02_混凝土结构材料的物理力学性能

1第2章混凝土结构材料的物理力学性能2主要内容1、混凝土的物理力学性能2、钢筋的物理力学性能3、混凝土和钢筋的粘结32.1混凝土的物理力学性能混凝土的组份：水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。骨料水泥结晶体水泥凝胶体混凝土的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。弹性变形的基础塑性变形的基础4通常把混凝土的结构分为三种类型：微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。5砼试件大小和形状、荷载的性质和受力条件，均影响混凝土的强度单向应力状态下的强度立方体抗压强度轴心抗压强度轴心抗拉强度复合应力状态下的强度双向受力强度三向受压强度6一、单轴向应力状态下的砼强度1.混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级我国将立方体抗压强度值作为混凝土强度的基本指标，并作为评定砼强度等级的标准。标准试验条件：边长、温度、湿度、养护时间混凝土强度等级：是按立方体抗压强度标准值确定的共14级，用C表示：C15,C20,…C50,…C75,C80。例如C20,表示为fcu,k＝20N/mm27影响立方体抗压强度的因素1）试验方法：不涂润滑剂与涂润滑剂：套箍作用我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的2）加载速度：速度越快，强度越高。3）混凝土龄期：随龄期的增长而提高。4）试件尺寸：尺寸越小，强度越高承压板试块摩擦力82.混凝土的轴心抗压强度fck、fc用标准棱柱体试件（150×150×300mm3），采用标准试验方法（与立方体相同）测定的混凝土抗压强度――轴心抗压强度。一般认为当h/b=2~3时，可以消除摩擦力的影响，并能避免偏压的情形，中间为纯压状态，接近实际情况。fcu,k与fck的关系如何？承压板试块9试验研究发现fck/fcu,k≈0.70～0.9210《规范》偏安全的给出之间的关系为：fck＝0.88α1α2fcu,kα1——棱柱体与立方体抗压强度比值，≤C50取0.76，C80取0.82，中间插值。α2——高强混凝土的脆性折减系数，≤C40取1.0，C80取0.87，中间插值。0.88——考虑实际构件与试件混凝土之间的差异而取的折减系数。不同国家试验形状及尺寸有差异。111001001501505003.混凝土的轴心抗拉强度ftk、ft一般只为抗压强度的1/17~1/8。砼强度越高，这个比值越小。测试方法：轴心受拉试验（直接）劈裂试验（间接）ddftsFFFF12通过试验分析，《规范》给出轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系ftk=0.88×0.395fcu,k0.55(1-1.645δ)0.45×α2式中：δ为变异系数，其它符号意义同前13注意：fck＝0.88α1α2fcu,kftk=0.88×0.395fcu,k0.55(1-1.645δ)0.45×α2在以后实际计算时，fck、ftk不用上式计算，当混凝土强度等级一定时，直接查表，见附录2。14二、复合应力下砼的强度实际上混凝土构件都处于复合应力状态梁既受M又受V柱同时受M、N、V节点更复杂所以需研究复合应力状态下混凝土的强度。151.两法向应力σ1和σ2作用双向受拉区双向受压区拉压区拉压区162.法向应力σ和剪应力τ作用“压剪状态”：压应力低时，抗剪强度随压应力的增大而增大，当压应力超过0.6fc’时，抗剪强度随压应力的增大而减小。也就是说：由于剪应力存在，混凝土的抗压强度低于单向抗压强度。“拉剪状态”：抗剪强度随拉应力增大而减小。也就是说：由于剪应力存在，混凝土的抗拉强度降低。/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度173.三向受压状态混凝土在三向受压时，由于侧向压应力的约束作用，最大的主压应力轴的抗压强度大大增大。试验经验公式：实际工程中，配有螺旋钢箍柱、钢管混凝土柱等都是利用此性质，强度、延性大大提高“套箍作用”Lcccfff0.7~5.4''1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）18三、砼的变形混凝土的变形分为:一次短期加载作用1.混凝土的受力变形长期荷载作用重复荷载作用收缩、膨胀2.混凝土的体积变形温度湿度191.一次短期加载下砼的变形（1）受压时应力－应变曲线采用棱柱体试件来测定全曲线，包括：上升段下降段（非普通试验机，需伺服控制）其形状和特征是砼内部结构的力学标志通过应力—应变曲线，可以了解混凝土各阶段的强度和变形2021上升段（OC）:a）加载到（0.3～0.4）fc，接近直线，混凝土处于弹性阶段；A点——比例极限。b）继续加载，图形逐渐弯曲，混凝土呈现出弹塑性性质，E不是常数；B点——混凝土长期抗压强度的取值依据。c）加载至峰点C，应变增大，图形更弯曲。C点——混凝土棱柱体抗压强度fc，对应的应变0.002。下降段（CE）:缓慢卸荷，裂缝继续扩展、贯通，变形增大。收敛点E——应变约0.003～0.00422特点：1）混凝土的应力应变图形是一曲线，说明混凝土是一种弹塑性材料，只有压应力很小时，才可视为弹性材料。2）混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大影响，混凝土强度高，应力下降快，延性越差；强度低，下降段越平缓，延性好。23（2）数学模型单轴受压时的应力-应变关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc2011cccf0015.01ucccfu=0.00350=0.002ocfcc2011cccf美国Hognestad模型德国Rüsch模型24中国规范u0ocfcc011ncccf12(50),2260cunfnn当时，取500.0020.55010cuf50.00335010ucuf25（3）轴向受拉的应力－应变曲线与受压相似，同样存在上升段和下降段，但其应力、应变峰值小的多峰值应变仅在0.0001左右ttot0tuftt(MPa)0(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.010.020.030.040.050.06标距＝83mm理论模型26（4）三向受压状态变形特点cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEcc02c0spcco环箍断裂27（5）混凝土的变形模量σ—ε是一曲线，非线性，E是变量不是常数，主要有三种衡量方式1）弹性模量（原点模量）2）变形模量（割线模量，弹塑性模量）3）切线模量kcc10cecp0h0tancE'1tancE''tancE28原点模量的试验方法：《规范》规定采用反复加荷的方法确定对标准棱柱体试件，取0.5fc反复加荷、卸载5至10次，随加载次数增加，σ-ε接近直线，直线斜率即为弹性模量Ec。实际设计时，Ec可以根据混凝土等级查表。c/fcc0.55~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec25,10(/)34.742.2ccukENmmf292.长期荷载作用下砼的变形混凝土在长期荷载下，压应力不变，应变随时间而增长的现象——徐变。30a）与时间有关：开始增加快，以后慢，六个月完成大部分，1～2年后稳定.（徐变值约为瞬时应变的1～4倍）31b）与应力大小有关：当应力较小时，如0.5fc，徐变大致与应力成正比——线性徐变。当应力较大时，如0.5fc，徐变增长大于应力增长——非线性徐变。当应力过高时，徐变急剧增大，不收敛，试件破坏所以一般取0.75fc~0.8fc为混凝土的长期极限强度。32c）与混凝土的龄期有关：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大d）与混凝土的组成成分有关：水泥用量越多或水灰比越大，徐变越大。骨料质量好，徐变越小。e）与混凝土养护条件有关：养护时温度高，湿度大，徐变小。f）与构件形状、尺寸有关：体表比大，徐变小。33影响徐变的因素归纳为三个方面：内在因素、环境因素、应力因素。徐变对混凝土结构性能的影响：引起构件变形增加；内力重分布；在预应力混凝土构件中会造成预应力损失。减小徐变的措施：1）选用优质骨料、优质水泥，减小水泥用量和水灰比。2）加强养护，尽量捣实，保持温度、湿度。3）适当控制混凝土龄期。343.混凝土的收缩和膨胀－体积变形混凝土在空气中结硬时体积减小的现象——收缩混凝土在水中结硬时体积增大的现象——膨胀膨胀值远小于收缩值，一般不考虑。收缩与时间有关，半年完成80～90％。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。35影响因素混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。归纳为：内在因素、环境因素减小混凝土收缩的措施：1），2），3）同徐变4）设置适当抗收缩钢筋（构造钢筋—见相关构造要求）（温度变化，也会引起混凝土开裂，一般影响不大，在重要结构、高层结构、特种结构中考虑——设置伸缩缝）36四、混凝土的疲劳在荷载重复作用下，混凝土的强度和变形有很大变化，混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为－疲劳破坏。容易出现疲劳破坏的构件：吊车梁、钢筋混凝土道桥、港口海岸的混凝土结构等。疲劳强度：用疲劳试验测定。采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。37重复荷载下混凝土的变形性能pe包罗线与一次性加载时的应力-应变曲线相似38混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关相同重复次数下，随疲劳应力比值的减小而增大。式中：，表示截面同一纤维上的混凝土最小应力和最大应力。fcfcfcmax,min,fcmin,fcmax,39混凝土的选用原则：建筑工程中，素钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不宜低于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C30.402.2钢筋的物理力学性能一、钢筋的种类按化学成分分类：低碳钢碳素钢中碳钢随含碳量增加，钢筋强度提高，高碳钢塑性性能降低。普通低合金钢：除碳素钢已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒等合金元素。强度显著提高，塑性性能也好。41按外形分类：光面钢筋表面光滑，与混凝土粘结力差。变形钢筋表面带肋，螺旋纹、人字纹、月牙纹，与混凝土粘结力高。按生产工艺分类热轧钢筋—有屈服点、流幅、颈缩（用于钢筋混凝土结构）预应力钢丝和钢绞线、热处理钢筋（用于预应力混凝土结构）冷加工钢筋（用于预应力混凝土结构）4243钢筋的冷加工1）冷拉对热轧钢筋进行张拉，张拉应力超过原屈服点，然后放松，再张拉，屈服强度提高了，但塑性降低。（伸长率降低）K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700oC时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉提高抗拉强度（不宜作受压钢筋）BKZZ’K’残余变形冷