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第十三章硬化混凝土的性能主要包括:强度变形耐久性第一节混凝土的强度一、混凝土的抗压强度立方体抗压强度:边长为100mm、150mm、200mm的立方体试件轴心抗压强度:150mm×150mm×300mm的棱柱体试件圆柱体抗压强度:Φ150mm×300mm的圆柱体试件GBJ81-85《普通混凝土力学性能试验方法》搅拌:实验室制作试件:一般先加砂子、石子,再加水泥,掺合料,然后加水和外加剂,共同搅拌2~5分钟。商品混凝土搅拌站:根据混凝土强度等级不同、搅拌机不同,设计不同的投料顺序和搅拌时间。成型:将混凝土拌合物一次装入试模,采用震动台成型,振动至混凝土表面出浆为止。刮去多余的混凝土并抹平。养护:成型后覆盖表面,在20±5℃静置一昼夜,拆模,在20±3℃,相对湿度90%以上的标准养护室中养护至龄期。抗压强度试验:将试件表面擦拭干净,测量尺寸,放在压力机的承压板中央,以试件的浇注面作为受压面。混凝土强度等级低于C30时,加荷速度取每秒钟0.3~0.5MPa;混凝土强度等级高于或等于C30时,取每秒钟0.5~0.8MPa。试验结果计算:以三个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时,则把最大及最小值一并舍除,取中间值作为该组试件的抗压强度值。如有两个测值与中间值的差均超过中间值的15%,则该组试件的试验结果无效。试件尺寸(mm)集料最大粒径(mm)强度的尺寸换算系数100×100×100300.95150×150×150401200×200×200601.05GBJ10-89《混凝土结构设计规范》混凝土强度等级是按立方体抗压强度标准值来确定的。立方体抗压强度标准值是指具有95%保证率的立方体抗压强度,也就是指在混凝土立方体抗压强度测定值的总体分布中,低于该值的百分率不超过5%。分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C6012个等级。C30表示混凝土立方体抗压强度≥30MPa,其保证率为95%。不同的建筑工程,不同的部位采用不同强度等级的混凝土。实际工程强度:与工程相同的环境下养护,按需要的龄期进行测试,作为现场混凝土质量控制的依据。二、抗拉强度混凝土是一种脆性材料,在直接受拉时,变形很小就会开裂、破坏。脆性系数:混凝土抗压强度与抗拉强度的比值。在9.0~14.5之间。随混凝土强度等级提高,脆性系数越大。抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标,也可用来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度。轴向抗拉强度:难取得满意结果劈裂抗拉强度:150mm×150mm×150mm立方体弯曲抗拉强度(抗折强度)三分点加载法:150mm×150mm×600mm棱柱体小梁中心点加载法劈裂抗拉试验示意图1-上压板2-垫条3-垫层4-下压板三分点加载法试验示意图中心点加载法试验示意图三、混凝土强度的影响因素1.水泥强度等级:越高①所配制的混凝土中的水泥浆体强度越高;②水泥浆体与集料间的粘结力越大。混凝土的强度也越高2.水灰比:在一定范围内,随水灰比的减小,强度有规律的提高。用于水化后多余的水分残留在混凝土中,形成水泡和水道,挥发后形成气孔和孔道①减少了抵抗荷载的有效断面;②受力时在孔隙和孔道周围产生应力集中,引起微裂纹的扩展。混凝土强度降低混凝土强度与水灰比的关系式:fcu,0=αa·fce·[(C/W)-αb]fcu,0-混凝土28天抗压强度,MPa;fce-水泥强度等级或实际强度,MPa;C/W-灰水比,适用范围1.2~3.0;αa、αb-回归系数,与集料品种、水泥品种有关。碎石:αa=0.46,αb=0.07卵石:αa=0.48,αb=0.33利用上式解决:①当水泥强度等级fce已经选定,配制某一强度fcu,0的混凝土时,计算出应用的水灰比W/C近似值。②当已知水泥强度等级fce和选定水灰比W/C时,计算该混凝土28天可能达到的强度fcu,0。3.集料的品种、质量和数量品种:与卵石相比,碎石表面粗糙富有棱角对强度更有利①与水泥浆体的粘结力较强;②颗粒之间具有嵌固作用。石子品种的影响与所用水灰比有关:a.W/C0.4时,碎石混凝土与卵石混凝土强度差值可高达38%;因为主要矛盾为界面强度b.随W/C增大,两者差值逐渐减少;c.W/C≥0.65,两者的强度差异不太显著。因为主要矛盾为水泥浆强度质量:①有害杂质含量过多,降低混凝土强度;②与水泥浆体有一定程度的化学反应,影响界面强度。如:a.石英岩、玄武岩等酸性集料可与水泥浆中的Ca(OH)2反应,在界面生成强度较高的水化硅酸钙反应层;b.部分碳酸盐质碱性集料会形成弱的接触层,界面水泥浆强度较低。数量-集灰比:对C35以上混凝土强度影响大W/C一定时,集灰比增大,混凝土强度提高①集料增多,表面积增加,吸收了部分润湿水,降低了有效水灰比,使水泥浆体密实;②水泥浆数量减少,混凝土内的总孔隙体积减少。4.养护条件湿度:a.水泥凝结以后水化反应只能在毛细孔内发生,所以要防止毛细孔中水的蒸发。b.潮湿环境下养护:湿砂覆盖、喷雾、浸水和塑料薄膜覆盖。温度:对混凝土强度的发展有很大影响①温度较低混凝土强度增长率下降,需要较长的潮湿养护时间。②早期养护温度稍低,混凝土早期强度发展较慢,但后期强度发展较好。③高温养护可以提高早期强度,但后期强度较低。因为水泥颗粒外表过早形成水化产物,不易分布均匀:a.水化物稠密度较低的区域,成为水泥浆体的薄弱点,降低了整体强度;b.水化物稠密度过高的区域,水化物包裹在水泥粒子周围,阻碍水分进入内部继续进行水化反应,从而减少了水化产物的量,后期强度降低。5.龄期混凝土强度随龄期增长:Rt=Algt+B对数公式:Rn=R28lgn/lg28(n≮3)斯拉特公式:R28=R7+kR76.试验条件非标准尺寸试件:a.试件尺寸越小,环箍效应越大,对测得的强度值的提高效果更大;b.试件尺寸越大,出现裂纹、孔隙的机会越多,强度值偏低。加荷速度:越大,测得的强度值越高第二节混凝土的变形一、非荷载作用状态下的变形1.化学收缩:水泥水化使生成物总体积小于反应物总体积。不可恢复。收缩值随龄期延长而增加,与时间的对数成正比。在40多天内增长较快,以后减缓。2.干湿变形由于毛细孔水蒸发及部分凝胶体颗粒中的吸附水蒸发所致。大部分可恢复。收缩受到约束,会引起混凝土开裂。结构设计:配筋原材料品质:如水泥品种(火山灰水泥收缩大于普通水泥)、水泥强度等级(越高,混凝土收缩越大)、集料含泥量(越大,混凝土收缩越大)混凝土配合比:如水泥用量、水灰比、砂率养护:保湿3.温度变形温度升高1℃,1m3混凝土约膨胀0.01mm。混凝土是热不良导体,散热较慢,热量聚集在混凝土内部,使内外产生温差,对大体积混凝土温差可达50~70℃。内部温度高混凝土体积膨胀,外部温度随气温降低混凝土体积收缩,两者相互制约,在混凝土外表层产生很大拉应力,使混凝土产生裂缝。水泥用量、凝结特性的影响。养护制度的影响。伸缩缝设置。二、弹塑性变形和弹性模量弹性变形:加载时出现,卸载时恢复到原始状态的变形。塑性变形:加载时出现,卸载时不能恢复到原始状态的变形。混凝土是一种多相复合材料,既有弹性变形,又有塑性变形,是一种弹塑性材料。随应力增大,应力与应变的比值减小。加荷和卸荷时混凝土应力-应变曲线混凝土在低应力重复荷载时的应力-应变曲线GBJ81-85《普通混凝土力学性能试验方法》割线弹性模量:在低应力下,随荷载重复次数增加,塑性变形的增量逐渐减少,最后得到的应力-应变曲线与初始切线平行,割线A’C’的弹性模量。测定:采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件,取其轴心抗压强度值的40%作为试验控制应力荷载值,经多次反复加荷和卸荷,测得应力与应变的比值为弹性模量Ec。混凝土强度越高,弹性模量越高。混凝土配合比影响:集料含量较多,水灰比较小,弹性模量较大。养护制度影响:标准养护条件好。龄期影响:越长,弹性模量越大。三、混凝土的徐变徐变:混凝土在长期恒定荷载作用下,随时间延长,沿作用力方向的变形发展,一般要2~3年才趋于稳定。在荷载作用初期,徐变变形增长较快,以后逐渐变慢,最终稳定下来。加荷:瞬时变形(弹性变形)徐变卸荷:瞬时恢复(弹性变形恢复)徐变恢复原因:在长期荷载作用下a.水泥石中的凝胶体产生粘性流动,向毛细孔内迁移;b.凝胶体内的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透。初期:未填满的毛细孔较多,迁移较容易,徐变增长较快;后期:由于水化和迁移的进行,毛细孔较少变小,徐变速度越慢。影响因素:水泥用量多,徐变大水灰比小,徐变小水中养护,徐变小混凝土弹性模量大,徐变小集料弹性模量大,徐变小第三节混凝土的耐久性定义:混凝土在长期外界因素作用下,抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性,从而维持混凝土结构安全、正常使用的能力称为混凝土的耐久性。混凝土的耐久性主要包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱集料反应及混凝土中钢筋锈蚀等性能。钢筋锈蚀碳化Cl-离子侵蚀抗侵蚀组分溶解和浸析离子交换反应形成膨胀性产物碱度降低产生内应力,变形开裂Ca2+作为可溶产物被移走Ca2+作为不溶不膨胀产物被移走C-S-H中的Ca2+被置换强度下降质量损失孔隙增加抗渗变差一、抗渗性定义:混凝土抵抗水、油等液体在压力下渗透的性能。抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因素。抗渗性差,水及有害介质容易渗入,抗冻、抗侵蚀、抗碳化、抗钢筋锈蚀能力均下降。GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》测定:采用顶面直径为175mm,底面直径为185mm,高度为150mm的圆台体试件。将试件养护至要求的龄期时,使用抗渗仪进行试验。试验从水压0.1MPa开始。以后每隔8h增加水压0.1MPa。当六个试件中有三个试件端面出现渗水现象时,即可停止试验并记录当时的水压。混凝土的抗渗标号以每组六个试件中四个试件未出现渗水时的最大水压力计算,其计算式为S=10H-l式中S——抗渗标号;H——六个试件中三个渗水时的水压力(MPa)。混凝土的渗透系数K可用下式表示:式中:ε——总孔隙率;r——孔的水力半径;η——流体的粘度;C——常数。说明渗透性与总孔隙率和孔隙大小密切相关,渗透系数正比于孔隙半径的平方,与总孔隙率成一次方的正比关系,因而孔径大小对抗渗性的影响比孔隙率的影响更大。2rCK主要影响因素孔结构——水灰比研究表明,凝胶孔对抗渗性几乎无影响;毛细孔,尤其是连通的毛细孔对抗渗性极为不利。总孔隙率越大,渗透的通道就越多;孔径大的毛细孔越多,渗透的通道越大;连通孔越多,渗透的通道越通畅。混凝土的抗渗性越差实际工程中的影响因素集料与水泥浆体的界面:存在过渡的多孔区,集料越粗,影响越大。混凝土捣实不良或泌水过度:形成渗透的通路蒸气养护:混凝土中部分水被蒸发形成渗透的通路混凝土先经干燥然后受湿:干燥时混凝土中的水被蒸发形成渗透的通路二、抗冻性定义:是指混凝土在饱水状态下,经受多次冻融循环作用,能保持强度和外观完整性的能力。在寒冷地区,尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土,要求具有较高的抗冻性能。冻融破坏的原因由于混凝土内部空隙和毛细孔道中的水结冰时产生体积膨胀(9%)和冷水迁移,产生一定的应力,当这种应力超过混凝土的抗拉强度时,则使混凝土产生微细裂缝。微细裂缝为不可逆的结构变化,在冰融化后不能完全复原,所产生的膨胀仍有部分残留,再次冻融时,原先形成的裂缝又由于结冰而扩大。在反复受冻融作用下,微细裂缝逐渐增多和扩大,混凝土强度降低直至破坏。结冰特点水泥浆体中的结合水是不会结冰的;由于凝胶孔极为窄小,凝胶水只能在极低的温度(-78℃)下才能结冰;一般自然条件的低温下,只有毛细孔中的水和自由水才会结冰;浆体中的水并非纯水,而是含有Ca(OH)2和碱类的盐溶液,故冰点非0℃而是在-1℃以下;毛细孔中的水还受到
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