第2章混凝土的材料性能

PrincipleofStructureDesign第2章钢筋混凝土材料本章目录2.1混凝土2.2钢筋2.3钢筋与混凝土之间的共同作用2教学要求理解混凝土的立方体抗压强度，轴心抗压强度和抗拉强度概念，了解混凝土的弹性模量、徐变和收缩变形。深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力—应变曲线。了解普通热轧钢筋的强度和变形，掌握普通热轧钢筋的强度级别和品种。理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。31、混凝土的组成混凝土是由水泥、石、砂、水按一定的配合比制成的人工石材。2、对混凝土的要求：和易性好强度要高(重点)耐久性要好经济上要节省评定混凝土品质的主要指标一、概述2.1.1混凝土的强度42.1混凝土1)抗压强度高，抗拉强度低。2)影响强度的因素很多：水泥等级、骨料性质、混凝土龄期、制作方法、养护条件、试验方法等。3)混凝土的抗压强度是有条件的—混凝土的抗压强度取决于横向变形的约束条件。3.性能特点5三个强度指标材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方法、试件的形状与尺寸，试验方法，加载条件和试件的受力性质。cufcftf立方体抗压强度轴心抗压强度(棱柱体抗压强度)抗拉强度影响因素61）混凝土立方体抗压强度混凝土的立方体抗压强度是按规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。每边边长为150mm的立方体为标准试件。标准试件在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度。混凝土立方体抗压强度用符号fcu表示。7混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。8图3立方体抗压强度试件a)立方体试件的受力；b)承压板与试件表面之间未涂润滑剂时；c)承压板与试件表面之间涂润滑剂时规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。混凝土的抗压强度还与试件尺寸有关。强度大于•加载速度越快，强度越高；•试件尺寸(尺寸效应)：试件尺寸强度折减系数（关于立方体强度）150×150×1501.0200×200×2001.05100×100×1000.95立方体试件尺寸愈小，摩阻力的影响愈大，测得的强度也愈高9混凝土强度从C20~C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土，C50及以上为高强度混凝土。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25预应力混凝土构件不应低于C40。102）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）棱柱体试件（高度大于截面边长的试件）的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况。按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号fc表示。11混凝土的轴心抗压强度试验以150mm×150mm×300mm的试件为标准试件。图4h/b对抗压强度的影响k,cuckf.f880轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值换算,cukfckf考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度。注：C50及以下混凝土，=0.76；C55~C80混凝土，=0.76~0.82；考虑C40以上混凝土具有脆性，还需取折减系数：C40~C80为1.0~0.87，中间按直线插入。123）混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度（用符号ft表示）和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。13图6劈裂试验混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多。11~818tcff0.550.45,1500.880.395(11.645)tkcukflff表达式：式中：150fl——边长为150mm立方体试件抗压强度的变异系数14三个强度指标如何使用混凝土的强度指标是立方体强度是各种力学指标的基本代表值cufcftf154）复合应力状态下的混凝土强度在钢筋混凝土结构中，构件通常受到轴力、弯矩、剪力及扭矩等不同组合情况的作用，因此，混凝土更多的是处于双向或三向受力状态。在复合应力状态下，混凝土的强度有明显变化。16双向正应力状态下混凝土强度17图7双向应力状态下混凝土强度变化曲线（1）当双向受压时（图7中第三象限），一向的混凝土强度随着另一向压应力的增加而增加。σ1/σ2约等于2或0.5时，其强度比单向抗压强度增加约为25%左右，而在σ1/σ2=1时，其强度增加仅为16%左右。18（2）当双向受拉时（图7中第一象限），无论应力比值σ1/σ2如何，实测破坏强度基本不变，双向受拉的混凝土抗拉强度均接近于单向抗拉强度。（3）当一向受拉、一向受压时（图7中第二、四象限），混凝土的强度均低于单向受力（压或拉）的强度图1-7双向应力状态下混凝土强度变化曲线法向应力（拉或压）和剪应力形成压剪或拉剪复合应力状态下混凝土强度混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低；19图8法向应力与剪应力组合时的强度曲线当σ/fc＜(0.5～0.7)时，抗剪强度随压应力的增大而增大；当σ/fc＞(0.5～0.7)时，抗剪强度随压应力的增大而减小。混凝土圆柱体三向受压混凝土轴心抗压强度fcc与侧压应力σ2之间的关系用下列线性经验公式表达：20fcc——三向受压时圆柱体的混凝土轴心抗压强度fc’——混凝土圆柱体强度，计算时可近似以混凝土轴心抗压强度fc代之；——侧压应力值。k’——侧压效应系数，侧向压力较低时得到的值较大。2cccffk2图9三向受压状态下混凝土强度纵向钢筋螺旋箍筋工程应用——钢管混凝土、密配螺旋箍筋柱21加载方式、荷载作用时间、温度、湿度、试件的尺寸、形状、混凝土强度等。（2）分类荷载作用下受力变形：体积变形：长期荷载作用下的变形(徐变)单调、短期加载下的变形多次重复荷载作用下的变形温度变形收缩变形混凝土变形性能的特点（1）影响因素2.1.2混凝土的变形1）混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能（1）混凝土的应力—应变曲线对棱柱体试件进行的一次单调加载试验（指加载从零开始单调增加至试件破坏，也称单调加载）来测试混凝土的应力—应变曲线。在试验时，需使用刚度较大的试验机，或者在试验中用控制应变速度的特殊装置来等应变速度地加载，或者在普通压力机上用高强弹簧（或油压千斤顶）与试件共同受压，测得混凝土试件受压时典型的应力—应变曲线。23试验条件1）单轴受压；2）等应变速度加载；3）在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压；高强弹簧作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段。棱柱体试件2425图10混凝土受压时应力—应变曲线一次单调加载下完整的混凝土轴心受压应力应变曲线由上升段OC、下降段CD和收敛段DE三个阶段组成。上升段下降段收敛段三个特征值：fc：峰值应力（轴心抗压强度）c0：对应于应力峰值点的应变《规范》c0=0.002cu：最大应变（混凝土极限压应变）《规范》cu=3.0×10-3上升段：当压应力σ＜0.3fc左右时，应力应变关系接近直线变化（OA段），混凝土处于弹性阶段工作。在压应力σ≥0.3fc后，随着压应力的增大，应力——应变关系愈来愈偏离直线，原有的混凝土内部微裂缝发展，并在孔隙等薄弱处产生新的个别的微裂缝。当应力达到0.8fc(B点)左右后，内部裂缝处于非稳定发展阶段。当应力达到最大应力σ=fc时（C点），应力应变曲线的斜率已接近于水平，试件表面出现不连续的可见裂缝。26下降段：到达峰值应力点C后，混凝土的强度并不完全消失，随着应力σ的减少（卸载），应变仍然增加，曲线下降坡度较陡，混凝土表面裂缝逐渐贯通。27收敛段：在反弯点D之后，应力下降的速率减慢，曲线逐渐平缓至稳定的残余应力。表面纵向裂缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱，外载力由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受。混凝土轴心受压应力应变曲线的上升段OC和下降段CD，最大应力值fc及相应的应变值εc0以及D点的应变值（称极限压应变值εcu）成为曲线的三个特征值。对于均匀受压的棱柱体试件，其压应力达到fc时，混凝土就不能承受更大的压力，成为结构构件计算时混凝土强度的主要指标。与fc相比对应的应变εc0随混凝土强度等级而异，约在(1.5～2.5)×10-3间变动，平均值为εc0=2.0×10-3。应力-应变曲线中相应于D点的混凝土极限压应变εcu约为(3.0～5.0)×10-3。28影响混凝土轴心受压应力-应变曲线的主要因素：①混凝土强度。结论：低等级混凝土受压时，延性比高等级混凝土好。29图11强度等级不同的混凝土的应力-应变曲线应变速率小，峰值应力fc降低，co增大，下降段曲线坡度显著地减缓。②加载速度•应该采用等应变加载。•试验机的刚度对下降段的影响很大。如果试验机的刚度不足，无法测出应力－应变曲线的下降段。•应变测量的标距也有影响，应变量测的标距愈大，曲线坡度陡；标距愈小，坡度愈缓。③测试技术和试验条件30•试件的上下表面与试验机承压板之间存在摩阻力，破坏时，形成两个对顶叠置的截头方锥体。（测得的强度较高）•试件的上下表面与试验机承压板之间涂抹润滑剂。（测得的强度较低，应力应变曲线没有下降段）④侧向约束31图12混凝土变形模量的表示方法（2）混凝土的弹性模量、变形模量混凝土弹性模量有三种表示方法①原点弹性模量Ec’②切线模量Ec’’③变形模量Ec’’’32我国《公路桥规》混凝土弹性模量Ec取值方法：试验采用棱柱体试件，取应力上限为σ=0.5fc，然后卸荷至零，再重复加载卸荷5～10次，变形已基本趋于稳定，应力—应变曲线接近于直线（图13），该直线的斜率即作为混凝土弹性模量的取值。混凝土弹性模量是根据混凝土棱柱体标准试件，用标准的试验方法所得的规定压应力值与其对应的压应变值的比值。33图13测定混凝土弹性模量方法混凝土Ec的经验公式为：取混凝土的受拉弹性模量与受压弹性模量相等。34)74.34(2.210,5kcucfE（MPa）——混凝土立方体抗压强度标准值.混凝土弹性模量值见附表1-2。kcuf,35混凝土的剪切弹性模量Gc，一般可根据试验测得的混凝土弹性模量Ec和泊松比按下式确定：36其中vc为混凝土的横向变形系数（泊松比）。取vc=0.2时，代入上式得到Gc=0.4Ec。2(1)cccEG2）混凝土在长期荷载作用下的变形性能—徐变变形在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为混凝土的徐变。混凝土徐变变形是在持久作用下混凝土结构随时间推移而增加的应变。(两年左右趋于稳定，三年左右基本终止)37在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐发生粘性流动，微细空隙逐渐闭合，结晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。(凝胶体的粘性流动要持续一个较长时间，内部裂缝不断产生和发展）徐变产生的原因38图14为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件在相对湿度为65%、温度为20℃、承受σ=0.5fc压应力并保持不变的情况下变形与时间的关系曲线。39图14混凝土的徐变曲线影响混凝土徐变的因素（1）混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小。图15表明，当压应力σ≤0.5fc时，徐变大致与应力成正比，各条徐变曲线的间距差不多是相等的，称为线性徐变。线性徐变在加荷初期增长很快，一般在两年左右趋以稳定，三年左右徐变即告基本终止。当压应力σ介于（0.5～0.8）fc之间时，徐变的增长较应力的增长为快，这种情况称为非线性徐变。当压应力σ＞0.8fc时，混凝土的非线性徐变往往是不收敛的。40工程应用预应力混凝土构件的预加力过高危险41图15压应力与徐变的关系（2）加荷时混凝土的龄期。加荷时混凝土龄期越短，则徐变越大。42图16加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响工程应用应避免过早的施加预应力43（3）养护及使用条件下的温度与湿度：混凝土养护时温度越高，湿度越大，徐变就越小。混凝土的使用环境温度越高，徐变越大；环境的相对湿度越低，徐变也越大。（4）混凝土的