[工学]砼结构第2章混凝土结构材料的物理力学性能

1,第2章混凝土结构材料的物理力学性能,2.1混凝土的物理力学性能一.混凝土的组成结构1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂2.基本力学性质：（1）弹塑性、各向异性（2）水泥+细骨料+水 凝胶体（塑性）（3）粗骨料（弹性）,2,普通砼是由水泥、砂、石用水拌和硬化后形成的人工石材。通常把混凝土的结构分为三种类型：.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。.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。.宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。砂浆与粗骨料的界面是结合的薄弱面,几个重要的概念：界面裂缝 弹性骨架 塑性变形 水泥石砂与碎石界面 水泥晶体、未熟化水泥颗粒及砂石 凝胶孔、裂缝凝胶 承受外力及产生弹性变形 产生塑性变形,3,二.单轴向应力状态下的混凝土强度 混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力状态下的混凝土强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必须分别讨论。1.混凝土的抗压强度（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级A. 立方体抗压强度的物理意义：混凝土强度的 基本指标和评定混凝土强度等级的标准,4,B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法 a.标准试件：150mm 150mm150mm的立方体； （边长为100mm，乘0.95尺寸效应系数，边长为200mm，乘1.05尺寸效应系数。） b.标准制作条件：在温度（203）C和相对湿 度90%以上的环境下，养护28天； c.标准试验方法：试件表面不涂润滑剂、均匀加载 和匀速加“静”载；（加载速度 0.30.8N/mm2/s） d.单位：N/mm。,5,C.强度等级 a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度； b.数值确定：具有95%的保证率； c.工程符号： （ N/mm ），简写形式为C ； d .“规范”的等级范围：C15C80，共14级； e.应用范围：C15C45为普通混凝土，适用于一般的 混凝土结构； C50C80为高强混凝土，适用于预应力 混凝土构件。,6,D.试验方法对立方体抗压强度的影响 a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度低，其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样（见图2-1）； b.加载速度：速度快强度高，速度慢强度低（2）混凝土的轴心抗压强度A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 a. 标准试件： 150mm 150mm300mm的棱柱体； b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法； c. 工程符号： （ N/mm ），,见图2-1,7,B.关于 的讨论 a.高宽比：随着高宽比的增加， 会降低，但高宽比为3时，会稳定； b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：1轴心抗压强度与立方体抗压强度比值2高强混凝土脆性折减系数0.88经验折减系数 c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。,（2-1）,8,2.混凝土的轴心抗拉强度（1）确定方法：轴心受拉试验和劈裂试验；（2）由图2-6可知，混凝土轴心抗拉强度约为 立方体抗压强度的1/171/8；（3）在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混 凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心 抗拉强度不起决定作用。,9,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。,10,三.复合应力状态下混凝土的强度 1.关于双向应力状态下的强度变化规律 根据图2-7和图2-8可得到如下基本结论： （1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向； （2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向； （3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度 均低于相应的单向强度； （4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向； （5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强度有限增加。,11,图2-7,12,当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。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。,图2-8,13,2.关于三向受压状态下的强度变化规律 结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大 于双向和单向。3.关于实际工程运用 （1）目前“规范”尚无定量计算公式； （2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑 复合应力情况，从构造上加以调整。,14,四.混凝土的变形 变形的分类：受力变形荷载产生的； 体积变形收缩、温差即湿差产生的。1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力-应变关系 实际试验曲线如图2-9和图2-10，其规律为： a.应力-应变关系为曲线，上升段中仅有一小段直线； b.应力峰值对应的应变约为0.002（基本与等级无关）； c.混凝土强度高时其延性越差。,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。,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，对普通强度混凝土约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土可达(0.50.7)fc。 A点为比例极限。,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。,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。,达到峰值C点， C点对应的应力为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 e 0，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。 D点为反弯点。 D点对应的应变为,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坏，裂缝连通形成斜向破坏面。,E点为此段曲线中曲率最大的一点，也叫收敛点。EF段为收敛段，这时贯穿的主裂缝已很宽，内聚力几乎耗尽，对无侧向约束的砼， EF段已失去结构意义。,23,（2）混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型A.美国E.Hognestad模型（上升段为二次抛物线，下降 段为斜直线）用于美国ACI规范；（图2-11）B.德国Rsch 模型（上升段为二次抛物线，下降段采 用水平线）被欧盟和中国国家规范参考。（图2-12）（3）三向受压状态下混凝土的变形特点A.变形特点：侧压力约大，变形能力约好（强度也高）；B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。 参见图2-13和图2-14。,24,美国E.Hognestad模型,25, 我国规范应力-应变关系,上升段：,下降段：,26,（4）混凝土的变形摸量 由于混凝土的弹塑性性质，其模量是一个变数，通常有三种表示方法。A.弹性模量（切线模量）：通过重复加载的方 式确定；可参见图2-21（b）B.变形模量（割线模量）：参见图2-15；C.切线模量：对应力-应变曲线求导数确定；D.经验公式法：即式（2-13）。（5）混凝土轴向受拉时的应力-应变关系,27,弹性模量测定方法,注意：砼不是弹性材料，不能用已知的砼应变乘以规范中的弹性模量值求其应力。当其应力很低时，弹性模量与变形模量值才近似相等。,（2-13）,（4）混凝土的变形模量,弹性模量,变形模量,切线模量,（5）混凝土轴向受拉时的应力-应变关系,曲线形状与受压时相似,具有上升段和下降段。试验测试表明,曲线下降段的坡度随砼强度的提高而更陡峭。受拉弹性模量与受压弹性模量值基本相同。,31,2.荷载长期作用下混凝土的变形性能（1）徐变：在长期不变的荷载作用下，结构或构件产生的应变或变形；如图2-17；（2）线性徐变：随时间可以稳定（不在发展）的徐变；（3）非线性徐变：随时间不能稳定的徐变；（4）影响徐变的因素：A.保持的应力（荷载）大小：应力大时，徐变大；B.加载时的龄期：龄期早，徐变大；C.其它：水泥用量、水灰比、骨料、温度以及湿度。,影响因素内在因素：混凝土的组成和配比。水泥用量越多，徐变越大；骨料越坚硬，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响：包括养护和使用条件。受荷前养护的温越高、湿度越大，水泥水化作用越充分，徐变就越小。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越低，徐变就越大。,影响因素,应力因素：在应力不大的情况下，混凝土凝结硬化后 ,骨料之间的水泥浆 , 一部分变为完全弹性结晶体，另一部分是充填在晶体间的凝胶体，它有黏性流动的性质。当施加荷载时 , 在加载的瞬间结晶体与凝胶体共同承受荷载。 随着时间的推移 , 凝胶体由于黏性流动而逐渐卸载 , 此时晶体承受更多的外力并产生弹性变形。在这个过程中 , 从水泥凝胶体向水泥结晶体应力重分布 , 从而使混凝土徐变变形增加。在应力较大的情况下 , 混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加 , 也将导致混凝土变形的增加。,34,（5）徐变对结构的影响A.使结构产生应力重分布；B.使预应力产生损失。3.混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）（1）疲劳破坏：荷载重复作用引起的破坏；（2）疲劳强度：荷载重复作用下使应力应变 曲线始终保持密合直线的最 大应力值；见图2-21；4.混凝土的收缩与膨胀（参见P.20-21）,混凝土变形介绍本小结结束。下一节,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,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。,2.1 混凝土的物理力学性能,如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr,37,2.2钢筋的物理力学性能一.钢筋的品种和级别1.钢筋的分类（1）根据化学成分：A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点 是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加；B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性， 加入少量合金元素。,38,钢筋的种类及选用,39,（2）根据生产工艺：A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳素 钢和普通低合金）；B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火 和回火），主要是提高强度，而 降低塑性不多；C.冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进行 冷拉或冷拔。,40,（3）根据钢筋外型：（见图2-23）A.柔性钢筋：普通钢筋; a.光圆钢筋：表面是光滑的； b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）； c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋；小于或 等于4mm称为钢丝。B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。（4）根据力学特性：A.软钢：有明显屈服台阶；（见图2-24）B.硬钢：无屈服台阶；（见图2-25）,41,Fig. 我国常见钢筋外形,42,2.钢筋的级别（1）分级原则：力学特性；（2）具体分级：级钢，HPB235，强度标准 值为235 N/mm ； 级钢，HRB335，强度标准 值为335 N/mm ； 级钢，HRB400，强度标准 值为400 N/mm ；,43,3.关于冷加工钢筋（1）冷拉A.加工方法：在常温下将钢筋拉伸至屈服，然 后卸载；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时， 其屈服强度将增大，但塑性降低；C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时间 后，屈服强度增加的现象。,44,（2）冷拔A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其自身直 径还小的硬质合金拔丝模拉伸至 屈服；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或压 缩时，其屈服强度将增大，但塑 性降低。,45,二.钢筋的强度与变形1.钢筋屈服强度的取值:(屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。）（1）软钢：取其屈服下限；（2）硬钢：取其极限抗拉强度的85%；（称为 条件屈服点）（3）结构设计时，用钢筋的屈服强度进行计 算，其极限抗拉强度作为安全储备。2.钢筋的变形力学指标：伸长率和冷弯性,2.2.2 钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋,ef为颈缩阶段,无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2 =0.85 fu,两个指标：延 伸 率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。,屈 强 比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,49,三.钢筋应力-应变曲线的数学模型1.双直线（完全弹塑性）图2-26（a），为我国采用；2.三折线（完全弹塑性+硬化）图2-26（b）；3.双斜线（弹塑性）图2-26（c）。四.钢筋的疲劳五.混凝土结构对钢筋性能的要求1.较高的强度；2.良好的塑性；3.良好的可焊性；4.较强的耐火性；5.钢筋与混凝土良好的粘结力。,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系,2.3 混凝土与钢筋的粘结,2.3.1粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。,钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力,2.3.2粘结力的形成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。（）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。（）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。,变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。,变形钢筋和混凝土的机械咬合作用