混凝土的强度与变形

1. 混凝土的强度与变形 北京建筑大学 宋少民

2. 现代混凝土强度的构成 从整体上说，混凝土是高度复杂的非均质多相体，其内部的相互作用力主要的是范德华力，影响作用力大小的因素具有对立统一的关系。

3. 工程对混凝土的要求与保证 水泥水化后生成的凝胶体是由纳米级大小的凝胶粒子组成的，互相之间产生较大的吸引力，把粗的、结晶态的、本身强度高的其它粒子胶结在一起组成产生强度的整体，这应当就是硅酸盐水泥胶凝性的本质。

4. 现代混凝土强度的构成 • 水泥浆体中纳米尺度单元的尺寸多样化无序团聚的粒子群赋予混凝土的强度。 • 颗粒越细，粒子间距离越近，相互间的吸引力越大。 • 骨料界面的粘结效果对强度的构成具有显著影响。 • 颗粒的密实填充对于形成高强度很重要。

5. 混凝土硬化结构的特点 • 复杂和不匀质 • 硬化混凝土是一种多相(气、液、固三相兼而有之）、多孔的复合材料，具有高度不均匀性和复杂的内部结构。 • 多相的界面 • 混凝土的微观结构与硬化水泥浆基相 • 及单一骨料相微观结构的最大差别在于第 • 三相—水泥石-骨料界面过渡区。过渡区 • 的微观与系统中水泥石或水泥砂浆（骨料） • 的结构有着明显的区别。

6. 混凝土的非均一复杂特点体现于以下三个方面：混凝土的非均一复杂特点体现于以下三个方面： ⑴ 过渡区是围绕骨料（特别是大骨料）周围的一层薄壳，厚度一般为10-15μm，通常比混凝土另两个主要相薄弱。 ⑵ 三相中任一相本身，本质上都是多相的非均一复杂结构。例如在任何一相中都含有不同类型和不同数量的固体相、孔和微裂缝。 ⑶ 混凝土中的水泥石和过渡区这两个相是不稳定的，即它们的结构随时间、环境温度和湿度的变化而变化。

7. 过渡区的强度 过渡区的强度比水泥石本体要低，是三相中最薄弱的环节，原因有三： ⑴ 在水化的早期由于过渡区的水灰比大，所以它的孔体积与孔径均比水泥石或砂浆基体大，这种情况只有在长龄期才会有所改善。 ⑵ 过渡区内的氢氧化钙结晶体大，因此表面积减少，相应的范德华引力也变弱，且取向生长，有利于裂缝形成。 ⑶ 过渡区裂缝的存在。

8. 强度-孔隙率这个普遍的关系对水泥浆和 砂浆材料比较适用，对混凝土材料其适 用性受到骨料和水泥浆之间软弱过渡区 的影响。混凝土材料的强度不仅受孔隙 的影响，而且同时受到过渡区原生裂缝 的影响。

9. 混凝土的破坏理论 对于理想材料而言，强度大约应该是弹性模量的十分之一。混凝土的弹性模量大约在几万兆帕，混凝土如果是理想结构，强度应该是几千兆帕，而实际上只有几十兆帕。这是为什么呢？

10. 混凝土的破坏理论 Griffith理论得到广泛认可。混凝土中存在许多微裂缝，在受到外力作用时，会产生应力在微裂缝尖端集中现象。随着荷载的增大，微裂缝尖端材料的局部拉应力可能增长到某种水平以至于变形能的减小恒大于表面能的增加，此时裂缝即成为能够不断扩展的不稳定裂缝，导致材料的破坏。

11. Ⅵ Ⅴ 100 Ⅲ C Ⅳ 70- 90 极限荷载，% B Ⅱ 30 A Ⅰ 变 形 0 (1) 混凝土的受力变形及破坏过程 Ⅰ—界面裂缝无明显变化； Ⅱ—界面裂缝增长； Ⅲ—出现砂浆裂缝和连续裂缝； Ⅳ—连续裂缝迅速发展； Ⅴ—裂缝缓慢增长； Ⅵ—裂缝迅速增长。 混凝土受压变形曲线 Ⅳ Ⅲ Ⅱ 未加荷载 Ⅰ 不同受力阶段裂缝示意

12. (2) 混凝土的抗压强度 fcu,MPa 立方体抗压强度 150mm 150mm 温度：20℃±2℃ 湿度：﹥95% 龄期：28d 150mm 300mm 棱柱体抗压强度 （轴心抗压强度） fcp=(0.70-0.80)·fcu fcp,MPa

13. 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。

14. 混凝土强度等级 • 依据立方体抗压强度标准值确定普通混凝土强度等级：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60；

15. (3) 混凝土的抗拉强度 混凝土的抗拉强度很小,只有抗压强度的1/10—1/20。在结构设计中,抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。

16. 拉伸破坏：脆性破坏 在单轴拉伸作用下，使硬化水泥浆体产生 裂缝及其扩展只需要较小的能量，在过渡区 存在的原生裂缝和浆体内新生成的裂缝迅速 地扩展与彼此连通，称之为脆性开裂

18. 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fts混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算：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fts混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算： • 式中fts——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。

19. (4) 影响混凝土强度的因素 混凝土破坏过程 界面裂缝 砂浆裂缝 连续裂缝 破坏 骨料与砂浆 的粘结强度 砂浆强度 由水泥等级、水灰比(水胶比)、 骨料的性质、施工质量、 养护及龄期决定

20. C fcu=Afce( -B) W 水灰比和水泥等级——决定传统混凝土强度的主要因素 对于流动性和低流动性混凝土有： 包罗米（Bolomey）公式 fcu——混凝土28天抗压强度，MPa； A、B——经验系数。与骨料的品种、水种品种等因素有关。 采用碎石：A=0.46，B=0.07； 采用卵石：A=0.48，B=0.33。 fce——水泥的实际强度，MPa； C/W——灰水比（质量比）；W/C——水灰比。 水泥完全水化理论值0.23

21. 在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中水胶比决定着混凝土的强度在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中水胶比决定着混凝土的强度 • 混凝土和水泥强度之间不再有线性关系

22. 抗压强度,MPa Ln(n) fn = f28——— Ln(28) 3 7 28 龄期 需要说明的是此公式适用于四组分传统混凝土 龄期，d fn—— nd龄期混凝土的抗压强度，MPa； f28—— 28d龄期混凝土的抗压强度，MPa； n——养护龄期（n≥3d）

23. 混凝土的养护 基本概念：水化反应进程决定孔隙结构 的发展。养护通过控制混凝土硬化过程 的时间、温度、湿度条件来促进或控制 水化进程。

24. 混凝土的养护 在常温下，水泥颗粒一遇水就开始水化反应， 当水化产物包裹了未水化的水泥颗粒后，反 应速度明显降低，因为水化只有在饱水条件 下才能继续，当毛细孔内的水蒸气分压下降 到80％ 饱和蒸汽压以下（即相对湿度小于 80%），水化就停止了。因此时间和湿度是水 分扩散控制水化过程的重要参数，此外，如 同所有的化学反应一样，温度对水化反应有 促进作用。

25. 养护温度和湿度的影响 长期保持潮湿 38℃ 保持潮湿7d 抗压强度,MPa 养护28天强度，% 18℃ 保持潮湿3d 4℃ 保持潮湿1d 龄期，d 龄期，d 养护温度对混凝土强度的影响 混凝土强度与保湿养护时间的关系

26. 养护湿度的控制 • 混凝土自然养护过程中，保持一定的湿度，一般是表面覆盖草袋等物并不断浇水。 • 使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，浇水保湿应不少于7d； • 火山灰水泥和粉煤灰水泥或掺有缓凝剂或有抗渗要求时不少于14d； • 高铝水泥不少于3d。

30. 抗压强度，MPa 0.3 0.4 0.5 0.6 水灰比 捣实方法对混凝土强度的影响 50 40 30 20 10 2 1——人工捣实 2——机械捣实 1

32. (5)提高混凝土强度和促进混凝土强度 发展的措施 • 有早期强度要求时，采用高等级水泥，并保证一定的水泥掺用比例。 • 使用高效减水剂，采用低水胶比。 • 掺入矿物细粉掺合料，选择尤其硅灰，可以提高混凝土强度，尤其是早期强度；掺加粉煤灰可以保证后期强度的增长。

33. 采用强度相对较高，粒形良好和级配合理的骨料。采用强度相对较高，粒形良好和级配合理的骨料。 • 机械搅拌和振捣，可使混凝土拌合物很好充满模板，内部孔隙大大减小，从而使混凝土的密实度和强度大大提高； • 采用湿热处理（蒸汽养护或蒸压养护）一般作为制备构件的养护工艺

34. 采用湿热处理 • 普通水泥最适合的蒸汽养护温度为80℃左右，时间5～8h，蒸汽压力为0.1MPa ； • 矿渣水泥及火山灰水泥为90℃左右，时间不超过12h，蒸汽压力为0.1MPa； • 蒸压养护温度175℃,蒸汽压力0.8MPa，时间8～10h。

36. 试件尺寸和形状

37. 此外—骨料的影响 总体来讲，在较低水胶比情况下，骨料粒径增大将导致混凝土强度降低。主要原因是： ⑴ 较大骨料减少了其比表面积，从而黏结强度比较小。 ⑵ 较大粒径骨料对硬化水泥浆体的体积变化约束也比较大，因而会在混凝土内部引起附加拉应力。 ⑶较大粒径骨料更易集聚内部泌水形成水囊。在这些位置上的界面过渡区产生微裂缝。

39. 问 题 以下情况哪一种将产生较高的28天强度，并 说明原因： 1. 水灰比0.5和0.4， 2. 养护温度25度和10度， 3. 使用100mm和150mm立方体试件 4. 加载速率3 MPa/s 和0.3 MPa/s*

40. 4.2.3 混凝土的变形 荷载变形 温度变形 干湿变形、 自生收缩、 塑性收缩、 化学减缩、

41. 化学减缩 化学减缩是由水泥的水化反应所产生的固有体积收缩。虽然化学减缩率很小，在限制应力下不会对结构物产生破坏作用，但其收缩过程在混凝土内部会产物微细裂缝，影响到混凝土的受载性能和耐久性能。

42. 塑性收缩 到达顶部的泌出水会蒸发掉，如果泌水速度低于蒸发速度，表面混凝土含水减小，而引起的变形，一般发生在拌合后3～12h以内，在终凝前比较明显。 由于干缩引起塑性状态下的裂缝。这是由于混凝土表面区域受到约束产生拉应变，而这时它的抗拉强度几乎为零，所以形成塑性收缩裂缝，这种裂缝与塑性沉降裂缝明显不一样。当混凝土本体或环境温度高、相对湿度小，以及风大时容易出现塑性收缩裂缝。

44. 自生收缩

45. 混凝土在干燥过程中，首先发生气孔水和毛细水的蒸发。气孔水的蒸发并不引起混凝土的收缩。毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压，随着空气湿度的降低，负压逐渐增大，产生收缩力，导致混凝土收缩。同时，水泥凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，由于分子引力的作用，粒子间距离变小，使凝胶体产生紧缩。混凝土在干燥过程中，首先发生气孔水和毛细水的蒸发。气孔水的蒸发并不引起混凝土的收缩。毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压，随着空气湿度的降低，负压逐渐增大，产生收缩力，导致混凝土收缩。同时，水泥凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，由于分子引力的作用，粒子间距离变小，使凝胶体产生紧缩。 混凝土的这种体积收缩称为干缩.

46. 水中养护 膨胀0 龄期 应变 收缩 空气中养护 干湿变形（干缩湿胀） 混凝土中过大的干缩会产生干缩裂缝，使混凝土性能变差。混凝土结构设计中干缩率取值一般为1.5～2.0×10-4。 干缩主要是水泥石产生的，因此降低水泥用量，减小水灰比是减少干缩的关键。

48. 【案例】混凝土早期养护不好导致出现收缩裂缝【案例】混凝土早期养护不好导致出现收缩裂缝 概要 连云港地区某多层住宅，为7层砖混结构，混凝土等级均为C30，该工程2002年1月开工，该年12月竣工。2004年8月16日，六楼住户发现书房以及主卧室的墙角处有两道圆弧型的裂缝。8月24日，在铺贴阁楼瓷砖时，在书房处发现其顶板从中间向两边呈45。开裂。后发现主卧室的顶板也发生明显的开裂现象。该楼层施工气象条件为该地区大气比较寒冷的一段时期，最低气温30C ，最高气温150C，相对湿度在30%—40%之间，当日的风速很大。施土中虽然采取了多种冬季施工措施，但在作业时仅采用双层草帘覆盖保温，未采取洒水养护和防风措施。

49. 分析 如前所述，特别是风大时，施土完毕后，混凝土正处于初凝期，强度尚未有大的发展，作业又没有防风措施，导致混凝土失去水分过快，引起表面混凝土干缩，产生裂缝。另外，从裂缝绝大多数集中在构件较薄及与外界接触面积最大的楼板上这一现象也可证实，开裂与其使用的材料关系不大，而受气象条件的影响大些。与楼板厚度接近的墙体之所以未裂，是因为墙体两面都有模板，不直接受大气的影响。由此可以基本断定，大气因素是导致混凝土现浇板出现干缩裂缝的直接因素。

50. 混凝土表面的干燥收缩裂缝