第三篇第二章第五节 普通混凝土的力学性质

1、School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院力学性质 水泥混凝土质量评价质量评价的重要指标 抗冻抗冻 也与混凝土也与混凝土 耐磨耐磨 密切相关密切相关 抗蚀抗蚀第五节 普通混凝土的力学性质School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院力学性质力学性质 变形变形强度强度劈裂抗拉强度劈裂抗拉强度 轴心抗压强度轴心抗压强度 立方体抗压强度立方体抗压强度抗弯拉强度抗弯拉强度 干缩变形干缩变形 徐变变形徐变变形 弹性变形弹性变形温度变形温度变形 混凝土与钢筋的粘结强度混凝土与钢筋

2、的粘结强度 School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p强度分布特征特征参数：平均值 、标准差 、变异系数cufvC1c1niiuffn211niiffncvuCf反映施工质量水平反映施工质量水平越大表示离散性越大，质量越不稳定越大表示离散性越大，质量越不稳定1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p强度分布特征强度保证率：大于设计强度等级（fcu,k）的概率P (图中阴影部分的面积)cu,kf正态分布正态分布 t与保证率有关P=95%，

3、t=-1.645P=90%，t=-1.281.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p立方体抗压强度cuf标准试件尺寸：标准试件尺寸：边长边长150mm的立方体试件的立方体试件 标准养护条件标准养护条件温度：温度：202相对湿度：相对湿度：95养护时间：养护时间：28d龄期龄期1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p立方体抗压强度cufcuFfA 混凝土抗压强度，MPa；F抗压试验中的极限破坏荷载，N； A试件的

4、承载面积,mm2。cuf以三个试件为一组，取三个试件测值的算术平均值作为该组试件的立方体抗压强度代表值，精确至0.1MPa。 1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 强度总体分布的平均值，MPa； 强度总体分布的标准差，MPa； 与保证率95%对应的保证率系数值；,cu kf,1.645cu kfff1.645p立方体抗压强度标准值 表示表示28d龄期，用标准方法测定的抗压强度总龄期，用标准方法测定的抗压强度总体分布中的一个值体分布中的一个值强度低于该值的概率强度低于该值的概率 =20.0MPa； “

5、C”代表代表混凝土混凝土 1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 混凝土轴心抗压强度，MPa； F 抗压试验中的极限破坏荷载，N； A 试件的承载面积,mm2。p轴心抗压强度cpfcpFfAcpf计算轴心受压构件，均以轴心抗压强度为指标（多用于高/宽2的构件）。采用150mm150mm300mm的棱柱体?cpcuff0.70.81.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p抗弯拉强度（抗折强度）cff在道路和机场工

6、程中，将抗弯拉强度作为重要指标。 采用150mm150mm550mm的梁形试件，标养28d，3分点加载Ffhb2cfFLfbhL1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p劈裂抗拉强度 tsf直接抗拉试验试件在夹具附近易产生局部破坏，且易受到弯折作用，结果波动较大；轴心抗拉设备困难，不易实现采用劈裂抗拉试验法劈裂抗拉试验法间接求出混凝土的抗拉强度。边长150mm的立方体试件 标养28d 通过垫条加载受拉 受压1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University

7、 长安大学公路学院长安大学公路学院p劈裂抗拉强度 tsf20.637tsFFfAAtsf 混凝土劈裂抗拉强度，MPa； F 劈裂抗拉试验中的极限破坏荷载，N； A 试件劈裂面面积,mm2。混凝土的混凝土的fts较低，较低，fts/fcu随随fcu的增高而有所减小。的增高而有所减小。 111020tscuff根据弹性力学理论1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院与轴心抗压强度的关系与轴心抗压强度的关系与抗弯拉强度与抗弯拉强度 的关系的关系 混凝土劈裂抗拉强度，MPa； 混凝土抗弯拉强度，MPa； A、m

8、 试验统计参数。mftsfAftsfffp劈裂抗拉强度 tsfcff0.9tscpff1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p混凝土与钢筋的粘结强度（握裹强度）p 组成：混凝土与钢筋之间的摩擦力、钢筋与水泥石之间的粘结力及变形钢筋的表面机械啮合力p 影响因素 混凝土质量 随混凝土抗压强度的增加而增加 钢筋的性质 钢筋的尺寸及变形钢筋种类 钢筋在混凝土中的位置（如水平钢筋或垂直钢筋） 加载类型（如是受拉钢筋还是受压钢筋） 干湿变化、温度变化n 试验方法：拔出试验 钢筋屈服、混凝土劈开或加载端钢筋滑移值过

9、大。1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院n混凝土开裂过程（1）预裂阶段 由于化学收缩、毛细管收缩及干燥收缩，在水泥石基材中预先就存在着许多微孔和原始裂缝。 由于泌水作用、干燥收缩、骨料与基材刚度的不一致，在骨料与基材的界面上也会出现许多尺度更大一些的孔洞和裂缝。 构件成型时未排尽的气泡也会成为裂缝扩展的引发元。 在大型混凝土构件中的温度上升导致的裂缝。1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院n混凝土开裂过程（

10、2）慢裂阶段（又称稳定开裂阶段） 引发：材料开始加载以后，由于界面区比较薄弱，裂缝从该处引发。（由于应力集中引起） 扩展：随着荷载的增大，这些裂缝在界面上延伸，并有一部分裂缝伸入基材。但由于荷载所提供的能量不够大，材料中的裂缝阻挡单元足以阻滞或延缓裂缝的扩展，因而裂缝生长缓慢。 外观上主要是弹性变形和塑性变形。1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院n混凝土开裂过程（2）快裂阶段（又称不稳定开裂阶段） 条件：荷载继续增大，或者虽然荷载大小不变但反复作用导致强度降低。若裂缝前沿的集中应力超过了一定数值，则

11、应力强度因子达到其临界值；或材料释放的能量达到了增加单位表面积所需要的表面能数量，即应变能释放率达到临界值。 表现：裂缝失去稳定，快速地扩展，互相贯通，导致整体的破坏。1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p影响强度的主要因素混凝土受力破坏模式图混凝土受力破坏模式图I 集料与水泥的粘集料与水泥的粘结界面破坏结界面破坏II集料本身的破坏集料本身的破坏III水泥石的破坏水泥石的破坏1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公

12、路学院p影响强度的主要因素混凝土的强度取决于混凝土的强度取决于界面粘结强度界面粘结强度水泥石强度水泥石强度集料强度集料强度水泥强度水泥强度 内因内因强度影响因素水灰比水灰比 集料特性集料特性水泥浆用量水泥浆用量 养护条件养护条件龄龄 期期外因外因施工质量施工质量养护温度养护温度 养护湿度养护湿度 组成材料组成材料1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院水泥强度和水灰比水泥强度和水灰比p影响强度的主要因素1.组成材料,WRF RC砼水泥石WC一定，一定，R水泥石R砼水泥品种一定，水泥品种一定，cufF W

13、 C水灰比水灰比定则定则,28,28(/)/acecubcecfdcefffC WffC W抗压强度抗弯拉强度cef可见，可见，ceff，cufcuff 反之，反之，CW，cufcuff 反之，反之，1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院（1930，瑞典人），瑞典人）cufCW1.25 2.5ceABfcuceCfAfBW当当W/C下降，工作性降低至某种方式不能捣实下降，工作性降低至某种方式不能捣实时，时，fcu开始下降开始下降水泥水化的理论水灰比为水泥水化的理论水灰比为0.23，但此时，但此时 难以

14、成型，导致强度降低难以成型，导致强度降低 在一定范围内，在一定范围内， 与与 成成 线性关系线性关系CWcuf 在一定范围内，在一定范围内， 与与 成成双曲关系双曲关系cufWCWCWC，cufp影响强度的主要因素1.组成材料1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 用量不足，砂浆粘聚性差，易出现离析，硬化后混凝土强度低，耐久性差，耐磨性差。 用量过多，成本提高，硬化后收缩大，易引起干缩裂缝。水泥浆用量水泥浆用量p影响强度的主要因素1.组成材料1.混凝土强度及影响因素School of Highway,

15、 Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院集料特性集料特性集料强度：集料强度： 集料强度不足，引起集料本身破坏集料强度不足，引起集料本身破坏粗集料颗粒形状、表面特征、洁净程度：粗集料颗粒形状、表面特征、洁净程度： 影响界面粘结强度，引起界面破坏影响界面粘结强度，引起界面破坏针片状含量：针片状含量：含量高，增加混凝土空隙，强度降低含量高，增加混凝土空隙，强度降低最大粒径：最大粒径： 影响抗弯拉和抗压强度，对前者影响更大影响抗弯拉和抗压强度，对前者影响更大级配：级配： 级配良好，混凝土密实，工作性好，不易离析级配良好，混凝土密实，工作性好，不易离析砂的级配与粗细程度：

16、砂的级配与粗细程度： 较多粗砂、适量中砂、少量细砂的组成，空较多粗砂、适量中砂、少量细砂的组成，空 隙和比表面较小，级配理想，因此砂浆少，隙和比表面较小，级配理想，因此砂浆少， 强度大，工作性好强度大，工作性好p影响强度的主要因素1.组成材料1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 适宜的养护环境才能保证水泥水化的正常进行。 因此，水化速度与程度、水化产物结构特征都取决于养护的温度和湿度条件。p影响强度的主要因素2.养护条件1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan U

17、niversity 长安大学公路学院长安大学公路学院 T ，初期水化速度 ，混凝土早期强度 。 相对较低的温度下，水泥的水化反应速度 ，水化物分布均匀，后期强度 。 T过低，或降至冰点以下，水化停止，强度降低 养护温度养护温度最佳水化温度：硅酸盐水泥最佳水化温度：硅酸盐水泥13oC 快硬硅酸盐水泥快硬硅酸盐水泥13oCp影响强度的主要因素2.养护条件1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 湿度不足，水化反应不能顺利进行或停止，将严重降低混凝土的强度 水泥石结构松散，形成干缩裂缝，影响耐久性。 养护湿度

18、养护湿度空气中养生，所有龄期的混凝土强度降低空气中养生，所有龄期的混凝土强度降低夏季温度高，水分蒸发快，更应注意养护夏季温度高，水分蒸发快，更应注意养护1-空气养护2-九个月后水中养护3-三个月后水中养护4-标准湿度条件下养护p影响强度的主要因素2.养护条件1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 标养下，t ，水化愈充分，水化产物愈多，强度 ， 37d内发展较快，28d达到设计强度后，逐渐缓慢。 龄期与强度的相关性良好 龄期龄期 常数坐标对数坐标p影响强度的主要因素2.养护条件1.混凝土强度及影响因素

19、School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 在混凝土施工过程中，可根据混凝土的这种特性，由早期强度推算后期强度,lglgcu ncu anffa龄期龄期cuflg xlgalgn,cu af,cu nf n天龄期的混凝土抗压强度，MPa a天龄期的混凝土抗压强度，MPa,cu af,cu nfp影响强度的主要因素2.养护条件1.混凝土强度及影响因素由于强度影响因素复杂，并未能得到准确的推算方法，目前多根据地区经验数据推断。School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院

20、 力学强度还受试验条件的影响：试件形状与尺寸、试件湿度、试件温度、支承条件和加载方式等。p影响强度的主要因素3.试验条件和施工方法立方体立方体棱柱体棱柱体圆柱体圆柱体压板对试件的约束作用 破坏后残存的棱柱体 不受压板约束时试件的破坏情况1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院三辊轴摊铺三辊轴摊铺排式振捣棒振捣排式振捣棒振捣美国产滑模摊铺机美国产滑模摊铺机械械德国产滑模摊铺机械德国产滑模摊铺机械混凝土结构物的施工质量同样会对混凝土的强度产生影响，包括：配料的准确性、搅拌的均匀性、振捣效果等。p影响强度的主

21、要因素3.试验条件和施工方法1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p提高强度的措施 采用高强度水泥和特种水泥 采用低水灰比和浆集比 掺加外加剂 采用湿热处理方法 采用机械搅拌和振捣1.混凝土强度及影响因素School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院 弹性变形弹性变形: :荷载施加于材料时立即出现、荷载卸除后立即荷载施加

22、于材料时立即出现、荷载卸除后立即消失的变形。消失的变形。 但泥混凝土应力但泥混凝土应力应变关系是应变关系是非线性的非线性的，当卸荷后其变形，当卸荷后其变形并不能恢复到原点。并不能恢复到原点。 p混凝土的变形弹性变形和弹性模量荷载/应力变形/应变弹性模量弹性模量E2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p混凝土的变形弹性变形和弹性模量混凝土的弹性模量为变量：混凝土的弹性模量为变量：初始切线模量初始切线模量切线模量切线模量 割线模量割线模量 （工程常用）（工程常用）1tan3tan2tan1211应力应力应变应变3抗

23、压模量抗压模量0.4cpfcccE抗折模量抗折模量3231296cfFlEJ2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p混凝土的变形弹性变形和弹性模量测试方法测试方法 0accFFlEAsFa 终荷载，终荷载， fcp对应的荷载；对应的荷载；F0 初荷载，初荷载，0.5MPa对应的荷载；对应的荷载； 第第5次加载，试件两侧弹性变形均值次加载，试件两侧弹性变形均值l 测点标距测点标距s1、测定轴心抗压强度、测定轴心抗压强度fcp2、预压（、预压（ F0 Fa F0 ，至少两次），至少两次）3、测试，记录变形值、测试，

24、记录变形值2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院p混凝土的变形弹性变形和弹性模量测试方法测试方法1/2F0.51、测定、测定 抗弯拉强度抗弯拉强度fcf2、5 次加载卸载循环（次加载卸载循环（1kNF0 F0.5 1kN ）3、记录最后一次的千分表读数、记录最后一次的千分表读数30.500.50231296cfFF lEJF0.5 终荷载，终荷载， 0.5fcf对应的荷载；对应的荷载；F0 初荷载，初荷载，3kN； 不同荷载下的千分表读数不同荷载下的千分表读数l 支座间距支座间距J 试件断面转动惯量试件断面转动

25、惯量2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院弹性模量影响因素p混凝土的变形弹性变形和弹性模量混凝土强度混凝土强度 ，弹性模量，弹性模量集料弹性模量集料弹性模量 ，集料与水泥的比例，集料与水泥的比例 ，弹性模量，弹性模量早期养护温度较低，混凝土弹性模量早期养护温度较低，混凝土弹性模量潮湿状态养护的混凝土弹性模量潮湿状态养护的混凝土弹性模量龄期龄期 ，弹性模量，弹性模量2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大学公路学院长安大学公路学院徐变变形：持续荷载下，混凝土的变形随时间而增长对沥青混合料，称蠕变徐变变形在早期增长很快，然后逐渐减慢，一般要23年才可能基本趋于稳定。p混凝土的变形徐变变形2.混凝土变形School of Highway, Changan University 长安大