混凝土结构工程应用毕业设计.docx
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混凝土结构工程应用毕业设计
混凝土结构工程应用毕业设计
1.混凝土结构工程应用概况及混凝土强度检验的意义1
1.1混凝土结构工程的应用概述1
1.2混凝土强度检验的意义2
2.影响混凝土强度的主要因素探讨3
2.1混凝土的概述3
2.2影响混凝土强度的主要因素4
2.2.1水泥强度等级与水灰比4
2.2.2骨料的影响5
2.2.3养护温度及湿度的影响6
2.2.4龄期7
2.2.5试验条件对混凝土强度测定值的影响7
3.几种混凝土检测强度的比较8
3.1几种混凝土的强度8
3.1.1标养强度的控制作用及其局限性8
3.1.2各种推定强度以及它们的局限性9
3.1.3钻芯强度的实测作用及局限性10
3.1.4同条件养护试块强度的代表及其局限性11
3.2混凝土各种强度之间的关系11
4.结构实体中混凝土强度的增长规律12
4.1等效龄期法12
4.2简化的成熟度法14
4.2.1成熟度的概念14
4.2.2成熟度在实际工程的应用（求拆模时间）15
4.3调整的成熟度法16
4.3.1新成熟度公式的建立16
4.3.2关于温度影响系数的确定16
4.3.3利用成熟度推算混凝土强度18
4.3.4应用实例19
4.3.5结论20
5.混凝土强度的检测与评定方法21
5.1结构实体混凝土强度的检验21
5.2结构实体混凝土强度检验方案及评定方案21
5.2.1结构实体混凝土强度检验方案21
5.2.2结构实体混凝土强度的评定方法22
5.2.3相关问题的讨论24
6．结论26
参考文献26
结构混凝土强度的检验与评定
摘要：
结构混凝土的实际强度与标准养护的立方体强度不同，也很难准确地用间接推定的强度来测定。
本文从由于混凝土强度问题引发的工程质量事故着手，来阐述结构混凝土强度检验与评定的重要性，通过对混凝土的组成成分和各种检测手段的介绍，确定寻求用同条件养护试件强度来反映结构实体中的混凝土强度是可行的。
关键词：
混凝土强度；桥梁与隧道
Testingstrengthofconcretesolidstructure
Abstract:
Thesolidstrengthoftheconcretestructureisdifferenttothesamplecuredunderthestandardcondition,anditisdifficulttobeaccuratelytestedbytheindirectway.Theconcretestrengthfromtheproblemscausedbytheaccidenttothequalityoftheprojectstotestthestrengthofconcreteonthestructureandassesstheimportanceoftheadoptionofconcretecomponentsandthemeanstointroduceavarietyoftesting,seekingtodeterminetheconditionsofconservationbansameintensitytoreflectthestructureoftheconcreteentitiesintensityisfeasible.
Keyword:
concretestrength；solidconcretestrength；thecuringstrengthunderthesamecuringcondition
1．混凝土桥隧工程应用概况及混凝土强度检验的意义
1.1混凝土桥隧工程的应用概述
混凝土桥梁与隧道工程等都用到混凝土。
混凝土在土木工程中的地位越来越受到青睐。
已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。
用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。
1.2混凝土强度检验的意义
2．影响混凝土强度的主要因素探讨
2.1混凝土的概述
混凝土是由胶凝材料、水、粗、细骨料，必要时掺入一定数量的化学外加剂和矿物混合材料，按适当的比例配置，经均匀搅拌，密实成型和养护，硬化而成的人造石材。
混凝土作为目前使用最广泛的结构材料之一，它的质量直接关系到工程的质量、使用寿命以及人民的生命、财产的安全。
混凝土生产供应是一个连续过程，但混凝土又是一种成品后不能马上被后续检验工作完全证实是否合格而要立即浇筑使用的产品。
在它的生产过程中常受不同方面因素影响，均会使生产出的混凝土质量产生变异。
我国正处于基础设施建设的高峰期，如果在生产过程中对质量不够重视，将会带来巨大的代价。
2.2影响混凝土强度的主要因素
硬化后的混凝土在未受到外力作用之前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力，从而导致界面上形成了许多微细的裂缝。
另外，还因为混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止，因而聚集于粗骨料的下缘，混凝土硬化后就成为界面裂缝。
当混凝土受力时，这些预存的界面裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来，形成可见的裂缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破坏。
强度试验也证实，正常配比的混凝土破坏主要骨料与水泥石的界面发生破坏。
所以，混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与骨料的粘结强度。
而粘结强度又与水泥强度等级、水灰比及骨料的性质有密切关系，此外混凝土的强度还受施工质量、养护条件及龄期的影响。
2.2.1水泥强度等级与水灰比
水泥强度等级和水灰比是决定混凝土强度最主要的因素，也是决定性因素。
水泥是混凝土中的活性组分，在水灰比不变时，水泥强度等级愈高，则硬化水泥石的强度愈大，对骨料的胶结力就愈强，配制成的混凝土强度也就愈高。
在水泥强度等级相同的条件下，混凝土的强度主要取决于水灰比。
因从理论上讲，水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥质的23%左右，但在拌制混凝土拌合物时，为了获得施工所需要的的流动性，常需多加一些水，如常用的塑性混凝土，其水灰比均在0.4-0.8之间。
当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或通道，大大减小了混凝土抵抗荷载的有效断面，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.（如图1）
图1混凝土强度与水灰比及灰水比的关系
（a）强度与水灰比的关系（b）强度与灰水比的关系
根据工程实践的经验，可建立如下的混凝土强度与水灰比、水泥强度等因素之间的线形经验公式：
fcu=αafce（C/W-αb）
式中fcu——混凝土28d龄期的抗压强度（MPa）；
C——1m3混凝土中水泥用量（kg）；
W——1m3混凝土中水的用量（kg）；
Fce——水泥的实际强度（MPa），水泥厂为保证水泥厂出厂强度，所生产水泥的实际强度要高于其强度的标准值（fce,k），在无法取得水泥实际强度数据时，可用式fce=γcfce,k代入，其中γc为水泥强度值的富余系数（一般为1.13）；
αa、αb——回归系数，与骨料品种及水泥品种等因素有关，其数值通过试验求得，若无试验统计资料，则可按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ/T55—2000）提供的αa、αb系数取用：
碎石αa=0.46αb=0.07
卵石αa=0.48αb=0.33
以上的经验公式，一般只使用于流动性混凝土及低流动性混凝土，对于干硬性混凝土则不适用。
利用混凝土强度公式，可根据所用的水泥强度和水灰比来估计所配制混凝土的强度，也可根据水泥强度和要求的混凝土强度和要求的混凝土强度等级来计算应采用的水灰比。
2.2.2骨料的影响
当骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了坚强密实的骨架，有利于混凝土强度的提高。
如果混凝土骨料中有害杂质较多，品质低，级配不好时，会降低混凝土的强度。
由于碎石表面粗糙有棱角，提高了骨料与水泥砂浆之间机械啮合力和粘结力，所以在原材料坍落度相同的条件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石的强度要高。
骨料的强度影响混凝土的强度，一般骨料强度越高，所配制的混凝土强度越高，这在低水灰比和配制高强度混凝土时，特别明显。
骨料粒形以三维长度相等或相近的球形或立方体形为好，若含有较多扁平或细长颗粒，会增加混凝土的空隙率，扩大混凝土中骨料的表面积，增加混凝土的薄弱环节，导致混凝土强度下降。
2.2.3养护温度及湿度的影响
混凝土强度是一个渐进发展的过程，其发展的程度和速度取决于了水泥的水化状况，而温度和湿度是影响水泥水化速度和程度的重要因素。
因此。
混凝土成型后，必须在一定时间内保持适当的温度和湿度，以使水泥充分水化，这就是混凝土的养护。
养护温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度的发展也快；反之，在低温下混凝土强度发展迟缓，如图2所示。
当温度降至冰点以下时，则由于混凝土中的水分大部分结冰，不但水泥停止水化，强度停止发展，而且由于混凝土孔隙中的水结冰，产生体积膨胀（约9%），而对孔壁产生相当大的压应力（可达100MPa），从而使硬化中的混凝土结构遭到破坏，导致混凝土已获得的强度受到损失。
同时，混凝土早期强度低，更容易冻坏。
图2养护温度对混凝土强度的影响
因为水是水泥水化反应的必要条件，只有周围环境湿度适当，水泥水化反应才能不断地顺利进行，使混凝土强度得到充分发展。
如果湿度不够，水泥水化反应不能正常进行，甚至停止水化，会严重降低混凝土强度。
图3为潮湿养护对混凝土强度的影响。
水泥水化不充分，还会促使混凝土结构疏松，形成干缩裂缝，增大渗水性，从而影响混凝土的耐久性。
为此，施工规范规定，在混凝土浇注完毕后，应在12h内进行覆盖，以防止水分蒸发。
在夏季施工的混凝土，要特别注意浇水保湿。
使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣水泥时，浇水保湿应不少于7d；使用火山灰水泥和粉煤灰水泥或在施工中掺用缓凝型外加剂或混凝土有抗渗要求时，保湿养护应不少于14d。
图3混凝土强度与保湿养护时间的关系
2.2.4龄期
龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。
在正常养护的条件下，混凝土的强度将随龄期的增长而不断发展，最初7-14d内强度发展较快，以后逐渐缓慢，28d达到设计强度。
28d后强度仍在发展，其增长过程可延续数十年之久。
混凝土强度与龄期的关系从图3也可看出。
普通水泥制成的混凝土，在标准养护条件下，混凝土强度的发展，大致与其龄期的常用对数成正比关系（龄期不少于3d）：
fn/f28=lgn/lg28
式中fn——nd龄期混凝土的抗压强度（MPa）;
f28——28d龄期混凝土的抗压强度（MPa）；
n——养护龄期（d），n≥3。
根据上式，可以由所测混凝土的早期强度，估算其28d龄期的强度。
或者，可由混凝土的28d强度，推算28d前混凝土达到某一强度需要养护的天数，如确定混凝土拆摸、构件起吊、放松预应力钢筋、制品养护、出厂等日期。
但由于影响强度的因素很多，故按此式计算的结果只能作为参考。
2.2.5试验条件对混凝土强度测定值的影响
试验条件是指试件的尺寸、形状、表面状态及加荷速度。
试验条件不同，会影响混凝土强度的试验值。
（1）试件尺寸
相同的混凝土试件的尺寸越小，测得的强度越高。
试件尺寸影响强度的主要原因，是试件尺寸大时，内部孔隙、缺陷等出现的几率也大，导致有效受力面积减小及应力集中，从而引起强度的降低。
我国标准规定，采用150mm*150mm*150mm的立方体试件作为标准试件，当采用非标准的其它尺寸试件时，所测得的抗压强度乘以下表1所列的换算系数。
表1混凝土试件不同尺寸的强度换算系数
骨料最大粒径（mm）
试件尺寸（mm）
换算系数
30
100*100*100
0.95
40
150*150*150
1
60
200*200*200
1.05
（2）试件的形状
当试件受压面积（a*a）相同，而高度（h）不同时，高宽比（h/a）越大，抗压强度越小。
这是由于试件受压时，试件受压面与试件承压板之间的摩擦力，对试件相对于承压板的横向膨胀起着约束作用，该约束有利于强度的提高。
愈接近试件的端面，这种约束作用就愈大，在距端大约0.57a范围以外，约束作用才消失。
试件破坏后，其上下部分各呈现一个较完整的棱锥体，这就是这种约束作用的结果。
通常，称这种作用为环箍效应。
（3）表面状态
混凝土试件承压面的状态，也是影响混凝土强度的重要因素。
当试件受压面有油脂类的滑剂时，试件受压时的环箍效应大大减小，试件将出现直裂破坏，测出的强度值也较低。
（4）加荷速度
加荷速度越快，测得的混凝土强度值也越大，当加荷速度超过1.0MPa/s时，这种趋势更加显著。
因此，我国标准规定，混凝土抗压强度的加荷速度为0.3-0.8MPa/s，且应连续均匀地进行加荷。
3.混凝土检测强度的比较
3.1混凝土的强度
混凝土是混凝土结构中最重要的承载受力（特别是压力）材料，其强度对于结构的安全和使用功能有着重要影响。
准确地得知结构实体中混凝土的真实强度，对正确进行结构设计及施工质量验收有着重要意义。
但是，这个“真实的”强度实际上却很难测定。
国内外已对此进行了长期的研究探讨，至今仍无明确结论。
3.1.1标养强度的控制作用及其局限性
混凝土结构应用日益广泛，只通过标养强度对“材料强度”进行检查验收，实际只控制了拌合物质量而非真正结构中的实际强度。
市场经济发展带来对强化验收的要求，以及验收过程中责任不清的纠纷，都要求更准确地确定结构混凝土的实际强度。
目前世界各国都通用以标准养护立方体试件抗压强度（简称标养强度）来判定混凝土的强度。
我国传统对混凝土强度的检验是依据国家标准《混凝土强度检验评定标准》GBJ107-87进行的。
即在混凝土浇筑地点随机取样，按标准方法制作和养护边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得其立方体抗压强度，并确定其强度代表值，按规定的方法（统计方法、非统计方法）评定其是否符合规定强度等级的要求。
按此方法进行评定，混凝土强度具有不小于95%的保证率。
标准执行十多年来在提高我国混凝土施工质量、保证混凝土结构安全、使混凝土强度控制科学化等方面，起到了巨大的作用。
然而，结构中混凝土的实际强度与标养强度是有差别的，往往低于标养强度。
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002131考虑到这种差异及其它因素，在确定混凝土强度标准值及设计值时对试件混凝土强度进行了修正。
混凝土标养试件和结构实体具有相同的成分，但两者在成型、养护、承载等方面都存在差异，故标养强度难以反映结构中混凝土的真实强度。
或者说，标养强度反映的是“材料强度”而非“结构强度”，用标养强度作为结构实体混凝土强度验收的依据有一定的局限性。
3.1.4同条件养护试块强度的代表及其局限性
我国传统的混凝土施工中，除留有标准养护试件外，还留出同条件养护试件。
它并不作为混凝土强度检验评定的依据，而仅作为施工工序控制（如现浇混凝土结构的拆模、预制构件的出池、预应力结构的张拉或放张等）的手段，其取样条件、试件数量、养护要求、试验龄期、评定方法等均无明确规定，完全是一种习惯性的工地操作。
适当的养护条件对于混凝土强度的正常增长非常重要。
同条件养护试件由于具有和结构实体相同的组分和养护条件，比标养试件更能反映结构构件实体中的混凝土强度，亦即可以比标养强度更接近结构中混凝土的实际强度。
这点认识非常重要，它为我们对结构实体中混凝土强度的检测提供了方向和途径。
用同条件养护试件作为检验结构实体混凝土强度的依据，尽管在原则上说是成立的，但要真正做到科学、实用，还要做大量的试验研究和统计分析工作。
3.2混凝土各种强度之间的关系
混凝土浇筑成结构的目的是使其具有承载受力所必须的结构强度fs。
为此设计者选择某个强度等级，以相应的立方体抗压强度标准值fcu,k作为标志。
为达到一定的保证率（95%）,混凝土的提供单位要确定一个留有余量（u+1.645σ）的目标作为施工配制强度fcu,c。
而实际施工时，由取自浇筑地点的试件经标准养护后用标准试验方法测定了标养强度fcu,o,其作为混凝土强度的代表而成为验收的依据。
同条件养护试件在与结构完全相同的条件下养护，并测定同条件养护试件强度（简称同条件强度）fcu,t，其比标养强度更接近实际强度。
如果在结构实体中取芯测定芯样强度fx，则其也比较接近结构的实际强度。
如果采用非破损、半破损方法测定混凝土的推定强度（如回弹法强度fh、超声—回弹综合法强度fz＼拔出法强度fb等），则由于推定关系的不确定性，可能存在较大的偏离。
上述各种强度的不同意义及其相互关系如图4所示。
由图4的各种强度的关系中看出，最接近结构混凝土强度fs,的有两个:
钻芯强度fx和同条件养护试件强度fcu,t。
钻芯强度直接反映了实体中的混凝土强度，但因钻芯扰动的影响，数值可能稍低。
同条件养护试件强度fcu,t，与结构强度fs.最为接近，因为除组成成分完全一样以外，两者的养护条件（强度增长环境:
温度、湿度等）也几乎一样。
但由于同条件养护试件的比表面积大，后期干燥失水对水化过程影响较大，因此强度可能稍低。
此外，由于与标养条件的差异，其与标养强度fcu,0。
相比也可能稍低。
上述分析以及混凝土各种强度之间的关系将在以同条件强度进行结构混凝土实体强度检测验收时加以考虑。
4.混凝土强度的增长规律
如上所述影响混凝土强度增长的因素很多，其中，温度和湿度对混凝土强度的影响最大。
因为混凝土强度的增长，是水泥的水化、凝结和硬化的过程，必须在一定的温度和湿度条件下进行。
养护温度升高，水泥水化加快，混凝土强度发展也就加快;反之，温度降低时，水化速度降低，混凝土强度发展将相应迟缓。
当温度降低至冰点以下时，水泥无法进行水化反应，混凝土强度不仅停止增长，严重时甚至出现冻裂，特别是在水化初期或低强度等级混凝土，冻结会引起混凝土崩溃，而且早期受冻还会影响后期强度增长。
由于混凝土的湿度必须以保证达到混凝土表面层应获得高度水化的条件作为前提，在国内外标准中都对养护做了明确的规定，所以在进行本章讨论时主要考虑温度的影响。
与预估标准养护试件在28d龄期达到预定的强度一样，要了解处于非标准养护下的结构混凝土在达到预定强度所需的龄期或在规定的龄期范围内达到的强度值，首先必须清楚在非标准养护条件下结构混凝土强度的增长规律。
为此，国内外许多学者开展了试验研究工作，近年来，提出了以下三种确定结构实体中混凝土强度的方法。
4.1等效龄期法
在CEB-FIP中，对混凝土强度随时间和温度的变化规律给出了具体的计算模式如下:
混凝土在龄期为t日的抗压强度取决于水泥种类、温度和养护条件。
混凝土在不同期时所对应的抗压强度公式表示如下:
式（4-1）、（4-2）是基于平均温度为20℃且按国际标准IS02736/2养护的抗压强度随时间变化的关系。
式中fcu,m（t）——混凝土在龄期为t天时的立方体试件抗压强度平均值；
fcu,m——混凝土在龄期为28天时的立方体试件抗压强度平均值；
βcc（t）——取决于混凝土龄期t天的系数；
t1——龄期取为1天；
s——水泥种类的系数，对快硬高强水泥（RS），s=0.20，对快硬水泥
（R），s=0.25；对普通和慢硬水泥（N，S），s=0.38。
提高或降低温度对水泥成熟度的影响，对于季节变化的平均温度在0℃至+80℃之间时，可取下列修正后的混凝土等效龄期公式来考虑:
式中tT——温度修正后的混凝土等效龄期，tT在相应的公式（4-1）、（4-2）中可取代t;
T（Δti）——在时间期Δti内的温度（℃）;
T0——为温度1℃;
Δti——温度为T的持续天数。
其中，可以定义下式：
式中αT——温度T为的等效系数。
根据记录的每天的气温和式（4-3）可以计算出混凝土（取芯芯样）养护龄期为14d、28d、60d和90d所分别对应的等效龄期，再将其代入式（4-1）、（4-2）中，可以求的相应的βcc（t）。
4.2简化的成熟度法
4.2.1成熟度的概念
当某种混凝土的组成成分已知时，其强度增长主要是由温度与时间所左右，因此英国的学者绍尔（A.Saul）把两者的乘积定义为成熟度（Maturity）。
其基本观点为，一定配合比的混凝土，不管温度和时间如何组合，只要成熟度相等，其强度也是相等的。
其基本原理是：
混凝土的抗压强度是养护温度（T）与硬化时间（t）乘积的单价函数。
用公式表示为：
P=∫t∑（T+10）dt或P=∑（T+10）Δt
（绍尔-伯格斯特公式）
式中：
P—混凝土成熟度（度时积）。
（℃*h）；
t——混凝土硬化时间，h；
T——在养护期内混凝土的温度，℃。
用绍尔-伯格斯特的试验和理论得出，对于同一种混凝土，不管成熟度是由怎样的温度和时间乘积得出的，只要其度时积相等，则混凝土的强度是大致相同的，根据这一原理在施工中估算混凝土强度是非常方便的。
具体可按如下步骤进行：
混凝土试块在标养条件下成熟度公式：
P1=（20+10）tcp
（1）
式中tcp——标养时硬化时间；
20——标养温度，℃；
p1——标养条件下成熟度，（℃*h）。
由此公式可看出，对于标养条件下，成熟度只与养护时间有关。
施工现场，混凝土成熟度计算公式为：
P2=∑（Ti+10）Δti
（2）
式中Δti——混凝土养护时间（h），在此时间内混凝土温度为线性变化；
Ti——在时间内混凝土平均温度，℃
P2——现场混凝土成熟度，（℃*h）。
按成熟度理论：
对于同一品种混凝土，当成熟度相同时，其强度大致相等，所以得出，当P1=P2时，可用标养混凝土试块强度来代表现场混凝土强度，即：
因为（20+10）tcp=∑（Ti+10）Δti
所以tcp=∑（Ti+10）Δti/30（3）
∑（Ti+10）Δti根据现场测量记录计算.
根据标养混凝土硬化时间可由标养曲线上查出对应的混凝土强度，即求出现场的混凝土强度。
4.2.2成熟度在实际工程的应用（求拆模时间）
工程项目：
某工程地下室顶板和梁的混凝土冬期施工。
施工时间：
2001.11.10—2001.12.10
工程概况：
地下室平面尺寸54.6*39米，顶板厚200，C30混凝土。
施工情况：
在±0.00以下工程部位，箱形底板，四周剪力墙和柱已浇完混凝土。
对于地下室顶板和梁要求进行冬期施工。
按进度要求底板和梁混凝土在11月20日浇完，开始养护，求拆模时间。
表2
顺序
项目
计算程序
1
持续时间tn1（h）0346084108144168204204+tD
2
实测温度Tn（℃）1612111098655
3
Δt=tn+1-tn（h）
34
26
24
24
36
24
36
T0
4
Ti=（Tn+1+Tn）/2（℃）
14
11.5
10.5
9.5
8.5
7
5.5
5
5
Ti+10（℃）
24
21.5
20.5
19.5
18.5
17
15.5
15
6
ΔP=（Ti+10）Δt
816
599
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