第二章钢筋混凝土材料力学性能

第二章混凝土结构材料的物理力学性能

2.1混凝土的物理力学性能

2.1.1混凝土的组成结构混凝土是用水泥、砂、石和水等原料经搅拌后入模浇筑并养护硬化后形成的人工石材。混凝土的性能主要取决于水灰比、搅拌程度、浇筑的密实性等有关。混凝土在凝结硬化过程中，水泥和水形成的水泥胶块有水泥结晶体和水泥胶凝体，其中水泥结晶体和砂石骨料组成混凝土的弹性骨架，主要承受外力作用，并使混凝土产生一定的弹性变形，水泥胶凝体起着调整和扩散混凝土应力的作用，并使混凝土具有相当的塑性变形。第二章混凝土结构材料的物理力学性能一、混凝土立方体抗压强度fcu,k

以边长为150mm的立方体在20±3˚C的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天后，依照标准试验方法（加荷速度：～试件承压面不涂润滑剂，全截面受压）测得的具有95%保证率的抗压强度（以）为混凝土立方体抗压强度标准值，作为混凝土的强度等级，并用符号C表示。

混凝土的强度等级一般可划分为：C15、C20C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。第二章混凝土结构材料的物理力学性能2.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度《混凝土结构设计规范》规定：钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不宜低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。第二章混凝土结构材料的物理力学性能混凝土立方体抗压强度的影响因素⑴试验方法见图2-1⑵加载速度加载速度越快,立方体抗压强度越大。⑶成型后龄期随龄期逐渐增长。⑷尺寸尺寸越大，立方体抗压强度越小。⑸加载方式局部加载立方体抗压强度提高。第二章混凝土结构材料的物理力学性能第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-1混凝土立方体的破坏情况“箍套”作用第二章混凝土结构材料的物理力学性能二、混凝土轴心抗压强度fck

采用150mmx150mmx300mm棱柱体作为轴心抗压强度的标准试件，测得具有95％

保证率的抗压强度。一般很少采用。轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系为：第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-2混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-3

混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系三、混凝土轴心抗拉强度ftk

混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多,一般只有抗压强度的5%～10%,一般只在研究抗裂性时使用。混凝土的轴心抗拉强度可通过拉伸试验或劈裂试验获得。第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-4

混凝土抗拉强度试验方法第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-5

混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系2.1.3复合应力状态下混凝土的强度第二章混凝土结构材料的物理力学性能实际工程中混凝土很少处于理想的单向应力状态通常处于复合应力状态。一、混凝土的双向受力强度

双向受拉：强度接近单向受拉强度双向受压：抗压强度和极限压应变均有所提高一拉一压：强度降低图2-6双向应力状态下混凝土的破坏包络图混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度第二章混凝土结构材料的物理力学性能

在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度。图2-7

第二章混凝土结构材料的物理力学性能二、混凝土的三向受压强度

三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高。图2-8圆柱体三向受压试验2.1.4混凝土的变形混凝土的变形分为两类：受力变形：一次短期荷载下的变形、长期荷载下的变形、多次重复荷载下的变形；体积变形：收缩、膨胀、温度变化而产生的变形。

第二章混凝土结构材料的物理力学性能第二章混凝土结构材料的物理力学性能一、混凝土在一次短期加荷下的变形混凝土受压时的应力—应变关系图2-9

上升段OC段1、当混凝土应力σ≤（0.3～0.4）fc时（OA段），应力应变关系接近直线，混凝土产生弹性变形，内部微裂缝没有发展。2、当混凝土应力σ=（0.3～0.8）fc时（AB段），应变增长速度大于应力增长速度，混凝土出现弹塑性性质，但处于稳定状态。3、当混凝土应力σ=（0.8～1.0）fc时（BC段），混凝土塑性变形继续发展，处于非稳定状态。当应力接近轴心抗压强度fc时，内部贯通的微裂缝转变为明显的纵向裂缝，试件开始破坏，此时σmax=fc但其相应的应变不是最大应变，此时εo=0.002。第二章混凝土结构材料的物理力学性能下降段CE段：

若试验机的刚度大，使试验机所释放的能量不致于立即将试件破坏，随缓慢卸荷，应变还能继续增加。1、CD段：随缓慢卸荷，应力逐渐减少，应变持续增加，在D点出现拐点，混凝土达到极限压应变εcu，构件完全破坏，εcu=0.0033。2、DE段：破坏后还有一定的低荷能力是由于破碎试件的咬合力及摩擦力。

第二章混凝土结构材料的物理力学性能混凝土应力—应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。不同强度的混凝土的应力—应变曲线有着相似的形状，但也有实质性的区别。第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-10不同强度的混凝土应力——应变曲线说明：1、混凝土受压情况不同其极限压应变εcu也不同。①均匀受压的混凝土εcu=εO②非均匀受压的混凝土

εcu=0.0033受弯构件、大偏心受压构件的混凝土受压区最外纤维的应力达到fc时，最外纤维可将部分应力传给附近的纤维，起卸荷作用，只要当受压区最外纤维的应变达到极限压应变εcu

时，构件才破坏。2、混凝土应变包括弹性应变和塑性应变，其中塑性变形越大，其变形能力越大，延性越好。第二章混凝土结构材料的物理力学性能第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-11单轴受压时的应力-应变关系的数学模型

u

0=0.002o

cfc

c0.15fc

u=0.0035

0=0.002o

cfc

c美国Hognestad模型德国Rüsch模型图2-12混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力——应变曲线第二章混凝土结构材料的物理力学性能

工程上通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。

cu约束混凝土非约束混凝土

c

cfccfcEsecEc

c02

c0

sp

cco环箍断裂第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-13

第二章混凝土结构材料的物理力学性能混凝土的变形模量

图2-14混凝土的变形模量混凝土的弹性模量测定将标准尺寸150×150×300mm的棱柱体加荷至0.5fc然后卸荷至零，重复加载5～10次，应力应变曲线接近直线并趋于稳定，该直线的斜率即为Ec。第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-15混凝土弹性模量Ec的测定方法混凝土轴向受拉时的应力－应变关系

一般测试比较困难，曲线形状与受压时相似，见下图。第二章混凝土结构材料的物理力学性能

t(MPa)0

(mm)

cr=0.00012试件：76

19

305mmfc=44MPa43210.010.020.030.040.050.06标距＝83mm

图2-16

二、混凝土的徐变——在荷载保持不变的情况下随时间而增长的变形。第二章混凝土结构材料的物理力学性能原因之一，尚未转化的水泥胶凝体的粘性流动原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展图2-17混凝土的徐变影响徐变的因素第二章混凝土结构材料的物理力学性能⑴初应力σC的大小

c<0.5fc，徐变变形与应力成正比—线性徐变0.5fc<

c<0.8fc，非线性徐变，但具有收敛性

c>0.8fc，造成混凝土破坏，是非收敛的图2-18压应力与徐变的关系第二章混凝土结构材料的物理力学性能⑵加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大⑶水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大⑷骨料越硬，徐变越小⑸混凝土的制作方法、养护条件（养护时的温度和湿度等）徐变对混凝土结构的影响⑴引起内力重分布，防止结构物裂缝形成⑵结构或构件的变形增大⑶在预应力混凝土结构中引起预应力损失三、混凝土在多次重复荷载作用下的变形重复荷载指将试块加载至一数值后再卸荷至零，并将这种过程重复多次。1、一次加载卸载2、重复加载卸载①循环应力较小时σ﹤0.5fc每次重复加载卸载后都有一部分残余应变，但随着循环次数增加，残余应变逐渐减小，经过若干重复后，应力应变曲线越来越闭合，曲线接近一条直线，试件未破坏。第二章混凝土结构材料的物理力学性能②循环应力较小时σ﹥0.5fc经过多次循环后，应力应变曲线变成直线，继续循环，曲线从凸向应力轴变成凹向应力轴塑性变形继续增加，直至构件发生疲劳破坏。第二章混凝土结构材料的物理力学性能图2-19疲劳