(2014-9-11)2. 材料性能

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1、第2章 混凝土结构材料性能,2.1混凝土2.2钢筋2.3钢筋与混凝土的粘结,第2章 混凝土结构用材料的性能,第2章 混凝土结构材料性能,强度,变形,混凝土,抗压强度,抗拉强度,单轴强度,双轴,三轴,一次短期加载,荷载长期作用,重复荷载作用,受力变形,非受力变形,钢筋,钢筋种类,变形,强度：有明显屈服、无明显屈服,粘结作用,微观结构,亚微观结构,宏观结构,水泥石结构,水泥砂浆结构,砂浆粗骨料体系,混凝土组成结构,1.水泥凝胶 2.晶体骨架 3.未水化完的水 泥颗粒 4.凝胶孔,1.水泥石为基相 2.砂子为分散相,水泥看作是基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的结合面是薄弱面。,由水泥、砂子和石

2、子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材,2.1 混凝土（concrete）,第2章 混凝土结构用材料的性能,混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程。,第2章 混凝土结构用材料的性能,常用等级：C15，C20， C25，C30， C35， C40，C45，C50， C55， C60，C65 ，C70， C75， C80（高强度砼）,依此确定我国混凝土强度等级：,用标准制作方式制成的150mm150mm

3、150mm的立方体试块，在203的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度。,fcuk=f -1.645f,2.1.1 混凝土的强度1. 抗压强度, 立方体抗压强度 fcu,k,第2章 混凝土结构用材料的性能,影响立方体抗压强度的因素：内因：如强度与水泥标号、骨料品种、配合比等外因：试验方法（套箍）、加荷速率、龄期、温度、湿度、试件尺寸。,尺寸的影响：fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200),“套箍”作用,不涂润滑剂,涂润滑剂,第2章 混凝土结构用材料的性能,真实反映以受压为主的混凝土

4、结构构件的抗压强度。,150mm150mm300mm 或150mm150mm450mm棱柱体,用立方体强度反映：, 轴心抗压强度 fck（棱柱体抗压强度）,混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度5%10%。,直接测试方法（拉伸）,间接测试方法(弯折，劈裂),2. 轴心抗拉强度 ftk（抗裂度验算指标）,第2章 混凝土结构用材料的性能,试件尺寸100mm100mm500mm的柱体，两端各埋入一根d=16mm的变形钢筋，埋深为150mm，置于轴线上。用试验机夹头夹住两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。,直接受拉试验,第2章 混凝土

5、结构用材料的性能,普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）采用边长为150mm的立方体标准试件，劈裂抗拉强度为：,劈裂抗拉试验,第2章 混凝土结构用材料的性能,圆柱形, 混凝土的双向受力强度,1、2 （压压） 强度增加,1、2 （拉压） 强度降低,1、2 （拉拉）强度基本不变,3. 混凝土在复合应力作用下的强度,双轴受力试验一般采用正方形试件，试验时沿板平面内的两对应边分别作用法向应力1和 2，沿板厚方向的法向应力 3=0，板处于平面应力状态。,(由于同时拉压时，增加了试件另一方向的受拉变形，加速了内部微裂缝的发展，使混凝土强度降低。),第2章 混凝土结构用材料的性能,0

6、,第2章 混凝土结构用材料的性能,双轴受力强度, 混凝土在法向应力和切应力作用下的复合强度,第2章 混凝土结构用材料的性能,拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；压-剪：当 时，抗剪强度随压应力提高而增大； 当 时，内部裂缝增加， 抗剪抗压强度均降低。, 混凝土的三向受压强度,工程应用：约束混凝土,钢管砼,密配螺旋箍筋,三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高。,第2章 混凝土结构用材料的性能,第2章 混凝土结构用材料的性能,2.1.2 混凝土的变形,混凝土的变形分为两类：混凝土的受力变形和非受力变形,一. 混凝土的受力变形,1. 受压混凝土一次短期加荷的- 曲线,试件：棱柱体,0,fcs,

7、u,(0.30.4)fcs,0.8fcs,曲线ab段：表现出越来越明显的塑性，应力应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快。内部微裂缝有所发展，但处于稳定状态，故b点称为临界应力点，相应的应力相当于的条件屈服强度。,曲线bc段：应变增长速度进一步加快，应力应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。,0a段：a点相当于混凝土的弹性极限。,曲线cd段：下降段的存在表明受压破坏后的混凝土仍保持一定的承载能力，它主要是由滑移面上的摩擦咬合力和为裂缝所分割成的混凝土小柱体的残余强度所提供。,混凝土轴心受压时的应力应变关系,0,混凝土结构设计规范(GB50010)取cu=0.0033

8、。,峰值应变0随混凝土强度等级不同约在0.00150.0025之间变动，结构计算中一般取0=0.002。,fc,cu,0,比例极限,临界点,峰点,混凝土微裂缝发展示意,不同等级混凝土的延性：低的往往延性高于高等级混凝土。,不同等级混凝土的应力应变曲线,2.混凝土在重复荷载作用下的应力-应变曲线（1）在一次短期加卸载的-曲线,在一次短期加卸载的-曲线图,c=cp+cecp-塑性应变 ce-弹性应变,（2）混凝土在重复荷载作用下的应力一应变曲线,在多次重复加卸载的-曲线图,加卸载的应力应变关系渐近于一直线，残余应变不再增大，且与原点切线平行，试件并未破坏。,当加荷较大，经数次循环，应力应变也成为直

9、线，后由凸向应力轴变为凸向应变轴，塑性变形扩展而破坏。,混凝土的疲劳强度可定义为 ：构件混凝土在给定的重复荷载次数N作用下，所能耐受的最大应力值。各国对不同的结构的N取值是不一样，我国公路桥梁取N=200万次（铁路桥梁取N=300万次）的疲劳试验的结果作为疲劳强度，用符号 表示。,原点弹性模量,3.混凝土的弹性模量、变形模量,割线模量,切线模量,第2章 混凝土结构用材料的性能,（1）混凝土的弹性模量Ec测定,混凝土弹性模量Ec的测定方法(原点模量),第2章 混凝土结构用材料的性能,（2）变形模量,混凝土的弹塑性模量和变形模量,泊松比是指一次短期加载(受压)时试件的横向应变与纵向应变之比。,混凝

10、土的泊松比c :,混凝土的切变模量:,当压应力较小时，约为0.150.18；接近破坏时，可达0.5以上。规范取c =0.2。,c =0.2,第2章 混凝土结构用材料的性能,4. 受拉混凝土的变形,当拉应力0.5 ft *时，应力应变关系接近于直线；当约为0.8 ft*时，反映受拉时塑性变形的发展。 试件断裂时的极限拉应变一般取t=1.510-4 。,第2章 混凝土结构用材料的性能,5. 混凝土的徐变 荷载保持不变的情况下随时间而增长的变形。,第2章 混凝土结构用材料的性能,混凝土徐变产生的原因：,1. 是混凝土中的水泥凝胶体在荷载作用下产生粘性流动，并逐渐转给骨料颗粒，使骨料压应力增大，试件变

11、形也随之增大；,2. 是混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也使徐变增大。,当应力不大时，徐变的发展以第一个原因为主；当应力较大时，则以第二个原因为主。,第2章 混凝土结构用材料的性能,混凝土的徐变对钢筋混凝土结构的影响：,有利于构件的应力重分布，减少应力集中现象及减少温度应力等。,有利影响,不利影响,总之，弊多利少，应尽量减少徐变。,第2章 混凝土结构用材料的性能,使构件变形增大；在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；在预应力构件中，使预应力发生损失；在超静定结构中，使内力发生重分布。,水灰比愈大，水泥水化后残余的游离水愈多，徐变也愈大；,1) 材料组成,影响徐变的因素

12、：,养护环境湿度愈大，温度愈高，则水泥水化作用愈充分，徐变就愈小。,2) 外部环境,第2章 混凝土结构用材料的性能,骨料愈坚硬，弹性模量愈大以及骨料所占体积比愈大，徐变也愈小。,水泥用量愈多，凝胶体在混凝土中所占比重也愈大，徐变也愈大；,混凝土中水分的挥发逸散与构件的体积与表面积之比有关，构件尺寸愈大，表面积相对愈小，徐变就愈小。,当0.5fc时，徐变与应力成正比，为线性徐变。,3) 应力大小,当=(0.50.8)fc时，徐变的增长速度比应力的增长速度快，为非线性徐变。,当0.8fc时，混凝土内部的微裂缝进入非稳态发展，导致混凝土破坏。取=0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。初应力越大，徐变也

13、越大。,第2章 混凝土结构用材料的性能,加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。,为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载.,4) 龄期影响,第2章 混凝土结构用材料的性能,二. 混凝土的非受力变形, 混凝土的收缩与膨胀 混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象称为膨胀 。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。,混凝土的收缩,第2章 混凝土结构用材料的性能,影响混凝土收缩的因素,水泥用量越多、水灰比越大，收缩就越大。 骨料的级配好、弹性模量高，可减小混凝土的收缩。 高温蒸养，收缩减少； 相对湿度越低，收缩就越大。 水泥品种、混凝土的密实度、构件的体表比等都会对混凝土的收缩有影响

14、。,收缩和膨胀是在混凝土不受力的情况下而产生的变形，一般来说，收缩值比膨胀值大得多。混凝土的膨胀特性对混凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑。,第2章 混凝土结构用材料的性能,梁板或其他构件，由于养护不好，在使用前就可能因混凝土收缩而产生裂缝；,收缩的不利影响,第2章 混凝土结构用材料的性能,大面积的混凝土地面或楼面，在施工后就可能因混凝土的收缩而产生裂缝；,收缩也对超静定结构（如拱）产生不利的内力，导致钢筋混凝土结构出现过大裂缝，造成不利影响;,在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩会导致预应力的损失;, 混凝土的温度变形 当温度变化时，混凝土也随之热胀冷缩。温度变形也是混凝土在非荷载状态下，产

15、生内力的一个重要因素。混凝土的线膨胀系数随骨料性质及配合比而变化，约为(11.5)10-5，一般取1.010-5。,温度的变化与水泥种类、水泥含量、新拌混凝土的温度、混凝土硬化速度、构件尺寸等因素有关。,影响温度变化的因素,第2章 混凝土结构用材料的性能,混凝土与钢筋线膨胀系数是相近的。温度变化时，在混凝土和钢筋之间引起的内应力很小，不致产生相对的变形。,温度变形的影响：,水泥在水化作用时排出的热量导致构件内部的温度上升，构件表面由于便于散热而温度相对较低。构件内外的这种温差就会引起应力，从而导致表层混凝土开裂。,大体积混凝土结构以及水池、烟囱等结构由温度变化引起的温度应力必须予以考虑。,第2章 混凝土结构用材料的性能,2.1.3 混凝土的选用原则,第2章 混凝土结构用材料的性能,素混凝土结构强度等级不应低于C15，钢筋混凝土结构混凝土等级不应低于C20；采用400MPa级钢筋时混凝土强度等级不应低于C25；采用500MPa级钢筋时混凝土强度等级不应低于C30。承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。,