混凝土结构材料的物理力学性能二

第二章混凝土结构材料的物理力学性能本章主要内容：掌握混凝土的主要强度指标及其收缩、徐变；深刻理解混凝土的应力应变关系；掌握钢筋强度指标和变形性能；掌握钢筋、混凝土的粘结及其构造要求。2.1混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三种类型：Ａ.微观结构：也即水泥石结构，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。Ｂ.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。Ｃ.宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度混凝土结构中，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1.混凝土抗压强度

1）混凝土立方体抗压强度和强度等级：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。

《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。2）混凝土轴心抗压强度按标准方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱体试件，在温度为20土3℃和相对湿度为90％以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：式中：

α１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。α2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。

fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。劈拉试验FdF2.混凝土的轴心抗拉强度

混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。拉压压

《混凝土结构设计规范》规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：0102030405060708090100123456

◆双轴应力状态实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。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(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。在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。2.1.3复合受力状态下混凝土的强度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。侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为:

式中——被约束混凝土的轴心抗压强度；——非约束混凝土的轴心抗压强度；——侧向约束压应力。

侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

2.1.4混凝土的变形1、一次短期加载下混凝土变形性能（1）单轴受压应力-应变

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。02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA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。A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变e0，约为0.002。纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，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。◆Hognestad建议的应力-应变曲线◆《规范》应力-应变关系上升段：下降段：《规范》混凝土应力-应变曲线参数fcu≤C50C60C70C80n21.831.671.5e00.0020.002050.00210.00215eu0.00330.00320.00310.003ε00.0010.0020.0030.004

fcσfc（2）混凝土的变形模量弹性模量变形模量切线模量混凝土弹性模量可按下式计算2、荷载在长期作用下的变形性能

混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。

徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。

混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。在应力（≤0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（=si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。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（70~80）%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。记(t-t0)时间后塘的总应变纠为ec(t,t0)，此时逗混凝土的躲收缩应变央为esh(t，t0)，则街徐变为臣，ecr(t,t0)=ec(t,t0)-ec(t0)-esh(t,t0)=ec(t,t0)-eel-esh(t,t0)如在时偶间t卸载，秘则会产他生瞬时弹性协恢复应变eel'。由于混嗽凝土弹性庭模量随时挡间增大，准故弹性恢薄复应变eel'小于役加载时罢的瞬时奋弹性应懒变eel。再经辜过一段帽时间后头，还有丢一部分躲应变eel''可块以恢复高，称为弹性后绞效或徐变恢婆复，但仍挪有不可恢铸复的残留径永久应变ecr'◆影响因素内在因素是混凝习土的组双成和配念比。骨煌料的刚然度（弹蓄性模量拍）越大驱，体积湿比越大婚，徐变岁就越小漆。水灰争比越小袜，徐变冰也越小究。环境影响包括养窝护和使狭用条件屠。受荷发前养护桨的温湿酷度越高孝，水泥句水化作摔用月充济分，徐浓变就越路小。采舌用蒸汽嗽养护可草使徐变提减少（竞20~勒35）间%。受辛荷后构学件所处月的环境办温度越剃高，相档对湿度买越小，爽徐变就睛越大。3、混凝变土在荷载湾重复作用餐下的变形蒙（疲劳变既形）◆疲劳强度混凝土的赵疲劳强度截由疲劳试连验测定。套采用10暖0mm×侄100m娃m×30伙0mm踩或着15歪0mm×铸150m葛m×45揭0mm的禽棱柱体，竭把棱柱体鬼试件承受码200万奴次或其以轮上循环荷膨载而发生蜜破坏的压顾应力值称鸟为混凝土份的疲劳牧抗压强子度。◆影响因素施加荷载让时的应力捷大小是影吉响应力-苹应变曲线水不同的发培展和变化东的关键因瞒素，即混维凝土的疲县劳强度与宵重复作用坟时应力变胸化的幅度旅有关。在相同的找重复次数维下，疲劳谜强度随着驶疲劳应力份比值的增希大而增大糟。混凝土在衡荷载重复熄作用下的唐应力-计应变关系4、混雪凝土的渠收缩混凝土皮在空气锡中硬化诊时体积坟会缩小葛，这种秋现象称姿为混凝技土的收学缩。收缩是绝混凝土还在不受菊外力情费况下体选积变化功产生的姥变形。当这种饲自发的杀变形受芦到外部鹅（支座做）或内疾部（钢惧筋）的踩约束时融，将使混凝眼土中产生动拉应力，春甚至引起幼混凝土的浆开裂。混乔凝土收缩全会使预应价力混凝土回构件产生与预应力损慈失。◆影响因勺素混凝土的买收缩受结愧构周围的协温度、湿矩度、构件民断面形状妨及尺寸、值配合比、悔骨料性质医、水泥性腾质、混凝吗土浇筑质蚊量及养护下条件等许峰多因素有苍关。（1）水虽泥的品种桶：水泥强四度等级越要高，制成建的混凝土忌收缩越大圈。（2）水酒泥的用量布：水泥用分量多、昼水灰比炸越大，贯收缩越凡大。（3）粒骨料的功性质：骨料弹轿性模量收大，收范缩就小控。（4）膨养护条裁件：在结硬过羽程中周围赶温、湿度通越大，收湾缩越小。（5）态混凝土答制作方葡法：混凝土越殖密实，收嘴缩越小。（6）使辣用环境：使用环景境温度鸭、湿度固越大，展收缩越酷小。（7）湾构件的岭体积与脱表面积熊比值：比值大行时，收嫁缩小。2.2递钢筋第的物理压力学性训能2.2些.1钢小筋的品兼种和级病别热轧钢筋颜、中高强件钢丝和钢加绞线、热左处理钢筋救和冷加工疯钢筋—3DA—公称直径股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋爬形式刻痕钢丝螺旋肋钢候丝热轧钢段筋的分灶类HPB与235级、HR迈B33悉5级、HRB钟400级、RRB棒400级屈服强晶度fyk（标准值=钢材延废品限丢值，保旬证率97.尸73%吉）HPB2竖35级：fyk=235歌N/mm2HRB旅335级：fyk=335枯N/怎mm2HRB战400级、RRB谊400级：fyk=400败N/榴mm2HPB2殖35级(Ⅰ级)钢筋多为光面牧钢筋，多作为犁现浇楼起板的受割力钢筋斜和箍筋斜。HRB省335妈级(Ⅱ级溉)和HRB4东00级(Ⅲ级蚊)钢筋强度较高盒，多作为钢建筋混凝丽土构件院的受力跌钢筋，个尺寸较岔大的构兴件，也姥有用Ⅱ嫁级钢筋责作箍筋晓以增强与混引凝土的粘研结，外形墙制作成月福牙肋或等法高肋的变艇形钢筋。RRB4渡00级(Ⅳ级)钢筋强象度太高艰，不适贵宜作为三钢筋混期凝土构况件中的拳配筋，碑一般冷雕拉后作兵预应力嘱筋。延伸率d5=25溜、16栏、14绢、10吹%，直孩径8~猴40。钢丝，中强钢丝纸的强度为厘800~演1200谁MPa，掉高强钢丝撑、钢绞线淋的为1阻470仔~186决0MPa押；延伸率d10=6%吵，d100=3.5衡~4%；吼钢丝的直阻径3~9引mm；外素形有光面猪、刻痕和档螺旋肋三束种，另有邀二股、三悟股和七股抬钢绞线，乖外接圆直损径9.5百~15.冤2mm垃。中高强枝钢丝和钢抓绞线均用劲于预应力泊混凝土结劣构。冷加工钢胸筋是由热轧构钢筋和盘杆条经冷拉缴、冷拔、赴冷轧、冷喊扭加工后邀而成。冷侵加工的目库的是为了俭提高钢筋涉的强度，悔节约钢材疏。但经冷加庸工后，钢某筋的延伸锅率降低。近年来，件冷加工钢炸筋的品种悄很多，应僵根据专门摧规程使用占。热处理默钢筋是将Ⅳ级岂钢筋通过只加热、淬止火和回火日等调质工翅艺处理，柄使强度得娇到较大幅毅度的提高粱，而延伸谜率降低不住多。用于尘预应力混风凝土结构界。se2.2鸟.2定钢筋的现强度与罢变形◆有明显山屈服点嚼的钢筋a’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为联颈缩阶污段几个指循标：屈服强度：是钢筋强鸽度的设计踢依据，因为干钢筋屈醉服后将滚发生很赖大的塑英性变形孩，且卸胁载时这梢部分变爹形不可恢百复，这会印使钢筋俊混凝土给构件产础生很大谜的变形饰和不可批闭合的议裂缝。末屈服上捏限与加辽载速度稿有关，讯不太稳旁定，一澡般取屈朗服下限程作为屈总服强度耍。延伸狱率：钢筋拉态断后的伸股长值与原沈长的比率只，是反映废钢筋塑性己性能的指烈标。延伸括率大的钢付筋，在拉就断前有足馒够预兆，韵延性较好垫。屈强熟比：反映钢吃筋的强壶度储备么，fy/fu=0.6估~0.7榴。有明显毕屈服点稳钢筋的哭应力-苏应变关网系一般可钉采用双岸线性的婶理想弹定塑性关模系1Es◆无明显哄屈服点屠的钢筋a点：比狡例极限，掠约为0.届65fua点前：文应力-应乐变关系为紫线弹性a点后：乏应力-应洒变关系为妈非线性，示有一定塑动性变形，崖且没有明堤显的屈服勉点强度设计臂指标——条件岂屈服点残余应变须为0.2蔬%所对应哗的应力《规范》族取s0.2=0.寨85fu1）强度：要求链钢筋有虎足够的她强度和痰适宜的非强屈比采(极限稀强度与冒屈服强项度的比穴值)。圣例如，漫对抗震废等级为皆一、二租级的框驱架结构石，其纵司向受力君钢筋的伸实际强傍屈比不哨应小于未1.2葛5。2）塑性：要求挨钢筋应粥有足够态的变形翼能力。3）可焊性：要求钢物筋焊接后随不产生裂腐缝和过大香的变形，僚焊接接头冈性能良好志。4）与混凝需土的粘细结力：要求钢印筋与混凝颜土之间有秤足够的粘龙结力，以辽保证两者介共同工作芒。2.2.教3混凝筝土结构对矛钢筋性能冬的要求2.3票混凝潜土与钢堡筋的粘储结2.3算.1兵粘结的瓣意义粘结和舒锚固是晋钢筋和纯混凝土腔形成整蓝体、共鸦同工作燥的基础钢筋与氏混凝土难之间粘转结应力尚示意图（a）委锚固粘址结应力波（b）办裂缝间妙的局部翠粘结应茄力(a)(b)2.3.尖2粘结力廉的组成◆光圆钢筋让与变形钢谢筋具有不外同的粘结赴机理，其管粘结作用狮主要由三免部分组成嫩：（１）钢膨筋与混凝驳土接触面绝上的化学贯吸附作用恼力（胶结朗力）（２）嘉混凝土装收缩握仓裹钢筋泰而产生如的摩阻雄力。（呜摩阻力颂）（３）钢贤筋表面凹贼凸不平与违混凝土之机间产生的纷机械咬合怖作用力（格咬合力）挺。◆变形钢筋虚与混凝土尝之间的机江械咬合作斥用主要是屡由于变形州钢筋肋间化嵌入混凝俘土而产生下的。变形钢云筋和混堡凝土的凡机械咬扁合作用2.3.净3粘结欢强度◆测试◆计算公式式中N堪—钢筋的服拉力；ｄ蒙—钢筋的垒直径；贺ｌ—粘川结的长度允。◆不同强度奸混凝土的父粘结应力红和相对滑吸移的关系fcu=80.5MPaτ(MPa)τuτcrτr34.117.9161412108642012345S(mm)2.3.胡4影响险粘结的因声素影响钢筋皮与混凝土秤粘结强度决的因素很喉多，主要铜有混凝土强美度、保护层厚身度及钢筋净间熊距、横向配龙筋及侧向压应惨力，以及浇筑混凝世土时钢筋溉的位置等。Ａ.光圆查钢筋及变制形钢筋的苍粘结强度倚都随混凝丽土强度等某级的提高倚而提高，导但不与立淹方体强度患成正比。Ｂ.变形乖钢筋能够逝提高粘结壁强度。Ｃ.钢龟筋间的般净距对范粘结强迫度也有朴重要影谣响。Ｄ.横条向钢筋守可以限师制混凝寒土内部残裂缝的涌发展，罚提高粘隔结强度况。Ｅ.在直竹接支撑的阻支座处，赠横向压应看力约束了觉混凝土的捷横向变形驰，可