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)

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

1 原材料對混凝土強度的影響

1.1 水泥對混凝土強度的影響

水泥強度的高低是影響混凝土強度的直接因素。試驗表明,水泥強度越高,水泥反應(yīng)形成的水泥石強度就越高,從而使配制的混凝土強度就越高。而水泥強度取決于水泥礦物成分及細度。水泥強度主要來源于C3S和C3A的早期強度和C2S的后期強度。用C3S含量高的水泥來制作混凝土,其早期強度增長較快,但后期強度增長緩慢。水泥細度對水泥強度影響也很大,水泥越細,水化加快,導致較高的早期強度增快,而后期強度增長緩慢,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 粗骨料對混凝土強度的影響

(1)采用碎石拌制混凝土,其形成的強度要比采用卵石拌制的混凝土強度高,但在相同的用水情況下,流動性相對較小。這是因為粗糙表面和較多的棱角,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,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,進而影響混凝土的強度,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度和抗折強度均有影響,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,使界面強度降低,同時還會由于振搗不密實而降低混凝土的強度。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度要比抗壓強度大一些。

(3)粗集料強度對混凝土強度的影響。

骨料對混凝土強度的影響主要有以下幾個方面:第一,石子強度低于混凝土的強度,當混凝土受壓時,石子首先被壓碎,導致混凝土的實際強度降低。特別是使用風化或軟質(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),導致混凝土強度降低,嚴重時會使混凝土構(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,進而影響混凝土的強度。

(4)粗集料表面清潔度對混凝土強度的影響。

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證明,配制出來的混凝土早期強度和晚期強度均高出未水洗配制的混凝土強度約 10%～14%。

1.3 細集料對混凝土強度的影響

對于中低強度等級的混凝土,尤其是膠凝材料偏小的混凝土,需保證細集料中細小顆粒的數(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度。試驗表明,高強度混凝土要用中粗砂,尤其當石子級配較差時,砂子以偏粗為好,細度模數(shù)約等于 3.0時,混凝土的工作性能最好,抗壓強度最高。

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。大量試驗證明,用機制砂配置出來的混凝土強度稍高于河砂配制混凝土的強度。這是因為機制砂多棱角,表面粗糙且界面新鮮,提高了砂與水泥界面間的粘結(jié)強度,同時研究還表明,在低等級的混凝土中機制砂中的石粉還可以提高混凝土的抗壓強度,在高強混凝土中,適量的石粉對混凝土強度無不利影響,這就要求機制砂的質(zhì)量必須符合《建筑用砂》國家標準中人工砂的要求。

1.4 水對混凝土強度的影響

水是混凝土的主要組成部分,水的物質(zhì)組成嚴重影響混凝土的強度。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強度,一般情況下 28d強度可降低 10%～20%,而海水中的氯離子具有早凝作用,可以促進混凝土快凝和早強,同時對混凝土有腐蝕。

1.5 外加劑對混凝土強度的影響

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度;高層建筑、海洋結(jié)構(gòu)要求高強、高耐久性。這些性能的實現(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)用不當會對混凝土的強度和耐久性產(chǎn)生影響。主要表現(xiàn)在:一是外加劑本身的質(zhì)量達不到標準,沒起到應(yīng)有的作用;二是外加劑的使用不當,會降低混凝土的強度,影響結(jié)構(gòu)安全。

2 水灰比和漿集比對混凝土強度的影響

2.1 水灰比對混凝土強度的影響

當水泥的強度確定時,混凝土的強度取決于水灰比的大小,在一定的范圍內(nèi)強度隨水灰比的減小而有規(guī)律的提高,這是因為水灰比決定水泥漿體的空隙率。水灰比過大,混凝土坍落度過大?；炷劣不?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,在水泥強度等級相同的情況下,水灰比愈小,水泥石的強度愈高,與骨料粘結(jié)力愈大,混凝土強度也愈高。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,出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞,反將導致混凝土強度嚴重下降。

2.2 漿集比對混凝土強度的影響

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度也有一定的影響。在水灰比相同的情況下,達到最佳的漿集比,混凝土的強度隨著漿集比的增加而降低,特別對高強混凝土尤為明顯。

3 養(yǎng)護條件對混凝土強度的影響

3.1 溫度對混凝土強度的影響

養(yǎng)護條件(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饔谩ｐB(yǎng)護溫度高可以增大初期水化速度,混凝土初期強度也高。在養(yǎng)護溫度較低的情況下,由于水化速度緩慢,具有充分的擴散時間,從而使水化物在水泥石中均勻分布,有利于后期強度的發(fā)展。當溫度降至零度以下時,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)生化學反應(yīng)混凝土強度停止發(fā)展,甚至因溫度太低造成混凝土強度的損失,所以在相同條件下,適宜的溫度養(yǎng)護有利于強度快速提高。

3.2 濕度對混凝土強度的影響

周圍環(huán)境的濕度對水泥的水化作用能否正常進行有顯著影響。濕度適中,水泥水化能順利進行,使混凝土強度得到充分發(fā)展。如果濕度不夠,混凝土會失水干燥而影響水泥水化作用的正常進行,甚至停止水化,降低混凝土的強度。

養(yǎng)護條件對測試結(jié)果的影響主要指早期養(yǎng)護和溫濕度。試件成型后通常經(jīng) 24h后脫模。由于大部分試驗室(特別是江南)成型時無恒溫、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不但嚴重影響高強混凝土的早期強度,也直接影響到 28d強度。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強度相差10%,28d強度差 7.5%。而對C20～C30混凝土的影響很小。這是因為高強混凝土的水灰比小,早期強度發(fā)展快,溫度敏感性大。因此,在配制高強混凝土時,如無恒溫恒濕條件,則成型后必須立即移入養(yǎng)護室護養(yǎng),如若無此條件,則盡可能縮短在試模內(nèi)的時間,提前拆模,并且表面覆蓋塑料膜或其他保溫保濕措施,嚴防水份揮發(fā)影響強度。

4 試驗條件對混凝土強度的影響

4.1 試驗方法對混凝土強度的影響

在試件承壓面上涂一些潤滑劑,這時試件與壓力機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度就低。我國規(guī)定的標準試驗方法是不涂潤滑劑的。

4.2 試件尺寸對混凝土強度的影響

試件尺寸對混凝土的立方體抗壓強度有一定影響。實驗結(jié)果證明,立方體尺寸愈小則試驗測出的抗壓強度愈高,這個現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。

4.3 加載速度對強度的影響

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

4.4 加載量程對強度的影響

壓力機通常有若干個加載量程,試驗時應(yīng)選擇合適的加載量程,一般要求達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。