混凝土承受外界荷载的动力不仅取决于所承受荷载的种类,而且决定于各种不同因素如何组合,以影响混凝土不同结构组份的比例。这些不同因素包括组成混凝土拌合物(wù)的各材料的性质和比例等内在因素养护条件、捣实程度、实验参数等外在因素。
普通混凝土的受力破坏,主要出现在水泥石与集料的界面上以及水泥石中。可(kě)见,混凝土的强度主要取决于水泥石与集料的粘结强度和水泥石的强度。因此,水泥的强度、水灰比及集料的情况,同时包括所使用(yòng)的外加剂性质及用(yòng)量,是影响混凝土强度的主要因素。
1水泥和水灰比
普通混凝土的强度主要取决于水泥石的质量,实验证明混凝土的强度与水泥石强度成正比,而水泥石的质量又(yòu)取决于所采用(yòng)的水泥的特性(尤其是水泥标号)和水灰比。
水泥石混凝土中的活性组份,在按一定配比和水拌合后,可(kě)作為(wèi)水硬性胶凝材料将颗粒状集料胶结成具有(yǒu)一定强度的人造石材。再配合比相同的情况下,所使用(yòng)的水泥标号越高,水泥石的强度及其与集料之间的粘结力也越大,制成混凝土强度也越高。
从强度观点看,水灰比-空隙率关系无疑是重要的因素,因為(wèi)它影响着水泥浆基體(tǐ)以及基體(tǐ)与粗集料间的过度區(qū)的空隙率,进而对混凝土的强度产生极大的影响。
水灰比对混凝土强度的影响主要表现在水泥石的空隙率上,进而混凝土强度,当混凝土拌合物(wù)充分(fēn)捣实时,混凝土强度随水灰比的降低而提高,在混凝土的强度及其其它条件相同的情况下,混凝土的强度主要取决于水灰比,这一规律常被称為(wèi)水灰比定则。
水灰比越小(xiǎo),水泥石的强度及其与集料的粘结强度越大,混凝土的强度越高。但水灰比过小(xiǎo),拌合物(wù)过于干稠,使工作性降低。当工作性降低到某种方法(如人工捣实)不能(néng)有(yǒu)效密实时,水灰比的继续降低会是混凝土结构的不均匀性增大,不能(néng)保证混凝土的质量。
除了水泥性质外,水泥质量的波动对混凝土强度的影响也是值得注意的问题。采用(yòng)具有(yǒu)相同平均强度而离散系数小(xiǎo)的水泥,可(kě)以降低水泥的用(yòng)量。
水泥质量波动引起的混凝土强度的标准离差,不随龄期而增大;但混凝土强度的离散系数却因强度随龄期的增大而减小(xiǎo)。产生这种现象的原因是:水泥的质量波动大多(duō)是由于水泥细度和C3S含量的差异引起的,而这些因素对早期的强度影响最大,随着时间的延長(cháng)、水泥水化程度的提高,这种影响逐渐减少。
2集料和集灰比
对于普通混凝土来说,尽管集料强度几乎不被利用(yòng)破坏决定于其它两项,但是,集料除强度外还有(yǒu)其它特性,诸如粒形、粒径、表面结构、级配(颗粒分(fēn)布)以及矿物(wù)成分(fēn),这些都已知会在不同程度上影响混凝土的强度。集料颗粒的粒形、粒径、表面结构和矿物(wù)成分(fēn)还影响了过渡區(qū)的特性,从而影响混凝土的强度。通常情况下,集料性质,特别是玻璃表面状态和矿物(wù)组成,对极限抗压强度的影响较对抗拉强度或初裂抗压强度要小(xiǎo)的多(duō)(高强混凝土除外)。
裂缝形成时的应力大多(duō)取决于粗集料的性质,光滑的卵石制成的混凝土的开裂应力较粗糙有(yǒu)棱角的碎石混凝土為(wèi)低,这可(kě)能(néng)是由于表面性质对机械咬合作用(yòng)产生影响的缘故;粗集料的形状对机械拟合也有(yǒu)一定影响。集料品种对混凝土强度的影响,又(yòu)与水灰比有(yǒu)关。随着水灰比的增大,集料的影响减小(xiǎo)。
在矿物(wù)成分(fēn)一定,级配良好的粗集料改变其最大粒径对混凝土强度有(yǒu)两种相反的影响。水泥用(yòng)量和稠度相同,含较大集料粒径的混凝土拌合物(wù)比较含较小(xiǎo)集料粒径的拌合物(wù)所需拌合水较少;而较大集料却又(yòu)趋于形成含较多(duō)微裂缝的弱过度區(qū),其最终影响随混凝土水灰比和所加应力的不同而变化。不同的集料矿物(wù)组成同样影响混凝土强度。已公布的许多(duō)报告表明,在同一条件下,以钙质集料取代硅质集料将导致混凝土强度明显改善。
集灰比对混凝土强度的影响,一般认為(wèi)是一个次要因素。但对于强度约大于35Mpa的混凝土,集灰比的影响却明显表现出来,在相同水灰比情况下,混凝土的强度随着集灰比的增大而提高的趋势,这可(kě)能(néng)与集料数量增大,吸水量也增大,以至有(yǒu)效水灰比降低有(yǒu)关,也可(kě)能(néng)与混凝土内空隙减小(xiǎo)有(yǒu)关,或者与集料对混凝土强度所起的作用(yòng)有(yǒu)关得以更好的发挥有(yǒu)关。
但应注意的是,在水泥用(yòng)量很(hěn)大而而水灰比很(hěn)小(xiǎo)的情况下,集灰比的增大会导致混凝土后期强度的衰退,这种现象产生的原因:集料颗粒限制水泥石收缩而产生的应力是水泥石开裂或水泥石-集料之间失去粘结。
3外加剂与矿物(wù)掺和材
化學(xué)外加剂对混凝土的强度影响主要通过以下几种方式进行:
(1)降低水灰比,如减水剂;
(2)使混凝土空隙率增加,结果导致强度降低,如加气剂、泡沫剂等;
(3)调节水泥硬化时间,影响混凝土获得强度的速率,但对最终强度无明显影响,如缓凝剂、促凝剂等。对于一种化學(xué)外加剂来说,他(tā)对混凝土的影响是多(duō)方面的,因此在混凝土配合比设计及外加剂实用(yòng)过程中应加以综合考虑。
為(wèi)了生态學(xué)和经济方面的理(lǐ)由,在混凝土中使用(yòng)火山(shān)灰和胶凝性副产品作為(wèi)矿物(wù)性外加剂的实例越来越多(duō)。尽管部分(fēn)取代波特兰水泥或作為(wèi)活性掺和料时,矿物(wù)性外加剂通常会延缓强度获得的速率,但矿物(wù)外加剂在常温下具有(yǒu)与水化波特兰水泥浆體(tǐ)中氢氧化钙的反应能(néng)力,并形成额外的水化硅酸钙,可(kě)导致大大降低基體(tǐ)和过度區(qū)中的空隙率。
因此,在混凝土中掺入矿物(wù)性外加剂能(néng)显著的提高最大强度和水密性,尤其对混凝土抗拉强度有(yǒu)良好效果。
為(wèi)了使混凝土能(néng)达到预定的强度,还必须在施工中搅拌均匀、捣固密实,养护良好并使之达到规定的龄期。
1施工条件的影响
施工条件是确保混凝土结构均匀密实、硬化正常、达到设计要求强度的基本条件。在施工过程中必须把拌合物(wù)搅拌均匀,浇注后必须捣固密实,且经良好的养护才能(néng)使混凝土硬化后达到预定的强度。
采用(yòng)机械搅拌比人工搅拌的拌合物(wù)更均匀,同时采用(yòng)机械捣固的混凝土更密实,因此机械捣固可(kě)适用(yòng)于更低水灰比的拌合物(wù);能(néng)获得更高的强度。
改进施工工艺性能(néng)也能(néng)提高混凝土强度,如采用(yòng)分(fēn)次投料搅拌工艺、高速搅拌机搅拌、高频或多(duō)频振捣器振捣、二次振捣工艺都会有(yǒu)效的提高混凝土的强度
2养护条件的影响
為(wèi)了获得质量良好的混凝土,混凝土成型后必须在一定的养护条件下(包括养护温度)进行养护,目的是保证水泥水化的正常进行一达到预定的强度和其他(tā)性能(néng)。
周围环境湿度是保证水泥正常水化、混凝土顺利形成的一个重要条件。在适当的湿度下,水泥能(néng)正常水化,使混凝土强度充分(fēn)发展。如果湿度不足,混凝土表面会发生失水干燥现象,迫使内部水分(fēn)向表面迁移,造成混凝土结构疏松、干裂,不但降低强度,而且还将影响混凝土的耐久性能(néng)。
环境温度对水泥水化作用(yòng)的影响是显著的。养护温度高,可(kě)以加快水泥水化速度,混凝土早期强度高;反之,混凝土在低温下强度发展相应迟缓,尤其温度在冰点以下时,不但水泥水化基本停止,而且还会在混凝土中结冰造成强度大幅,初期养护温度越高,混凝土强度衰退越低。
但温度不能(néng)太高,太高由于急速的初期的水化会导致水泥粒子表面的孰料矿物(wù)水化很(hěn)快形成致密的水化产物(wù)层,组织水分(fēn)向粒子内部的渗入,妨碍了水泥的进一步水化;同时,由于过快的早期水化速度导致水化产物(wù)中结晶尺寸过小(xiǎo),相互间的搭接不充分(fēn),导致不均匀分(fēn)布,是水化物(wù)稠度较低的區(qū)域成為(wèi)水泥石中的薄弱点,从而降低整體(tǐ)强度。而在养护温度相对较低的情况下,如在4-23℃,由于水化缓慢,具有(yǒu)充分(fēn)的扩散时间,从而使水化物(wù)得以在水泥石中均匀分(fēn)布。
3实验条件对混凝土强度测定值的影响
(1)试件尺寸。实践证明试件的尺寸越小(xiǎo),测得的强度越高,原因是大试件内部缺陷存在的概率增大及环箍效应的作用(yòng)的减小(xiǎo)所引起的。
(2)试件形状。对棱柱體(tǐ)来说,由于消除了环箍效应的影响,其抗压强度比立方體(tǐ)略低。
(3)表面状态。当混凝土试件受压面上有(yǒu)油脂类润滑物(wù)质存在时,由于压板与试件间摩擦力减小(xiǎo)使环箍效应影响减小(xiǎo),试件将因垂直裂纹,测得的强度值较低。
(4)含水程度。由于潮湿情况对混凝土的影响,气干试件比饱和状态下的相应试件要高20-25%,可(kě)能(néng)由于水的软化作用(yòng)及水泥浆體(tǐ)中存在拆开力引起的。
(5)加荷速度。由于破坏是试件变形达到一定程度时才发生的,当实验加荷速度较快时,材料变形的增長(cháng)落后于荷载的增加,因此破坏时的强度值偏高。
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