 温度 湿度 分析思路:水泥矿物的水化反应与温度、湿度的关系?混凝土致密、均匀的微结构形成与温、湿度的关系?,混凝土强度与湿养护,混凝土连续湿养护有利于混凝土强度的发展湿养护的措施:喷洒水浴用砂、木屑或薄膜覆盖,混凝土强度与湿养护时间,混凝土强度与浇灌与养护温度,
15、三种情形:I.浇灌和养护温度相同.温度越高,强度增长越快,为什么?II.不同温度下浇灌,常温下养护 养护温度相同时,浇灌温度越高,混凝土后期强度(180天)越低。III.常温下浇灌,不同温度下养护 养护温度越低,强度越低。,混凝土连续在21C下养护28天的试样强度的百分率(%),混凝土在指定的温度下浇灌密封放置2小时后,再在21C下养护到测试龄期,说明:混凝土在21C下浇灌并放置6小时后,再在指定温度下养护至测试龄期,养护温度越低,强度越低;养护温度比浇灌温度更重要!冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。微观研究表明:较低温度的养护可以使得水泥石的结构致密、均匀。为什么?,浇灌与养护温度影
16、响概括,back,龄期的影响,混凝土强度在最初37d增长较快,然后逐渐缓慢下来。其随养护龄期的增长大致符合对数函数关系:fcu,n/fcu,a=lg n/lg a 式中:fcu,n n天龄期混凝土的抗压强度;fcu,a a天龄期混凝土的抗压强度;,养护龄期对混凝土强度的影响,back,试件与试验参数对强度测试值的影响,A.试件形状;B.试件尺寸;C.表面处理;D.加载时间(加荷速度);E.试验机的刚度等。,上述因素影响强度试验值,而不是实际混凝土强度!,试件尺寸的影响,试件尺寸越大,混凝土强度测试值越偏低;试件尺寸越小,混凝土强度测试值越偏高;,其原因:环箍效应,尺寸小,环箍效应明显缺陷概率,
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