第2章-材料的物理和力学性能-自学笔记 - 图文

第 2 章 材料的物理和力学性能

： 1．熟悉混凝土材料在各种受力状态下的强度与变形性能；掌握混凝土的选用原则； 2．熟悉混凝土结构中所用钢筋的品种、级别及其性能；掌握混凝土结构对钢筋性能的要求及选用原则； 3．熟悉保证钢筋与混凝土之间协同工作的构造措施。 2.1 混凝土

在第1章已经学过，普通混凝土是由水泥、石子和砂子这三种主要材料用水拌和经凝固硬化后形成的人工石材。本章将要学习：

混凝土材料具有什么样的物理和力学性能？

混凝土的物理力学性能主要包括强度和变形，其他物理性能还有碳化、耐腐蚀、耐热、防渗等。本节主要阐述混凝土的强度和变形问题。 2.1.1 混凝土的强度

混凝土强度的定义：混凝土的强度是指外力作用下，混凝土材料达到极限破坏状态时所承受的应力。

影响混凝土强度的因素：1）混凝土的材料组成，2）混凝土的受力状态。

也就是说混凝土的强度是由内因和外因共同作用决定的。同样材料组成的混凝土，受力状态不同就会具有不同的强度，比如，混凝土受拉状态和受压状态下的强度就不一样，抗拉强度要远低于抗压强度。受力状态可分为单向受力状态和复杂受力状态，这两种受力状态下的混凝土强度也不同。

混凝土的强度指标有哪些？

工程中常用的混凝土强度主要有立方体抗压强度、棱柱体轴心抗压强度、轴心抗拉强度等，这些都是单向受力状态下的混凝土强度指标。

1.立方体抗压强度

定义：标准试块(边长为150mm 的混凝土立方体)在标准条件下(温度为20℃±3℃，相对湿度在90%以上)养护28天，然后，按规定的标准试验方法(中心加载，平均加载速度为0.3～0.8MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂)测得的破坏时的平均压应力称为混凝土立方体抗压强度，记为fcu(N/mm)（上标O表示试验值）。

用途：对混凝土进行强度等级的划分和规定，以满足工程实践的需要。我国的《混凝土结构设计规范》中规定，混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，即标准方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号fcu,k表示。混凝土强度从C15到C80共划分14个等级，级差为5MPa。其中，符号C表示强度等级，如C30即表示立方体抗压强度标准值为30N/mm。C50及C50以上标号规定为高强混凝土。

立方体抗压强度破坏的机理：实验研究表明，混凝土的破坏是由于内部微裂缝逐渐发展的结果，破坏现象是裂缝发展过程的最后阶段。图2－1给出了各级荷载下混凝土试块的裂缝发展形态。由此可见，混凝土受压破坏的根本原因在于受荷过程微裂缝的不断发展。因此，如能对混凝土的裂缝开展加以限制，则在一定程度上可以提高混凝土的抗压强度。

202 2-1

加载前 65%极限荷载 85%极限荷载 100%极限荷载

图2-1 裂缝发展形态示意图

影响立方体抗压强度的因素：试验表明，混凝土立方体试块尺寸越大，实测破坏强度越低，反之越高，这种现象称为尺寸效应。一般认为，这是混凝土内部缺陷影响等因素造成的，试件尺寸大，内部缺陷（微裂缝、气泡）相对较多,故强度较低。边长200mm和100mm的立方体试件，其实测所得立方体抗压强度分别是边长150mm立方体试件相应强度的0.95倍和1.05倍。

加载速度对混凝土的抗压强度也有一定的影响，加载速度过快，内部微裂缝难以充分扩展，塑性变形受到一定的抑制，于是强度较高。反之，加载速度过慢，则强度有所降低。 混凝土的强度还与实验时的龄期有关，养护龄期越长，则测得的破坏强度越高。原因是在一定的温度和湿度条件下，虽然混凝土的强度开始增长较快，后来逐渐减慢，但这一强度增长过程一直在延续，通常能够达到若干年。

2.棱柱体轴心抗压强度

为什么要引入棱柱体轴心抗压强度？因为实际工程中的大部分混凝土构件，其纵向尺寸度通常比横截面尺寸大很多（比如梁和柱子），因此，采用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土结构的实际受力状态。

棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系：棱柱体试件的抗压强度比立方体的强度值小，棱柱体试件高宽比越大，强度越小，但当高宽比达到一定值后棱柱体抗压强度变化

0很小。因此，试件的高宽比一般取为2～3。混凝土的立方体抗压强度fcu和棱柱体轴心抗压

0强度fc之间存在近似的线性关系，如图2－4所示，我国《混凝土规范》规定的二者的换算

00关系为：fc?0.88?c1?c2fcu。

2-2

图2-4 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

3.轴心抗拉强度

引入轴心抗拉强度指标的作用：用它可确定混凝土抗裂能力、抗剪能力，也可间接衡量混凝土的冲切强度等力学性能。

轴心抗拉强度的测定：混凝土的轴心抗拉强度可采用直接轴心受拉的试验方法来测定，也可用间接的方法来测定。由于直接测定抗拉强度存在一定困难、准确度较低，因此，通常采用劈裂实验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。 2.1.2 复杂受力下混凝土的受力性能

什么是处于复杂受力状态下的混凝土？在实际工程结构中，某些构件或某些节点的混凝土受力并非处于简单的受力状态，比如钢筋混凝土梁弯剪段的剪压区、框架的梁柱节点区、工业厂房柱的牛腿、工程结构中的深梁等。

此类复杂受力状态下的混凝土强度，由于问题比较复杂，目前尚未建立比较完善的混凝土强度理论，混凝土复杂受力状态下的复合受力强度主要是依赖于试验结果。

1．双轴应力状态

双向受拉应力状态：无论两向受拉应力的比例如何变化，实测破坏强度基本上接近于单轴抗拉强度。

双向受压应力状态：由于一个方向的压应力会对另一方向的压应力引起的侧向变形起到一定程度的约束作用，限制了试件内混凝土微裂缝的扩展，故而提高了混凝土的抗压强度。

一向受压、另一向受拉的应力状态：由于同时受拉、受压助长了试件在受拉方向的变形，因此加速了混凝土内部微裂缝的发展，使混凝土强度降低。此时混凝土的强度低于单轴受力（拉或压）强度。

2．三轴受压状态

三轴受压状态的破坏强度大于双向受压状态的破坏强度。 3．剪压或剪压复合应力状态

当结构中出现剪应力时，其抗压强度会有所降低，而且抗拉强度也会降低。 2.1.3 混凝土的变形

2-3

定义：混凝土的变形一般有两种。一种是受力变形，如混凝土在短期加载、长期荷载作用和多次重复荷载作用下产生的变形。另一种是体积变形，如混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化产生的变形。变形是混凝土的一个重要力学性能。

1.混凝土在单调短期加载下的变形性能

在单调短期荷载作用下，轴压混凝土的应力-应变关系是混凝土材料最基本的性能，是研究和建立混凝土构件的承载力、变形、延性和受力全过程分析的重要依据。

一般用标准棱柱体或圆柱体试件测定混凝土受压时的应力-应变曲线。图2-9为普通混凝土轴心受压时典型的应力-应变曲线，图中各个特征阶段的特点如下：

当荷载较小时，即??0.3fc（图中oa段）时，应力-应变关系接近于直线，?fc0.8fcbc故a点相当于混凝土的弹性极限。此阶段中混凝土的变形主要取决于骨料和水泥石的弹性变形，混凝土内部的初始微裂缝没有发展。

随着荷载的增加，当应力约为（0.3～0.8）fc（图中ab段）时，由于水泥混0.3fc0ad??0?cu 图2-9 混凝土受压时典型应力-应变曲线 凝土胶体的粘性流动和混凝土内部微裂缝的扩展，混凝土表现出越来越明显的塑性，应力-应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快。此阶段中混凝土内部微裂缝虽有所发展，但处于稳定状态，因此b点称为临界应力点。

随着荷载进一步增加，当应力约为（0.8～1.0）fc(图中bc段)时，应变增长速度进一步加快，应力-应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。当应力到达c点时，混凝土发挥出受压时的最大承载力，即轴心抗压强度fc（极限强度），相应的应变值称为峰值应变?0。此时混凝土内部微裂缝已延展成若干通缝。整个oc段通常称为应力-应变曲线的上升段。

超过c点以后，试件的承载力随应变增长逐渐减小，这种现象称为应变软化。当应力开始下降时，试件表面出现一些不连续的纵向裂缝，随后应力下降加快，当应变约增加到0.004～0.006时，应力下降减缓，最后趋于稳定。cd段称为应力-应变曲线的下降段。下降段的存在表明受压破坏后的混凝土仍保持一定的承载能力，它主要是由滑移面上的摩擦咬合力和裂缝所分割成的混凝土小柱体的残余强度所提供。

由上可知，混凝土在荷载作用下的应力-应变关系曲线表现出明显的非线性特征，由应力-应变曲线可以确定混凝土的极限强度fc、相应的峰值应变?0以及极限压应变?cu。

混凝土轴心受压时应力-应变曲线形状与混凝土强度等级和加载速度等因素有关。 图2-10为不同强度等级的混凝土轴心受压应力-应变曲线。由图可见，高强度混凝土达到峰值应力以后，其应力-应变曲线骤然下跌，表现出很大的脆性，强度越高，下降越陡。

图2-11为加载速度不同时的应力-应变曲线，由图可以看出，不同加载速度对混凝土的受压应力-应变曲线有较大的影响，随着加载速度的降低，曲线变得更平缓。

2-4