高等混凝土复习题

1、高等混凝土结构理论复习题一 、在钢筋混凝土受剪构件的力学性能分析中，推导内力臂Z为，式中:I为惯性矩，So为截面面积。二 、简要说明混凝土结构抗弯强度理论的基本假定。三、描述混凝土结构的碳化机理及影响因素。混凝土是一种多孔的结构材料，其内部存在着大量的微孔，这些微孔大多通过直接或间接的方式连通。混凝土暴露在室外时，空气中的CO2 渗透入混凝土的表面以及微孔中，在有水存在的情况下，与其中的碱性物质Ca(OH)2 和C-S-H 凝胶等发生反应，生成CaCO3 和H2O，是在气相、液相和固相中进行的一个复杂的多相连续的物理化学过程。碳化的结果，一方面，生成的CaCO3 和其它固态物质堵塞在混凝土孔隙

2、中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续的CO2 的扩散，使混凝土的密实度增加，强度得以提高；而另一方面，孔隙水中的Ca(OH)2 浓度以及pH 值降低，导致钢筋钝化膜破坏，会引起钢筋锈蚀。材料因素（1）水灰比水灰比是决定混凝土孔结构与孔隙率的主要因素，其中游离水的多少还关系着孔隙饱和度（孔隙水体积与孔隙总体积之比）的大小。由于CO2 的扩散是在混凝土内部的气孔和毛细孔中进行的，水灰比在一定程度上决定了CO2 的散系数，因此是混凝土碳化速率的主要影响因素之一。一般说来，水灰比增大，混凝土的孔隙率就增大，CO2的扩散系数增加，混凝土的碳化速率加大。（2）水泥的品种与用量水泥的品种决定着

3、各种矿物成分在水泥中的含量，水泥的用量决定着单位混凝土中水泥熟料的多少，两者加起来决定了水化后单位体积混凝土中水化产物的含量，即有多少可以碳化的物质。因此可以看出，水泥的品种与用量也是影响混凝土碳化的主要因素之一。另外，水泥的品种不同，混凝土的渗透性能也不同，对混凝土的碳化速率也有一定的影响。试验表明，在快速试验条件下，矿渣水泥混凝土的碳化比一般普通硅酸盐水泥混凝土快1020，在室外暴露条件下快5090。在水泥品种确定的情况下，水泥用量越大，单位体积混凝土中可碳化的水化产物就越多，可以消耗的CO2 也就越多，从而碳化速率也就越小。（3）骨料的品种及粒径骨料粒径的大小对骨料水泥浆粘结有很大的影响

4、，而骨料水泥浆的界面有一个过渡层，过渡层内结构疏松，孔隙较多。不同骨料，不同的粒径对界面层有影响，自然也会影响CO2 的扩散，从而对混凝土的碳化速率造成影响。一般说来，骨料的粒径太大会使得其与水泥浆结合较差，粒径太小又会使结合面的面积增大，因此，只有选择较为合适粒径的骨料，才会使碳化速率小。另外，具有碱活性的骨料在混凝土的养护过程中会发生碱骨料反应，消耗Ca(OH)2，从而使碳化速率加快。（4）混凝土掺合料在普通水泥混凝土中，掺入粉煤灰后，由于水泥中的熟料量相应的减少了，致使混凝土吸附CO2 的能力降低，但同时，由于粉煤灰混凝土的早期强度比较低，孔结构差，加速了CO2 的扩散速度，从而使得碳化

5、速度加快。Pagataki 研究了砂浆与混凝土中掺加粉煤灰对碳化的影响，结果表明，当粉煤灰掺量为10、20和30时的混凝土的碳化速率与不掺粉煤灰的混凝土相比，其碳化速率分别提高了1.06、1.13 和1.19 倍。（5）外加剂混凝土中加了减水剂后，能直接减少用水量；掺引气剂能使混凝土中的毛细孔形成封闭的互不连通的气孔，切断毛细管的通路，两者都可以使CO2 的扩散系数显著减小，从而大大降低混凝土的碳化速率。（6）混凝土自身的强度混凝土的强度是其最基本的性能指标，也是衡量混凝土品质的综合参数，它能反映密实度、孔隙率的大小，因此也能宏观的反映其抗碳化性能。总的说来，混凝土强度越高，内部结构越致密，碳

6、化速率就越小.环境因素（1）CO2 的浓度环境中的CO2 浓度越大，混凝土内外CO2 的浓度梯度就越大，CO2 向混凝土内部扩散的动力也就越大，越容易扩散进混凝土孔隙中；同时，CO2 的浓度越大，发生碳化的各个反应的反应速度就越大。因此，CO2 的浓度也是决定混凝土碳化速率的一个重要因素。一般来讲，大气中的CO2 浓度较低，乡村约为0.03，城市约为0.04，碳化速度近似与CO2 的平方根成正比。（2）相对湿度环境湿度对混凝土的碳化速率有着比较大的影响。相对湿度决定着混凝土孔隙水饱和度的大小，它一方面影响CO2 的扩散速率，另一方面影响碳化化学反应的进行（混凝土的碳化的化学反应均需在溶液中或溶

7、液和固体的接触面上进行）。若是在湿度较小（即很干燥）而CO2 浓度又较大的情况下，虽然CO2 的扩散较快，但由于提供反应的溶液较少，碳化速率还是较慢；湿度较高时，混凝土的含水率较高，微孔中充满了水，阻碍了CO2 气体在混凝土中的扩散，碳化速率也较慢。研究表明，相对湿度在7080左右的中等湿度时，碳化速率最快。（3）温度温度对化学反应的影响通常用Arrhenius 方程来表示，即：k=Zexp(-Ea/RT)其中，k化学反应的反应速率常数；Z活化能；R气体常数；T绝对温度。对于一般的化学反应，温度每升高10，反应速率约加快23 倍。温度对混凝土的碳化的影响有两方面：温度的升高使CO2 的溶解度降

8、低，但有使反应常数增大。目前各国学者在CO2 对混凝土碳化速率影响方面的意见不太一致。（4）应力状态试验表明，当f 不超过0.7fc（fc 为混凝土的抗压强度）时，压应力对碳化起延缓作用；压应力为0.7fc 时的碳化速率与无压应力时相当；当压应力超过0.7fc 时会使碳化速率加快。在拉应力作用下，当拉应力f 不超过0.3ft（ft 为混凝土的抗拉强度）时，应力作用不明显；当拉应力为0.7ft 时，碳化速率增加近30%。施工因素（1）施工质量施工质量直接影响混凝土的力学性能和耐久性，当然对混凝土的碳化也有很大的影响。在相同材料、相同环境条件下，实际工程中的混凝土碳化深度往往比实验室大得多，这主要

9、是由于施工质量的问题。混凝土浇注、振捣养护不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实度。因此，施工质量也是影响混凝土碳化的一个重要方面。实际调查结果表明，在其他条件相同时，施工质量好，混凝土强度高，密实度好，其抗碳化性能强；施工质量差，混凝土表面不平整，内部有裂缝、蜂窝、孔洞等，增加了混凝土中的扩撒路径，混凝土的碳化速度加快。（2）养护状况混凝土的养护状况对其碳化也有一定的影响。混凝土的早期养护不良，水泥水化不充分，使表层混凝土孔隙率增大，碳化加快。四、说明常用钢筋混凝土结构的有限元模型。钢筋混凝土有限元模型包括实体单元模型和杆系单元模型。实体单元模型包括分离式、组合式和整体式。三种模型，

10、只有分离式能考虑粘结和滑移。 分离式模型：将混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，可以插入联结单元模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，也可以不用联结单元，直接将钢筋和混凝土单元共节点或进行耦合。根据需要决定。 组合式模型：包括分层组合式、带钢筋的四边形单元、带钢筋膜的8节点六面体单元。这种模型运用较少。 整体式模型：将钢筋分布于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料，单元刚度矩阵综合了混凝土与钢筋单元的刚度矩阵，将钢筋化为等效的混凝土，然后计算单元刚度。一般实际工程均采用这种模型，单元划分少，计算量小，可适应复杂配筋。缺点是只能求得钢筋的平均应力，不能计算粘结应力。钢筋混

11、凝土杆系单元模型：通常用梁单元模拟结构中的梁柱构件，用带刚域的梁单元模拟剪力墙和连梁，用桁架单元模拟支撑。根据各个杆件的类型、尺寸和材料组成（混凝土强度、钢筋强度、配筋率、钢筋布置方式）、受力工况，设定相应的非线性恢复力关系（滞回曲线），然后输入荷载工况，得到整个结构的非线性行为。杆系有限元分析要解决两个核心问题：选择合适的杆件刚度模型，选择合适的恢复力关系。【比较公认的有分离式模型(discrete model), 分布式模型(smeared model)(也有称整体式模型)，组合式模型(也有称埋藏式模型embedded model)三种 (上述三种也称xxx钢筋模型)。 分离式模型把钢筋和

12、混凝土作为不同的单元处理，例如混凝土采用solid65，而钢筋采用link8等，可以根据不同的单元类型进行组合。在该模型中可以插入联结单元考虑粘结和滑移，当然如果认为粘结很好，也可以不考虑联结单元问题。该模型是唯一可以考虑钢筋和混凝土之间的粘结特性的。众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用)，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。 分布式模型是把钢筋以一定的角度分布于整个单元中，并认为二者粘结很好，单元是连续均匀的材料。单元刚度矩阵推导时，先组合弹性矩阵D，然后求得K。 组合式模型也认为二者之间粘结很好，没有相对滑移；又分为分层组合式、带钢筋膜的单元等方式。与分布式模型不同，该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单刚，然后组合起来，此为二者的差异