第03章混凝土12年

1、第三章 混凝土结构材料的物理力学性能13.1 混凝土的物理力学性能第三章 钢筋和混凝土材料的物理力学性能第三章 混凝土结构材料的物理力学性能23.1 混凝土的物理力学性能本章要点本章要点 混凝土的力学性能；混凝土的力学性能； 钢筋的品种，力学性能的基本指标；钢筋的品种，力学性能的基本指标； 钢筋与混凝土之间的粘结、锚固。钢筋与混凝土之间的粘结、锚固。第三章 混凝土结构材料的物理力学性能33.1 混凝土的物理力学性能 3.1.1、混凝土的组成结构、混凝土的组成结构 普通混凝土：由水泥、砂、石用水拌合硬化的人工石材，是多相复合材料。微观结构 （水泥石结构）亚微观结构（水泥砂浆结构） 宏观结构（砂浆

2、和粗骨料）混凝土结构3-1混凝土的力学性能混凝土的力学性能第三章 混凝土结构材料的物理力学性能43.1 混凝土的物理力学性能 1结构组成： 水和水泥形成的水泥胶块把砂石骨料粘结在一起。 水泥结晶体和砂石骨料组成混凝土的弹性骨架，承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。 水泥凝胶体做为填充材料，起调整和扩散应力的作用，并使混凝土具有塑性变形的特点。 2特点： 混凝土的强度和变形随时间的增长而增长； 界面微裂缝和内部孔隙是受力破坏的起源； 混凝土属于非均质不连续各向异性材料。3.1.1混凝土的组成结构混凝土的组成结构第三章 混凝土结构材料的物理力学性能53.1 混凝土的物理力学性能1、单向受力状态

3、下的混凝土的抗压强度、单向受力状态下的混凝土的抗压强度混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能。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中最主要和最基本的指标。1、混凝土的立方体抗压强度混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级和强度等级混凝土的混凝土的立方体立方体抗压强度抗压强度- 我国作为我国作为评定混凝土强度等级的标准(比较稳定) 试验方法试验方法:普通混凝土力学性能试验方法混凝土强度等级混凝土强度等级： 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定：以边长规定：以边长150mm立方体标准试件，在标准立方体标准试件，在标

4、准条件下（条件下（203，95%湿度）养护湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的，两端不涂润滑剂）测得的具有具有95%保证率保证率的立方体的立方体抗压强度作为混凝土的抗压强度作为混凝土的强度等级强度等级，用符号，用符号C表示。表示。 如如C30表示表示立方体立方体抗压强度标准值抗压强度标准值fcu,k=30N/mm2 3.1.2单轴向应力状态下混凝土强度单轴向应力状态下混凝土强度第三章 混凝土结构材料的物理力学性能63.1 混凝土的物理力学性能 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定的规定的混凝土的强度等

5、级有：混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30， C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，共，共14个等级。个等级。影响影响混凝土的立方体抗压强度的几个因素混凝土的立方体抗压强度的几个因素： 试验方法试验方法：主要考虑压力机垫板对试件的“套箍作用”-见P31图图3-1 试验加载速度试验加载速度：加载速度越快，测得的强度值越高。：加载速度越快，测得的强度值越高。 -故规定加载速度为：故规定加载速度为： C30-取每秒钟取每秒钟0.5-0.8N/mm2 成型后的龄期成型后的龄期:初期增长快初期增长快,后期渐缓。养护环境越潮湿，增长期更长。后期渐缓。

6、养护环境越潮湿，增长期更长。 试块尺寸试块尺寸：小尺寸试块测得的：小尺寸试块测得的强度值较高。强度值较高。-“尺寸效应尺寸效应”非标试块强度与标准立方体强度之间的换算关系非标试块强度与标准立方体强度之间的换算关系 ： 100150cucuff、轴心抗压强度、轴心抗压强度- fc采用棱柱体试件测定，它比立方体更接近实际构件中混凝土的受压情况。采用棱柱体试件测定，它比立方体更接近实际构件中混凝土的受压情况。承压板试块棱柱体试件棱柱体试件h/b=23，普通混凝土力学性能试验方法（GBJ81-85）以 150mm150mm300mm的棱柱体作为的棱柱体作为标准试件。标准试件。非标准试块：100100

7、300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05采用棱柱体试件的特点：采用棱柱体试件的特点： 受力状态接近实际工程中的受压构件；受力状态接近实际工程中的受压构件； 消除试验机压板摩擦力的影响（消除试验机压板摩擦力的影响（试件的中间区段形成“纯压状态”）。）。 第三章 混凝土结构材料的物理力学性能103.1 混凝土的物理力学性能 轴心抗压强度（轴心抗压强度（ fc）与立方体抗压强度（）与立方体抗压强度（ fcu）的对比关系：）的对比关系： P31 图图3-3 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系 -试验值试验值fc和和fcu的统计平均值大致成一条直线，比值大致在的统计平均

8、值大致成一条直线，比值大致在 0.70.92之间之间;强度大的强度大的,平均值大平均值大.混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范中轴心抗压强度与立方体抗压强度的换算关系为中轴心抗压强度与立方体抗压强度的换算关系为:式中式中:1棱柱体强度与立方体强度之比棱柱体强度与立方体强度之比对强度等级不超过对强度等级不超过C50级的，取级的，取1=0.76;对对C80,取取1=0.82;其间按线性插值其间按线性插值另外另外, ,规范规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个心抗压强度和轴心抗拉强

9、度，还采用了以下两个折减系数折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.880.88；脆性折减系数脆性折减系数( (2) )，对，对C40C40及以下取及以下取1.01.0，对，对C80C80取取0.870.87，中间按线性变化取值，中间按线性变化取值kcuckff，2188.0P9公式（2-1）例例 fcu,k=30MPa, fck=0.76fcu，k0.88 30 =20.06MPa第三章 混凝土结构材料的物理力学性能113.1 混凝土的物理力学性能2、混凝土的轴心抗拉强度、混凝土的轴心抗拉强度- ft 混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及

10、受剪、受扭、受冲切等的承载力均与混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。抗拉强度有关。 500 150 15010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456 ft fcuGBJ10-89 规范轴心受拉强度与立方体强度间的关系55. 0395. 0cutff 3/226. 0cutff 第三章 混凝土结构材料的物理力学性能123.1 混凝土的物理力学性能 第三章 混凝土结构材料的物理力学性能133.1 混凝土的物理力学性能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

11、拉试验测定混凝土的抗拉强度试验测定混凝土的抗拉强度劈拉试验PaP22aPfsp4/319. 0cuspff拉压压试验表明：轴心抗拉强度只有立方抗压强度的1/171/8第三章 混凝土结构材料的物理力学性能143.1 混凝土的物理力学性能 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范中中：ftk与f cu,k关系 -混凝土立方体强度的变异系数245. 0,55. 0,645. 11395. 088. 0kcukcutkfffcu,kC15C20C25C30.0.210.180.160.14.P11公式（2-4）第三章 混凝土结构材料的物理力学性能153.1 混凝土的物理力学性能v 混凝土强度的标准值、设计

12、值混凝土强度的标准值、设计值 规范规范规定材料强度的规定材料强度的标准值标准值 （如（如fck fcu,k ）：）：是用标是用标准试验方法测得的，准试验方法测得的，应具有不小于应具有不小于95%保证率的强度保证率的强度。如如规范规范中规定的中规定的轴心抗压强度和轴心抗拉强度与立方体抗压强度轴心抗压强度和轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系的关系 设计值设计值与标准值间的关系：与标准值间的关系： fc= fck /c -参见规范规范第第4.1.34.1.4条文解释条文解释第三章 混凝土结构材料的物理力学性能163.1 混凝土的物理力学性能例例 fcu=30MPa, fck=0.76fcu，k0.8

13、8 30 =20.06MPa第三章 混凝土结构材料的物理力学性能173.1 混凝土的物理力学性能双向应力状态双向应力状态 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向双向或或三向三向受受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件(如如框架梁柱节点区)、混凝土拱坝、核电站安全壳等。、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向受压：双向受压：一向的受压强度随另一向压应力一向的受压强度随另一向压应力的增大而增大。的增大而增大。一拉一压：一拉一压：一向的强度随另一向应力的增大一向的强

14、度随另一向应力的增大而降低。而降低。双向受拉：双向受拉：强度变化不大。强度变化不大。3.1.3、复杂应力下混凝土的强度第三章 混凝土结构材料的物理力学性能183.1 混凝土的物理力学性能 构件受剪或受扭时常遇到构件受剪或受扭时常遇到剪应力剪应力t t 和和正应力正应力s s 共同作用下的共同作用下的复合受力情况。复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 随随压压应力增大而增大应力增大而增大当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应压应力继续增大，则由于内裂

15、缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。力的增大而减小。法向应力和剪应力组合的破坏曲线第三章 混凝土结构材料的物理力学性能193.1 混凝土的物理力学性能三向应力状态三向应力状态 三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。件进行。Lcccfff)0.75.4( 有侧有侧向约束的强度与无侧向约束强度间的经验向约束的强度与无侧向约束强度间的经验关系式关系式：混凝土圆柱体三向受

16、压试验时轴向应力应变曲线 从图从图 看出看出:随着侧向压力的增加随着侧向压力的增加,试件试件的强度和延性都有显著提高的强度和延性都有显著提高。第三章 混凝土结构材料的物理力学性能203.1 混凝土的物理力学性能1、单轴（单调）受压应力、单轴（单调）受压应力-应变关系应变关系Stress- strain Relationship砼的变形包括：砼的变形包括：受力变形、体积变形受力变形、体积变形 变形变形反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，是分析混凝反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也

17、是利用计算机进行非线性分析的基础。利用计算机进行非线性分析的基础。1）混凝土在一次短期加荷时的变形性能 荷载下变形含弹性变形（卸荷可恢复）和塑性变形（卸荷不可恢复）2）混凝土强度等级对应力应变曲线的影响3）加载速度对应力应变曲线的影响 3.1.43.1.4混凝土的变形混凝土的变形第三章 混凝土结构材料的物理力学性能213.1 混凝土的物理力学性能02468102030s(MPa)e 10-3BACEDA点以前点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变，微裂缝没有明显发展，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提高而增加，对普通

18、强点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土度混凝土s sA约为约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土，对高强混凝土s sA可达可达(0.50.7)fc。AB段段，裂缝稳定扩展阶段；临界点，裂缝稳定扩展阶段；临界点B为长期抗为长期抗压强度的依据；压强度的依据；BC段段，裂缝快速发展的不稳定状态至峰点，裂缝快速发展的不稳定状态至峰点C混凝土棱柱体的抗压强度混凝土棱柱体的抗压强度 fc ，CE下降段，下降段，裂缝继续扩展、贯通，至拐点裂缝继续扩展、贯通，至拐点D，此时只靠骨料间的咬合力及摩擦力与残余承压此时只靠骨料间的咬合力及摩擦力与残余承压面来承受荷载。面来承受荷载。混凝土棱柱体受压应

19、力-应变曲线第三章 混凝土结构材料的物理力学性能223.1 混凝土的物理力学性能 单轴受压应力单轴受压应力- -应变关系曲线，当在普通试验机上采用应变关系曲线，当在普通试验机上采用等等应力速度应力速度加载，达到轴心抗压强度加载，达到轴心抗压强度f fc c时，试验机中集聚的弹性时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力破坏，只能测得应力- -应变曲线的应变曲线的上升段上升段。 采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸

20、收试验机内集聚的应变能，可以测得应力一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力- -应应变曲线的变曲线的下降段下降段。第三章 混凝土结构材料的物理力学性能233.1 混凝土的物理力学性能不同强度混凝土的应力 -应变曲线比较2）强度混凝土的应力应变曲线 不同不同强度混凝土的应力应变曲线形状相似 但强度等级越高，线弹性段越长，但强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也略有增大峰值应变也略有增大(不显著不显著)。但高。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆的破坏往往是骨料破坏，破

21、坏时脆性越显著，下降段越陡性越显著，下降段越陡,延性延性越差越差(即即应力下降相同幅度时应力下降相同幅度时,变形越小变形越小)。第三章 混凝土结构材料的物理力学性能243.1 混凝土的物理力学性能 seEc= tan 原点切线模量原点切线模量Elastic Modulus0sesddEc混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量第三章 混凝土结构材料的物理力学性能253.1 混凝土的物理力学性能弹性模量测定方法se0.5fc510 次)N/mm(7 .342 . 21025cucfE第三章 混凝土结构材料的物理力学性能263.1 混凝土的物理力学性能 seEc= tan 割线模量割线模量Secant M

22、odulusescEseEc= tan 切线模量切线模量Tangent ModulusesddEc 弹性系数弹性系数n n (coefficient of elasticity) 随应力增大而减小随应力增大而减小eeelcEcEn混凝土的变形模量混凝土的变形模量第三章 混凝土结构材料的物理力学性能273.1 混凝土的物理力学性能 螺旋螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高（箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高（低强度试件更明显） 矩形矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善著改善(a) 螺旋箍筋压应变压应力(N/mm2)箍筋

23、s=(b) 矩形箍筋压应变压力箍筋 d=4.76mm，s=38.1mm箍筋 d=4.76mm，s=63.5mm无箍筋3、箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系第三章 混凝土结构材料的物理力学性能283.1 混凝土的物理力学性能se ftet0ctctcttEfEfEf25 . 00ev不同强度混凝土拉伸应力-应变全曲线，总结以下几点：总结以下几点：曲线形状与受压时相似，包括上升段和下降段。曲线峰值应变只有75x10-6 115x10-6曲线下降段的坡度随混凝土强度的提高而更陡峭（即延性降低）。混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量基本相同。4 4、混凝土受拉应力、混凝土受拉应力- -应变关系应变关系第三

24、章 混凝土结构材料的物理力学性能293.1 混凝土的物理力学性能1.混凝土的收缩混凝土的收缩 Shrinkage (1)定义：定义：混凝土在混凝土在空气中硬化空气中硬化时体积会缩小，这种现象时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在收缩是混凝土在不受外力不受外力情况下体积变化产生的变形。情况下体积变化产生的变形。 （2）规律：）规律：收缩变形的发展也是先快后慢，半月完成收缩变形的发展也是先快后慢，半月完成25%，一个月完成一个月完成50%，3个月后逐渐缓慢，个月后逐渐缓慢，2年完成最终收缩年完成最终收缩2510-4，对一般混凝土取，对一般混凝土取310-4，钢筋混

25、凝土取，钢筋混凝土取1.510-4。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混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力混凝土构件产生预应力损失。凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 某些某些对跨度比较敏感的超静定结构对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。会引起不利的内力。5 5、混凝土的收缩和徐变、混凝土的收缩和徐变第三章 混凝土结构材料的物理力学性能303.1 混凝土的物理力学性能14d 28d

26、tesh(25)10-425%50%混凝土的收缩是随时间而增长的变形，混凝土的收缩是随时间而增长的变形， 一般情况下，最终收缩应变值约为一般情况下，最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4图图3-11 3-11 混凝土的收缩混凝土的收缩第三章 混凝土结构材料的物理力学性能313.1 混凝土的物理力学性能收缩产生的原因水泥凝胶体结硬引起体积的凝缩。混凝土内游离水分蒸发逸散引起的干缩（故蒸汽养护可减少收缩变形）。收缩的危害 收缩受外部支座或内部钢筋约束时，将在混凝土中产生拉应力，甚至导致混凝土产生收缩裂缝。 在预应力混凝土结构中产生预应力损失。

27、使某些对跨度变化比较敏感的超静定结构产生不利内力。第三章 混凝土结构材料的物理力学性能323.1 混凝土的物理力学性能影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺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。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。干燥失水及高温环境，收缩大。 小尺寸构件收缩大，大尺寸

28、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。 在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响施工缝施工缝。第三章 混凝土结构材料的物理力学性能333.1 混凝土的物理力学性能 定义：定义：混凝土在混凝土在荷载的长期作用荷载的长期作用下，其变形随时间而不断下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。增长的现象称为徐变。 徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力徐变会使结构（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，甚至会导致破坏。损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。

29、与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定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的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除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试件的变形，才可得到徐变变形。对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。 徐变规律：徐变规律：开始快，随后逐步减慢而趋于稳定。开始快，随后逐步减慢而趋于稳定。 6个月可完个月可完成总变形的成总变形的7080%，一年完成，一年完成90%，二年可以完成。徐变变形，二年可以完成。徐

30、变变形为瞬时变形的为瞬时变形的14倍。倍。2.混凝土的徐变 Creep第三章 混凝土结构材料的物理力学性能343.1 混凝土的物理力学性能 在应力（0.5fc）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4个月徐变增长较快，6个月 可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。 当卸载时，则产生瞬时弹性恢复应变eel。一段时间后，还有一部分应变eel可恢复，为弹性后效，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr图2-17 混凝土的徐变（应变与时间的关系曲线）第三章 混凝土结构材料的物理力学性能353.1 混凝土的物理力学性能影响影响徐变的徐变的因素因

31、素 内在因素内在因素尚未转化为结晶体的水泥凝胶体产生粘性流动，压应尚未转化为结晶体的水泥凝胶体产生粘性流动，压应力逐渐转移给水泥结晶体，使其应力增大，而试件变形也随之力逐渐转移给水泥结晶体，使其应力增大，而试件变形也随之增大。增大。混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响环境影响 包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。应力条件应力条件 由由P18图图2-18 压应力与徐变的关系压应力与徐变的关系,可以看出可以看出: 当应力当应力si /fc 0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，这种徐变称为时，徐变值与初应力