第2章钢筋和混凝土材料的基本性能

第2章

钢筋和混凝土材料的基本性能 2.1钢筋的基本性能一、钢筋的品种1、按化学成分不同分碳素钢：主要成分为铁合金钢：在碳素钢基础上加入一定量的合金元素建筑中常用低合金钢钢材化学成分不同影响钢材的性能，如含碳影响可焊性和强度等。钢材中的有害元素为硫、磷、氧，在冶炼过程中尽可能除去。热轧钢筋：在高温状态下轧制成型，钢筋混凝土中常用钢绞线：预应力钢丝：预应力螺纹钢筋：2、按加工工艺和力学性能分预应力混凝土中的预应力筋热轧钢筋

附表1，P343热轧钢筋按其强度由低到高分为：HPB300：光面钢筋，碳素钢HRB(F)335：变形钢筋，低合金钢HRB(F)400、RRB400：变形钢筋，低合金钢HRB(F)500：变形钢筋，低合金钢（随强度增加，塑性逐渐下降）●长期以来，我国热轧带肋钢筋的品种主要是添加钒、钛等合金元素的普通低合金钢，由于钢筋用量巨大，近年来已造成钒、钛等低合金资源资紧张，价格眀显上涨，对热轧钢筋的生产和应用带来不利影响。●细晶粒热轧带肋钢筋是我国冶金行业研究开发的新型热轧钢筋，这种钢筋生产过程中不需要添加或只需添加很少的钒、钛等合金元素，而是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺轧制成的带肋钢筋，其金相组织主要是铁素体加珠光体。细晶粒热轧带肋钢筋的外形与普通低合金热轧带肋钢筋相同，其强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。●用细晶粒热轧带肋钢筋代替我国目前大量使用的普通低合金热轧钢筋可节约国家宝贵的钒、钛等合金元素资源，降低碳当量和钢筋的价格，社会效益和经济效益均十分显著。附：钢筋牌号的鉴别方法产品规格为φ18生产厂厂标“4”代表HRB400

带肋钢筋表面的标志

(a)普通热轧钢筋（HRB)(b)细晶粒热轧钢筋（HRBF）

(C)余热处理钢筋（RRB）

钢筋品牌的判断根据金相组织观感的不同，判断钢筋的品牌

二、钢筋的力学性能通过钢筋的应力－应变曲线来研究lPPA（一）强度：应力（二）变形：应变比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyftedabcoa

－弹性阶段b－屈服强度：作为设计时钢筋强度取值的依据cd－强化阶段d－极限强度：钢筋破坏时的实际强度1、有明显流幅的钢筋：软钢

(热轧钢筋)de－颈缩阶段

ac－屈服阶段四个阶段:二个强度指标：（一）钢筋的应力应变曲线（强度）0.2%0.2(N/mm2)o

工程上取条件屈服强度0.2

作为强度取值的依据。2、无明显流幅的钢筋：硬钢

(钢丝、预应力螺纹钢筋)0.2的定义：取残余应变

=0.2%时的应力。《规范规定》：0.2=0.85bab强度指标：b点的极限抗拉强度牌号HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435410抗拉强度设计值抗压强度设计值牌号符号公称直径d（mm）屈服强度标准值fyk（N/mm2）极限强度标准值fstk（N/mm2）HPB3006～22300420HRB335、HRBF3356～50335455HRB400、HRBF400RRB4006～50400540HRB500、HRBF5006～50500630普通钢筋强度设计值普通钢筋强度标准值钢筋的受压弹性模量和受拉时相同。钢筋的弹性模量见附表6。3、钢筋的弹性模量应力-应变曲线上弹性阶段应力与应变的比值。（二）钢筋的变形性能1、伸长率：2、冷弯性能：弯心直径：越小，冷弯性能越好冷弯角度：越大，冷弯性能越好钢筋塑性（变形）指标：伸长率、冷弯性能

伸长率越大，塑性和变形能力越好

原来采用的是钢筋断后伸长率，《规范》采用最大力下的总伸长率。●钢筋断后伸长率只能反映钢筋断口颈缩区域残余变形的大小；不同标距长度l0得到的结果不一致；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；容易产生人为误差。《规范》采用最大力下的总伸长率来评定钢筋的塑性，见附表5。

钢筋伸长率●最大力下的总伸长率（均匀伸长率）dgt普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率限值钢筋品种普通钢筋预应力筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500δgt（%）10.07.53.5（三）钢筋的疲劳性能疲劳破坏：在重复、周期荷载作用下的破坏疲劳强度：附表7、附表8。钢材的疲劳强度远低于抗拉强度设计值。

冷加工的方法：冷拉、冷拔等。冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高强度，节约钢筋。冷加工对钢材性能的影响：三、钢筋的冷加工冷拉：可采用冷拉控制应力和冷拉伸长率控制。

冷拉可提高钢材的抗拉强度，但塑性降低。冷拔：可同时提高钢材的抗拉和抗压强度，塑性降低很多。o冷拉控制应力(N/mm2)冷拉率残余变形o'abcc'd'd冷拉无时效冷拉经时效(a)(b)d1d2Pd2d1(b)冷拔(a)冷拉四、混凝土结构对钢筋性能的要求1、适当的强度和强屈比强屈比一般不小于1.2。2、足够的塑性3、可焊性4、耐久性和耐火性5、与混凝土有良好的粘结2.2混凝土的基本性能

混凝土的强度受多种因素的影响，如组成材料、配合比、浇筑、振捣、养护条件、龄期、测定方法等。

混凝土是由胶凝材料（水泥）、水和粗、细骨料按适当比例配合，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人工石材。也可加入外加剂和掺合料。

混凝土的抗压强度高，而抗拉强度很低，在工程中一般利用混凝土来承受压力。力学特点定义强度影响因素本节主要讲述混凝土的强度指标和变形。1、立方体抗压强度和强度等级（1）立方体抗压强度:按照标准方法的制作边长为150ｍｍ的立方体试件，在标准养护条件（温度20士2°Ｃ，相对湿度95％以上）下，养护至28ｄ龄期，按照标准的测定方法测定其抗压强度值。一、混凝土的强度

不同的试件尺寸的强度换算:

边长为100ｍｍ的立方体试件，换算系数为0.95；边长为200ｍｍ的立方体试件，换算系数为1.05。由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)

（2）强度等级

按立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值是具有95％保证率的立方体抗压强度。

《规范》将混凝土共划分为14个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。混凝土强度等级C60以下的为普通混凝土，C60及C60以上的为高强混凝土。在混凝土的强度等级中，C表示混凝土，其后的数字表示混凝土立方体抗压强度标准值。如C30表示混凝土的立方体抗压强度标准值大于等于30MPa。

《规范》对混凝土的强度等级的基本要求：

●

素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；

●钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度级别400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。●承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。●预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。2、轴心抗压强度

为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件（例如柱子、桁架的腹杆等）时，都是采用混凝土的轴心抗压强度作为依据。

我国现行规范标准规定，测定轴心抗压强度采用150×150×300ｍｍ棱柱体作为标准试件。3、轴心抗拉强度

混凝土的抗拉强度很低，一般只有抗压强度的1/8~1/18.当混凝土强度等级提高时，抗拉强度的增加不及抗压强度提高得快。

在钢筋混凝土构件的破坏阶段，处于受拉状态的混凝土一般早已开裂，故在构件承载力计算中一般不考虑混凝土的抗拉强度，但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要意义，是结构设计中确定混凝土抗裂度的重要指标。混凝土的各种强度值见附表9和附表10。1、混凝土在一次短期加载时的变形OA–––弹性阶段A:0.3fcAB–––弹塑性阶段:0.3fc～0.8fc

裂缝稳定阶段BC–––裂缝不稳定阶段:0.8fc～1.0fcCBDEfc00•••Acu••特征点：fc-轴心抗压强度0

-对应于峰值点应变，0

=0.002cu

-混凝土极限压应变，cu

=0.0033二、混凝土的变形性能00原点弹性模量：弹性模量混凝土弹性模量的数值见附表11。2、混凝土在重复荷载作用下的变形

如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值σ，然后卸荷至零，并把这一循环多次重复下去，就称为多次重复荷载。

通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度，用符号表示。混凝土的疲劳抗压强度远远低于轴心抗压强度设计值。3、混凝土在荷载长期作用下的变形——徐变

混凝土在不变的应力长期持续作用下，变形会随时间徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。徐变初期增长较快，以后逐渐变慢，一年内可完成90%左右。

徐变对混凝土结构的影响：

（1）产生应力重分布，使混凝土应力减小，钢筋应力增大；（2）会使构件的变形增加，从而降低结构的承载能力；（3）使预应力混凝土构件的预压应力受到损失。

影响徐变的因素有：

（1）水灰比（2）水泥用量（3）骨料所占的比例及性能（4）养护条件（温度、湿度）一般应尽可能减小混凝土的徐变。

（1）温度变形混凝土的热胀冷缩变形称为温度变形。混凝土温度线膨胀系数约为(1.0~1.5)×10-5,即温度升高（或降低）1度,每米约膨胀（或收缩）0.01~0.015mm。对大体积混凝土工程，应设法降低混凝土的发热量，如使用低热水泥、减少水泥用量、采用人工降温以及对表层混凝土加强保温措施等。对纵向较长的混凝土及钢筋混凝土结构，应考虑混凝土温度变形所产生的危害，每隔一段长度应设置温度伸缩缝。4、混凝土的温度变形和收缩、膨胀

（2）干湿（收缩和膨胀）变形

当混凝土在水中硬化时，体积产生微小膨胀；当混凝土在干燥空气中硬化时，体积将产生收缩。混凝土的收缩值比膨胀值大得多。混凝土的湿胀变形量很小，对结构一般无破坏作用。但干缩变形对混凝土危害较大，干缩可能使混凝土表面出现拉应力而开裂，严重影响混凝土的耐久性。因此，应采取措施减少混凝土的收缩。

减少混凝土的干缩变形：①加强养护；在养护期内使混凝土保持潮湿环境。②减小水灰比；水灰比大，会使混凝土收缩量大大增加。③减小水泥用量；水泥含量减少，骨料含量相对增加，骨料的体积稳定性比水泥好，减少混凝土的收缩。④加强振捣。混凝土捣固的愈密实，内部孔隙量愈少，收缩量愈小。2.3钢筋与混凝土之间的粘结一、粘结力的组成1、化学胶结力：混凝土在结硬过程中，水泥胶体与钢筋间产生吸附胶着作用。混凝土强度等级越高，胶结力也越高。

2、摩擦力：由