混凝土材料物理力學性能

混凝土材料物理力學性能第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能2.1.1混凝土的組成結構混凝土結構的三種基本類型：Ａ.微觀結構：也即水泥石結構，包括水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成。Ｂ.亞微觀結構：即混凝土中的水泥砂漿結構。Ｃ.宏觀結構：即砂漿和粗骨料兩組分體系。注意：1.骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結合強度是影響混凝土強度的重要因素；2.在荷載的作用下，微裂縫的擴展對混凝土的力學性能有著極為重要的影響。第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.2單軸應力狀態(tài)下的混凝土強度１.混凝土的抗壓強度（1）混凝土抗壓強度和強度等級1）立方體抗壓強度：邊長為150mm的混凝土立方體試件，在標準條件下（溫度為20±3℃，濕度≥90%）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度0.15－0.3N/mm2/s，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的抗壓強度。

是混凝土強度的基本指標和評定混凝土強度等級的標準?！兑?guī)范》根據(jù)強度范圍，共劃分為14個強度等級：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。表示混凝土Concrete立方體抗壓強度2.1混凝土的物理力學性能第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于試驗方法對立方體抗壓強度的影響a.試件表面是否涂潤滑劑：不涂時強度高；涂后強度底，其主要原因是由于“套箍”作用；且破壞形態(tài)不一樣；b.加載速度：速度快強度高，速度慢強度低第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能2）混凝土的軸心抗壓強度A.確定混凝土軸心抗壓強度的標準方法標準試件：150mm150mm300mm的棱柱體；b.其余同混凝土立方體抗壓強度的標準方法；承壓板試塊軸心抗壓強度真實反映以受壓為主的混凝土結構構件的抗壓強度。為消除端部約束的影響

隨著高寬比的增加，混凝土的軸心抗壓強度會降低第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能考慮到實際結構構件制作、養(yǎng)護和受力情況，實際構件強度與試件強度之間存在差異，《規(guī)范》基于安全取偏低值，規(guī)定軸心抗壓強度標準值和立方體抗壓強度標準值的換算關系：αc1——棱柱體強度與立方體強度之比，對不大于C50級的混凝土取0.76，對C80取0.82，其間按線性插值。αc2——高強混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實際構件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數(shù)。fcu,k——立方體強度標準值第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能2.軸心抗拉強度確定方法：軸心受拉試驗和劈裂試驗；約為立方體抗壓強度的1/17～1/8；在荷載較小時，混凝土即開裂，所以混凝土結構一般帶裂縫工作，混凝土軸心抗拉強度不起決定作用。劈裂試驗ftsddftsFFFF第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能２.１.３復合應力狀態(tài)下混凝土的強度雙向受壓時，混凝土抗壓強度大于單向；雙向受拉時，混凝土抗拉強度接近于單向；一向受壓和一向受拉時，其抗拉（抗壓）強度均低于相應的單向強度；由于剪應力的存在，混凝土抗壓強度低于單向；由于壓應力的存在，混凝土抗剪強度有限增加。雙向應力狀態(tài)下混凝土的破壞包絡圖第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能

／fc

／fc0.20.1-0.1

0.00.61.0單軸抗拉強度單軸抗壓強度法向應力和剪應力下的破壞曲線混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小隨壓應力增大而增大當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續(xù)增大，則由于內裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能三向受壓時的混凝土強度

1=fcc’

1=fcc’

2=

3=fLfL----側向約束壓應力（加液壓）圓柱體試驗有側向約束時的抗壓強度無側向約束時圓柱體的單軸抗壓強度三軸應力狀態(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壓條件進行。第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能２.１.４混凝土的變形變形的分類：受力變形—荷載產(chǎn)生的；

體積變形—收縮、溫差即濕差產(chǎn)生的。1.一次短期加載下混凝土的變形性能（1）混凝土受壓時的應力-應變關系CBDEfc

0

0???A

cu??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～1.0fc第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能不同強度混凝土的應力-應變關系曲線強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，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。第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能（2）混凝土單軸向受壓應力-應變曲線的數(shù)學模型１）美國E.Hognestad模型（上升段為二次拋物線，下降段為斜直線）第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能２）德國Rsch模型（上升段為二次拋物線，下降段采用水平線）

u=0.0035

0=0.002o

cfc

c第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能（3）三向受壓狀態(tài)下混凝土的變形特點A.變形特點：側壓力約大，變形能力好，強度高；工程意義：設置密排箍筋間接產(chǎn)生側壓力。

2

１

１

2

2

2第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能（4）混凝土的變形模量

由于混凝土的彈塑性性質，模量是一個變數(shù)，通常有三種表示方法。1）彈性模量（切線模量）：通過重復加載的方式確定

0

0第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能2）變形模量（割線模量）3）切線模量：

c=

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割線切線第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能2.荷載長期作用下混凝土的變形性能徐變：在長期不變的荷載作用下，結構或構件產(chǎn)生的應變或變形。第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能影響徐變的因素：A.應力（荷載）大?。簯Υ髸r，徐變大；

c<0.5fc，徐變變形與應力成正比----線性徐變0.5fc<

c<0.8fc非線性徐變

c>0.8fc造成混凝土破壞，不穩(wěn)定B.加載時的齡期：齡期早，徐變大；C.其它：水泥用量、水灰比、骨料、溫度以及濕度。徐變對結構的影響：A.使結構產(chǎn)生應力重分布；B.使預應力產(chǎn)生損失。第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能3.混凝土在荷載重復作用下的變形（疲勞變形）（1）疲勞破壞：荷載重復作用引起的破壞；（2）疲勞強度：荷載重復作用下使應力應變曲線始終保持密合直線的最大應力值；混凝土在荷載重復作用下的應力-應變曲線第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學性能4.混凝土的收縮與膨脹混凝土的收縮——混凝土在空氣中硬化時體積會縮小。影響混凝土收縮的因素：水泥的品種：水泥強度等級越高，制成的混凝土收縮越大。水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。骨料的性質：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。養(yǎng)護條件：干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大。混凝土制作方法：混凝土越密實，收縮越小。使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。構件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。混凝土的膨脹——混凝土在水中硬化時體積會增大。第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能2.2.1鋼筋的品種和級別1.鋼筋的分類（1）根據(jù)化學成分：碳素鋼：低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼。特點：隨著含碳量的增加，強度提高，脆性增加；普通低合金鋼：為改善碳素鋼的力學特性，加入少量合金元素。（2）根據(jù)生產(chǎn)工藝：熱軋鋼筋：在高溫下直接軋制成型（如碳素鋼和普通低合金）；熱處理鋼：將熱軋鋼經(jīng)過調質（加熱、淬火和回火），主要是提高強度，而降低塑性不多；冷加工鋼筋：將普通熱軋鋼筋在常溫下進行冷拉或冷拔。第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能熱軋鋼筋：熱軋光面鋼筋HPB235，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼筋RRB400冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過加熱、淬火、回火而成碳素鋼絲：高碳鎮(zhèn)靜鋼通過多次冷拔、應力消除、矯正、回火處理而成刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強其與混凝土間的粘結力鋼絞線：六根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成鋼筋鋼絲第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能（3）根據(jù)鋼筋外型：A.柔性鋼筋：普通鋼筋;a.光圓鋼筋：表面是光滑的；

b.變形鋼筋：表面有肋（如月牙肋等）；c.習慣上，直徑大于4mm稱為鋼筋；小于或等于4mm稱為鋼絲。B.勁性鋼筋：型鋼、鋼軌及其組合。光面鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能鋼筋的級別Ⅰ級鋼，HPB235，強度標準值為235N/mm2；Ⅱ級鋼，HRB335，強度標準值為335N/mm2；Ⅲ級鋼，HRB400，強度標準值為400N/mm2；冷加工鋼筋（1）冷拉加工方法：在常溫下將鋼筋拉伸至屈服，然后卸載；力學性質：經(jīng)過一段時間后，再次拉伸時，其屈服強度將增大，但塑性降低；時效硬化：被拉伸至屈服點，經(jīng)過一段時間后，屈服強度增加的現(xiàn)象。第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能（2）冷拔A.加工方法：在常溫下將鋼筋拔過比其自身直徑還小的硬質合金拔絲模拉伸至屈服；B.力學性質：經(jīng)過一段時間后，再次拉伸或壓縮時，其屈服強度將增大，但塑性降低。d1d2Pd2d1第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能

AB’BCDE2.2.2鋼筋的強度與變形有明顯屈服點的鋼筋0.2%

0.2無明顯屈服點的鋼筋OA－彈性階段

A－比例極限

B－屈服強度CD－強化階段

D－極限強度DE－頸縮階段

0.2－條件屈服強度第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能1.鋼筋屈服強度的取值：（1）軟鋼：取其屈服下限；（2）硬鋼：取其極限抗拉強度的85%；（稱為條件屈服點）（3）結構設計時，用鋼筋的屈服強度進行計算。2.鋼筋的變形力學指標：伸長率和冷彎性伸長率：鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率，是反映鋼筋塑性性能的指標。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。冷彎性能：以彎心直徑和冷彎角度來衡量第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能2.2.3鋼筋應力-應變曲線的數(shù)學模型1.雙直線（完全彈塑性）2.三折線（完全彈塑性+硬化）

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s,u第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能2.2.4鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞：鋼筋在承受重復、周期動荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，從塑性破壞的性質轉變成脆性突然斷裂的現(xiàn)象。重復荷載作用下，鋼筋的強度<靜載作用下的強度疲勞強度：規(guī)定的應力幅度內，經(jīng)一定次數(shù)的重復荷載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。疲勞強度fcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值。第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學性能2.2.5混凝土結構對鋼筋性能的要求1.強度：要求鋼筋有足夠的強度和適宜的強屈比(極限強度與屈服強度的比值)。例如，對抗震等級為一、二級的框架結構，其縱向受力鋼筋的實際強屈比不應小于1.25。2.塑性：要求鋼筋應有足夠的變形能力。3.可焊性：要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂縫和過大的變形，焊接接頭性能良好。4.鋼筋的耐火性：熱軋鋼筋最好，冷軋鋼筋次之，預應力鋼筋最差。5.與混凝土的粘結力：要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結力，以保證兩者共同工作。第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.1粘結的意義粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎鋼筋與混凝土之間粘結應力示意圖（a）錨固粘結應力（b）裂縫間的局部粘結應力錨固粘結：保證鋼筋和混凝土共同工作縫間粘結：改善鋼筋混凝土的耗能性能第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.2粘結力的組成1.光圓鋼筋的粘結作用主要由三部分組成：（１）鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力（膠結力）。一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用，當接觸面發(fā)生相對滑移時，該力即消失。（２）混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力。（３）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合作用力（咬合力）。對于光圓鋼筋，這種咬合力來自于表面的粗糙不平。2.變形鋼筋與混凝土之間的機械咬合作用主要是由于變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產(chǎn)生的。第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.3粘結強度直接拔出試驗彎曲拔出試驗式中N—鋼筋的拉力；ｄ—鋼筋的直徑；ｌ—粘結的長度。第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.4影響粘結的因素

影響鋼筋與混凝土粘結強度的因素很