第三章钢筋混凝土材料力学性能.ppt

1、第三章钢筋混凝土材料的第三章钢筋混凝土材料的力学性能力学性能 3.1 混凝土混凝土 3.1.1混凝土的组成结构混凝土的组成结构 混凝土是用水泥、砂、石和水等原料经搅拌后入混凝土是用水泥、砂、石和水等原料经搅拌后入模浇筑并养护硬化后形成的人工石材。混凝土的性能模浇筑并养护硬化后形成的人工石材。混凝土的性能主要取决于水灰比、搅拌程度、浇筑的密实性等有关。主要取决于水灰比、搅拌程度、浇筑的密实性等有关。混凝土在凝结硬化过程中，水泥和水形成的水泥胶块混凝土在凝结硬化过程中，水泥和水形成的水泥胶块有水泥结晶体和水泥胶凝体，其中水泥结晶体和砂石有水泥结晶体和水泥胶凝体，其中水泥结晶体和砂石骨料组成混凝土的

2、弹性骨架，主要承受外力作用，并骨料组成混凝土的弹性骨架，主要承受外力作用，并使混凝土产生一定的弹性变形，水泥胶凝体起着调整使混凝土产生一定的弹性变形，水泥胶凝体起着调整和扩散混凝土应力的作用，并使混凝土具有相当的塑和扩散混凝土应力的作用，并使混凝土具有相当的塑性变形。性变形。水泥砂浆结构水泥砂浆结构 水泥石为基相，砂子未分散相砂子和水水泥石为基相，砂子未分散相砂子和水泥石的结合面为薄弱面。物理力学性能控制因素：除决泥石的结合面为薄弱面。物理力学性能控制因素：除决定水泥石结构的因素外，还有砂浆配合比、砂的颗粒级定水泥石结构的因素外，还有砂浆配合比、砂的颗粒级配、矿物组成、砂粒形状、颗粒表面特性及

3、砂中的杂质配、矿物组成、砂粒形状、颗粒表面特性及砂中的杂质含量等。含量等。砂浆和粗骨料砂浆和粗骨料水泥砂浆未基相，粗骨料为分散相砂浆水泥砂浆未基相，粗骨料为分散相砂浆与粗骨料的结合面为薄弱面。性能影响因素：基相和分与粗骨料的结合面为薄弱面。性能影响因素：基相和分散相（粗、细骨料）自身的特性、骨料的分布及其与基散相（粗、细骨料）自身的特性、骨料的分布及其与基相之间结合界面的强度相之间结合界面的强度。微裂缝微裂缝由于硬骨料对混凝土泌水引起的沉缩和水泥砂由于硬骨料对混凝土泌水引起的沉缩和水泥砂浆收缩的限制，在各层次界个面薄弱处引起的结合破坏。浆收缩的限制，在各层次界个面薄弱处引起的结合破坏。混凝土的

4、最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。混凝土破坏机理混凝土破坏机理从加荷到破坏分三阶段：从加荷到破坏分三阶段：骨料和浆体结合面发生应力集中，产生微裂缝骨料和浆体结合面发生应力集中，产生微裂缝；微裂缝稳定发展，向砂浆延伸，加载停，裂缝扩展停微裂缝稳定发展，向砂浆延伸，加载停，裂缝扩展停止；止；微裂缝贯通，形成连续裂缝，混凝土被分割，丧失承微裂缝贯通，形成连续裂缝，混凝土被分割，丧失承载力。载力。混凝土的强度远低于砂浆和粗骨料任一材料成分的强混凝土的强度远低于砂浆和粗骨料任一材料成分的强度，混凝土宏观破坏是裂缝累积的过程，从内部结构度，混凝土宏观破

5、坏是裂缝累积的过程，从内部结构局部损伤到遭受连续性破坏导致整个体系斜体面丧失局部损伤到遭受连续性破坏导致整个体系斜体面丧失承载力的过程。而不是组成成份的基相和分散相自身承载力的过程。而不是组成成份的基相和分散相自身强度的耗尽。强度的耗尽。虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态，但是处于复合应力状态，但是单轴向受力状态单轴向受力状态下混下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。要参数。混凝土试件的混凝土试件的大小和形状、试验方法和加大小和形状、试验方法和加载速率载速率都影响混凝土强度的试验结果，因

6、此各都影响混凝土强度的试验结果，因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。统一的标准试验方法。3.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度单轴向应力状态下的混凝土强度一、混凝土立方体抗压强度一、混凝土立方体抗压强度fcu,k混凝土基本强度指标混凝土基本强度指标 以边长为以边长为150mm的立方体在的立方体在203C的温度和相对的温度和相对湿度在湿度在90%以上的潮湿空气中养护以上的潮湿空气中养护28天后，依照标准天后，依照标准试验方法（加荷速度：试验方法（加荷速度：试件承压面不涂润滑剂，全截面受压）测得的试件承压面不涂润滑剂，全截面受压

7、）测得的具有具有95%保证率的保证率的抗压强度为混凝土立方体抗压强度标准值抗压强度为混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k（无设计值），并以此（无设计值），并以此作为混凝土的强度等级作为混凝土的强度等级（以（以 ），并用符号），并用符号C表示。表示。混凝土的强度等级一般可划分为：混凝土的强度等级一般可划分为：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。其中。其中 C50C80属高强度混凝土。属高强度混凝土。混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定：规定：素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C1

8、5；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于于C20；采用强度等级；采用强度等级400MPa及以上及以上钢筋时，钢筋时，混凝土强度等级不宜低于混凝土强度等级不宜低于C25；预应力混凝土结；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于构的混凝土强度等级不宜低于C40，且，且不应低于不应低于C30；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于强度等级不应低于C30。混凝土立方体抗压强度的影响因素混凝土立方体抗压强度的影响因素试验方法试验方法见图见图3-1加载速度加载速度 加载速度越快加载速度越快,混凝土内部微裂缝难以混凝土

9、内部微裂缝难以充分发展，塑性变形受到一定抑制，强度越大。充分发展，塑性变形受到一定抑制，强度越大。成型后龄期成型后龄期 随龄期逐渐增长。随龄期逐渐增长。尺寸尺寸 尺寸越大，实测破坏强度越低，这是尺寸越大，实测破坏强度越低，这是由于混凝土内部缺陷和试件承压面摩擦力等影响等因由于混凝土内部缺陷和试件承压面摩擦力等影响等因素造成的，尺寸大，内部缺陷（微裂缝、气泡等）相素造成的，尺寸大，内部缺陷（微裂缝、气泡等）相对较多，端部摩擦力影响相对较小，故强度较低。对较多，端部摩擦力影响相对较小，故强度较低。加载方式加载方式 局部加载立方体抗压强度提高。局部加载立方体抗压强度提高。图3-1 混凝土立方体的破坏

10、情况混凝土立方体的破坏情况“箍套箍套”作用作用未采取减摩措施未采取减摩措施采取减摩措施后采取减摩措施后二二、混凝土轴心抗压强度、混凝土轴心抗压强度fck 也称棱柱体抗压强度也称棱柱体抗压强度（用符号（用符号fc表示表示），是），是用高宽比为用高宽比为24的棱柱体试件测得的抗压强度，的棱柱体试件测得的抗压强度，我国标准以我国标准以150150300mm的棱柱体试件为标的棱柱体试件为标准试件，也常用准试件，也常用150150450的棱柱体试件，的棱柱体试件，测得具有测得具有95 保证率的抗压强度。一般很少采保证率的抗压强度。一般很少采用用。轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系轴心抗压强度与立方体抗压

11、强度的关系为：为：三、混凝土三、混凝土轴心抗拉心抗拉强强度度ftk 混凝土的抗拉混凝土的抗拉强强度度比抗比抗压强强度低得多度低得多,一般一般只有抗只有抗压强强度的度的1/181/9,一般只在研究抗裂性一般只在研究抗裂性时使用。使用。混凝土的混凝土的轴心抗拉心抗拉强强度可通度可通过拉伸拉伸试验或或劈裂劈裂试验获得。得。3.1.3复合复合应力状力状态下混凝土的下混凝土的强强度度 实际工程中混凝土很少实际工程中混凝土很少实际工程中混凝土很少实际工程中混凝土很少处于理想的单向应力状处于理想的单向应力状处于理想的单向应力状处于理想的单向应力状态，通常处于复合应力状态，通常处于复合应力状态，通常处于复合应

12、力状态，通常处于复合应力状态。态。态。态。混凝土的双向受力强度混凝土的双向受力强度 双向受拉双向受拉：强度接度接近近单向向 受拉受拉强度度双向受双向受压：抗：抗压强度和极度和极 限限压应变均有均有 所提高所提高一拉一一拉一压：强度降低度降低混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度 在有在有剪剪应力力作用作用时，混凝土的，混凝土的抗抗压强度将低于度将低于单轴抗抗压强度度。混凝土的三向受力强度混凝土的三向受力强度 强度和变形能力大大提高，这是由于侧向约强度和变形能力大大提高，这是由于侧向约束限制了混凝土受压向变形，因此提高混凝土束限制了混凝土受压向变形，因此提高

13、混凝土的抗压强度的抗压强度。提高混凝土的抗压强度可以采用提高混凝土的抗压强度可以采用如如密排箍筋、螺旋箍筋、钢管混凝土密排箍筋、螺旋箍筋、钢管混凝土等。三向等。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件下进行。受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件下进行。圆柱体三向受柱体三向受压试验 工程上通过设置密排螺旋筋或箍筋来约工程上通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。cu约束混凝土约束混凝土非约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEc c0 2c0 sp cco环箍断裂环箍断裂3.1.4混凝土的混凝土的变形形混凝土的变形分为两类：混

14、凝土的变形分为两类：受力变形：一次短期荷载下的变形、长期荷受力变形：一次短期荷载下的变形、长期荷载下的变形、多次重复荷载下的载下的变形、多次重复荷载下的变形变形体积变形：收缩、膨胀、温度变化而产生的体积变形：收缩、膨胀、温度变化而产生的变形变形一、混凝土在一次短期加荷下的变形一、混凝土在一次短期加荷下的变形混凝土受压时的应力混凝土受压时的应力应变关系应变关系 曲线上升段：曲线上升段：OA段、段、AB段段、BC段段OA段段：混凝土表现出理想的弹性性质，应力：混凝土表现出理想的弹性性质，应力-应变关应变关系呈直线变化系呈直线变化，微裂缝没有发展。，微裂缝没有发展。对普通强度混凝土对普通强度混凝土

15、A 约约为为(0.30.4)fc,对高强混凝土对高强混凝土A可达可达(0.50.7)fc。因为应力到达因为应力到达A点之前，应力和应变呈正比，此点之前，应力和应变呈正比，此时若卸去荷载，则应变恢复为零，故称时若卸去荷载，则应变恢复为零，故称A点为比例极限点为比例极限AB段段:（0.30.8）fc,混凝土表现出混凝土表现出 非弹性性质，非弹性性质，应变增长开始加快，应力应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。由于应变曲线逐渐偏离直线。由于微裂缝处的应力集中，微裂缝已有所发展，但处于稳定微裂缝处的应力集中，微裂缝已有所发展，但处于稳定阶段。阶段。B点称为裂缝稳定扩展的点称为裂缝稳定扩展的“临

16、界点临界点”，取，取B 的的应力作为混凝土的应力作为混凝土的长期抗压强度长期抗压强度。普通强度混凝土。普通强度混凝土B 约为约为0.8fc，高强强度混凝土，高强强度混凝土B可达可达0.95fc以上以上 BC段段：（0.81.0）fc，超过，超过B点后，试件所点后，试件所积蓄的弹性应变能始终大于裂缝发展所需要的能量积蓄的弹性应变能始终大于裂缝发展所需要的能量形成裂缝发展的不稳定状态。形成裂缝发展的不稳定状态。当应力接近轴心抗压当应力接近轴心抗压强度强度fc时，内部贯通的微裂缝转变为明显的纵向裂时，内部贯通的微裂缝转变为明显的纵向裂缝，缝，试件开始破坏，此时试件开始破坏，此时max=fc,但其相但其相应应的的应变应变不是最大不是最大应变应变，其其值值波波动动在在0.00150.0025之之间间，平，平均均o=0.002。曲线下降段：曲线下降段：CE段段 若试验机的刚度大，使试验机所释放的能量不致若试验机的刚度大，使试验机所释放的能量不致于立即将试件破坏，随缓慢卸荷，应变还能继续增加于立即将试件破坏，随缓慢卸荷，应变还能继续增加CD段段：超过：超过C点，试件的承载力随应变增长逐渐缩小点，试件