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1、第二章 混凝土结构的材料力学性能 2.1混凝土 一、概述混凝土是由水、水泥、砂子和石子按一定的比例搅拌在一起，经凝结和硬化形成的人工石材。混凝土在凝结和硬化过程中，水泥和水进行水化反应生成水泥结晶体和水泥凝胶体。它两者和未水化的水泥颗粒和凝胶孔形成水泥胶块称为水泥石的水泥胶块。水泥胶块和砂子形成水泥砂浆结构，水泥砂浆和石子形成砂浆和粗骨料两组分体系。混凝土的组成结构分为三种类型： 微观结构即水泥石结构； 亚微观结构即水泥砂浆结构； 宏观结构即砂浆和粗骨料两组分体系。混凝土内部结构的力学性能为：水泥结晶体和骨料组成弹性骨架，承受荷载，并具有弹性变形的能力；水泥凝胶体需要较长时间才能完成硬化，故水
2、泥凝胶体调整和扩散混凝土的应力，使混凝土具有塑性表形的能力。 图21混凝土内部微裂缝发展过程由于混凝土在浇注时的泌水作用而引起沉缩，以及硬化过程中水泥浆的化学收缩（凝缩）和物理收缩（干缩多余水分蒸发）受到骨料的限制，因而在水泥胶块和石子或砂浆的不同结合界面形成不规则的微裂缝。在荷载作用下，这种微裂缝往往是引起混凝土破坏的主要根源。如图21所示。二、混凝土的强度混凝土的强度是指混凝土能承受的某种极限应力。 （一）、单向受力状态1.立方体抗压强度 规范规定的标准条件为：试件的标准尺寸为150 150 150mm3立方体，标准养护条件为203，相对湿度大于等于90，养护龄期为28d，加载速度为0.3
3、0.5兆帕/s。立方体抗压强度就是指在标准条件下，按标准试验方法中心加压到破坏时所得的具有95的保证率的抗压强度，用 表示。规范根据立方体抗压强度把混凝土分为14个等级：（C7.5、C10）C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、 C55、 C60、C65、C70、C75、C80。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30kN/mm2。其中，C50C80为高强混凝土。影响立方体抗压强度的因素有：1)试验方法；如图222）试件尺寸；当立方体的尺寸为200mm时，换算系数为1.05；当立方体为100mm时，换算系数为0.95。3）加载速度；4）龄期；5）使用条件；如图2-3
4、6）内部条件；图22混凝土立方体试块的破坏情况(a)没有涂润滑剂 (b)没有涂润滑剂实际破坏形式图23混凝土立方体强度随龄期的变化1.在潮湿的环境；2.在干燥的环境2轴心抗压强度试验表明，在试件上下表面不涂润滑剂测得的抗压强度随试件高度的增加，抗压强度降低。因此，确定试件的尺寸时，应具有一定的高度，使试件中间区域不致受摩擦力的影响而形成纯压状态；同时高度也不能取得太高，避免试件破坏时，产生较大的附加偏心而降低其抗压强度。当高宽比h/b大于3时，强度下降不大。当高宽比h/b=23时，其强度值趋于稳定。 换算关系3混凝土的抗拉强度图25直接轴心受拉的试验方法图26混凝土劈裂试验示意图a)圆柱体试件
5、b)立方体试件（二）、双向受力状态（平面应力状态）1）在双向受拉应力作用下，两者影响不大与单向拉应力作用下强度几乎相同接近于正方形。2）在双向压应力作用下，一方向的抗压强度随另一方向压应力的增加而增加。这是因为一个方向的压应力会对另一个方向的压应力所引起的侧向变形形成一定程度的约束，限制内部微裂缝的发展，从而提高强度，最多可以提高27。3）拉压应力组合情况下，混凝土的强度随着压应力增加而减小。这是因为拉应力会加大另一方向压应力所引起的侧向变形，加速内部微裂缝的发展使受压强度降低。 剪压或剪拉平面应力状态当法向应力为压应力时，抗剪强度随着压应力的增大而增大，当压应力在0.50.7之间即在0.6时
6、，抗剪强度达到最大值；当压应力再增大时，由于内部微裂缝的发展抗剪强度反而减小；当压应力达到轴心抗压强度时，抗剪强度为0。当法向应力为拉应力时，随着拉应力的增加抗剪强度降低。 剪压或剪拉平面应力状态试验对混凝土空心薄壁圆柱体先施加纵向压力（拉力）然后施加扭矩直到破坏，或者采取如图2-9试件。 图2-9剪压或剪拉试件 （三）、三向受力状态（空间应力状态） 三向受力状态应用 图211三向受力状态应用混凝土的变形 体积变形 ：收缩变形、温度变形、湿度变形等；它们一般通过构造措施来保证，所以一般不作讨论 。受力变形：短期加荷变形、长期加荷变形、重复加荷变形以及反复荷载作用下的变形等。本章的重点 （一）、
7、混凝土短期加荷变形 作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段横向变形受拉时的应力应变曲线 2.变形模量 混凝土的弹性模量原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量变形模量图混凝土的剪切模量为混凝土的剪切模量为3.应力应变曲线的数学模型 u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc美国Hognestad模型u=0.00350=0.002ocfcc德国Rsch模型单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范u0ocfcc图215应力应变曲线的数学模型 （二）、混凝土在重复荷载下的变形 图216单次加卸合作作用下的变形重复荷载图217重复荷载作用下
8、的变形表214见课本316页附录2 附表2-4等应变加载当采取等应变加载时，多次重复荷载作用下的应力应变曲线（如图2-18所示）的外包线与棱柱体抗压强度时的应力应变曲线相同。 （三）、混凝土在长期荷载下的变形徐变（creep）徐变与应力大小的关系P0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)creeecrc0.8fc，非线性徐变c0.5fc，线性徐变原因之一，胶凝体的粘性流动原因之一，胶凝体的粘性流动原因之二，混凝土内部微裂缝的不断原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展发展徐变的原因影响徐变大小的因素：1）初始应力的大小；随着初始应力的大小不同，发生线性徐变和非线
9、性徐变。2）混凝土的组成和配比；水泥用量越大则徐变越大；骨料级配越好骨料的刚度越大则徐变越小。3）养护条件；蒸汽养护时，强度增加快，因而徐变小。4）使用条件；在高温、干燥条件下徐变比较大。5）构件的体表比（构件的形状尺寸）；体表比越大则徐变越小。徐变的因素及对结构的影响徐变对结构的影响：1）变形增大；如长期荷载作用下受弯构件的挠度由于受压区混凝土的徐变可增大一倍，这主要是长期荷载作用下刚度变小的结果。2）钢筋混凝土构件截面应力重分布；由于钢筋和混凝土共同工作、共同变形，混凝土的徐变会使钢筋应力增大混凝土应力减小，这样产生了应力重分布。3）预应力的损失；在预应力混凝土构件中，混凝土处于受压状态徐
10、变作用使钢筋变短，因而引起预应力的损失。（四）、混凝土的收缩变形和膨胀（contract shrinkage） 影响收缩的因素收缩对结构的影响： 1）当收缩是自由收缩时，只能引起体积缩小； 2）当收缩受到约束时，混凝土会产生拉应力甚至开裂； 3）引起预应力的损失。影响收缩大小的因素：1）混凝土的配比；水泥的强度等级越高制成的混凝土收缩越大；水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。骨料的弹性模量越大，收缩越小2）养护条件；当采用蒸汽养护时，收缩值比常温时小。 3）使用条件；在结硬过程中周围湿度越大，收缩越小。4）构件的体表比；构件的体表比越大收缩越小。5）混凝土的制作方法。混凝土越振捣密实，收缩越小。 四、混凝土的选用 混凝土的选用1.普通混凝土结构混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB235级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20；2预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。
