第7章混凝土材料

1、7 混凝土结构材料的物理力学性能混凝土结构材料的物理力学性能【学【学 时时】 2 学时学时【本章教学目的和要求本章教学目的和要求 】1.了解钢筋和混凝土的力学性能；了解钢筋和混凝土的力学性能；2.掌握材料的抗拉强度、抗压强度和其它强度指标；掌握材料的抗拉强度、抗压强度和其它强度指标；3.掌握弹性模量、切变模量的概念以及钢材的塑性性能；掌握弹性模量、切变模量的概念以及钢材的塑性性能；4.掌握混凝土结构对钢筋性能的要求，混凝土与钢筋的粘结掌握混凝土结构对钢筋性能的要求，混凝土与钢筋的粘结【重点【重点】1.材料的抗拉强度、抗压强度；材料的抗拉强度、抗压强度；2.弹性模量、切变模量的概念以及钢材的塑性

2、性能。弹性模量、切变模量的概念以及钢材的塑性性能。3.混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求【难点难点】1.弹性模量、切变模量的概念；弹性模量、切变模量的概念；2.混凝土与钢筋的粘结。混凝土与钢筋的粘结。 时间安排时间安排:2学时学时 教学目的与要求：教学目的与要求：1.熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；用原则；2.熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；及其选用原则；3.了解钢筋与混凝土的共同工作原理。了解钢筋与混凝土的共同工作原理。 教学重点和难点教学重点和难点

3、 重点重点：1钢筋的应力应变全曲线特性及其数学模型，钢筋的塑性性能。钢筋的应力应变全曲线特性及其数学模型，钢筋的塑性性能。2混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度及相互间的关混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度及相互间的关系。系。3单轴向受压下混凝土的应力应变全曲线及其数学模型。单轴向受压下混凝土的应力应变全曲线及其数学模型。4混凝土弹性模量、变形模量的概念。混凝土弹性模量、变形模量的概念。5混凝土徐变的概念及其对结构的影响。混凝土徐变的概念及其对结构的影响。6粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布等概念。粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布等概念。7基本锚固长度的

4、计算以及保证可靠粘结的构造要求。基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。 难点难点：1粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布等概念。粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布等概念。2基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。 71单轴受力状态下混凝土的抗压强度单轴受力状态下混凝土的抗压强度组成及特点组成及特点主要材料主要材料：水泥、水、砂、石：水泥、水、砂、石特点特点: :1 1）水化过程长，性能要很长时间才稳定）水化过程长，性能要很长时间才稳定2 2）水泥石收缩可形成）水泥石收缩可形成微裂缝微裂缝；3 3）受制作、养护、使用条件影响大

5、。）受制作、养护、使用条件影响大。 骨料骨料 水泥结晶体水泥结晶体 弹性变形的基础弹性变形的基础 水泥凝胶体水泥凝胶体 塑性变形的基础塑性变形的基础 普通混凝土力学性能试验方法标准普通混凝土力学性能试验方法标准规定规定：1）标准尺寸：标准尺寸：150mm150mm150mm150mm150mm150mm2 2）养护条件：）养护条件：202033，湿度，湿度90%90%；养护；养护28d28d3 3）加荷方法：加荷速度）加荷方法：加荷速度0.150.150.25MPa/s0.25MPa/s，垫板不，垫板不涂油或垫橡胶板。涂油或垫橡胶板。4 4）强度保证率：）强度保证率：95%95%（1 1）立方

6、体抗压强度）立方体抗压强度f fcu cu1. 混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度立方体抗压强度立方体抗压强度f fcucu承压板试块摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂我国规范的方法：不涂润滑剂压力压力试件试件裂缝裂缝发展发展扩张扩张整个体整个体系解体，丧失承载力系解体，丧失承载力另影响强度的因素另影响强度的因素还有：龄期、加载速还有：龄期、加载速率、试块尺寸等率、试块尺寸等标准试块标准试块：150150 150非标准试块非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标

7、，我国规范混凝土的强度等立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：级有：14个等级个等级C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝表示混凝土土Concrete立方体抗立方体抗压强度压强度（2）混凝土的轴心抗压强度）混凝土的轴心抗压强度fc （棱柱体抗压强度（棱柱体抗压强度）承压板试块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱

8、柱体抗压强度，且有：于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果)考虑到构件和试件的区别，取考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有），有fc=0.79fcu 圆柱体抗压强度直接受拉试验ft100100150150500试验结果：试验结果：ft=0.26fcu 2/3考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取的影响，取ft=0.23fcu 2/32. 混凝土的轴心抗拉强度混凝土的

9、轴心抗拉强度劈裂试验劈裂试验ftsdlFfts2ddftsFFFF我国根据我国根据100mm立方体的立方体的劈裂与抗压试验结果有：劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu 3/41.一次短期加载下混凝土的变形性能一次短期加载下混凝土的变形性能混凝土的变形混凝土的变形受力变形受力变形体积变形体积变形一次短期加载一次短期加载长期荷载作用长期荷载作用多次重复荷载作用多次重复荷载作用v 混凝土受压时的应力应变关系混凝土受压时的应力应变关系7.1.3 混凝土的变形混凝土的变形CDCD下降段下降段不同强度的混凝土的不同强度的混凝土的应力应力- -应变图应变图高强混凝土：高强混凝土： ， 0cu 定义：

10、在荷载保持不变的情况下，变形随时间继续增大的现定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间继续增大的现象。象。 特点：早期发展快，但可以延续数年。特点：早期发展快，但可以延续数年。 影响因素：加载时的混凝土龄期；影响因素：加载时的混凝土龄期； 持续压力大小；持续压力大小； 混凝土的组成材料及配合比；混凝土的组成材料及配合比； 混凝土的制作养护条件。混凝土的制作养护条件。v 徐变徐变2.2.长期荷载作用下混凝土的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变影向徐变的因素可归为四个方面：影向徐变的因素可归为四个方面：1.内在因素：内在因素： 2.环境因素：环境因素： 3.应力条件：应力条件： 4.

11、时间因素：时间因素： 混凝土的组成成分和配比混凝土的组成成分和配比。 主要指混凝土的养护条件及使用条件下的主要指混凝土的养护条件及使用条件下的 温、温、湿度。养护温度高，湿度大，水泥水化充分，湿度。养护温度高，湿度大，水泥水化充分，徐变减小。徐变减小。 试验表明，混凝土徐变与混凝土应力大小密切试验表明，混凝土徐变与混凝土应力大小密切相关。混凝土的应越大，徐变就越大。随着混相关。混凝土的应越大，徐变就越大。随着混凝土应力的增加，徐变将发生不同的情况凝土应力的增加，徐变将发生不同的情况加荷龄期越早，徐变越大加荷龄期越早，徐变越大 徐变对结构的影响：徐变对结构的影响：使构件变形增大；使构件变形增大；

12、在轴压构件中，使钢筋应力增加，在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；混凝土应力减小；在预应力构件中，使预应力发生损失；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。在超静定结构中，使内力发生重分布。 1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明 钢筋的外形钢筋的外形 热轧钢筋热轧钢筋1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明 预应力钢筋预应力钢筋1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HPB235 生产工艺：生产工艺： hot rolled 表面形状：表面形状：plain 钢筋：钢筋：bar 屈服强度屈服强度1

13、 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明热轧钢筋的热轧钢筋的屈服强度屈服强度种类符号fyf y热轧钢筋热轧钢筋HPB 235(Q235)210210HRB 335(20MnSi)300300HRB 400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB 400(K20MnSi) R3603601 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明预应力钢筋的预应力钢筋的屈服强度屈服强度种类符号fptkfpyfpy钢绞线钢绞线13S18601320390172012201570111017186013203901720 1220消除应力钢丝消除应力钢丝光面螺旋肋光面螺旋肋PH

14、177012504101670118015701110刻痕刻痕处理钢筋热处理钢筋40Si2MnHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr2 2 软钢的软钢的应力应力应变曲线应变曲线 a 比例极限比例极限b 弹性极限弹性极限ob 弹性阶段弹性阶段d 极限抗拉强度极限抗拉强度bc 屈服阶段屈服阶段cd 强化阶段强化阶段de 破坏阶段破坏阶段e 极限应变极限应变3 3 硬钢的硬钢的应力应力应变曲线应变曲线 d 极限抗拉强度极限抗拉强度e 极限应变极限应变 条件屈服强度：条件屈服强度： 取残余应变为取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋所对应的应力作为

15、无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为的强度限值，通常称为条件屈服强度条件屈服强度。4 4 钢筋的应力钢筋的应力应变应变简化模型简化模型 （1 1）理想弹塑性模型理想弹塑性模型（2 2）三段线性模型三段线性模型5 5 钢筋的钢筋的塑性性能塑性性能 （1）延伸率：）延伸率：（2）冷弯性能：）冷弯性能： 延伸率越大，钢筋的延伸率越大，钢筋的塑性塑性和和变形能力变形能力越好。越好。100%lll 弯心弯心直径直径越小，弯过的越小，弯过的角度角度越大，冷弯性能越好，钢筋的越大，冷弯性能越好，钢筋的塑塑性性能性性能越好。越好。6 6 钢筋的钢筋的冷加工冷加工冷拉：冷拉： 在常温下用在常温下用机械机械方法将有

16、明显流幅的钢筋拉到方法将有明显流幅的钢筋拉到超过超过屈服强度的某一应力值，然后屈服强度的某一应力值，然后卸载至零卸载至零。6 6 钢筋的钢筋的冷加工冷加工 冷拔：冷拔： 将将HPB235级热轧钢筋级热轧钢筋强行强行拔过小于其直径的硬质合金拔过小于其直径的硬质合金拔拔丝模具丝模具。 经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均强度均大大提高，但大大提高，但塑性塑性降低。降低。7 7 混凝土结构对钢筋性能的混凝土结构对钢筋性能的要求要求 保证构件具有一定的保证构件具有一定的强度储备强度储备。（1）适当的屈强比）适当的屈强比（2）足够的塑性）足够的塑性 避免发生避免发生脆性脆性

17、破坏。破坏。（4）耐久性和耐火性）耐久性和耐火性（3）可焊性）可焊性 要求钢筋具备良好的要求钢筋具备良好的焊接焊接性能。性能。 （5）与混凝土具有良好的）与混凝土具有良好的粘结粘结 必要的混凝土保护层厚度以满足对构件必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限耐火极限的要求。的要求。 （6）寒冷地区，防止钢筋）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆低温冷脆导致破坏。导致破坏。 7.2.5 7.2.5 钢筋的锚固与搭接钢筋的锚固与搭接 锚固：锚固： 通过通过钢筋埋置段钢筋埋置段或或机械措施机械措施将钢筋所受的力传给混凝土。将钢筋所受的力传给混凝土。 受拉钢筋受拉钢筋锚固长度：锚固长度：yatfldf 锚固长度的修正：锚固长度的修正： 直径大于直径大于25mm的的带肋带肋钢筋，取钢筋，取 。 钢筋表面有钢筋表面有环氧树脂环氧树脂涂层，取涂层，取 。 锚固区混凝土锚固区混凝土保护层保护层厚度大于钢筋直径的厚度大于钢筋直径的3 倍，且配有倍，