水泥混凝土強度應注意的幾個影響因素
2006-12-19
水泥混凝土強度應注意的幾個影響因素
摘要：本文從水灰比、水泥、集料、集灰比、養護等幾個方面簡要闡述影響水泥混凝土強度的幾個主要因素，為水泥混凝土結構的設計、施工及試驗分析提供一些思路。
關鍵詞：水泥混凝土；強度；影響；因素
任何混凝土結構物主要都是用于承受荷載或抵抗各種作用力的，強度是混凝土最重要的力學性能。工程上對混凝土的其它性能要求，如不透水性、抗凍性等，而這些性能與混凝土強度往往存在著密切的聯系。一般說來，混凝土的強度愈高，其剛性、不透水性、抵抗風化和某些侵蝕介質的能力也愈高；而強度愈高，往往其干縮也較大，同時較脆、易裂。因此，通常用強度來評定和控制混凝土的質量以及評價各種因素影響程度的指標。
1水灰比
水泥混凝土強度主要取決于毛細管孔隙率或膠空比，但這些指標都難于測定或估計。而充分密實的混凝土在任何水灰比程度下的毛細管孔隙率由水灰比所確定。
毛細孔隙率 Pc=W/C – 0.36α
膠空比 x=0.68α/(0.32α+W/C)
其中：W/C—水灰比
α—水化程度
Duff Abrams的混凝土強度水灰比定則指出：“對于一定材料，強度取決于一個因素，即水灰比。”由此看來，水灰比—孔隙率關系無疑是最重要的因素。它影響著水泥漿基體和粗骨料間過渡區這兩者的孔隙率，水泥石在水化過程中的孔隙率取決于水灰比，水灰比和混凝土的振搗密實程度兩者都對混凝土體積有影響，當混凝土混合料能被充分搗實時，混凝土的強度隨水灰比的降低而提高。然而，形成水化物需要一個最小的水量。
（W/C）min =0.42α
即完成水化（α=1.0）的W/C不應低于0.42。顯然在低W/C時預期殘留的未水化水泥能夠在漿體內繼續長期存在，亦即W/C低于0.42，漿體將自我干燥。為避免這種現象，有效的最低W/C比要高于0.42。在實際中，我們可以通過規定的W/C來保證充分密實的混凝土在規定齡期的強度，保證混凝土的性能。
2 水泥
水泥混凝土的影響取決于水泥的化學成分及細度。水泥強度主要來自于早期強度（C3S）及后期強度（C2S），而且這些影響貫穿于混凝土中。用C3S含量較高的水泥來制作混凝土，其強度增長較快，但在后期可能以較低的強度而告終。而無論通過改變成分、養護條件或者利用外加劑而比較緩慢地水化，都可使水泥產生較高的最終強度。
水泥細度對混凝土強度的影響也很大。隨著細度增加，水化速率增大，就導致較高的強度增長率。但應避免細磨粉的含量。因為當顆粒很細時，間隙水可引起一些高W/C區域。另外，研究表明，直徑大于60pm的顆粒對強度是沒什么貢獻的。
而水泥質量的波動對混凝土強度的影響,應引起注意。水泥廠生產的同一品種同一標號的水泥，不可避免地會在質量上有波動。水泥質量的波動，毫無疑問地在混凝土強度上反映出來。采用具有相同平均強度而離散系數小的水泥，可以降低混凝土的水泥用量。水泥質量波動大多是由于水泥細度和C3S含量的差異引起的。而這些因素在早期的影響最大。隨著時間的延長其影響就不再是最重要的了。即水泥質量波動引起的混凝土強度的標準離差，不隨齡期而增大，但混凝土強度的離散系數卻因強度隨齡期的增大而減小。因此，水泥質量波動對混凝土早期強度影響大。
3 集料
集料極重要的參數是集料的形狀、結構、最大尺寸及級配。集料本身的強度不太重要，因為集料強度一般都要高于混凝土的設計抗壓強度。在承載時混凝土中集料所能承受的應力大大超過混凝土的抗壓強度。
骨料顆粒強度比混凝土基體和過渡區的強度要大。大多數天然骨料，其強度幾乎不被利用，因為破壞決定于其它兩項（水泥漿基體及過渡區）。一般而言，強度和彈性模量高的集料可以制得質量好的混凝土。但過強、過硬的集料不但沒有必要，相反，還可能在混凝土因溫度或濕度等原因發生體積變化時，使水泥石受到較大的應力而開裂。
骨料顆粒的粒形、粒徑、表面結構和礦物成分，往往影響混凝土過渡區的特性，從而影響混凝土的強度。
級配良好的粗骨料改變其最大粒徑對混凝土強度有著兩種不同的影響。水泥用量和稠度一樣時，含較大骨料粒徑混凝土拌和物比含較小粒徑的強度小，其集料的表面積小，所需拌和水較少，較大骨料趨于形成微裂縫的弱過渡區，其最終影響隨混凝土水灰比和所加應力而不同。在低水灰比時，降低過渡區孔隙率同樣對混凝土強度一開始就起重要作用。在一定拌和物中，水灰比一定時抗拉強度與抗壓強度之比將隨粗骨料粒徑的降低而增加。試驗表明，增加骨料粒徑對高強混凝土起反作用，低強度混凝土在一定水灰比時，骨料粒徑似乎無大的影響。另外，在同一條件下，以鈣質代硅質骨料會使混凝土強度明顯改善。
4 集灰比
對于強度大于35Mpa的混凝土，集灰比的影響就較為明顯地表現出來。在相同水灰比時，混凝土強度隨著集灰比的增大而提高。這是因為：集料數量增大，吸水量也增大，從而有效水灰比降低；混凝土內孔隙總體積減小；集料對混凝土強度所引起的作用更好地發揮。
5養護
為了獲得質量良好的混凝土，混凝土成型后在適宜的環境中進行養護。養護的目的是為了保證水泥水化過程能正常進行，包括控制環境的溫度和濕度。
水泥水化只能在為水填充的毛細管內發生，因此，必須創造條件防止水分由毛細管中蒸發失去，而且，在水泥水化過程中產生的水泥凝膠具有很大的比表面積，大量自由水變為表面吸附水。這時，如果不讓水分進入水泥石，則供水化反應的水就會越來越少，在水灰比小于0.5的情況下會出現自干現象，使水泥水化不能繼續進行。因此，在養護期內必須保持混凝土的飽水狀態，或者接近于這個狀態。只有在飽水狀態下，水泥水化速度才是最大的。
要使混凝土達到所要求的強度并不需要所有水泥都水化，因為在工程上很少能達到這樣的強度。混凝土的質量主要取決于水泥石中的膠空比。混凝土在澆筑后水分的蒸發，取決于周圍空氣的溫度和相對濕度，以及引起混凝土表面空氣濕度變化的風度。混凝土和周圍空氣的溫差，也會影響失水。例如，在白天飽水的混凝土在溫度低的晚上會失水；寒冷氣候中澆筑的混凝土，即使在飽和空氣中，也會失水。急速的初期水化反應會導致水化物的不均勻分布。水化物稠密程度低的區域成為水泥石中的薄弱點，從而降低整體的強度；水化物程度高的區域包裹在水泥粒子的周圍，防礙水化反應的繼續進行，從而減少水化物的量。在養護溫度較低的情況下，由于水化緩慢，具有充分的擴散時間，從而使水化物得以在水泥石中均勻分布。Klieger指出：在混凝土早期養護時期，存在著一個最佳養護溫度，在此情況下混凝土在某一齡期時的強度最大。在試驗條件下，硅酸鹽水泥的最佳溫度約為13?C ，而快硬硅酸鹽水泥則為4○C。所以，在夏天澆筑的混凝土要較同樣的混凝土在冬天澆筑時的強度要低。影響著水泥混凝土的原因是多方面的，所以，在水泥混凝土結構設計、施工及養護過程中，上述因素應當加以考慮。
參考文獻：
[1] 路面材料科學. 重慶交通學院，2001
[2] 混凝土. 中國建筑工業出版社
[3] 混凝土學. 中國建中筑工業出版社
