第2章鋼筋和混凝土材料的基本性能

第2章

鋼筋和混凝土材料的基本性能 2.1鋼筋的基本性能一、鋼筋的品種1、按化學(xué)成分不同分碳素鋼：主要成分為鐵合金鋼：在碳素鋼基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素建筑中常用低合金鋼鋼材化學(xué)成分不同影響鋼材的性能，如含碳影響可焊性和強(qiáng)度等。鋼材中的有害元素為硫、磷、氧，在冶煉過(guò)程中盡可能除去。熱軋鋼筋：在高溫狀態(tài)下軋制成型，鋼筋混凝土中常用鋼絞線：預(yù)應(yīng)力鋼絲：預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋：2、按加工工藝和力學(xué)性能分預(yù)應(yīng)力混凝土中的預(yù)應(yīng)力筋熱軋鋼筋

附表1，P343熱軋鋼筋按其強(qiáng)度由低到高分為：HPB300：光面鋼筋，碳素鋼HRB(F)335：變形鋼筋，低合金鋼HRB(F)400、RRB400：變形鋼筋，低合金鋼HRB(F)500：變形鋼筋，低合金鋼（隨強(qiáng)度增加，塑性逐漸下降）●長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)熱軋帶肋鋼筋的品種主要是添加釩、鈦等合金元素的普通低合金鋼，由于鋼筋用量巨大，近年來(lái)已造成釩、鈦等低合金資源資緊張，價(jià)格眀顯上漲，對(duì)熱軋鋼筋的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)不利影響?！窦?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋是我國(guó)冶金行業(yè)研究開(kāi)發(fā)的新型熱軋鋼筋，這種鋼筋生產(chǎn)過(guò)程中不需要添加或只需添加很少的釩、鈦等合金元素，而是在熱軋過(guò)程中，通過(guò)控軋和控冷工藝軋制成的帶肋鋼筋，其金相組織主要是鐵素體加珠光體。細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的外形與普通低合金熱軋帶肋鋼筋相同，其強(qiáng)度和延性完全滿足混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求?！裼眉?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋代替我國(guó)目前大量使用的普通低合金熱軋鋼筋可節(jié)約國(guó)家寶貴的釩、鈦等合金元素資源，降低碳當(dāng)量和鋼筋的價(jià)格，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著。附：鋼筋牌號(hào)的鑒別方法產(chǎn)品規(guī)格為φ18生產(chǎn)廠廠標(biāo)“4”代表HRB400

帶肋鋼筋表面的標(biāo)志

(a)普通熱軋鋼筋（HRB)(b)細(xì)晶粒熱軋鋼筋（HRBF）

(C)余熱處理鋼筋（RRB）

鋼筋品牌的判斷根據(jù)金相組織觀感的不同，判斷鋼筋的品牌

二、鋼筋的力學(xué)性能通過(guò)鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變曲線來(lái)研究lPPA（一）強(qiáng)度：應(yīng)力（二）變形：應(yīng)變比例極限屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度o(N/mm2)fyftedabcoa

－彈性階段b－屈服強(qiáng)度：作為設(shè)計(jì)時(shí)鋼筋強(qiáng)度取值的依據(jù)cd－強(qiáng)化階段d－極限強(qiáng)度：鋼筋破壞時(shí)的實(shí)際強(qiáng)度1、有明顯流幅的鋼筋：軟鋼

(熱軋鋼筋)de－頸縮階段

ac－屈服階段四個(gè)階段:二個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)：（一）鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線（強(qiáng)度）0.2%0.2(N/mm2)o

工程上取條件屈服強(qiáng)度0.2

作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。2、無(wú)明顯流幅的鋼筋：硬鋼

(鋼絲、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋)0.2的定義：取殘余應(yīng)變

=0.2%時(shí)的應(yīng)力?！兑?guī)范規(guī)定》：0.2=0.85bab強(qiáng)度指標(biāo)：b點(diǎn)的極限抗拉強(qiáng)度牌號(hào)HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435410抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值牌號(hào)符號(hào)公稱直徑d（mm）屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk（N/mm2）極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fstk（N/mm2）HPB3006～22300420HRB335、HRBF3356～50335455HRB400、HRBF400RRB4006～50400540HRB500、HRBF5006～50500630普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值普通鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值鋼筋的受壓彈性模量和受拉時(shí)相同。鋼筋的彈性模量見(jiàn)附表6。3、鋼筋的彈性模量應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值。（二）鋼筋的變形性能1、伸長(zhǎng)率：2、冷彎性能：彎心直徑：越小，冷彎性能越好冷彎角度：越大，冷彎性能越好鋼筋塑性（變形）指標(biāo)：伸長(zhǎng)率、冷彎性能

伸長(zhǎng)率越大，塑性和變形能力越好

原來(lái)采用的是鋼筋斷后伸長(zhǎng)率，《規(guī)范》采用最大力下的總伸長(zhǎng)率?！皲摻顢嗪笊扉L(zhǎng)率只能反映鋼筋斷口頸縮區(qū)域殘余變形的大??；不同標(biāo)距長(zhǎng)度l0得到的結(jié)果不一致；忽略了鋼筋的彈性變形，不能反映鋼筋受力時(shí)的總體變形能力；容易產(chǎn)生人為誤差?！兑?guī)范》采用最大力下的總伸長(zhǎng)率來(lái)評(píng)定鋼筋的塑性，見(jiàn)附表5。

鋼筋伸長(zhǎng)率●最大力下的總伸長(zhǎng)率（均勻伸長(zhǎng)率）dgt普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋在最大力下的總伸長(zhǎng)率限值鋼筋品種普通鋼筋預(yù)應(yīng)力筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500δgt（%）10.07.53.5（三）鋼筋的疲勞性能疲勞破壞：在重復(fù)、周期荷載作用下的破壞疲勞強(qiáng)度：附表7、附表8。鋼材的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

冷加工的方法：冷拉、冷拔等。冷加工的目的：改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度，節(jié)約鋼筋。冷加工對(duì)鋼材性能的影響：三、鋼筋的冷加工冷拉：可采用冷拉控制應(yīng)力和冷拉伸長(zhǎng)率控制。

冷拉可提高鋼材的抗拉強(qiáng)度，但塑性降低。冷拔：可同時(shí)提高鋼材的抗拉和抗壓強(qiáng)度，塑性降低很多。o冷拉控制應(yīng)力(N/mm2)冷拉率殘余變形o'abcc'd'd冷拉無(wú)時(shí)效冷拉經(jīng)時(shí)效(a)(b)d1d2Pd2d1(b)冷拔(a)冷拉四、混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求1、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和強(qiáng)屈比強(qiáng)屈比一般不小于1.2。2、足夠的塑性3、可焊性4、耐久性和耐火性5、與混凝土有良好的粘結(jié)2.2混凝土的基本性能

混凝土的強(qiáng)度受多種因素的影響，如組成材料、配合比、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)條件、齡期、測(cè)定方法等。

混凝土是由膠凝材料（水泥）、水和粗、細(xì)骨料按適當(dāng)比例配合，拌制成拌合物，經(jīng)一定時(shí)間硬化而成的人工石材。也可加入外加劑和摻合料。

混凝土的抗壓強(qiáng)度高，而抗拉強(qiáng)度很低，在工程中一般利用混凝土來(lái)承受壓力。力學(xué)特點(diǎn)定義強(qiáng)度影響因素本節(jié)主要講述混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)和變形。1、立方體抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度等級(jí)（1）立方體抗壓強(qiáng)度:按照標(biāo)準(zhǔn)方法的制作邊長(zhǎng)為150ｍｍ的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度20士2°Ｃ，相對(duì)濕度95％以上）下，養(yǎng)護(hù)至28ｄ齡期，按照標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定其抗壓強(qiáng)度值。一、混凝土的強(qiáng)度

不同的試件尺寸的強(qiáng)度換算:

邊長(zhǎng)為100ｍｍ的立方體試件，換算系數(shù)為0.95；邊長(zhǎng)為200ｍｍ的立方體試件，換算系數(shù)為1.05。由于尺寸效應(yīng)的影響：fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)

（2）強(qiáng)度等級(jí)

按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是具有95％保證率的立方體抗壓強(qiáng)度。

《規(guī)范》將混凝土共劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C60以下的為普通混凝土，C60及C60以上的為高強(qiáng)混凝土。在混凝土的強(qiáng)度等級(jí)中，C表示混凝土，其后的數(shù)字表示混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。如C30表示混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于等于30MPa。

《規(guī)范》對(duì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的基本要求：

●

素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15；

●鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20；采用強(qiáng)度級(jí)別400MPa及以上的鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25?！癯惺苤貜?fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30?！耦A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40，且不應(yīng)低于C30。2、軸心抗壓強(qiáng)度

為了使測(cè)得的混凝土強(qiáng)度接近于混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算中，計(jì)算軸心受壓構(gòu)件（例如柱子、桁架的腹桿等）時(shí)，都是采用混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度作為依據(jù)。

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)定軸心抗壓強(qiáng)度采用150×150×300ｍｍ棱柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件。3、軸心抗拉強(qiáng)度

混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，一般只有抗壓強(qiáng)度的1/8~1/18.當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高時(shí)，抗拉強(qiáng)度的增加不及抗壓強(qiáng)度提高得快。

在鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞階段，處于受拉狀態(tài)的混凝土一般早已開(kāi)裂，故在構(gòu)件承載力計(jì)算中一般不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度對(duì)混凝土的抗裂性具有重要意義，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定混凝土抗裂度的重要指標(biāo)。混凝土的各種強(qiáng)度值見(jiàn)附表9和附表10。1、混凝土在一次短期加載時(shí)的變形OA–––彈性階段A:0.3fcAB–––彈塑性階段:0.3fc～0.8fc

裂縫穩(wěn)定階段BC–––裂縫不穩(wěn)定階段:0.8fc～1.0fcCBDEfc00???Acu??特征點(diǎn)：fc-軸心抗壓強(qiáng)度0

-對(duì)應(yīng)于峰值點(diǎn)應(yīng)變，0

=0.002cu

-混凝土極限壓應(yīng)變，cu

=0.0033二、混凝土的變形性能00原點(diǎn)彈性模量：彈性模量混凝土彈性模量的數(shù)值見(jiàn)附表11。2、混凝土在重復(fù)荷載作用下的變形

如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應(yīng)力達(dá)到某個(gè)數(shù)值σ，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重復(fù)下去，就稱為多次重復(fù)荷載。

通常把能使試件循環(huán)200萬(wàn)次或次數(shù)稍多時(shí)發(fā)生破壞的壓應(yīng)力稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度，用符號(hào)表示。混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。3、混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下的變形——徐變

混凝土在不變的應(yīng)力長(zhǎng)期持續(xù)作用下，變形會(huì)隨時(shí)間徐徐增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。徐變初期增長(zhǎng)較快，以后逐漸變慢，一年內(nèi)可完成90%左右。

徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響：

（1）產(chǎn)生應(yīng)力重分布，使混凝土應(yīng)力減小，鋼筋應(yīng)力增大；（2）會(huì)使構(gòu)件的變形增加，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力；（3）使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)壓應(yīng)力受到損失。

影響徐變的因素有：

（1）水灰比（2）水泥用量（3）骨料所占的比例及性能（4）養(yǎng)護(hù)條件（溫度、濕度）一般應(yīng)盡可能減小混凝土的徐變。

（1）溫度變形混凝土的熱脹冷縮變形稱為溫度變形?；炷翜囟染€膨脹系數(shù)約為(1.0~1.5)×10-5,即溫度升高（或降低）1度,每米約膨脹（或收縮）0.01~0.015mm。對(duì)大體積混凝土工程，應(yīng)設(shè)法降低混凝土的發(fā)熱量，如使用低熱水泥、減少水泥用量、采用人工降溫以及對(duì)表層混凝土加強(qiáng)保溫措施等。對(duì)縱向較長(zhǎng)的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮混凝土溫度變形所產(chǎn)生的危害，每隔一段長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫。4、混凝土的溫度變形和收縮、膨脹

（2）干濕（收縮和膨脹）變形

當(dāng)混凝土在水中硬化時(shí)，體積產(chǎn)生微小膨脹；當(dāng)混凝土在干燥空氣中硬化時(shí)，體積將產(chǎn)生收縮?；炷恋氖湛s值比膨脹值大得多?；炷恋臐衩涀冃瘟亢苄?，對(duì)結(jié)構(gòu)一般無(wú)破壞作用。但干縮變形對(duì)混凝土危害較大，干縮可能使混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力而開(kāi)裂，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。因此，應(yīng)采取措施減少混凝土的收縮。

減少混凝土的干縮變形：①加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)；在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)使混凝土保持潮濕環(huán)境。②減小水灰比；水灰比大，會(huì)使混凝土收縮量大大增加。③減小水泥用量；水泥含量減少，骨料含量相對(duì)增加，骨料的體積穩(wěn)定性比水泥好，減少混凝土的收縮。④加強(qiáng)振搗。混凝土搗固的愈密實(shí)，內(nèi)部孔隙量愈少，收縮量愈小。2.3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)一、粘結(jié)力的組成1、化學(xué)膠結(jié)力：混凝土在結(jié)硬過(guò)程中，水泥膠體與鋼筋間產(chǎn)生吸附膠著作用?；炷翉?qiáng)度等級(jí)越高，膠結(jié)力也越高。

2、摩擦力：由