抗拉强度.docx

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抗拉强度

抗拉强度

高强度混凝土的抗拉强度分为轴拉强度、劈拉强度和弯折强度三种。

因轴拉试验比较复杂而做的很少；劈拉强度的试件在我国采用立方体，其他国家常采用圆柱体；弯折试验常采用三分点加载的矩形截面简支梁，梁的尺寸为150mm*150mm，跨度为梁的3倍，其他国家也用102mm*102mm矩形截面的梁，弯折强度与截面尺寸和养护条件的关系很大。

高强混凝土的抗拉强度随抗压强度的颐高而提高，但它们的比值却随抗压强度的提高而降低，但三种抗拉强度之间的比值关系却与混凝土强度没有明显的关系。

下面我们给出三种抗拉强度的经验公式，以供读者参考

1）劈拉强度

中国建筑科学研究院给出的高强度混凝土劈拉强度f（t,s）的经验公式

f（t,s）=0.3f（cu）^（2/3）;

欧洲规范ceb-fip建议的高强度混凝土劈拉强度的经验公式

f（t,s）=0.3（f1）（c）^（2/3）;

美国aci高强度混凝土委员会建议的高强度混凝土劈拉强度的经验公式；

f（t,s）=0.6（f1c）^（1/2）;

混凝土碳化的研究

影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。

通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其ph值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。

但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土中的碱性物质中和，会导致混凝土的ph值降低。

当混凝土完全碳化后，就出现ph

由此可见，分析混凝土的碳化规律，研究由碳化引起的混凝土化学成分的变化以及混凝土内部碳化的状态，对于混凝土结构的耐久性研究具有重要意义。

1）混凝土碳化机理

混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度（称为水泥石），同时将散粒状砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。

在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙[ca（oh）2]，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。

因为氢氧化钙的饱和水溶液ph值为12.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性[2,3]。

然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其他物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，ph值下降到8.5左右，这种现象就称为混凝土碳化。

这是混凝土中性化最常见的一种形式。

混凝土碳化的主要化学反应式为[2,4]

co2+h2o→h2co3

ca（oh）2+h2co3→caco3+2h2o

影响混凝土碳化的因素

混凝土的碳化是伴随着co2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。

研究表明，混凝土的碳化速度取决于co2气体的扩散速度及co2与混凝土成分的反应性。

而co2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、co2气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。

所以碳化反

应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。

这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。

对于服役结构五来说，由于其内部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如co2的浓度、环境温度和湿度。

快速碳化试验表明，co2的浓度越高，且压力越大，碳化深度越大，因为高浓度、高压力的co2气体能较快地向混凝土内部扩散，使碳化反应迅速进行。

因此，在城市交通繁忙路段处地结构物或co2浓度较高的工业厂房往往碳化现象较严重。

另外，碳化较易发生在潮湿的环境中，尤其是干湿交替的环境，因此南方的建筑物容易产生碳化现象，且随着温度的升高，混凝土的碳化加速。

混凝土碳化规律

国内外学者对混凝土进行了深入的研究，在分析碳化试验结果的基础上，提出了碳化深度d与碳化时间t的关系式为

d=α√f

dz=d1√（t1/t2）

式中，α为碳化速度系数，d1、d2分别为测得的和要预测的混凝土的碳化深度，t1、t2为测定d1和预测d2时的碳化时间。

碳化速度系数α体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关。

考虑到混凝土的碳化过程伴随着许多不确定性，文献[2.16][2.17][2.18]提出运用神经网络以及灰色理论方法预测混凝土的碳化深度，不失为一种有效可行的方法。

此外，对轻骨料混凝土与高性能混凝土的碳化性能，已进行了初步研究。

英国著名学者parrott最先通过实验验证了部分碳化区的存在。

他的发现很好地揭示了为什么在碳化未达到钢筋表面之前钢筋已经开始锈蚀的现象，也为更好地认识钢筋锈蚀与混凝土碳化之间的关系提供了依据。

parrott还根据化学动力学的原理建立了碳化的数学模型，文献[2.24、2.25]则给出了这一模型的数值解以及部分碳化区物质含量的变化规律。

混凝土构件角部的双向碳化使得角部的钢筋锈蚀比较严重，文献[2.26]试图经过简化得到他的解析解，但有待实验的进一步验证。

文献[2.27]把混凝土的抗压强度视为服从正态分布的变量，并且均值与方差随着碳化时间的变化而变化，通过总结国内外暴露实验的数据，提出了均值与方差的具体表达式，这对于了解混凝土构件的抗力变化时十分有益的。

浙江大学在已有混凝土碳化研究的基础上对混凝土碳化进行了进一步的研究。

混凝土室内快速碳化试验

通过混凝土快速碳化试验，确定碳化速度方程，建立室内快速碳化与自然碳化之间的关系，以此为进行混凝土结构耐久性分析提供试验研究依据。

1）试验材料

试验材料为

（1）水泥，采用浙江之江水泥厂普通硅酸盐水泥425号。

水泥性能试验结果表明，所采用的浙江之江水泥厂普通硅酸盐水泥425号的各项指标均达到国家标准。

（2）砂，采用钱塘江上游河砂。

（3）石子，采用当地碎石，石子最大粒径为30mm。

混凝土配合比为

水泥：

砂：

石：

水=1：

2.29：

3.58：

0.625

试验方法与试验结果

1）试验方法

国内外采用的混凝土快速碳化的试验方法很多，并没有一个统一的国际标准。

在我国，，即将混凝土试件放在充满一定浓度二氧化碳的高压容器内或二氧化碳浓度为50%的常压容器内进行快速碳化。

因为高压或高浓度的快速碳化方法不能正确反映在大气中混凝土自然碳化规律，所以20世纪70年代以来，很多国家的学者都倾向于采用常压、低浓度的快速试验方法来模拟混凝土的碳化。

一般地，混凝土快速碳化试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》

（gbj82-85）碳化试验规定，将试件在标准条件下养护28天后，在温度60℃的烘箱中烘干48d，保留成型是两侧面，其余各表面均用石蜡密封。

然后将试件放置于温度为20±5℃、相对湿度为70±5%、二氧化碳浓度为20±3%的碳化箱中进行碳化。

用1%浓度的酚酞乙醇指示液喷洒与断裂面，从试件表面到变色边界每边测量三处距离，以其算术平均值作为碳化深度。

2）试验结果

不同碳化龄期的混凝土碳化深度测定结果列于表中。

p20b

根据混凝土各碳化龄期所测得的碳化深度，经过回归分析，可以得出快速碳化方程d=α（b）t（b）=4.69t^0.426

式中，α（b）=为碳化速度系数；b=0.426为指数函数，他们是对于不同混凝土或不同碳化影响因素而变化的系数。

本试验研究得出的快速碳化方程相关系数γ=0.976，因此，所建立的碳化方程是有一定实用价值的。

利用本试验研究结果回归得到的快速碳化方程，可以计算出试验中各碳化龄期的混凝土碳化深度，计算所得的碳化深度与实测的碳化深度的比较。

由图可直观的看到，碳化深度的计算值与实测值误差很小、碳化方程曲线与实测曲线很接近。

3）室内快速碳化与自然碳化的关系

室内快速碳化试验的目的，除了建立碳化方程并研究混凝土碳化机理之外，还要确定快速碳化与自然碳化之间的关系，以便预测混凝土自然环境中的碳化深度。

国外有关研究中描述混凝土发展趋势的公认公式形式是

d=（α1）（c1t）^b

公式中比例常数α1和指数b是与混凝土自身结构和组成有关的常数，c1是混凝土周围的二氧化碳浓度。

对同一种混凝土在二氧化碳深度确定的情况下

αb=α1（c1）^b

b是一个常数。

国内外有关文献中一般推荐b=0.5。

因此，推荐的混凝土碳化发展趋势公式为

d=α√（c1t）

式中，α为b取0.5时的比例常数。

本文根据试验研究得到b=0.426,αb=4.69，α1=0.31，由此可得出碳化发展方程

d=9.31（c1t）^0.426

此碳化发展方程反映了与本研究相同的混凝土碳化深度与周围二氧化碳浓度和碳化龄期的关系，是广义的碳化过程。

p21

由上述分析可知，对同一种混凝土快速碳化与自然碳化的区别在于混凝土周围二氧化碳浓度的不同，当用快速碳化方法预测自然碳化时，对同一种混凝土材料来说可得关系式

dz=dk（365tzcz/tkck）^b

式中，dk为快速碳化试验的混凝土碳化深度（mm），tk为快速碳化试验的碳化龄期（天），ck为快速碳化试验的co2浓度，dz为预测混凝土的自然碳化深度（mm），tz为自然碳化龄

期（年），cz为自然条件环境中混凝土周围co2平均浓度，b为碳化方程中指数常数。

根据本实验研究的试验条件和结果，确定快速碳化与自然碳化的关系是

dz=24,51dk（tzcz/tk）^0.426

如果以快速碳化28天的碳化深度来预测自然碳化，其关系式为

dz=115（tzcz）^0.426

混凝土碳化的x衍射试验

1）试验目的与试样

在正常大气中，二氧化碳与混凝土中的碱性物质的互相作用是一个很复杂的多相物理化学过程，也就是说，混凝土的碳化是在气相、液相和固相中进行的一个连续过程。

在碳化过程中，空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。

在这一过程中，混凝土的ph值由外到内逐渐升高，特别是当环境湿度较低时，部分碳化区在整个碳化区域中占主导地位。

因此，进行混凝土碳化的x衍射试验，就是为了分析不同水灰比、不同碳化时间的混凝土块料从表面到内部的碳化状况，了解部分碳化区的分布形态。

取不同碳化龄期和不同水灰比的混凝土块料共计6块，将六面体混凝土块料取一面，然后在该面的中心取一约20*20mm2的小平面，除去四周而得一小方柱。

将小方柱沿长轴方向每隔5mm取一个试样。

每个小方柱共取5个试样，从外表面向纵深方向分别标为1~5号。

2）试验结果分析

经过x射线衍射分析发现，混凝土样品主要由四种晶相组成：

石英、长石、ca（oh）2、caco3。

其中石英、长石来自石料，各个样品基本相同，而ca（oh）2和caco3的成分则随样品而变化，具体结果见表。

p22、23

由表中可知，混凝土的碳化是呈阶梯状进行的，不同碳化龄期的混凝土试件各部位的化学成分含量各不相同。

碳化前沿并非线性状，而是一个有一定宽度的带状区域，在此范围内ca（oh）2和caco3两种成分共存。

从表我们看到，对于水灰比为0.625的混凝土来说，当碳化时间仅为7天时，由于碳化过程尚未充分进行，混凝土各部分都存在/news/3597335df824d45e.html着ca（oh）2和caco3共存的现象。

此时由表及里，caco3含量逐渐减小，ca（oh）2含量逐渐增多，这是因为表面混凝土叫内部混凝土碳化程度更为严重，所以表面有较多的ca（oh）2已经转化为caco3。

随着碳化龄期的增长，caco3含量会进一步增多，ca（oh）2含量进一步减少。

当碳化龄期达到42天时，可以看到试件由表及里ca（oh）2都已转化成caco3。

另一方面，比较表可以看到，随着水灰比的增大，混凝土的碳化速度也相应地增大。

这是因为碳化深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的ca（oh）2含量的影响。

水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的ca（oh）2含量也就越少，碳化速度越快。

同时，水灰比越大，混凝土内部的空隙率也随之增大，这是使混凝土碳化速度加快的另一个原因。

为了减少混凝土碳化引起的危害，适当控制水灰比是重要的。

碳化深度和混凝土强度之间的关系

混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。

一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。

在对服役结构的抗力进行评价时，所关系的是结构在经过一个服役期后混凝土强度是高于设计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些事服役结构抗力评价需要解决的问题。

一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。

碳化降低混凝土的碱性，随着时间的推

移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有一定的影响。

为了了解碳化后混凝土本身强度的变化，进行了混凝土的抗压和劈拉试验。

试验方法

根据试验材料和混凝土配合比，我们制作尺寸为100*100*100mm2的立方体试件102块（34个组），在标准条件下养护29天，然后取其中两组分别测28天的抗压强度和劈拉强度，其余的均在60℃温度的烘箱中烘干48h。

之后，一半作为快速碳化试件放入标准的温度、湿度和co2浓度的碳化箱中，按各碳化龄期每次取两组分别测抗压强度和劈拉强度（混凝土抗压强度和劈拉强度测试均按有关国家标准进行），并测试其碳化深度。

另一半作为不碳化的基准对比试件封闭存放（温度和湿度与碳化试件的相同），每当碳化试件测试抗压、劈拉强度时同样取两组未碳化试件分别测试其抗压、劈拉强度，以此进行碳化与未碳化混凝土的强度对比。

2）抗压强度试验结果

碳化与未碳化混凝土试件的各碳化龄期和各碳化深度的抗压强度测试结果列于表中，混凝土抗压强度试验的曲线见图。

p42

根据各碳化深度时的混凝土抗压强度值，利用最小二乘法进行回归分析，可以得到混凝土抗压强度-碳化深度方程为

fc=d^（1/1.2）+26.1

式中，d为混凝土碳化深度（mm）；fc为混凝土抗压强度（mpa）。

由方程得到的拟合曲线见图。

p43

由表可知，混凝土抗压强度随碳化深度的增加而提高，并且碳化初期抗压强度提高较快，当碳化深度超过一定深度（如本试验研究碳化深度约20mm）以后，抗压强度提高缓慢。

可以认为这种规律基本符合“环箍效应”和“尺寸效应”对混凝土试件抗压强度影响的规律。

在“环箍效应”影响范围外，碳化深度的变化对其抗压强度变化的敏感性差，对抗压强度影响小。

对“尺寸效应”，可以认为在同样碳化深度条件下小尺寸混凝土试件比大尺寸混凝土试件抗压强度的变化更敏感，因为小尺寸混凝土的碳化部分与未碳化部分的比例比大尺寸混凝土试件的大。

所以，混凝土试件抗压强度随碳化深度增加出现转折而缓慢提高的这一界线碳化深度随着混凝土试件尺寸大小不同而不同。

由表中可知，碳化的或未碳化的混凝土试件的抗压强度均随着碳化龄期的增长而提高。

碳化试件抗压强度均比未碳化试件抗压强度高，碳化试件抗压强度曲线均落在未碳化试件抗压强度曲线上方。

这是因为随着混凝土的孔隙率减小，密实度增加，从而使试块地抗压强度增大。

从这一点来说，混凝土的碳化对强度是有利的。

从强度增长率来看，碳化试件的抗压强度增长率均比同龄期未碳化试件的抗压强度增长率高，而且碳化试件与未碳化试件的抗压强度的比值（rt/rj）随龄期增长而增大。

这说明，碳化试件抗压强度随龄期增长幅度比未碳化试件的要大。

未碳化试件的抗压强度曲线，在龄期约51天之后变得平缓，抗压强度略有提高。

这种现象与普通混凝土强度增长规律是相符合的。

本实验研究为了使未碳化试件与碳化试件的强度具有可比性，除二氧化碳以外的试件环境条件保持一致，将28天龄期后的未碳化试件与碳化试件一起放入60℃的烘箱中烘干48h。

由于28天之后温度的提高，加速了混凝土中矿物熟料的水化反应，迅速增加了水化产物的数量，因此在未碳化试件抗压强度曲线上出现龄期28天之后到约51天内强度再一次显著增长的现象。

由图可见，碳化试件的抗压强度随碳化龄期增长的规律与随碳化深度增长的规律相似。

这是因为碳化深度随碳化龄期增大，并且具有良好的增长规律。

碳化与未碳化的混凝土试件在不同碳化龄期或不同碳化深度时的劈拉强度测试结果列

于表中，相应的曲线见图。

p44

由表中可知在碳化深度约17mm之前混凝土碳化试件劈拉强度随碳化深度的增加而显著提高，在17~31mm碳化深度范围内其劈拉强度增长缓慢，碳化深度超过31mm之后劈拉强度随碳化深度的增加有所下降。

由表可知，碳化试件劈拉强度均比同龄期的未碳化试件劈拉强度高，碳化试件劈拉强度曲线均落在未碳化试件劈拉强度曲线上方。

并且，无论是碳化试件的劈拉强度还是未碳化试件的劈拉强度，在某一龄期之前随龄期而提高，但超过之后随龄期反而下降。

p45

混凝土是由不同物理性质、不同粒径的材料组合而成的，这些材料的脆性和塑性相差很大，因此混凝土的力学性能与这些材料的配合比有很大关系，而这种关系是十分复杂的。

混凝土的水灰比、养护条件、周围环境的温度和湿度条件、混凝土的龄期和浇注时的成型面地方向等也都影响混凝土的劈拉强度。

由于影响混凝土劈拉强度的因素很多，而且劈拉强度对这些因素很敏感，所以要准确反映混凝土劈拉性能是很难的。

许多研究人员花费了大量的时间，做了大量的时间，做了大量的工作，常常得到与传统理论或说法相反的结论。

本试验研究测试结果认为，混凝土试件劈拉强度超过某一龄期后随着龄期增长反而降低的现象，究竟正确与否，还有待于进一步研究分析。

通过上述分析对比，可以得出下列结论：

（1）随着碳化龄期的增长，混凝土的抗压强度随之提高。

同一龄期碳化试件的抗压强度比没有碳化试件的抗压强度高。

从这一点可以看出，混凝土的碳化对抗压强度本身并没有破坏作用。

（2）从试验情况来看，碳化之后的混凝土的劈拉强度随着龄期的增长而提高，但是当超过一定龄期后则龄期的增长反而有所下降。

由于影响混凝土劈拉性能的因素很多，而劈拉强度又对影响因素非常敏感，所以很难准确地反映混凝土的劈拉性能，混凝土超过一定的龄期后有可能由于碳化原因导致提前开裂，则为二氧化碳、氯气等有害气体深入构件内部创造了良好的条件，使得构件提前锈蚀，结构的使用年限缩短。

p48

混凝土中钢筋锈蚀的机理

钢筋锈蚀机理

钢筋在混凝土结构中的服饰是在有水分子参与的条件下发生的，钢筋锈蚀的电极反应式为：

阳极fe→（fe2+）+2e

阴极o2+2（h2o）+4e→4（oh）-

阳极表面二次化学过程为

（fe2+）+2（oh-）→fe（oh）2

4fe（oh）2+o2+2（h2o）→4fe（oh）3

在氧气和水汽的共同作用下，由上述电化学反应式的钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢筋表面生成红铁锈，引起混凝土开裂。

钢筋锈蚀的机理如图所示，图中（p94）示出了大气环境中钢筋在混凝土中锈蚀的宏观过程。

钢筋混凝土结构在使用寿命期间可能遇到的最危险的侵蚀介质就是氯离子。

它对混凝土结构的危害是多方面的，这里只评述氯离子促进钢筋锈蚀方面的机理。

氯离子ci-和氢氧根离子oh-争夺腐蚀产生的fe2+，形成feci2·4h2o（绿绣），绿绣从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土孔隙迁徙，分解为fe（oh）2（褐绣）。

褐绣沉积于阳极周围，同时放出h+和ci-，它们又回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，ci-再带出更多的fe2+。

这样，氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀中也不消耗，但是最为腐蚀的中间产物给腐蚀起了催化作用。

反应式为

（fe2+）+2（ci-）+4h2o→feci2·4h2o

feci2·4h2o→fe（oh）2↓+2ci-+2（h-）+2h2o

如果在大面积的钢筋表面上有高浓度的氯离子，则氯离子引起的腐蚀是均匀腐蚀，但是在混凝土中常见局部腐蚀。

首先在很小的钢筋表面上形成局部破坏，成为小阳极，此时钢筋表面的大部分仍具有钝化膜，成为大阴极。

这种特定的由大阴极和小阳极组成的腐蚀电偶，由于大阴极供养充足，使小阳极上铁迅速溶解产生深蚀坑，小阳极区局部酸化；同时，由于大阴极区的阴极反应，生成oh-使ph值增高；氯离子提高混凝土吸湿性，使阴极和阳极之间的混凝土孔隙液欧姆电阻降低。

这三方面的自发性变化，使得上述局部腐蚀电偶以局部深入的形式持续进行，这种局部腐蚀又称为点蚀和坑蚀，如图所示p95