混凝土结构材料的物理性能ppt课件

1、第2章混凝土构造资料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能一.混凝土的组成构造1.组成：混凝土=水泥+细骨料砂+粗骨料碎石或鹅卵石+水+外加剂2.根本力学性质：1弹塑性、各向异性2水泥+细骨料+水 凝胶体塑性3粗骨料弹性普通砼是由水泥、砂、石用水拌和硬化后构成的普通砼是由水泥、砂、石用水拌和硬化后构成的人工石材。人工石材。通常把混凝土的构造分为三种类型：通常把混凝土的构造分为三种类型：. .微观构造：也即水泥石构造，包括水泥凝胶、微观构造：也即水泥石构造，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。晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。. .亚微观构造：即混凝土中的水泥砂浆构

2、造。亚微观构造：即混凝土中的水泥砂浆构造。. .宏观构造：即砂浆和粗骨料两组分体系。宏观构造：即砂浆和粗骨料两组分体系。砂浆与粗骨料的界面是结合的薄弱面砂浆与粗骨料的界面是结合的薄弱面几个重要的概念：界面裂痕 弹性骨架 塑性变形 水泥石砂与碎石界面 水泥晶体、未熟化水泥颗粒及砂石 凝胶孔、裂痕凝胶 接受外力及产生弹性变形 产生塑性变形二.单轴向应力形状下的混凝土强度 混凝土构件普通处于多轴向应力形状下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力形状下的混凝土强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必需分别讨论。1.混凝土的抗压强度1混凝土的立方体抗压强度和强度等级A. 立方体抗压强度的物理

3、意义：混凝土强度的 根本目的和评定混凝土强度等级的规范B.确定混凝土立方体抗压强度的规范方法 a.规范试件：150mm 150mm150mm的立方体； 边长为100mm，乘0.95尺寸效应系数，边长为200mm，乘1.05尺寸效应系数。 b.规范制造条件：在温度203C和相对湿 度90%以上的环境下，养护28天； c.规范实验方法：试件外表不涂光滑剂、均匀加载 和匀速加“静载；加载速度 0.30.8N/mm2/s d.单位：N/mm。C.强度等级 a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度； b.数值确定：具有95%的保证率； c.工程符号： N/mm ，简写方式为C ； d .“规范的等级范围

4、：C15C80，共14级； e.运用范围：C15C45为普通混凝土，适用于普通的 混凝土构造； C50C80为高强混凝土，适用于预应力 混凝土构件。 k ,cuf D.实验方法对立方体抗压强度的影响 a.试件外表能否涂光滑剂：不涂时强度高；涂后强度低，其主要缘由是由于“套箍作用；且破坏形状不一样见图2-1； b.加载速度：速度快强度高，速度慢强度低2混凝土的轴心抗压强度A.确定混凝土轴心抗压强度的规范方法 a. 规范试件： 150mm 150mm300mm的棱柱体； b. 其他同混凝土立方体抗压强度的规范方法； c. 工程符号： N/mm ，ckf见图2-1150mm150mm150mmB.关

5、于 的讨论 a.高宽比：随着高宽比的添加， 会降低，但高宽比为3时，会稳定； b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：1轴心抗压强度与立方体抗压强度比值2高强混凝土脆性折减系数0.88阅历折减系数 c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。ckfckfk ,cu21ckf88. 0f2-12.混凝土的轴心抗拉强度1确定方法：轴心受拉实验和劈裂实验；2由图2-6可知，混凝土轴心抗拉强度约为 立方体抗压强度的1/171/8；3在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混 凝土构造普通带裂痕任务，混凝土轴心 抗拉强度不起决议作用。t kf劈拉实验FaF22aFfsp混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心

6、受拉的实验方法混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的实验方法来测定，但由于实验比较困难，目前国内外主要采用圆柱来测定，但由于实验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂实验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。体或立方体的劈裂实验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。拉压压三.复合应力形状下混凝土的强度 1.关于双向应力形状下的强度变化规律 根据图2-7和图2-8可得到如下根本结论： 1双向受压时，混凝土抗压强度大于单向； 2双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向； 3一向受压和一向受拉时，其抗拉抗压强度 均低于相应的单向强度； 4由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向； 5由于压应力的存在，

7、混凝土抗剪强度有限添加。 图2-7当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力和正应力s 共同作用下的复合受力情况。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随压应力增大而增大当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度到达最大，左右时，抗剪强度到达

8、最大，压应力继续增大，那么由于内裂痕开展明显，抗剪强度将随压应力的增大而压应力继续增大，那么由于内裂痕开展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。减小。图2-82.关于三向受压形状下的强度变化规律 结论：三向受压形状下的混凝土抗压强度大 于双向和单向。3.关于实践工程运用 1目前“规范尚无定量计算公式； 2实践工程中均采用单向强度，但要思索 复合应力情况，从构造上加以调整。四.混凝土的变形 变形的分类：受力变形荷载产生的； 体积变形收缩、温差即湿差产生的。1.一次短期加载下混凝土的变形性能1混凝土受压时的应力-应变关系 实践实验曲线如图2-9和图2-10，其规律为： a.应力-应变关系为曲线，上

9、升段中仅有一小段直线； b.应力峰值对应的应变约为0.002根本与等级无关； c.混凝土强度高时其延性越差。02468102030s(MPa)e 10-3混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等缘由，在骨料和水泥石缘由，在骨料和水泥石的界面上构成很多微裂的界面上构成很多微裂痕，成为混凝土中的薄痕，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂破坏就是由于这些微裂痕的开展呵斥的。痕的开展呵斥的。02468102030s(MPa)e 10-3AA点以前，微裂痕没有点以前，微裂痕没有明显开展

10、，混凝土的变明显开展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的点应力随混凝土强度的提高而添加，对普通强提高而添加，对普通强度混凝土约为度混凝土约为 (0.30.4)fc ，对高强混，对高强混凝土可达凝土可达(0.50.7)fc。 A点为比例极限。点为比例极限。02468102030s(MPa)e 10-3A点以后，由于微裂痕点以后，由于微裂痕处的应力集中，裂痕开处的应力集中，裂痕开场有所延伸开展，产生场有所延伸开展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长开场加快，应力长开场加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐

11、渐偏离直线。微裂痕的开展导致混凝微裂痕的开展导致混凝土的横向变形添加。但土的横向变形添加。但该阶段微裂痕的开展是该阶段微裂痕的开展是稳定的。稳定的。AB02468102030s(MPa)e 10-3到达到达B点，内部一些微裂点，内部一些微裂痕相互连通，裂痕开展已痕相互连通，裂痕开展已不稳定，横向变形忽然增不稳定，横向变形忽然增大，体积应变开场由紧缩大，体积应变开场由紧缩转为添加。在此应力的长转为添加。在此应力的长期作用下，裂痕会继续开期作用下，裂痕会继续开展最终导致破坏。取展最终导致破坏。取B点点的应力作为混凝土的长期的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝抗压强度。普通强度混凝土土sB约

12、为约为0.8fc，高强强度，高强强度混凝土混凝土sB可达可达0.95fc以上。以上。BA02468102030s(MPa)e 10-3CBA到达峰值到达峰值C点，点， C点对点对应的应力为应的应力为fc，内部微，内部微裂痕连通构成破坏面，裂痕连通构成破坏面，应变增长速度明显加快，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为点的纵向应变值称为峰值应变峰值应变 e 0，约为，约为0.002。02468102030s(MPa)e 10-3CBAD纵向应变开展到达纵向应变开展到达D点，点，内部裂痕在试件外表出内部裂痕在试件外表出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的纵向裂痕。力方向的纵向裂痕。

13、 D点为反弯点。点为反弯点。 D点对应点对应的应变为的应变为cue02468102030s(MPa)e 10-3CBADE随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不延续的纵继出现多条不延续的纵向裂痕，横向变形急剧向裂痕，横向变形急剧开展，承载力明显下降，开展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂痕结不断遭到破坏，裂痕连通构成斜向破坏面。连通构成斜向破坏面。02468102030s(MPa)e 10-3CBADEE点为此段曲线中曲点为此段曲线中曲率最大的一点，也叫率最大的一点，也叫收敛点。收敛点。EF段为收段为收敛段，这时贯穿的主敛段，这时贯穿的主

14、裂痕已很宽，内聚力裂痕已很宽，内聚力几乎耗尽，对无侧向几乎耗尽，对无侧向约束的砼，约束的砼， EF段已段已失去构造意义。失去构造意义。F2混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型A.美国E.Hognestad模型上升段为二次抛物线，下降 段为斜直线用于美国ACI规范；图2-11B.德国Rsch 模型上升段为二次抛物线，下降段采 用程度线被欧盟和中国国家规范参考。图2-123三向受压形状下混凝土的变形特点A.变形特点：侧压力约大，变形才干约好强度也高；B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。 参见图2-13和图2-14。uuccffeeeeeeeseeeeees0000200 15. 010

15、2美国E.Hognestad模型00.0020.0038 fc0.15 fcsee0eu上升段：)1 (1 0ncccfees0ee下降段：ccfs0cueee,50,5,12(50)600.0020.5(50) 100.0033(50) 10cu kcu kcucu knfffee00.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20se4混凝土的变形摸量 由于混凝土的弹塑性性质，其模量是一个变数，通常有三种表示方法。A.弹性模量切线模量：经过反复加载的方 式确定；可参见图2-21bB.变形模量割线模量：参见图2-15；C.切线模量：对应力-应变曲线求

16、导数确定；D.阅历公式法：即式2-13。5混凝土轴向受拉时的应力-应变关系se0.5fc510 次)N/mm(74.342 . 21025cucfE留意：砼不是弹性留意：砼不是弹性资料，不能用知的资料，不能用知的砼应变乘以规范中砼应变乘以规范中的弹性模量值求其的弹性模量值求其应力。当其应力很应力。当其应力很低时，弹性模量与低时，弹性模量与变形模量值才近似变形模量值才近似相等。相等。2-134 4混凝土的变形模量混凝土的变形模量弹性模量弹性模量0tgEc变形模量变形模量1tgEc切线模量切线模量tgEc 5 5混凝土轴向受拉时的应力混凝土轴向受拉时的应力-应变关系应变关系 曲线外形与受压时类似曲

17、线外形与受压时类似, ,具有上升段和下具有上升段和下降段。实验测试阐明降段。实验测试阐明, ,曲线下降段的坡度随砼曲线下降段的坡度随砼强度的提高而更峻峭。受拉弹性模量与受压强度的提高而更峻峭。受拉弹性模量与受压弹性模量值根本一样。弹性模量值根本一样。2.荷载长期作用下混凝土的变形性能1徐变：在长期不变的荷载作用下，构造或构件产生的应变或变形；如图2-17；2线性徐变：随时间可以稳定不在开展的徐变；3非线性徐变：随时间不能稳定的徐变；4影响徐变的要素：A.坚持的应力荷载大小：应力大时，徐变大；B.加载时的龄期：龄期早，徐变大；C.其它：水泥用量、水灰比、骨料、温度以及湿度。应力要素：应力要素：在

18、应力不大的情况下，混凝土凝结硬化后在应力不大的情况下，混凝土凝结硬化后 ,骨料之间的水泥骨料之间的水泥浆浆 , 一部分变为完全弹性结晶体，另一部分是充填在晶体间一部分变为完全弹性结晶体，另一部分是充填在晶体间的凝胶体，它有黏性流动的性质。当施加荷载时的凝胶体，它有黏性流动的性质。当施加荷载时 , 在加载的在加载的瞬间结晶体与凝胶体共同接受荷载。瞬间结晶体与凝胶体共同接受荷载。 随着时间的推移随着时间的推移 , 凝胶凝胶体由于黏性流动而逐渐卸载体由于黏性流动而逐渐卸载 , 此时晶体接受更多的外力并产此时晶体接受更多的外力并产生弹性变形。在这个过程中生弹性变形。在这个过程中 , 从水泥凝胶体向水泥

19、结晶体应从水泥凝胶体向水泥结晶体应力重分布力重分布 , 从而使混凝土徐变变形添加。从而使混凝土徐变变形添加。在应力较大的情况下在应力较大的情况下 , 混凝土内部微裂痕在荷载长期作用下混凝土内部微裂痕在荷载长期作用下不断开展和添加不断开展和添加 , 也将导致混凝土变形的添加。也将导致混凝土变形的添加。5徐变对构造的影响A.使构造产生应力重分布；B.使预应力产生损失。3.混凝土在荷载反复作用下的变形疲劳变形1疲劳破坏：荷载反复作用引起的破坏；2疲劳强度：荷载反复作用下使应力应变 曲线一直坚持密合直线的最 大应力值；见图2-21；4.混凝土的收缩与膨胀参见P.20-21混凝土变形引见本小结终了。下一

20、节 第二章 钢筋和混凝土的资料性能2.1 混凝土 在应力在应力0.5fc作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel。 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个月徐变增个月徐变增长较快，长较快，6个月可达最终徐变的个月可达最终徐变的7080%，以后增长逐渐，以后增长逐渐缓慢，缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。2.1 混凝土的物理力学性能如在时间如在时间t 卸载，那么会产生瞬时弹性恢复应变卸载，那么会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载

21、时的瞬时小于加载时的瞬时弹性应变弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢可以恢复，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变ecr2.2钢筋的物理力学性能一.钢筋的种类和级别1.钢筋的分类1根据化学成分：A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点 是随着含碳量的添加，强度提高，脆性添加；B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性， 参与少量合金元素。钢筋的种类及选用钢筋的种类及选用强度高，塑性低强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高，粘结性好强度高强度高预应力钢筋预应力钢筋钢筋

22、钢筋热轧钢筋热轧钢筋钢钢 丝丝钢绞线钢绞线热处置钢筋热处置钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋非预应力钢筋强度强度塑性塑性弱弱强强高高低低2根据消费工艺：A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型如碳素 钢和普通低合金；B.热处置钢：将热轧钢经过调质加热、淬火 和回火，主要是提高强度，而 降低塑性不多；C.冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进展 冷拉或冷拔。 3根据钢筋外型：见图2-23A.柔性钢筋：普通钢筋; a.光圆钢筋：外表是光滑的； b.变形钢筋：外表有肋如月牙肋等； c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋

23、；小于或 等于4mm称为钢丝。B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。4根据力学特性：A.软钢：有明显屈服台阶；见图2-24B.硬钢：无屈服台阶；见图2-25Fig. 我国常见钢筋外形我国常见钢筋外形普通钢筋强度标准值（N/mm2）种 类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)4002.钢筋的级别1分级原那么：力学特性；2详细分级：级钢，HPB235，强度规范 值为235 N/mm ； 级钢，HRB335，强度规范 值为335 N/mm ； 级钢，HRB400，强度规范

24、 值为400 N/mm ；3.关于冷加工钢筋1冷拉A.加工方法：在常温下将钢筋拉伸至屈服，然 后卸载；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时， 其屈服强度将增大，但塑性降低；C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时间 后，屈服强度添加的景象。2冷拔A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其本身直 径还小的硬质合金拔丝模拉伸至 屈服；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或压 缩时，其屈服强度将增大，但塑 性降低。二.钢筋的强度与变形1.钢筋屈服强度的取值:(屈服强度：是钢筋强度的设计根据，由于钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的

25、裂痕。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，普通取屈服下限作为屈服强度。1软钢：取其屈服下限；2硬钢：取其极限抗拉强度的85%；称为 条件屈服点3构造设计时，用钢筋的屈服强度进展计 算，其极限抗拉强度作为平安贮藏。2.钢筋的变形力学目的：伸长率和冷弯性s se e2.2.2 2.2.2 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋abcdefua为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段a0.2%s0.2 fua点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua点前：应力点前：

26、应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈有一定塑性变形，且没有明显的屈服点服点强度设计目的强度设计目的条件屈服点条件屈服点剩余应变为剩余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力取取s0.2 =0.85 fu两个目的：两个目的：延延 伸伸 率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的目的。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。性能的目的。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。0010or 5lll 屈屈 强强 比：反映钢筋的强度贮藏，

27、比：反映钢筋的强度贮藏，fy/fu=0.60.7。se残余变形er弹性变形ee三.钢筋应力-应变曲线的数学模型1.双直线完全弹塑性图2-26a，为我国采用；2.三折线完全弹塑性+硬化图2-26b；3.双斜线弹塑性图2-26c。四.钢筋的疲劳五.混凝土构造对钢筋性能的要求1.较高的强度；2.良好的塑性；3.良好的可焊性；4.较强的耐火性；5.钢筋与混凝土良好的粘结力。 有明显屈服点钢筋的应力-应变关系普通可采用双线性的理想弹塑性关系yyysfEeeseees fy ey1Es钢筋的弹性模量(N/mm2)种 类EsHPB235 级钢筋2.1105HRB335 级钢筋、HRB400 级钢筋、RRB4

28、00 级钢筋、热处理钢筋2.0105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05105钢绞线1.951052.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.1粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土构成整体、粘结和锚固是钢筋和混凝土构成整体、共同任务的根底。共同任务的根底。钢筋与混凝土之间粘结应力表示图钢筋与混凝土之间粘结应力表示图a锚固粘结应力锚固粘结应力 b裂痕间的部分粘结应力裂痕间的部分粘结应力2.3.2粘结力的构成粘结力的构成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：粘结作用主要由三部分组成：钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力胶结力。普通很小，仅在受力阶段的部分胶结力。普通很小，仅在受力阶段的部分无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消逝。该力即消逝。混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬协作用力咬合力。对于光圆钢筋，这械咬协作用力咬合力。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于外表的粗糙不平。种咬合力来自于外表的粗糙不平。变形钢筋和混凝土的机械咬协作用变形钢筋和混凝土的机械咬协作用2.3.3粘结强度