混凝土材料的力學(xué)性能_建筑材料

1、3.3 混凝土混凝土的強(qiáng)度與破壞的強(qiáng)度與破壞Strength and Failure of Concrete問(wèn)問(wèn) 題：題： 強(qiáng)度高的混凝土有哪些優(yōu)點(diǎn)？有哪些用強(qiáng)度高的混凝土有哪些優(yōu)點(diǎn)？有哪些用途？途？ 什么樣的結(jié)構(gòu)（什么時(shí)候）要求混凝土什么樣的結(jié)構(gòu)（什么時(shí)候）要求混凝土強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)？強(qiáng)度發(fā)展過(guò)快可能會(huì)產(chǎn)強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)？強(qiáng)度發(fā)展過(guò)快可能會(huì)產(chǎn)生什么弊病生什么弊病齡期齡期強(qiáng)度強(qiáng)度t強(qiáng)度發(fā)展快強(qiáng)度發(fā)展快強(qiáng)度發(fā)展慢強(qiáng)度發(fā)展慢1） 作為一種結(jié)構(gòu)工程材料，承作為一種結(jié)構(gòu)工程材料，承載力備受關(guān)注，因此混凝土的強(qiáng)載力備受關(guān)注，因此混凝土的強(qiáng)度通?？偸鞘紫纫u(píng)價(jià)的性質(zhì)。度通?？偸鞘紫纫u(píng)價(jià)的性質(zhì)。2）易于評(píng)價(jià)。）易

2、于評(píng)價(jià)。3）與其它性能有密切關(guān)系。與其它性能有密切關(guān)系。在混凝土的所有性能中，為什么總是首在混凝土的所有性能中，為什么總是首先關(guān)心其強(qiáng)度？先關(guān)心其強(qiáng)度？3.3.1 強(qiáng)度強(qiáng)度孔隙率關(guān)系孔隙率關(guān)系 毛毛細(xì)細(xì)孔孔隙隙率率（%） 抗抗壓壓強(qiáng)強(qiáng)度度（Mpa） 對(duì)于勻質(zhì)材料：對(duì)于勻質(zhì)材料：f = f0 e -kp f03.3.2 混凝土的破壞模式混凝土的破壞模式 Failure modes in concrete Griffith理論可大致描述混凝土這種準(zhǔn)脆性材料的破理論可大致描述混凝土這種準(zhǔn)脆性材料的破壞過(guò)程。壞過(guò)程。 混凝土內(nèi)部存在形狀、尺寸不同的孔隙、微裂紋；漿混凝土內(nèi)部存在形狀、尺寸不同的孔隙、微

3、裂紋；漿體與骨料間存在薄弱的過(guò)渡區(qū)。混凝土的破壞過(guò)程是體與骨料間存在薄弱的過(guò)渡區(qū)?；炷恋钠茐倪^(guò)程是很復(fù)雜的。很復(fù)雜的。 隨著荷載的增長(zhǎng)，混凝土體中裂縫逐步地?cái)U(kuò)展，最后隨著荷載的增長(zhǎng)，混凝土體中裂縫逐步地?cái)U(kuò)展，最后相互連通起來(lái)導(dǎo)致破壞。相互連通起來(lái)導(dǎo)致破壞。第一階段：荷載小于混凝土第一階段：荷載小于混凝土極限荷載的極限荷載的3030，應(yīng)力，應(yīng)力- -應(yīng)應(yīng)變成線性（稱變成線性（稱“比例極比例極限限”）；）；第二階段：過(guò)渡區(qū)的裂縫開(kāi)第二階段：過(guò)渡區(qū)的裂縫開(kāi)始擴(kuò)展，變形增大的速率與始擴(kuò)展，變形增大的速率與應(yīng)力的增長(zhǎng)（應(yīng)力的增長(zhǎng)（50%50%以內(nèi)）不以內(nèi)）不再成直線關(guān)系；再成直線關(guān)系；第三階段：荷載達(dá)

4、到第三階段：荷載達(dá)到50%50%7575時(shí)，裂縫由過(guò)渡區(qū)向硬時(shí)，裂縫由過(guò)渡區(qū)向硬化水泥漿體延伸，應(yīng)力化水泥漿體延伸，應(yīng)力- -應(yīng)應(yīng)變曲線趨向水平變曲線趨向水平 ；第四階段：裂縫擴(kuò)展釋放的第四階段：裂縫擴(kuò)展釋放的能量超過(guò)需要的能量，在臨能量超過(guò)需要的能量，在臨界應(yīng)力持續(xù)作用下，裂縫自界應(yīng)力持續(xù)作用下，裂縫自發(fā)擴(kuò)展，速率加快，逐漸連發(fā)擴(kuò)展，速率加快，逐漸連通，使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定而破通，使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定而破壞。壞。軸向應(yīng)變（軸向應(yīng)變（mm)應(yīng)力應(yīng)力MPa普通混凝土普通混凝土高強(qiáng)混凝土高強(qiáng)混凝土0.006120高強(qiáng)混凝土上升區(qū)的線高強(qiáng)混凝土上升區(qū)的線性段增加，下降區(qū)更加性段增加，下降區(qū)更加陡峭。陡峭。裂

5、縫擴(kuò)展的裂縫擴(kuò)展的路徑和方向路徑和方向骨料骨料水泥石水泥石骨料骨料周圍周圍的過(guò)的過(guò)渡區(qū)渡區(qū)普通混凝土，斷裂沿骨料表面發(fā)生，過(guò)渡區(qū)是最薄弱區(qū)域。高強(qiáng)混凝土，過(guò)渡區(qū)得到加強(qiáng)，斷裂有可能穿過(guò)骨料發(fā)生。普通混凝土普通混凝土高強(qiáng)混凝土高強(qiáng)混凝土3.3.3 抗壓強(qiáng)度及其影響因素抗壓強(qiáng)度及其影響因素 compressive strength and factors affecting it 材料的特性與配比材料的特性與配比Characteristics and Proportions of Materials 1）水灰比水灰比（Water/Cement ratio ） fc K1 / K2w/cK1、k2

6、是常數(shù)，取決混凝土的齡期、組成材料是常數(shù)，取決混凝土的齡期、組成材料及測(cè)定方法等因素及測(cè)定方法等因素。AbramsAbrams定則定則 齡期與水灰比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響齡期與水灰比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響W/C在一定范圍內(nèi)Abrams定則成立 水泥品種水泥品種 混凝土的抗壓強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度2 2）水泥品種和等級(jí)）水泥品種和等級(jí)( Cement type and grade) 1 day 7day 28day 90day ASTM ( % of type cement concrete) 普通普通 100 100 100 100 中等水化熱中等水化熱 75 85 90 100 早強(qiáng)早強(qiáng) 190 12

7、0 110 100 低水化熱低水化熱 55 65 75 100 抗硫酸鹽抗硫酸鹽 65 75 85 100水泥強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度有影響，但不是決定性的。 fcu.k = Afce ( C/W B ) fcu.k混凝土配制強(qiáng)度混凝土配制強(qiáng)度 fce 水泥標(biāo)號(hào)水泥標(biāo)號(hào) C/W灰水比灰水比 A，B經(jīng)驗(yàn)常數(shù)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)水泥的強(qiáng)度等級(jí)與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系：水泥的強(qiáng)度等級(jí)與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系：對(duì)碎石混凝土：A0.46，B0.07對(duì)卵石混凝土： A0.48，B0.333）骨料 1）顆粒強(qiáng)度）顆粒強(qiáng)度 ；骨料強(qiáng)度骨料強(qiáng)度 1.5倍混凝土強(qiáng)度，倍混凝土強(qiáng)度，對(duì)普通混凝土的強(qiáng)度影響不對(duì)普通混凝土的強(qiáng)度影響不大。大。2）最大

8、粒徑；）最大粒徑；3）粒形、）粒形、級(jí)配級(jí)配（顆粒分布）；（顆粒分布）；4）骨料表面構(gòu)造（粗糙度）骨料表面構(gòu)造（粗糙度 ）。）。骨料最大粒徑骨料最大粒徑 ( Dmax )混凝土類型混凝土類型 Dmax（mm )大壩混凝土大壩混凝土 150普通混凝土普通混凝土 40高強(qiáng)混凝土高強(qiáng)混凝土 25（碎石）（碎石） 15（卵石）（卵石）活性粉末混凝土活性粉末混凝土 0.64）拌和水5）化學(xué)外加劑：減水劑 速凝劑 引氣劑6）礦物摻和料（輔助膠凝材料）由于混凝土技術(shù)的發(fā)展，由于混凝土技術(shù)的發(fā)展，在在20多年里：多年里：水灰比（水膠比）從水灰比（水膠比）從 0.5 降降低到低到0.150.30；素混凝土素混凝

9、土28天抗壓強(qiáng)度從天抗壓強(qiáng)度從30MPa 提高到提高到 100MPa！ 2. 澆注澆注 ( Placing)新拌混凝土新拌混凝土的工作度的工作度搗實(shí)程度搗實(shí)程度硬化混凝土硬化混凝土的孔隙率的孔隙率強(qiáng)度強(qiáng)度 養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù) 在混凝土硬化過(guò)程中，人為地改變混凝土體周在混凝土硬化過(guò)程中，人為地改變混凝土體周圍環(huán)境的溫度與濕度條件，使其微結(jié)構(gòu)和性能圍環(huán)境的溫度與濕度條件，使其微結(jié)構(gòu)和性能達(dá)到所需要的結(jié)果，稱為對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)。達(dá)到所需要的結(jié)果，稱為對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)。 膠凝材料的水化膠凝材料的水化反應(yīng)是緩慢的化反應(yīng)是緩慢的化學(xué)反應(yīng)，需要較學(xué)反應(yīng)，需要較長(zhǎng)時(shí)間。長(zhǎng)時(shí)間。養(yǎng)護(hù)時(shí)間：養(yǎng)護(hù)時(shí)間：毛細(xì)管阻斷所需時(shí)間與水灰比

10、的關(guān)系毛細(xì)管阻斷所需時(shí)間與水灰比的關(guān)系 W/C 毛細(xì)管阻斷所需時(shí)間毛細(xì)管阻斷所需時(shí)間 0.40 3 d 0.45 7 d 0.50 14 d 0.60 6 months 0.70 1 year over 0.70 impossible養(yǎng)護(hù)濕度：養(yǎng)護(hù)濕度：膠凝材料的水化膠凝材料的水化反應(yīng)需要水分的反應(yīng)需要水分的參與，如果沒(méi)有參與，如果沒(méi)有充分的水分供應(yīng)，充分的水分供應(yīng)，水化反應(yīng)將很快水化反應(yīng)將很快停止。特別是在停止。特別是在水化初期，濕養(yǎng)水化初期，濕養(yǎng)護(hù)非常重要。護(hù)非常重要。養(yǎng)護(hù)溫度：養(yǎng)護(hù)溫度：膠凝材料的水膠凝材料的水化反應(yīng)速度隨化反應(yīng)速度隨溫度升高而加溫度升高而加大。大。反應(yīng)速度過(guò)快，反應(yīng)速度

11、過(guò)快，形成的漿體結(jié)形成的漿體結(jié)構(gòu)較為疏松，構(gòu)較為疏松，后期強(qiáng)度可能后期強(qiáng)度可能下降。下降。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)強(qiáng)度的影響硅酸鹽水泥 W/C=0.4養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)方式方式Why? 與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)的試件相與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)的試件相比，實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土常表現(xiàn)出較比，實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土常表現(xiàn)出較高的早期強(qiáng)度和較低的后期強(qiáng)度。高的早期強(qiáng)度和較低的后期強(qiáng)度。4. 試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)參數(shù) 1）試件形狀；）試件形狀；2）試件尺寸；）試件尺寸；3）表面處理；）表面處理；4）加載時(shí)間；）加載時(shí)間；5）試驗(yàn)機(jī)的剛度等。）試驗(yàn)機(jī)的剛度等。 影響強(qiáng)度試驗(yàn)值，而不是實(shí)際影響強(qiáng)度試驗(yàn)值，而不是實(shí)際混凝土強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度！3.3.

12、4 混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為 單軸受壓作用下混凝土的行為單軸受壓作用下混凝土的行為 (1) (1) 混凝土單軸受壓混凝土單軸受壓 (2) (2) 抗壓強(qiáng)度等級(jí)抗壓強(qiáng)度等級(jí) 2 2單軸拉伸作用下混凝土的行為單軸拉伸作用下混凝土的行為思考題思考題 1.1.運(yùn)用前面所學(xué)的知識(shí)解釋混凝土抗壓強(qiáng)度高運(yùn)用前面所學(xué)的知識(shí)解釋混凝土抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度低，而鋼材抗拉性能很好的原因。而抗拉強(qiáng)度低，而鋼材抗拉性能很好的原因。 2.2.是否水灰比（是否水灰比（W/CW/C）越小，配制混凝土強(qiáng)度就）越小，配制混凝土強(qiáng)度就越高？為什么？越高？為什么？ 3.3.試根據(jù)基本知識(shí)解釋當(dāng)澆注溫度和養(yǎng)護(hù)溫度試根據(jù)基本知識(shí)解釋當(dāng)澆注溫度和養(yǎng)護(hù)溫度高時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度高，而后期強(qiáng)度就相對(duì)低高時(shí)，