混凝土材料的物理和力学性能.ppt

1、,本章重点,熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；,熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；,了解钢筋与混凝土的共同工作原理。,问题引入,结构 安全 坚固,结构 的经 济性,研究结构材料的力学性能,注意：,1.建筑力学所研究的是单一、匀质、连续、 理想弹性材料；,2.钢筋砼组成的构件为复合材料，即不单一匀质，也 非连续和理想弹性。,重视构件的实验研究：基本假定、实验条件、实验依据等,钢筋的品种：热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,（ Steel Reinforcement）,2.1.1 建筑用钢筋的种类,热轧钢筋 HotRolledSteelRei

2、nforcingBar,细晶粒热轧带肋钢筋,钢筋 化学 成分 主要 是铁 （Fe）,钢筋的化学成分和分类,合金元素总含量5%10%为中合金钢，含量10%为高合金钢,20 MnSi,40Si2Mn,对普通低合金钢，钢号中一律以平均含碳量万分之几表示。主要合金元素，除个别情况，一般以百分之几表示，当其平均含量1.5%时，只标明元素而不标明其含量；当其平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，在元素后面还要标出含量，且相应地写为2、3、4。,化学元素对钢材性能影响情况表,钢筋的分类,热轧钢筋,钢筋按加工 方法不同分类,中、高强钢丝和钢绞线,热处理钢筋,光圆钢筋,热处理 钢筋,热处理钢筋强度高变形性能较

3、好，宜做预应力钢筋，但局部损伤或应力集中之处易发生应力脆断,按轧制外形分类,钢丝、钢绞线 （预应力钢筋 ）,冷 加 工 钢 筋,按轧制外形分类,不同钢筋种类和等级，其应力应变曲线之规律,（1）软钢：热轧钢筋，其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，应变较大、伸长率较也大。,（2）硬钢：热处理钢筋、光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋形钢丝、钢绞线及冷轧带肋钢筋和冷拔低碳钢丝，它们的应力应变曲线没有明显屈服点和流幅，应变小、伸长率也小，质地硬脆。,（3）随着钢材强度提高，其塑性则降低。热轧钢筋有较好的塑性，但强度较低；预应力钢丝虽强度很高，但塑性却较差。,1.钢筋的强度,注意：, （屈服强度）为钢筋的强度计算指

4、标；,（极限强度），它为钢筋的最大强度； 为钢筋强度的安全储备。,（如热轧钢筋，冷拉钢筋）,有明显流幅钢筋 曲线,最高点 e之应力称为极限强度。,（1）弹性阶段（oa 段）oa ，为直线段。,（ 为钢筋弹性模量）,a 点之应力称为弹性极限。 a为比例极限。,屈服台阶的下限c点之应力称为 屈服强度。,o,无明显流幅钢筋 曲线,（如热处理钢筋、钢丝和钢绞丝）,取残余塑性应变为0.2%的应力 作为假想屈服点（条件屈服点）,无明显 流幅钢筋,1.钢筋的强度,中、高强钢丝、钢绞线,热处理钢筋 经淬火处理得，fptk=1470MPa，无明显屈服点。,冷加工钢筋 冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的

5、：提高强度，节约钢材。但塑性减小。 冷拉钢筋仍有屈服台阶。,近年来，强度高、性能好的钢筋（如钢丝、钢绞线）在我国已可充分供应，故冷拉和冷拔钢丝不再列入规范，需要应用这些钢筋时，应符合专门规程的规定,2.1.2 混凝土结构对钢筋性能的要求,强度高,热轧钢筋,钢丝、钢绞线、各种冷加工钢筋,条件屈服点,残余应变0.2%,屈服点,有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yield point,无明显屈服点的钢筋 Steel bar without yield point,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系 一般可采用双线性的理想弹塑性关系,屈服强度（yieldstrength）：是钢筋强度的设

6、计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，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=0.60.7。,塑性好 用伸长率和冷弯性能衡量。,伸长率,同一根钢筋 延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。 上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，不反映钢筋总伸长率情况。,:,:,:,elongationrate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。,均匀伸长率,=90,180 ,反复 弯曲要求：冷弯过程 中无裂缝、鳞落或断 裂。 D 愈小，要求愈高。 反复

7、次数愈高，要求 愈高。,冷弯,冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。,冷弯试验录象,可加工性好,与混凝土粘结锚固性好,变形钢筋比光面钢筋好,钢筋的直径,常用： 6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm， 14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm， 28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中， 8.2mm仅适用有纵肋的热处理钢筋。,钢筋的选用,普通钢筋：宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500 可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400 预应力筋：宜用钢铰线、钢丝 可用热处理

8、钢筋和强度较高的冷加工钢筋,d=650mm,细晶粒热轧带肋钢筋,2.2.1 组成及特点,主要材料：水泥、水、砂、石 特点: 1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体； 2）水化过程长，性能要很长时间才稳定； 3）水泥石收缩可形成微裂缝； 4）受制作、养护、使用条件影响大。,1.立方体抗压强度, 试块: 150mm150mm150mm 立方体；, 条件: 温度 20 3，相对湿度 90，养护 28 天；, 加压速度：每秒大约 0.3 N/mm2 0.8N/mm2 。,强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、 C75、C80 等

9、十四级 ；,符号 C 表示砼，C 后面的数字（ 1580 ）表示立方体抗压强度标准值，单位为 N/mm2。,2.2.2 混凝土强度,问题：为什么要采用标准实验方法？, 试块: 150mm150mm150mm 立方体；, 条件: 温度 20 3，相对湿度 90，养护 28 天；, 加压速度：每秒大约 0.3 N/mm2 0.8N/mm2 。,实验研究表明：混泥土的破坏是内部微裂缝逐渐发展的结果。,2.轴心抗压强度（ ）,试件为截面150 mm150 mm、 高300 mm 的棱柱体，经28天 龄期，用标准试验测得的抗压 强度，称轴心抗压强度。其中 为轴心抗压强度的标准值； 为轴心抗压强度的设计值

10、。,h/b3，fck趋于稳定,“套箍效应”,问题：,由于棱柱体试件制作与试验都比较麻烦，故 测定、也较困难。,办法：,立方体试件 抗压强度标准值,砼轴心抗压强度 标准值 和设计值,标准试验方法不加润滑剂。,3.轴心抗压强度标准值,0.88因结构中砼强度与立方体试件砼强度之间有差异，即后者砼之强度要高于 前者砼之强度，故应对立方体试件砼强度 进行修正（降低），其修 正系数为 0.88；,棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比值，对 C50 级以下取 ，,对C80 取 ，中间按线性规律插值；,砼立方体抗压强度标准值。,例如，砼强度等级为C20，即 N/mm2，则砼轴心抗压强度标准值,取,考虑结构中的混

11、凝土强度与试块混凝土强度之间的差异的修正系数,（2）轴心抗压强度设计值,（砼材料分项系数，砼规范规定 ）,例如，砼强度等级为C20，并算得，则,取,混凝土强度设计值（Nmm2）,混凝土强度标准值（Nmm2）,(3)混凝土的复合受力强度,1)混凝土的双向受力强度,2)混凝土的三向受压强度,混凝土的强度,4. 轴心抗拉强度 （）,其中的 与 关系可详见砼规范中的条文说明。,混凝土的抗压性能好，抗拉性能差 ！,实验研究表明：当结构中出现剪应力时，其抗拉，抗压强度都会有所降低。,5.非标准试块强度换算系数： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。,立方体

12、抗压强度（强度等级）,6.分级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50, C55, C60, C65,C70,C75,C80 (高强混凝土），共14个等级。 CConcrete,单位：N/mm2或MPa。,轴心抗拉强度,间接测试法：,F-破坏荷载,d-圆柱体直径或立方体边长,l -圆柱体长度或立方体边长,直接测试法,轴心抗拉强度,不涂润滑剂,fc fcu ?,复杂应力下的强度,双向受力,图中： ft*、 fc*混凝土单轴抗 拉、抗压强度； f1 、 f2、 f3混凝土的多轴强度，f1f2f3,此图说明： 压-压：强度提高； 拉-拉：强度不变； 拉-压：抗拉和抗压强度都低

13、。,2.2.3 混凝土的变形,一次加载时,0.3fc,（二）砼的变形,1.混凝土的受压应力-应变曲线,OA段：线性段；A：比例极限,AB段：稳定裂缝扩展,BC段：裂缝快速发展，应力达到最高,CD段：下降段，D点时试件宏观上已经破坏完全破坏， 为极限压应变（峰值应变）。我国混凝土结构设计规范取均匀受压0.002，非均匀受压0.0033.,DEF段：E点以后，主裂缝已经很宽，试件承载力极低，承载力主要由破坏了的混凝土内部机械咬合和摩擦力提供。,0.8fc,fc,多次加载：,疲劳强度为（0.5-0.7）fc，通常以材料破坏所需荷载循环次数不少于200万次作为疲劳强度,弹性模量,测定方法：棱柱体试件。

14、 受压： 受拉：Ec=0.5 Ec 剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比 = 横向应变/纵向 应变=0.2,徐变 Creep,定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移 继续增大的现象。 特点：早期发展快，但可以延续数年。,产生徐变的原因,尚未转化为结晶体的水泥胶凝体粘性流动的结果。,混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下持续延伸和扩展的结果。,徐变对结构的影响： 1.使构件变形增大； 2.在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小； 3.在预应力构件中，使预应力发生损失； 4.在超静定结构中，使内力发生重分布。,收缩 Shrinkage,定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。 收缩率：3

15、10-4。收缩=凝缩+干缩 特点：早期快，可延续12年。,（1）水泥强度等级越高，所配制的砼收缩也越大；,（5）构件的体积与表面积的比值越大，收缩越小。,（2）水泥越多砼收缩越大，水灰比大砼收缩也大；骨料的量大，收缩小；,（3）在结硬过程中周围温湿度越大，收缩越小；,（4）砼振捣越密实，收缩越小；,混凝土收缩的影响因素：,收缩对结构的影响：当收缩受到约束时，引起构件开裂。,减少收缩的措施： 限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护； 构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。,2.2.4 混凝土的选用原则,钢筋混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于C20。 用强度等级400MP及以上钢筋时，不宜低

16、于C25。,预应力混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于C30，不宜低于C40。,承受重复荷载的钢筋混凝土构件 混凝土强度等级不应低于C30。,粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础,钢筋与混凝土之间粘结应力示意图 （a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力,光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由以下几部分组成： （）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。 （）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。 （）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。 （4）钢筋端部在混凝土内的锚固作用。,粘结强度,普通钢筋锚固长度 按下列公式计算：,影响粘结强度的因素： .钢筋的粘结强度都随混凝土强度的提高而提高，但不与立方体强度成正比。 .保护层厚度和钢筋间的净距对粘结