材料力学性能 普通混凝土的力学性能

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1、10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,1,材料力学性能,裴立宅 材料科学与工程学院 Email: , ,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,2,普通混凝土的力学性能,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,3,自从1824年发明水泥之后，1830年左右就出现了混凝土，随后又出现了钢筋混凝土。 20世纪30年代又制出来了预应力钢筋混凝土； 20世纪70年代，混凝土外加剂的出现， 特别是减水剂的应用，使混凝土非常容易地达到60MPa以上，同时外加剂可以改进混凝土的其它性能，所以被认为混凝土发展史的第三次革命。,10/19/2018,安徽工业大学

2、 材料科学与工程学院,4,普通混凝土的优点：,(1) 生产混凝土的原材料来源丰富，价格低廉。 (2) 混凝土拌和物具有良好的可塑性，可按工程结构的要求浇筑成各种形状和任意尺寸的混凝土结构物。 (3) 配制灵活、适应性好。 (4) 抗压强度高。 (5) 与钢筋之间有着非常好的粘接力，且混凝土的线膨胀系数与钢筋基本相同，能保证共同工作，扩展了混凝土的应用范围。 (6) 耐久性好。 (7) 耐火性好。混凝土的耐火性能远比木材、塑料的要好，可耐数小时的高温仍保持其力学性能，有利于火灾时扑救。 (8) 生产能耗低。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,5,混凝土的不足之处：,(1)

3、自重大、比强度小； (2) 抗拉强度低； (3) 导热系数大，保温隔热性能差； (4) 硬化慢、生产周期长。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,6,(1) 采用轻集料可降低混凝土的自重和改进保温隔热性能； (2) 掺入聚合物和纤维，可大大降低混凝土的脆性； (3) 掺入早强剂可提高混凝土的早期强度，缩短施工周期。 本章在介绍普通混凝土结构特点的基础上，讨论了普通混凝土的强度特性及其影响普通混凝土强度的主要因素和提高混凝土强度的措施 论述了普通混凝土在外力和环境等因素作用下的变形特性。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,7,第一节 普通混凝土的结构,混

4、凝土的定义：指由水泥、砂、石加水拌和，经水泥水化硬化而成的一种人造石材，主要作为承受载荷的结构材料使用。 砂、石起骨架作用，称为骨料； 水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙；,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,8,硬化混凝土是由粗、细集料和硬化水泥浆组成的，而硬化水泥浆由水泥水化物、未水化的水泥颗粒、自由水、气孔等组成，并且在集料表面及集料与硬化水泥浆体之间也存在孔隙及裂缝等。 通过显微镜可观察到在混凝土内，从粗骨料表面至硬化水泥浆体有一厚度约为20到100微米的区域范围，通常称为过渡层。 在这一区域层内，材料的化学成分、结构状态与区外浆体有所不同，在过渡

5、层内富集有氢氧化钙晶体，水灰比高、孔隙率大。 因此，过渡层结构比较疏松、密度小、强度低，从而在粗集料表面和硬化水泥浆之间形成一弱接触层，对混凝土强度和抗渗性都很不利。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,9,第二节 普通混凝土的强度,一般来讲，混凝土的强度越高，刚性、不透水性、抵抗风化和某些侵蚀介质的能力越高。 另一方面，混凝土的强度越高，往往干缩也越大，同时较脆、易裂； 因此，通常用混凝土的强度来评定和控制混凝土的质量以及作为评价各种因素（如原料、配合比、制造方法和养护条件等）影响程度的指标。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,10,一、混凝土立方体

6、抗压强度,按照国标普通混凝土力学性能试验方法（GBJ81-85），制作边长为150mm的立方体试样，在标准条件（203、相对湿度90%以上）下，养护到28d龄期，测得的抗压强度值为混凝土立方体试件抗压强度（简称立方抗压强度），以fcu表示。 测定混凝土立方体试件抗压强度时，也可根据粗集料的最大粒径而选用不同的试件尺寸，但试件边长不得小于骨料最大直径的3倍。 在计算抗压强度时，应乘以换算系数，以得到相当于标准试样的试验结果。 对于边长为100mm和200mm的立方体试件，换算系数分别为0.95和1.05。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,11,二、混凝土立方体抗压标准强度

7、与强度等级,混凝土立方体抗压标准强度，或称立方体抗压强度标准值，是指按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期，用标准试验方法测得的强度总体分布中具有不低于95%保证率的抗压强度值，以fcu,k表示。混凝土的强度等级以符号C表示（以MPa计）： 12等级：C7.5、C10、C15 、C20、C25 、C30、C35 、C40、C45 、C50、C55 、C60,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,12,根据建筑物的不同部位和承受载荷的不同，采用不同强度等级的混凝土，一般为： C7.5-C15：用于垫层、基础、地坪及受力不大的结构； C15-C25：用于

8、普通混凝土结构的梁、板、柱、楼梯和屋架等； C25-C30：用于大跨度结构、耐久性要求较高的结构、预制构件等； C30以上：用于预应力钢筋混凝土结构、吊车梁及特种结构等。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,13,三、混凝土的轴心抗压强度,混凝土的轴心抗压强度又称棱柱体抗压强度。 确定混凝土强度等级是采用立方体试件，但实际工程中，钢筋混凝土结构形式极少是立方体的，大部分是棱柱体（正方形截面）或圆柱体。 为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况，在结构计算中，计算轴心受压构件（如柱子）时，都是采用混凝土的轴心抗压强度fcp为依据。,10/19/2018,安徽工业大学

9、材料科学与工程学院,14,根据普通混凝土力学性能试验方法（GBJ81-85）规定，测轴心抗压强度采用150mm 150mm 300mm棱柱体作为标准试样。 棱柱体试样的制作条件与立方体试样相同，但测得的轴心抗压强度fcp比同截面的立方体强度值fcu小， 棱柱体试样高宽比越大，轴心抗压强度越小，但当高宽比达到一定值后，强度就不再降低。这是由于试样压板与试样表面之间的摩擦阻力对棱柱体试样中部的影响已消失，形成了纯压状态，所以测试值较稳定。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,15,四、混凝土的抗拉强度,混凝土的抗拉强度是抗压强度的1/10-1/20，随着强度等级的提高，抗拉强度

10、越低。 因此，混凝土在直接受拉时，很小的变形就会产生开裂，破坏时没有明显的残余变形，是一种脆性破坏。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,16,混凝土的抗拉强度采用劈裂法，结果简称劈拉强度。 标准规定，我国混凝土劈裂抗拉强度采用边长150mm的立方体试件作为标准试件。 测试原理：在试件的两个相对的表面中部划定的劈裂面位置线处，作用着均匀分布的压力，这样就能够在此外力作用的竖向平面内产生均布拉伸应力， 见右图，这个拉伸应力可以根据弹性理论计算得出。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,17,根据普通混凝土力学性能试验方法（GBJ81-85）规定，测定混凝土

11、的抗折强度应采用150mm 150mm600mm（550mm）小梁作为标准试件，在标准养护条件下养护28d后，按三点加载方式测得抗折强度：采用的非标准试件时，所得抗折强度值应乘以尺寸换算系数0.85。,五、混凝土的抗折强度,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,18,第三节 影响普通混凝土强度的因素,普通混凝土的受力破坏出现在集料和水泥石的分界面上，因为这些部位往往存在许多孔隙、水隙和潜在的微裂纹等结构缺陷，是混凝土最薄弱的环节，这是常见的粘接面的破坏。 普通混凝土中，集料最先破坏的可能性小，这是由于集料强度经常大大超过水泥石和粘接面的强度，所以混凝土的强度主要取决于水泥石和

12、粘接面的强度。 而水泥石和粘接面的强度与水泥强度等级、水灰比及集料的性质有密切关系。 混凝土强度还与施工方法、养护条件、养护龄期等有关。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,19,一、水泥强度等级和水灰比,水泥强度等级相同的情况下，水灰比越大，多余水分越多，混凝土强度也就越低，反之，强度越高。 如果加水太少，水灰比太小，拌和物过于干硬，在一定施工条件下，无法保证混凝土被充分振捣密实，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，反而导致混凝土强度严重下降。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,20,实际工程中，以上线性关系很适用，结合考虑水泥强度并应用数理统计的方法，

13、可建立混凝土强度与灰水比之间的关系式，即混凝土强度经验公式，又称鲍罗米公式：,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,21,混凝土强度公式具有以下两方面的作用： （1）当已知所用水泥强度等级和水灰比时，用此公式可估算混凝土28d可能达到的抗压强度值； （2）当已知所用水泥强度等级及要求的混凝土强度时，用此公式可估算应采用的水灰比值。这一经验公式，一般只适用于流动性混凝土和低流动性混凝土，即灰水比C/W=1.22.5间的混凝土，对于干硬性混凝土不适用。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,22,二、粗集料与浆集比,混凝土试样在单向压力载荷作用下，当载荷达到极大

14、载荷的50%-70%时，在内部出现垂直裂缝，裂缝形成的应力大多取决于粗集料的性质。 光滑的卵石制成的混凝土的开裂应力较粗糙有棱角的碎石混凝土的要低，这可能是由于表面性质对机械结合影响的缘故，粗集料的形状对机械结合有一定的影响。 骨料品种对混凝土强度的影响，与水灰比W/C有关。 当W/C0.4，用碎石制成的混凝土的强度较卵石的要高，两者的差值高达30%。 而当W/C=0.65时，用碎石和卵石制成的混凝土的强度基本上没有差异。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,23,混凝土中水泥浆的体积与集料体积之比（浆集比），对混凝土的强度有一定影响。水灰比相同时，增加浆集比，可以获得更大

15、地流动性，从而使混凝土更易于成型密实，所以适量增加浆集比可以提高混凝土的强度。 但是浆集比过大，则水泥硬化过程中产生的收缩，会形成微裂纹，反而会降低水泥混凝土的强度。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,24,三、养护温度与湿度,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,25,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,26,四、龄期的影响,试验表明：由中等强度等级的普通水泥配制的混凝土，在标准养护条件下，混凝土强度的发展大致与龄期的对数成正比关系（龄期不小于3天）：,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,27,五、提高混凝土强度

16、和促进强度发展的主要措施,（一）采用高强度等级水泥或早强型水泥 （二）减小水灰比 减小水灰比是提高混凝土强度最有效的途径。在低水灰比的干硬性混凝土拌和物中游离水少，硬化后在混凝土中留下的孔隙少，混凝土密实度高，所以强度可显著提高。 （三）掺加混凝土外加剂和掺合剂 混凝土中掺入早强剂，可显著提高其早期强度，当掺入减水剂，由于可大幅度减少拌和用水量，混凝土可获得高强度。 （四）采用机械搅拌和振捣 工程中采用干硬性混凝土或低流动性混凝土时，必须同时采用机械搅拌和机械振捣混凝土，只有这样才能使混凝土拌和物搅拌均匀并在振动作用下充分密实成型，内部孔隙大大减小，从而使混凝土的密实度和强度大大提高。,10/19/2018,安徽工业大学 材料科学与工程学院,28,（五）采用湿热处理养护混凝土,湿热养护：就是通过提高混凝土养护温度和湿度，以加快水泥的硬化，提高早期强度。 （1）蒸汽养护 将浇筑好的混凝土构件经一定时间预养后，置于100的常压饱和蒸气压中进行养护，以加速水泥水化，促进混凝土强度的快速增长。 （2）蒸压养护 将浇筑好的混凝土构件经一定时间预养后，放入蒸压釜内，通入高压、高温饱和蒸气对混凝土进行养护。,