2.1 混凝土的物理力学性能

2.1 混凝土的物理力学性能

单轴受力状态下的强度 立方体抗压强度 f cu 轴心抗压强度 f c 混凝土的物理力学性能 强度 变形 复合应力状态下的强度 荷载作用下的变形 ( 受力变形 ) 轴心抗拉强度 f t 双向应力状态三向应力状态短期一次荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形 非荷载作用下的变形 ( 体积变形 ) 结硬时的收缩与膨胀热胀冷缩 湿胀干缩

混凝土是由水泥 砂 石子和水等搅拌而成的人造石材, 不是匀质弹性材料 一 混凝土的强度在钢筋混凝土结构中, 混凝土主要用于抗压 影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素很多, 可以总结为以下几点 : 材料组成水泥用量 水泥强度 水灰比 骨料品种 配合比等 浇筑养护 捣制方法 养护温度 湿度等 试验方法试件形状 尺寸 加载速度 加载龄期等

(1) 试件形状 150 150 150 150 150 450 450 450 450 承压面 150 150 A B C A B C 三个试块, 材料 养护条件等均相同, 三者强度的大小关系? C>A>B, 为什么?

(1) 试件形状 产生摩擦阻力产生摩擦阻力 压力 试件产生横向变形 产生摩擦阻力产生摩擦阻力 加载板与试件间产生摩擦阻力, 对试块的横向变形产生约束, 且约束的大小随着离接触面的垂直距离的增大而减小 加强对混凝土横向变形的约束, 可以提高其抗压强度 对试件中部的约束 C>A>B, 所以, 抗压强度 C>A>B

(2) 试块尺寸 A B C 100 100 100 150 150 150 200 200 200 A B C 三个试块, 材料 养护条件等均相同, 三者强度的大小关系? A>B> C, 为什么?

(3) 润滑剂 涂润滑剂 A B 涂润滑剂 150 150 150 150 150 150 A B 两个试块, 材料 养护条件等均相同, 二者强度的大小关系? (A>B)

(4) 加载速度 (5) 加载龄期 加载速度快, 混凝土内部微裂缝难以充分扩展, 塑性 变形受到一定抑制, 测得的强度越高 加载龄期越长, 测得的强度越高 在一定的温度和湿度条件下, 混凝土的强度开始增长较快, 后来逐渐减慢, 强度增长过程甚至可以延续几年 影响混凝土强度的因素, 尤其是试验方法对强度的影响因素众多, 因此, 如何区分不同级别的混凝土? 需要规定一个统一的标准作为依据 规范规定 : 混凝土的强度等级用 立方体抗压强度 来划分

1 立方体抗压强度 f cu 用标准试块按照标准方法测得的强度 采用边长为 150mm 的立方体试件, 在温度 20±3, 湿度 90% 以上的潮湿空气中养护 28 天, 依据标准试验方法对试件进行加压, 测得的具有 95% 保证率的抗压强度为混凝土的立方体抗压强度标准值 f cu,k, 作为划分混凝土强度等级的依据 (0.3~0.5)N/mm 2 150mm 150mm 150mm

1 立方体抗压强度 f cu 混凝土结构设计规范 根据混凝土立方体抗压强度将混凝土划分为 14 个强度等级 : C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 CONCRETE C C15 15 立方体抗压强度标准值为 15N/mm 2 通常将 C50 及以上的混凝土称为高强混凝土 若无边长为 150mm 的立方体试件, 也可用边长为 100mm 或 200mm 的 试件代替, 但测得的强度应乘以相应的换算系数 : 100mm 200mm 0.95 1.05

2 轴心抗压强度 f c 轴心抗压强度值比立方体抗压强度能更好地反应混凝土结构构件中混凝土的实际抗压能力 采用边长为 150mm 150mm 300mm 的棱柱体试件作为混凝土轴心抗压强度的标准试件, 制作养护方法与立方体试件的方法相同 f c <f cu 150mm 150mm 300mm

2 轴心抗压强度 f c 棱柱体抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值之间存在线性关系, 比值大概在 0.7~0.92 之间 规范规定 : 轴心抗压强度标准值 f ck 与立方体抗压强度标准值 f cu,k 之间的关系如下式 : f ck. 88 0 f c1 c2 cu,k 棱柱体强度与立方体强度之比,C50 以下取 0.76,C80 取 0.82, c1 中间按线性插值 c2 高强混凝土的脆性折减系数,C40 以下取 1.00,C80 取 0.87, 中间线性插值 0.88 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等, 引入的修正系数

3 轴心抗拉强度 f t 轴心抗拉强度 f t 远远小于轴心抗压强度 f c, 一般只有 5%~10%, 且强度等级越高, 这个比值越小 测定方法 : P 直径 16-20mm 150 P P 150 压 500 100 100 拉 2P dl 150 150 P d P d 压 d: 立方体边长或圆柱体直径 P 轴心受拉试验 劈裂试验 l: 立方体边长或圆柱体长度

3 轴心抗拉强度 f t 规范规定轴心抗拉强度标准值 f tk 与立方体抗压强度标准值 f cu,k 的关系为 : f 0.55 0.45 tk.88 0.395 fcu,k (1 1.645 ) 0 c2 c2 高强混凝土的脆性折减系数,C40 以下取 1.00,C80 取 0.87, 中间线性插值 0.88 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等, 引入的修正系数 混凝土强度变异系数

1 立方体抗压强度 f cu 2 轴心抗压强度 f c 3 轴心抗拉强度 f t 不同强度等级混凝土的 f cu f c f t 的 值可查附录 2 中的附表

4 复合应力状态下的混凝土强度 在钢筋混凝土结构中, 混凝 土一般处于复合应力状态 当双向受压时, 一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加 当一向受拉 一向受压时, 混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增加而降低 当双向受拉时, 一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关

法向应力和剪应力组合状态下 : τ τ 混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低 混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小 混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小

三向受压状态 : 三向受压时, 混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加, 且混凝土的极限压应变也大大增加

二 混凝土的变形 变形 荷载作用下的变形 ( 受力变形 ) 非荷载作用下的变形 ( 体积变形 ) 短期一次荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形结硬时的收缩与膨胀热胀冷缩 湿胀干缩

1 混凝土在短期一次加载时的变形 (1) 受压混凝土的应力 应变曲线 混凝土短期一次加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏, 通常采用棱柱体试件来测定, 其应力 - 应变关系是混凝土最基本的力学性能之一 拐点 上升段 从开始加载到 A 点 ( 约为 0.3f c ) 时, 砼基本处于弹性状态, 应力应变关系接近直线 收敛点 随着应力的增大, 砼出现塑性, 应力在 0.3f c ~0.8f c (AB 段 ) 时, 应变增长速度较应力快 超过 B 点, 应变增长速度更快, 试件中部出现平行于压力方向的裂缝, 应力很快达到了砼的抗压强度 f c (C 点 ) 下降段 应力达到 f c 后, 试件承载能力下降, 裂缝迅速发展 应力应变曲线向下弯曲 直到凹向发生弯曲, 出现 拐点 (D) 点 超过 拐点, 曲线开始凸向应变轴, 此段曲线中曲率最大的一点 E 称为 收敛点 E 后的曲线为收敛段

f c 混凝土本构关系曲线 ε 0 ε cu f c : 最大应力值, 轴心抗压强度 ε 0 : 最大应力值相应的应变, 大致为 0.002 ε cu : 混凝土破坏前的最大应变, 极限压应变

(2) 强度对混凝土受压应力 应变曲线的影响上升段 : 混凝土强度影响较小, 强度越大, 曲线越陡, 与应力峰值点相应的应变 ε 0 大致为 0.002 下降段 : 混凝土强度越高, 曲线下降段越陡 ; 强度越低, 下降段越平坦, 曲线越长 混凝土强度越高, 曲线越陡,ε cu 越小, 延性越差

(3) 加载速度对混凝土受压应力 应变曲线的影响 加载速度较快时,f c 有所提高, 曲线比较陡 加载速度缓慢时,f c 略有降低, 曲线 ( 尤其是下降段 ) 平缓, ε 0 和 ε cu 增大 (4) 混凝土受拉应力 应变曲线 与混凝土受压时的应力 应变曲线类似

(5) 混凝土的弹性模量和变形模量 匀质弹性材料 σ 0 σ α E tg 混凝土 E? ε 0 ε σ 弹性模量 E c 混凝土应力与相应的弹性应变之比, 也称 原点切线模量 0 Ec tg 0 ε

σ c e c 0 1 变形模量 E c 混凝土应力应变曲线上任一点对应的应力和应变之比, 也称 割线模量 c E ' c tg c 1 c Ec E c ' ε E ' E E (ν 为弹性系数, 值在 0.5~1 之间 ) e c c c c σ 切线模量 E c 混凝土应力应变曲线上任一点应力增量与应变增量之比 ( 切线的斜率 ) Ec'' tg ε

2 混凝土在荷载长期作用下的变形 在长期不变荷载作用下, 混凝土变形随时间增长的现象称为徐变 (1) 徐变特点 1 徐变速度 : 先快后慢, 开始增长较快, 以后逐渐减慢, 经过较长一段时间后趋于稳定 2 徐变大小 : 徐变是瞬时应变的 1-4 倍 3 徐变可部分恢复 (2) 徐变产生原因混凝土中的未晶体化的水泥凝胶体, 在持续的外荷载作用下产生黏性流动, 压应力逐渐转移给骨料 卸载后, 水泥凝胶体又恢复原状, 骨料又将应力转回给凝胶体 混凝土内部的裂缝不断发展也使变形增加

(3) 影响徐变的因素 材料 ( 砼的组成成分 ): 水泥用量越多, 水灰比越大, 徐变越大 ; 骨料越坚硬, 弹性模量越高, 徐变越小 环境 ( 养护 使用时的温湿度 ): 养护时温度高, 湿度大, 水泥水化作用就充分, 徐变就小 使用时处于高温 干燥条件下, 徐变将增大 加载龄期 : 加载时混凝土龄期越长, 硬结程度就越好, 产生的徐变就越小, 反之徐变越大

应力 : 持续作用的应力值越大, 徐变越大 其他 : 如构件的形状 尺寸等 如大试件内部失水受到限制, 徐变减小

(4) 徐变对结构的影响 由于压区混凝土的徐变, 可能使构件的长期挠度显著增加, 降低构件的承载力, 预应力混凝土结构中引起预应力损 失 等等 不利 q 轴心受压构件 引起构件截面应力重分布, 使局部应力集中得到缓解或消失, 支座沉降引起的应力 温度应力等也可由徐变得到松弛 等等 有利 徐变使轴心受压构件中混凝土的应力逐渐减小, 纵向钢筋的应力逐渐增大, 使两种材料的强度得到充分利用

3 混凝土在非荷载作用下的变形 (1) 结硬时的收缩与膨胀 混凝土在空气中结硬时, 体积缩小 ( 收缩 ), 混凝土在水中或处于饱和湿度 中结硬时, 体积增大 ( 膨胀 ) 但与收缩量相比, 混凝土的膨胀值要小得多, 对结构影响甚微, 一般忽略 水泥水化引起的体积收缩 水分蒸发引起的干缩等等 混凝土的组成和养护的条件 收缩引起收缩裂缝 防止盲目提高水泥用量和水灰比 ; 加强对砼的振捣和养护以减小其收缩 ; 设 置伸缩缝 配置适当钢筋等等

(2) 温度和湿度引起的变形热胀冷缩 湿胀干缩 当温 ( 湿 ) 度引起的变形受到约束时, 在结构内部就会产生温度应力, 特别是在大体积混凝土中 如果不采取措施可能导致结构开裂或破坏 防止措施 : 设置伸缩缝 ; 适当配置钢筋等 四 混凝土的疲劳强度 五 规范中混凝土的选择原则