钢筋混泥土材料物理力学性能

1、第一章第一章 钢筋钢筋混凝土材料混凝土材料的物理力学的物理力学性能性能第一章第一章 钢筋混凝土材料的物理力学性能钢筋混凝土材料的物理力学性能第一节 混凝土的物理力学性能第二节 钢筋的物理力学性能第三节 钢筋与混凝土之间的粘结与锚固材料的力学性能钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结强强 度度变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理第一节 混凝土的物理力学性能混凝土材料混凝土材料混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。结和硬化形成的，属于复合材料。混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和

2、内部微裂缝组成的混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的混凝土的强度混凝土的强度1 1、混凝土强度等级、混凝土强度等级 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力学性能中最主要和最基本的指标。土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。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。 混凝土强度等级：混凝土强度等级：边长边长150mm150mm立方体立方体标准试件，在标准条件下（标准试件，在标准条件下（202033，90%90%湿度）养护湿度）养护2828天，用标准试验方法（加载速度天，用标

3、准试验方法（加载速度0.150.3N/mm0.150.3N/mm2 2/sec/sec，两端不涂润滑剂两端不涂润滑剂）测得的具有）测得的具有95%95%保证率的立方体保证率的立方体抗压强度，用符号抗压强度，用符号C C表示，表示，C30C30表示表示 f fcu,kcu,k=30N/mm=30N/mm2 2 规范规范根据强度范围，从根据强度范围，从C15C80C15C80共划分为共划分为1414个强度等级，级差为个强度等级，级差为5N/mm5N/mm2 2。与原。与原规范规范GBJ10-89GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由相比，混凝土强度等级范围由C60C60提高提高到到C80C80

4、，C50C50以上为高强混凝土。以上为高强混凝土。混凝土的强度混凝土的强度混凝土立方抗压强度混凝土立方抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度cufcftf立方体抗压强度的试验立方体抗压强度的试验尺寸效应尺寸效应及及摩擦力摩擦力的影响的影响立方体抗压强度的换算关系立方体抗压强度的换算关系立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）强度水平和品质的标准（制作、测试方便）100150

5、cucuff100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于小于C50的混凝土，修正系数的混凝土，修正系数 =0.95。随混凝土强度的。随混凝土强度的提高，修正系数提高，修正系数 值有所降低。当值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，时，换算系数换算系数 约为约为0.9200mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系，立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系，修正系数修正系数1.05。轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情

6、况。棱柱体试件高宽比一接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为般为h/b=23，我国通常取，我国通常取150mm150mm450mm的棱的棱柱体试件，也常用柱体试件，也常用150150300试件。试件。 棱柱体抗压强度的试验方法棱柱体抗压强度的试验方法立方抗压与轴心抗压强度的关系立方抗压与轴心抗压强度的关系规范规范对小于对小于C50C50级的混凝土取级的混凝土取k k=0.76=0.76，对，对C80C80取取k k=0.82=0.82，其间按线性插值。，其间按线性插值。cucfkf对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。

7、 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 500 150 15010016轴心受拉试验也是混凝土的基本力学性能，用符也是混凝土的基本力学性能，用符号号 f ft t 表示。表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。均与抗拉强度有关。拉压压劈拉试验aPP由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。混凝土的破坏机理混凝土的破坏机理A点以前，微裂缝没有明点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主显发展

8、，混凝土的变形主要弹性变形，应力应变要弹性变形，应力应变关系近似直线。关系近似直线。A点应力点应力随混凝土强度的提高而增随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土加，对普通强度混凝土s sA A约为约为 (0.30.4)fc ，对高强，对高强混凝土混凝土s sA A可达可达(0.50.7)fc 到达到达B点以后，混凝土产点以后，混凝土产生部分塑性变形，应力生部分塑性变形，应力应变逐渐偏离直线。应变逐渐偏离直线。B点点时的裂缝发展已不稳定，时的裂缝发展已不稳定，试件的横向变形突然增大，试件的横向变形突然增大，常取常取s sB B作为混凝土的长期作为混凝土的长期抗压强度抗压强度 ；普通强度混；普通

9、强度混凝土凝土s sB B约为约为0.8 fc ，高强，高强混凝土混凝土s sB B可达可达0.95 fc 到达到达C点时，内部微裂缝点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承连通形成破坏面，试件承载力开始减小而进入下降载力开始减小而进入下降段。段。B点时的应力称为点时的应力称为峰峰值应力值应力，即为混凝土棱柱，即为混凝土棱柱体抗压强度；相应的纵向体抗压强度；相应的纵向压应变称为压应变称为峰值应变，峰值应变，约约为为0.002。继续发展至。继续发展至D点点时，破坏面初步形成。时，破坏面初步形成。E点以后，纵向裂缝形成点以后，纵向裂缝形成一个斜向的破坏面，此破一个斜向的破坏面，此破坏面在正应力和剪应

10、力的坏面在正应力和剪应力的作用下形成作用下形成破坏带破坏带。此时。此时试件的强度由破坏面上试件的强度由破坏面上骨骨料间的摩阻力料间的摩阻力提供。随着提供。随着应变进一步发展，摩阻力应变进一步发展，摩阻力不断下降，试件的残余强不断下降，试件的残余强度约为度约为0.10.4 fc不同强度混凝土应力应变关系的比较不同强度混凝土应力应变关系的比较强度等级越高，线弹性段越长，峰强度等级越高，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，密实中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时

11、脆性越显著，往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。下降段越陡。混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量（Elastic Modulus）)N/mm(74.342 . 21025cucfEs0.5fc510 次弹性模量的测定方法弹性模量的测定方法混凝土的收缩和徐变混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩，混凝土在空气中硬化时体积会缩小，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。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象混凝土在长

12、期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。称为徐变。14d 28dtsh(25)10-425%50%混凝土的收缩是混凝土的收缩是随时间而增长的变形随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的可完成全部收缩的25%，一个月可完成，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4 ，而混凝土开裂应变为，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致说明收缩会导致开裂开裂。混凝土收缩包括混凝土

13、收缩包括凝缩凝缩和和干缩干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。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、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：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：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；干燥失水及高温环境，收缩大；

14、干燥失水及高温环境，收缩大；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；高强混凝土收缩大。高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。混凝土收缩的影响因素混凝土收缩的影响因素当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约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。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

15、力混凝土构件产生预应力损失。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 t0elelshcrelelcrt随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前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，个月徐变增长较快，6个月个月可达最终徐变的（可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。混凝土的徐变混凝土的徐变瞬时恢复瞬时恢复弹性后效弹性后效残余应变残余应变徐变应变徐变应变瞬时应变瞬时应变徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致

16、破坏。高应力作用下，甚至会导致破坏。徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。裂缝的出现。与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩

17、试件的变形，才可得的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。到徐变变形。徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大；也越大；混凝土加载龄期越长，徐变越小；混凝土加载龄期越长，徐变越小；水泥含量越大，徐变越大；水泥含量越大，徐变越大；骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；干燥失水及高温环境，徐变大；干燥失水及高温环境，徐变大；高强混凝土徐变小。高强混凝土徐变小。混凝土徐变的影响因素混凝土徐变的影响因素产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展产生徐变的主要原因是水泥凝胶

18、体和内部微裂缝的扩展 第二节 钢筋的物理力学性能钢筋的种类钢筋的种类热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线HPB235 （Hot Rolled Plain Steel Bar）热轧光面钢筋热轧光面钢筋Q235HRB335 （Hot Rolled Ribbed Steel Bar ） 热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋20MnSiHRB400 （ Hot Rolled Ribbed Steel Bar ）热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋20MnSiV, 20MnSiNb, 20MnTiRRB400 （Remained heat treatment Ribbed

19、 Steel Bar ）余热处理钢筋余热处理钢筋常用热轧钢筋的分类常用热轧钢筋的分类主要成分为主要成分为铁铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，力学性能主要与元素，力学性能主要与碳碳的含量有关：的含量有关：含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。若含碳量低于若含碳量低于0.250.25，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。多应用的是低碳钢。20MnSi 20MnSi 前面的前面的2020指的是平均含碳量的万分数，其他化学指的是平均含碳量的万分数，

20、其他化学元素的含量在元素的含量在1.5 1.5 以下。以下。热轧钢筋的成分热轧钢筋的成分HPB235：质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不宜用于结构中的受力钢筋；宜用于结构中的受力钢筋；HRB335：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是塑性均较好，是目前目前主要应用的钢筋品种之一；主要应用的钢筋品种之一；HRB400：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是塑性均较好，是今后今后主要应用的钢筋品种之一；主要应用的钢筋品种之一；R

21、RB400：是是HRB335钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降低，余热处理后塑性有所改善。低，余热处理后塑性有所改善。热轧钢筋的性能特点热轧钢筋的性能特点钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋无无明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋有明显屈服点钢筋的应力应变关系有明显屈服点钢筋的应力应变关系cdcd段为屈服台阶段为屈服台阶dfdf段为强化段段为强化段aa 比例极限比例极限 弹性极限弹性极限b 屈服上限屈服上限c 屈服下限屈服下限e 极限强度极限强度反映钢筋

22、力学性能的基本指标：反映钢筋力学性能的基本指标：、极限抗拉、极限抗拉长长和和对于有明显屈服点钢筋，其屈服强度定义为对于有明显屈服点钢筋，其屈服强度定义为屈服下限屈服下限。屈屈强比强比为为屈服屈服强度与强度与极限极限强度的比值，热轧钢筋通常在强度的比值，热轧钢筋通常在0.60.60.70.7之间。之间。钢筋在拉断时的应变称为钢筋在拉断时的应变称为伸长率伸长率，定义为：，定义为：olll010, 5为试件的标距0l冷弯性能是冷弯性能是反映钢筋变形能力的另一个指标反映钢筋变形能力的另一个指标无明显屈服点钢筋的应力应变关系无明显屈服点钢筋的应力应变关系条件屈服点为残余变形条件屈服点为残余变形为为0.20.2时对应的应力时对