第二章混凝土材料

材料的物理力学性能钢筋混凝土两者间的粘结强度变形粘结破坏的过程和机理钢筋的形式和品种热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线HPB300（HotRolledPlainSteelBar）热轧光面钢筋

HRB335

（HotRolledRibbedSteelBar）热轧带肋钢筋

20MnSiHRB400

（HotRolledRibbedSteelBar）热轧带肋钢筋

20MnSiV,20MnSiNb,20MnTiRRB400

（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar）

余热处理钢筋

常用热轧钢筋的分类主要成分为铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，力学性能主要与碳的含量有关：含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。若含碳量低于0.25％，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。20MnSi前面的20指的是平均含碳量的万分数，其他化学元素的含量在1.5％以下。

塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的另外,大多数材料在其应力低于屈服点时表现为弹性行为也就是说当移走载荷时其应变也完全消失。

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，强度和塑性均较好，是目前受限使用的钢筋品种之一；HRB400：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是目前主要应用的钢筋品种之一；RRB400：是HRB335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，但塑性降低，余热处理后塑性有所改善。热轧钢筋的性能特点预应力钢丝

分为中强度预应力钢丝和消除应力钢丝，按外形有光面钢丝、螺旋肋钢丝（图2.2b）和刻痕钢丝（图2.2a）等三种，直径为5.0、7.0或9.0mm，材质为高碳钢。由于刻痕钢丝的锚固性能差，现已淘汰。钢绞线（图2.2c）分三股（1×3）和七股（1×7）两种，是用三根或七根钢丝捻制而成（类似于拧麻绳），其外接圆直径为8.6～12.9mm（三股）和9.5～21.6mm（七股）不等。由于钢绞线运输和使用都较为方便，因而现已成为预应力钢筋的主要型式，在中、大跨度结构中它正逐步取代钢丝束。在实际应用中，一般采用由若干根钢绞线组成的钢绞线束。预应力混凝土用螺纹钢筋（也称精轧螺纹钢筋，图2.3）具有高强度、高精度、施工便捷等特性，其钢筋外形为螺纹状无纵肋且钢筋两侧螺纹在同一螺旋线上，其任意截面处均可用带有匹配形状内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固，能够避免钢筋在焊接过程中产生的内应力及组织不稳定等引起的断裂现象，在大中型工程中应用广泛。精轧螺纹钢筋的公称直径范围为18mm~50mm，以25mm和32mm的为主。

dv——基圆直径；

h——螺纹高；b——螺纹底宽；L——螺距；r——螺纹根弧；α——导角图2.3精轧螺纹钢筋的外形短期荷载下钢筋的应力应变曲线有明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋有明显屈服点钢筋的应力－应变关系—比例极限—弹性极限—屈服上限—屈服下限—极限强度cd段为屈服台阶df段为强化段2.1.2短期荷载下钢筋的应力应变曲线在单调受拉状态下，应力应变关系可分为以下几个阶段：弹性阶段：应力与应变按比例增长，应变为弹性。比例极限屈服阶段：应变大幅度增长而应力几乎不变。屈服强度强化阶段：应力重新增长。极限抗拉强度破坏阶段：颈缩现象钢筋的双线性理想弹塑性本构模型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为0.2％时对应的应力无明显物理流限的钢筋对于含碳量较高的钢丝，由于其强度高而塑性低。受拉时无屈服阶段。应变随应力增加而增加，到极限强度后出现颈缩现象断裂不同钢筋应力－应变关系的比较钢筋的冷拉性能冷拉、冷拔和冷轧反映钢筋力学性能的基本指标：屈服强度、延伸率和强屈比钢筋在拉断时的应变称为伸长率，定义为：为试件的标距，通常取为5d或10d为试件拉断拼合后标距部分的长度在最大力下的总伸长率δgt，用算式分别表示如下：式中：l0——受力前拉伸试件上的标距；

lu——试件拉断拼合后标距部分的长度；

lm——受力最大时拉伸试件上标距部分的长度。钢筋断后伸长率主要反映了断口颈缩区域残余变形的大小，忽略了钢筋的弹性变形，不能反映钢筋受力时的总体变形能力；同时，不同标距长度得到的结果也不一致，还容易产生人为误差。相比断后伸长率，最大力下的总伸长率不受断口-颈缩区局部变形的影响，反映了钢筋拉断前达到最大力（极限强度）时的均匀变形，故又称均匀伸长率。伸长率越大，表明钢筋的塑性性能越好，具有适应较大变形的能力。冷弯性能是反映钢筋变形能力的另一个指标用于检验钢筋韧性和内部质量钢筋的冷弯性能是检验钢筋韧性和内部质量的有效方法，一般采用弯曲试验和反向弯曲试验。弯曲试验要求把钢筋围绕具有某个规定直径D的辊轴（常称弯心）进行弯转（图2.13），在达到规定的冷弯角度α时，钢筋不能发生裂纹或断裂；反向弯曲试验要求先把钢筋围绕具有某个规定直径的辊轴进行正向弯转到规定角度再反向弯转到另一规定的角度时，钢筋不能发生裂纹或断裂。为了保证结构在抵抗地震作用时具有足够的延性，用于抗震结构中钢筋的变形性能是至关重要的。对用于重要抗震结构中的钢筋应具有更高的性能要求。国家有关标准提出了“抗震钢筋”，其标识为在原代码后加“E”，如HRB400E。抗震钢筋与普通钢筋的区别主要体现在：抗震钢筋的实测抗拉强度与实测屈服强度之比不小于1.25；钢筋的实测屈服强度与屈服强度特征值（即标准值）之比不大于1.30；钢筋的最大力下的总伸长率不小于9%。混凝土结构对钢筋的要求强度－屈服强度和极限强度塑性－延伸率和冷弯性能具有较好的可焊性有较好的粘结力－带肋钢筋2.2混凝土的物理力学性能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。混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的2.2.1简单受力状态下砼的强度混凝土立方抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度抗压强度复杂受力状态下砼的强度抗压强度立方体抗压强度：衡量砼强度大小的基本指标。是评价砼强度等级的标准。

套箍作用：试件的横向变形受到约束，延缓了裂缝的开展，提高试件的抗压极限强度。轴心抗压强度：衡量砼受压构件强度大小的最基本指标。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。混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原《规范GBJ10-89》相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土。立方体抗压强度的试验尺寸效应及摩擦力的影响美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc'。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为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）100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于C50的混凝土，修正系数m=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m约为0.9轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较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h/b=3~4，我国通常取150mm×150mm×450mm的棱柱体试件，也常用100×100×300试件。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《规范》对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。轴心抗拉强度也是混凝土的基本力学性能，用符号

ft表示。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。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劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。轴心抗拉与立方抗压强度的关系混凝土强度标准值《规范》规定材料强度的标准值fk

应具有不小于95%的保证率立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。《规范》在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。同时，《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，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：⑴结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；⑵脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化[例]fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645d)×0.88×1.0=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa混凝土的变形单轴（单调）受压应力-应变关系Stress-strainRelationship

混凝土单轴受力时的应力-应变关系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，也是利用计算机进行非线性分析的基础。

混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。

在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc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破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。

采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。混凝土的破坏机理A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力－应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为

(0.3~0.4)fc

，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc

到达B点以后，混凝土产生部分塑性变形，应力－应变逐渐偏离直线。B点时的裂缝发展已不稳定，试件的横向变形突然增大，常取sB作为混凝土的长期抗压强度；普通强度混凝土sB约为0.8fc

，高强混凝土sB可达0.95fc

到达C点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承载力开始减小而进入下降段。C点时的应力称为峰值应力，即为混凝土棱柱体抗压强度；相应的纵向压应变称为峰值应变，约为0.002。继续发展至D点时，破坏面初步形成。E点以后，纵向裂缝形成一个斜向的破坏面，此破坏面在正应力和剪应力的作用下形成破坏带。此时试件的强度由破坏面上骨料间的摩阻力提供。随着应变进一步发展，摩阻力不断下降，试件的残余强度约为0.1~0.4fc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，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系

ConfinementwithTransverseReinforcement螺旋箍筋(a)螺旋箍筋压应变箍筋d=4.76mm，s=38.1mm，箍筋d=4.76mms=63.5mm无箍筋矩形箍筋螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。2.2.3荷载作用下砼的变形阶段应力应变裂缝

OA0.3fc0弹性无

AB0.3fc0~0.8fc0弹塑性稳定的微裂缝上升段BC0.8~1.0fc0塑性微裂缝开始发展

C1.0fc0

内部通缝

C后下降增长迅速表面通缝下降段砼应力应变关系的特点砼是一种弹塑性材料，只有当压应力很小时，才可视为弹性材料曲线有上升段和下降段，说明在破坏过程中，承载力有一个从增加到减少的过程。砼最大应变对应的不是最大应力、最大应力对应的不是最大应变。（2）轴心受拉时的应力应变关系：形状与受压时相似。2砼在重复加载下的变形概念：弹性后效：卸载后，停留一段时间，试件的变形又恢复了一部分，这部分恢复变形叫做弹性后效残余变形：卸载后试件不能恢复的变形称为残余变形疲劳破坏：砼在重复荷载作用下的破坏疲劳极限强度：在重复荷载作用下，使砼的应力应变图形由保持直线而变为凸向应变轴方向的界限应力值2.2.4弹性模量弹性模量Ec

、切线模量、割切模量：反映了砼受力后的应力应变关系．反映了混凝土材料抵抗弹性变形的能力弹性模量：适用于应力较小的弹性阶段，也称初始弹性模量、原点模量测定：10次加载循环后的应力差与相应的应变差之比切线模量：某一具体点处的切线斜率割切模量：某点总应力与总应变之比2.2.5砼的徐变与收缩徐变：砼在长期作用下产生随时间而增长的变形．它有利于结构的内力重分布．但会使结构的变形增大，引起预应力损失．（1）发展：应力较小时：线性徐变6个月时完成70%—80%的徐变一年以后趋于稳定三年左右基本终止（2）产生徐变的原因：水泥凝胶体与骨料之间力的传递（3）影响因素：持续作用压应力的大小砼的组成成分与配合比养护时的湿度构件的体表比受荷时砼的龄期2收缩收缩：砼在空气中结硬时其体积会缩小．（砼不受力）产生原因：是由于水泥凝胶体本身的体积收缩和砼因失水产生的体积收缩所组成的发展：早期发展较快，以后逐渐缓慢，整个过程可持续两年以上当砼收缩较大，构件配筋较多时，会使砼构件产生收缩裂缝2.3钢筋与砼的粘结钢筋与砼的粘结：钢筋与其周围砼之间的相互作用。包括粘结力与相对滑移．它是钢筋与砼变形一致、共同受力的保证。作用：传递应力、协调变形，阻止裂缝进一步发展包括：

胶着力：砼在结硬过程中，水泥胶体与钢筋间会产生吸附胶着力。摩擦力：钢筋与周围砼有相对滑移趋势时，其接触面上出现摩擦力。机械咬全力：由于钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合作用。占主要部分。2.3.4保证钢筋与砼之间粘结力的措施最小搭接长度和锚固长度钢筋的最小间距和砼保护层厚度接头范围内，箍筋间距加密受力的光面钢筋要做弯钩混凝土受拉应力-应变关系TheTensionConstitutiveRelationshipofConcrete弹性系数约为0.5混凝土的弹性模量（ElasticModulus）弹性模量的测定方法复杂应力状态下混凝土的力学性能实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约为(1.25~1.60)fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。双轴应力状态（BiaxialStressState）构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s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，随压应力增大而增大当压应力在0.6fc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，抗剪强度将随压应力的增大而减小。三轴应力状态（TriaxialStressState）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件进行。混凝土的收缩和徐变

ShrinkageandCreep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。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称为徐变。混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，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(2~5)×10-4

，而混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4，说明收缩会导致开裂。混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，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。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：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；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；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，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。混凝土收缩会使预应力