普通混凝土的技術(shù)性質(zhì)（中篇）

    二、硬化混凝土的性能

    （一）混凝土的強度

    強度是硬化混凝土最重要的性質(zhì)，混凝土的其他性能與強度均有密切關(guān)系，混凝土的強度也是配合比設(shè)計、施工控制和質(zhì)量檢驗評定的主要技術(shù)指標(biāo)。混凝土的強度主要有抗壓強度、抗折強度、抗拉強度和抗剪強度等。其中抗壓強度值最大，也是最主要的強度指標(biāo)。

    1．混凝土的立方體抗壓強度和強度等級。根據(jù)我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GBJ81—85）規(guī)定，立方體試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150mm×150mm×150mm；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件為溫度20±3℃，相對濕度90%以上；標(biāo)準(zhǔn)齡期為28天。在上述條件下測得的抗壓強度值稱為混凝土立方體抗壓強度，以表示。其測試和計算方法詳見試驗部分。

    根據(jù)　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010－2002），混凝土的強度等級應(yīng)按立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值確定，混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值系指標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件，在28天齡期用標(biāo)準(zhǔn)方法測得的具有95%保證率的抗壓強度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用混凝土分為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14個等級。根據(jù)《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB50164－1992）的規(guī)定，強度等級采用符號C和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值表示，普通混凝土劃分為C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共12個強度等級。如C30表示立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為30MPa，亦即混凝土立方體抗壓強度≥30MPa的概率要求95%以上。

    混凝土強度等級的劃分主要是為了方便設(shè)計、施工驗收等。強度等級的選擇主要根據(jù)建筑物的重要性、結(jié)構(gòu)部位和荷載情況確定。一般可按下列原則初步選擇：

    （1）普通建筑物的墊層、基礎(chǔ)、地坪及受力不大的結(jié)構(gòu)或非永久性建筑選用C7.5～C15。
    （2）普通建筑物的梁、板、柱、樓梯、屋架等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)選用C20～C30。
    （3）高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土及特種結(jié)構(gòu)宜選用C30以上混凝土。

    2．軸心抗壓強度。軸心抗壓強度也稱為棱柱體抗壓強度。由于實際結(jié)構(gòu)物（如梁、柱）多為棱柱體構(gòu)件，因此采用棱柱體試件強度更有實際意義。它是采用150mm×150mm×（300～450）mm的棱柱體試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護到28天測試而得。同一材料的軸心抗壓強度小于立方體強度，其比值大約為=0.7～0.8。這是因為抗壓強度試驗時，試件在上下兩塊鋼壓板的摩擦力約束下，側(cè)向變形受到限制，即“環(huán)箍效應(yīng)”其影響高度大約為試件邊長的0.866倍，如圖4-8。因此立方體試件整體受到環(huán)箍效應(yīng)的限制，測得的強度相對較高。而棱柱體試件的中間區(qū)域未受到“環(huán)箍效應(yīng)”的影響，屬純壓區(qū)，測得的強度相對較低。當(dāng)鋼壓板與試件之間涂上潤滑劑后，摩擦阻力減小，環(huán)箍效應(yīng)減弱，立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度趨于相等。
   
    圖4-8 鋼壓板對試件的約束作用
    3．抗拉強度。混凝土的抗拉強度很小，只有抗壓強度的1/10～1/20，混凝土強度等級越高，其比值越小。為此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般不考慮承受拉力，而是通過配置鋼筋，由鋼筋來承擔(dān)結(jié)構(gòu)的拉力。但抗拉強度對混凝土的抗裂性具有重要作用，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計中裂逢寬度和裂縫間距計算控制的主要指標(biāo)，也是抵抗由于收縮和溫度變形而導(dǎo)致開裂的主要指標(biāo)。

    用軸向拉伸試驗測定混凝土的抗拉強度，由于荷載不易對準(zhǔn)軸線而產(chǎn)生偏拉，且夾具處由于應(yīng)力集中常發(fā)生局部破壞，因此試驗測試非常困難，測試值的準(zhǔn)確度也較低，故國內(nèi)外普遍采用劈裂法間接測定混凝土的抗拉強度，即劈裂抗拉強度。

    劈拉試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為邊長150mm的立方體，在上下兩相對面的中心線上施加均布線荷載，使試件內(nèi)豎向平面上產(chǎn)生均布拉應(yīng)力，如圖4-9。
        圖4-9 劈裂抗拉試驗裝置示意圖

    此拉應(yīng)力可通過彈性理論計算得出，計算式如下：
    （4-8）

    式中：
    ——混凝土劈裂抗拉強度（MPa）；
    P——破壞荷載（N）；
    A——試件劈裂面積（mm₂）。

    劈拉法不但大大簡化了試驗過程，而且能較準(zhǔn)確地反應(yīng)混凝土的抗拉強度。試驗研究表明，軸拉強度低于劈拉強度，兩者的比值約為0.8～0.9。在無試驗資料時，劈拉強度也可通過立方體抗壓強度由下式估算：
    （4-9）
    4．抗折強度。道路路面或機場道面用水泥混凝土通常以抗折強度為主要強度指標(biāo)，抗壓強度僅作為參考指標(biāo)。根據(jù)我國《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》（JTJ012—94）規(guī)定，不同交通量分級的水泥混凝土計算抗折強度如表4-14。道路水泥混凝土抗折強度與抗壓強度的換算關(guān)系如表4-15。

 

 

    道路水泥混凝土的抗折強度標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為150mm×150mm×550mm的小梁，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28天，按三分點加荷方式（如圖4-10）測定抗折破壞荷載，根據(jù)下式計算抗折強度：
    （4-10）

    式中：
    ——破壞荷載（N）；
    L——支座間距（mm）；
    b、h——試件的寬度和高度（mm）。

    如采用跨中單點加荷得到的抗折強度，應(yīng)乘以折算系數(shù)0.85。    
    圖4-10 路面混凝土三分點抗折試驗裝置示意圖

    5．影響混凝土強度的主要因素。影響混凝土強度的因素很多，從內(nèi)因來說主要有水泥強度、水灰比和骨料質(zhì)量；從外因來說，則主要有施工條件、養(yǎng)護溫度、濕度、齡期、試驗條件和外加劑等等。分析影響混凝土強度各因素的目的，在于可根據(jù)工程實際情況，采取相應(yīng)技術(shù)措施，提高混凝土的強度。

    （1）水泥強度和水灰比：混凝土的強度主要來自水泥石以及與骨料之間的粘結(jié)強度。水泥強度越高，則水泥石自身強度及與骨料的粘結(jié)強度就越高，混凝土強度也越高，試驗證明，混凝土與水泥強度成正比關(guān)系。

    水泥完全水化的理論需水量約為水泥重的23%左右，但實際拌制混凝土?xí)r，為獲得良好的和易性，水灰比大約在0.40～0.65之間，多余水分蒸發(fā)后，在混凝土內(nèi)部留下孔隙，且水灰比越大，留下的孔隙越大，使有效承壓面積減少，混凝土強度也就越小。另一方而，多余水分在混凝土內(nèi)的遷移過程中遇到粗骨料時，由于受到粗骨料的阻礙，水分往往在其底部積聚，形成水泡，極大地削弱砂漿與骨料的粘結(jié)強度，使混凝土強度下降。因此，在水泥強度和其他條件相同的情況下，水灰比越小，混凝土強度越高，水灰比越大，混凝土強度越低。但水灰比太小，混凝土過于干稠，使得不能保證振搗均勻密實，強度反而降低。試驗證明，在相同的情況下，混凝土的強度（）與水灰比呈有規(guī)律的曲線關(guān)系，而與灰水比則成線性關(guān)系。如圖4-11所示，通過大量試驗資料的數(shù)理統(tǒng)計分析，建立了混凝土強度經(jīng)驗公式（又稱鮑羅米公式）：

      4-11 混凝土強度與水灰比及灰水比的關(guān)系
    （4-11  ）

    式中： 
    ——混凝土的立方體抗壓強度（MPa）：
    ——混凝土的灰水比；即1m³混凝土中水泥與水用量之比，其倒數(shù)即是水灰比；
    ——水泥的實際強度（MPa）；
    、——與骨料種類有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。

    水泥的實際強度根據(jù)水泥膠砂強度試驗方法測定。在進行混凝土配合比設(shè)計和實際施工中，需要事先確定水泥強度。當(dāng)無條件時，可根據(jù)我國水泥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及各地區(qū)實際情況，水泥實際強度以水泥強度等級乘以富余系數(shù)確定：
    （4-12）

    式中：
    ——水泥強度等級富余系數(shù)，一般取1.05～1.15。如水泥已存放一定時間，則取1.0；如存放時間超過3個月，或水泥已有結(jié)塊現(xiàn)象， 可能小于1.0，必須通過試驗實測。
    ——水泥強度等級。如42.5級， 取42.5MPa。

    經(jīng)驗系數(shù)、可通過試驗或本地區(qū)經(jīng)驗確定。根據(jù)所用骨料品種，JGJ55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》提供的參數(shù)為：
    碎石：=0.46，=0.07
    卵石：=0.48，=0.33

    混凝土強度經(jīng)驗公式為配合比設(shè)計和質(zhì)量控制帶來極大便利。例如，當(dāng)選定水泥強度等級（或強度）、水灰比和骨料種類時，可以推算混凝土28天強度值。又例如，根據(jù)設(shè)計要求的混凝土強度值，在原材料選定后，可以估算應(yīng)采用的水灰比值。

    [例4-2] 已知某混凝土用水泥強度為45.6MPa，水灰比0.50，碎石。試估算該混凝土28天強度值。

    [解] 因為：W/C＝0.50 所以C/W＝1/0.5＝2

    碎石：＝0.46，＝0.07

    代入混凝土強度公式有：＝0.46×45.6（2－0.07）＝40.5（MPa）

    答：估計該混凝土28天強度值為40.5MPa。

    [例4-3] 已知某工程用混凝土采用強度等級為42.5的普通水泥（強度富余系數(shù)KC為1.10），卵石，要求配制強度為36.8MPa的混凝土。估算應(yīng)采用的水灰比。

    [解] ＝1.10×42.5＝46.8（MPa）

    卵石：＝0.48，＝0.33

    代入混凝土強度公式有：36.8＝0.48×46.8×（C/W－0.33）

    解得：C/W＝1.97， 所以：W/C＝0.51

    答：配制該混凝土應(yīng)采用的水灰比為0.51。

    （2）骨料的品質(zhì)：骨料中的有害物質(zhì)含量高，則混凝土強度低，骨料自身強度不足，也可能降低混凝土強度。在配制高強混凝土?xí)r尤為突出。

    骨料的顆粒形狀和表面粗糙度對強度影響較為顯著，如碎石表面較粗糙，多棱角，與水泥砂漿的機械嚙合力（即粘結(jié)強度）提高，混凝土強度較高。相反，卵石表面光潔，強度也較低，這一點在混凝土強度公式中的骨料系數(shù)已有所反映。但若保持流動性相等，水泥用量相等時，由于卵石混凝土可比碎石混凝土適當(dāng)少用部分水，即水灰比略小，此時，兩者強度相差不大。砂的作用效果與粗骨料類似。

    當(dāng)粗骨料中針片狀含量較高時，將降低混凝土強度，對抗折強度的影響更顯著。所以在骨料選擇時要盡量選用接近球狀體的顆粒。

    （3）施工條件：施工條件主要指攪拌和振搗成型。一般來說機械攪拌比人工攪拌均勻，因此強度也相對較高（如圖4-12所示）；攪拌時間越長，混凝土強度越高，如圖4-13。但考慮到能耗、施工進度等，一般要求控制在2～3min之間；投料方式對強度也有一定影響，如先投入粗骨料、水泥和適量水?dāng)嚢枰欢〞r間，再加入砂和其余水，能比一次全部投料攪拌提高強度10%左右。

    一般情況下，采用機械振搗比人工振搗均勻密實，強度也略高。而且機械振搗允許采用更小的水灰比，獲得更高的強度。此外，高頻振搗，多頻振搗和二次振搗工藝等，均有利于提高強度。
          圖4-12 機械振動和手工搗實對混凝土強度的影響        圖4-13 攪拌時間對混凝土強度的影響

    （4）養(yǎng)護條件：混凝土澆筑成型后的養(yǎng)護溫度、濕度是決定強度發(fā)展的主要外部因素。

    養(yǎng)護環(huán)境溫度高，水泥水化速度加快，混凝土強度發(fā)展也快，早期強度高；反之亦然。但是，當(dāng)養(yǎng)護溫度超過40℃以上時，雖然能提高混凝土的早期強度，但28天以后的強度通常比20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的低。若溫度在冰點以下，不但水泥水化停止，而且有可能因冰凍導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松，強度嚴(yán)重降低，尤其是早期混凝土應(yīng)特別加強防凍措施。

    濕度通常指的是空氣相對濕度。相對濕度低，空氣干燥，混凝土中的水分揮發(fā)加快，致使混凝土缺水而停止水化，混凝土強度發(fā)展受阻。另一方面，混凝土在強度較低時失水過快，極易引起干縮，影響混凝土耐久性。因此，應(yīng)特別加強混凝土早期的澆水養(yǎng)護，確?；炷羶?nèi)部有足夠的水分使水泥充分水化。根據(jù)有關(guān)規(guī)定和經(jīng)驗，在混凝土澆筑完畢后12h內(nèi)應(yīng)開始對混凝土加以覆蓋或澆水，對硅酸鹽水泥、普通水泥和礦渣水泥配制的混凝土澆水養(yǎng)護不得少于7天；對摻有緩凝劑、膨脹劑、大量摻合料或有防水抗?jié)B要求的混凝土澆水養(yǎng)護不得少于14天。

    （5）齡期：齡期是指混凝土在正常養(yǎng)護下所經(jīng)歷的時間。隨養(yǎng)護齡期增長，水泥水化程度提高，凝膠體增多，自由水和孔隙率減少，密實度提高，混凝土強度也隨之提高。最初的7天內(nèi)強度增長較快，而后增幅減少，28天以后，強度增長更趨緩慢，但如果養(yǎng)護條件得當(dāng)，則在數(shù)十年內(nèi)仍將有所增長。
    
    普通硅酸鹽水泥配制的混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下，混凝土強度的發(fā)展大致與齡期（天）的對數(shù)成正比關(guān)系，因此可根據(jù)某一齡期的強度推定另一齡期的強度。特別是以早期強度推算28天齡期強度。如下式：
    （4-13）

    式中：
    、分別為28天和第n天時的混凝土抗壓強度。 必須n≥3天。當(dāng)采用早強型普通硅酸鹽水泥時，由3～7天強度推算28天強度會偏大。

    在實際工程中，可根據(jù)溫度、齡期對混凝土強度的影響曲線，從已知齡期的強度估計另一齡期的強度，如圖4-14所示。
   
    圖4-14 溫度、齡期對混凝土強度的影響曲線

    （6）外加劑：在混凝土中摻入減水劑，可在保證相同流動性前提下，減少用水量，降低水灰比，從而提高混凝土的強度。摻入早強劑，則可有效加速水泥水化速度，提高混凝土早期強度，但對28天強度不一定有利，后期強度還有可能下降。

    （7）試驗條件對測試結(jié)果的影響：試驗條件是指試件的尺寸、形狀、表面狀態(tài)和加載速度等。

    ① 試件尺寸：大量的試驗研究證明，試件的尺寸越小，測得的強度相對越高，這是由于大試件內(nèi)存在孔隙、裂縫或局部缺陷的機率增大，使強度降低。因此，當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件時，要乘以尺寸換算系數(shù)。根據(jù)JGJ55規(guī)定，100mm×100mm×100mm立方體試件換算成150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件時，應(yīng)乘以系數(shù)0.95；200mm×200mm×200mm的立方體試件的尺寸換算系數(shù)為1.05。
    ② 試件形狀：主要指棱柱體和立方體試件之間的強度差異。由于“環(huán)箍效應(yīng)”的影響，棱柱體強度較低，這在前面已有分析。
    ③ 表面狀態(tài)：表面平整，則受力均勻，強度較高；而表面粗糙或凹凸不平，則受力不均勻，強度偏低。若試件表面涂潤滑劑及其他油脂物質(zhì)時，“環(huán)箍效應(yīng)”減弱，強度較低。
    ④含水狀態(tài)：混凝土含水率較高時，由于軟化作用，強度較低；而混凝土干燥時，則強度較高。且混凝土強度等級越低，差異越大。
    ⑤加載速度：根據(jù)混凝土受壓破壞理論，混凝土破壞是在變形達到極限值時發(fā)生的。當(dāng)加載速度較快時，材料變形的增長落后于荷載的增加速度，故破壞時的強度值偏高；相反，當(dāng)加載速度很慢，混凝土將產(chǎn)生徐變，使強度偏低。
    
    綜上所述，混凝土的試驗條件，將在一定程度上影響混凝土強度測試結(jié)果，因此，試驗時必須嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，熟練掌握試驗操作技能。

    6．提高混凝土強度的措施。根據(jù)上述影響混凝土強度的因素分析，提高混凝土強度可從以下幾方面采取措施：

    （1）采用高標(biāo)號水泥。
    （2）盡可能降低水灰比，或采用干硬性混凝土。
    （3）采用優(yōu)質(zhì)砂石骨料，選擇合理砂率。
    （4）采用機械攪拌和機械振搗，確保攪拌均勻性和振搗密實性，加強施工管理。
    （5）改善養(yǎng)護條件，保證一定的溫度和濕度條件，必要時可采用濕熱處理，提高早期強度。特別對摻混合材料的混凝土或用粉煤灰水泥、礦渣水泥、火山灰水泥配制的混凝土，濕熱處理的增強效果更加顯著，不僅能提高早期強度，后期強度也能提高。
    （6）摻入減水劑或早強劑，提高混凝土的強度或早期強度。
    （7）摻硅灰或超細(xì)礦渣粉也是提高混凝土強度的有效措施。