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土木工程材料第四章混凝土CONCRETE2硬化后混凝土的性质混凝土是由水泥石和粗、细集料组成的复合材料，它是一种不十分密实的非匀质多项分散体，其力学性能取决于水泥石和集料的性质，以及水泥石与集料的胶接能力。强度是混凝土硬化后的主要力学性能，也是工程施工中控制和评定混凝土质量的主要指标。它与混凝土的其他性能关系密切。混凝土的强度有抗压、抗拉、抗弯和抗剪强度等，其中又以抗压强度值最大，是混凝土强度中最主要的性能。它是结构设计的主要参数，也常用作评定混凝土质量的指标。混凝土受压破坏有三种可能情况：一是集料先破坏；二是水泥石先破坏；三是水泥石与集料界面先破坏。通常配制混凝土的集料强度一般均比水泥石强度高，所以第一种情况不会发生；如果混凝土配制的合理，即选用的水泥强度、水泥用量和用水量合理，并保证施工质量，第二种情况也不会发生；第三种情况可能性最大，也就是破坏最先发生在水泥石与集料（指粗集料）的界面上。水泥熟料颗粒水化放出大量的Ca2+，泌水作用把Ca2+带到了骨料的下面，并在骨料下富集，形成了界面过渡区，在界面过渡区内水灰比大于水泥石中的水灰比，氢氧化钙平行粗骨料表面，孔隙率大，水化硅酸钙凝较少，所以形成了水泥石与集料之间的薄弱层。硬化后的混凝土在未受外力之前，其内部已经存在一定的界面微裂缝，这些裂纹主要是由于水泥水化造成的化学收缩而引起水泥石体积变化，使水泥石与集料的界面上产生了分布不均匀的拉应力，从而导致界面上形成了许多微细的裂缝。另外，也由于混凝土成型后的泌水作用而在粗集料下缘形成水隙，在混凝土硬化后成为界面裂缝。当混凝土受荷时，这些界面微裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来（受力同时混凝土界面会产生应力集中，更加速裂缝的发展），形成可见的裂缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破坏。在拉伸荷载作用下，微裂缝的扩展比受压荷载作用时更为迅速，混凝土的脆性破坏更明显。2.1混凝土的强度与强度等级（１）抗压强度标准值和强度等级值①立方体抗压强度（fcu）：按照标准的制作方法制成边长为150ｍｍ的正立方体试件，在标准养护条件（温度２０±2°Ｃ，相对湿度95％以上）下，养护至28ｄ龄期，按照标准的测定方法测定其抗压强度值，称为混凝土立方体抗压强度”（以fcu表示,以Ｎ／ｍｍ2即ＭＰa）测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以按粗骨料最大粒径的尺寸而选用不同的试件尺寸。a混凝土试件受压破坏后形状分析下图是混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状，请分析试件破坏后所得形状的原因。破坏后试件的形状是环箍效应所致。b试件尺寸换算系数讨论混凝土标准试件为边长150mm的立方体，以相同的混凝土另制得边长分别为200mm和100mm的两种非标准立方体试块，非标准立方体试块的抗压强度为读数值乘以尺寸换算系数。请讨论试件尺寸换算系数。试件尺寸(mm)骨料最大粒径(mm)强度换算系数100×100×100150×150×150200×200×20031.540630.9511.05世界各国用于确定混凝土强度等级的方法尚未统一。美国、日本、国际标准化组织(1S0)、欧洲混凝土委员会(CEB)和国际预应力学会(FIP)等国家和组织规定采用圆柱体作为测定混凝土抗压强度的标准试块。圆柱体的直径为6英寸、高为12英寸(1英寸：25．4mm)，或直径为150mm、高为300mm。俄罗斯、英国、德国等一些国家和我国一样。混凝土采用标准试件在标准条件下测定其抗压强度，是为了具有可比性。实际工程中，允许采用非标准尺寸的试件，有时也测定非标准养护条件下的混凝土强度，将混凝土试件与工程中的混凝土构件采用同样条件养护，到规定龄期进行试验，用以检验混凝土构件的质量。但在确定混凝土强度等级或进行材料性能研究时，必须采用标准养护。②立方体试件抗压强度标准值（fcu，k）立方体抗压强度（fcu）只是一组混凝土试件抗压强度的算术平均值，并未涉及数理统计和保证率的概念。而立方体抗压强度标准值（fcu,,k）是按数理统计方法确定，具有不低于９５％保证率的立方体抗压强度。③强度等级按照国家标准GB50010－2002《混凝土结构设计规范》，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值系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。普通混凝土划分为十四个强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。混凝土强度等级是混凝土结构设计、施工质量控制和工程验收的重要依据。不同的建筑工程及建筑部位需采用不同强度等①C10～C15——用于垫层、基础、地坪及受力不大的结构。②C20～C25——用于梁、板、柱、楼梯、屋架等普通钢筋混凝土结构；③C25～C30——用于大跨度结构、要求耐久性高的结构、预制构件等；④C40～C45——用于预应力钢筋混凝土构件、吊车梁及特种结构等，用于25～30层；⑤C50～C60——用于30层至60层以上高层建筑；⑥C60～C80——用于高层建筑，采用高性能混凝土；⑦C80～C120——采用超高强混凝土于高层建筑。将来可能推广使用高达C130以上的混凝土钢筋混凝土结构设计时，混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，则不得低于C20。预应力凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40。(2)轴心抗压强度（fcp）混凝土的立方体抗压强度只是评定强度等级的一个标志，它不能直接用来作为结构设计的依据。为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件（例如柱子、衍架的腹杆等）时，都是采用混凝土的轴心抗压强度作为依据。轴心抗压强度设计值以fc表示，轴心抗压强度标准值以fck表示。我国现行标准（ＧＢ/T50081——2002）规定，测定轴心抗压强度采用１５０×１５０×３００ｍｍ棱柱体作为标准试件。试验证明，棱柱体强度与立方体强度的比值为0.7～0.8。确定混凝土轴心抗压强度时为什么要求试件的高宽比不小于2？（或者说为什么轴心抗压强度小于立方体抗压强度？）（3）混凝土抗拉强度混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/8～1/17，且随着混凝土强度等级的提高，比值降低。混凝土在工作时一般不依靠其抗拉强度，通过配制钢筋，使钢筋承受结构中的拉力，因而混凝土设计时不考虑其抗拉强度。但抗拉强度对于抗开裂性有重要意义，在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标。有时也用它来间接衡量混凝土的冲击强度、混凝土与钢筋的粘结强度等。混凝土抗拉试验过去多用8字形试件或棱柱体试件直接测定轴向抗拉强度，但是这种方法由于很难避免夹具附近局部破坏，而且外力作用线与试件轴心方向不易调成一致，所以现在我国采用立方体(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fts劈裂抗拉强度（fts）我国现行标准规定，采用标准试件１５０ｍｍ立方体，按规定的劈裂抗拉试验装置测得的强度为劈裂抗拉强度，简称劈拉强度ftsfts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；F——破坏荷载，Ｎ；Ａ——试件劈裂面面积，mm2。AFAFfts637.021-2-3-4-垫条混凝土强度标准值（N/mm2）强度种类混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2ftk1.271.541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.993.053.11注意的是，相同强度等级的混凝土轴心抗压强度设计值fc、轴心抗拉强度设计值ft低于混凝土轴心抗压、轴心抗拉强度标准值fck、ftk。(4)混凝土抗弯强度(fcf)道路路面或机场跑道用混凝土，是以抗弯强度（或称抗折强度）为主要设计指标。水泥混凝土的抗弯强度试验是以标准方法制备成150mm×150mm×550mm的梁形试件，在标准条件下养护２８ｄ后，按三分点加荷，测定其抗弯强度（fcf），按下式计算：式中fcf——混凝土抗弯强度，ＭＰ；F——破坏荷载，Ｎ；Ｌ——支座间距，mm；ｂ——试件截面宽度，mm；ｈ——试件截面高度，mm；如为跨中单点加荷得到的抗折强度，按断裂力学推导应乘以折算系数0.85。2bhFLfcf那么《规范》为什么以混凝土立方体抗压强度作为划分混凝土强度等级的主要标准呢?(1)混凝土是一种很好的抗压材料，在混凝土结构中主要用于承受压力，以混凝土立方体抗压强度作为划分混凝土的主要标准，可以较好地反映混凝土的主要受力特性。(2)混凝土的其他力学性能，如轴心抗压强度和轴心抗拉强度等，都与混凝土立方体抗压强度有一定的关系。可用立方体抗压强度推导其他强度。(3)立方体抗压试验最简单，由于环箍效应的存在，结果最稳定。(5)影响混凝土强度的因素混凝土的强度是指混凝土试件达到破坏极限的应力最大值。混凝土受压时荷载与变形的关系，是内部微裂缝发展规律得体现。混凝土破坏过程也就是其内部裂缝的发生和发展过程，它是一个从量变到质变的过程。只有当混凝土内部的微观破坏发展到一定量级时，才会是混凝土的整体遭到破坏。混凝土的破坏过程可分为四个阶段。①第Ⅰ阶段：荷载约为极限荷载的30％以内，界面裂缝无显著变化，荷载与变形呈直线关系。②第Ⅱ阶段：荷载超过比例极限，界面裂缝的数量、宽度、长度不断增加，界面间摩擦阻力继续承担荷载，但尚无明显砂浆裂缝出现。此时变形的增长率大于荷载的增长率，荷载与变形间不再是线性关系。③第Ⅲ阶段：荷载超过临界荷载（极限荷载的70％～90％）后裂缝继续开展，开始出现砂浆裂缝，部分界面裂缝连接成为连续裂缝，变形增长率进一步加大，曲线明显弯向变形横坐标轴。④第Ⅳ阶段：达到极限荷载C点以后，连续裂缝急速地发展，混凝土的承载能力下降，变形自动增大直至完全破坏，曲线斜率变成负值。影响混凝土强度的因素:原材料因素、生产工艺因素及实验因素三方面。•与峰值应力对应的混凝土应变值εo比较稳定，与混凝土的强度等级无明显的关系，一般为0.0015～0.0025，计算时通常取εo=0.002。混凝土破坏时的极限压应变值εcu受混凝土强度等级等多种因素的影响，一般在0.002～0.006之间变化。计算时，除强度等级特别高的混凝土外，一般可取0.003～0.004。一般0.0033原材料因素a）水泥强度与水灰比水泥是混凝土中的活性组分，其强度大小直接影响着混凝土强度的高低。在配合比相同的条件下，所用的水泥标号越高，水泥石与集料界面的粘结强度越高，制成的混凝土强度也越高。试验证明，混凝土的强度与水泥的强度成正比关系。当用同一品种、同一标号的水泥时，混凝土的强度主要取决于水灰比。因为水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥重量的２３％左右，但在拌制混凝土混合物时，为了获得必要的流动性，常需用较多的水（约占水泥重量的４０～７０％）。混凝土硬化后，多余的水分蒸发或残存在混凝土中，形成毛细管、气孔或水泡，它们减少了混凝土的有效断面，并可能在受力时与气孔或水泡周围产生应力集中，使混凝土强度下降。在保证施工质量的条件下，水灰比愈小，混凝土的强度就愈高。但是，如果水灰比太小，拌合物过于干涩，在一定的施工条件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，也将显著降低混凝土的强度和耐久性。试验证明，混凝土强度，随水灰比增大而降低，呈曲线关系，而混凝土强度与灰水比呈直线关系如图所示。从拌制和振捣的需要出发，水灰比不能低于0．3。对具有良好振捣条件的工厂预制构件，可采用水灰比为0．3、0．4的干硬性混凝土拌合料，否则应采用水灰比为0，5～0．7的塑性混凝土拌合料。一般水灰比最好不超过0．6。水泥石与骨料的