第十四讲 硬化混凝土的性能.pdf

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 yangyiboscut.edu.cnyangyiboscut.edu.cn 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150mm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 C8/10810C35/403540 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）。 ? 150×150×300mm的棱柱体试件为标 件养准试件，养护28d后测定强度。 ? 非标准试件：100×100×300mm和非标准试件：100×100×300mm和 200×200×400mm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 Test 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 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 C75 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。 ? 150×150×600mm（或550mm）的棱柱体? 150×150×600mm（或550mm）的棱柱体 试件为标准试件。 ? 强度等级小于C60时，100×100×400mm棱 柱体试件需乘以尺寸换算系数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、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 ? 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（JGJ552011）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）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。 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、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（a×a）相同时h/a? 当试件受压面积（a×a）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? 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，不得超过20/h；干硬性混凝土制 作的构件，不得超过40/h。作的构件，不得超过40/h。 ? 恒温加热时湿度大于95，温度6580。 ? 降温速度应缓慢并及时脱模降温速度不得? 降温速度应缓慢，并及时脱模。降温速度不得 超过10/h；构件出池后，表面与外界的温差 不得大于20。不得大于20。 ? 采用硅酸盐水泥、普通水泥配制的混凝土构件， 蒸养前宜在常温下静停2-6h蒸养前宜在常温下静停2-6h。 （2）蒸压养护（蒸压）（2）蒸压养护（蒸压） ? 将构件放在175及8个大气压的蒸压釜 中进行养护。中进行养护。 ? 在高温下水泥水化析出的Ca(OH)2与 成SiO2反应，生成结晶较好的水化硅酸钙， 可有效提高混凝土的强度，并加速水泥可有提高混凝的强度，并速水 的水化与硬化。这种方法对掺有活性混 合材料的混凝土更为有效。合材料的混凝土更为有效。 ? 主要用于硅酸盐制品的养护。 三混凝土的变形性能三、混凝土的变形性能 ? 变形混凝土在硬化和使用过程中，受各变形混凝土在硬化和使用过程中，受各 种因素的影响而产生的体积变化。 变形开裂安全性耐久性? 变形开裂安全性、耐久性 ? 变形种类：种 非荷载作用下的变形： ? 水化化学减缩、自收缩；水化化学减缩、自收缩； ? 环境干湿变形、温度变形； ? 环境介质碳化收缩、碱骨料反应、结晶膨胀。环境介质碳化收缩、碱骨料反应、结晶膨胀。 荷载作用下的变形： ? 短期荷载作用下的变形；短期荷载作用下的变形； ? 长期荷载作用下的变形徐变。 1 化学减缩1.化学减缩 ? 原因：水泥水化产物的体积小于水化前反 应物的总体积。应物的总体积 化学减缩是不能恢复的。 化学收缩值很小（小于1）对混凝土结构 化学收缩值很小（小于1），对混凝土结构 没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细 裂缝化学收缩般合并在干燥收缩中测量和裂缝。化学收缩一般合并在干燥收缩中测量和 计算。 学减自? 低水胶比混凝土，化学减缩引起的自收缩 会导致开裂，需特别注意。 2 温度变形2.温度变形 ? 混凝土随着温度变化产生热胀冷缩的变形? 混凝土随着温度变化产生热胀冷缩的变形。 混凝土温度升高1，每m膨胀0.01mm（1×10-5） 危害大体易产度裂 危害：大体积混凝土，易产生温度裂缝。 ? 原因：水化热、外界高温。 ? 防止开裂措施： 采用低热水泥或大掺量掺合料减少胶材用量采用低热水泥或大掺量掺合料，减少胶材用量 原材料预冷，通水冷却 注意保温养护 注意保温养护 采用跳仓浇筑等减少约束 采构造筋增抗裂性 采用构造钢筋，增加抗裂性 混凝土的冷缩混凝土的冷缩 水泥品种的影响水泥品种的影响 浇注温度的影响浇注温度的影响 大体积混凝土的内部降温管大体积混凝土的内部降温管 Cement Concrete 3 干湿变形3.干湿变形 ? 定义：因混凝土周围环境湿度的变化而引? 定义：因混凝土周围环境湿度的变化而引 起混凝土体积变形，表现为干缩湿胀。 失管? 原因：毛细孔失水，毛细管张力。 ? 危害：耐久性。危害耐性 ? 数值：极限收缩值为(59)×10-4m/m。工 程设计时混凝土的线收缩采用(1 5程设计时，混凝土的线收缩采用(1.5 2.0)×10-4m/m。 ? 防止措施： 尽量减少水和水泥用量、砂石骨料要洗干净 尽可能采用振捣器捣固和加强养护等。 重新浸水混凝土的干缩是不能完全恢复的通常重新浸水，混凝土的干缩是不能完全恢复的。通常 情况下，残余收缩约为收缩量的3050。 4 短期荷载作用下的变形4.短期荷载作用下的变形 ? 混凝土是弹塑性体，应力应变关系是曲线。混凝土是弹塑性体，应力应变关系是线 混凝土的静弹性模量混凝土的静弹性模量 ? 定义在应力应变曲线上任一点的应 力与其应变的比值，称作混凝土在该 应力下的弹性模量。 用途：计算钢筋混凝土结构的变形裂缝开展用途：计算钢筋混凝土结构的变形、裂缝开展 及大体积混凝土的温度应力。 混凝土的弹性模量与构件的刚度密切相关? 混凝土的弹性模量与构件的刚度密切相关， 混凝土需有足够高的弹性模量。 ? 试验方法： 轴心抗压0 4倍轴压强度重复加载至稳定 轴心抗压，0.4倍轴压强度，重复加载至稳定。 弹性模量与抗压强度的关系弹性模量与抗压强度的关系 混凝土弹性模量取值（×104MPa）混凝土弹性模量取值（×104MPa） 强度 等级 C15C20C25C30C35C40C45 等级 弹性 2 202 552 803 003 153 253 35 模量 2.202.552.803.003.153.253.35 强度强度 等级 C50C55C60C65C70C75C80 弹性 模量 3.453.553.603.653.703.753.80 模量 影响混凝土弹性模量的因素影响混凝土弹性模量的因素 ? 混凝土的弹性模量一般略低于其骨料的 弹性模量弹性模量。 ? 在材料质量不变时，混凝土的骨料含量在材料质量不变时，混凝土的骨料含量 越多、水灰比越小、养护较好及龄期较 长时弹性模量较大长时，弹性模量较大。 ? 蒸汽养护的弹性模量较标准养护的低。蒸汽养护的弹性模量较标准养护的低。 5 长期荷载作用下的变形徐变5.长期荷载作用下的变形徐变 ? 徐变：在长期恒定荷载作用下，随时间而增加 的沿作用力方向的变形。的沿作用力方向的变形。 应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象则称应力 松弛松弛。 ? 机理：水泥石凝胶体在长期荷载作用下的粘性 流动并向毛细孔中移动或凝胶体中的吸附流动，并向毛细孔中移动；或凝胶体中的吸附 水或结晶水向毛细孔迁移渗透。 ? 数值：在荷载作用初期，徐变变形增长较快，以 后逐渐变慢且稳定下来。一般为（3-15）×10-4。 徐徐变变变变 影响徐变的因素影响徐变的因素 ? 混凝土的水灰比较小或 混凝土在水中养护时， 徐变较小。 ? 水灰比相同的混凝土， 其水泥用量越多，其徐 变越大。 ? 骨料弹性模量较大时， 徐变较小。 ? 混凝土的弹性模量大时， 则徐变较小。 徐变对结构物的影响徐变对结构物的影响 ? 有利面： 徐变可消除钢筋混凝土内的应力 集中使应力重分布从而使局部应力集集中，使应力重分布，从而使局部应力集 中得到缓解；对大体积混凝土则能消除一 部分由于温度变形所产生的破坏应力。 ? 不利面：在预应力钢筋混凝土中，混凝土 的徐变将使钢筋的预加应力受到损失。 西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨为西太平洋Caroline群岛上的座桥梁（主跨为 241m），由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面 板进一步加剧徐变使该桥在建成不到20年后坍板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍 塌 （1996年）。 6 影响开裂的因素6.影响开裂的因素 变? 变形值 在限制收缩条件下，变形越大，拉应力越大。 ? 弹性模量 弹模越大一定量收缩引起的弹性拉应力越大。弹模越大，一定量收缩引起的弹性拉应力越大。 ? 徐变 徐变越大应力松弛越显著残余拉应力越小 徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力越小。 ? 抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。 收缩应变受约束时收缩应变受约束时 产生的弹性拉应力产生的弹性拉应力 无松弛作用时出现开裂无松弛作用时出现开裂 产生的弹性拉应力产生的弹性拉应力 无松弛作用时出现开裂无松弛作用时出现开裂 混凝土的混凝土的混凝土的混凝土的 抗拉强度抗拉强度 应力松弛应力松弛 松弛后的实际应力松弛后的实际应力 开裂延迟开裂延迟 Cement Concrete 时间时间 混凝土的耐久性四.混凝土的耐久性 ? Durability of Concrete。 ? 定义：在所处环境及使用条件下，混凝土建定义：在所处环境及使用条件下，混凝土建 筑物能满足各项设计功能要求，并能达到无无 需大修或全面补强加固而安全运行需大修或全面补强加固而安全运行的能力需大修或全面补强加固而安全运行需大修或全面补强加固而安全运行的能力。 ? 中国土木工程学会标准混凝土结构耐久性 设计与施工指南（CCES 01-2004） （2005修订版）。各部委均有规范。（修订）部委均有规范 ? 混凝土结构耐久性设计规范（GB/T 50746 2008）详见简介50746-2008）：详见简介。 1 混凝土耐久性问题的提出1.混凝土耐久性问题的提出 混凝土通常被认为是一种高耐久性的材料。一 些早期建成的混凝土建筑物，已经使用了100些早期建成的凝建筑使用了 年左右仍然完好。 但与此同时不少结构物过早的毁坏维修困难但与此同时不少结构物过早的毁坏，维修困难 而且费用高昂，促使人们重视耐久性问题。 许多大型结构物的兴建，例如海底隧道、跨海 大桥核废料储存容器等，对使用寿命提出了更大桥核废料储存容器等，对使用寿命提出了更 高的要求，如100年、150年，甚至500年。 北京三元立交桥，建于1984年，为第一北京三元立交桥，建于1984年，为第 个获国家银牌奖的立交桥。 80年代末即发现开裂，碱骨料反应。 ? 北京西直门立交桥。 建70年代末拆1999年共使19年? 建于70年代末，拆除于1999年，共使用19年。 ? 破坏原因：碱骨料反应以及除冰盐引起的钢筋破坏原因：碱骨料反应及除冰盐引起的钢筋 腐蚀。 2.混凝土耐久性的几个主要方面 ? 抗渗性 ? 抗冻性 抗侵蚀性? 抗侵蚀性 ? 碳化（中性化）? 碳化（中性化） ? 碱集料反应碱集料反应 ? 混凝土中钢筋锈蚀中 （1）混凝土的抗渗性（1）混凝土的抗渗性 ? 定义：混凝土抵抗压力液体（水、油、溶液 等）渗透作用的性能。渗 抗渗性直接影响混凝土的其他耐久性能。 对地下建筑、水坝、港工、海工等工程，必须要对地下建筑、水坝、港工、海工等工程，必须要 求混凝土具有一定的抗渗性。 ? 评价方法：抗渗等级。? 评价方法：抗渗等级。 ? 混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙 的大小与构造有关的大小与构造有关。 影响因素： 水泥品种、外加剂和掺和料；骨料最 大粒径水灰比振捣养护方法和龄期大粒径；水灰比；振捣；养护方法和龄期。 ? 抗渗等级的确定：采用标准养护28d的试样按规定抗渗等级的确定：采用标准养护28d的试样，按规定 方法进行试验，以其能承受的最大水压力（第三个试 件开始渗水）来表示。分为P4P6P8P10P12五件开始渗水）来表示。分为P4、P6、P8、P10、P12五 个等级。 硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系 龄期对水泥浆渗透性的影响 提高混凝土抗渗性的措施提高混凝土抗渗性的措施 ? 提高混凝土密实度，改善混凝土的 内部孔隙结构内部孔隙结构。 降低水灰比；降低水灰； 采用减水剂； 采用引气剂； 选用致密干净级配良好的骨料 选用致密、干净、级配良好的骨料； 振捣密实，加强养护。振捣密实，强养护 （2）混凝土的抗冻性（2）混凝土的抗冻性 ? 定义：混凝土在水饱和状态下，经受多次定义：混凝土在水饱和状态下，经受多次 冻融循环作用，能保持强度和外观完整性 的性能。的性能。 寒冷地区与水经常接触的部位要求抗冻性。 ? 评价方法抗冻等级? 评价方法：抗冻等级 ? 机理：混凝土内部孔隙水结冰后体积膨胀 蒸差未引起的静水压力和因冰水蒸汽压差推动未 冻水向冻结区的迁移造成的渗透压力。 影响因素：混凝土的密实度、孔隙构造和数量、 孔隙的充水程度。 改善措施：加引气剂。 抗冻性的评价方法抗冻性的评价方法 ? 抗冻性用抗冻等级（慢冻法）表示? 抗冻性用抗冻等级（慢冻法）表示。 ? 慢冻法：以28d龄期的混凝土标准试件，在饱水 后承受反复冻融循抗度损失超过后承受反复冻融循环，以抗压强度损失不超过 25，且质量损失不超过5时所能承受的最大 循环次数来确定。 混凝土的抗冻等级有F10、F15、F25、F50、F100、 F150、F200、F250和F300等九个等级，表示混凝 土能承受冻融循环的最大次数。 ? 快冻法：相对动弹性模量值不小于60%和质量 损失率不超过5的最大循环次数。损失率不超过5的最大循环次数。 冻融试验机 掺引气剂对抗冻性的改善掺引气剂对抗冻性的改善 引气剂改善抗冻性的机理引气剂改善抗冻性的机理 （3）混凝土的抗侵蚀性（3）混凝土的抗侵蚀性 ? 环境介质对混凝土的侵蚀主要是对水泥石的 侵蚀侵蚀。 在海工工程中，混凝土还受到干湿交替、盐分结 晶海浪的冲刷硫酸盐对混凝土的侵蚀作用晶、海浪的冲刷、硫酸盐对混凝土的侵蚀作用。 ? 改善措施： 合理选择水泥品种； 掺加矿物掺合料对混凝土进行改性 掺加矿物掺合料，对混凝土进行改性。 降低水灰比、提高混凝土密实度和改善孔结构。 （4）混凝土的碳化（4）混凝土的碳化 ? 定义空气中的二氧化碳与水泥水化产生的? 定义：空气中的二氧化碳与水泥水化产生的 氢氧化钙，在湿度适宜时发生化学反应，生 成碳酸钙和水的过程，也称中性化。 ? 碳化对混凝土的影响弊多利少。碳化对混凝土的影响弊多利少。 碱度降低，促使混凝土中钢筋锈蚀； 引起混凝土表面的碳化收缩裂纹； 碳化时生成的碳酸钙，能够填充水泥石的孔碳化时生成的碳酸钙，能够填充水泥石的孔 隙，提高混凝土密实度和抗压强度。 评价方法碳化试验? 评价方法：碳化试验 混凝土碳化试验箱混凝土碳化试验箱 ? 影响碳化的因素：影响碳化的因素： 环境中CO2浓度。 环境湿度相对湿度在5075之间时碳化 环境湿度，相对湿度在5075之间时，碳化 速度最快。 水泥品种硅酸盐水泥较慢 水泥品种，硅酸盐水泥较慢。 水泥用量一定时，水灰比越小，碳化速度越慢。 灰定时量越大碳速度越 水灰比一定时，水泥用量越大，碳化速度越慢。 ? 改善措施： 采用低水胶比； 合理选择水泥品种；合理选择水泥种； 掺加外加剂，改善孔结构； 增加保护层厚度 增加保护层厚度。 （5）碱骨料反应（5）碱骨料反应 定义硬化混凝土中的碱与骨料中的活? 定义：硬化混凝土中的碱与骨料中的活 性成分发生反应，反应产物吸水膨胀， 从导致混凝土产生膨胀开裂的现象从而导致混凝土产生膨胀开裂的现象。 危害：混凝土的“癌症”。 ? 分类： 碱硅酸反应：反应累计期1020年；碱硅酸反应：反应累计期1020年； 碱硅酸盐反应：反应累计期4050年； 碱碳酸盐反应：反应累计期23年 碱碳酸盐反应：反应累计期23年。 ? 特征： 裂纹应内部裂纹 网状裂纹、反应环、内部裂纹。 典型的碱-骨料反应开裂形式 碱骨料反应的条件和预防措施碱骨料反应的条件和预防措施 ? 反应条件：反应条件： 碱、活性骨料、水 ? 预防措施? 预防措施： 采用低碱水泥，碱含量低于0.6； 采含碱物质 采用不含碱活性物质的骨料； 掺加引气剂、减水剂等外加剂，提高混凝土的 抗渗性减少内部分抗渗性及减少混凝土内部水分 ； 掺加活性混合材料，如硅灰、粉煤灰等，这些 材料中碱反应抑碱骨料材料可与混凝土中碱反应，从而抑制碱骨料 反应； 使碱骨料反应抑制剂（LiNO ） 使用碱骨料反应抑制剂（LiNO2）。 水泥碱含量的影响水泥碱含量的影响 矿渣掺量的影响矿渣掺量的影响 （6）混凝土中钢筋锈蚀（6）混凝土中钢筋锈蚀 ? 混凝土对钢筋的保护作用：钝化。 ? 钢筋锈蚀的原因：钢筋锈蚀的原因： 碳化：混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO3、 NO2CO2等酸性氧化物中和而失去碱性；NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去碱性； 氯离子：即使混凝土的碱度足够，过量的氯离 子也会使钢筋锈蚀。表征与检测方法。子也会使钢筋锈蚀。表征与检测方法。 杂散电流：电化学腐蚀。 ? 钢筋锈蚀的危害? 钢筋锈蚀的危害： 体积膨胀，导致混凝土开裂与剥落，暴露出的 钢材更迅速地腐蚀使结构丧失整体性钢材更迅速地腐蚀，使结构丧失整体性。 混凝土抗氯盐性能表征混凝土抗氯盐性能表征 ? 电量值：ASTM C1202，电量法，6h通过的 电量值小于1000C为良好我国有相应标准电量值小于1000C为良好。我国有相应标准， 按1500、1200、1000和800C分级。 ? RCM氯离子扩散系数：RCM法，测量通电一 段时间后，混凝土中氯离子渗透深度，并换间凝中氯离子渗透度并 算为氯离子扩散系数。 ? NEL氯离子扩散系数NEL法测量混凝土? NEL氯离子扩散系数：NEL法，测量混凝土 的电导，并换算为氯离子扩散系数。 混凝土抗氯盐性能测试设备混凝土抗氯盐性能测试设备 体积变化体积变化 钢筋锈蚀导致砼构件破坏的几种形式筋锈导件种 腐蚀进程图腐蚀进程图 T T0 0：开始锈蚀; ：开始锈蚀; 腐蚀进程图腐蚀进程图 0 0 T T1 1：混凝土开裂；：混凝土开裂； Durability of Concrete Structure 混凝土中钢筋的防护措施混凝土中钢筋的防护措施 ? 减少混凝土原材料中的氯离子总量；? 减少混凝土原材料中的氯离子总量； ? 增加混凝土密实性： 原材料选择配合比设计施工管理 原材料选择、配合比设计、施工管理； ? 加大混凝土保护层的厚度； 施? 附加措施： 掺用阻锈剂； 用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢筋； 采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入； 对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢筋处 于阴极区。 根据腐蚀条件确定防护措施? 根据腐蚀条件确定防护措施。 （7）耐久性的其它方面（7）耐久性的其它方面 ? 表面损耗造成的劣化磨耗、造成劣 冲磨和空蚀； ? 混凝土的耐火性； 混凝土的延迟钙石反应? 混凝土的延迟钙矾石反应； ? 盐类结晶引起的膨胀破坏? 盐类结晶引起的膨胀破坏。 混凝土的抗火性能混凝土的抗火性能 高温下混凝土的颜色和强度高温下混凝土的颜色和强度 延迟钙矾石生成100以上钙矾石延钙成钙 分解，冷却后再重新生成，引起膨胀 一个不透水但存在非