普通混凝土的技术性质（中篇）

    二、硬化混凝土的性能

    （一）混凝土的强度

    强度是硬化混凝土最重要的性质，混凝土的其他性能与强度均有密切关系，混凝土的强度也是配合比设计、施工控制和质量检验评定的主要技术指标。混凝土的强度主要有抗压强度、抗折强度、抗拉强度和抗剪强度等。其中抗压强度值最大，也是最主要的强度指标。

    1．混凝土的立方体抗压强度和强度等级。根据我国《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81—85）规定，立方体试件的标准尺寸为150mm×150mm×150mm；标准养护条件为温度20±3℃，相对湿度90%以上；标准龄期为28天。在上述条件下测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度，以表示。其测试和计算方法详见试验部分。

    根据　《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002），混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，混凝土立方体抗压强度标准值系指标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期用标准方法测得的具有95%保证率的抗压强度。钢筋混凝土结构用混凝土分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。根据《混凝土质量控制标准》（GB50164－1992）的规定，强度等级采用符号C和相应的标准值表示，普通混凝土划分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共12个强度等级。如C30表示立方体抗压强度标准值为30MPa，亦即混凝土立方体抗压强度≥30MPa的概率要求95%以上。

    混凝土强度等级的划分主要是为了方便设计、施工验收等。强度等级的选择主要根据建筑物的重要性、结构部位和荷载情况确定。一般可按下列原则初步选择：

    （1）普通建筑物的垫层、基础、地坪及受力不大的结构或非永久性建筑选用C7.5～C15。
    （2）普通建筑物的梁、板、柱、楼梯、屋架等钢筋混凝土结构选用C20～C30。
    （3）高层建筑、大跨度结构、预应力混凝土及特种结构宜选用C30以上混凝土。

    2．轴心抗压强度。轴心抗压强度也称为棱柱体抗压强度。由于实际结构物（如梁、柱）多为棱柱体构件，因此采用棱柱体试件强度更有实际意义。它是采用150mm×150mm×（300～450）mm的棱柱体试件，经标准养护到28天测试而得。同一材料的轴心抗压强度小于立方体强度，其比值大约为=0.7～0.8。这是因为抗压强度试验时，试件在上下两块钢压板的摩擦力约束下，侧向变形受到限制，即“环箍效应”其影响高度大约为试件边长的0.866倍，如图4-8。因此立方体试件整体受到环箍效应的限制，测得的强度相对较高。而棱柱体试件的中间区域未受到“环箍效应”的影响，属纯压区，测得的强度相对较低。当钢压板与试件之间涂上润滑剂后，摩擦阻力减小，环箍效应减弱，立方体抗压强度与棱柱体抗压强度趋于相等。
   
    图4-8 钢压板对试件的约束作用
    3．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，混凝土强度等级越高，其比值越小。为此，在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑承受拉力，而是通过配置钢筋，由钢筋来承担结构的拉力。但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要作用，它是结构设计中裂逢宽度和裂缝间距计算控制的主要指标，也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。

    用轴向拉伸试验测定混凝土的抗拉强度，由于荷载不易对准轴线而产生偏拉，且夹具处由于应力集中常发生局部破坏，因此试验测试非常困难，测试值的准确度也较低，故国内外普遍采用劈裂法间接测定混凝土的抗拉强度，即劈裂抗拉强度。

    劈拉试验的标准试件尺寸为边长150mm的立方体，在上下两相对面的中心线上施加均布线荷载，使试件内竖向平面上产生均布拉应力，如图4-9。
        图4-9 劈裂抗拉试验装置示意图

    此拉应力可通过弹性理论计算得出，计算式如下：
    （4-8）

    式中：
    ——混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；
    P——破坏荷载（N）；
    A——试件劈裂面积（mm₂）。

    劈拉法不但大大简化了试验过程，而且能较准确地反应混凝土的抗拉强度。试验研究表明，轴拉强度低于劈拉强度，两者的比值约为0.8～0.9。在无试验资料时，劈拉强度也可通过立方体抗压强度由下式估算：
    （4-9）
    4．抗折强度。道路路面或机场道面用水泥混凝土通常以抗折强度为主要强度指标，抗压强度仅作为参考指标。根据我国《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012—94）规定，不同交通量分级的水泥混凝土计算抗折强度如表4-14。道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的换算关系如表4-15。

 

 

    道路水泥混凝土的抗折强度标准试件尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁，在标准条件下养护28天，按三分点加荷方式（如图4-10）测定抗折破坏荷载，根据下式计算抗折强度：
    （4-10）

    式中：
    ——破坏荷载（N）；
    L——支座间距（mm）；
    b、h——试件的宽度和高度（mm）。

    如采用跨中单点加荷得到的抗折强度，应乘以折算系数0.85。    
    图4-10 路面混凝土三分点抗折试验装置示意图

    5．影响混凝土强度的主要因素。影响混凝土强度的因素很多，从内因来说主要有水泥强度、水灰比和骨料质量；从外因来说，则主要有施工条件、养护温度、湿度、龄期、试验条件和外加剂等等。分析影响混凝土强度各因素的目的，在于可根据工程实际情况，采取相应技术措施，提高混凝土的强度。

    （1）水泥强度和水灰比：混凝土的强度主要来自水泥石以及与骨料之间的粘结强度。水泥强度越高，则水泥石自身强度及与骨料的粘结强度就越高，混凝土强度也越高，试验证明，混凝土与水泥强度成正比关系。

    水泥完全水化的理论需水量约为水泥重的23%左右，但实际拌制混凝土时，为获得良好的和易性，水灰比大约在0.40～0.65之间，多余水分蒸发后，在混凝土内部留下孔隙，且水灰比越大，留下的孔隙越大，使有效承压面积减少，混凝土强度也就越小。另一方而，多余水分在混凝土内的迁移过程中遇到粗骨料时，由于受到粗骨料的阻碍，水分往往在其底部积聚，形成水泡，极大地削弱砂浆与骨料的粘结强度，使混凝土强度下降。因此，在水泥强度和其他条件相同的情况下，水灰比越小，混凝土强度越高，水灰比越大，混凝土强度越低。但水灰比太小，混凝土过于干稠，使得不能保证振捣均匀密实，强度反而降低。试验证明，在相同的情况下，混凝土的强度（）与水灰比呈有规律的曲线关系，而与灰水比则成线性关系。如图4-11所示，通过大量试验资料的数理统计分析，建立了混凝土强度经验公式（又称鲍罗米公式）：

      4-11 混凝土强度与水灰比及灰水比的关系
    （4-11  ）

    式中： 
    ——混凝土的立方体抗压强度（MPa）：
    ——混凝土的灰水比；即1m³混凝土中水泥与水用量之比，其倒数即是水灰比；
    ——水泥的实际强度（MPa）；
    、——与骨料种类有关的经验系数。

    水泥的实际强度根据水泥胶砂强度试验方法测定。在进行混凝土配合比设计和实际施工中，需要事先确定水泥强度。当无条件时，可根据我国水泥生产标准及各地区实际情况，水泥实际强度以水泥强度等级乘以富余系数确定：
    （4-12）

    式中：
    ——水泥强度等级富余系数，一般取1.05～1.15。如水泥已存放一定时间，则取1.0；如存放时间超过3个月，或水泥已有结块现象， 可能小于1.0，必须通过试验实测。
    ——水泥强度等级。如42.5级， 取42.5MPa。

    经验系数、可通过试验或本地区经验确定。根据所用骨料品种，JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》提供的参数为：
    碎石：=0.46，=0.07
    卵石：=0.48，=0.33

    混凝土强度经验公式为配合比设计和质量控制带来极大便利。例如，当选定水泥强度等级（或强度）、水灰比和骨料种类时，可以推算混凝土28天强度值。又例如，根据设计要求的混凝土强度值，在原材料选定后，可以估算应采用的水灰比值。

    [例4-2] 已知某混凝土用水泥强度为45.6MPa，水灰比0.50，碎石。试估算该混凝土28天强度值。

    [解] 因为：W/C＝0.50 所以C/W＝1/0.5＝2

    碎石：＝0.46，＝0.07

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

    答：估计该混凝土28天强度值为40.5MPa。

    [例4-3] 已知某工程用混凝土采用强度等级为42.5的普通水泥（强度富余系数KC为1.10），卵石，要求配制强度为36.8MPa的混凝土。估算应采用的水灰比。

    [解] ＝1.10×42.5＝46.8（MPa）

    卵石：＝0.48，＝0.33

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

    解得：C/W＝1.97， 所以：W/C＝0.51

    答：配制该混凝土应采用的水灰比为0.51。

    （2）骨料的品质：骨料中的有害物质含量高，则混凝土强度低，骨料自身强度不足，也可能降低混凝土强度。在配制高强混凝土时尤为突出。

    骨料的颗粒形状和表面粗糙度对强度影响较为显著，如碎石表面较粗糙，多棱角，与水泥砂浆的机械啮合力（即粘结强度）提高，混凝土强度较高。相反，卵石表面光洁，强度也较低，这一点在混凝土强度公式中的骨料系数已有所反映。但若保持流动性相等，水泥用量相等时，由于卵石混凝土可比碎石混凝土适当少用部分水，即水灰比略小，此时，两者强度相差不大。砂的作用效果与粗骨料类似。

    当粗骨料中针片状含量较高时，将降低混凝土强度，对抗折强度的影响更显著。所以在骨料选择时要尽量选用接近球状体的颗粒。

    （3）施工条件：施工条件主要指搅拌和振捣成型。一般来说机械搅拌比人工搅拌均匀，因此强度也相对较高（如图4-12所示）；搅拌时间越长，混凝土强度越高，如图4-13。但考虑到能耗、施工进度等，一般要求控制在2～3min之间；投料方式对强度也有一定影响，如先投入粗骨料、水泥和适量水搅拌一定时间，再加入砂和其余水，能比一次全部投料搅拌提高强度10%左右。

    一般情况下，采用机械振捣比人工振捣均匀密实，强度也略高。而且机械振捣允许采用更小的水灰比，获得更高的强度。此外，高频振捣，多频振捣和二次振捣工艺等，均有利于提高强度。
          图4-12 机械振动和手工捣实对混凝土强度的影响        图4-13 搅拌时间对混凝土强度的影响

    （4）养护条件：混凝土浇筑成型后的养护温度、湿度是决定强度发展的主要外部因素。

    养护环境温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度发展也快，早期强度高；反之亦然。但是，当养护温度超过40℃以上时，虽然能提高混凝土的早期强度，但28天以后的强度通常比20℃标准养护的低。若温度在冰点以下，不但水泥水化停止，而且有可能因冰冻导致混凝土结构疏松，强度严重降低，尤其是早期混凝土应特别加强防冻措施。

    湿度通常指的是空气相对湿度。相对湿度低，空气干燥，混凝土中的水分挥发加快，致使混凝土缺水而停止水化，混凝土强度发展受阻。另一方面，混凝土在强度较低时失水过快，极易引起干缩，影响混凝土耐久性。因此，应特别加强混凝土早期的浇水养护，确保混凝土内部有足够的水分使水泥充分水化。根据有关规定和经验，在混凝土浇筑完毕后12h内应开始对混凝土加以覆盖或浇水，对硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥配制的混凝土浇水养护不得少于7天；对掺有缓凝剂、膨胀剂、大量掺合料或有防水抗渗要求的混凝土浇水养护不得少于14天。

    （5）龄期：龄期是指混凝土在正常养护下所经历的时间。随养护龄期增长，水泥水化程度提高，凝胶体增多，自由水和孔隙率减少，密实度提高，混凝土强度也随之提高。最初的7天内强度增长较快，而后增幅减少，28天以后，强度增长更趋缓慢，但如果养护条件得当，则在数十年内仍将有所增长。
    
    普通硅酸盐水泥配制的混凝土，在标准养护下，混凝土强度的发展大致与龄期（天）的对数成正比关系，因此可根据某一龄期的强度推定另一龄期的强度。特别是以早期强度推算28天龄期强度。如下式：
    （4-13）

    式中：
    、分别为28天和第n天时的混凝土抗压强度。 必须n≥3天。当采用早强型普通硅酸盐水泥时，由3～7天强度推算28天强度会偏大。

    在实际工程中，可根据温度、龄期对混凝土强度的影响曲线，从已知龄期的强度估计另一龄期的强度，如图4-14所示。
   
    图4-14 温度、龄期对混凝土强度的影响曲线

    （6）外加剂：在混凝土中掺入减水剂，可在保证相同流动性前提下，减少用水量，降低水灰比，从而提高混凝土的强度。掺入早强剂，则可有效加速水泥水化速度，提高混凝土早期强度，但对28天强度不一定有利，后期强度还有可能下降。

    （7）试验条件对测试结果的影响：试验条件是指试件的尺寸、形状、表面状态和加载速度等。

    ① 试件尺寸：大量的试验研究证明，试件的尺寸越小，测得的强度相对越高，这是由于大试件内存在孔隙、裂缝或局部缺陷的机率增大，使强度降低。因此，当采用非标准尺寸试件时，要乘以尺寸换算系数。根据JGJ55规定，100mm×100mm×100mm立方体试件换算成150mm立方体标准试件时，应乘以系数0.95；200mm×200mm×200mm的立方体试件的尺寸换算系数为1.05。
    ② 试件形状：主要指棱柱体和立方体试件之间的强度差异。由于“环箍效应”的影响，棱柱体强度较低，这在前面已有分析。
    ③ 表面状态：表面平整，则受力均匀，强度较高；而表面粗糙或凹凸不平，则受力不均匀，强度偏低。若试件表面涂润滑剂及其他油脂物质时，“环箍效应”减弱，强度较低。
    ④含水状态：混凝土含水率较高时，由于软化作用，强度较低；而混凝土干燥时，则强度较高。且混凝土强度等级越低，差异越大。
    ⑤加载速度：根据混凝土受压破坏理论，混凝土破坏是在变形达到极限值时发生的。当加载速度较快时，材料变形的增长落后于荷载的增加速度，故破坏时的强度值偏高；相反，当加载速度很慢，混凝土将产生徐变，使强度偏低。
    
    综上所述，混凝土的试验条件，将在一定程度上影响混凝土强度测试结果，因此，试验时必须严格执行有关标准规定，熟练掌握试验操作技能。

    6．提高混凝土强度的措施。根据上述影响混凝土强度的因素分析，提高混凝土强度可从以下几方面采取措施：

    （1）采用高标号水泥。
    （2）尽可能降低水灰比，或采用干硬性混凝土。
    （3）采用优质砂石骨料，选择合理砂率。
    （4）采用机械搅拌和机械振捣，确保搅拌均匀性和振捣密实性，加强施工管理。
    （5）改善养护条件，保证一定的温度和湿度条件，必要时可采用湿热处理，提高早期强度。特别对掺混合材料的混凝土或用粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥配制的混凝土，湿热处理的增强效果更加显著，不仅能提高早期强度，后期强度也能提高。
    （6）掺入减水剂或早强剂，提高混凝土的强度或早期强度。
    （7）掺硅灰或超细矿渣粉也是提高混凝土强度的有效措施。