02 钢筋和混凝土材料的力学性能

第2章混凝土结构材料的物理力学性能主要内容●混凝土的物理力学性能●钢筋的物理力学性能●钢筋与混凝土的粘结重点●钢筋的级别、强度和变形性能●混凝土的强度和变形性能●粘结破坏机理本章主要内容及重点第2章混凝土结构材料的物理力学性能第2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1.混凝土的组成结构成分组成：水泥、砂、石子。结构组成：水泥石结构、砂浆、粗骨料、孔隙和微裂缝。水泥石结构由晶体骨架（充分水化）、水泥凝胶（未充分水化）、未水化的水泥颗粒组成。孔隙是硬化过程中水分蒸发留下的。微裂缝则是由于浇筑混凝土时的泌水作用引起的沉缩、水化作用造成的化学收缩以及干缩在混凝土内部不同界面上形成的。在承受外力时，砂、石、晶体骨架、未水化的水泥颗粒起骨架作用，具有弹性材料的变形特点，而水泥凝胶、孔隙和微裂缝则具有塑性2.1混凝土的物理力学性能第2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材料的变形特点。因此，混凝土是一种非弹性材料。由于水泥凝胶的硬化过程很长，因此，混凝土的强度和变形随时间的增长而增长。2.单轴应力状态下的混凝土强度（1）混凝土的抗压强度■混凝土的立方体抗压强度ƒcu及混凝土的强度等级混凝土的立方体抗压强度ƒcu：以边长为150mm的立方体试件在温度为20±3℃，相对湿度90%以上的环境中养护28d，用标准试验方法测得的抗压强度，单位为N/mm2。标准试验方法：试件表面不涂润滑剂；加载速度：C30以下，0.3~0.5N/mm2/s，C30及以上,0.5~0.8N/mm2/s。第2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承压板试块涂润滑剂摩擦力不涂润滑剂《混凝土结构设计规范》规定按立方体抗压强度标准值ƒcu,k（具有95%保证率的ƒcu值）确定混凝土的强度等级。规范规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，共14个等级。C50~C80属高强混凝土范畴。结构混凝土强度等级的最低要求为：第2章混凝土结构材料的物理力学性能素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；当采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，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。承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不应低于C30。2.1混凝土的物理力学性能■混凝土的轴心抗压强度ƒc标准试块：150×150×300mm由于承压板对试件的约束影响在试件端部范围，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，且有：ƒck=0.88c1c2ƒcu,k承压板试块第2章混凝土结构材料的物理力学性能式中：0.88为实际构件与试件混凝土强度的差异所考虑的折减系数；c1对C50及以下取0.76，对C80取0.82，两者之间取线性内插值；c2对C40及以下取1.0，对C80取0.87，两者之间取线性内插值；对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=152mm,h=305mm），有：2.1混凝土的物理力学性能ƒc′=0.79ƒcu,k（2）混凝土的轴心抗拉强度ƒt试验方法：①直接受拉试验100100150150500这种方法试验时，拉力难以对中。第2章混凝土结构材料的物理力学性能②劈裂试验ddlF我国规范考虑了从普通强度混凝土到高强混凝土的变化规律，取：式中，δ为变异系数。0.450.55tkcu,kc20.880.39511.645ff劈拉强度可按下式计算：ldFfts2tsf2.1混凝土的物理力学性能劈裂试验装置示意第2章混凝土结构材料的物理力学性能3.复合应力状态下的混凝土强度（1）双轴应力状态下的混凝土强度法向应力和剪应力下的强度曲线单轴抗拉强度单轴抗压强度/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0双向正应力下的强度曲线1.01.01.21.2-0.2-0.2拉压2/fc1/fc2.1混凝土的物理力学性能第2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）三向受压时的混凝土强度式中，为有侧向约束时的抗压强度；为圆柱体的单轴抗压强度。1=fcc’1=fcc’2=3=fL’fL’----侧向约束压应力（加液压）4.混凝土的变形（1）一次短期加载下混凝土的变形性能■混凝土受压时的应力-应变关系为测出应力—应变曲线的下降段，试验只有在刚性试验机上才能完成。若采用普通试验机，则需要增加特别装置吸收试件破坏前试验机释放的弹性变形能。cccL(4.5~7.0)fffccfcf弹簧元件作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段第2章混凝土结构材料的物理力学性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢02.1混凝土的物理力学性能应力-应变关系曲线■混凝土单轴受压时的应力-应变曲线的数学模型E.Hognestad模型（美国）u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc2011cccf0015.01ucccfRüsch模型（德国）第2章混凝土结构材料的物理力学性能0=0.002u=0.0035ocfcc2011cccf2.1混凝土的物理力学性能我国规范采用的模型：其中ncccf011εcu00cfcc0.0010.0020.0030.004cu,k12(50)2260nfnn，当时，取ε0=0.002+0.5(ƒcu,k–50)10-5≥0.002εcu=0.0033–(ƒcu,k–50)10-5≤0.0033第2章混凝土结构材料的物理力学性能■三向受压状态下混凝土的变形特点三向受压状态下混凝土的强度和延性均较单向受压时有显著提高。工程上可以通过设置密排螺旋箍或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。侧向受约束时混凝土的变形特点2.1混凝土的物理力学性能cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEcc02c0spcc0环箍断裂第2章混凝土结构材料的物理力学性能■混凝土的变形模量与弹性材料不同，混凝土受压应力--应变关系是一条曲线，在不同的应力阶段，应力与应变之比的变形模量为变数。混凝土的变形模量有如下三种表示方法。2.1混凝土的物理力学性能ecctgE/01c/ccEtgeccccEEE弹性模量（原点模量）变形模量（割线模量）变形模量与弹性模量的关系cccdEtgd第2章混凝土结构材料的物理力学性能式中，为混凝土受压时的弹性系数，即总变形中弹性变形所占的比例。受压时为0.4~1.0；受拉破坏时为0.5。混凝土的切线模量2.1混凝土的物理力学性能混凝土弹性模量的试验方法（150×150×300标准试件）52ccu,k10(N/mm)34.72.2Efc/fc此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ecc0.55~10次第2章混凝土结构材料的物理力学性能)1(2cccEG混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比νc，在压力较小时为0.15~0.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2。混凝土的剪切模量为2.1混凝土的物理力学性能理论模型■混凝土受拉时的应力-应变关系t(MPa)0(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.010.020.030.040.050.06标距83mmttot0tuft第2章混凝土结构材料的物理力学性能混凝土受拉时的弹性模量与受压时基本相同。当σc=ƒt时，ν=0.5，即。2.1混凝土的物理力学性能（2）荷载长期作用下混凝土的变形性能■混凝土的徐变定义：在不变的外力作用下，混凝土的变形随时间增长的现象。产生原因：凝胶体的粘性流动和混凝土内部微裂缝的不断发展。发展规律：开始增长较快，一年后稳定，三年后终止。15(月)0.51.01.52.02.5051020253035(×10-3)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变cree’e’’cr’cc0.5EE第2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影响因素：应力大小，加荷时混凝土的龄期，水泥用量，水灰比，骨料性质，养护条件等。徐变对结构的影响：使构件的变形增加；引起截面内力重分布；在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。（3）混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）混凝土的疲劳抗压强度ƒcf：能够经受200万次重复作用而不至破坏的压应力值。试验表明，当重复作用应力值低于ƒcf时，应力应变曲线经多次重复后闭合成一条直线，当重复作用应力值高于ƒcf时，应力应变曲线由开始凸向应力轴而逐渐凸向应变轴，这标志着混凝土内部重复荷载下的应力-应变曲线fcf3210第2章混凝土结构材料的物理力学性能微裂缝的发展加剧趋近破坏。混凝土的疲劳强度与疲劳应力比有关疲劳应力比越大，疲劳强度越高。（4）混凝土的收缩与膨胀混凝土在空气中凝结硬化时，体积收缩；在水中凝结硬化时，体积膨胀。收缩值比膨胀值大很多，故一般只讨论收缩。定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。产生原因：混凝土中游离水分子的蒸发。对结构的影响：自由收缩时，钢筋中产生压应力，混凝土中产生拉应力。约束收缩时，钢筋的平均应力不变，混凝土中产生的拉应力导致fc,minfcfc,maxfcfc2.1混凝土的物理力学性能第2章混凝土结构材料的物理力学性能构件开裂。影响收缩的因素：水泥品种，等级越高，收缩越大；水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；骨料性质，骨料的弹性模量大，收缩小；养护条件，温湿度越大，收缩越小；制作方法，混凝土越密实，收缩越小；使用环境，温湿度大时，收缩小；构件体积与表面积的比值，比值大时，收缩小。2.1混凝土的物理力学性能§2.2钢筋的物理力学性能1.钢筋的种类和级别（1）按化学成分分为第2章混凝土结构材料的物理力学性能■碳素钢低碳钢：含碳量0.25%中碳钢：含碳量0.25%~0.6%高碳钢：含碳量0.6%~1.4%2.2钢筋的物理力学性能含碳量越高，强度越高，变形能力越差。■普通低合金钢：在碳素钢的成分中再加入少量的硅、锰、钒、钛、铬等合金元素。可提高强度并能改善塑性和可焊性。（2）按加工工艺分为■热轧钢筋：按级别分四个大类共8个品种：第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能F品种符号、级别d(mm)fyk(N/mm2)fy(N/mm2)fy'(N/mm2)HPB300Ф（Ⅰ级）6~22300270270HRB335HRBF335（Ⅱ级）6~50335300300HRB400HRBF400RRB400（Ⅲ级）6~50400360360HRB500HRBF500（Ⅳ级）6~50500435410RFF注：HPB系列为热轧光圆钢筋；HRB系列为热轧带肋钢筋；RRB系列为余热处理钢筋；HRBF系列为采用温控工艺轧制的细晶粒带肋钢筋；当钢筋用着受剪、受扭、受冲切时，fy360N/mm2时取fy=360N/mm2。第2章混凝土结构材料的物理力学性能■冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成。■热处理钢筋：将HRB400、HRBF400、RRB400、HRB500、HRBF500钢筋通过加热、淬火、回火而成。（3）按外形分为■光圆钢筋；■变形钢筋；■钢丝；碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成。刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力。2.2钢筋的物理力学性能第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成。■钢绞线：3根（1×3，三股）或7根（1×7，七股）相同直径的钢