第十四讲 硬化混凝土的性能.pdf
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1、土木工程材料土木工程材料 第十四讲 硬化混凝土的性能第十四讲 硬化混凝土的性能 华南理工大学土木工程系华南理工大学土木工程系 杨医博 020-87111568 本讲主要内容本讲主要内容 一混凝土的微观结构混凝土的微观结构 二混凝土的力学性能凝的学性能 三混凝土的变形性能 四混凝土的耐久性能 一 混凝土的微观结构 一.混凝土的微观结构 .混凝土的微观结构 骨料稳定物质骨料:稳定物质 水泥石:非均质体水泥石:非均质体 过渡区:薄弱环节过渡区:薄弱环节 缺陷:孔隙与裂缝 水泥石的结构 非均相水泥石的结构-非均相 C S H的结构C-S-H的结构 ? 层间水:RH95%)下, 养护到28d龄期,测得
2、的抗压强度值为混凝土 立方体试件抗压强度,用fcu表示。 cu 试 件 尺 寸(mm)换 算 系 数 100 100 1000 95100 100 100 150 150 150 200 200 200 0.95 1.00 1 05200 200 2001.05 100 200 53 0.95 150 300 200 400 1.00 1.05 注:换算系数仅适用于小于C60的混凝土。 混凝土强度等级混凝土强度等级 ? 混凝土强度等级我国按立方体抗压强度标准? 混凝土强度等级我国按立方体抗压强度标准 值确定,美国采用圆柱体抗压强度。 立方体抗压强度标准值是指按标准方法制作和养 护的边长为150
3、mm的立方体试件,在28d龄期用 标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度, 以fcu,k表示。 cu,k ? 普通混凝土分为14个强度等级:C15、C20、 C25C30C35C40C45C50C55C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、 C60、C65、C70、C75、C80。 立方体与圆柱体强度等级关系立方体与圆柱体强度等级关系 强度强度标准值强度强度标准值强度 等级 强度标准值 (MPa) 强度 等级 强度标准值 (MPa) 圆柱体 立方体圆柱体 立方体 C6/7 567 5C30/353035C6/7.567.5C30/353035 C8/10810C35/40
4、3540 C12/151215C40/454045 C16/201620C45/504550 C20/252025C50/555055 C25/302530C55/605560C25/302530C55/605560 混凝土强度等级的应用混凝土强度等级的应用 钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不应低?钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不应低 于C15。垫层混凝土可采用C10。 ?当采用HRB335级钢筋时,混凝土强度等级 不宜低于C20。当采用HRB400和RRB400 级钢筋以及承受重复荷载的构件,混凝土强 度等级不得低于C20。 ?预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低 于C30;当采用钢绞线
5、钢丝热处理钢筋于C30;当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋 作预应力钢筋时,混凝土强度等级不宜低于 C40。C40。 混凝土标号混凝土标号 ? 文献中有混凝土标号的提法。 标号/102度等? 混凝土标号/10 - 2混凝土强度等级 300号混凝土C28300号混凝土C28 ? 产生差别的原因: 标准试件尺寸不同(由200mm改为 150mm)150mm)。 保证率不同(由85改为95)。 (2)混凝土轴心抗压强度(f )(2)混凝土轴心抗压强度(fc) ? 普通混凝土力学性能试验方法标准 (GB/T 50081-2002)。(GB/T 50081 2002)。 ? 150150300mm的棱柱体试
6、件为标 件养准试件,养护28d后测定强度。 ? 非标准试件:100100300mm和非标准试件:100100300mm和 200200400mm棱柱体试件。 在立度为1055MP 范内? 在立方体抗压强度为1055MPa范围内, fc(0.70.8)fcu。 c () cu 2 混凝土抗拉强度2. 混凝土抗拉强度 ? 混凝土的抗拉强度很低约为抗压强度的? 混凝土的抗拉强度很低,约为抗压强度的 1/101/20。随混凝土强度等级提高,混 凝土的拉压比降低凝土的拉压比降低。 ? 混凝土受拉时呈脆性断裂,破坏时无明显凝呈性断裂明 残余变形。 ? 在钢筋混凝土设计时不考虑混凝土的抗? 在钢筋混凝土设计
7、时,不考虑混凝土的抗 拉强度,拉力由钢筋承受。 度? 抗拉强度是评定混凝土抗裂能力的重要指 标。 (1)抗拉强度的测定(1)抗拉强度的测定 ? 直接拉伸强度 劈裂抗拉度(f )? 劈裂抗拉强度(fts) GB/T 50081-2002。GB/T 50081 2002。 150mm的立方体试件为标准试件。 强度等级小于C60时,100mm的立方体试 件的尺寸换算系数0.85。件的尺寸换算系数0 85。 ? 直接拉伸强度0.9劈拉强度。 P 直接拉伸 Tension Testing ft= P/A 横截面积为A P P 劈裂抗拉试验Splitting Test劈裂抗拉试验Splitting Tes
8、t P P 2PP2 0.637 ts PP f AA = fts P 国外的国外的 混凝土混凝土 劈拉强 度试验 (2)混凝土强度标准值(2)混凝土强度标准值 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 fck10.0 13.4 16.7 20.1 23.4 26.8 29.6 ck ftk1.27 1.54 1.78 2.01 2.20 2.39 2.51 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 f32 4 35 5 38 5 41 5 44 5 47 4 50 2fck32.4 35.5 38.5 41.5
9、 44.5 47.4 50.2 ftk2.64 2.74 2.85 2.93 2.99 3.05 3.11 fck:混凝土轴心抗压强度标准值, 试件尺寸系数、脆性折减系数、结构系数;试件尺寸系数、脆性折减系数、结构系数; ftk:混凝土轴心抗拉强度标准值。 (3)混凝土强度设计值(3)混凝土强度设计值 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 fc7.29.611.9 14.3 16.7 19.1 21.1 c ft0.91 1.10 1.27 1.43 1.57 1.71 1.80 C50 C55 C60 C65 C70 C
10、75 C80 f23 1 25 3 27 5 29 7 31 8 33 8 35 9fc23.1 25.3 27.5 29.7 31.8 33.8 35.9 ft1.89 1.96 2.04 2.09 2.14 2.18 2.22 fc:混凝土轴心抗压强度设计值标准值/1.4 f度ft:混凝土轴心抗拉强度设计值。 3 混凝土抗折强度(f )3.混凝土抗折强度(ff) ? GB/T 50081-2002。 ? 150150600mm(或550mm)的棱柱体? 150150600mm(或550mm)的棱柱体 试件为标准试件。 ? 强度等级小于C60时,100100400mm棱 柱体试件需乘以尺寸换
11、算系数0.85。柱体试件需乘以尺寸换算系数0.85。 ? 标准条件下养护28d后,按三分点加荷方式测 定抗折强度定抗折强度。 抗折试验Flexural Test抗折试验Flexural Test P 拉压 P 拉压 fb b L/3 L/3 L/3 f fPL/PL/(bhbh2 2)f ff fPL/PL/(bhbh2 2) 4 混凝土受压破坏的机理4.混凝土受压破坏的机理 ?混凝土受压破坏的形式: 水泥石破坏经常出现水泥石破坏经常出现; 过渡区破坏经常出现; 骨料破坏很少出现。 ?混凝土受压变形与破坏过程混凝土受压变形与破坏过程 ?混凝土受压破坏的机理:混凝土在外力作 用下 原有缺陷(裂纹
12、孔隙等)的延伸用下,原有缺陷(裂纹、孔隙等)的延伸、 连生和扩大,最终使混凝土破坏。 混凝土受压变形与破坏过程混凝土受压变形与破坏过程 C 100 III IV 极限强度 C B D 7090 III IV 临界荷载 70 90 II 极 限 临界荷载 A 30 I 限 荷 比例极限 O I 变 形 载 O 变 形 5 影响混凝土强度的因素5.影响混凝土强度的因素 ? 普通强度混凝土破坏后照片普通强度混凝土破坏后照片 主要是水泥石和过渡区破坏 影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素 ? 材料:? 材料: 水泥(强度等级)、外加剂、掺合料、骨料 ? 配合比: 水灰比、含气量(引气剂掺量)水灰比
13、、含气量(引气剂掺量) ? 施工: 搅拌、振捣 养护条件(温度、湿度、龄期) ? 试验条件: 试件尺寸形状表面状态加荷速度 试件尺寸、形状、表面状态、加荷速度 (1)水灰比和水泥强度等级(1)水灰比和水泥强度等级 水灰比和水泥强度等级是决定混凝土? 水灰比和水泥强度等级是决定混凝土 强度的主要因素。 水灰比不变,水泥强度等级越高,混凝 土强度越高土强度越高。 同一种水泥,水灰比越小,混凝土强度 越高。 水灰比过小混凝土无法振实时混凝 水灰比过小,混凝土无法振实时,混凝 土强度严重下降。 ? 水灰比:理论0.23,实际0.40.6。 水灰比 对强度对强度 的影响的影响 鲍罗米公式鲍罗米公式 ?
14、混凝土强度经验公式(适用于强度等级小? 混凝土强度经验公式(适用于强度等级小 于C60的混凝土): ()cu aceb C ff W = fcu混凝土28d龄期的抗压强度(MPa) W fcu 混凝土28d龄期的抗压强度(MPa) C 每立方米混凝土中水泥用量(Kg) W 每立方米混凝土中水的用量(Kg) fce水泥28d抗压强度实测值( MPa )fce水泥28d抗压强度实测值( MPa ) 值的选取值的选取 a b ?经验系数,与骨料品种及水泥品种等 因素有关,其数值通过试验求得。 a b 因素有关,其数值通过试验求得 ? 若无试验统计资料,则可按普通混凝土配合比设 计规程(JGJ5520
15、11)提供的经验系数取用:计规程(JGJ552011)提供的经验系数取用: 采用碎石0.53;020 采卵0 490 13 a b 采用卵石0.49;0.13 a b ? 适用范围:适用于流动性混凝土及塑性混凝土,不 适用于干硬性混凝土。用于干性凝 (2)含气量的影响(2)含气量的影响 含度降? 含气量增加,强度降低。 (3)骨料的影响(3)骨料的影响 骨料种类碎度高于卵 骨料的种类,碎石混凝土强度高于卵石混 凝土; 骨料的强度; 骨料的级配 骨料的级配; 骨料的最大粒径; 骨料的表面状态; 骨料的粒形 骨料的粒形; 骨料的有害杂质和弱颗粒含量。骨料的有害杂质和弱颗粒含量 (4)养护条件(4)
16、养护条件 ? 温度温度 ? 湿度 ? 龄期? 龄期 温度对强度的影响温度对强度的影响 湿度对强度的影响湿度对强度的影响 覆盖养护覆盖养护 喷养护液养护喷养护液养护 野外公路的遮阳保湿野外公路的遮阳保湿 龄期龄期 ? 龄期是指混凝土在正常养护条件下所龄期是指混凝土在正常养护条件下所 经历的时间,从拌合开始计时。 ? 混凝土在正常养护条件下其强度将随着? 混凝土在正常养护条件下,其强度将随着 龄期的增加而增长。 度度 714d,强度增长较快;28d后强度增长缓慢; 龄期延续很久强度仍有增长。 3d0d60 3d,50;7d,6570。 可用短期强度推断长期强度。 ? 不同工程要求的保湿养护龄期不同
17、。 工民建通常7d,道路14-21d,水工28d。工民建通常7d,道路14 21d,水工28d。 龄期与强度经验公式龄期与强度经验公式 ? 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)。 lflg l 28 n fn f = 28 lg 28f 由早期强度推断28d强度。 由28d强度推断达到某强度所需的时间。由28d强度,推断达到某强度所需的时间。 混凝土的成熟度混凝土的成熟度 混凝土所经历的时间与温度的乘积的总和? 混凝土所经历的时间与温度的乘积的总和, 称为混凝土的成熟度(N),单位是度天。 ? 混凝土强度和成熟度的关系很复杂,它与水 泥性质
18、、混凝土强度等级、养护条件等许多 因素有关。 ? 当混凝土的初始温度在一定范围内,并且在当混凝土的初始温度在定范围内,并且在 所经历的时间内不发生干燥失水的情况下, 混凝土的强度和成熟度的对数成线形关系。混凝土的强度和成熟度的对数成线形关系。 ? 通过试验测定强度和成熟度的关系后,即可 用成熟度估算混凝土强度用成熟度估算混凝土强度。 (5)试验条件(5)试验条件 试件寸? 试件尺寸 ? 试件形状? 试件形状 ? 试件表面状态 ? 试验设备 ? 加荷速度 试件尺寸试件尺寸 ? 强度的尺寸效应:强度性质相同的材 料用不同尺寸的试件进行试验时大料用不同尺寸的试件进行试验时,大 试件强度较低,数据分布
19、较集中;小 试件强度较高,数据分布较分散。 ? 原因:固实条件引起的差异;养护条? 原因:固实条件引起的差异;养护条 件引起的差异;试验条件的差别效应; 墙壁效应及其它。 参考徐定华编混凝土材料学概论 参考徐定华编混凝土材料学概论。 试件形状试件形状 ? 当试件受压面积(aa)相同时h/a? 当试件受压面积(aa)相同时,h/a 越大,测得的抗压强度越小。所以轴 心抗压强度小于立方体抗压强度。 ? 原因环箍效应这是由于试件受? 原因:环箍效应这是由于试件受 压时,试件受压面与试件承压板之间 的摩擦力,对试件相对于承压板的横 向膨胀起着约束作用该约束有利于向膨胀起着约束作用,该约束有利于 强度的
20、提高。 P P 压力机压压力机压 板对试件 的约束 压板 的约束 a P环箍效应示意图P环箍效应示意图 试件表面状态试件表面状态 ? 混凝土试件承压面的状态也是影响混凝 土强度的重要因素土强度的重要因素。 ? 当试件受压面上有油脂类润滑剂时,试 件受压时的环箍效应大大减小,试件将 出现直裂破坏,测出的强度值也较低。出现直裂破坏,测出的强度值也较低。 压板表面约束 涂油 摩擦力 试验破坏后残存 不受压板约束时 存 的棱锥体 试件破坏情况 加荷速度加荷速度 ? 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时这越大,当加荷速度超过1.0Mpa/s时,这 种趋势更加显著。 荷
21、? 混凝土抗压强度的加荷速度为 强度等级C30,0.30.5MPa/s;强度等级C30,0.30.5MPa/s; 强度等级C30 且 C60,0.50.8MPa/s; 强度等级C600 81 0MP / 强度等级C60 ,0.81.0MPa/s; 6 长期荷载6.长期荷载 7 循环加载7.循环加载 ? 在循环拉伸和压缩荷载下,每次循环都要积 累附加的应力和应变导致材料在极限荷载累附加的应力和应变,导致材料在极限荷载 前破坏。 ? 疲劳:材料由一次加载时还不足以引起破坏 的重复荷载下产生破坏的现象。通常分为低复载常 周疲劳和高周疲劳。 ? 对混凝土而言在107次静载循环时压拉? 对混凝土而言,在
22、107次静载循环时,压、拉 和弯曲疲劳强度约为静力强度的55。 8 多轴强度8.多轴强度 ? 在建筑物中,混凝土常常处于多向应力状态。 ? 在多向应力状态下,混凝土强度与单向应力 的不同。 ? 对混凝土多轴强度的研究还很不深入。 ? 两轴强度:? 两轴强度: 双轴抗压强度高于单轴抗压强度; 拉轴作随拉应增抗度乎 拉压两轴作用下,随拉应力增加,抗压强度几乎 直线下降; 轴拉伸度高于单轴拉伸度 双轴拉伸强度高于单轴拉伸强度。 ? 三轴强度: 压-压-压应力状态:第三向抗压强度随另外两向 应力增加而增加。 压-压-拉应力状态:混凝土抗拉强度随压应力的 增加而明显下降。 拉-拉-拉应力状态:等三轴抗拉
23、强度与单轴抗拉 强度几乎相等。 9高度施9.提高和促进混凝土强度的措施 ? 原材料? 原材料 采用高标号水泥和快硬早强水泥; 采用级配良好、有害物质少的骨料; 掺入混凝土外加剂、掺合料等。外剂料等 ? 配合比 采用水灰比较小的混凝土 采用水灰比较小的混凝土。 ? 搅拌和养护 采用机械搅拌和机械振捣,混凝土更均匀和密 实,故强度较高。实,故强度较高。 采用湿热处理,提高早期强度。 蒸养蒸养(1)蒸汽养护(蒸养) 在度常蒸中养? 混凝土在温度低于100的常压蒸汽中养护。 一般混凝土经过1620h蒸汽养护,其强度 可达28天标准养护强度的7080。 ? 蒸汽养护最适于掺活性混合材料的水泥制备蒸汽养护
24、最适于掺活性混合材料的水泥制备 的混凝土。混凝土早强和后期强度都有所提 高,其28d强度可提高1020。高,其28d强度可提高1020。 ? 对普硅水泥和硅酸盐水泥制备的混凝土进行 蒸汽养护混凝土早期强度也能得到提高蒸汽养护,混凝土早期强度也能得到提高, 但后期强度增长率减缓,其28d强度比标准 养护28天的强度约低1015养护28天的强度约低1015。 蒸汽养护的温度控制蒸汽养护的温度控制 ? 必须严格控制蒸汽养护时的升降温速度以? 必须严格控制蒸汽养护时的升、降温速度,以 避免出现裂缝。 ? 升温速度:对薄壁结构不得超过25/h;对? 升温速度:对薄壁结构,不得超过25/h;对 其他构件,
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