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混凝土强度和影响因素有哪些?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-09-10

强度是混凝土最主要的技术特性,也是施工过程中必须达到的首要指标。混凝土的强度包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及与钢筋的粘结强度等。其中混凝土的抗压强度最大、抗拉强度最小。混凝土强度与混凝土的其他性能关系密切,通常混凝土的强度越大,其刚性、不透水性、抗风化及耐蚀性也越高。混凝土的其他性能与抗压强度有一定的关系,可以根据抗压强度的大小来估计其他强度。混凝土的质量检验也就往往以检验它的抗压强度为主,因而就以抗压强度的高低来划分等级。习惯上泛指混凝土的强度,即它的极限抗压强度。

一、混凝土的抗压强度与强度等级

混凝土的强度等级是按立方体标准抗压强度确定的。立方体标准抗压强度系指按照国标《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081),制作150mm×150mm×150mm的立方体试件,在标准养护条件[温度(20±2)℃,相对湿度95%以上]下,养护到28d龄期,所测得的抗压强度值为混凝土立方体抗压强度,以fcu表示。

混凝土立方体标准抗压强度值(MPa即N/mm计) 是具有95%保证率的立方体试件抗压强度。所以,标准抗压强度是按数理统计处理办法达到规定保证率的某一数值,它不同于立方体抗压强度。根据混凝土立方体抗压强度的标准值,把混凝土的强度等级分为12个,即C7.5,C10,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60。其中:C表示混凝土;C后面的数字表示混凝土立方体标准抗压强度值,单位是N/mm。例如C20,表示混凝土的标准抗压强度值为20N/mm,即20MPa。凡介于两个等级之间的抗压强度值,均按较低的一个强度等级使用。按照GB50204的规定,测定混凝土立方体试件抗压强度应按粗集料的最大粒径的尺寸选用100mm、150mm或200mm尺寸的立方试件体。但在计算其标准抗压强度时,应乘以换算系数,以得到相当于标准试件的试验结果。用边长为100mm的立方体试件、换算系数为0.95,选用边长为200mm的立方体试件,换算系数为1.05。

二、混凝土的抗拉强度

混凝土在直接受拉时,很小的变形就要开裂,它在断裂前几乎没有残余变形,是一种脆性破坏。

混凝土的抗拉强度只约有抗压强度的1/10,且随着混凝土强度等级的提高其比值有所降低。因此,混凝土在工作时一般不依靠其抗拉强度。但混凝土的抗拉强度对抵抗裂缝的产生有着重要意义,在结构计算中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标,有时也用来间接衡量混凝土与钢筋间的粘结强度等。

我国目前采用边长为150mm的混凝土标准立方体试件(国际上多用圆柱体) 的劈裂抗拉试验来测定混凝土的抗拉强度,称为劈裂抗拉强度。

三、影响混凝土强度的因素

影响混凝土抗压强度的因素较多,包括有原材料的质量(主要是水泥强度等级和集料品种)、材料之间的比例关系(水灰比、灰集比、集料级配)、施工方法(拌合、运输、浇筑、振捣、养护)以及试验条件(龄期、试件形状与尺寸、试验方法、温度及湿度)等。

在混凝土结构形成过程中,多余水分残留在水泥石中形成毛细孔,水分的析出在水泥石中形成泌水通道,或聚集在粗集料下缘处形成水囊,水泥水化产生的化学收缩以及各种物理收缩等还会在水泥石和集料的界面上形成微细裂缝。上述结构缺陷的存在,实际上都是混凝土在受外力作用时引起破坏的内在因素。

(1)实际强度与水灰比:水泥的实际强度和水灰比是决定混凝土强度的主要因素。水泥是混凝土中的活性组分,在配合比相同的条件下,水泥强度越高,其与集料的粘结强度越大,制成的混凝土强度也越高。在水泥强度相同的条件下,混凝土强度主要取决水灰比。因为水泥水化时所需的理论结合水,一般只占水泥质量的23%左右,但在拌制混凝土拌合物时,为获得必要的流动性,常需多加一些水(占水泥质量的40% ~60%),以满足施工所需求的流动性。当混凝土硬化后,多余的水分或残留在混凝土中形成水泡或蒸发后形成气孔,使得混凝土内部形成各种不同尺寸的孔隙。这些孔隙的存在会大大减少混凝土抵抗荷载的有效断面,而且会在孔隙周围形成应力集中,降低了混凝土的强度。但若水灰比过小,拌合物过于干稠,施工困难大,会出现蜂窝、孔洞,导致混凝土强度严重下降。因此,在满足施工要求并保证混凝土均匀密实的条件下,水灰比越小,水泥石强度越高,与集料粘结力越大,混凝土强度越高。

1930年瑞士混凝土专家鲍罗米根据大量试验与工程实践,应用数理统计方法,将水泥强度、灰水比、混凝土强度之间建立了关系,即混凝土强度经验公式:

               (1)

 式中 fcu.——混凝土强度,MPa;

            fce——水泥的实际强度,MPa;

                  A——回归系数;

                 B——回归系数;

                C——每立方米混凝土的水泥用量,kg;

                W——每立方混凝土的用水量,kg。

在无法取得水泥实测强度时,可用下式计算,即:

式中 fce.g——水泥强度等级值,MPa;

             rco——水泥强度等级值的富余系数,该值应按当地统计资料确定。一般取1.13。

此公式只适用于塑性混凝土,对干硬性混凝土则不适用。同时对塑性混凝土来说,也只是在原材料相同、工艺措施相同的条件下A、B才可视为常数。

(2)集料:当集料级配良好、砂率适当时,由于组成了坚实的骨架,有利于混凝土强度的提高。如果混凝土集料中有害杂质多、级配差时,混凝土强度偏低。

由于碎石表面粗糙有棱角,提高了集料与水泥砂浆之间的机械啮合力和粘结力,所以在水灰比相同的条件下,用碎石拌制的混凝土比用卵石的强度要高。

集料的强度影响混凝土的强度,一般集料强度越高所配制的混凝土强度越高,这在低水灰比和配制高强度混凝土时特别明显。

(3)养护温度及湿度:混凝土所处的环境温度和湿度,都是影响混凝土强度的重要因素,它们是通过水泥水化过程所产生的影响而起作用的。

混凝土强度发展的程序和速度取决于水泥的水化状况,混凝土浇筑成型后,必须在一定时间内保持适当的温度和足够的湿度以使水泥充分水化,这就是混凝土的养护。养护温度高,水泥水化速度加快,混凝土强度的发展也快;反之,在低温下混凝土强度发展迟缓。当温度降低至冰点以下时,由于混凝土中的大部分水结冰,混凝土强度停止发展,而且由于混凝土孔隙中的水结冰产生体积膨胀(约9%),而产生相当大的压应力(可达100MPa),使硬化中的混凝土结构遭到破坏,强度受到损失。气温升高时,冰又开始融化。如此反复冻融,混凝土表面开始剥落,甚至完全崩溃。混凝土早期强度低,更容易产生冻害。所以在冬季施工中,要特别注意保温养护,以免混凝土早期受冻破坏。

水是水泥水化反应的必要成分,如果湿度不够,水泥水化反应不能正常进行,甚至停止水化,严重降低混凝土强度,而且因水水分蒸发,容易形成干缩裂缝,增大渗水性,从而影响混凝土的耐久性。

为了使混凝土正常硬化,必须在成型后一定时间内维持周围环境有一定的温度和湿度。在混凝土浇筑完毕后,应在12h内用草袋或混凝土养护膜等物进行覆盖,以防止水分蒸发。同时,在夏季施工的混凝土进行自然养护时,要特别注意浇水保湿,使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥时,浇水保湿应不少于7d,使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中掺缓凝型外加剂或混凝土有抗渗要求时,应不小于14d。在夏季应特别注意浇水,保持必要的湿度,在冬季应特别注意保持必要的温度。

(4)龄期:龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。混凝土强度随龄期的增长而发展,最初7~14d内强度发展较快,以后逐渐缓慢。

普通水泥制成的混凝土,在标准养护条件下,混凝土强度的发展,大致与其龄期的常用对数成正比关系(龄期不小于3d)。

                               (2)

式中 f ——nd龄期混凝土的抗压强度MPa;

           f28——28d龄期混凝土的抗压强度MPa。

(5)试验条件:指试件的尺寸、形状、表面状态及加荷速度等。

试验条件影响混凝土强度的试验值。

 ①试件尺寸:当混凝土具有相同配合比时,试件的尺寸越小,测得的强度越高。

②试件的形状:当试件受压面积相同,而高度不同时,高宽比越大,抗压强度越小。

③加荷速度:加荷速度越快,测得的混凝土强度值也越大,当加荷速度超过1.0MPa/s时,这种趋势更加显著。因此,我国标准规定混凝土抗压强度的加荷速度为0.3~0.8MPa/s,且应连续均匀地进行加荷。

(6)外加剂的影响

正确使用外加剂,除了混凝土拌合物可以获得所要求的特殊性能以外,硬化以后其强度会比不掺时提高,至少基本不降低。外加剂使用不当,就会引起硬化后混凝土的强度降低:一种情况是除高效减水剂以外的其他任何种类外加剂掺量过大,如普通减水剂掺量严重超过正常用量、缓凝剂或引气剂掺量过大等。另一种情况是水泥与外加剂适应性差,掺入后引起混凝土假凝、急凝等,使得硬化混凝土疏松,降低了混凝土强度。

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