普通混凝土的技術(shù)性質(zhì)(中篇)
2006-01-18 00:00
二、硬化混凝土的性能
(一)混凝土的強(qiáng)度
強(qiáng)度是硬化混凝土最重要的性質(zhì),混凝土的其他性能與強(qiáng)度均有密切關(guān)系,混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度主要有抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。其中抗壓強(qiáng)度值最大,也是最主要的強(qiáng)度指標(biāo)。
1.混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)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(hù)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(qiáng)度值稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度等級應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值系指標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等級。如C30表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30MPa,亦即混凝土立方體抗壓強(qiáng)度≥30MPa的概率要求95%以上。
混凝土強(qiáng)度等級的劃分主要是為了方便設(shè)計、施工驗收等。強(qiáng)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(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度也稱為棱柱體抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(hù)到28天測試而得。同一材料的軸心抗壓強(qiáng)度小于立方體強(qiáng)度,其比值大約為=0.7~0.8。這是因為抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度趨于相等。
圖4-8 鋼壓板對試件的約束作用
3.抗拉強(qiáng)度?;炷恋目估瓘?qiáng)度很小,只有抗壓強(qiáng)度的1/10~1/20,混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,即劈裂抗拉強(qiáng)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
(一)混凝土的強(qiáng)度
強(qiáng)度是硬化混凝土最重要的性質(zhì),混凝土的其他性能與強(qiáng)度均有密切關(guān)系,混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度主要有抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。其中抗壓強(qiáng)度值最大,也是最主要的強(qiáng)度指標(biāo)。
1.混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)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(hù)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(qiáng)度值稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度等級應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值系指標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等級。如C30表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30MPa,亦即混凝土立方體抗壓強(qiáng)度≥30MPa的概率要求95%以上。
混凝土強(qiáng)度等級的劃分主要是為了方便設(shè)計、施工驗收等。強(qiáng)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(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度也稱為棱柱體抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(hù)到28天測試而得。同一材料的軸心抗壓強(qiáng)度小于立方體強(qiáng)度,其比值大約為=0.7~0.8。這是因為抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度趨于相等。
圖4-8 鋼壓板對試件的約束作用
3.抗拉強(qiáng)度?;炷恋目估瓘?qiáng)度很小,只有抗壓強(qiáng)度的1/10~1/20,混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,即劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。試驗研究表明,軸拉強(qiáng)度低于劈拉強(qiáng)度,兩者的比值約為0.8~0.9。在無試驗資料時,劈拉強(qiáng)度也可通過立方體抗壓強(qiáng)度由下式估算:
(4-9)
4.抗折強(qiáng)度。道路路面或機(jī)場道面用水泥混凝土通常以抗折強(qiáng)度為主要強(qiáng)度指標(biāo),抗壓強(qiáng)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(qiáng)度如表4-14。道路水泥混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系如表4-15。
——混凝土劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度。試驗研究表明,軸拉強(qiáng)度低于劈拉強(qiáng)度,兩者的比值約為0.8~0.9。在無試驗資料時,劈拉強(qiáng)度也可通過立方體抗壓強(qiáng)度由下式估算:
(4-9)
4.抗折強(qiáng)度。道路路面或機(jī)場道面用水泥混凝土通常以抗折強(qiáng)度為主要強(qiáng)度指標(biāo),抗壓強(qiáng)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(qiáng)度如表4-14。道路水泥混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系如表4-15。
表4-14 路面水泥混凝土計算抗折強(qiáng)度 | ||||
交通量分級 |
特重 |
重 |
中等 |
輕 |
混凝土計算抗折強(qiáng)度(MPa) |
5.0 |
5.0 |
4.5 |
4.0 |
表4-15 道路水泥混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系 | ||||
抗折強(qiáng)度(MPa) |
4.0 |
4.5 |
5.0 |
5.5 |
抗壓強(qiáng)度(MPa) |
25.0 |
30.0 |
35.5 |
40.0 |
道路水泥混凝土的抗折強(qiáng)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(hù)28天,按三分點(diǎn)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(qiáng)度:
(4-10)
(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(diǎn)加荷得到的抗折強(qiáng)度,應(yīng)乘以折算系數(shù)0.85。
圖4-10 路面混凝土三分點(diǎn)抗折試驗裝置示意圖
——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(diǎn)加荷得到的抗折強(qiáng)度,應(yīng)乘以折算系數(shù)0.85。
圖4-10 路面混凝土三分點(diǎn)抗折試驗裝置示意圖
5.影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。影響混凝土強(qiáng)度的因素很多,從內(nèi)因來說主要有水泥強(qiáng)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(hù)溫度、濕度、齡期、試驗條件和外加劑等等。分析影響混凝土強(qiáng)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(qiáng)度。
(1)水泥強(qiáng)度和水灰比:混凝土的強(qiáng)度主要來自水泥石以及與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。水泥強(qiáng)度越高,則水泥石自身強(qiáng)度及與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度就越高,混凝土強(qiáng)度也越高,試驗證明,混凝土與水泥強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,使混凝土強(qiáng)度下降。因此,在水泥強(qiáng)度和其他條件相同的情況下,水灰比越小,混凝土強(qiáng)度越高,水灰比越大,混凝土強(qiáng)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(qiáng)度反而降低。試驗證明,在相同的情況下,混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度經(jīng)驗公式(又稱鮑羅米公式):
4-11 混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度(MPa);
、——與骨料種類有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。
水泥的實際強(qiáng)度根據(jù)水泥膠砂強(qiáng)度試驗方法測定。在進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度以水泥強(qiáng)度等級乘以富余系數(shù)確定:
(4-12)
——混凝土的立方體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度(MPa);
、——與骨料種類有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。
水泥的實際強(qiáng)度根據(jù)水泥膠砂強(qiáng)度試驗方法測定。在進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度以水泥強(qiáng)度等級乘以富余系數(shù)確定:
(4-12)
式中:
——水泥強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等級(或強(qiáng)度)、水灰比和骨料種類時,可以推算混凝土28天強(qiáng)度值。又例如,根據(jù)設(shè)計要求的混凝土強(qiáng)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(qiáng)度為45.6MPa,水灰比0.50,碎石。試估算該混凝土28天強(qiáng)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(qiáng)度公式有:=0.46×45.6(2-0.07)=40.5(MPa)
答:估計該混凝土28天強(qiáng)度值為40.5MPa。
[例4-3] 已知某工程用混凝土采用強(qiáng)度等級為42.5的普通水泥(強(qiáng)度富余系數(shù)KC為1.10),卵石,要求配制強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度低,骨料自身強(qiáng)度不足,也可能降低混凝土強(qiáng)度。在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r尤為突出。
骨料的顆粒形狀和表面粗糙度對強(qiáng)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(jī)械嚙合力(即粘結(jié)強(qiáng)度)提高,混凝土強(qiáng)度較高。相反,卵石表面光潔,強(qiáng)度也較低,這一點(diǎn)在混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,對抗折強(qiáng)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(jī)械攪拌比人工攪拌均勻,因此強(qiáng)度也相對較高(如圖4-12所示);攪拌時間越長,混凝土強(qiáng)度越高,如圖4-13。但考慮到能耗、施工進(jìn)度等,一般要求控制在2~3min之間;投料方式對強(qiáng)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(qiáng)度10%左右。
一般情況下,采用機(jī)械振搗比人工振搗均勻密實,強(qiáng)度也略高。而且機(jī)械振搗允許采用更小的水灰比,獲得更高的強(qiáng)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(qiáng)度。
圖4-12 機(jī)械振動和手工搗實對混凝土強(qiáng)度的影響 圖4-13 攪拌時間對混凝土強(qiáng)度的影響
——水泥強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等級(或強(qiáng)度)、水灰比和骨料種類時,可以推算混凝土28天強(qiáng)度值。又例如,根據(jù)設(shè)計要求的混凝土強(qiáng)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(qiáng)度為45.6MPa,水灰比0.50,碎石。試估算該混凝土28天強(qiáng)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(qiáng)度公式有:=0.46×45.6(2-0.07)=40.5(MPa)
答:估計該混凝土28天強(qiáng)度值為40.5MPa。
[例4-3] 已知某工程用混凝土采用強(qiáng)度等級為42.5的普通水泥(強(qiáng)度富余系數(shù)KC為1.10),卵石,要求配制強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度低,骨料自身強(qiáng)度不足,也可能降低混凝土強(qiáng)度。在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r尤為突出。
骨料的顆粒形狀和表面粗糙度對強(qiáng)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(jī)械嚙合力(即粘結(jié)強(qiáng)度)提高,混凝土強(qiáng)度較高。相反,卵石表面光潔,強(qiáng)度也較低,這一點(diǎn)在混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,對抗折強(qiáng)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(jī)械攪拌比人工攪拌均勻,因此強(qiáng)度也相對較高(如圖4-12所示);攪拌時間越長,混凝土強(qiáng)度越高,如圖4-13。但考慮到能耗、施工進(jìn)度等,一般要求控制在2~3min之間;投料方式對強(qiáng)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(qiáng)度10%左右。
一般情況下,采用機(jī)械振搗比人工振搗均勻密實,強(qiáng)度也略高。而且機(jī)械振搗允許采用更小的水灰比,獲得更高的強(qiáng)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(qiáng)度。
圖4-12 機(jī)械振動和手工搗實對混凝土強(qiáng)度的影響 圖4-13 攪拌時間對混凝土強(qiáng)度的影響
(4)養(yǎng)護(hù)條件:混凝土澆筑成型后的養(yǎng)護(hù)溫度、濕度是決定強(qiáng)度發(fā)展的主要外部因素。
養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度高,水泥水化速度加快,混凝土強(qiáng)度發(fā)展也快,早期強(qiáng)度高;反之亦然。但是,當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度超過40℃以上時,雖然能提高混凝土的早期強(qiáng)度,但28天以后的強(qiáng)度通常比20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的低。若溫度在冰點(diǎn)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(qiáng)度嚴(yán)重降低,尤其是早期混凝土應(yīng)特別加強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展受阻。另一方面,混凝土在強(qiáng)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(qiáng)混凝土早期的澆水養(yǎng)護(hù),確保混凝土內(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(hù)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(hù)不得少于14天。
(5)齡期:齡期是指混凝土在正常養(yǎng)護(hù)下所經(jīng)歷的時間。隨養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度也隨之提高。最初的7天內(nèi)強(qiáng)度增長較快,而后增幅減少,28天以后,強(qiáng)度增長更趨緩慢,但如果養(yǎng)護(hù)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(hù)下,混凝土強(qiáng)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(qiáng)度推定另一齡期的強(qiáng)度。特別是以早期強(qiáng)度推算28天齡期強(qiáng)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(qiáng)度。 必須n≥3天。當(dāng)采用早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥時,由3~7天強(qiáng)度推算28天強(qiáng)度會偏大。
在實際工程中,可根據(jù)溫度、齡期對混凝土強(qiáng)度的影響曲線,從已知齡期的強(qiáng)度估計另一齡期的強(qiáng)度,如圖4-14所示。
圖4-14 溫度、齡期對混凝土強(qiáng)度的影響曲線
、分別為28天和第n天時的混凝土抗壓強(qiáng)度。 必須n≥3天。當(dāng)采用早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥時,由3~7天強(qiáng)度推算28天強(qiáng)度會偏大。
在實際工程中,可根據(jù)溫度、齡期對混凝土強(qiáng)度的影響曲線,從已知齡期的強(qiáng)度估計另一齡期的強(qiáng)度,如圖4-14所示。
圖4-14 溫度、齡期對混凝土強(qiáng)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(qiáng)度。摻入早強(qiáng)劑,則可有效加速水泥水化速度,提高混凝土早期強(qiáng)度,但對28天強(qiáng)度不一定有利,后期強(qiáng)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(qiáng)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(jī)率增大,使強(qiáng)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(qiáng)度差異。由于“環(huán)箍效應(yīng)”的影響,棱柱體強(qiáng)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(qiáng)度較高;而表面粗糙或凹凸不平,則受力不均勻,強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度較低;而混凝土干燥時,則強(qiáng)度較高。且混凝土強(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的措施。根據(jù)上述影響混凝土強(qiáng)度的因素分析,提高混凝土強(qiáng)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(jī)械攪拌和機(jī)械振搗,確保攪拌均勻性和振搗密實性,加強(qiáng)施工管理。
(5)改善養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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(qiáng)效果更加顯著,不僅能提高早期強(qiáng)度,后期強(qiáng)度也能提高。
(6)摻入減水劑或早強(qiáng)劑,提高混凝土的強(qiáng)度或早期強(qiáng)度。
(7)摻硅灰或超細(xì)礦渣粉也是提高混凝土強(qiáng)度的有效措施。
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