影响混凝土强度的因素分析

李明辉,李婷婷

(1.黑龙江省公路工程监理咨询公司;2.浙江大地交通工程有限公司)

影响混凝土强度的因素很多,主要有组成原材料的影响、配合比设计、成型工艺、养护条件及测试条件等因素。

1 原材料对混凝土强度的影响

1.1 水泥对混凝土强度的影响

水泥强度的高低是影响混凝土强度的直接因素。试验表明,水泥强度越高,水泥反应形成的水泥石强度就越高,从而使配制的混凝土强度就越高。而水泥强度取决于水泥矿物成分及细度。水泥强度主要来源于C3S和C3A的早期强度和C2S的后期强度。用C3S含量高的水泥来制作混凝土,其早期强度增长较快,但后期强度增长缓慢。水泥细度对水泥强度影响也很大,水泥越细,水化加快,导致较高的早期强度增快,而后期强度增长缓慢,因此,配制不同性能的混凝土,应根据其性能要求选用不同的水泥。

1.2 粗骨料对混凝土强度的影响

(1)采用碎石拌制混凝土,其形成的强度要比采用卵石拌制的混凝土强度高,但在相同的用水情况下,流动性相对较小。这是因为粗糙表面和较多的棱角,使碎石在提高与水泥及其水化物的粘附性和胶结程度的同时,也加大了拌和物内部摩擦阻力。含有较多针、片状颗粒,将增大拌合物的空隙率,降低拌合物的和易性,集料界面粘结力下降,并且针片状颗粒受力易折断,进而影响混凝土的强度,所以混凝土用的粗集料要限制针、片状颗粒含量。

(2)粗集料的最大粒径对混凝土抗压强度和抗折强度均有影响,一方面随着粗集料粒径的增大,单位用水量相应减少,在固定的用水量和水灰比条件下,加大最大粒径可获得较好的工作性,或因减小水灰比而提高混凝土的强度和耐久性;另一方面随着粗集料最大粒径的增加,将会减少集料与水泥浆接触的总面积,使界面强度降低,同时还会由于振捣不密实而降低混凝土的强度。所以粗集料最大粒径的增加,带来双重影响,但造成不利影响的程度对混凝土抗折强度要比抗压强度大一些。

(3)粗集料强度对混凝土强度的影响。

骨料对混凝土强度的影响主要有以下几个方面:第一,石子强度低于混凝土的强度,当混凝土受压时,石子首先被压碎,导致混凝土的实际强度降低。特别是使用风化或软质岩石破碎加工成的碎石拌制的混凝土易发生此类问题;第二,骨料体积稳定性差,尤其是由页岩、带有膨胀松土的石灰岩等制成的骨料,在干湿交替或冻融循环作用下,常表现为体积稳定性差,发生变形,破坏混凝土已经形成的内部结构,导致混凝土强度降低,严重时会使混凝土构件受到破坏;第三,骨料表面的粗糙程度及孔隙特征等影响骨料与水泥石之间的粘结性能,进而影响混凝土的强度。

(4)粗集料表面清洁度对混凝土强度的影响。

干法生产的粗集料表面粘附了一层石粉,其粒径大部分小于 0.16mm,即使长时间搅拌,也无法使表面石粉完全脱离,这样就在水泥浆和集料表面形成一个薄弱的结合层,使水泥浆不能完全与集料粘结,从而使混凝土强度降低。经山东省目前最高等级公路青莱(青岛至莱芜)高速所有石料全部水洗试验证明,配制出来的混凝土早期强度和晚期强度均高出未水洗配制的混凝土强度约 10%～14%。

1.3 细集料对混凝土强度的影响

对于中低强度等级的混凝土,尤其是胶凝材料偏小的混凝土,需保证细集料中细小颗粒的数量,以保证混凝土整体颗粒的堆积效果,从而保证混凝土的强度。试验表明,高强度混凝土要用中粗砂,尤其当石子级配较差时,砂子以偏粗为好,细度模数约等于 3.0时,混凝土的工作性能最好,抗压强度最高。

目前,由于许多地区河砂资源缺少,为了满足建设市场的需求,允许采用岩石破碎生产的机制砂,此砂多棱角,表面粗糙,含大量石粉,且大多颗粒级配不良。大量试验证明,用机制砂配置出来的混凝土强度稍高于河砂配制混凝土的强度。这是因为机制砂多棱角,表面粗糙且界面新鲜,提高了砂与水泥界面间的粘结强度,同时研究还表明,在低等级的混凝土中机制砂中的石粉还可以提高混凝土的抗压强度,在高强混凝土中,适量的石粉对混凝土强度无不利影响,这就要求机制砂的质量必须符合《建筑用砂》国家标准中人工砂的要求。

1.4 水对混凝土强度的影响

水是混凝土的主要组成部分,水的物质组成严重影响混凝土的强度。水中许多有害杂质可给混凝土质量带来很大的危害,例如水中的硫酸根离子、碳酸根离子可延长钙矾石的结晶过程,消解混凝土 28d强度,一般情况下 28d强度可降低 10%～20%,而海水中的氯离子具有早凝作用,可以促进混凝土快凝和早强,同时对混凝土有腐蚀。

1.5 外加剂对混凝土强度的影响

混凝土外加剂是指在混凝土拌和过程中掺入的,用于改善混凝土性能的物质。随着混凝土工程技术的发展,对混凝土性能提出了许多新的要求,如泵送混凝土要求高的流动性;冬季施工要求高的早期强度;高层建筑、海洋结构要求高强、高耐久性。这些性能的实现需要应用高性能外加剂。由于外加剂对混凝土技术性能的改善,它在工程中应用范围越来越大,不少国家使用掺外加剂的混凝土已占混凝土总量的60%～90%。但外加剂应用不当会对混凝土的强度和耐久性产生影响。主要表现在:一是外加剂本身的质量达不到标准,没起到应有的作用;二是外加剂的使用不当,会降低混凝土的强度,影响结构安全。

2 水灰比和浆集比对混凝土强度的影响

2.1 水灰比对混凝土强度的影响

当水泥的强度确定时,混凝土的强度取决于水灰比的大小,在一定的范围内强度随水灰比的减小而有规律的提高,这是因为水灰比决定水泥浆体的空隙率。水灰比过大,混凝土坍落度过大。混凝土硬化后,多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或通道,减少了混凝土抵抗荷载的有效截面,而且可能在孔隙周围引起应力集中。因此,在水泥强度等级相同的情况下,水灰比愈小,水泥石的强度愈高,与骨料粘结力愈大,混凝土强度也愈高。但是,如果水灰比过小,拌合物过于干稠,在一定的施工振捣条件下,混凝土不能被振捣密实,出现较多的蜂窝、孔洞,反将导致混凝土强度严重下降。

2.2 浆集比对混凝土强度的影响

混凝土中水泥浆的体积和集料体积之比称为浆集比,该比值对混凝土的强度也有一定的影响。在水灰比相同的情况下,达到最佳的浆集比,混凝土的强度随着浆集比的增加而降低,特别对高强混凝土尤为明显。

3 养护条件对混凝土强度的影响

3.1 温度对混凝土强度的影响

养护条件(温度、湿度)是通过对水泥水化过程所产生的影响而起作用的。混凝土的硬化在于水泥的水化作用。养护温度高可以增大初期水化速度,混凝土初期强度也高。在养护温度较低的情况下,由于水化速度缓慢,具有充分的扩散时间,从而使水化物在水泥石中均匀分布,有利于后期强度的发展。当温度降至零度以下时,由于混凝土中的水分大部分结冰,水泥颗粒不能和冰发生化学反应混凝土强度停止发展,甚至因温度太低造成混凝土强度的损失,所以在相同条件下,适宜的温度养护有利于强度快速提高。

3.2 湿度对混凝土强度的影响

周围环境的湿度对水泥的水化作用能否正常进行有显著影响。湿度适中,水泥水化能顺利进行,使混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够,混凝土会失水干燥而影响水泥水化作用的正常进行,甚至停止水化,降低混凝土的强度。

养护条件对测试结果的影响主要指早期养护和温湿度。试件成型后通常经 24h后脱模。由于大部分试验室(特别是江南)成型时无恒温、恒湿条件,春夏秋冬四季温差和相对湿度差异较大,试模内的 24h不但严重影响高强混凝土的早期强度,也直接影响到 28d强度。在 20℃和 10℃,相对湿度 80%和 75%条件下,配制 C60混凝土,测得的结果表明,7d强度相差10%,28d强度差 7.5%。而对C20～C30混凝土的影响很小。这是因为高强混凝土的水灰比小,早期强度发展快,温度敏感性大。因此,在配制高强混凝土时,如无恒温恒湿条件,则成型后必须立即移入养护室护养,如若无此条件,则尽可能缩短在试模内的时间,提前拆模,并且表面覆盖塑料膜或其他保温保湿措施,严防水份挥发影响强度。

4 试验条件对混凝土强度的影响

4.1 试验方法对混凝土强度的影响

在试件承压面上涂一些润滑剂,这时试件与压力机垫板间的摩擦力大大减小,试件沿着力的作用方向平行地产生几条裂缝而破坏,所测得的抗压极限强度就低。我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。

4.2 试件尺寸对混凝土强度的影响

试件尺寸对混凝土的立方体抗压强度有一定影响。实验结果证明,立方体尺寸愈小则试验测出的抗压强度愈高,这个现象称为尺寸效应。

4.3 加载速度对强度的影响

加载速度对立方体抗压强度也有影响,加载速度越快,测得的强度越高。通常规定加载速度:混凝土的强度等级低于C30时,取每秒钟0.3～0.5N/mm2;混凝土的强度等级高于或等于C30时,取每秒钟0.5～0.8N/mm2。对于混凝土的抗折强度加载速度,国家规范也有规定。

4.4 加载量程对强度的影响

压力机通常有若干个加载量程,试验时应选择合适的加载量程,一般要求达到的最大破坏荷载是在所选量程的20%～80%之间,否则可能引起很大的误差。