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1、第二章第二章 混凝土结构材料的物理混凝土结构材料的物理 力学性能力学性能 本章主要内容： l掌握混凝土的主要强度指标及其收缩、徐变； l深刻理解混凝土的应力应变关系； l掌握钢筋强度指标和变形性能； l掌握钢筋、混凝土的粘结及其构造要求。 2.1 混凝土的物理力学性能 2.1.1混凝土的组成结构 通常把混凝土的结构分为三种类型： .微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未 水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。 .亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。 .宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。 2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是 混凝土
2、力学性能中最主要和最基本的指标。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的 1.混凝土抗压强度 1）混凝土立方体抗压强度和强度等级：边长为150mm的 混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度 90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度 0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率 的抗压强度，用符号C表示。 规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等 级，级差为5N/mm2。 2）混凝土轴心抗压强度 按标准方法制作的150mml50mm 300mm的棱柱体 试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上的条件下 养护28d，用标准试验方法测得的具有95保
3、证率的抗压 强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗 压强度。 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构 件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取 偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标 准值的换算关系为： 式中： 为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大 于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插 值。2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对 C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际 构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。 劈拉试验 F d F 2.混凝
4、土的轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验 方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采 用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心 抗拉强度。 拉 压 压 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉 强度标准值与立方体抗压强度标准值的换 算关系为： 0102030405060708090100 1 2 3 4 5 6 双轴应力状态 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双 向或三向受力状态。 双向受压强度大于单向受 压强度，最大受压强度发 生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约(1.251.60 )fc 。双轴受压状态下混凝土 的应力-应变关系与单轴受
5、压曲线相似，但峰值应变 均超过单轴受压时的峰值 应变。 在一轴受压一轴受拉状态 下，任意应力比情况下均 不超过其相应单轴强度。 并且抗压强度或抗拉强度 均随另一方向拉应力或压 应力的增加而减小。 2.1.3 复合受力状态下混凝土的强度 构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力s 共同作用下的复 合受力情况。 混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应 力的增大而减小。 三轴应力状态 三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和 钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三
6、向受压试验一般 采用圆柱体在等侧压条件进行。 侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为: 式中 被约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土的轴心抗压强度； 侧向约束压应力。 侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。 2.1.4 混凝土的变形 1、一次短期加载下混凝土变形性能 （1）单轴受压应力-应变 混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学 特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也 是利用计算机进行非线性分析的基础。 混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 在普 通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验
7、机中集聚 的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏 ，只能测得应力-应变曲线的上升段。 采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以 吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。 02468 10 20 30 s(MPa) e 10-3 B A C E D A点以前，微裂缝没有 明显发展，混凝土的变 形主要弹性变形，应力 -应变关系近似直线。A 点应力随混凝土强度的 提高而增加，对普通强 度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混 凝土sA可达(0.50.7)fc 。 A点以后，由于微裂缝 处的应力集中，裂缝开 始有所延伸发展，产
8、生 部分塑性变形，应变增 长开始加快，应力-应 变曲线逐渐偏离直线。 微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加。但 该阶段微裂缝的发展是 稳定的。 混凝土在结硬过程中， 由于水泥石的收缩、骨 料下沉以及温度变化等 原因，在骨料和水泥石 的界面上形成很多微裂 缝，成为混凝土中的薄 弱部位。混凝土的最终 破坏就是由于这些微裂 缝的发展造成的。 达到B点，内部一些微 裂缝相互连通，裂缝发 展已不稳定，横向变形 突然增大，体积应变开 始由压缩转为增加。在 此应力的长期作用下， 裂缝会持续发展最终导 致破坏。取B点的应力 作为混凝土的长期抗压 强度。普通强度混凝土 sB约为0.8fc，高强强度 混凝土sB
9、可达0.95fc以上 。 达到C点fc，内部微裂缝 连通形成破坏面，应变 增长速度明显加快，C 点的纵向应变值称为峰 值应变 e 0，约为0.002。 纵向应变发展达到D点 ，内部裂缝在试件表面 出现第一条可见平行于 受力方向的纵向裂缝。 随应变增长，试件上相 继出现多条不连续的纵 向裂缝，横向变形急剧 发展，承载力明显下降 ，混凝土骨料与砂浆的 粘结不断遭到破，裂缝 连通形成斜向破坏面。 E点的应变e = (23) e 0 ，应力s = (0.40.6) fc。 不同强度混凝土的应力-应变关系曲线 强度等级越高，线弹性段 越长，峰值应变也有所增 大。但高强混凝土中，砂 浆与骨料的粘结很强，密
10、 实性好，微裂缝很少，最 后的破坏往往是骨料破坏 ，破坏时脆性越显著，下 降段越陡。 Hognestad建议的应力-应变曲线 规范应力-应变关系 上升段： 下降段： 规范混凝土应力-应变曲线参数 fcu C50 C60C70C80 n21.831.671.5 e00.0020.002050.00210.00215 eu0.00330.00320.00310.003 0 0.001 0.002 0.003 0.004 fc fc （2）混凝土的变形模量 弹性模量 变形模量 切线模量 混凝土弹性模量可按下式计算 2、荷载在长期作用下的变形性能 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的 现
11、象称为徐变。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混 凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起 应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。 在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。 随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增 长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐 缓慢，23年后趋于稳定。 记(t-t0)时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为 esh(t，t0)，则徐变为， ecr (t,t0) = ec(t,t0
12、)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0) 如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土 弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹 性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复， 称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr 影响因素 内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越 大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水 泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少 （2035）%。受荷后构
13、件所处的环境温度越高，相对湿度越小 ，徐变就越大。 3、混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形） 疲劳强度 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用 100mm100mm300mm 或着150mm150mm450mm的棱柱 体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏 的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。 影响因素 施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变 化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化 的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力 比值的增大而增大。 混凝土在荷载重复作用下的 应力-应变关系 4、混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小
14、，这种现象称为混凝土 的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约 束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及 尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护 条件等许多因素有关。 （1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越 大。 （2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。 （3）骨料的性质：骨料弹性模量大，收缩就小。 （4）养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小 。 （
15、5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 （6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。 （7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。 2.2 钢筋的物理力学性能 2.2.1钢筋的品种和级别 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋 3 D A公称直径股钢绞线量测尺寸 钢绞线 图2-1 常用钢筋形式 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝 热轧钢筋的分类 HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级 屈服强度 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73% ）HPB235级： fyk = 235 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2 HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼 板的受力钢筋和箍筋。 HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高 ，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构 件，也有用级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结， 外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。 RRB400级(级)钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混 凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力
