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1、实验六 混凝土主要力学性能和氯离子扩散系数土木工程系结01 2010010095 刘家宝 2011年12月13日C30普通混凝土主要力学性能和氯离子扩散系数土木系结01班刘家宝2011/12/13同组:张震/田琨/钱圣申混凝土力学性能及氯离子扩散系数试验一、实验目的1. 学习混凝土主要力学性能的测试方法2. 学习混凝土氯离子扩散系数的试验方法。二、实验原理1、 不同强度等级的混凝土在劈裂抗拉强度、钢筋握裹强度方面都会存在一定的差异。2、 不同强度的混凝土其内部空隙大小、分布都存在不同，故氯离子在其内部的扩散速率也不同，通过测定氯离子的扩散系数，可以间接地评定混凝土的内部结构性质。3、 氯离子扩
2、散系数法的实验原理:基于Nernst-Einstein方程发展起来的混凝土中氯离子扩散系数测定方法，其实质是通过测定混凝土的饱盐电导率来计算混凝土中的氯离子扩散系数。若把饱盐混凝土看成是固体电解质，氯离子在混凝土中的扩散系数与混凝土饱盐电导率关系为： Dc1=（RTtc1）/（Z2C1F2CC1）此即著名的Nernst-Einstein方程， 式中：Dc1 氯离子扩散系数；R：气体常数，为8。314（J/mol.K）T: 绝对温度（K）tc1 氯离子迁移数，饱盐混凝土通常取1.0饱盐混凝土电导率 (S/CM)ZC1 氯离子化合价,即-1;F 常数 Faraday(96 500Coul/ mol
3、);CC1 氯离子浓度 (mol/m3)三、一般规定（1）混凝土物理力学性能实验一般以三个试件为一组。每组试件所用的拌合物应从实验室用机械一次拌制完成。（2）试件的成型方法应视混凝土上设备条件和混凝土的稠度而定。可采用振实台、振动棒等捣实。棱柱试件宜采用卧式成型。（3）混凝土骨料最大粒径应不大于试件最小边长的1/3。四、实验内容1.混凝土抗压强度（已做）2.混凝土劈裂抗拉强度3.混凝土与钢筋握裹强度4.混凝土中氯离子扩散系数五、实验具体内容实验一混凝土立方体抗压强度试验一、 实验仪器（1）压力试验机（精度应为1%，试件的破坏荷载应大于压力机全量程的20%且应小于全量程的80%左右，实验机上下压
4、板应有足够的刚度，其中一块压板应带有球形支座，使压板与试件接触均衡，如右图）；（2）钢尺（量程300mm，最小刻度1mm）二、实验步骤1.试件从养护地点取出后因尽快进行试验，以免时间内部温度发生显著变化。2.试件在试压前应先擦试干净，测量尺寸并检查其外观。试件尺寸测量精确至1mm，并据此计算试件的承压面积。入史册尺寸与工称尺寸之差不超过1mm，可按公称尺寸进行计算。3.将试件安放在试验机下压板上，试件的中心与试验机下压板中心对准，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。4.在试验中应连续均匀的加载，加荷速度应为：混凝土的强度等级C30时，取0.300.50MPa/s；混凝土的强度等级C30时，取0.
5、500.80MPa/s；混凝土的强度等级C60时，取0.81.0MPa/s三、结果计算混凝土立方体抗压强度按下式计算式中，为混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；F为破坏荷载(N)；A为试件承压面积(mm2)。混凝土立方体抗压强度计算应精确至0.1 MPa 。强度值得确定应符合下列规定：以三个试件的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。三个测值中的最大值和最小值中如有一个与中间值得差值超过中间值的15%。则把最大及最小一并舍除，取中间值作为改组试件的抗压强度值。如两个测值与中间值相差均超过15%,则该组实验结果无效。取150mm150mm150mm立方体试件的抗压强度为标准值。用非标准试件测得的强
6、度值均应乘以尺寸换算系数，对本次100mm100mm100mm的试件取值为0.95。四、数据记录1.本次实验测7天强度值的实验数据如下：混凝土立方体抗压强度试验试件编号123破坏荷载/kN376254364受压面积/mm102X103100X100102X104抗压强度/MPa35.7925.434.31数据偏差4.31%25.97%0.00%数据计算:由以上偏差计算可以看出，第2组数据偏差超过15%，舍去。取抗压强度的平均值有：，由于采用的是100mm100mm100mm试块，因此还需乘上换算因子0.95：此即为本组混凝土的7天抗压强度。结果分析:从实验结果来看，我们设计的混凝土强度在7天时
7、达到了33.3MPa，明显偏高，这与我们实验中所用的砂子较细有关。今后实验时一定要根据实际情况确定各组分含量。参考资料：混凝土受热与抗压强度的关系：（1）混凝土抗压强度与试验温度有很大关系,试验温度越高强度越低。试验温度在300以内时强度降低较小,高于300时混凝土强度急剧下降。（2）混凝土抗压强度与冷却后的静置时间有关系,一般来说,在最初的3d内混凝土强度降低较多,以后随着时间的延长混凝土的强度不但不再降低反而会有所回升,这一现象在工程中得到验证。（3）混凝土抗压强度还与冷却方式及冷却后所处的环境有关,喷水冷却比自然冷却混凝土抗压强度要低,冷却后放在潮湿环境中的混凝土抗压强度要低于放在自然环
8、境中的混凝土抗压强度。（4）火山灰反应：在一些火山灰质的混合料中，存在着一定数量的活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分。所谓火山灰反应就是指这些活性组分与氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物，其中，氢氧化钙可以来源于外掺的石灰，也可以来源于水泥水化时所放出的氢氧化钙。在火山灰水泥的水化过程中,火山灰反应是火山灰混合材中的活性组分与水泥熟料水化时放出的氢氧化钙的反应。因此，火山灰水泥的水化过程是一个二次反应过程。首先是水泥熟料的水化，放出氢氧化钙，然后再是火山灰反应。这两个反应是交替进行的，并且彼此互为条件，互相制约，而不是简单孤立的。试验二混凝土劈裂抗拉强度试验一、
9、实验仪器压力试验机、垫块、垫条和支架二、 实验步骤1.试件从养护地点取出后，应及时进行试验。试件在试压前应先擦试干净，测量尺寸并检查其外观。在实践中划线定出劈裂面位置。劈裂面应与试件成型时的顶面垂直。混凝土劈裂抗拉试验示意图1-上压板2-下压板3-垫层4-垫条2.将试件放在试验机下压板的中心位置，在上、下压板与试件之间垫一圆弧形垫块以及垫条各一组，垫块应与试件成型时的顶面垂直。（如右图）3.开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，便接触均衡。加载应连续均匀，当混凝土强度等级小于C30时，取0.2-0.5MPa/s，当混凝土强度等级大于等于C30时，取0.5-0.8Mpa/S。加载至试件破坏
10、，记录破坏荷载。本次试验综合考虑各不同强度混凝土需要，取加荷速度为0.5Mpa/S。三、结果计算混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算：式中，为混凝土劈裂抗拉强度(MPa)；F为破坏荷载(N)；A为试件劈裂面面积(mm2)。劈裂抗拉强度计算精确到0.01MPa。取立方体试件的劈裂抗拉强度为标准值。用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，对的试件取值为0.85。数据处理与混凝土抗压强度相同。四、数据记录本次试验我们得到的数据如下：混凝土劈裂抗拉强度试件编号123破坏荷载/kN886886劈裂抗拉强度/MPa（）5.614.335.48数据处理：作为本组试件的劈裂抗压强度值，由于本次实验采用的是10
11、0mm100mm100mm的非标准试件，因此还需乘上尺寸换算系数：结果分析：混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/101/20，且随着混凝土强度等级的提高，比值降低。混凝土在工作时一般不依靠其抗拉强度。但抗拉强度对于抗开裂性有重要意义，在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标。有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度等。本次我们设计的是C30普通混凝土，根据上述值可知该值在设计强度的1/10左右，符合设计要求。从实验中可以看出，和测量抗压强度时不同，劈裂抗拉强度测量时机器没加载多久，试块就被破坏了。从最后的计算结果也可以看出，相比于抗压强度，混凝土的劈裂抗拉强度是要小得多的。劈裂抗拉强
12、度在一定程度上反映了混凝土试块抗拉的能力，在上下同时垫上了拱状物的情况下，受力更加的集中，所有的力通过拱和试块接触的一长条进行传播，这一地带也成为了破坏开始的地方。另外我观察到，混凝土块的破坏都是从试块的上部开始产生裂纹，然后上部的裂纹扩大最后断裂成两半。猜测可能的原因是和混凝土接触的机器的上部构件是产生力的主动力，而下部平台基本上是不动的。以此形成了下部支持力的“反应迟钝”，上部力增长较快，下部力增长相对滞后。同时从本次实验中我们也可以看出混凝土的抗拉性能是比较差的，这点在之前的水泥胶砂的抗折强度试验中也可以知道，有本次实验，我们可以知道在混凝土中加入钢筋的重要意义，钢筋有较高的抗拉强度，这
13、样二者的结合也是其性能在抗拉和抗压方面都能有较好的表现。同时在网上查得混凝土轴心抗拉强度ft可按劈裂抗拉强度fts换算得到，换算系数可由试验确定，但未查得换算系数，故没能采用这种办法对照评定。各强度等级的混凝土轴心抗压强度标准值fck、轴心抗拉强度标准值ftk应按下表采用：强度种类混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2ftk1.271.541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.99
14、3.053.11还需注意的是，相同强度等级的混凝土轴心抗压强度设计值fc、轴心抗拉强度设计值ft低于混凝土轴心抗压、轴心抗拉强度标准值fck、ftk。实验三混凝土钢筋握裹力强度的测定一、试验内容试件3个为一组；试件尺寸:100100200mm；加荷速度400N/S；本次所用的混凝土龄期为21天。加载时到下面任何一种状况时停止加载：(1) 钢筋达到屈服；(2)混凝土发生破裂；(3)钢筋滑动超过0.1mm；试验时采用16mm的光圆钢筋,拔至最大荷载时停止实验。二、结果计算混凝土钢筋握裹力强度计算公式：式中，钢筋握裹强度P1滑动变形为0.01mm时的荷载(N).P2滑动变形为0.05mm时的荷载(N
15、).P3滑动变形为0.1mm时的荷载(N)l钢筋埋入长度三、实验数据记录：混凝土钢筋握裹强度的测定试件编号123滑动荷载/kN573819数据处理：本实验中没有采用标准中推荐的计算的方法，而是直接利用破坏时的荷载大致作为判断钢筋握裹强度的依据。，以此可以计算得到钢筋的握裹强度为：这可以从一定程度上反映钢筋的握裹强度。结果分析：混凝土抵抗钢筋滑移能力的物理量，以它的滑移力除以握裹面积来表示（Mpa），一般情况下，握裹强度是指沿钢筋与混凝土接触面上的剪应力，亦即是粘结应力。实际上，钢筋周围混凝土的应力及变形状态比较复杂，握裹力使钢筋应力随着钢筋握裹长度而变化，所以，握裹强度随着钢筋种类，外观形状以
16、及在混凝土中的埋设位置，方向的不同而变化，也与混凝土自身强度有关，即混凝土抗压强度越高，握裹强度越大。本次得出的钢筋的握裹强度的数值还是比较理想的，第一次的滑动荷载比较大可能是由于钢筋表面的螺纹导致的，由此也可以看出使用螺纹钢筋的重要意义，钢筋抗拉、抗压性能均好，混凝土的抗压性能强，但抗拉性能较弱。二者结合一起共同工作，可充分利用材料的性能，其工作前提是：（1）二者温度线膨胀系数相接近；（2）二者之间产生良好的粘结力。（3）钢筋有良好的锚固而螺纹钢筋可以很好的加强钢筋与混凝土的粘结，同时，综合本次的实验结果可以知道我们设计的钢筋也具有较好的握裹强度。参考资料：A、由试验可知,粘结锚固能力可有四
17、种途径得到:(1)胶结力:钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力这种力一般很小,当接触面发生相对滑移时,该力即消失,仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用.(2)摩擦力:混凝土收缩,将钢筋勒紧,握裹而产生.(3)机械咬合力:钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的.变形钢筋具有横肋会产生咬合力,是变形钢筋粘结力主要来源.(4)锚固:钢筋段部加弯钩,弯折或锚固区焊短钢筋,焊角钢等来提供能力.B、影响粘结强度的因素:(1)混凝土强度、锚固长度.(2)保护层的相对厚度、锚筋的外形特征.(3)配箍情况、混凝土浇注状况.(4)锚筋受力情况等C、锈蚀钢筋增大握裹力原因：(1)钢筋锈蚀的麻点增加了与混凝土的机械咬合力；(
18、2)相同直径的钢筋，表面经氧化锈蚀后，体积膨胀，增加了表面积与粗糙程度，提高了握裹力；(3)混凝土在硬结收缩过程中，将钢筋锈皮紧压在钢筋表面，使锈皮与钢筋的摩阻力大大提高，可能弥补锈皮本身的强度不足。D、锈蚀钢筋握裹力的处理：（1）带有微筋的其失重率小于0.37%的自然锈蚀的钢筋，由于其强度损失极小，而其握裹应力提高四倍多。所以，可不予除锈，直接用于结构物中，更不应清楚钢筋表面形成的黑灰色的一层致密的氧化铁薄膜。（2）锈蚀钢筋的握裹应力，虽然随着钢筋锈蚀程度的增大而增大，但绝不能以此为由，对钢筋不加保管，任其锈之。只有运抵工地很快使用的钢筋，可暂时露天堆放。（3）使用微锈钢筋时，必须选材合理，
19、设计得当，保证混凝土的施工质量，低水灰比，富配合，充分捣实和养护，混凝土无裂缝，且有足够密实和足够厚度的钢筋保护层。这样可以防止锈蚀的钢筋继续锈蚀，以保证钢筋混凝土结构物的耐久性和可靠性。实验四混凝土氯离子扩散系数一、 实验原理饱盐电导法基于Nernst-Einstein方程发展起来的混凝土中氯离子扩散系数法是最快速的方法，其实质是通过测定混凝土的饱盐电导率来计算混凝土中的氯离子扩散系数。若把饱盐混凝土看成是固体电解质，氯离子在混凝土中的扩散系数与混凝土饱盐电导率关系是：二、实验步骤1.将养护到一定龄期的混凝土（本次实验混凝土龄期为14天）切割成厚度为50mm的试件.2.将试件放入到抽真空(-
20、0.08Mpa)的装置内抽真空(把混凝土内部的空气抽出),四小时后,注入4M的NaCI溶液,继续抽2小时后取出,3.将试件装入到测试装置的电极内,进入自动测试系统，取两次的平均值为最后结果。三、评价标准不同性能的混凝土扩散系数大致为:（1）C15混凝土扩散系数7910-8cm2/s（2）C30-C40混凝土扩散系数3-510-8cm2/s（3）C40混凝土一般在310-8cm2/s（4）高强混凝土C60以上在210-8cm2/s当掺入掺和料也会使结果偏小,根据以上结果是初步评定混凝土的耐久性的一项指标.四、数据记录本次实验我们记录的数据如下：混凝土氯离子扩散系数试件编号12氯离子扩散系数/(c
21、m2/s)2.2411110-82.1973410-9数据处理：如上所示，根据表中数据的我们设计的混凝土的氯离子扩散系数的平均值为结果分析：对照上述评价标准可知我们设计的混凝土试样结果偏小，分析其中的原因，一是由于在混凝土搅拌过程中原料如砂石比较均匀，使得制成的混凝土块孔洞及微裂纹较少，抗渗性比较好。另外，实验中硅粉量和粉煤灰含量较多也和氯离子扩散系数的偏小有一定关系。因为我们掺入了20%的粉煤灰，大大提高了我们的混凝土的抗渗性。参考资料：A、混凝土氯离子渗透性的影响因素：混凝土中氯离子的渗透由两个基本因素决定：一是混凝土对氯离子渗透的扩散阻碍能力；二是混凝土对氯离子的物理或化学结合能力，即固
22、化能力。粉煤灰的掺人改善了混凝土内部的微观结构和水化产物的组成，混凝土孔隙率降低，孔径细化，使混凝土对氯离子渗透的扩散阻力提高。粉煤灰的火山灰效应减少了粗大结晶、稳定性差的水化产物氢氧化钙的数量及其在水泥石-集料界面过渡区的富集与定向排列，从而优化了界面结构，同时粉煤灰的密实填充效应使水泥石结构和界面过渡区结构更加致密，阻塞了氯离子的渗透通道。另外，水泥石孔结构的细化使其对氯离子的物理吸附能力增强，粉煤灰中含量较高的无定型氧化铝能与氯离子和氢氧化钙反应生成Friedel盐，这些均有利于降低氯离子在混凝土中的渗透速度，提高混凝土的抗氯离子渗透能力。随着养护龄期延长，粉煤灰混凝土随着水泥水化和粉煤
23、灰的二次水化作用的进一步进行，以及粉煤灰的微集料效应，进一步改善界面过渡区结构，大幅度降低粉煤灰混凝土氯离子扩散系数。B、补偿收缩混凝土对抗渗性的作用及发展前景：补偿收缩混凝土，即在混凝土中加入膨胀剂的混凝土。一般混凝土拌制成型后，会由于干缩和冷缩在混凝土中产生很大的拉应力。由于混凝土为脆性材料，抗拉强度低，就容易使混凝土中产生裂缝。在混凝土中加入膨胀剂，可以在混凝土水化早期形成大量的钙矾石晶体，会在混凝土内部产生一定量的膨胀。当膨胀受到约束时，就会在混凝土中产生0.20.7MPa的预压应力；当由于干缩、冷缩产生拉应力时，预压应力会大致地抵消混凝土中出现的拉应力，起到补偿收缩的效果，避免裂缝的
24、产生，同时提高混凝土的致密性，增强其抗渗性能。但是，补偿收缩混凝土在使用过程中也不断地暴露出一些问题，如要求混凝土的养护时间长；影响其膨胀性能的因素很多，如材料、施工、环境等都会产生显著影响，抗渗性能不易保证；作为其主要性能的膨胀量，在实际结构中难以检测，抗渗效果也不易评估；用于墙体、薄壁结构、高强混凝土时常出现开裂现象；膨胀剂掺量过高而导致的强度下降问题，较大的水养早期膨胀率和较大的后期收缩之间的矛盾，坍落度损失过快的问题，膨胀剂碱含量过高而引起混凝土耐久性问题等。C、影响抗渗性的因素：1. 水泥与水：试验表明，使用不同品种的水泥其抗渗性没有差异。但混凝土中水的扩散系数，是表示混凝土抗渗性的
25、尺度之一，其值愈大则抗渗性愈小。2. 粗骨料最大粒径：一般来说粗骨料的最大粒径愈大，混凝土的抗渗性愈差，因而随着石子粒径的增大，石子颗粒下部形成的空隙愈大。3. 碎石含量：为获得一定和易性的混凝土，使用碎石比使用卵石单位用水量有所增加，抗渗性也随之下降。4. 外加剂：使用减水剂、降低泌水，可改善混凝土抗渗性。使用某些活性矿物粉末(如粉煤灰、高炉矿渣粉末等)，填充混凝土的孔隙，同时由于火山灰反应或矿碴的水化反应，增加了混凝土抗渗性。5. 水灰比：试验表明，水灰比从0. 65变至0. 55，其扩散系数约降到1/3。水灰比从0.4增至0. 7时，渗透系数增加100倍以上;水灰比超过0. 5时，渗透系
26、数增加比较显著，说明水灰比对于水泥浆的抗渗性有重要的控制作用。五、实验小结本次实验主要涉及到了混凝土的力学性能和其氯离子的抗渗系数，这两方面都是评价混凝土的耐久性的重要标准，通过这次实验，我明白了要评价一个混凝土的好坏是要从各个方面入手，综合考虑，就像我们在评价其强度时不仅要注重其抗压强度，其抗折强度，钢筋握裹强度也是很重要的评价标准。同时在这次的实验过程中，我们通过后期的数据处理和资料查询，把很多课上的知识也都更好地掌握了，不仅明白了钢筋混凝土在实际工程中的重要应用，也对其各项评价指标有了更好的了解，还有就是用我们亲手设计的混凝土进行各个实验，同时制作的混凝土块在实际实验时却有着较大的力学性能，实验的偶然随机性很突出，所以一定要多组数据取均值确定数据。建材实验是我大学以来首次走进自己专业的实验室，见到了以后或许会经常接触的实验设备，亲手操作了一些较为简单的实验仪器，让我体会到了自己动手实验的快乐。很佩服张老师实验前详细的讲解，好多都是我人生中首次听到的知识，大部分是张老师实际实验中总结出来的，对我们来说受益匪浅，可以的话张老师可以把它们写成文字，相信对我们来说价值会更大，因为经常会听着听着忘记记笔记，等到实验结束后再去回想时会忘记好多。感谢张老师一学期来的指导！