混凝土硬化后最基本的性能就是强度, 混凝土强度有抗
压、抗拉、弯曲、剪切强度等。抗压强度同其他强度间有密
切的关系。由于它的测定方法比较简单, 同时在混凝土结构
中混凝土主要用来承受压力, 因此, 混凝土的抗压强度就成
为评价其质量的最重要的一项指标。
通常所讲的混凝土标号是混凝土的特定抗压强度, 是设
计和施工时的强度指标。混凝土标号是按照标准方法试验测
定的。用边长为15 cm的立方体试件, 在标准条件( 温度为
20±3℃, 相对湿度90%以上) 下养护28天的抗压强度。影响
混凝土强度的因素较多, 但主要是混凝土的构成材料, 施工
中振捣密实强度及混凝土强度增长过程中的养护条件。混凝
土的组成材料包括水泥、集料( 粗、细骨料) 、水。
1 水灰比是决定混凝土强度的关键
水在混凝土中的掺量是决定混凝土强度的主要因素。通
常情况下, 满足水泥水化所需的水量不超过水泥重量的25%。
普通混凝土常用的水灰比为0.4:0.65, 超过水化需要的水主要
是为了满足工作性的需要。超量的水在混凝土内部留下了孔
缝, 使混凝土强度、密度和各种耐久性都受到不利影响, 因
此, 水灰比是决定混凝土强度的关键。在配制混凝土时, 根
据所用的原料( 水泥和石子) , 按照公式: R=ARc ( C/W- B)
⋯⋯⋯⋯ ( 1- 1) 或W/C=ARc/( R+BRc) ⋯⋯⋯⋯ ( 1- 2) 计
算出混凝土的强度或水灰比。
由公式( 1- 1) 中可以看出, 当水泥标号( Rc) 为已知
时, 混凝土强度( R) 与灰水比( C/W, 为水灰比的倒数) 是
线性关系, 即灰水比越大( 水灰比越小) 混凝土强度越高,
灰水比越小( 水灰比越大) 强度越低。
在一般情况下, 集料的强度都高于混凝土强度, 甚至高
出几倍。因此, 混凝土的强度主要取决于起胶结作用的水泥
石的质量。而水泥石的质量又决定于水泥标号和水灰比, 所
以说水泥石质量决定于水灰比, 可从水在水泥浆体中的存在
形态加以分析。经研究证明, 水泥浆体中的水有四种形态:
( 1) 化合水, 水以原子形态参加晶格, 即水分子有序排
列于水化物晶格之内, 完全与水泥化合而形成新的物质。这
部分约占总量的20~25%。
( 2) 凝胶水, 存在于水化物凝胶中的水为凝胶所包围,
但不与水泥起水化反应。蒸发后在水泥石中留下凝胶孔。
( 3) 毛细水, 存在于毛细孔中的可蒸发水, 蒸发后留下
毛细孔。
( 4) 游离水, 对水泥浆体结构和性能完全属于多余的可
蒸发水, 因此, 愈少愈好。但因为混凝土施工需要一定的和
易性, 故游离水不能完全避免。
以上4种存在于水泥浆体的水, 除了化合水外, 其余三种
形态的水, 都将随着水泥浆体的凝结硬化而逐渐蒸发掉, 给
水泥石留下的是孔隙, 而任何固体的强度都与所含孔隙率大
小有关, 孔隙率越大强度越低, 孔隙率越小强度越高。所以
混凝土水灰比越大, 孔隙率越大, 强度越低, 水灰比越小,
孔隙率越小, 强度越高。
2 水泥对混凝土强度的影响
水泥标号对混凝土强度的作用是人们所熟知的, 同样配
合比, 水泥标号愈高, 混凝土强度愈高, 水泥标号愈低, 混
凝土强度愈低。
关于水泥用量对混凝土强度的影响, 一般认为“水泥越
多混凝土强度越高”。这个认识是不确切的: 一是没有前提。
这个前提应该是在水灰比不变的情况下。如果水灰比不同,
就无法谈高低问题。二是两者间关系不是永恒的。在水灰比
不变的情况下, 混凝土强度有随水泥用量增加而提高的可能。
但当水泥用量增加到某一极限量时, 混凝土强度不但没有提
高, 反而有下降的趋势。从水泥用量对水泥石孔隙的影响来
分析, 在某一水灰比时, 水泥用量如果恰在水泥全部水化限
度内, 则水泥石的孔隙率是最小的, 也就是水泥石强度是最
高的。如果水泥用量增加, 相应地水也要增加。所以, 孔隙
率不会再减少, 相反地增加了水泥石在混凝土整个体积中的
比例。在混凝土中, 水泥石的强度远较集料强度低, 因此,
过多的增加水泥不但不会提高混凝土的强度, 很可能要降低
强度, 同时还要浪费水泥, 这在技术上和经济上都是不可取的。
3 集料对混凝土强度的作用
集料本身强度一般都高于混凝土强度, 所以集料强度对
混凝土强度没不利影响。但是集料的一些物理性质, 特别是
集料的表面情况, 颗粒形状( 针片状) 等对混凝土强度有较
大的影响, 相对地讲, 对混凝土的抗拉强度影响更大一些。
集料品种对混凝土强度的影响, 又与水灰比有关。当水灰比
小于0.4, 用碎石制成的混凝土强度较卵石要高, 两者相差值
可达30%以上。随着水灰比的增大, 集料品种的影响减小,
当水灰比为0.65时, 用碎石和卵石制成的混凝土在强度上没
有差异。这是因为碎石表面粗糙, 卵石则表面光滑, 它们与
水泥石间的界面粘结强度不同所致。
粗集料的最大粒径对混凝土的用水量及水泥用量有一定
的影响。粒径大, 其比表面积越小, 因此用于湿润石子表面
的水得以减少, 可降低水灰比而提高混凝土强度, 或在保持
强度不变的情况下, 节省水泥。但当最大粒径超过40 mm以
后, 由于减少加水量获得强度的提高, 却被较小的粘结面及
大粒径石子造成混凝土的连续性的不利影响所抵消, 特别是
水泥用量多的混凝土更为明显。
石子最大粒径为40 mm时, 其混凝土强度最高。所以我
们在选用石子时, 不宜用大于40毫米粒径的石子, 太大的石
子不但强度较低, 且在施工中拌合捣实都不方便, 同时在结
构上也有限制。
集料中所含的有害物质, 如泥土、粉尘、有机物, 硫酸
盐等, 对混凝土强度都是有害的, 所以应尽量减少集料中的
有害物质。
4 振捣密实对混凝土强度的影响
振捣是配制混凝土的一个重要的工艺过程。振捣的目的
是施加某种外力, 抵消混凝土混合物的内聚力, 强制各种材
料互相贴近渗透, 排除空气, 使之形成均匀密实的混凝土构
件或构筑物, 以期达到最高的强度。
为获得密实的混凝土, 所使用的捣实方法有人工捣实和
机械振实两种。由于人工捣实弊端很多一般很少应用, 主要
是机械振实。
振速同振幅( A) 、振频( n) 的关系可用公式表示。
V=OC×A×n ( 1- 3)
振幅与振频: 由公式可见, 在已定振速的情况下, 振幅
大, 振频相应减小, 反之振频相应加大, 在一定临界振速时,
相应于每一振频都有一个临界振幅, 在这个临界振幅作用下,
可使混凝土得到最大的密实度。此外, 振幅的大小还与混凝
土混合物颗粒尺寸大小及流动度有关。如果振幅过小, 难以
达到密实, 振幅过大则发生振动不和谐。呈紊乱状态, 这会
导致混凝土的分层现象。由此可见, 只要振幅保持在一个适
当的范围之内, 振频对混凝土的密实起主要作用。
振动时间: 现在使用的振动器的振速、振幅、振频等参
数往往都是固定的, 所以应按照具有不同参数的振动器和混
凝土混合物的流动性及结构特性, 决定振动时间, 如果振动
时间太少, 则密实效果不会好, 相反, 振动时间过长, 会使
颗粒大的石子沉底, 上部多是水泥砂浆或水泥浆及浮水, 形
成离析现象, 造成上下不均匀, 降低混凝土强度。
5 养护的种类
所谓混凝土养护, 就是使混凝土在一定的温度、湿度条
件下, 保证凝结硬化的正常进行。有自然养护, 湿热养护,
干湿热养护, 电热养护和红外线养护等, 养护经历的时间称
为养护周期。
6 温度的影响
一般的规律是养护温度高, 水泥水化速度快, 混凝土早
期强度增长的快。这对加速施工进度、提高经济效益是十分
有利的。还应注意, 即早期养护温度超过某一个值时?养护温
度越高, 混凝土的后期强度衰退越多。养护温度高, 混凝土
早期( 1～3天) 强度高, 但养护温度在4～23℃之间的后期混凝
土强度都较养护温度在32～49℃之间的高。
如果是高温( 50～90℃) 蒸汽养护, 混凝土强度还因膨胀
而降低混凝士热胀作用主要是在升温中产生, 因此混凝土应
有一个较长的预养时间, 使得混凝土在常温下获得一定的结
构强度, 并适当的将升温速度减慢, 以尽可能减少热胀的破
坏作用。
当然, 在负温度下养护混凝土, 由于水已结冰, 水泥水
化也就停止了, 如不采取升温措施, 混凝土不但获不到强度,
还会使混凝土冻结, 转正温后强度也是很低的, 甚至酥松崩
溃。
混凝土浇捣成型后立即受冻, 其强度损失为50%以上,
如果转正温养护后, 又未使混凝土保持一定的湿度, 情况更
加严重, 混凝土将变为酥松体, 直至崩溃。所以在冬季施工,
禁止混凝土立即受冻, 必须在获得规定强度后, 才允许受冻,
同时转正温后, 应加强浇水养护。对混凝土自身的质量而言,
其养护温度在15~25℃最好。
加强对影响混凝土强度因素的研究, 对于提高现场的施
土质量有着重大的现实作用
