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  1. 混凝土材料学

  2. 本章主要内容 第五章 混凝土物理力学的性能 • 第一节 混凝土的物理性能 • 第二节 混凝土的强度 • 第三节 混凝土的变形性能

  3. 3.1.1混凝土的密实度 密实度表示在一定体积的混凝土中,固体物质的填充程度,可由下式表示 V-绝对密实体积;V0-自然体积。 绝对密实的混凝土是不存在的,因此密实度的D值总是<1。 混凝土的密实度与混凝土的主要技术性能,如强度、抗冻性、不透水性、耐久性、传声和传热性能等都有密切的联系。 5.1 混凝土的物理性能 • 5.1.1 混凝土的密实度

  4. 混凝土的渗透性指液体和气体对其渗透的性质,是混凝土的一项重要物理性能,不仅对要求防水的结构物具有重要意义,更重要的是评价混凝土抵抗环境中侵蚀性介质侵入和腐蚀的能力。混凝土的渗透性指液体和气体对其渗透的性质,是混凝土的一项重要物理性能,不仅对要求防水的结构物具有重要意义,更重要的是评价混凝土抵抗环境中侵蚀性介质侵入和腐蚀的能力。 5.1.2 混凝土的渗透性 5.1 混凝土的物理性能 混凝土抗渗仪

  5. 5.1.2 混凝土的渗透性——抗渗等级 5.1 混凝土的物理性能 混凝土的抗渗等级以每组6个试件中4个未出现渗水时的最大水压力(MPa)计算。混凝土抗渗等级分为P2、P4、P6、P8、P10、P12 ,其计算公式为: 式中: P——抗渗等级; H——六个试件中三个试件渗水时的水压力(MPa)。

  6. 5.1.2 混凝土的渗透性——影响因素 5.1 混凝土的物理性能 • 水灰比 • 混凝土水灰比对抗渗性起决定性作用。 渗透性—水灰比关系存在临界区域

  7. 5.1.2 混凝土的渗透性——影响因素 5.1 混凝土的物理性能 • 集料 • 集料的尺寸越大,集料的级配越差,水灰比越大,混凝土的渗透越高。 水灰比、集料粒径对混凝土渗透性的影响

  8. 5.1.2 混凝土的渗透性——影响因素 5.1 混凝土的物理性能 • 水泥细度与品种 • 水泥的水化程度 • 其它因素

  9. 5.1.2 混凝土的渗透性——改善措施 5.1 混凝土的物理性能 • 选择渗透性小的集料; • 减小水灰比,提高强度; • 在保证相同强度的条件下,掺加适量掺合料; • 适量引入细空气泡; • 加强养护,避免在施工期干湿交替。

  10. 5.1.3 混凝土的干缩与湿胀 5.1 混凝土的物理性能 • 定义 • 混凝土在硬化过程中及暴露在环境中由于干燥和吸湿引起含水量的变化,同时也引起混凝土的体积变化,称为干缩和湿胀。 膨胀 龄期 应变 收缩 水中养护 空气中养护 混凝土的干湿示意图

  11. 5.1.3 混凝土的干缩与湿胀 5.1 混凝土的物理性能 • 形成原因 • 混凝土在干燥过程中,由 于吸附水和毛细孔水的蒸 发,使毛细孔中形成负压, 随着空气湿度的降低负压 逐渐增大,产生收缩力, 导致混凝土收缩。同时, 凝胶体颗粒的凝胶水也发 生部分蒸发,凝胶体因失 水而产生紧缩。 负压 弯月面 凝胶孔 干湿变形机理示意图

  12. 5.1.3 混凝土的干缩与湿胀 5.1 新拌混凝土流变学 • 危害 • 混凝土的湿胀变形很小,一般无破坏作用。混凝的干缩变形对混凝土的危害较大。干缩可使混凝土的表面产生较大的拉应力而引起开裂,从而使混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等降低。 • 影响因素 • 水泥用量、细度、品种 • 水灰比 • 集料的规格与质量 • 养护条件

  13. 混凝土强度的概念 混凝土强度分为抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。其中以抗压强度最大,抗拉强度最小,仅为抗压强度的1/10~1/20,故混凝土主要用于承受压力。 5.2 混凝土的强度

  14. 5.2.1 混凝土强度的基本理论 混凝土材料设计的主要依据 细观力学理论 基本理论 宏观力学理论 混凝土结构设计的重要依据 5.2 混凝土的强度 多孔固体材料抗压强度模型

  15. 5.2.2 混凝土受力后的破坏过程 依据 5.2 混凝土的强度 • 混凝土的破坏机理 • 混凝土在压力作用下.产生纵向与横向变形。当荷载增大到一定程度以后,试件中部的横向变形达到混凝土的极限值时,则产生纵向裂纹,继续增加荷载,裂纹进一步扩大和延伸,同时产生新的纵向裂纹,最后混凝土丧失承载能力而被破坏。 • 混凝土受压过程中出现裂纹的依据

  16. 在应力状态下混凝土的力学行为 5.2.2 混凝土受力后的破坏过程 5.2 混凝土的强度 集料 应 力 混凝土 水泥浆体 应变 混凝土与硬化水泥浆体的典型应力应变曲线

  17. 在应力状态下混凝土的力学行为 5.2.2 混凝土受力后的破坏过程 5.2 混凝土的强度 100 基材裂缝快速生长 75 基材裂缝缓慢生长+粘结裂缝 50 粘结裂缝缓慢生长 30 可忽略不计的粘结裂缝 应变 不同应力情况下的裂缝扩展图

  18. 5.2.2 混凝土受力后的破坏过程 应 变 5.2 混凝土的强度 • 在应力状态下混凝土的力学行为 下降分枝/裂缝扩展 收敛分枝/已开裂截断间的摩擦及啮合 上升分枝 约0.004的应变 混凝土全应力应变曲线的三个分支

  19. 抗压强度 5.2 混凝土的强度 • 定义 • 抵抗外力不受破坏的能力,而破坏有时等同于出现裂缝。 混凝土受力破坏的过程,实际是混凝土裂缝的发生及发展的过程。

  20. 试件形状示意图 抗压强度 5.2 混凝土的强度 a a 2a a 圆柱体 (美、法、日) 立方体 (英、德、中)

  21. 抗压强度 5.2 混凝土的强度 • 立方体抗压强度 • GB/T 50081-2002 规定,按标准方法 制作的试件,在标 准条件养护到28d 龄期,测得的抗压 强度值为混凝土立 方体试件抗压强度, 以fcu表示。 标准试件

  22. 5.2 混凝土的强度 • 抗压强度 压力试验机

  23. 抗压强度 5.2 混凝土的强度 • 立方体抗压强度标准值 • 指在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度,以fcu,k表示。 P 强度—概率分布曲线 95% fcu,k μfCU fcu 混凝土立方体抗压强度标准值示意图

  24. 5.2 混凝土的强度 • 抗压强度 C30 “30”代表fcu,k=30.0MPa; • 混凝土强度等级 • 我国现行规范(GB50010—2002)规定,普通混凝土按立方体抗压强度标准值划分。 • 普通混凝土划分为十四个强度等级: C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50 、C55、C60、 C65 、C70、C75和 C80。 “C”代表“混凝土”。 强度换算系数(GB/T 50081—2002)

  25. 水泥等级与水灰比 5.2.3 抗压强度的影响因素 充分密实的混凝土 混凝土抗压强度 手工捣实 不完全密实的混凝土 水灰比 5.2 混凝土的强度 混凝土抗压强度 振动 灰水比(c/w) 混凝土强度与水灰比的关系 混凝土强度与灰水比的关系

  26. 5.2.3 抗压强度的影响因素 水泥等级与水灰比 混凝土强度经验公式: 式中:C/W——灰水比;fcu——混凝土28d抗压强度;fce——水泥28d抗压强度实测值。 式中:αa、αb——经验系数; 碎石 αa=0.46; αb=0.07 卵石 αa=0.48; αb=0.33 5.2 混凝土的强度 (γc=1.13)

  27. 5.2.3 抗压强度的影响因素 5.2 混凝土的强度 • 集料的品种、规格与质量 • 水灰比小时,界面粘结是主要矛盾,碎石混凝土强度高; • 水灰比大时,水泥石强度是主要矛盾,卵石混凝土强度高; • 泥含量以及杂质含量少、级配好的集料,混凝土强度高。 • 孔隙率对强度的影响 一般均质材料强度与孔隙率关系: 水泥浆体28d抗压强度和固空比之间的相互关系式 : • 混凝土由水泥浆体、粗、细集合料组成,为非均质材料,故以上关系式子不适合混凝土。 R=ax3

  28. 5.2.3 抗压强度的影响因素 养护温度、湿度 5.2 混凝土的强度 养护温度对混凝土强度的影响

  29. 5.2.3 抗压强度的影响因素 养护温度、湿度 5.2 混凝土的强度 粉煤灰混凝土 纯水泥混凝土 养护温度对不同掺合料混凝土强度的影响

  30. 5.2.3 抗压强度的影响因素 养护温度、湿度 5.2 混凝土的强度 湿度对混凝土强度的影响

  31. 5.2.3抗压强度的影响因素 5.2 混凝土的强度 • 龄期 • 混凝土在正常养护条件下所经历的时间,最初的1~14d发展较快,28d以后增长缓慢。 抗压强度 n ——养护龄期,n≥3d。 28 龄期/d 14 龄期与抗压强度的关系

  32. 5.2.3 抗压强度的影响因素 5.2 混凝土的强度 • 其他因素 • 施工条件,如搅拌、振捣方式。 • 试验条件,如试件的形状、尺寸、表面状态、含水程度及加荷速度等。 试件尺寸:相同的混凝土,试件尺寸越小测得的强度越高。 试件的形状:当试件受压面积(a×a)相同,而高度(h)不同时, 高宽比(h/a)越大,抗压强度越小。 表面状态 :试件表面有、无润滑剂,其对应的破坏形式不一, 所测强度值大小不同。 加荷速度 :加荷速度较快时,材料变形的增长落后于荷载的增加,所测强度值偏高。  • 外加剂和掺合料的掺入。

  33. 提高混凝土强度的措施 采用高等级水泥; 采用低水灰比的干硬性混凝土; 采用湿热处理养护混凝土; 采用机械搅拌、机械振捣; 掺入混凝土外加剂、掺合料等。 5.2 混凝土的强度

  34. 概述 5.3 混凝土的变形性能 短期荷载作用下的变形 弹性变形 荷载作用下的变形 变形性能 徐变 非荷载作用下的变形 塑性收缩 长期荷载作用下的变形 干燥收缩 收缩变形 自收缩 碳化收缩

  35. 5.3.1 弹性变形 B 应力 f 初始切线 a 0 E弹 应变 E 5.3 混凝土的变形性能 • 模量 • 初始切线模量 • 切线模量 • 割线模量 • 弦线模量 混凝土在压力作用下的应力应变曲线

  36. 5.3.1 弹性变形 5.3 混凝土的变形性能 • 影响混凝土弹性模量的主要因素 • 混凝土的强度 • 混凝土水泥用量与水灰比 • 集料的弹性模量与集料的质量 • 养护和测试时的湿度 • 引气混凝土的弹性模量较非引气的混凝土低20%~30%

  37. 5.3.2 徐变 5.3 混凝土的变形性能 • 定义 • 硬化后的混凝土在恒定荷载的长期作用下随时间而增加的变形。 空气和水中混凝土试件的徐变和徐变恢复

  38. 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)。

  39. 5.3.2 徐变 影响徐变的因素 水泥和水灰比 集料 混凝土外加剂和掺合料 尺寸效应 应力状态 湿度 温度 5.3 混凝土的变形性能

  40. 5.3.2 徐变 5.3 混凝土的变形性能 环境相对湿度对徐变的影响

  41. 5.3.2 徐变 5.3 混凝土的变形性能 荷载变形 P 蒸发 P 干缩 基本徐变 干燥徐变 P P 100%RH 60%RH 60%RH

  42. 60%湿度、不加载 干缩 100%湿度、加载 基本徐变 干燥徐变 60%湿度、加载 干缩

  43. 5.3.2 徐变 5.3 混凝土的变形性能 温度对徐变的影响

  44. 塑性收缩 定义:由新拌混凝土表面水分蒸发而引起的变形。塑性收缩在混凝土仍处于塑性状态时发生的。 原因:在暴露面积较大的混凝土工程中,当表面失水的速率超过了混凝土泌水的上升速率时,会造成毛细管负压,新拌混凝土的表面会迅速干燥而产生塑性收缩。 影响因素: 新内部因素 :风速、环境温度和相对湿度等; 外部因素 :水灰比、矿物细掺料、浆集比、混凝土的温度和凝结时间等。 5.3.3 混凝土的收缩 5.3 混凝土的变形性能

  45. 5.3.3 混凝土的收缩 干燥收缩 定义:混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩。 影响因素: 水灰比和水化程度 水泥的组成和水泥用量 矿物细掺料和外加剂 集料的品种和用量 5.3 混凝土的变形性能

  46. 自收缩 定义:密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而 降低。 影响因素: 水灰比 矿物细掺料的活性 水泥细度 5.3.3 混凝土的收缩 5.3 混凝土的变形性能

  47. 碳化收缩 定义:混凝土经受碳化作用而产生的变形。 原因: 第一种认为CO2与C-S-H反应引起水分的损耗,收缩与失水的关系类似于普通的干燥作用。 第二种认为处在由于干缩引起的应力状态下,Ca(OH)2晶体的分解和在无应力空间CaCO3的沉淀,引起水泥浆体的可压缩性的提高。 影响因素: 水灰比 水泥品种和用量 矿物细掺料 5.3.3 混凝土的收缩 5.3 混凝土的变形性能

  48. 谢谢大家