4.4混凝土的物理力学性质.ppt

1、4.3.2混凝土的物理力学性质Physical and Mechanical Properties of Hardened Concrete,一、混凝土的强度 Strength of Concrete,几个基本概念 混凝土受压破坏机理 决定混凝土强度的内在因素 混凝土强度的影响因素,1、混凝土强度试验,混凝土的强度是通过对试件进行强度试验获得的。 混凝土的强度试验有： 抗压试验 单轴受压 混凝土受单方向压力作用,工程中采用的强度一般是单轴抗压强度； 多轴向受压 混凝土受多方向压应力作用 抗拉试验 直接拉伸试验 劈裂试验 抗弯试验,(1) 抗压强度试验,混凝土试件 几何形状有立方体、棱柱体和圆柱

2、体，我国以立方体试件为主； 立方体试件的边长有100mm、150mm、200mm三种； 当混凝土中骨料的Dmax20mm 时，可采用100mm立方体； 当混凝土中骨料的Dmax40mm 时，可采用150mm立方体或200mm。 试件的养护条件 标准条件： 202C，相对湿度95%； 工程现场条件。,混凝土抗压强度的几个基本概念,立方体抗压强度 立方体强度标准值 强度等级 实际强度,国家标准规定：制作边长为150mm的立方体试件，在标准条件(202C，相对湿度95%)下，养护到28天龄期，测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度，以“fcu”表示。,用标准试验方法测得的一组若干个立方体抗压强度值

3、的总体分布中的某一个值，低于该值的百分率不超过5%,该抗压强度值称为立方体抗压强度标准值。以“fcu,k”表示,根据混凝土立方体强度标准值(MPa)划分的等级，以符号C+混凝土立方体强度标准值(fcu,k)表示，如C30。,将试件在实际工程的温湿度条件下养护28天，测得的立方体试件强度，作为混凝土施工质量控制和验收依据。,轴心抗压强度 国家规范规定：用尺寸为150 mm 150 mm 300mm的标准棱柱体试件，按规定方法成型、标准条件下养护28天，测得的抗压强度为轴心抗压强度，以fcp表示； 工程结构设计的依据； 轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系： fcp = (0.70.8)fcu 换算

4、系数与混凝土强度有关，强度越高，系数越小。,(2) 抗拉强度试验,直接轴心抗拉试验很困难 荷载作用线难以与试件轴线保持重合，发生偏心； 难以保证试件在受拉区断裂。 劈裂抗拉试验 试件：边长为150mm的立方体试件或圆柱体试件 原理：在试件的相对的表面素线上作用均匀分布的压应力，从而在竖向平面内产生均匀拉伸应力 四点弯拉试验 试件：150150600(或550)mm3的梁式试件 按三分点加荷进行弯曲试验，在试件下方产生拉伸应力,混凝土受拉伸,直拉试验,劈裂抗拉,四点弯曲拉伸,劈裂抗拉试验 Splitting Test,fs,劈拉强度计算： fts = 2P/ a2 = 0.637(P/ a2)

5、a：立方体试件的边长 ;,150 mm 150 mm 150mm的立方体试件,弯拉试验 Flexural Test/Modules of Rupture,用尺寸为150 mm 150 mm 550mm的梁式试件，标准条件下养护28天，采用三分点加荷方式试验，直至试件断裂。 根据材料力学理论合线弹性应力应变分析，试件断裂时的最大拉伸应力为： fb = PL / bd2 (bd= 试件的截面积) 称为断裂模量 modulus of rupture,2、混凝土受压破坏机理,混凝土受压破坏过程 是内部裂缝的发生、扩展直致连通的过程，也是混凝土内部固体相结构从连续到不连续的发展过程。 受力状态： 由于粗

6、骨料的强度和弹性模量大于水泥石的，在混凝土承受单向受压时，使骨料的上下两面产生压应力； 而在骨料侧面则产生拉应力； 由于力的传递在骨料的上下面形成一锲形，因而在契形两侧的水泥石还受到剪应力，而在裂缝的尖端会产生很大的应力集中。,混凝土试件受压时内部裂缝扩展情形,混凝土受压破坏的三种形式,骨料强度小于水泥石强度，则骨料劈裂破坏； 水泥石发生拉伸或剪切破坏； 水泥石与骨料的界面之间的粘结破坏。,普通混凝土,裂缝的扩展 混凝土抗拉强度较低，而裂缝尖端的应力集中和受拉区所受的拉应力远远超过其抗拉强度，导致裂缝在较低的压应力水平下扩展和产生。 原始裂缝存在的原因： 水泥水化收缩导致骨料与水泥石之间和水泥

7、石内部产生微裂缝； 由于水泥石与粗骨料的弹性模量的差异，温湿度的变化而导致产生界面微裂缝； 混凝土拌和物的泌水现象，导致骨料下部形成水囊，干燥后即为界面裂缝。 混凝土内部界面区对于混凝土受压破坏很重要,混凝土受压破坏机理,3、混凝土强度的影响因素,混凝土的强度fc随着龄期和养护不断增长，主要有三方面的影响因素： 组成材料的特性与配合比（内在因素） 浇灌与养护条件（温湿度、时间） 生产工艺与条件 此外，强度试验参数影响到测试值。,分析和掌握的思路： 材料的强度与其组成、结构密切有关 组成影响因素：水泥、骨料和水及其特性与掺量； 结构影响因素：组成材料及其分布、生产工艺与条件、浇灌与养护制度等。,

8、1) 组成材料的特性与配合比,水灰比 水泥品种 骨料品种、最大粒径与级配 水泥浆与骨料相对含量 拌合水 外加剂(化学外加剂、矿物外加剂),水灰比如何影响？,混凝土的强度随着水灰比的减小而增加； 当 w/c 0.3时, 水灰比很小的降低都将导致混凝土强度很大的增加，上述关系不再适用；因为界面过渡区强度明显提高；,1) 组成材料的特性与配合比,水泥品种如何影响？,水泥品种通过下列几方面影响混凝土的强度： 水泥的强度等级 混凝土强度与水泥强度成正比； 水泥细度 水泥比表面积越大，水化速度越快，混凝土早期强度增长快； 水泥矿物组成 由于90天龄期以后，水泥的水化度基本相同，因此，水泥矿物组成主要影响早

9、期强度； 标准稠度需水量 需水量低则有利于降低水灰比和孔隙率，从而提高水泥石和混凝土的强度。,1) 组成材料的特性与配合比,骨料如何影响？,最大粒径 经济上，应尽可能低选用大粒径的粗骨料； 大粒径的粗骨料可以降低混凝土的用水量； 粗骨料的粒径越大，过渡区就将越薄弱，并将含有更多的微裂缝，降低强度。 骨料的表面特征 粗糙表面有利于增加过渡区的粘结强度； 针片状骨料容易引起应力集中，降低混凝土破坏的极限应力，因而降低强度。,1) 组成材料的特性与配合比,混凝土强度与水灰比、水泥强度等级和骨料种类的关系,鲍罗米公式： fcu = a fce ( C/W b ) fcu混凝土28d抗压强度（MPa）

10、fce 水泥的实测强度（MPa） C/W灰水比 a 、b 与骨料种类有关的回归系数： 对于卵石： a0.48 ; b 0.33; 对于碎石： a0.46 ; b 0.07。,混凝土抗压强度设计公式,2) 浇灌与养护条件的影响,新拌混凝土 的和易性,养 护 Curing,混凝土硬化过程中，人为地变化混凝土体周围环境的温度与湿度条件，使其微结构和性能达到所需要的结果，称为对混凝土的养护 温度 湿度 分析思路： 水泥矿物的水化反应与温度、湿度的关系？ 混凝土致密、均匀的微结构形成与温度、湿度的关系？,蒸汽养护：将混凝土放在温度低于100常压蒸汽中进行养护。一般1620h。 蒸压养护：将混凝土构件放在

11、125及8atm的压蒸锅内进行养护。,强度与湿养护,混凝土连续湿养护有利于混凝土强度的发展。 湿养护的措施： 喷洒 水浴 用砂、木屑或薄膜覆盖,湿养护时间越长，混凝土强度越高,浇灌与养护温度的影响,三种情形: I. 浇灌和养护温度相同. 温度越高，强度增长越快，为什么？ II. 不同温度下浇灌，常温下养护 养护温度相同时，浇灌温度越高，混凝土后期强度(180天)越低。 III. 常温下浇灌，不同温度下养护 养护温度越低，强度越低。,养护温度越低，强度越低； 养护温度比浇灌温度更重要! 冬天施工的混凝土必须采取措施保暖一段时间。 微观研究表明：较低温度的养护可以使得水泥石的结构致密、均匀。,龄期

12、的影响,混凝土强度在最初37d增长较快，然后逐渐缓慢下来。其随养护龄期的增长大致符合对数函数关系： fcu,n/fcu,a = lg n/lg a 式中： fcu,n n天龄期混凝土的抗压强度； fcu,a a天龄期混凝土的抗压强度；,3) 试件与试验参数对强度测试值的影响,A. 试件形状； B. 试件尺寸； C. 表面处理； D. 加载时间（加荷速度）； E. 试验机的刚度等。,上述因素影响强度试验值，而不是实际混凝土强度！,试件尺寸的影响,试件尺寸越大，混凝土强度测试值越偏低； 试件尺寸越小，混凝土强度测试值越偏高；,其原因： 环箍效应，尺寸小，环箍效应明显 缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大,

13、观察与讨论,混凝土试件受压破坏后形状分析,下图是混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状，请分析试件破坏后所得形状的原因。,混凝土标准试件抗压强度试验破坏前后的形状,破坏后试件的形状是环箍效应所致。,混凝土试件受压破坏后形状分析,试验参数,含水状态: 试验时，要求试件是湿状态； 干燥试件比饱水试件强度高20 to 25% 原因: 水泥石内部不连续压力的存在 加荷条件： 恒定加荷速度 加荷速度越快，测试值越高，反之亦然。 原因：材料对外加荷载的响应,5、与钢筋的粘结强度,一般采用预埋钢筋的拔出试验法测定。 为了增大与钢筋的粘结强度，采用压痕钢筋。 改善混凝土与钢筋的界面状况。,如何使得混凝土具有

14、所需的强度,三条技术途径： 原材料的选择 配合比设计 浇灌和养护,水泥品种与强度等级 骨料品种、粒径、级配 外加剂,水灰比 砂率 用水量或胶凝材料用量,温度 湿度 时间,Summary,强度是混凝土的重要性能指标，它与混凝土其它性能有着密切的关系； 混凝土强度主要是抗压与抗拉强度，二者之间没有直接关系； 抗压强度采用单轴抗压试验直接测量，而抗拉强度一般采用劈裂和四点弯曲试验间接测量与评价； 混凝土强度的主要影响因素比较复杂，主要有三个方面： 组成材料的性能与掺量； 成型工艺与养护条件 试件与试验参数(影响测试值) 获得指定强度的技术途径： 原材料的选择 配合比设计 成形工艺与养护制度,二、混凝

15、土的变形性能,混凝土的尺寸稳定性 Dimensional Stability of Concrete,硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿度变化)和外加荷载因素，因此有： 荷载作用下的变形 弹性变形 非弹性变形 非荷载作用下的变形 收缩变形 膨胀变形 复合作用下的变形 徐变,引深思考：如何减小或消除这些变形的负面影响,1、混凝土在非荷载作用下的变形,干燥收缩 自收缩 温度变形,(1) 湿胀干缩变形,定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形湿胀干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的。 水泥石和混凝土的收缩行为 水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀； 第1次干燥时，收缩最

16、大，其收缩值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢复。 试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。 混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约束下的收缩将导致混凝土开裂。,干燥收缩的危害,路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著； 当混凝土的干燥收缩受到约束时，将导致裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。,混凝土干缩的影响因素,混凝土组成与配合比 混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，干缩越小； 水泥用量 水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大； 用水量 水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。 水泥种类与细度 细度

17、越细，干缩较大。 良好养护可以减小收缩 构件几何尺寸和形状 表面积与体积比值越大，收缩越大； 湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。,(2) 自收缩,条件特征：与外界环境无水分交换； 产生的原因： 水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛细管压力，引起收缩自干燥收缩； 水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导致混凝土硬化后收缩化学收缩； 特点：收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。 影响因素 水泥品种 主要是矿物组成与混合材种类； 水灰比 随水灰比减小，收缩增大 ； 骨料及其体积分数 水泥用量 外加剂,自收缩测量装置,问题？,混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？ 解答： 相同点

18、：机理相似，水分损失、毛细张力等； 不同点： 水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变化引起的，后者是由水泥水化引起的； 前者主要发生在表面层，而后者发生在整个体积，尤其在中心部位更大。,(3) 温度变形,与其它材料一样，混凝土也具有热胀冷缩的性质； 混凝土的热膨胀系数为1105/C； 温度变形对大体积混凝土不利，因水泥水化放热，造成内外温差较大，内外膨胀不均，导致外部开裂； 混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。,2、荷载作用下的变形,单轴受压时的应力应变行为 混凝土的弹性模量 弹性模量与抗压强度的关系；,(1) 单轴受压时的应力应变行为,在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，但

19、由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。 特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产生塑性变形。 在较低应力(极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主； 在较高应力( fcp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高，塑性变形量越大； 混凝土强度越低，塑性变形越大。,混凝土受压的应力应变全曲线,混凝土受压的应力应变全曲线,问题？,为什么骨料和水泥石是弹性体，而二者组成的混凝土是弹塑性体？ 原因： 混凝土是一个多物相、多孔性的复合材料，其主体是颗粒堆聚体，存在界面过渡区，且过渡区有原生微裂缝。受力下，界面裂缝的扩展、颗粒间的滑移、孔隙中水的迁移等因素导致产生塑性变形。 混凝土单轴受压下

20、的曲线可以分为4个阶段： 在极限应力fcp的30%以下，界面过渡区微裂缝是稳定的，因此， 曲线是线形的； 当应力 fcp的30%时，随着应力增加，过渡区的裂缝长度、宽度和数量增加， /比值增加， 曲线偏离直线；如果应力 fcp的50%，过渡区的微裂缝稳定体系存在，基体水泥石不会产生微裂缝； 当应力 fcp的5060%时，基体相中产生微裂缝，如果应力进一步增加，基体相微裂缝扩展，增多，过渡区微裂缝失稳，导致曲线弯向横轴 当应力 fcp的7580%时，应变能释放速度达到在持久应力下裂缝自发扩展的水平，应变随应力增长很快，直至裂缝成为联系体系破坏。,(2) 混凝土的弹性模量,弹性模量E：静力弹性模量

21、与动荷载弹性模量 混凝土的应力应变行为不完全遵循虎克定律， 曲线是非线性的，所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。 为了工程设计，故常对应力应变曲线的初始阶段作近似直线处理，有三种处理方式： 原点切线弹性模量 Eo = tan 1； 割线弹性模量 Eh = tan 2； 切线弹性模量 Et = tan 3。,难以准确测量，应力水平很低，实用意义小。,我国现行标准指定以应力 =1/3 fcp时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量Eh静力弹性模量。,只适用于切点处荷载变化很小的范围内，工程意义也不大,(3) 混凝土弹性模量与抗压强度的关系,混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混凝土弹性模量应由试验测定； 一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大：二者之间存在经验公式： Ec 3.32( fcyl)0.5 + 6.9 (ACI 2000b) 式中： Ec 混凝土弹性模量； fcyl 标准棱柱体试件28天抗压强度 该公式适用于抗压强度在2183 MPa的混凝土,3、混凝土的徐变,什么是徐变？ 在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随时间而增加