第二章 混凝土结构材料的物理力学性能

第二章 混凝土结构材料的物理

力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

2.1 混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三种类型： A.微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未 水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。 B.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。 C.宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。 注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响 混凝土强度的重要因素； 2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有 着极为重要的影响。

2.1 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是 混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的(1)单向受力状态下混凝土的强度 1)立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方 体试件，在标准条件下(温度为20±3℃,湿度≥90%) 养护28天，用标准试验方法(加载速度0.15~0.3N/mm2/s, 两端不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的抗压强度， 用符号C表示。 《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强 度等级，级差为5N/mm2。

2.1 混凝土 混凝土的物理力学性能

2)轴心抗压强度 按标准方法制作的150mm×l50mm× 300mm的棱柱 体试件，在温度为20土3℃和相对湿度为90%以上的条件 下养护28d,用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗 压强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体 抗压强度。

考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构 件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取 偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标 准值的换算关系为：

f ck 0.88k1 k2 f cu,k2.1 混凝土的物理力学性能

f ck 0.88k1 k2 f cu,k式中： k1为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大 于C50级的混凝土取0.76,对C80取0.82,其间按线性插 值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0,对 C80取0.87,中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际 构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。

2.1 混凝土的物理力学性能

3)轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验 方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采 用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心 抗拉强度。

F压

a

拉 压

2F f sp 2 a

F劈拉试验2.1 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

混凝土

轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系

《混凝土结构设计规范》规定轴心抗拉强度标准值与 立方体抗压强度标准值的换算关系为：

ftk 0.88 0.395 f

0.55 cu , k

1 1.645

0.45

2

2.1 混凝土的物理力学性能

(3)复合受力状态下混凝土的强度 在平面应力状态下，当两方向应力均为压应力时， 抗压强度相互提高，最大可增加27%,而当一方向为压 应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。 当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强 度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的 存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。

侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为:

f cc f c (4.5 7.0) fl式中

f cc ——被约束混凝土的轴心抗压强度；

f c ——非约束混凝土的轴心抗压强度；fl ——侧向约束压应力。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

2.1.3复杂应力下混凝土的受力性能实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双 向或三向受力状态。

◆双轴应力状态双向受压强度大于单向受 压强度，最大受压强度发 生在两个压应力之比为0.3 ~0.6之间，约(1.25~1.60 )fc。 双轴受压状态下混凝土的 应力-应变关系与单轴受压 曲线相似，但峰值应变均 超过单轴受压时的峰值应 变。2.1 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

2.1.3复杂应力下混凝土的受力性能实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双 向或三向受力状态。 ◆双轴应力状态 在一轴受压一轴受拉状态

下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。 并且抗压强度或抗拉强度

均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。

2.1 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力s 共同作用下的 复合受力情况。

混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应 力的增大而减小。2.1 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

◆三轴应力状态 三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和 钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般 采用圆柱体在等侧压条件进行。由试验得到的经验公式为:

f cc f c (4.5 7.0) fl式中

f cc ——被约束混凝土的轴心抗压强度；

f c ——非约束混凝土的轴心抗压强度；fl ——侧向约束压应力

。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。2.1 混凝土的物理力学性能

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2.1.4

混凝土的变形

1、单轴受压应力-应变关系 混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过 程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形 计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。 混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来 测定。 在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压 强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应 变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲 线的上升段。

采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一 同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变 曲线的下降段。

2.1 混凝土 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

2.1 混凝土 混凝土的物理力学性能

第二章 钢筋和混凝土的材料性能

s (MPa)C30

D

B20

E A

10

达到B点，内部一些微 A点以后，由于微裂缝 A点以前，微裂缝没有 随应变增长，试件上相 混凝土在结硬过程中， 达到C点fc,内部微裂缝 裂缝相互连通，裂缝发 继出现多条不连续的纵 处的应力集中，裂缝开 明显发展，混凝土的变 由于水泥石的收缩、骨 连通形成破坏面，应变 展已不稳定，横向变形 向裂缝，横向变形急剧 始有所延伸发展，产生 形主要弹性变形，应力 增长速度明显加快，C 料下沉以及温度变化等 突然增大，体积应变开 发展，承载力明显下降， 部分塑性变形，应变增 -应变关系近似直线。A 点的纵向应变值称为峰 始由压缩转为增加。在 原因，在骨料和水泥石 长开始加快，应力-应 混凝土骨料与砂浆的粘 点应力随混凝土强度的 值应变 e 0,约为0.002。 此应力的长期作用下， 的界面上形成很多微裂 结不断遭到破，裂缝连 变曲线逐渐偏离直线。 提高而增加，对普通强 裂缝会持续发展最终导 纵向应变发展达到D点， 通形成斜向破坏面。E 微裂缝的发展导致混凝 缝，成为混凝土中的薄 致破坏。取B点的应力 度混凝土 A (2~3) 内部裂缝在试件表面出 点的应变es= 约为 e 0, 土的横向变形增加。但 弱部位。混凝土的最终 作为混凝土的长期抗压 (0.3~0.4)fc ,对高强混 现第一条可见平行于受 应力s = (0.4~0.6) fc。 该阶段微裂缝的发展是 破坏就是由于这些微裂 强度。普通强度混凝土 凝土sA可达(0.5~0.7)f 力方向的纵向裂缝。 c。 稳定的。 sB约为0.8fc,高强强度 缝的发展造成的。 混凝土sB可达0.95fc以上。

e ×10-30 2 4 6 82.1 混凝土的物理力学性能 2.2 混凝土

第

二章 钢筋和混凝土的材料性能

强度等级越高，线弹性段

越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂 浆与骨料的粘结很强，密 实性好，微裂缝很少，最 后的破坏往往是骨料破坏，

破坏时脆性越显著，下降段越陡。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线

2.1 混凝土 混凝土的物理力学性能