混凝土与砂浆-硬化混凝土性能

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1、第四章 混凝土与砂浆硬化后混凝土的性能硬化后混凝土的性能Properties of Hardened Concrete第四章 混凝土与砂浆一、混凝土强度一、混凝土强度1基本概念：基本概念：J 抗压强度抗压强度J 抗拉强度抗拉强度J 强度等级，等强度等级，等1混凝土受压破坏机理混凝土受压破坏机理 1混凝土强度的影响因素混凝土强度的影响因素第四章 混凝土与砂浆1 1、强度的几个基本概念、强度的几个基本概念1 立方体抗压强度立方体抗压强度国家标准规定：制作边长为国家标准规定：制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件的立方体试件，在标准条件(20 2 C，相对湿度，相对湿度95%)下，养护到下，养

2、护到28天龄期，测得的抗压强度值天龄期，测得的抗压强度值称为称为混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度，以，以“fcu”表示。表示。国家规范规定：用尺寸为国家规范规定：用尺寸为150 mm 150 mm 150 mm 150 mm 300mm300mm的标准棱柱体试件，的标准棱柱体试件，按规定方法成型、标准条件下养护按规定方法成型、标准条件下养护2828天，测得的抗压强度为轴心抗压天，测得的抗压强度为轴心抗压强度，以强度，以fcfc表示；表示；1 轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度是工程结构设计的依据；轴心抗压强度与立方体抗压强轴心抗压强度是工程结构设计的依据；轴心抗压强度与立方体抗压强度

3、的关系：度的关系：fcfc 0.8)fcu0.8)fcu；换算系数与混凝土强度有关，强度越高，；换算系数与混凝土强度有关，强度越高，系数越小；系数越小；第四章 混凝土与砂浆强度的几个基本概念强度的几个基本概念1 轴心抗拉强度轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度（混凝土轴心抗拉强度（ft）不宜直接测量，通过间接测定劈裂抗拉强）不宜直接测量，通过间接测定劈裂抗拉强度度(fts)换算得到。换算系数可由试验确定。换算得到。换算系数可由试验确定。1 抗折强度抗折强度根据根据GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准普通混凝土力学性能试验方法标准规定，规定，采用采用3分点抗折试验方法。分点抗折

4、试验方法。第四章 混凝土与砂浆强度的几个基本概念强度的几个基本概念1 强度等级强度等级1 实际强度实际强度根据混凝土立方体强度标准值根据混凝土立方体强度标准值(MPa)划分的等级，以符号划分的等级，以符号C+混凝土立混凝土立方体强度标准值方体强度标准值(fcu,k)表示。表示。将试件在实际工程的温湿度条件下养护将试件在实际工程的温湿度条件下养护28天，测得的立方体试件强度，天，测得的立方体试件强度，作为混凝土施工质量控制和验收依据。作为混凝土施工质量控制和验收依据。1 强度标准值强度标准值 用标准试验方法测得的一组若干个强度值的总体分布中的某一个值，用标准试验方法测得的一组若干个强度值的总体分

5、布中的某一个值，低于该值的百分率不超过低于该值的百分率不超过5%,该强度值称为该强度值称为强度标准值强度标准值。以。以“fcu,k立方立方体抗压强度标准值体抗压强度标准值”或或“fcu,k轴心抗压强度标准值轴心抗压强度标准值”表示表示第四章 混凝土与砂浆m s s0 yx第四章 混凝土与砂浆如何求得立方体抗压强度标准值的？如何求得立方体抗压强度标准值的？例如：一组试件的立方体抗压强度值分别为例如：一组试件的立方体抗压强度值分别为32.1,37.5,35.1,38.2,40.2,29.5,43.1,42.3,40.6,30.2,32.5,37.4,38.1,37.4,36.4,33.8,35.8

6、,36.2,37.9,39.2(MPa)，共有，共有20个数据。个数据。第四章 混凝土与砂浆混凝土强度试验混凝土强度试验1 混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。1 混凝土的强度试验有：混凝土的强度试验有：抗压试验l单轴受压 混凝土受单方向压力作用,工程中采用的强度一般是单轴抗压强度；l多轴向受压 混凝土受多方向压应力作用抗拉试验l直接拉伸试验l劈裂试验l抗弯试验第四章 混凝土与砂浆抗压强度试验抗压强度试验1 试件形状与尺寸试件形状与尺寸J几何形状有立方体、棱柱体和圆柱体，我国以立方体试件为主；J立方体试件的边长有100mm、150mm、200

7、mm三种；当骨料的Dmax20mm 时，可采用100mm当骨料的Dmax40mm 时，可采用150或200mm。PP第四章 混凝土与砂浆PPfd=P/A横截面积为A轴心直拉试验Tension Testing直接轴心抗拉直接轴心抗拉试验试验很困难很困难J荷载作用线难以与试件轴线保持重合，发生偏心；J难以保证试件在受拉区断裂。抗拉强度试验抗拉强度试验第四章 混凝土与砂浆直拉试验第四章 混凝土与砂浆混凝土受拉伸 第四章 混凝土与砂浆单轴拉伸作用下混凝土的行为单轴拉伸作用下混凝土的行为 混凝土的应力混凝土的应力-应变曲线、弹性模量和应变曲线、弹性模量和波松比均与单轴受压作用条件下的类似，但波松比均与单

8、轴受压作用条件下的类似，但是因为在这种应力状态下抑制裂缝发展的可是因为在这种应力状态下抑制裂缝发展的可能性小得多，裂缝从扩展开始到失稳的过程能性小得多，裂缝从扩展开始到失稳的过程短暂，呈现十分明显的脆性断裂。短暂，呈现十分明显的脆性断裂。第四章 混凝土与砂浆劈裂抗拉1 劈裂抗拉试验劈裂抗拉试验J试件：边长为150mm的立方体试件或圆柱体试件J原理：在试件的相对的表面素线上作用均匀分布的压应力，从而在竖向平面内产生均匀拉伸应力抗拉强度试验抗拉强度试验第四章 混凝土与砂浆fs 劈拉强度计算：fts=2P/a2(P/a2)a：立方体试件的边长;PPa受 拉fs第四章 混凝土与砂浆1四点弯拉试验四点弯

9、拉试验J 试件：150150600(或550)mm3的梁式试件J 按三分点加荷进行弯曲试验，在试件下方产生拉伸应力抗拉强度试验抗拉强度试验第四章 混凝土与砂浆P L/3 L/3 L/3 fb拉 压1根据材料力学理论合线根据材料力学理论合线弹性应力应变分析，试件断裂是的弹性应力应变分析，试件断裂是的最大拉伸应力为：最大拉伸应力为：fb=PL/bd2 (bd=试件的截面积试件的截面积)第四章 混凝土与砂浆2、混凝土受压破坏机理混凝土受压破坏机理 1混凝土受压破坏过程混凝土受压破坏过程 是内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程，也是混凝土是内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程，也是混凝土内部固体相结构从连

10、续到不连续的发展过程。内部固体相结构从连续到不连续的发展过程。1受力状态：受力状态：J由于粗骨料的强度和弹性模量大于水泥石的，在混凝由于粗骨料的强度和弹性模量大于水泥石的，在混凝土承受单向受压时，使骨料的上下两面产生压应力；土承受单向受压时，使骨料的上下两面产生压应力；J而在骨料侧面则产生拉应力；而在骨料侧面则产生拉应力；J由于力的传递在骨料的上下面形成一锲形，因而在契由于力的传递在骨料的上下面形成一锲形，因而在契形两侧的水泥石还受到剪应力，而在裂缝的尖端会产形两侧的水泥石还受到剪应力，而在裂缝的尖端会产生很大的应力集中。生很大的应力集中。第四章 混凝土与砂浆第四章 混凝土与砂浆混凝土试件受压

11、时内部裂缝扩展情形第四章 混凝土与砂浆混凝土受压破坏的三种形式混凝土受压破坏的三种形式 1骨料强度小于水泥石强度，则骨料劈裂骨料强度小于水泥石强度，则骨料劈裂破坏；破坏；1水泥石发生拉伸或剪切破坏；水泥石发生拉伸或剪切破坏；1水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏。水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏。第四章 混凝土与砂浆普通混凝土普通混凝土第四章 混凝土与砂浆剪切粘结破坏混凝土试件单轴受压第四章 混凝土与砂浆水泥石剪切破坏第四章 混凝土与砂浆1 裂缝的扩展裂缝的扩展 混凝土抗拉强度较低，而裂缝尖端的应力集中和受拉区混凝土抗拉强度较低，而裂缝尖端的应力集中和受拉区所受的拉应力远远超过其抗拉强度，导致裂缝

12、在较低的所受的拉应力远远超过其抗拉强度，导致裂缝在较低的压应力水平下扩展和产生。压应力水平下扩展和产生。1 原始原始裂缝存在的原因：裂缝存在的原因：J水泥水化收缩导致骨料与水泥石之间和水泥石内部产生微裂缝；J由于水泥石与粗骨料的弹性模量的差异，温湿度的变化而导致产生界面微裂缝；J混凝土拌和物的泌水现象，导致骨料下部形成水囊，干燥后即为界面裂缝。1 混凝土内部混凝土内部界面区界面区对于混凝土受压破坏很重要对于混凝土受压破坏很重要混凝土受压破坏机理第四章 混凝土与砂浆混凝土中的界面过渡区混凝土中的界面过渡区1 研究混凝土的力学行为，将混凝土材料作为三相复研究混凝土的力学行为，将混凝土材料作为三相复

13、合体是很有帮助的合体是很有帮助的:J硬化水泥浆水泥石J骨料J界面过渡区(TZ)1 过渡区特征过渡区特征J过渡区以厚度约为10-15 mm的薄壳存在于粗骨料的周围；J过渡区比混凝土中其它两相硬化水泥浆和骨料都弱，是混凝土中最薄弱的组份，所以虽然尺寸小，但对混凝土的力学行为影响很大；J在混凝土浇灌好后，在粗骨料周围形成一层水膜，导致粗骨料周围的水灰比大于整体水泥浆，所以界面过渡区多孔，且钙矾石和羟钙石都呈取向性大晶体颗粒。第四章 混凝土与砂浆混凝土过渡区结构骨 料C-S-H钙矾石CH第四章 混凝土与砂浆裂缝扩展的路径和方向骨 料水泥石骨料周围的界面区普通混凝土的微结构裂缝沿界面区扩展第四章 混凝土

14、与砂浆过渡区的重要性过渡区的重要性1一般认为，因为过渡区的存在，所以一般认为，因为过渡区的存在，所以.J混凝土在受拉是脆性的，而受压时又相当强韧；J混凝土的拉伸强度只有抗压强度的1/20；J在水灰比相同时，砂浆的强度大于混凝土的强度；J硬化水泥浆和骨料是弹性体，而混凝土不是；J在相同水灰比时，砂浆的渗透性只有混凝土的1/100。故，过渡区是故，过渡区是“链的最薄弱环节链的最薄弱环节”，一般，一般认为是混凝土强度的认为是混凝土强度的“限制相限制相”；第四章 混凝土与砂浆1 改善过渡区的措施：改善过渡区的措施：J改善和易性，减少泌水；J提高混凝土体积稳定性；J低水灰比（w/c）；J掺加超细矿物掺合

15、料(很大比表面积)；J选用骨料的种类；第四章 混凝土与砂浆 混凝土、砂浆和水泥浆体的应力-应变曲线第四章 混凝土与砂浆3、混凝土强度的影响因素混凝土强度的影响因素 混凝土的强度混凝土的强度fc随着龄期和养护不断增随着龄期和养护不断增长，主要有三方面的影响因素：长，主要有三方面的影响因素：组成材料的特性与配合比（内在因素）浇灌与养护条件（温湿度、时间）生产工艺与条件此外，强度试验参数影响到测试值。第四章 混凝土与砂浆水泥品种龄期养护条件外加剂水化度水灰比凝胶结构与组成孔隙率含水量水泥石强度骨料质量表面特征化学组成骨料用量粒径弹 模水泥石骨料粘结力混凝土混凝土强度强度生产因素混凝土强度的影响因素图

16、解第四章 混凝土与砂浆材料的强度与材料组成、材料结构的密切关系J组成影响因素：水泥、骨料和水及其特性与掺量；J结构影响因素：组成材料及其分布、生产工艺与条件、浇灌与养护制度等。分析和掌握的思路：第四章 混凝土与砂浆主要影响因素主要影响因素1水灰比水灰比1水泥品种水泥品种1骨料品种、最大粒径与级配骨料品种、最大粒径与级配1水灰比、水泥及骨料的综合影响水灰比、水泥及骨料的综合影响1拌合水拌合水1外加剂外加剂(化学外加剂、矿物外加剂化学外加剂、矿物外加剂)1养护时间与条件养护时间与条件1龄期的影响龄期的影响1试件、试验参数的影响试件、试验参数的影响第四章 混凝土与砂浆水灰比的影响水灰比的影响1水泥水

17、化所需的水量远少于为保证混凝土拌和水泥水化所需的水量远少于为保证混凝土拌和物和易性所需的水量，剩余水将在混凝土中留物和易性所需的水量，剩余水将在混凝土中留下大量孔隙，而材料强度与孔隙率呈下大量孔隙，而材料强度与孔隙率呈指数函数指数函数关系关系；毛毛 细细 孔孔 隙隙 率率（%）抗抗 压压 强强 度度（Mpa）硬化水泥浆体强度-毛细孔隙率关系第四章 混凝土与砂浆1混凝土强度与水灰比符合混凝土强度与水灰比符合“Abrams 定律定律”：水灰比水灰比(W/C)：fc K1/K2w/cK1、K2 为常数，与龄期、组成材料及测定方法等因素有关。为常数，与龄期、组成材料及测定方法等因素有关。1混凝土的强度

18、随着水灰比的减小而增加；当混凝土的强度随着水灰比的减小而增加；当 w/c时时,水灰比很小的降低都将导致混凝土强度很大的水灰比很小的降低都将导致混凝土强度很大的增加，上述关系不再适用；增加，上述关系不再适用；1这个结果归结于界面过渡区这个结果归结于界面过渡区(TZ)强度的明显提高；强度的明显提高；因为界面过渡区中氢氧化钙晶体颗粒的尺寸随着因为界面过渡区中氢氧化钙晶体颗粒的尺寸随着水灰比降低而减小。水灰比降低而减小。back第四章 混凝土与砂浆水泥品种的影响水泥品种的影响1水泥品种通过下列几方面影响混凝土的强度：水泥品种通过下列几方面影响混凝土的强度：J水泥的强度等级 混凝土强度与水泥强度成正比；

19、J水泥细度 水泥比表面积越大，水化速度越快，混凝土早期强度增长快；J水泥矿物组成 由于90天龄期以后，水泥的水化度基本相同，因此，水泥矿物组成主要影响早期强度；J标准稠度需水量 需水量低则有利于降低水灰比和孔隙率，从而提高水泥石和混凝土的强度。back第四章 混凝土与砂浆骨料如何影响？骨料如何影响？1最大粒径最大粒径经济上，应尽可能低选用大粒径的粗骨料；大粒径的粗骨料可以降低混凝土的用水量；粗骨料的粒径越大，过渡区就将越薄弱，并将含有更多的微裂缝，降低强度。1骨料矿物组成骨料矿物组成石灰石骨料可以产生较高的强度，因为在界面过渡区形成CaCO3.Ca(OH)2.xH2O；界面过渡区化学增强。1骨

20、料的表面特征骨料的表面特征粗糙表面有利于增加过渡区的粘结强度；针片状骨料容易引起应力集中，降低混凝土破坏的极限应力，因而降低强度。第四章 混凝土与砂浆湿养护龄期(天)粗骨料粒径对混凝土抗压强度的影响第四章 混凝土与砂浆骨料最大粒径对混凝土抗压强度的影响第四章 混凝土与砂浆粗骨料品种对混凝土抗压强度的影响第四章 混凝土与砂浆扫描电镜照片显示：用石灰石做骨料的混凝土中，界面过渡区没有微裂缝和连通的孔隙第四章 混凝土与砂浆混凝土混凝土水泥浆体水泥浆体骨料骨料抗压强度(MPa)石灰石石灰石玄武岩玄武岩辉绿岩辉绿岩辉长岩辉长岩白粒岩白粒岩石英岩石英岩蛇纹石蛇纹石冻冻 石石混凝土试件、水泥浆体和骨料的抗压

21、强度back第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与水灰比、水泥强度等级混凝土强度与水灰比、水泥强度等级和骨料种类的关系和骨料种类的关系1鲍罗米公式：鲍罗米公式：fcu =a fce(C/W b)fcu混凝土混凝土28d抗压强度（抗压强度（MPa）fce 水泥的实测强度（水泥的实测强度（MPa）C/W灰水比灰水比 a、b 与骨料种类有关的回归系数：与骨料种类有关的回归系数：对于卵石：对于卵石：a0.48;b 0.33;对于碎石：对于碎石：a0.46;b。混凝土抗压强度设计公式back第四章 混凝土与砂浆拌合水如何影响拌合水如何影响1饮用水是最适合于拌和混凝土；饮用水是最适合于拌和混凝土；1含油水、酸性

22、水和海水不得用于拌和混凝土；含油水、酸性水和海水不得用于拌和混凝土；1如果饮用水缺乏，用其它水拌和混凝土前，必须与蒸如果饮用水缺乏，用其它水拌和混凝土前，必须与蒸馏水进行对比试验，如果强度降低不大于馏水进行对比试验，如果强度降低不大于10，那么，那么这种水能用于拌和混凝土。这种水能用于拌和混凝土。1含有影响水泥水化的化学物质的废水不得用于拌和混含有影响水泥水化的化学物质的废水不得用于拌和混凝土。凝土。back第四章 混凝土与砂浆1 化学外加剂化学外加剂 (Chemical Admixture)1 矿物外加剂（掺合料）矿物外加剂（掺合料）(Mineral Admixture)由于混凝土技术的发展

23、，在由于混凝土技术的发展，在20多年里：多年里：J水灰比（水胶比）从 0.5 降低到；J 混凝土抗压强度从30MPa 提高到200800MPa！back外加剂的影响影响外加剂的影响影响第四章 混凝土与砂浆浇灌与养护条件的影响新拌混凝土的和易性捣实程度与养护条件硬化混凝土的微结构硬化混凝土的强度第四章 混凝土与砂浆养养 护护 Curing1混凝土硬化过程中，人为地变化混凝土体周围环境混凝土硬化过程中，人为地变化混凝土体周围环境的温度与湿度条件，使其微结构和性能达到所需要的温度与湿度条件，使其微结构和性能达到所需要的结果，称为对混凝土的的结果，称为对混凝土的养护养护 温度 湿度 1分析思路：分析思

24、路：水泥矿物的水化反应与温度、湿度的关系？混凝土致密、均匀的微结构形成与温、湿度的关系？第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与湿养护混凝土强度与湿养护1混凝土连续湿养护有利于混凝土强度的发展混凝土连续湿养护有利于混凝土强度的发展1湿养护的措施：湿养护的措施：喷洒水浴用砂、木屑或薄膜覆盖第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与湿养护时间混凝土强度与湿养护时间timein air entire timemoist cured entire timein air after 3 daysin air after 7 daysStrength28100%第四章 混凝土与砂浆第四章 混凝土与砂浆混凝土强度与浇灌与养护

25、温度混凝土强度与浇灌与养护温度1 三种情形三种情形:I.浇灌和养护温度相同浇灌和养护温度相同.温度越高，强度增长越快，为什么？温度越高，强度增长越快，为什么？II.不同温度下浇灌，常温下养护不同温度下浇灌，常温下养护 养护温度相同时，浇灌温度越高，混凝土后期强养护温度相同时，浇灌温度越高，混凝土后期强度度(180天天)越低。越低。III.常温下浇灌，不同温度下养护常温下浇灌，不同温度下养护 养护温度越低，强度越低。养护温度越低，强度越低。第四章 混凝土与砂浆混凝土连续在21C下养护28天的试样强度的百分率(%)第四章 混凝土与砂浆 混凝土在指定的温度下浇灌密封放置混凝土在指定的温度下浇灌密封放

26、置2 2小时后，再在小时后，再在2121 C C下养护到测试龄期下养护到测试龄期第四章 混凝土与砂浆说明：混凝土在说明：混凝土在21C下浇灌并放置下浇灌并放置6小时后，小时后，再在指定温度下养护至测试龄期再在指定温度下养护至测试龄期第四章 混凝土与砂浆1养护温度越低，强度越低；养护温度越低，强度越低；1养护温度比浇灌温度更重要养护温度比浇灌温度更重要!1冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。1微观研究表明：较低温度的养护可以使得水泥石微观研究表明：较低温度的养护可以使得水泥石的结构致密、均匀。为什么？的结构致密、均匀。为什么？浇灌与养护温度影响概括

27、浇灌与养护温度影响概括back第四章 混凝土与砂浆龄期的影响龄期的影响混凝土强度在最初混凝土强度在最初37d增长较快，然后逐渐缓慢下来。增长较快，然后逐渐缓慢下来。其随养护龄期的增长大致符合对数函数关系：其随养护龄期的增长大致符合对数函数关系：fcu,n/fcu,a=lg n/lg a 式中：式中：fcu,n n天龄期混凝土的抗压强度；天龄期混凝土的抗压强度；fcu,a a天龄期混凝土的抗压强度；天龄期混凝土的抗压强度；第四章 混凝土与砂浆 养护龄期对混凝土强度的影响back第四章 混凝土与砂浆试件与试验参数对强度测试值的影响试件与试验参数对强度测试值的影响A.试件形状；试件形状；B.试件尺寸

28、；试件尺寸；C.表面处理；表面处理；D.加载时间（加荷速度）；加载时间（加荷速度）；E.试验机的刚度等。试验机的刚度等。上述因素影响强度试验值，而不是实际混凝土强度！第四章 混凝土与砂浆试件尺寸的影响试件尺寸的影响试件尺寸越大，混凝土强度测试值越偏低；试件尺寸越小，混凝土强度测试值越偏高；相对强度()试件尺寸(cm)0 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90其原因：环箍效应，尺寸小，环箍效应明显缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大第四章 混凝土与砂浆试验参数的影响试验参数的影响1含水状态含水状态:试验时，要求试件是湿状态；干燥试件比饱水试件强度高20 to 25%1原因原因:水泥石

29、内部不连续压力的存在水泥石内部不连续压力的存在1加荷条件：加荷条件：恒定加荷速度加荷速度越快，测试值越高，反之亦然。1原因：材料对外加荷载的响应原因：材料对外加荷载的响应back第四章 混凝土与砂浆如何使得混凝土具有所需的强度如何使得混凝土具有所需的强度三条技术途径：三条技术途径：1原材料的选择原材料的选择1配合比设计配合比设计1浇灌和养护浇灌和养护水泥品种与强度等级；骨料品种、粒径、级配；外加剂水灰比；砂率；用水量或胶凝材料用量温度；湿度；时间第四章 混凝土与砂浆问题？问题？1.试从混凝土受压破坏过程，分析混凝土强度与水泥强度试从混凝土受压破坏过程，分析混凝土强度与水泥强度等级、水灰比的关系

30、？等级、水灰比的关系？2.2.为什么早期温度高，混凝土早期强度高，但后期强度低？为什么早期温度高，混凝土早期强度高，但后期强度低？而早期温度低，虽然早期强度低，但后期强度高？而早期温度低，虽然早期强度低，但后期强度高？3.3.早期干燥对混凝土抗压强度有何影响？为什么？早期干燥对混凝土抗压强度有何影响？为什么？4.4.为什么混凝土强度的测量要用标准试件、标准养护条件、为什么混凝土强度的测量要用标准试件、标准养护条件、标准加荷速度？标准加荷速度？第四章 混凝土与砂浆二、混凝土的尺寸稳定性二、混凝土的尺寸稳定性硬化混凝土的变形来自两方面：硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素环境因素(温、湿温、湿度变

31、化度变化)和和外加荷载外加荷载因素，因此有：因素，因此有：J非荷载作用下的变形 收缩变形膨胀变形J荷载作用下的变形 弹性变形非弹性变形J长期荷载作用徐变思考：如何减小或消除这些变形的负面影响第四章 混凝土与砂浆1、非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形1干燥收缩干燥收缩1自收缩自收缩1温度变形温度变形back第四章 混凝土与砂浆湿胀干缩变形湿胀干缩变形1定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形湿胀湿胀干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的。变化引起的。1水泥石和混凝土的收缩行为水泥石和混凝土的收缩行为水泥

32、石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀；第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢复。试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。1混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约束下的收缩将导致混凝土开裂。束下的收缩将导致混凝土开裂。第四章 混凝土与砂浆连续浸泡连续浸泡下的湿胀下的湿胀不可逆收缩可逆收缩应变膨胀收缩第1次干燥时间水泥石或混凝土在干湿循环下的变形行为第四章 混凝土与砂浆混凝土的干缩机理混凝土的干缩机理1干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图所示，干缩来自材料内部水的损失

33、，二者的关系如图所示，收缩值随着水的损失变化的斜率不一致。收缩值随着水的损失变化的斜率不一致。1环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：毛细张力 毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因大气水蒸气压降低而蒸发时，表面张力增加，产生拉伸应力，使得孔壁受压而收缩；分离压 水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁间存在分离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损失时，将降低孔壁的分离压，引起整体收缩；层间可挥发水的迁移 第四章 混凝土与砂浆毛细水吸附水分离压0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水损失对水灰比为0.5的水泥石干缩的影响

34、变形百分率(%)水损失量（质量百分数%)第四章 混凝土与砂浆干燥收缩的危害干燥收缩的危害1路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；1当混凝土的干燥收缩受到约束时，将导致裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。第四章 混凝土与砂浆混凝土干缩的影响因素混凝土干缩的影响因素1混凝土组成与配合比混凝土组成与配合比混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，干缩越小：cp(1-Vg)n (n1.21.7)水泥用量 水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大；用水量 水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。水泥种类与细度 细度越细，干缩较大。1良好养护可以减小收缩良好养护可以减小收

35、缩1构件几何尺寸和形状构件几何尺寸和形状表面积与体积比值越大，收缩越大；湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。第四章 混凝土与砂浆骨料的体积百分数(%)干缩值比骨料体积含量对混凝土干缩的影响普通混凝土范围第四章 混凝土与砂浆back水泥石的孔隙率干缩率(%)孔隙率对水泥石干缩的影响不可逆收缩可逆收缩第1次收缩第四章 混凝土与砂浆自收缩自收缩1条件特征：与外界环境无水分交换；条件特征：与外界环境无水分交换；1产生的原因：产生的原因：水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛细管压力，引起收缩自干燥收缩；水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导致混凝土硬化后收缩化学收缩；1特点：特点：收

36、缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。1影响因素影响因素水泥品种 主要是矿物组成与混合材种类；水灰比 随水灰比减小，收缩增大；骨料及其体积分数水泥用量外加剂第四章 混凝土与砂浆内部相对湿度(%)龄期(天)水泥石内部相对湿度随龄期的变化第四章 混凝土与砂浆自收缩测量装置第四章 混凝土与砂浆水灰比对自收缩的影响0200400600800100000.51.534.56时间（天）自收缩（微应变）W/C=0.45W/C=0.35W/C=0.30W/C=0.250100200300400500600700800900100000.51.534.56时间（天）自收缩

37、（微应变）普通硅酸盐中热水泥快硬铁铝酸盐硫铝酸盐水泥品种对自收缩的影响第四章 混凝土与砂浆0200400600800100000.51.534.56时间（天）自收缩（微应变）(W/C)e=0(W/C)e=0.045(W/C)e=0.07外加剂对自收缩的影响第四章 混凝土与砂浆骨料与未水化水泥颗粒的含量(%)收缩值之比骨料和未水化水泥颗粒含量对收缩值的影响第四章 混凝土与砂浆问题？问题？1混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？解答：解答：相同点：机理相似，水分损失、毛细张力等；不同点：u 水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变化引起的，后者是由水泥水化引起的

38、；u 前者主要发生在表面层，而后者发生在整个体积，尤其在中心部位更大。back第四章 混凝土与砂浆温度变形温度变形1与其它材料一样，混凝土也具有热胀与其它材料一样，混凝土也具有热胀冷缩的性质；冷缩的性质；1混凝土的热膨胀系数为混凝土的热膨胀系数为1105/C；1温度变形对大体积混凝土不利，因水温度变形对大体积混凝土不利，因水泥水化放热，造成内外温差较大，内泥水化放热，造成内外温差较大，内外膨胀不均，导致外部开裂；外膨胀不均，导致外部开裂；1混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。膨胀系数。第四章 混凝土与砂浆back第四章 混凝土与砂浆2、荷载作用下的变形荷载

39、作用下的变形1单轴受压时的应力应变行为单轴受压时的应力应变行为1混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量1混凝土弹性模量与组成关系混凝土弹性模量与组成关系1混凝土弹性模量的主要影响因素；混凝土弹性模量的主要影响因素；1弹性模量与抗压强度的关系；弹性模量与抗压强度的关系；back第四章 混凝土与砂浆单轴受压时的应力应变行为单轴受压时的应力应变行为1在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。1特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产特点：混凝土在压应力作用下

40、，既产生弹性变形，也产生塑性变形。生塑性变形。在较低应力(极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主；在较高应力(fcp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高，塑性变形量越大；混凝土强度越低，塑性变形越大。第四章 混凝土与砂浆骨 料混凝土水泥石受压时，骨料、水泥石和混凝土的应力应变曲线第四章 混凝土与砂浆混凝土受压的应力应变全曲线第四章 混凝土与砂浆重复荷载作用下的应力-应变曲线塑弹第四章 混凝土与砂浆问题？问题？1为什么骨料和水泥石是弹性体，而二者组成的混凝土是弹塑为什么骨料和水泥石是弹性体，而二者组成的混凝土是弹塑性体？性体？1原因：原因：混凝土是一个多物相、多孔性的复合材料，其主体是

41、颗粒堆聚体，存混凝土是一个多物相、多孔性的复合材料，其主体是颗粒堆聚体，存在界面过渡区，且过渡区有原生微裂缝。受力下，界面裂缝的扩展、颗在界面过渡区，且过渡区有原生微裂缝。受力下，界面裂缝的扩展、颗粒间的滑移、孔隙中水的迁移等因素导致产生塑性变形。粒间的滑移、孔隙中水的迁移等因素导致产生塑性变形。1混凝土单轴受压下的混凝土单轴受压下的s s 曲线可以分为曲线可以分为4个阶段：个阶段：在极限应力fcp的30%以下，界面过渡区微裂缝是稳定的，因此，s曲线是线形的；当应力 fcp的30%时，随着应力增加，过渡区的裂缝长度、宽度和数量增加，/s比值增加，s曲线偏离直线；如果应力 fcp的50%，过渡区

42、的微裂缝稳定体系存在，基体水泥石不会产生微裂缝；当应力 fcp的5060%时，基体相中产生微裂缝，如果应力进一步增加，基体相微裂缝扩展，增多，过渡区微裂缝失稳，导致s曲线弯向横轴当应力 fcp的7580%时，应变能释放速度达到在持久应力下裂缝自发扩展的水平，应变随应力增长很快，直至裂缝成为联系体系破坏。第四章 混凝土与砂浆第四章 混凝土与砂浆back界面过渡区的微裂缝过渡区裂缝扩展，但基体相没有裂缝基体相中产生裂缝裂缝成为连续体系破坏第四章 混凝土与砂浆混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量1弹性模量弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性模量：静力弹性模量与动荷载弹性模量1混凝土的应力应变行为不完全遵

43、循虎克定律，混凝土的应力应变行为不完全遵循虎克定律，s s 曲线曲线是非线性的，是非线性的，所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。1为了工程设计，故常对应力为了工程设计，故常对应力应变曲线的初始阶段作近似直应变曲线的初始阶段作近似直线处理，有三种处理方式：线处理，有三种处理方式：原点切线弹性模量 Eo=tan 1；割线弹性模量 Eh=tan 2；切线弹性模量 Et=tan 3。s原点切线 1 2 3割线切线难以准确测量，应力水平很低，实用意义小。只适用于切点处荷载变化很小的范围内，工程意义也不大第四章 混凝土与砂浆back 我国现行标准指定以应力s=1/3

44、 fcp时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量Eh静力弹性模量。第四章 混凝土与砂浆1单相匀质材料的弹性模量和密度有直接关系；单相匀质材料的弹性模量和密度有直接关系；1混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性模量取决混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性模量取决于下列因素：于下列因素：各物相的体积分数；各物相的密度；各物相的弹性模量界面过渡区的特性弹性模量与组成的关系弹性模量与组成的关系第四章 混凝土与砂浆1混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性行为取决混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性行为取决于各个相的弹性行为：于各个相的弹性行为：未水化的水泥颗粒水化物凝胶水粗骨料细骨料1混凝土的弹性模量取决

45、于下列混凝土的弹性模量取决于下列4个要素：个要素：水泥石的弹性模量Ep；骨料的弹性模量Ea；骨料的体积含量(或水泥石的体积含量)Vg。界面过渡区特性水泥石骨 料基体相分散相第四章 混凝土与砂浆混凝土弹性行为的复合模型混凝土弹性行为的复合模型1将混凝土简化为由水泥石和骨料组成的两相复合材料，因而，将混凝土简化为由水泥石和骨料组成的两相复合材料，因而，可建立如下复合材料模型，来预测混凝土的整体行为：可建立如下复合材料模型，来预测混凝土的整体行为：因为：c ap，sc1sa Vg+sp(1Vg)根据虎克定律：s E得到：EcEaVg+Ep(1Vg)(1)因为：scsasp，c 1 aVg+p(1Vg

46、)根据虎克定律：s E得到：(1/Ec)(Vg/Ea)+(1Vg)/Ep (2)该模型是由上下两层水泥石和中间第一个模型构成，同理可得：(1/Ec)(1-Vg1/2)/Ea+Vg1/2/EaVg+Ep(1-Vg1/2)(3)第四章 混凝土与砂浆1根据上述根据上述3个公式，得到如个公式，得到如图所示的曲线；图所示的曲线；1公式公式(1)和和(2)分别为混凝土分别为混凝土弹性模量的上、下限；弹性模量的上、下限；1公式的适用取决于骨料与公式的适用取决于骨料与水泥石的弹性模量之比水泥石的弹性模量之比Ea/Ep：1Ea/Ep=1，3个公式均适用，个公式均适用，一般一般Ea/Ep1，公式，公式(3)最接最

47、接近实际情况；近实际情况；1所以，混凝土的弹性模量所以，混凝土的弹性模量取决于水泥石和骨料的弹取决于水泥石和骨料的弹性模量，以及骨料的体积性模量，以及骨料的体积分数分数EcEpEa(1)(3)(2)00.51.0混凝土中骨料的体积分数back第四章 混凝土与砂浆影响混凝土弹性模量的因素影响混凝土弹性模量的因素 1水泥石基体相的弹性模量水泥石基体相的弹性模量水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制：Ep=E0(1Pc)3，即孔隙率越大，弹性模量越低；1水泥石的孔隙率的影响因素：水泥石的孔隙率的影响因素：水灰比 水灰比越小，弹性模量越高;水泥水化度(龄期)弹性模量随水化龄期不断增长;空气含量 含气量越

48、大，弹性模量越低；矿物掺合料 含水状态 吸水饱和时的弹性模量大于干燥时的；第四章 混凝土与砂浆水 灰 比水泥石的弹性模量(GPa)龄期(天)水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响第四章 混凝土与砂浆1骨料相的弹性模量骨料相的弹性模量骨料的孔隙率 骨料越密实，弹性模量越高；粗骨料的体积含量 弹性模量高的粗骨料越多，一般来说，混凝土的弹性模量越高；1界面过渡区特征界面过渡区特征空隙,微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。第四章 混凝土与砂浆弹性模量弹性模量(GPa)玄武岩玄武岩辉绿岩辉绿岩辉长岩辉长岩白粒岩白粒岩石灰石

49、石灰石石英岩石英岩蛇纹石蛇纹石冻石冻石混凝土试件、水泥浆体和骨料的弹性模量混凝土混凝土水泥石基体水泥石基体骨料骨料第四章 混凝土与砂浆back混凝土过渡区结构骨 料C-S-H钙矾石CH第四章 混凝土与砂浆混凝土弹性模量与抗压强度的关系混凝土弹性模量与抗压强度的关系1混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混凝土弹性模量应由试验测定；凝土弹性模量应由试验测定；1一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大：一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大：二者之间存在经验公式：二者之间存在经验公式：Ec 3.32(fcyl)+6.9 (ACI 2000b)式

50、中：式中：Ec 混凝土弹性模量；混凝土弹性模量；fcyl 标准棱柱体试件标准棱柱体试件28天抗压强度天抗压强度 该公式适用于抗压强度在该公式适用于抗压强度在2183 MPa的混凝土的混凝土第四章 混凝土与砂浆第四章 混凝土与砂浆PP水饱和状态下，混凝土的泊松比=0.25；干燥状态下，混凝土的泊松比=；一般在0.17。混凝土泊松比随骨料含量的增加而增加。混凝土的泊松比back第四章 混凝土与砂浆3、混凝土的徐变混凝土的徐变1什么是徐变？什么是徐变？在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随时间而增加的变形称为徐变。时间而增加的变形称为徐变。1徐变曲线特征？徐变曲

51、线特征？1徐变产生的机理？徐变产生的机理？1徐变对混凝土结构有何影响？徐变对混凝土结构有何影响？1影响徐变的因素有那些？影响徐变的因素有那些？第四章 混凝土与砂浆徐变曲线特征：徐变曲线特征：1加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形，加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。1卸荷后，卸荷后，一部分变形可恢复，称为弹性恢复；其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复；最后残留下来的变形成为不可逆徐变。第四章 混凝土与砂浆徐变恢复加荷后的时间加荷后的时间(天天)弹性恢复不可恢复弹性变形徐变变形卸荷第四章 混凝

52、土与砂浆徐变产生的机理徐变产生的机理：1水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和剪切水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和剪切滑移；滑移；1在荷载作用下，凝胶体内的吸附水被挤出；在荷载作用下，凝胶体内的吸附水被挤出；1骨料的延后弹性变形骨料的延后弹性变形 ；1过渡区裂缝的扩展或产生。过渡区裂缝的扩展或产生。加荷后，水泥石首先变形，骨料上的应力增大，骨料产生弹性变形延后弹性变形第四章 混凝土与砂浆吸附水吸附水吸附水排出吸附水排出徐变徐变徐变机理徐变机理第四章 混凝土与砂浆1 不利：J 徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达3050%；J 混凝土构件会产生随

53、时间变化的挠度或变形。1 有利J 徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；J 降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中的应力峰值。徐变的影响：第四章 混凝土与砂浆 西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(主跨为241m)，由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌(1996年)。第四章 混凝土与砂浆影响徐变的因素影响徐变的因素：1湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小；湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小；1环境湿度：湿度降低，徐变增大；环境湿度：湿度降低，徐变增大；1温度：温度升高，徐变增大，温度：温度升高，徐变增大，70

54、C以上，使徐变降低；以上，使徐变降低；1骨料用量：体积含量增加，徐变减小；骨料用量：体积含量增加，徐变减小；1骨料的特性：泊松比和弹性模量，弹模越大，徐变越小；骨料的特性：泊松比和弹性模量，弹模越大，徐变越小；1水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大；水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大；1水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小1荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大。第四章 混凝土与砂浆骨料的体积含量骨料的体积含量(%)骨料的体积含量对混凝土徐变 的影响第四章 混凝土与砂浆温度对混凝土徐变的影响荷载作用时间荷载作用时间

55、(天天)第四章 混凝土与砂浆加荷的应力水平对混凝土徐变的影响加荷时间加荷时间(天天)第四章 混凝土与砂浆环境湿度对混凝土徐变的影响第四章 混凝土与砂浆骨料的弹性模量对混凝土徐变的影响加荷时间加荷时间(对数对数)第四章 混凝土与砂浆收缩与徐变对混凝土开裂的影响收缩与徐变对混凝土开裂的影响1混凝土的开裂受多种因素的影响混凝土的开裂受多种因素的影响环境的物理与化学因素和荷载作用下的变形；混凝土的延性、强度等性能；变形受到约束的程度。1开裂条件：收缩与徐变的相互作用开裂条件：收缩与徐变的相互作用收缩受到约束时，产生拉应力；在一定持续应力下，混凝土会产生徐变，引起应力松弛，导致应力随时间减小；当徐变后的

56、实际应力达到抗拉强度时，混凝土才会开裂。综合第四章 混凝土与砂浆干缩与徐变混凝土在干燥状态受压下的变形第四章 混凝土与砂浆无松弛作用时出现开裂混凝土的抗拉强度开裂延迟应力松弛后的实际应力应力松弛时 间收缩应变受约束时产生的弹性拉应力第四章 混凝土与砂浆小节小节1骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体，骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体，在受压应力作用，既产生弹性变形，又产生塑性变形；在受压应力作用，既产生弹性变形，又产生塑性变形；1混凝土的弹性模量不是一个常数，工程应用中，一般用割线混凝土的弹性模量不是一个常数，工程应用中，一般用割线弹性模量作为设计依据，其大小取决

57、于水泥石和骨料的弹性弹性模量作为设计依据，其大小取决于水泥石和骨料的弹性模量及其相对含量，以及界面状况；模量及其相对含量，以及界面状况；1在干燥状态下，混凝土内部水的损失，而引起干缩变形，它在干燥状态下，混凝土内部水的损失，而引起干缩变形，它与混凝土的组成、构件几何尺寸与形状、环境条件等有关；与混凝土的组成、构件几何尺寸与形状、环境条件等有关；1在与外界隔绝的条件下，由于水泥水化会引起混凝土内部自在与外界隔绝的条件下，由于水泥水化会引起混凝土内部自干燥，而产生整体的自干缩变形；干燥，而产生整体的自干缩变形；1在荷载长期作用下，混凝土会发生随时间增加的变形在荷载长期作用下，混凝土会发生随时间增加的变形徐徐变，干燥会使徐变增大；变，干燥会使徐变增大；1在约束条件下，混凝土发生的各种变形，可引起开裂。在约束条件下，混凝土发生的各种变形，可引起开裂。