基本力学性能-钢筋混凝土原理_过镇海.ppt

第1章基本力学性能，1.1材料的组成和材料性的特征1.2抗压强度1.3受压应力应变全曲线1.4抗拉强度和变形1.5抗剪强度和变形，1.1混凝土的组成结构和材料性的特征，1.1.1材料的组成和内部结构1.1.2材料性的基本特征1.1.3力破坏的一般机理，混凝土这是一种多相复合材料，其质量好坏与材料、施工配合比、施工技术、龄期、环境等诸多因素有关。 其组成结构通常分为宏观结构：砂浆和粗骨料双组分体系。 亚微观结构：混凝土中的水泥砂浆结构。 微观结构：即水泥石结构，由水泥凝胶、结晶骨架、未水化的水泥粒子和凝胶孔组成。 1.1.1材料的组成和内部结构，宏观结构、亚微观结构、微观结构、干缩、孔隙、凝胶、混凝土结构、晶体骨架：由未水化颗粒组成，具有受外力弹性变形的特点。 塑性变形：外力作用下产生凝胶、孔隙和微裂纹。 破坏的起源：由于空隙、微裂纹等原因。 PH :由于水泥石中存在氢氧化钙，混凝土偏向于碱性。 水泥凝胶硬化过程完成需要几年时间，混凝土的强度、变形也随时间变化，强度逐渐增加，变形逐渐增大。 由于混凝土材料的不均匀微结构、局部缺陷和离散性大，得到正确的计算结果是极其困难的。 因此，主要探讨了混凝土结构的宏观力学反应，即混凝土结构在一定尺度范围内的平均值。 混凝土不均匀性、不均匀性的根本原因：混凝土粗骨料和水泥砂浆在宏观结构中的随机分布，以及两者在物理和力学性能上的差异。 粗骨料和水泥浆体物理力学性能指标的代表值、施工和环境因素会引起混凝土的不均匀性和不均匀性。 混凝土受到不同方向(即与混凝土浇筑方向平行、垂直或倾斜)的应力时，其强度和变形值不同。 例如，混凝土立方体试验片、标准试验方法规定在垂直浇注方向施加载荷来测定抗压强度，其值略低于在平行浇注方向施加载荷的值。 总之，混凝土材料的不均匀性和不均匀性的重量主要取决于原材料的均匀性和稳定性，制作过程的施工作业和管理的细微程度，其直接结果影响混凝土的质量(材料性质的指标和偏差)。 1.1.2材料性质的基本特征，混凝土的材料组成和结构受其基本力的特征：1 .复杂的微内应力，变形和裂缝状态2 .变形的多元组成3 .应力状态和途径对力学性能的巨大影响4 .时间和环境条件的巨大影响，1 .复杂的微内应力，变形和裂缝状态， 混凝土可视为由粗骨料和硬化水泥砂浆两种材料组成的不规则三维实体结构，具有不均匀性、非线性和不连续性。 混凝土在承受载荷(应力)前，存在复杂的微观应力、应变和裂缝，受力后变化更为剧烈。 混凝土收缩引起骨料界面微裂缝混凝土凝固过程中，水泥的水化作用在表面形成凝胶体，水泥浆料逐渐增粘、硬化，与粗骨料形成一体。 在此过程中，水泥浆脱水收缩变形远大于粗骨料。 这种收缩变形差异是粗骨料受压，砂浆受拉，有其他应力分布。 这些应力场在截面上的合力为零，但局部应力可能较大，骨料界面会产生微裂纹。 温差引起的界面微裂纹粗骨料和水泥砂浆的热工性能(线膨胀系数等)存在差异。 混凝土中水泥发生水热和环境温度变化时，两者的温度变形差相互约束，形成温度应力场。 此外，由于混凝土是热惰性材料，因此温度梯度大，温度应力增强。混凝土受到均匀应力混凝土受到外力作用时，即使作用应力完全均匀，混凝土内也会产生不均匀的空间微应力场，取决于粗骨料与水泥砂浆的面积比、形状、排列与弹性模量值、界面的接触条件等。 在应力的长期作用下，水泥砂浆与粗集料的渐变差在混凝土内部产生应力再分布，粗集料受到更大的压缩应力。 微观分析混凝土必须考虑非常复杂随机分布的三维应力(应变)状态。 对混凝土的宏观力学性能如裂缝、裂缝扩展、变形、极限强度和破坏形态等有很大影响。 混凝土内部的初始气孔和间隙，其前端附近因收缩、温度变化或应力作用形成局部应力集中区域，其应力分布更复杂，应力值更高。 2 .变形后的多元组成混凝土在受到应力作用和环境条件变化时会发生相应的变形。 例如，骨料的弹性变形、水泥凝胶的粘性流动、裂缝的形成和扩张后的变形部分与混凝土的应力成比例地不变化，并且卸载后的大部分不能恢复，一般总称为塑性变形。 骨料弹性变形混凝土中的石头和砂，其强度和弹性模量值比其混凝土高得多。 混凝土达到极限强度值时，骨料不破碎，变形在弹性范围内，即变形与应力成正比，卸载后变形全部恢复，不留变形。 水泥凝胶的粘性流动水泥经过水化作用生成的凝胶，除了应力立即产生的变形之外，随着时间的推移还会产生缓慢的粘性流(移动)，混凝土的变形增加，形成塑性变形。 卸载后，此部分的变形通常无法恢复，会发生残留变形。 由于裂缝的形成和扩展拉伸应力，混凝土在应力的垂直方向上产生裂缝。 裂缝存在于粗骨料界面和砂浆内部，裂缝不断形成和扩展，拉伸变形迅速增加。 压缩应力作用下，混凝土几乎沿应力平行方向产生纵向裂缝，穿过粗骨料界面和砂浆内部。 这些裂缝的增加、伸展和扩展，使混凝土分成多个小柱体，纵向变形变大。 应力下降过程中，变形继续增加，卸载后的大部分变形无法恢复。 不同材料和组成的混凝土，在不同的应力水平上，这三个部分的变形所占的比例发生着很大的变化。 混凝土应力低时，骨料弹性变形占主要部分，总变形小随应力增大，水泥凝胶粘性流变逐渐加速增大接近混凝土极限强度时，裂缝变形显着，但其数量大，很快超过其他变形成分。 应力峰值后，随着应力的降低骨料的弹性变形开始恢复，凝胶的流动减少，但龟裂的变形变大。 3 .应力状态和路径对力学性能影响较大的混凝土单轴拉伸与抗压强度之比约为1:10，对应峰形变之比约为1:20。 两者的破坏形态有着根本的区别。 混凝土基本受力状态下力学性能的较大差异如下：混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏形态等存在较大变化范围横向和纵向的应力(变化)梯度时，混凝土的强度和变形值还会变化负荷(应力)的反复加减和反复作用， 混凝土发生不均匀变形滞后、刚度退化和残馀变形等现象多轴应力不同的作用途径改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件，在混凝土中出现了不同的力学性能反应。 下一章对上述内容进行了说明。4、时间和环境条件的重大影响如下： (1)混凝土长期水合作用；(2)环境温度和湿度变化在混凝土内部变化的不均匀温度场和湿度场；(3)混凝土碳化；(4)介质中氯离子对水泥(和钢筋)的腐蚀作用，使混凝土结构的耐久性降低； 由于混凝土的这些材料特征决定了其力学性能的复杂性、变化和离散性，混凝土材料的性质和组成差异很大，因此从完全微观定量分析解决了混凝土的性能问题，得到了准确实用的结果，从结构工程的角度出发， 以一定尺度(例如70mm或34倍粗骨料粒径)的混凝土体积为单元，视为连续、均质、各向同性的材料，以其平均强度、变形值、宏观破坏形态等为研究基准，可具有较稳定的力学性能。 同时，采用相同尺度的标准试件测定各性能指标，总结统计和分析建立的破坏(强度)标准与结构关系，在实际工程中应用，一般具有足够的准确性。 1.1.3受力破坏的一般机理，在混凝土受力之前已经证实存在初期的微裂缝，出现在大的粗骨料界面上。 从受力开始到达到极限载荷，混凝土内的微裂纹逐渐增加和扩展，可以分为3个阶段：1.微裂纹相对定期地(/max0.30.5 )载荷的反复作用和长时间持续微裂纹没有大的发展，残留变形2 .稳定裂纹发展期(/max0.750.9 )粗骨料的界面裂纹突然扩大，延伸，进入水泥砂浆的水泥砂浆裂纹加速发展，界面裂纹相连。 裂缝相连，形成连续的裂缝，或称为纵向裂缝。 骨料裂纹也可能发生。 这一阶段的应力增加不大，但裂缝发展迅速，变形发展很大。 即使应力维持一定值，裂纹也会继续发展，无法维持稳定的状态。 纵向缝隙将试料分成多个柱体，承载力下降，导致混凝土的最终破坏。 破坏机理如下：首先水泥砂浆沿粗骨料界面和砂浆内部形成微裂纹；应力增大后，这些微裂纹逐渐延伸、扩展，联系变得宏裂纹；砂浆损伤积累，与骨料联系起来混凝土的强度和变形性能主要取决于水泥砂浆的质量和密实性。 改善混凝土强度和结构性能的措施：改善和提高水泥砂浆质量。 1.2抗压强度、1.2.1立方体抗压强度1.2.2棱柱体试样的受力破坏过程1.2.3主要抗压性能指标值、1.2.1立方体抗压强度，在我国国家标准GBJ50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准中有规定：标准试样取边长150mm的立方体，用钢模成型，浇注、捣固后静置一夜，将试样拆解，制成标准养护室(220 ) 相对湿度95% )，28日龄后取出试料，擦拭表面的水，放入试验机，在注射的垂直方向上施加压力，以每秒0.30.5N/mm2的速度连续加载直至试料破坏。 试验片的破坏载荷除以受压面积的是混凝土的标准立方体破坏强度fcu、N/mm2(Mpa )。 试验机通过钢背板对试验片施加压力。 由于垫板的刚性受到限制，以及试验片内部和表层受力的状态和材料性能不同，试验片受压面上的纵向压力应力分布变得不均匀。 同时，板约束试验片的横向变形，水平摩擦力作用于试验片的受压面。 垂直中轴线上各点为明显的三轴压力，四条垂直边接近一轴压力，受压面水平周边为二轴压力，垂直面上各点为二轴压力或二轴压力/拉伸，内部各点为三轴压力或三轴压力/拉伸应力状态。 在试验片接近破坏之前，首先在试验片高度的中央、侧面附近产生纵向裂纹，向上和向下延伸，逐渐转向试验片的角部，形成正反相连的八字形裂缝。继续增加负荷，新八字的缝隙从表层向内部扩展，中部混凝土开始向外膨胀剥落，终于成为正反相接的四角锥的破坏形态。 另外，当所采用的试样的形状和尺寸不同时，例如边长为100mm或200mm的立方体、H/D=2的圆柱、混凝土的破坏过程和形态相同，但所得到的抗压强度值根据试样的受力条件和尺寸效果而不同。 比较试验中显示的试料的抗压强度的换算关系如表所示。 表1-2不同形状和尺寸试验片的混凝土抗压强度相对值、混凝土立方试验片的应力和变形状况及其破坏过程和破坏形态表明标准试验方法在试验片上没有建立均匀的单轴压迫应力状态，据此测量也不是理想的混凝土单轴抗压强度。 当然，实际结构中应力状态和环境条件变化较大的混凝土的实际抗压强度无法表现出来。 然而，混凝土的标准立方体抗压强度仍然是确定混凝土强度等级、评价和比较混凝土强度和制作质量的最主要相对指标，是判定和计算其他力学性能指标的基础，因此具有重要的技术意义。 为了消除1.2.2棱柱体试验片受力破坏过程、立方体试验片两端局部应力和约束变形的影响，采用棱柱体(或圆柱体)试验片进行了压坏试验。 载荷面上不均匀分布的垂直应力和水平应力仅影响试件端部的局部范围(高度与试件宽度大致相等)，中间部分接近均匀的单轴承压力状态。 测量了混凝土棱柱体的抗压强度fc或轴心抗压强度。 试验结果表明，混凝土棱柱体的抗压强度随试件高厚度比(h/b )的增大而单调下降，但h/b2后，强度值没有太大变化。 因此，标准试样的尺寸为150150300，其他条件与标准试验相同。 当在混凝土方柱体试验片的受压试验中测定试验片的纵向和横向的应变(，)时，(1)能够描绘受压应力-应变(-)的全曲线，(vs=/，vt=d/d)； 体积应变(v-)曲线。 其典型变化规律如下图所示。 在试验过程中，试件表面的宏观裂纹的产生和发展过程，以及最终的破坏形态都可以很好地观察到。 混凝土的棱柱体抗压强度随立方体强度单调增加：1.2.3主要抗压性能指标1 .棱柱体抗压强度，各国研究人员给出许多经验公式或给出一定值，一般介于fc/fcu=0.780.88之间。 各国的设计规范从结构安全度的角度出发，一般采用较低的值。 例如，中国的规范表示轴压强度的基准值，该比值的变化范围在强度等级高时比大。C1=fc/FCUC1=0.76 (c50 )C1=0.82 (c80 )C2=1.0 (C40 )C2=0.87 (c80 )、2 .达到棱柱体抗压强度时的峰应变棱柱体试验片达到极限强度fc时的对应峰应变p虽然有微小的偏差，但锥形柱体试验片达到极限强度fc时的对应峰应变p也有微小的偏差本文作者对混凝土强度fc=20100N/mm2的试验数据进行了分析，结果表明了各国研究人员提出的许多经验计算公式。 原点切线弹性模量ElasticModulus、切线弹性模量SecantModulus、切线弹性模量TangentModulus、弹性系数n(coefficientofelasticity )随着应力变大而n=10.5,3、3、3 .混凝土弹性模量elastic 混凝土的受压应力应变曲级为非线性，弹性模量(或应变率)随应力或应变而连续变化。 在确定应力-应变曲线方程之后，可容易地计算所需的切割系数Ec、s=/或切线系数Ec，t=d/d。 为了比较混凝土的变形性能、计算构件的变形或将弹性模量比引入其它分析，可能需要特定的混凝土弹性模量值(Ec )。 一般来说，设为相当于结构使用阶段工作应力=(0.40.5)fc的切割模型值。现有的大量试验显示了混凝土弹性模量随其强度单调增加的规律，但偏差很大。 我国现行规范：弹性模量值的经验计算公式有多种。 试验中测量的混凝土试验片的横向变形和泊松比st等受纵裂纹的发生、发展及测量点位置的影响较大。 特别是，如果进入应力变形曲线的下降段p，则偏差变大。 在开始受力阶段泊松比约为： vs-vt=0. 160.23，一般为0.20。 混凝土内部形成