第二章 材料性能

混凝土结构基本原理城建学院土木系彭亚萍pengyp@第二章

混凝土结构材料性能城建学院土木系

彭亚萍

pengyp@混凝土结构基本原理第二章混凝土结构材料性能2.1混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结第二章混凝土结构材料性能2.1混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结混凝土的组成固体颗粒硬化的水泥砂浆气孔缝隙混凝土是一种非匀质、不等向的，且随时间和环境条件而变化的一种多相混合材料，力学性能复杂多变施工因素2.1混凝土混凝土的强度混凝土的变形混凝土的选用原则2.1.1单轴向应力状态下的混凝土强度立方体抗压强度轴心抗压强度轴心抗拉强度立方体抗压强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。我国《规范》规定，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。混凝土抗压强度标准值是指用边长为150mm的标准立方体试块，在标准养护室（温度20±3ºc，相对湿度不小于90%）养护28天后，以大约每秒0.3~0.8N/mm2的速度在试验机上加压至破坏，所测得的具有95%保证率的抗压强度。用符号fcu,k表示。混凝土的强度等级混凝土的强度等级以符号C表示，单位N/mm2。如C20级混凝土，就表示混凝土立方体抗压强度标准值为20N/mm2（即20Mpa）。

《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。一般将混凝土等级≥C50的混凝土称为高强混凝土。立方体抗压强度的影响因素尺寸效应：尺寸越大，测得的强度越低。试验方法：加载面有横向摩擦力时强度高，消除摩擦力后强度降低。《规范》规定的标准试验方法是不加润滑剂的。加载速度：加载速度越快则强度越高，通常规定的加载速度是每秒增加压力0.3~0.8N/mm2。

试块尺寸强度换算系数200×200×2001.05150×150×1501.00100×100×1000.95轴心抗压强度按标准方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱体试件，在温度为20土3℃和相对湿度为90％以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度，称为轴心抗压强度的标准值，用fc,k表示。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定fcu,k和fc,k之间的换算关系为：式中：

αc1―轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值，《规范》规定C50及以下取0.76，对C80取0.82，中间按线性规律变化;αc2―对C40以上混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化；轴心抗压强度

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。轴心抗拉强度

《规范》规定取轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：式中，为变异系数；0.88的意义和αc2的取值与前相同。

试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度，劈裂抗拉试件大小对试验结果有一定的影响，标准试件尺寸为150mm×150mm×150mm，若采用100×100×100mm的非标准试件时，所得强度值应乘以尺寸换算系数0.85。

轴心抗拉强度2.1.2复合应力状态下的混凝土强度实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。拉-拉稍有降低拉-压明显降低压-压明显提高双向（二）轴应力状态法向应力和剪应力共同作用混凝土的抗剪强度：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。

三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。图1—22三轴受压下混凝土的强度关系式中——被约束混凝土的轴心抗压强度；

——非约束混凝土的轴心抗压强度；

——侧向约束压应力。

侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

三向（三轴）应力状态2.1混凝土混凝土的强度混凝土的变形混凝土的选用原则02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA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sA约为

(0.3~0.4)fc，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。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。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。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C点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

e0，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。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，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。一次短期加载时的应力-应变曲线不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段和峰值应变变化不大，但下降段则短而陡，延性变差。一次短期加载时的应力-应变曲线单轴向受压应力-应变关系我国规范采用的应力应变曲线方程轴向受拉时的应力-应变关系弹性模量变形（割线）模量切线模量混凝土的变形模量和弹性模量混凝土受拉弹性模量与受压时基本一致，可取相同数值。弹性模量的测定混凝土在长期荷载作用下的变形混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。徐变

徐变是水泥石中的凝胶体粘性流动的结果，也受微裂缝在长期荷载作用下发展的影响。徐变线性徐变非线性徐变混凝土构件在使用期间，应当避免经常处于不变的高应力状态。徐变的影响因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。构件尺寸越大，徐变越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。应力条件、加荷时间对徐变的影响见图1-23、1-24.混凝土的非受力变形混凝土的收缩

混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土的非受力变形混凝土的收缩

收缩的影响因素（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。（4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。（7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。温度变形温度变化引起的温度应力可能会使混凝土形成贯穿性裂缝，进而导致渗漏、钢筋锈蚀、整体性下降，使结构承载力和混凝土耐久性显著降低。大体积混凝土中的温度应力极易使结构开裂，需要进行温差控制施工。1.2混凝土混凝土的强度混凝土的变形混凝土的选用原则混凝土的选用原则建筑工程中，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20当采用400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土的强度等级不应低于C30第二章混凝土结构材料性能2.1混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结2.2钢筋钢筋的品种与性能混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋的选用原则钢筋的种类

柔性（热轧）钢筋钢筋的种类

劲性钢筋型钢钢骨钢架热轧钢筋的分类HPB300级HRB335级、HRBF335级、HRB400级、

HRBF400级、RRB400级HRB500级、HRBF500级钢筋的品种与性能HPB300

生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度热轧光圆钢筋热轧钢筋的分类HPB300级HRB335级、HRBF335级、HRB400级、

HRBF400级、RRB400级HRB500级、HRBF500级钢筋的类型、品种和级别HRB335

hotrolledribbedbarHRBF335

hotrolledribbedbarfine热轧带肋变形钢筋细晶粒热轧带肋变形钢筋热轧钢筋的分类HPB300级HRB335级、HRBF335级、HRB400级、

HRBF400级、RRB400级HRB500级、HRBF500级钢筋的类型、品种和级别余热处理带肋变形钢筋RRB400

remainedheattreatmentribbedbar热轧钢筋的分类（表1-1）HPB300级HRB335级HRBF335级HRB400级

HRBF400级RRB400级HRB500级

HRBF500级钢筋的类型、品种和级别FFRF热轧钢筋的力学性能sea’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度

fu

fyfef为颈缩阶段热轧钢筋的力学性能强度屈服强度：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。屈强比：反映钢筋的强度储备

fy/fu=0.6~0.7简化的应力-应变曲线热轧钢筋的力学性能塑性伸长率：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。

冷弯性能：可以反映钢材脆化倾向，通过冷弯试验来检验。保证钢筋在弯折加工时不致断裂和使用过程中不致脆断。无明显流幅的钢筋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=0.85fu钢筋的本构关系2.2钢筋钢筋的品种与性能混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋的选用原则混凝土结构对钢筋性能的要求强度：钢筋应具有可靠的屈服强度和极限强度，钢筋的强度越高，钢材的用量越少。要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。延性：要求钢筋应有足够的变形能力破坏前的预兆。应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。机械连接性能：以便能方便地在工地上轧制螺纹，以便进行机械连接（如套筒连接）。施工适应性：方便于在工地上对钢筋进行加工和安装。钢筋与混凝土的粘结力：保障钢筋与混凝土共同工作。混凝土结构对钢筋性能的要求2.2钢筋钢筋的品种与性能混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋的选用原则钢筋的选用原则原则：尽量选择强度较高、塑性较好、价格较低的钢材。钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜优先选用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，以节约钢筋用量，改善我国建筑结构的质量。除此之外，也可以采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋。第二章混凝土结构材料性能2.1混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结1.3钢筋与混凝土的粘结粘结力的定义粘结力的组成粘结应力-滑移关系钢筋的锚固1.3钢筋与混凝土的粘结粘结力的定义粘结力的组成粘结应力-滑移关系钢筋的锚固粘结力的定义粘结应力：钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力粘结应力分为锚固粘结应力和局部粘结应力粘结作用使钢筋与混凝土两者之间可进行应力传递并协调变形。锚固粘结与局部(缝间)粘结PPT两种粘结作用锚固粘结保证钢筋和混凝土共同工作缝间粘结改善钢筋混凝土的耗能性能1.3钢筋与混凝土的粘结粘结力的定义粘结力的组成粘结应力-滑移关系钢筋的锚固粘结力的组成钢筋与混凝土表面的化学胶着力；钢筋与混凝土接触面的摩阻力

；钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力。粘结力的组成钢筋与混凝土表面的化学胶着力；钢筋与混凝土接触面的摩阻力

；钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力。1.3钢筋与混凝土的粘结粘结力的定义粘结力的组成粘结应力-滑移关系钢筋的锚固粘结应力-滑移关系-s曲线(a)光圆钢筋(b)变形钢筋1.3钢筋与混凝土的粘结粘结力的定义粘结力的组成粘结应力-滑移关系钢筋的锚固1.基本锚固长度原则钢筋屈服时正好发生锚固破坏对象以直径为2c的混凝土试件内配直径为d的变形钢筋为例假定纵裂发生在刮出式破坏以前1.基本锚固长度基本锚固长度（GB50010）：锚固钢筋的外形系数，见教材P32表2-1锚固区混凝土轴心抗拉强度设计值，高于C40时按C40取值。2.受拉钢筋的锚