第2章 钢筋和混凝土材料的基本性能.

1、 第第2 2章章 钢筋钢筋和和混凝土混凝土材料的基本性能材料的基本性能2.1 2.1 钢筋的基本性能钢筋的基本性能一、钢筋的品种1、按化学成分不同分、按化学成分不同分碳素钢：碳素钢：主要成分为铁主要成分为铁合金钢：合金钢：在碳素钢基础上加入一定量的合金元素在碳素钢基础上加入一定量的合金元素 建筑中常用建筑中常用低合金钢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。钢材中的钢材中的有害元素为硫、磷、氧有害元素为硫、磷、氧，在冶炼过程中尽可能除去。，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，在高温状态下轧制

2、成型，钢筋混凝土中常用钢筋混凝土中常用钢绞线：钢绞线：预应力钢丝：预应力钢丝：预应力螺纹钢筋：预应力螺纹钢筋：2、按加工工艺和、按加工工艺和力学性能分力学性能分预应力混凝土中的预应力筋预应力混凝土中的预应力筋热轧钢筋热轧钢筋 附表附表1，P343热轧钢筋按其热轧钢筋按其强度由低到高分强度由低到高分为：为：HPB300： 光面钢筋，碳素钢光面钢筋，碳素钢HRB(F)335： 变形钢筋，低合金钢变形钢筋，低合金钢HRB(F)400、RRB400： 变形钢筋，低合金钢变形钢筋，低合金钢HRB(F)500： 变形钢筋，低合金钢变形钢筋，低合金钢 （随强度增加，（随强度增加，塑性逐渐下降）塑性逐渐下降）

3、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、钛等合金元素的元素的普通低合金钢普通低合金钢，由于钢筋用量巨大，近年来已造成钒、，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。应用带来不利影响。细晶粒热轧带肋钢筋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，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

4、程中，通过控轧和控冷工艺轧制成的带金元素，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。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

5、，社会效益和经济效益均十分显著。和钢筋的价格，社会效益和经济效益均十分显著。生产厂厂标生产厂厂标“4”代表代表HRB400 二、钢筋的力学性能通过钢筋的应力应变 曲线来研究lPPAAPll（一）强度：应力（一）强度：应力（二）变形：应变（二）变形：应变比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyftedabcoa 弹性阶段弹性阶段b屈服强度屈服强度：作为作为设计时钢筋设计时钢筋强度强度取值的取值的依据依据cd强化阶段强化阶段d极限强度极限强度：钢筋破坏时的实际强度钢筋破坏时的实际强度1、有明显流幅的钢筋：、有明显流幅的钢筋： 软钢软钢 (热轧钢筋热轧钢筋)de 颈缩阶颈缩阶段段 ac屈服屈服阶

6、段阶段四个四个阶段阶段:二个强度指标二个强度指标：（一）钢筋的应力应变曲线（强度）（一）钢筋的应力应变曲线（强度）0.2% 0.2(N/mm2)o 工程上取工程上取条件屈服强度条件屈服强度 0.2 作为强度取值的依据。作为强度取值的依据。2、无明显流幅的钢筋：、无明显流幅的钢筋： 硬钢硬钢 (钢丝、预应力螺纹钢筋钢丝、预应力螺纹钢筋) 0.2的定义：的定义：取残余应变取残余应变 = 0.2%时的应力。时的应力。规范规定规范规定： 0.2=0.85 bab强度指标强度指标： b点的点的极限抗拉强度极限抗拉强度yfyf 钢筋的受压弹性模量和受拉时相同。钢筋的受压弹性模量和受拉时相同。钢筋的弹性模量

7、见钢筋的弹性模量见附表附表6。3、钢筋的弹性模量、钢筋的弹性模量应力应力-应变曲线上应变曲线上弹性阶段弹性阶段应力与应变的比值。应力与应变的比值。（二）钢筋的变形性能（二）钢筋的变形性能1、伸长率：、伸长率：2、冷弯性能：、冷弯性能：弯心直径弯心直径：越小，冷弯性能越好越小，冷弯性能越好冷弯角度：冷弯角度：越大，冷弯性能越好越大，冷弯性能越好钢筋钢筋塑性（变形）塑性（变形）指标：指标：伸长率、冷弯性能伸长率、冷弯性能 伸长率越大，塑性和变形能力越好伸长率越大，塑性和变形能力越好%10000lll规范规范采用采用最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率来评定钢筋的塑性，见附表来评定钢筋的塑性，见附表

8、5。 gt%100)(sb00gtELLL（三）钢筋的疲劳性能（三）钢筋的疲劳性能疲劳破坏：疲劳破坏：在重复、周期荷载作用下的破坏在重复、周期荷载作用下的破坏疲劳强度疲劳强度：附表：附表7、附表、附表8。 钢材的疲劳强度远低于抗拉强度设计值。钢材的疲劳强度远低于抗拉强度设计值。 冷加工的方法冷加工的方法：冷拉、冷拔等。冷拉、冷拔等。 冷加工的目的：冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高强度，节约钢筋。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：冷加工对钢材性能的影响：三、钢筋的冷加工冷拉冷拉：可采用冷拉控制应力和冷拉可采用冷拉控制应力和冷拉伸长伸长率控制。率控制。 冷拉可提高

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

10、基本性能 混凝土的强度受多种因素的影响，如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、养护条组成材料、配合比、浇筑、振捣、养护条件、龄期、测定方法等。件、龄期、测定方法等。 混凝土是由胶凝材料（水泥）、水和粗、细骨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。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。程中一般利用混凝土来承受压力。力学特点力学特

11、点定义定义强度影响因素强度影响因素本节主要讲述混凝土的本节主要讲述混凝土的强度指标强度指标和和变形变形。 1 1、立方体抗压强度和强度等级、立方体抗压强度和强度等级 （1 1）立方体抗压强度）立方体抗压强度: :按照标准方法的制作边长为按照标准方法的制作边长为150150的立的立方体试件，在标准养护条件（温度方体试件，在标准养护条件（温度2020士士2 2，相对湿度，相对湿度9595以上）以上）下，养护至下，养护至2828龄期，按照标准的测定方法测定其抗压强度值龄期，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不同的试件尺寸的强度换算: 边长为边长为 100的

12、立方体试件，换算系数为的立方体试件，换算系数为0.95； 边长为边长为200的立方体试件，换算系数为的立方体试件，换算系数为1.05。 由于尺寸效应的影响由于尺寸效应的影响：fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200) （2）强度等级）强度等级 按按立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值是是具有具有95保证率的保证率的立方体立方体抗压强度。抗压强度。 规范规范将混凝土共划分为将混凝土共划分为14个个强度等级，即强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C

13、55、C60、C65、C70、C75、C80。 混凝土强度等级混凝土强度等级C60以下的为普通混凝土，以下的为普通混凝土，C60及及C60以上以上的为的为高强高强混凝土。混凝土。 在混凝土的强度等级中，在混凝土的强度等级中，C表示混凝土，其后的数字表示表示混凝土，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表示混凝土的立方体抗压强度标准值大于等于压强度标准值大于等于30 MPa。 规范规范对混凝土的强度等级的基本要求：对混凝土的强度等级的基本要求：2、 轴心抗压强度轴心抗压强度 为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的为了使测得的混凝土强

14、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。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我国现行规范标准规定，测定轴心抗压强度采用 150 150 300棱柱体作为标准试件。棱柱体作为标准试件。mcuccmcff,21,88. 03、 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 混凝土的抗拉强度很低，一般只有抗压强度的混凝土的抗拉强度很低，一般只有抗压强度的1/81/18.当混凝土强度等级提高时，抗拉强

15、度的增加不及抗压强度提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。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，但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要意义，是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。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混凝土的各种强度值见附表9和附表和附表10。1 1、混凝土在一次短期加载时的变形、混凝土在一次短期加载时

16、的变形OA 弹性阶段弹性阶段 A : 0.3fcAB 弹塑性弹塑性阶段阶段 : 0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段裂缝稳定阶段BC 裂缝不稳定阶段裂缝不稳定阶段 : 0.8 fc 1.0 fcCBDEfc00Acu特征点：特征点：fc - 轴心抗压强度轴心抗压强度 0 -对应于峰值点应变对应于峰值点应变 ， 0 = 0.002 cu - 混凝土极限压混凝土极限压应变，应变， cu = 0.0033二、混凝土的变形性能00原点弹性模量：原点弹性模量：0ctanE)N/mm(7 .342 . 2102kcu,5cfE弹性模量弹性模量混凝土弹性模量的数值见附表混凝土弹性模量的数值见附表11。2 2

17、、混凝土在重复荷载作用下的变形、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个数值，然后卸荷至零，并把这一循环多次重复下去，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。就称为多次重复荷载。 通常把能使试件循环通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏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，用符号的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度，用符号 表示。表示。ffc混凝土的疲劳抗压强度远远低于轴心抗压强度设计值。混凝土的疲劳抗压强度远远低于轴心抗压强度设计值。3 3、混凝土在荷载长期

18、作用下的变形、混凝土在荷载长期作用下的变形徐变徐变 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。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，一年内可完成徐变初期增长较快，以后逐渐变慢，一年内可完成90%90%左右左右 。荷载作用时间(d)020406080100120140160X10-51030507090110加荷卸荷残余应变徐变恢复瞬时恢复徐变应变瞬时应变应变 ( )图 2.6 混凝土的徐变曲线 徐变对混凝土结构的影响：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

19、应力增大；）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；）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。）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：影响徐变的因素有： （1）水灰比）水灰比 （2）水泥用量）水泥用量 （3）骨料所占的比例及性能）骨料所占的比例及性能 （4）养护条件（温度、湿度）养护条件（温度、湿度）一般应尽可能减小混凝土的徐变。一般应尽可能减小混凝土的徐变。 （1）温度变形）温度变形 混凝土的热胀冷缩变形称为温度变形。混凝土的热胀冷缩变形称为温度变形。 混凝土温度

20、线膨胀系数约为混凝土温度线膨胀系数约为(1.01.5)10-5, 即温度升高即温度升高（或降低）（或降低）1度度,每米约膨胀（或收缩）每米约膨胀（或收缩）0.010.015mm。 对大体积混凝土工程，应设法降低混凝土的发热量，如使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考虑混凝土温度变形所产生的危害，每隔一段长度应设置

21、温度伸缩缝。伸缩缝。4 4、混凝土的温度变形和收缩、膨胀、混凝土的温度变形和收缩、膨胀 （2）干湿）干湿（收缩和膨胀）（收缩和膨胀）变形变形 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。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，严重影响混凝土危害较大，干缩可能使混凝土表面出现拉应力而开

22、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。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：减少混凝土的干缩变形：加强养护；在养护期内使混凝土保持潮湿环境。加强养护；在养护期内使混凝土保持潮湿环境。减小水灰比；水灰比大，会使混凝土收缩量大大增加。减小水灰比；水灰比大，会使混凝土收缩量大大增加。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。性比水泥好，减少混凝土的收缩。加强振捣。混凝土捣固的愈密实，内部孔隙量愈少，收缩量愈小加强振捣。混凝土捣固的愈密

23、实，内部孔隙量愈少，收缩量愈小。2.3 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结一、粘结力的组成一、粘结力的组成 1 1、化学胶结力：、化学胶结力：混凝土在结硬过程中，水泥胶体与钢筋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。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 2、摩擦力：、摩擦力：由于混凝土的收缩，使钢筋周围的混凝土握由于混凝土的收缩，使钢筋周围的混凝土握裹在钢筋上，当钢筋和混凝土之间出现相对滑动的趋势，则此裹在钢筋上，当钢筋和混凝土之间出现相对滑动的趋势，则此接触面上将出现摩擦力。接触面上将出现摩擦力。 3 3、机械咬合力：、机械咬合力：由于钢筋表面粗糙不平所产生的机械咬由于钢筋表面粗糙不平所产生的机械咬合作用。合作用。变形钢筋机械咬合力大大高于光面钢筋的机械咬合力。变形钢筋机械咬合力大大高于光面钢筋的机械咬合力。二、影响粘结力的主要因素影响粘结力的主要因素1 1、混凝土强度：、混凝土强度：强度等级越高，强度等级越高，粘结力强。粘结力强。2 2、混凝土保护层厚度及钢筋净间距、混凝土保护层厚度及钢筋净间距 混凝土保护