第三章混凝土的强度与破坏Strength and Failure of Conrete
问题
n强度高的混凝土有哪些优点？有哪些用途？
n什么样的结构（什么时候）要求混凝土强度迅速增长？强度发展过快可能会产生什么弊病?
在混凝土的所有性能中，为什么总是首先关心其强度
1) 作为一种结构工程材料，承载力备受关注，因此混凝土的强度通常总是首先要评价的性质。

2）易于评价。

3）与其它性能有密切关系
kp
e
f f −=
03.1 强度—孔隙率的关系
对于匀质材料（如硬化水泥浆）：
式中：f 0是孔隙率0时本征强度,
p 是孔隙率，k 是常数。

而混凝土存在过渡区，强度不
仅受骨料强度和硬化浆体的强度
（孔隙率）有关，还与界面过渡
区薄弱程度密切相关。

硬化水泥浆体毛细孔隙率与抗压强度关系
Power ’s model ：胶空比（凝胶空间比）—砂浆强
度关系
Power ’s model ：孔隙
率—净浆强度关系
f =f 0(1-p)
3
不同混凝土孔隙率的比较
3.2 混凝土的破坏模式
l混凝土内部存在形状、尺寸不同的孔隙、微裂纹；浆体与骨料间存在薄弱的过渡区。

混凝土荷载作用下的的破坏过复杂且随应力类型而异。

l单轴拉伸作用下，基体中裂缝的出现和发展所需能量很小，所以过渡区原生微裂缝和基体中形成的新裂缝扩展和连通很快，发生脆性破坏。

l单轴压缩荷载下，脆性较小。

一般荷载达到破坏应力的50%前，基体中没有新裂缝出现，但在过渡区形成了稳定的剪切—粘结裂缝体系，应力继续增加，基体中出现新裂缝，大小和数量随应力的增大逐渐发展，最后基体的新裂缝与过渡区的剪切—粘结裂缝相互连通起来就出现破坏。

混凝土在单向压缩下的应力—应变关系(①界面裂缝无明显变化；②界面粘结裂缝扩展；
③基体出现新裂缝和连续裂缝；④基体裂缝和界面裂缝连通、扩展)
•普通混凝土，断裂沿骨料表面发生，过渡区是薄弱区域。

•高强混凝土砂浆和过渡区得到加强，断裂有可能穿过骨料发生。

1）水灰比（water/cement ratio ）Abrams 定则：f c =k 1/(k 2w /c )
k 1、k 2是常数，取决于混凝土的龄期、组成材料及测定方法等因素。

3.3 抗压强度及其影响因素
1．材料的特性与配比
Characteristics and Proportions of Materials
2)水泥品种和等级
水泥的强度等级与混凝土强度的关系：
f cu =A f
ce
（C/W－B）
式中f
cu
—混凝土28d龄期的抗压强度（MPa）；
C/W—灰水比；
f ce—水泥28d龄期实际抗压强度（MPa）。

在无法取得水泥实际强度时，可用式
f ce=γc·f ce
g 代入，
其中f
ce,g 为水泥强度等级值，γ
c
为水泥强度等级值的富
余系数（一般为1.13）。

碎石混凝土A＝0.53 B＝0.20
卵石混凝土A＝0.49 B＝0.13
•颗粒强度•最大粒径：水灰比较大，骨料最大粒径对强度影响不明显；而水灰比降低（强度提高），影响逐渐增大。

•粒形、级配（颗粒分布）：影响大，易忽视。

•骨料表面构造（粗糙度）骨料强度>1.5倍混凝土强度，
对普通混凝土的强度影响不大
3）骨料
骨料最大粒径（D
)
max
4) 拌合水
5）化学外加剂
减水剂
速凝剂
缓凝剂
早强剂引气剂等
6）矿物掺合料（辅助胶凝材料）：降低水泥石和界面孔隙，改善界面粘结，一般提高后期强度。

由于混凝土技术的发展，在20多年里：水灰比（水胶比）从> 0.5降低到0.15~0.30；素混凝土28天抗压强度从~30MPa 提高到>100MPa!
含气量的影响。

2. 浇注（Placing）
3. 养护
•在混凝土硬化过程中，人为地改变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结果，称为对混凝土的养护。

长时间。

毛细管阻断所需时间与水灰比的关系
胶凝材料的水化反应需要水分的参与，如果没有充分的水分供应，水化反应将很快停止。

特别是在水化初期，湿养护非常重
要。

胶凝材料的水化反应速度随温度升高而加大。

反应速度过快，形成的浆体结构
较为疏松，后期强度下降。

养护温度对强度的影响
Why?
•与实验室内标准状态下养护的试件相比，实际结构内的混凝土常表现出较高的早期强度和较低的后期强度。

4．试验参数
1)试件尺寸；
2)试件形状；
3)试件表面干湿状态；
4)加载速率、承载时间；
5)试验机的刚度等。

影响强度试验值，而不是实际混凝土强度！
1)试件尺寸2)试件
形状•当试件受压面积（a ×a ）相
同时，h/a 越大，测得的强度
越小。

•试件尺寸越小，测得的强
度越高，反之亦然。

a
试验破坏不后残
存的棱锥体受压板约束时试件破坏情况
涂油
摩擦力压板表面约束
3)试件表面状态
•当试件受压面上有油脂类润滑剂时，试件受压时的环箍效应大大减小，试件将出现直裂破坏，测出的强度值也较低。

4)加载时间（速率）
•加荷速度越快，测得的强度值越大。

•我国标准规定混凝土抗压强度的加荷速度为：0.3～
0.8MPa/s，且应连续均匀地加荷。

加
载
时
间
影响混凝土强度因素总结
3.4 混凝土在不同应力状态下的力学行为3.
4.1 单轴受压作用下混凝土的行为
混凝土受压时应力—应变关系
单轴受压作用下，混凝土体内裂缝随荷载增大而延伸、发展、连通，从而导致破坏过程大致分四阶段：阶段1：荷载小于极限荷载的30%时，裂缝尖端的塑性变形和微结构的不匀质性吸收能量，裂缝传播缓慢，过渡区的裂缝处于稳定阶段，呈弹性变形阶段。

阶段2：荷载增加到50%前，过渡区裂缝长、宽和数量开始发展，变形增大的速率与应力增长不再成直线关系。

此时过渡区的微裂缝还处在稳定阶段，水泥浆的开裂小得多可忽略不计。

阶段3：荷载增加到50%~75%，过渡区的裂缝变得不稳定，水泥浆的裂缝增长，应力应变曲线趋向水平。

阶段4：荷载超过75%时，裂缝自发地扩展，速率加快，由于裂缝逐渐连通，系统趋于不稳定而破坏；或者应力再增大时，由于应变迅速增大而导致破坏。

该阶段横向应变的速率大于纵向应变的速率，混凝土的体积在增大。

但完全崩溃要待应变显著大于达到最大荷载时的应变才会发生。

3.4 混凝土在不同应力状态下的力学行为3.
4.1 单轴受压作用下混凝土的行为
)
(1)混凝土立方体抗压强度(f
cu
)
(2)混凝土轴心抗压强度(f
cp
150×150×300mm棱柱体试件测得。

f cp≈0.7~0.8 f cu
)
(3)混凝土立方体抗压强度标准值(f
cu,k
(4)混凝土强度等级C f
cu,k
混凝土强度等级
•混凝土强度等级采用符号“C”与立方体抗压强度标准值表示。

•现行规范规定，C10~C80，共分14个等级。

已有C100的工程实践。

•混凝土强度等级是结构设计时强度计算取值的依据。

•立方体抗压强度标准值：指用标准试验方法测得的强度总体分布中具有不低于95%保证率的立方体试件抗压强度。

•按照国家标准规定，按标准成型方法制作变长为150mm的立方体试件，在标准条件
（20±3℃，相对湿度90%以上）养护到28d龄期，用标准试验方法测得的抗压强度为立方体试件抗压强度。

Φ150×300mm 圆柱体抗压强度
120
应
力
高强混凝土MPa
普通混凝土
0.006
轴向应变(mm)。