混凝土结构材料的物理力学性能

第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构通常分为三种类型：Ａ.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。Ｂ.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。Ｃ.宏观结构：即砂浆和粗骨料两系结构。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。影响混凝土强度的因素水泥强度等级水灰比骨料性质配合比制作方法硬化条件龄期混凝土的强度单轴向应力状态下的强度立方体抗压强度棱柱体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第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度2.1混凝土的物理力学性能（1）单轴向应力状态下的混凝土强度1）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准试验条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（匀速加载0.3～0.8N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的试验结果具有95%保证率的抗压强度，用符号fcu,k表示。使用意义：评定混凝土强度等级的标准强度等级划分：《混凝土结构设计规范》规定，从C15～C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。2）轴心抗压强度150×l50×300mm的棱柱体试件，试验条件、试验方法同立方体试件，测得具有95%保证率的抗压强度为轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，但基本能反映构件的实际抗压能力。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系式为：2.1混凝土的物理力学性能kcuckff,2188.0式中：α１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。α2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，其间线性内插。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。使用意义：设计计算混凝土构件的受弯、受压承载力时采用。2.1混凝土的物理力学性能3）轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。2.1混凝土的物理力学性能劈拉试验FaF拉压压22,aFsft两种试验方法直接测试法——轴心拉拔试验：100×l00×500mm棱柱体试件间接试验法——劈裂试验：边长150mm立方体试件轴心抗拉强度标准值用符号ftk表示使用意义：用于分析混凝土构件的开裂、裂缝宽度、变形及计算混凝土构件的受冲切、受扭、受剪等承载力。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土的物理力学性能《混凝土结构设计规范》规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：0.450.55,20.880.39511.645tkcukff混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系混凝土结构和构件通常受到轴力、弯矩、剪力和扭矩的不同组合作用，混凝土很少处于理想的单向受力状态，而更多的是处于双向或三向受力状态，因此分析混凝土在复合应力作用下的强度就很有必要。由于混凝土的特点，在复合应力作用下的强度至今尚未建立起完善的强度理论，目前仍只有借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。（2）复合应力状态下混凝土的强度第二章钢筋和混凝土的材料性能1）混凝土的双向（法向）受力强度第一象限：双拉第三象限：双压第二、四象限：拉压结论：双拉强度接近于单拉强度；双压强度比单压强度有很大提高（最多可提高27％）；双向拉压异号应力使强度降低。2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能2）混凝土在剪应力和正应力共同作用下的复合强度混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大；当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大；压应力继续增大，由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力增大而减小结论：剪＋压强度低于单压强度剪应力使抗拉强度降低2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能3）混凝土的三向受压强度三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件下进行。2.1混凝土的物理力学性能由试验得到的经验公式为:式中——被约束混凝土的轴心抗压强度——非约束混凝土的轴心抗压强度——侧向约束压应力结论：三压强度比单压强度显著提高！《规范》规定最高取5倍应用：钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等(4.57.0)ccclfffccfcflf2.1.4混凝土的变形分两大类：受力变形、非受力（体积）变形1、受力变形：分三种情况：1）（一次、单调）短期加载：分三种情形：a、单轴向受压—模量b、三向受压c、轴向受拉2）长期加载—徐变3）重复荷载—疲劳2、非受力变形：分两种情况:1)收缩与膨胀2）温度变形第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土1、单轴向受压应力-应变关系混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。试验分析：采用棱柱体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1混凝土的物理力学性能02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED2.1混凝土的物理力学性能曲线特征分析：全曲线包括两大段：上升段和下降段，以C点为分界点；每大段又各由三小段组成：OA段—接近直线段AB段—微曲线段BC段—曲线段CD段—曲线凹向应变轴段DE段—曲线凸向应变轴段EF段—凸向至平行应变轴全曲线有六个关键点：A点—比例极限点B点—临界点C点—峰点D点—拐点E点—收敛点F点—终点A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要是弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土σA约为(0.3～0.4)fc，对高强混凝土σA可达(0.5～0.7)fc。A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定扩展的。达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展是快速而不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土σB约为0.8fc，高强度混凝土σB可达0.95fc以上。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。达到C点时内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快。C点的应力最大，该峰值应力σmax即为混凝土棱柱体抗压强度fc，相应C点的纵向应变值称为峰值应变e0，其值为0.0015～0.0025，通常取均值e0=0.002。纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向主裂缝，曲线发生反向弯曲直到出现拐点D。从D点发展到E点，应力下降变快，应变增长较快，曲线凸向应变轴并逐渐凸向水平轴方向发展，曲率最大处为E点，此处eE=(2～3)e0，应力σE=(0.4～0.6)fc。从E点到F点，主裂缝贯通很宽，内部结构完全破坏，对无侧向约束的混凝土，此段已失去结构意义。混凝土破坏的根本原因：混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土不同强度混凝土的应力-应变关系曲线上升段：形状和峰值应变的变化不显著，即强度等级越高，线弹性段越长、峰点越高、峰值应变有所增大。下降段：形状有较大差异，强度越高，坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小、延性越差。这在高强混凝土中尤为明显，因水泥石与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。2.1混凝土的物理力学性能混凝土单轴向受压应力—应变曲线的数学模型（本构方程）σ–ε曲线是混凝土构件受力性能分析的依据，因此应确定其数学模型。模型很多，国际上应用较广泛的有两种：1）美国模型：上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。2）德国模型：上升段为二次抛物线，下降段为水平直线。3）我国模型：上升段为多次抛物线，下降段为水平直线。2.1混凝土第二章钢筋和混凝土的材料性能◆美国E.Hognestad建议的应力-应变曲线uuccffeeeeeeeseeeeees000020015.010200.0020.0038fc0.15fcsee0eu2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能◆我国《规范》应力-应变关系上升段：])1(1[0ncccfees0ee下降段：ccfsueee055010)50(0033.010)50(5.0002.0)50(6012cuucucufffnee《规范》混凝土应力-应变曲线参数fcu≤C50C60C70C80n21.831.671.5e00.0020.002050.00210.00215eu0.00330.00320.00310.0032.1混凝土00.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20se2.1混凝土的物理力学性能混凝土的变形模量应用意义：用于计算混凝土构件的截面应力和变形、预应力混凝土构件的预压应力及由于温度变化、支座沉降产生的内力。混凝土受压σ-ε曲线上,在不同的应力阶段，其应力与应变的比值是一个常数。混凝土的变形模量有三种表示方法：1)弹性模量（原点模量）2)变形模量（割线模量、弹塑性模量）3)切线模量第二章钢筋和混凝土的材料性能2、混凝土的变形模量弹性模量0tgEc变形模量1tgEc切线模量2.1混凝土2.1混凝土的物理力学性能tgEc''第二章钢筋和混凝土的材料性能◆弹性模量测定方法se0.5fc5~10次)N/mm(7.342.2102,5kcucfE2.1混凝土2.1混凝土的物理力学性能三向受压状态下混凝土的变形（图2-13）混凝土试件横向受到约束时，可提高强度，也可提高延性。用圆柱体试件周围施加恒定液体压力，逐渐增加轴向压力直至破坏，测其轴向应变的变化。结论：随着侧向压力的增加，试件的强度和延性都显著提高。工程应用：配置密排螺旋筋或箍筋的钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱，从侧向约束了混凝土，使混凝土的受力及变形性能得到改善。混凝土轴向受拉时的应力-应变关系（图2-16）1）曲线形状与受压时相似，有上升段和下降段。2）原点切线斜率与受压时基本一致。3）A点在（0.4～0.5）σmax时出现，B点在（0.76～0.83）σmax时出现.4）fc越大，上升段越长，峰点越高，但对应的变形几乎没有增大；fc越大，下降段越陡峭，变形反而越小。5）σmax时ε0=0.000075～0.00015第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1.5混凝土的收缩、膨胀和温度变形1、混凝土的收缩定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。收缩是