1、混凝土的強度(qingd)與破壞 Strength of Concrete第三章 混凝土共四十八頁混凝土強度(qingd)指標的重要性在混凝土設計和質量控制中，一般以強度(qingd)作為評價指標強度是土木工程結構對材料的基本要求；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、抗滲性、耐久性都與強度有直接關系，所以，可以由強度數據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應力，即可計算得出混凝土的強度。3.6 混凝土的強度與破壞共四十八頁混凝土的強度是通過對試件進行強度試驗獲得的。混凝土的強度試驗有

2、：抗壓強度(kn y qin d)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(qingd)與破壞共四十八頁幾個基本概念 強度分類，強度標準值、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生、發展與連通(lintng)的過程決定混凝土強度的內在因素 水泥石的內聚力、結構致密、界面結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(qingd)與破壞本節知識架構共四十八頁抗壓強度(kn y qin d)試驗

3、混凝土試件幾何形狀有立方體、棱柱體和圓柱體立方體試件的邊長有100mm、150mm、200mm三種試件的養護(yngh)條件標準條件： 202C，相對濕度95%；工程現場條件。3.6.1 混凝土的抗壓強度1試件尺寸(mm )骨料最大粒徑(mm)強度換算系數 100100100150150150200200200 31.54063 0.9511.05共四十八頁2aa圓柱體（美、法、日）立方體（英、德、中）試件形狀(xngzhun)示意圖a3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)抗壓試驗共四十八頁幾個(j )基本概念立方體抗壓強度 國家標準規定：制作邊長為150mm的立方體試件，在標準

4、(biozhn)條件(202C，相對濕度95%)下，養護到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。立方體強度標準值 用標準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準值。以“fcu,k”表示強度等級 根據混凝土立方體強度標準值(MPa)劃分的等級，以符號C+混凝土立方體強度標準值(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C8023.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁實際

5、強度 將試件在實際工程的溫濕度條件下養護28天，測得的立方體試件強度，作為混凝土施工質量控制和驗收依據軸心抗壓強度國家規范規定(gudng)：用尺寸為150 mm 150 mm 300mm的標準棱柱體試件，按規定方法成型、標準條件下養護28天，測得的抗壓強度為軸心抗壓強度，以fcp表示；工程結構設計的依據；軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系： fcp = (0.70.8)fcu換算系數與混凝土強度有關，強度越高，系數越小。幾個(j )基本概念23.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁問題(wnt)？ 例如：一組試件的立方體抗壓強度值分別(fnbi)為32.1, 37.5, 35.1, 38.2,

6、 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個數據。 用比較法可得：其抗壓強度標準值是30.2MPa； 因為20個數據中，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準值的？3.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁混凝土立方體抗壓強度(qingd)及強度(qingd)等級fcuPfcUfcu,k95%強度(qingd)概率分布曲線混凝土立方體抗壓強度標準值示意圖3.6.1 混凝土的抗壓強度共四

7、十八頁混凝土受壓破壞(phui)機理 混凝土受壓破壞過程 是內部裂縫的發生、擴展直致連通的過程，也是混凝土內部固體相結構從連續到不連續的發展過程。受力狀態：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，使骨料的上下兩面產生壓應力；而在骨料側面則產生拉應力；由于力的傳遞(chund)在骨料的上下面形成一鍥形，因而在契形兩側的水泥石還受到剪應力，而在裂縫的尖端會產生很大的應力集中33.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁混凝土試件受壓時內部裂縫擴展情形3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)共四十八頁剪切粘結破壞混凝土試件單軸受壓普通混凝土3.6.1 混凝土的抗壓強度(

8、kn y qin d)共四十八頁混凝土受壓破壞(phui)的三種形式？ 水泥石與骨料的界面之間的粘結破壞 骨料劈裂破壞 水泥石發生拉伸或剪切破壞 破壞特點a. 受壓破壞，或者在較低應力水平上拉伸破壞，都是因為多裂縫的相互作用所導致，而不是單一裂縫擴展的結果；b. 硬化水泥漿或混凝土中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(ljng)延伸，在此過程裂縫發生畸變與挫鈍。c. 混凝土是硬化水泥漿、過渡區和骨料的復合體，三者各有其本身的斷裂韌性(Kc)，很難測定。13.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁裂縫的擴展 混凝土抗拉強度較低，而裂縫尖端的應力集中和受拉區所受的拉應力遠

9、遠超過其抗拉強度，導致裂縫在較低的壓應力水平下擴展和產生。原始裂縫存在的原因：水泥水化收縮導致骨料與水泥石之間和水泥石內部產生微裂縫 由于水泥石與粗骨料的彈性模量的差異，溫濕度的變化而導致產生界面微裂縫； 混凝土拌和物的泌水現象，導致骨料下部形成水囊，干燥后即為界面裂縫。混凝土內部界面區對于(duy)混凝土受壓破壞很重要混凝土受壓破壞(phui)機理23.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁混凝土中的界面裂縫(li fng)擴展研究混凝土的力學行為，將混凝土材料作為三相復合體是很有幫助的:水泥石、骨料、界面區 一般認為界面區是混凝土強度的“限制相”界面區特征？過渡區以厚度約為10-15 m的薄殼

10、存在于粗骨料的周圍；過渡區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，但對混凝土的力學行為影響很大；在混凝土澆灌好后，在粗骨料周圍形成(xngchng)一層水膜，導致粗骨料周圍的水灰比大于整體水泥漿，所以界面過渡區多孔，且鈣礬石和羥鈣石都呈取向性大晶體顆粒。33.6.1 混凝土的抗壓強度骨 料過渡區水泥石本體C-S-H鈣礬石CH骨 料共四十八頁裂縫擴展的路徑和方向骨 料水泥石骨料周圍的界面區普通混凝土的微結構裂縫沿界面區擴展3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)共四十八頁界面區的重要性混凝土界面區是一個(y )薄弱面，會產生以下現象：混凝土在受

11、拉是脆性的，而受壓時又相當強韌；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1/10043.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)共四十八頁水泥(shun)品種齡期(ln q)養護條件外加劑水化度水灰比凝膠結構與組成孔隙率含水量水泥石強度骨料質量表面特征化學組成骨料用量粒徑彈 模水泥石骨料粘結力混凝土強度生產因素混凝土強度的影響因素3.6.1 混凝土的抗壓強度4共四十八頁混凝土強度(qingd)的影響因素原材料因素(yn s)生產工藝因素試驗因素43.6.1 混凝土

12、的抗壓強度分析思路： 材料的強度與其組成、結構密切有關組成影響因素：水泥、骨料和水及其特性與摻量；結構影響因素：組成材料及其分布、生產工藝與條件、澆灌與養護制度等共四十八頁混凝土強度(qingd)的影響因素 原材料原材料的影響水泥石強度骨料( lio)性能43.6.1 混凝土的抗壓強度水泥石-骨料界面過渡區共四十八頁水灰比水泥品種(pnzhng)外加劑(化學外加劑、礦物外加劑)拌合水13.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)水泥石強度的影響因素共四十八頁水灰比的影響(yngxing)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(dling)

13、孔隙，而材料強度與孔隙率呈指數函數關系；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。共四十八頁水灰比如何(rh)影響？混凝土的強度隨著水灰比的減小而增加；當 w/c 0.5 降低到0.150.30； 混凝土抗壓強度從30MPa 提高到200800MPa！化學外加劑減水劑通過降低水灰比、減少用水量，從而改善混凝土密實性和均質性，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展，調節水化放熱速度，從而改變其強度增長(zngzhng)規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密實度 外加劑的影響(yngxing

14、)3.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁骨料性能(xngnng)的影響因素骨料最大粒徑經濟上，應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生較高的強度，因為在界面過渡區形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O；界面過渡區化學增強。骨料的形狀(xngzhun)和表面特征粗糙表面有利于增加過渡區的粘結強度；針片狀骨料容易引起應力集中，降低混凝土破壞的極限應力，因而降低強度。23.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d) 掃描電鏡照片顯

15、示：用石灰石做骨料的混凝土中，界面過渡區沒有(mi yu)微裂縫和連通的孔隙共四十八頁水泥石、骨料 界面過渡(gud)區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(qingd)（Mpa）， fce ,k 水泥的強度等級 C/W 灰水比， c 1.13（富裕系數） a 、b 與骨料種類有關的回歸系數： 對于卵石： a0.49 ; b 0.13; 對于碎石： a0.53; b 0.20。3.6.1 混凝土的抗壓強度3共四十八頁混凝土強度的影響(yngxing)因素 生產工藝攪拌(jiobn)、澆筑養護43.6.1 混凝土的抗壓強度攪拌：人工攪拌、機械攪拌

16、；機械攪拌的方式澆筑振搗：人工振搗、機械振搗共四十八頁混凝土強度(qingd)的影響因素 生產工藝養護 溫度：新拌砂漿自身的溫度（澆筑(jiozh)溫度）、環境溫度 濕度：環境濕度 齡期43.6.1 混凝土的抗壓強度共四十八頁混凝土在21 C下澆灌并放置6小時后，再在指定溫度下養護至測試齡期 混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置2小時后，再在21C下養護到測試齡期養護溫度越低，強度越低；養護溫度比澆灌溫度更重要(zhngyo)!冬天施工的混凝土必須采取措施保暖一段時間。3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)試驗發現：新拌混凝土養護初期采用較低的養護溫度，反而可以混凝土的后期強度，為什

17、么？共四十八頁濕養護時間越長(yu chn)，混凝土強度越高3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)共四十八頁齡期(ln q)的影響 混凝土強度在最初(zuch)37d增長較快，然后逐漸緩慢下來。其隨養護齡期的增長大致符合對數函數關系： 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 混凝土的抗壓強度共四十八頁混凝土強度的影響(yngxing)因素 試驗條件43.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)試件形狀尺寸：試件尺寸會影響到混凝土強度實驗的測試結果。試件尺寸越大，測得的強度

18、值越低。當采用非標準尺寸試件時，應將其抗壓強度折算為標準試件抗壓強度。 表面狀態：當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，使環箍效應減小，試件將出現垂直裂紋而破壞，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，應按規定的加荷速度進行；試件平整度。共四十八頁試件尺寸(ch cun)的影響試件尺寸(ch cun)越大，混凝土強度測試值越偏低；試件尺寸越小，

19、混凝土強度測試值越偏高；相對強度()試件尺寸(cm)0 10 15 20 30 40 50 60 70 80其原因：環箍效應，尺寸小，環箍效應明顯缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大3.6.1 混凝土的抗壓強度試件尺寸(mm )骨料最大粒徑(mm)強度換算系數 100100100150150150200200200 31.54063 0.9511.05共四十八頁3.6.1 混凝土的抗壓強度(kn y qin d)環箍效應(xioyng)：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，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的角錐破壞面，抗壓強度高于無約束情況。未采取減摩措

20、施采取減摩措施共四十八頁抗拉強度(kn l qin d)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，發生偏心；難以保證試件在受拉區斷裂。劈裂抗拉試驗試件：邊長為150mm的立方體試件或圓柱體試件原理：在試件的相對的表面(biomin)素線上作用均勻分布的壓應力，從而在豎向平面內產生均勻拉伸應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，在試件下方產生拉伸應力3.6.2 混凝土的抗拉強度1共四十八頁單軸拉伸(l shn)作用下混凝土的行為 混凝土的應力-應變曲線、彈性模量和泊松比均與單軸受壓作用條件下的類似，但是因為在這種應力狀態下抑

21、制(yzh)裂縫發展的可能性小得多，裂縫從擴展開始到失穩的過程短暫，呈現十分明顯的脆性斷裂。3.6.2 混凝土的抗拉強度共四十八頁PPft = P/A橫截面積為A軸心直拉試驗直拉試驗3.6.2 混凝土的抗拉強度(kn l qin d)共四十八頁 劈裂(p li)抗拉試驗 Splitting Testfs 劈拉強度(qingd)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PPa受 拉fs3.6.2 混凝土的抗拉強度共四十八頁四點彎拉試驗(shyn)用尺寸為150 mm 150 mm 550mm的梁式試件，

22、標準條件下養護(yngh)28天，采用三分點加荷方式試驗，直至試件斷裂。根據材料力學理論合線彈性應力應變分析，試件斷裂是的最大拉伸應力為： fb = PL / bd2 (bd= 試件的截面積) 稱為斷裂模量 modulus of rupture3.6.2 混凝土的抗拉強度共四十八頁混凝土抗壓強度(kn y qin d)與抗拉強度的關系混凝土的抗壓強度(kn y qin d)與抗拉強度沒有直接關系！抗拉強度與抗壓強度之比(拉壓比)取決于混凝土抗壓強度等級，強度等級越高，拉壓比越小。低等級混凝土的拉壓比為0.100.11；中等級混凝土的拉壓比為0.080.09；高等級混凝土的拉壓比為0.07影響混凝土抗壓強度的因素同樣影響拉壓比為什么？23.6.2 混凝土的抗拉強度共四十八頁一般(ybn)采用預埋鋼筋的拔出試驗法測定。為了增大與鋼筋的粘結強度，采用壓痕鋼筋改善混凝土與鋼筋的界面狀況。 3.6.4與鋼筋(gngjn)的黏結強度共四十八頁3.6.4 與鋼筋(gngjn)的黏結強度問題(wnt)：做鋼筋和混凝土粘結強度時，共計有幾種破壞模式？什么情況下，混凝土與鋼