河海大學(xué) 混凝土課件 混凝土的特性

第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能2.1混凝土2.1.1混凝土的組成結(jié)構(gòu)普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化形成的人工石材，是多相復(fù)合材料?？梢詣澐譃槿N基本類型結(jié)構(gòu)：

宏觀：砂漿與粗骨料；

亞微觀（細(xì)觀）水泥砂漿；

微觀：水泥石結(jié)構(gòu)。

彈性骨架：砂、石、水泥膠體中的晶體、未水化的水泥顆粒；

塑性變形：水泥膠體中凝膠、孔隙、界面微裂縫。

缺陷是混凝土破壞的起源。

微裂縫的擴展對混凝土的力學(xué)性能有極為重要的影響。

混凝土強度與變形隨時間的增長，主要因為水泥膠體的硬化需要多年才能完成。2.1.2單軸向應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強度一、混凝土的強度1、混凝土強度等級混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo)?；炷恋膹姸鹊燃壥怯每箟簭姸葋韯澐值幕炷翉姸鹊燃墸哼呴L150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（20±3℃，≥90%濕度）養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（加載速度小于C30：0.3~0.5N/mm2/s，否則，0.5~0.8N/mm2/s兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

《規(guī)范》根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2，C50以上為高強混凝土。試驗錄象100mm立方體強度與標(biāo)準(zhǔn)立方體強度之間的換算關(guān)系小于C50的混凝土，修正系數(shù)m=0.95。隨混凝土強度的提高，修正系數(shù)m值有所降低。當(dāng)fcu100=100N/mm2時，換算系數(shù)m約為0.9美國、日本、加拿大等國家，采用圓柱體（直徑150mm，高300mm）標(biāo)準(zhǔn)試件測定的抗壓強度來劃分強度等級，符號記為fc'。圓柱體強度與我國標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強度的換算關(guān)系為，立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，只是用來在同一標(biāo)準(zhǔn)條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)（制作、測試方便）。2、軸心抗壓強度軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=2~3，我國通常取150mm×150mm×300mm的棱柱體試件。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關(guān)系為，式中：α1棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度之比，《規(guī)范》對小于C50級的混凝土取α1=0.76，對C80取α1

=0.82，其間按線性插值：α2高強混凝土脆性折減系數(shù)，對小于C40級的混凝土取α2=1，對C80取α2

=0.87，其間按線性插值。0.88實際構(gòu)件與試件混凝土強度之差折減系數(shù)。3、軸心抗拉強度也是其基本力學(xué)性能，用符號ft表示。混凝土構(gòu)件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關(guān)。劈拉試驗PaP拉壓壓由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度4、混凝土強度的標(biāo)準(zhǔn)值《規(guī)范》規(guī)定材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值fk應(yīng)具有不小于95%的保證率立方體強度標(biāo)準(zhǔn)值即為混凝土強度等級fcu?！兑?guī)范》在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值時，假定它們的變異系數(shù)與立方體強度的變異系數(shù)相同，利用與立方體強度平均值的換算關(guān)系，便可按上式計算得到。同時，《規(guī)范》考慮到試件與實際結(jié)構(gòu)的差異以及高強混凝土的脆性特征，對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度，還采用了以下兩個折減系數(shù)：⑴結(jié)構(gòu)中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，取0.88；⑵脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化。[例]

fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)

fc,m=0.76fcu,m

fc,k=fc,m(1-1.645d)×0.88×1.0

=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa2.1.3

復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能◆雙軸應(yīng)力狀態(tài)

BiaxialStressState實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大受壓強度發(fā)生在兩個壓應(yīng)力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與單軸受壓曲線相似，但峰值應(yīng)變均超過單軸受壓時的峰值應(yīng)變。在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下，任意應(yīng)力比情況下均不超過其相應(yīng)單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的增加而減小?！綦p軸應(yīng)力狀態(tài)

BiaxialStressState實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。2.1.3

復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能在雙軸受拉狀態(tài)下，任意應(yīng)力比情況下均接近其相應(yīng)單軸強度。◆雙軸應(yīng)力狀態(tài)

BiaxialStressState實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。2.1.3

復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能構(gòu)件受剪或受扭時常遇到剪應(yīng)力t和正應(yīng)力s共同作用下的復(fù)合受力情況?；炷恋目辜魪姸龋弘S拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時，抗剪強度達(dá)到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。◆三軸應(yīng)力狀態(tài)

TriaxialStressState三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進(jìn)行。◆局部抗壓強度LocalBearingStrength不涂潤滑劑涂潤滑劑>≈1.一次短期加載下混凝土的變形性能(1)、單軸（單調(diào)）受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainRelationship2.1.4混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。BACED02468102030s(MPa)e×10-3AA點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點應(yīng)力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc

，對高強混凝土sA可達(dá)(0.5~0.7)fc。BCED02468102030s(MPa)e×10-3BAA點以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變增長開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。CED02468102030s(MPa)e×10-3BA達(dá)到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。取B點的應(yīng)力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達(dá)0.95fc以上。CED02468102030s(MPa)e×10-3BACED達(dá)到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變增長速度明顯加快，C點的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變

e0，約為0.002?？v向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。02468102030s(MPa)e×10-3BACED隨應(yīng)變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降。02468102030s(MPa)e×10-3BACED混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應(yīng)變e=(2~3)e0，應(yīng)力s=(0.4~0.6)fc。02468102030s(MPa)e×10-3BACEDE點以后，縱向裂縫形成一斜向破壞面，此破壞面受正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用繼續(xù)擴展，形成一破壞帶。此時試件的強度由斜向破壞面上的骨料間的摩阻力提供。隨應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展，摩阻力和粘結(jié)力不斷下降，但即使在很大的應(yīng)變下，骨料間仍有一定摩阻力，殘余強度約為(0.1~0.4)

fc。了解混凝土的破壞機理，不僅可以解釋各種不同試驗混凝土強度的差別，還可以通過約束混凝土的橫向變形來提高混凝土的抗壓強度。如圖采用配置螺旋箍筋形成所謂“約束混凝土”，可顯著提高混凝土的抗壓強度，并且可以提高混凝土變形能力。“約束混凝土”的概念在工程中許多地方都有應(yīng)用，如螺旋箍筋柱、后張法預(yù)應(yīng)力錨具下局部受壓區(qū)域配置的鋼筋網(wǎng)或螺旋筋等。而鋼管混凝土對內(nèi)部混凝土的約束效果更好，因此近年來在我國工程中得到許多應(yīng)用。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。在抗震結(jié)構(gòu)對于可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域，均要求加密箍筋配置來提高構(gòu)件的變形能力，達(dá)到壞而不倒的目的?；炷羻屋S受力時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反映了混凝土受力全過程的重要力學(xué)特征是分析混凝土構(gòu)件應(yīng)力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進(jìn)行非線性分析的基礎(chǔ)。混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，常采用棱柱體試件來測定。在普通試驗機上采用等應(yīng)力速度加載，達(dá)到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應(yīng)變能大于試件所能吸收的應(yīng)變能，會導(dǎo)致試件產(chǎn)生突然脆性破壞，只能測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段。采用等應(yīng)變速度加載，或在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內(nèi)集聚的應(yīng)變能，可以測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段。強度等級越高，線彈性段越長，峰值應(yīng)變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡?！鬑ognestad建議的應(yīng)力-應(yīng)變曲線◆《規(guī)范》應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段：下降段：(3)三向受壓狀態(tài)下的變形

TriaxialStressState三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進(jìn)行。強度和延性都顯著提高.箍筋約束混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

◎螺旋箍筋約束對強度和變形能力均有很大提高

◎矩形箍筋約束對強度的提高不是很顯著，但對變形能力有顯著改善ConfinementwithTransverseReinforcement(4)、混凝土的彈性模量

ElasticModulus原點切線模量ElasticModulus割線模量SecantModulus切線模量TangentModulus彈性系數(shù)n

(coefficientofelasticity)

隨應(yīng)力增大而減小n

=1~0.5◆彈性模量測定方法(5)、混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系2、混凝土在長期荷載作用下的變形—徐變Creep

混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。徐變與塑性變形不同。塑性變形主要是混凝土中結(jié)合面裂縫的擴展延伸引起的，只有當(dāng)應(yīng)力超過了材料的彈性極限后才發(fā)生，而且是不可恢復(fù)的。徐變不僅部分可恢復(fù)，而且在較小的應(yīng)力時就能發(fā)生。產(chǎn)生徐變的原因是因為混凝土受力后，水泥石中的凝膠體產(chǎn)生的粘性流動（顆粒間的相對滑動）要延續(xù)一個很長的時間，因此沿混凝土的受力方向會繼續(xù)發(fā)生隨時間而增長的變形。2.應(yīng)力較大,微裂縫開展◆徐變系數(shù)j(t，t0)CreepCoefficient當(dāng)初始應(yīng)力小于0.5fc時，徐變在2年以后可趨于穩(wěn)定，最終的徐變系數(shù)j=2~4?！粲绊懸蛩貎?nèi)在因素是混凝土的組成和配比。骨料(aggregate)的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。環(huán)境影響包括養(yǎng)護(hù)和使用條件。受荷前養(yǎng)護(hù)(curing)的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可使徐變減少（20~35）%。受荷后構(gòu)件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。應(yīng)力條件是指初應(yīng)力(initialstress)水平si

/fc和加荷時混凝土的齡期t0，它們影響徐變的非常主要的因素。當(dāng)初始應(yīng)力水平si

/fc

≤0.5時，徐變值與初應(yīng)力基本上成正比，也即（最終）徐變系數(shù)j=ecr

/eel=Ececr

/si=常數(shù)，這種徐變稱為線性徐變。當(dāng)初應(yīng)力si

在(0.5~0.8)

fc

范圍時，徐變最終雖仍收斂，但最終徐變與初應(yīng)力si不成比例，也即徐變系數(shù)j隨si的增大而增大，這種徐變稱為非線性徐變。當(dāng)初應(yīng)力si

>0.8fc時，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展已處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，徐變的發(fā)展將不收斂，最終導(dǎo)致混凝土的破壞。因此將0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。高強混凝土的密實性好，在相同的s/fc比值下，徐變比普通混凝土小得多。但由于高強混凝土承受較高的應(yīng)力值，初始變形較大，故兩者總變形接近。此外，高強混凝土線性徐變的范圍可達(dá)0.65fc，長期強度約為0.85fc，也比普通混凝土大一些。徐變會使結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的（撓度）變形增大，引起預(yù)應(yīng)力損失，在長期高應(yīng)力作用下，甚至?xí)?dǎo)致破壞。不過，徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應(yīng)）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應(yīng)力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。3.混凝土在重復(fù)載荷下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線混凝土在多次重復(fù)載荷下，其應(yīng)力—應(yīng)變的性質(zhì)和短期一次加載有顯著不同。由于混凝土是彈塑性材料，初次卸載至應(yīng)力為零時，應(yīng)變不能全部恢復(fù)?？苫謴?fù)的那一部分稱之為彈性應(yīng)變εce，不可恢復(fù)的殘余部分稱之為塑性應(yīng)變εcp。因此，在一次加載卸載過程中，混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線形成一個環(huán)狀。如圖所示：

若每次加載的應(yīng)力不是很大，隨著加載卸載重復(fù)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力會逐漸減小，一般重復(fù)5~10次后，加載和卸載的應(yīng)力—應(yīng)變曲線就會越來越閉合并接近一直線，此時混凝土如同彈性體一樣工作。

但當(dāng)應(yīng)力超過某一限值，則經(jīng)過多次循環(huán)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系成為直線后，又會很快重新變彎且應(yīng)變越來越大，試件很快破壞。這個限值也就是材料能夠抵抗周期重復(fù)荷載的疲勞強度（）。4、混凝土