浅谈混凝土强度和耐久性

第1页浅谈混凝土强度和耐久性李嘉进2008年8月第2页内容提要•混凝土强度的主要影响因素•混凝土耐久性的主要影响因素•工程实际中的一些问题•对我国坝工设计中混凝土强度安全度和耐久性指标的建议•不同骨料对混凝土性能影响第3页混凝土强度的主要影响因素•水泥•水灰比•养护条件•粉煤灰掺量•混凝土试件尺寸和形状第4页水泥对混凝土强度的影响混凝土的强度与水泥的强度等级成正比，也与水灰比成正比，而水泥的强度取决于其化学成分和其各矿物组成与比例以及水化程度。BwcARRC砼第5页水灰比对混凝土强度的影响在其它条件相同时，水灰比越小，混凝土抗压强度越高。二滩大坝混凝土水胶比与抗压强度（Mpa）和龄期（d）关系注：（1）胶材用量（含30%粉煤灰）；（2）试件为20cm立方体；（3）龄期长，混凝土的抗压强度也高。大坝部位胶材用量FCw7d28d90d180dA区1900.44717.9031.2948.6556.00B区1820.46716.7828.3343.1451.77C区1750.48616.6427.7041.2049.94第6页不同养护条件对混凝土强度的影响•混凝土试件在空气中养护是收缩的，特别是在湿度50%的更甚，而在潮湿状态下养护是呈膨胀状态。•试验表明：在空气中养护的混凝土试件的抗压强度只有在潮湿状态养护试件抗压强度的50%~70%。•混凝土浇筑完的初凝后即进行养护是非常重要的，即要保持混凝土表面潮湿状态。第7页粉煤灰掺量对抗压强度的影响•二滩大坝混凝土掺粉煤灰抗压强度的试验表明，长龄期（二年）混凝土的抗压强度，当掺量超过60%时，对强度有影响，而掺50%粉煤灰，2年龄斯的抗压强度仍高于不掺粉煤灰混凝土试件强度的11%。•三峡大坝混凝土掺粉煤灰试件抗压强度试验表明：水胶比相同（0.45）粉煤灰掺量分别为20%和30%，28d的抗压强度掺30%和煤灰试件抗压强度只有掺20%粉煤灰试件强度的86.9%；90d龄期的强度两者持平，180d龄期至5年的龄期，掺30%粉煤灰的试件强度比掺20%粉煤灰试件的强度高约9.6%。第8页混凝土试件尺寸和形状对强度的影响•混凝土试件尺寸大的抗压强度比试件小的抗压强度低。当试件尺寸大到一定程度后，其抗压强度相差就很小了。•试件形状对抗压强度的影响：Ф15cm×30cm=0.80RC15Ф15cm×30cm=0.84RC20Ф45cm×90cm=（0.71-0.82）Ф15cm×30cmФ45cm×90cm=（0.568-0.65）RC15•混凝土原级配大试件直拉强度与湿筛后标准试件（小试件）的直拉强度的比值约0.66：RL45cm=0.66RL10第9页多轴受力状态下混凝土的强度试验表明：双轴、三轴受压状态的混凝土试件抗压强度都高于单轴受压的强度，但是拉压受力状态的混凝土抗压强度随着拉应力的提高而降低，反之，随着压应力的增大，而其抗拉强度也随之相应的降低。第10页双轴受压的抗压强度试验表明：当侧向压力与单轴抗压强度的比值≤0.35，双向压力表示如下：020102135.0，时35.135.00102，时第11页三轴受压时的混凝土试件抗压强度三轴抗压强度随着侧向压力的加大而提高，最高可达单轴抗压强度的6倍以上。7170030167.31。第12页拉-压受力状态下的混凝土试件强度试验表明，其关系为：0311tp第13页混凝土的不连续点的强度混凝土单轴抗压强度，在应力为其极限强度的60%以内时，应力应变呈线性关系，当应力大于极限强度60%以后，约在60%~70%时，应力应变不呈线性关系，此点即所谓不连续点强度；双轴、三轴受压的不连续点、强度约在70%左右，单拉、拉压、拉压压不连续点强度约在80%左右。第14页长期荷载与瞬间荷载混凝土强度关系朱伯芳院士的文称：“同样的混凝土试件，如用常规速度加荷的强度为P，那么施加0.9P到1小时左右破坏；施加0.77P，1年左右破坏；施加0.7P，30年左右破坏”。也有些资料称，长期荷载与短期（常规速度）荷载的抗压强度关系为0.70-0.80。第15页混凝土的容许使用强度根据混凝土的试件尺寸、受力状态、加荷速度、不连续强度，可以建立混凝土的容许使用抗压强度和容许使用抗拉强度如下：cctcCJNTR][tttttJNTR][第16页混凝土的容许使用强度如果单轴受压的混凝土容许使用强度简化为Bc×Rc；单轴抗拉的混凝土容许使用强度简化为Bt×Rt，我们可以得到不同试件的Bc和Bt，其关系如下：Ф45cm×90cm圆柱体的Bc=0.525，Bt=0.763（轴拉）Ф15cm×30cm圆柱体的Bc=0.402，Bt=0.565（剪拉）15cm15cm15cm立方体的Bc=（0.278-0.315）,Bt=0.505（剪拉）第17页混凝土的容许使用强度•以15cm立方体为例，如果设计混凝土的抗压强度等级为C50，那末容许使用的抗压强度≤（0.278~0.318）×50=(13.9~15.9)Mpa•设计强度等级为C40时，容许使用的抗压强度≤（11.12~12.72）Mpa；设计强度等级为C30时，容许使用的抗压强度≤（8.25~9.54）Mpa。最大的主拉应力只容许使用混凝土极限抗拉强度的1/2。第18页混凝土耐久性的主要影响因素•抗冻性•抗渗性•抗裂能力•抗碳化性能•碱骨料反应第19页混凝土的抗冻性抗冻融指标低的混凝土，经过二、三十年运行后，表层以下10cm~100cm的混凝土即已失去了强度，需要挖除修补，当然混凝土抗冻融指标与地区的气候有关，在严寒地区，其抗冻融的指标应高。我国北方地区混凝土的抗冻融指标应大于F300，在南方地区的抗冻融指标也不能低于F200，对于重大工程的抗冻融等级应大于F250，或取F300。第20页混凝土的抗渗性如果混凝土的抗渗指标低（或渗透系数大），由于水的渗透，将混凝土中的Ca(OH)2（以CaO量计算）被溶出25%时，混凝土的抗压强度就要下降50%，当溶出超过33%时，混凝土将完全失去强度而松散破坏。美国规定：对于有耐久性要求的水工混凝土建筑物，它的混凝土渗透系数K1.5×10-9cm/s，相当于我国抗渗指标W12。第21页混凝土的抗裂能力混凝土的极限拉伸值、抗拉强度，对混凝土的抗裂能力起着重要作用。极限拉伸值小或抗拉强度低的混凝土，容易出现大量的裂缝，影响结构物的耐久性。第22页混凝土抗碳化问题碳化可使锈蚀的钢筋体积增大2-4倍，使混凝土胀裂。水灰比与抗碳化年限关系（钢筋净保护层厚35mm）不同密实的混凝土在相同条件下30年后的碳化深度水灰比0.450.500.550.60抗碳化年限1881206939密实程度碳化深度(mm)密实程度碳化深度(mm)非常密实的混凝土8中等密实的混凝土50密实的混凝土30不密实的混凝土70第23页抑制混凝土碱骨料反应问题混凝土骨料中，如有活性成分，它与碱和水起作用，使混凝土胀裂。有关资料称，碱硅活性反应，其反应物的尺寸，要比反应前的SiO2原有尺寸增大24%。实际工程和试验表明，采取工程措施是可以有效的抑制其有害反应的。在混凝土中掺入一定数量的混合材料（如粉煤灰、矿渣等）和外加剂，限制水泥中的碱含量以及限制每方混凝土的总碱含量，就可以有效的抑制混凝土碱骨料反应的破坏作用。如果不采取工程抑制措施，必将会因为碱骨料反应破坏混凝土建筑物。第24页工程实际中的相关问题根据已有的统计资料，建国以来到1999年底，全国已建大中小水库84083座，其中有病危的30433座，约占总量的36%，要耗费大量资金、人力去修复加固，主要原因是历史条件，当年设计标准偏低，过分的强调节约等原因所致。最近报导，淮河上有20多座水库的病坝已全部修好，这些病危的坝只运行了40年左右。如佛子岭混凝土连拱坝高75.9m，混凝土设计标号为240kg/cm2，没有抗渗、抗冻的要求，运行不到40年，经检查坝的上游面混凝土的抗压强度比内部混凝土低25%，碳化深度35mm。第25页一些工程混凝土冻融、渗漏破坏的实例•丰满水电站大坝高91m，长108m，混凝土量210万m3，日伪时期修建，混凝土质量低劣，漏水严重，运行40年左右，出现混凝土大面积冻融破坏，总面积数万平米，剥蚀深度20cm~50cm，最深达100cm。•云丰水电站，重力坝高113.7m，长828m，混凝土量304.8万m3，1966年建成，1971年检查时，破坏面积达9000m2，占整个溢流面积50%左右，剥蚀深度5cm~50cm。第26页一些工程混凝土冻融、渗漏破坏的实例•北京地区的下马岭水电站，1960年建成，运行30年左右，冻融破坏面积达300~500m2；下苇甸大坝19.5m高，长220.5m，1975年投入运行20年左右，冻融破坏面积1500m2，深度7cm左右。•江苏省万福水闸，月平均气温0℃以上，最冷气温-10℃左右，1960年建成后运行至1963年在闸墩的水位变化区出现冻融剥蚀，到1985年融蚀破坏面积达1500m2，深度10cm左右，钢筋已露出。第27页一些工程混凝土冻融、渗漏破坏的实例•港工混凝土工程，受冻融破坏更严重。如东北地区的大连港、葫芦岛港；华北地区的秦皇岛港、塘沽港；华东地区的日照港等都有严重的冻融破坏的混凝土，最大深度达100cm。第28页建议提高混凝土强度和耐久性指标•一些工程大坝混凝土破坏的原因：混凝土的强度偏低，耐久性指标偏低。•我国现行坝工设计混凝土抗压强度的安全度比国外的低，特别是某些高拱坝的混凝土强度设计，值得商榷。有关资料认为我国的大部分工程设计的安全度只有欧美的2/3。第29页建议提高混凝土强度和耐久性指标欧美和日本等国多数采用混凝土试件为Ф15cm×30cm圆柱体的抗压强度作为其安全系数的依据。朱伯芳院士对超过150m高拱坝混凝土抗压安全系数进行了换算成试件尺寸15cm的立方体，90d龄期，保证率80%统计，表明多数工程90d的安全系数在5以上，瓦依昂坝（262m高）为5.26；胡佛坝为8.67；黄尾坝为5.19；莫苏罗克坝为5.19；罗期兰坝5.69；黑部第四坝为5.13；康特拉坝为4.52；莫瓦桑坝为4.46；英古里拱霸3.90；小湾拱霸3.75；二滩拱霸3.64。第30页建议提高混凝土强度和耐久性指标大坝建成后，由于各种原因，大坝混凝土的应力将会有变化，有的会比原设计高出不少。•英古里坝，设计的最大主压应力为8.6Mpa，运行几年后，实测的压应力达14.1Mpa，是原设计的1.64倍；•契尔盖坝，原设计最大主压应力为7.9Mpa，运行几年后，实测的压应力达12.3Mpa，为原设计的1.56倍；第31页建议提高混凝土强度和耐久性指标•二滩拱坝原设计最大主压应力为8.6Mpa，运行几年后，实测的最大压应力达11.9Mpa，为原设计的1.38倍，而拉应力原设计为-0.90Mpa，运行几年后实测的最大拉应力达-3.56Mpa，为原设计的3.95倍；•以上情况告诉我们，混凝土的抗压强度必须要有足够余量，抗拉强度更要有富余量。第32页建议提高混凝土强度指标•我国原拱坝设计规范：混凝土的强度除以最大主压应力，等于4（即为安全系数，龄期90d，试件尺寸20cm立方体），如果试件尺寸为15cm立方体，则应取安全系数K=4.2；•现时我国一些高拱坝的混凝土抗压强度安全系数取K=4，试件尺寸15cm立方体，龄期180d，安全系数比90d龄期的还要小。第33页建议提高混凝土强度指标根据二滩大坝实际的混凝土抗压强度反馈折算成15cm立方体试件的抗压强度，分别计算180d和90d龄期的设计最大主压应力和实测的最大压应力的安全系数，计算结果：混凝土强度安全系数180d90d设计K值5.925.15平均抗压强度实测K值4.283.72第34页提高混凝土耐久性指标•抗冻指标•抗渗指标•极限拉伸值•水胶比第35页提高混凝土抗冻指标•在北方气温低，至少应取F300或更高些，正如前面介绍的，苏联的萨扬舒申斯克坝抗冻指标F400，而瑞士的莫瓦桑坝为F100