河海大学 混凝土课件 混凝土的特性

第二章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土2.1.1混凝土的组成结构普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化形成的人工石材，是多相复合材料。可以划分为三种基本类型结构：

宏观：砂浆与粗骨料；

亚微观（细观）水泥砂浆；

微观：水泥石结构。

弹性骨架：砂、石、水泥胶体中的晶体、未水化的水泥颗粒；

塑性变形：水泥胶体中凝胶、孔隙、界面微裂缝。

缺陷是混凝土破坏的起源。

微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有极为重要的影响。

混凝土强度与变形随时间的增长，主要因为水泥胶体的硬化需要多年才能完成。2.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度一、混凝土的强度1、混凝土强度等级混凝土结构中，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。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度小于C30：0.3~0.5N/mm2/s，否则，0.5~0.8N/mm2/s两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

《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，C50以上为高强混凝土。试验录象100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于C50的混凝土，修正系数m=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m约为0.9美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc'。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。2、轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=2~3，我国通常取150mm×150mm×300mm的棱柱体试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，式中：α1棱柱体抗压强度和立方体抗压强度之比，《规范》对小于C50级的混凝土取α1=0.76，对C80取α1

=0.82，其间按线性插值：α2高强混凝土脆性折减系数，对小于C40级的混凝土取α2=1，对C80取α2

=0.87，其间按线性插值。0.88实际构件与试件混凝土强度之差折减系数。3、轴心抗拉强度也是其基本力学性能，用符号ft表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。劈拉试验PaP拉压压由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度4、混凝土强度的标准值《规范》规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。《规范》在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。同时，《规范》考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：⑴结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；⑵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。[例]

fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)

fc,m=0.76fcu,m

fc,k=fc,m(1-1.645d)×0.88×1.0

=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa2.1.3

复杂应力下混凝土的受力性能◆双轴应力状态

BiaxialStressState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。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约为(1.25~1.60)fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。◆双轴应力状态

BiaxialStressState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。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。2.1.3

复杂应力下混凝土的受力性能在双轴受拉状态下，任意应力比情况下均接近其相应单轴强度。◆双轴应力状态

BiaxialStressState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。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。2.1.3

复杂应力下混凝土的受力性能构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况。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

TriaxialStressState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。◆局部抗压强度LocalBearingStrength不涂润滑剂涂润滑剂>≈1.一次短期加载下混凝土的变形性能(1)、单轴（单调）受压应力-应变关系Stress-strainRelationship2.1.4混凝土的变形02468102030s(MPa)e×10-3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。BACED02468102030s(MPa)e×10-3AA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。BCED02468102030s(MPa)e×10-3BAA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。CED02468102030s(MPa)e×10-3BA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。CED02468102030s(MPa)e×10-3BACED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。02468102030s(MPa)e×10-3BACED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。02468102030s(MPa)e×10-3BACED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。02468102030s(MPa)e×10-3BACEDE点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强度约为(0.1~0.4)

fc。了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。“约束混凝土”的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝土对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒的目的。混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。◆Hognestad建议的应力-应变曲线◆《规范》应力-应变关系上升段：下降段：(3)三向受压状态下的变形

TriaxialStressState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。强度和延性都显著提高.箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系

◎螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高

◎矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善ConfinementwithTransverseReinforcement(4)、混凝土的弹性模量

ElasticModulus原点切线模量ElasticModulus割线模量SecantModulus切线模量TangentModulus弹性系数n

(coefficientofelasticity)

随应力增大而减小n

=1~0.5◆弹性模量测定方法(5)、混凝土受拉应力-应变关系2、混凝土在长期荷载作用下的变形—徐变Creep

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。徐变与塑性变形不同。塑性变形主要是混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起的，只有当应力超过了材料的弹性极限后才发生，而且是不可恢复的。徐变不仅部分可恢复，而且在较小的应力时就能发生。产生徐变的原因是因为混凝土受力后，水泥石中的凝胶体产生的粘性流动（颗粒间的相对滑动）要延续一个很长的时间，因此沿混凝土的受力方向会继续发生随时间而增长的变形。2.应力较大,微裂缝开展◆徐变系数j(t，t0)CreepCoefficient当初始应力小于0.5fc时，徐变在2年以后可趋于稳定，最终的徐变系数j=2~4。◆影响因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)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。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)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。应力条件是指初应力(initialstress)水平si

/fc和加荷时混凝土的龄期t0，它们影响徐变的非常主要的因素。当初始应力水平si

/fc

≤0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，也即（最终）徐变系数j=ecr

/eel=Ececr

/si=常数，这种徐变称为线性徐变。当初应力si

在(0.5~0.8)

fc

范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力si不成比例，也即徐变系数j随si的增大而增大，这种徐变称为非线性徐变。当初应力si

>0.8fc时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。高强混凝土的密实性好，在相同的s/fc比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达0.65fc，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些。徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。3.混凝土在重复载荷下的应力—应变曲线混凝土在多次重复载荷下，其应力—应变的性质和短期一次加载有显著不同。由于混凝土是弹塑性材料，初次卸载至应力为零时，应变不能全部恢复。可恢复的那一部分称之为弹性应变εce，不可恢复的残余部分称之为塑性应变εcp。因此，在一次加载卸载过程中，混凝土的应力—应变曲线形成一个环状。如图所示：

若每次加载的应力不是很大，随着加载卸载重复次数的增加，残余应力会逐渐减小，一般重复5~10次后，加载和卸载的应力—应变曲线就会越来越闭合并接近一直线，此时混凝土如同弹性体一样工作。

但当应力超过某一限值，则经过多次循环，应力应变关系成为直线后，又会很快重新变弯且应变越来越大，试件很快破坏。这个限值也就是材料能够抵抗周期重复荷载的疲劳强度（）。4、混凝土