影響混凝土強(qiáng)度的因素分析

李明輝,李婷婷

(1.黑龍江省公路工程監(jiān)理咨詢公司;2.浙江大地交通工程有限公司)

影響混凝土強(qiáng)度的因素很多,主要有組成原材料的影響、配合比設(shè)計(jì)、成型工藝、養(yǎng)護(hù)條件及測試條件等因素。

1 原材料對混凝土強(qiáng)度的影響

1.1 水泥對混凝土強(qiáng)度的影響

水泥強(qiáng)度的高低是影響混凝土強(qiáng)度的直接因素。試驗(yàn)表明,水泥強(qiáng)度越高,水泥反應(yīng)形成的水泥石強(qiáng)度就越高,從而使配制的混凝土強(qiáng)度就越高。而水泥強(qiáng)度取決于水泥礦物成分及細(xì)度。水泥強(qiáng)度主要來源于C3S和C3A的早期強(qiáng)度和C2S的后期強(qiáng)度。用C3S含量高的水泥來制作混凝土,其早期強(qiáng)度增長較快,但后期強(qiáng)度增長緩慢。水泥細(xì)度對水泥強(qiáng)度影響也很大,水泥越細(xì),水化加快,導(dǎo)致較高的早期強(qiáng)度增快,而后期強(qiáng)度增長緩慢,因此,配制不同性能的混凝土,應(yīng)根據(jù)其性能要求選用不同的水泥。

1.2 粗骨料對混凝土強(qiáng)度的影響

(1)采用碎石拌制混凝土,其形成的強(qiáng)度要比采用卵石拌制的混凝土強(qiáng)度高,但在相同的用水情況下,流動性相對較小。這是因?yàn)榇植诒砻婧洼^多的棱角,使碎石在提高與水泥及其水化物的粘附性和膠結(jié)程度的同時(shí),也加大了拌和物內(nèi)部摩擦阻力。含有較多針、片狀顆粒,將增大拌合物的空隙率,降低拌合物的和易性,集料界面粘結(jié)力下降,并且針片狀顆粒受力易折斷,進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度,所以混凝土用的粗集料要限制針、片狀顆粒含量。

(2)粗集料的最大粒徑對混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有影響,一方面隨著粗集料粒徑的增大,單位用水量相應(yīng)減少,在固定的用水量和水灰比條件下,加大最大粒徑可獲得較好的工作性,或因減小水灰比而提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性;另一方面隨著粗集料最大粒徑的增加,將會減少集料與水泥漿接觸的總面積,使界面強(qiáng)度降低,同時(shí)還會由于振搗不密實(shí)而降低混凝土的強(qiáng)度。所以粗集料最大粒徑的增加,帶來雙重影響,但造成不利影響的程度對混凝土抗折強(qiáng)度要比抗壓強(qiáng)度大一些。

(3)粗集料強(qiáng)度對混凝土強(qiáng)度的影響。

骨料對混凝土強(qiáng)度的影響主要有以下幾個(gè)方面:第一,石子強(qiáng)度低于混凝土的強(qiáng)度,當(dāng)混凝土受壓時(shí),石子首先被壓碎,導(dǎo)致混凝土的實(shí)際強(qiáng)度降低。特別是使用風(fēng)化或軟質(zhì)巖石破碎加工成的碎石拌制的混凝土易發(fā)生此類問題;第二,骨料體積穩(wěn)定性差,尤其是由頁巖、帶有膨脹松土的石灰?guī)r等制成的骨料,在干濕交替或凍融循環(huán)作用下,常表現(xiàn)為體積穩(wěn)定性差,發(fā)生變形,破壞混凝土已經(jīng)形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低,嚴(yán)重時(shí)會使混凝土構(gòu)件受到破壞;第三,骨料表面的粗糙程度及孔隙特征等影響骨料與水泥石之間的粘結(jié)性能,進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度。

(4)粗集料表面清潔度對混凝土強(qiáng)度的影響。

干法生產(chǎn)的粗集料表面粘附了一層石粉,其粒徑大部分小于 0.16mm,即使長時(shí)間攪拌,也無法使表面石粉完全脫離,這樣就在水泥漿和集料表面形成一個(gè)薄弱的結(jié)合層,使水泥漿不能完全與集料粘結(jié),從而使混凝土強(qiáng)度降低。經(jīng)山東省目前最高等級公路青萊(青島至萊蕪)高速所有石料全部水洗試驗(yàn)證明,配制出來的混凝土早期強(qiáng)度和晚期強(qiáng)度均高出未水洗配制的混凝土強(qiáng)度約 10%～14%。

1.3 細(xì)集料對混凝土強(qiáng)度的影響

對于中低強(qiáng)度等級的混凝土,尤其是膠凝材料偏小的混凝土,需保證細(xì)集料中細(xì)小顆粒的數(shù)量,以保證混凝土整體顆粒的堆積效果,從而保證混凝土的強(qiáng)度。試驗(yàn)表明,高強(qiáng)度混凝土要用中粗砂,尤其當(dāng)石子級配較差時(shí),砂子以偏粗為好,細(xì)度模數(shù)約等于 3.0時(shí),混凝土的工作性能最好,抗壓強(qiáng)度最高。

目前,由于許多地區(qū)河砂資源缺少,為了滿足建設(shè)市場的需求,允許采用巖石破碎生產(chǎn)的機(jī)制砂,此砂多棱角,表面粗糙,含大量石粉,且大多顆粒級配不良。大量試驗(yàn)證明,用機(jī)制砂配置出來的混凝土強(qiáng)度稍高于河砂配制混凝土的強(qiáng)度。這是因?yàn)闄C(jī)制砂多棱角,表面粗糙且界面新鮮,提高了砂與水泥界面間的粘結(jié)強(qiáng)度,同時(shí)研究還表明,在低等級的混凝土中機(jī)制砂中的石粉還可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,在高強(qiáng)混凝土中,適量的石粉對混凝土強(qiáng)度無不利影響,這就要求機(jī)制砂的質(zhì)量必須符合《建筑用砂》國家標(biāo)準(zhǔn)中人工砂的要求。

1.4 水對混凝土強(qiáng)度的影響

水是混凝土的主要組成部分,水的物質(zhì)組成嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度。水中許多有害雜質(zhì)可給混凝土質(zhì)量帶來很大的危害,例如水中的硫酸根離子、碳酸根離子可延長鈣礬石的結(jié)晶過程,消解混凝土 28d強(qiáng)度,一般情況下 28d強(qiáng)度可降低 10%～20%,而海水中的氯離子具有早凝作用,可以促進(jìn)混凝土快凝和早強(qiáng),同時(shí)對混凝土有腐蝕。

1.5 外加劑對混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土外加劑是指在混凝土拌和過程中摻入的,用于改善混凝土性能的物質(zhì)。隨著混凝土工程技術(shù)的發(fā)展,對混凝土性能提出了許多新的要求,如泵送混凝土要求高的流動性;冬季施工要求高的早期強(qiáng)度;高層建筑、海洋結(jié)構(gòu)要求高強(qiáng)、高耐久性。這些性能的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用高性能外加劑。由于外加劑對混凝土技術(shù)性能的改善,它在工程中應(yīng)用范圍越來越大,不少國家使用摻外加劑的混凝土已占混凝土總量的60%～90%。但外加劑應(yīng)用不當(dāng)會對混凝土的強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生影響。主要表現(xiàn)在:一是外加劑本身的質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),沒起到應(yīng)有的作用;二是外加劑的使用不當(dāng),會降低混凝土的強(qiáng)度,影響結(jié)構(gòu)安全。

2 水灰比和漿集比對混凝土強(qiáng)度的影響

2.1 水灰比對混凝土強(qiáng)度的影響

當(dāng)水泥的強(qiáng)度確定時(shí),混凝土的強(qiáng)度取決于水灰比的大小,在一定的范圍內(nèi)強(qiáng)度隨水灰比的減小而有規(guī)律的提高,這是因?yàn)樗冶葲Q定水泥漿體的空隙率。水灰比過大,混凝土坍落度過大。混凝土硬化后,多余的水分就殘留在混凝土中或蒸發(fā)后形成氣孔或通道,減少了混凝土抵抗荷載的有效截面,而且可能在孔隙周圍引起應(yīng)力集中。因此,在水泥強(qiáng)度等級相同的情況下,水灰比愈小,水泥石的強(qiáng)度愈高,與骨料粘結(jié)力愈大,混凝土強(qiáng)度也愈高。但是,如果水灰比過小,拌合物過于干稠,在一定的施工振搗條件下,混凝土不能被振搗密實(shí),出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞,反將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重下降。

2.2 漿集比對混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土中水泥漿的體積和集料體積之比稱為漿集比,該比值對混凝土的強(qiáng)度也有一定的影響。在水灰比相同的情況下,達(dá)到最佳的漿集比,混凝土的強(qiáng)度隨著漿集比的增加而降低,特別對高強(qiáng)混凝土尤為明顯。

3 養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度的影響

3.1 溫度對混凝土強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)條件(溫度、濕度)是通過對水泥水化過程所產(chǎn)生的影響而起作用的?；炷恋挠不谟谒嗟乃饔?。養(yǎng)護(hù)溫度高可以增大初期水化速度,混凝土初期強(qiáng)度也高。在養(yǎng)護(hù)溫度較低的情況下,由于水化速度緩慢,具有充分的擴(kuò)散時(shí)間,從而使水化物在水泥石中均勻分布,有利于后期強(qiáng)度的發(fā)展。當(dāng)溫度降至零度以下時(shí),由于混凝土中的水分大部分結(jié)冰,水泥顆粒不能和冰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)混凝土強(qiáng)度停止發(fā)展,甚至因溫度太低造成混凝土強(qiáng)度的損失,所以在相同條件下,適宜的溫度養(yǎng)護(hù)有利于強(qiáng)度快速提高。

3.2 濕度對混凝土強(qiáng)度的影響

周圍環(huán)境的濕度對水泥的水化作用能否正常進(jìn)行有顯著影響。濕度適中,水泥水化能順利進(jìn)行,使混凝土強(qiáng)度得到充分發(fā)展。如果濕度不夠,混凝土?xí)稍锒绊懰嗨饔玫恼＿M(jìn)行,甚至停止水化,降低混凝土的強(qiáng)度。

養(yǎng)護(hù)條件對測試結(jié)果的影響主要指早期養(yǎng)護(hù)和溫濕度。試件成型后通常經(jīng) 24h后脫模。由于大部分試驗(yàn)室(特別是江南)成型時(shí)無恒溫、恒濕條件,春夏秋冬四季溫差和相對濕度差異較大,試模內(nèi)的 24h不但嚴(yán)重影響高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度,也直接影響到 28d強(qiáng)度。在 20℃和 10℃,相對濕度 80%和 75%條件下,配制 C60混凝土,測得的結(jié)果表明,7d強(qiáng)度相差10%,28d強(qiáng)度差 7.5%。而對C20～C30混凝土的影響很小。這是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土的水灰比小,早期強(qiáng)度發(fā)展快,溫度敏感性大。因此,在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r,如無恒溫恒濕條件,則成型后必須立即移入養(yǎng)護(hù)室護(hù)養(yǎng),如若無此條件,則盡可能縮短在試模內(nèi)的時(shí)間,提前拆模,并且表面覆蓋塑料膜或其他保溫保濕措施,嚴(yán)防水份揮發(fā)影響強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)條件對混凝土強(qiáng)度的影響

4.1 試驗(yàn)方法對混凝土強(qiáng)度的影響

在試件承壓面上涂一些潤滑劑,這時(shí)試件與壓力機(jī)墊板間的摩擦力大大減小,試件沿著力的作用方向平行地產(chǎn)生幾條裂縫而破壞,所測得的抗壓極限強(qiáng)度就低。我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是不涂潤滑劑的。

4.2 試件尺寸對混凝土強(qiáng)度的影響

試件尺寸對混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有一定影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,立方體尺寸愈小則試驗(yàn)測出的抗壓強(qiáng)度愈高,這個(gè)現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。

4.3 加載速度對強(qiáng)度的影響

加載速度對立方體抗壓強(qiáng)度也有影響,加載速度越快,測得的強(qiáng)度越高。通常規(guī)定加載速度:混凝土的強(qiáng)度等級低于C30時(shí),取每秒鐘0.3～0.5N/mm2;混凝土的強(qiáng)度等級高于或等于C30時(shí),取每秒鐘0.5～0.8N/mm2。對于混凝土的抗折強(qiáng)度加載速度,國家規(guī)范也有規(guī)定。

4.4 加載量程對強(qiáng)度的影響

壓力機(jī)通常有若干個(gè)加載量程,試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇合適的加載量程,一般要求達(dá)到的最大破壞荷載是在所選量程的20%～80%之間,否則可能引起很大的誤差。