第2章 混凝土结构材料的物理力学性能.ppt
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1、第第2 2章章 混凝土结构材料的物理混凝土结构材料的物理力学性能力学性能 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 混凝土的组成结构1.混凝土的组成成分:水泥、砂子、石子和水 凝结硬化后形成“人工石”砼;是一种多相复合材料2.混凝土的组成结构(四个层次)宏观结构砂浆和粗骨料(卵石和碎石)细观结构水泥砂浆结构,(也叫亚微观结构)微观结构水泥石结构 微裂缝(晶体)水泥石结构水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗泥和凝胶孔,其物理力学性能取决于水泥的化学-矿物
2、成分、粉磨度、水灰比和硬化条件。水泥砂浆结构 水泥石为基相,砂子为分散相 砂子和水泥石的结合面为薄弱面,物理力学性能控制因素:除决定水泥石结构的因素外,还有砂浆配合比、砂的颗粒级配、矿物组成、砂粒形状、颗粒表面特性及砂中的杂质含量等砂浆和粗骨料水泥砂浆为基相,粗骨料为分散相 砂浆与粗骨料的结合面为薄弱面,性能影响因素:基相和分散相(粗、细骨料)自身的特性、骨料的分布及其与基相之间结合界面的强度微裂缝由于硬骨料对混凝土泌水引起的沉缩和水泥砂浆收缩的限制,在各层次界面薄弱处引起的结合破坏。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。3.混凝土破坏机理 从加荷到破坏分三阶段 骨料和浆体结合面发生
3、应力集中,产生微裂缝 微裂缝稳定发展,向砂浆延伸,加载停,裂缝扩展停止 微裂缝贯通,形成连续裂缝,混凝土被分割,丧失承载力 混凝土的强度远低于砂浆和粗骨料任一材料成分的强度,混凝土宏观破坏是裂缝累积的过程,从内部结构局部损伤到遭受连续性破坏导致整个体系斜体面丧失承载力的过程。而不是组成成份的基相和分散相自身强度的耗尽。2.1.1、单向受力状态下的混凝土强度 1.立方体抗压强度f cu 是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。是混凝土的强度等级评定的标准。标准试件:150mm150mm150mm。标准条件:(203,90%湿度)养护28天。标准测试方法:限制加载速度0.150.25N/(mm 2
4、.s),压力机垫板不涂润滑剂,测得的抗压强度值;对边长100mm试件应乘以尺寸换算系数:小于C50的混凝土,修正系数=0.95。随混凝土强度的提高,修正系数值有所降低,当 f cu100=100N/mm2 时,换算系数 约为0.9;对于边长200mm 的试件换算系数1.05。规范根据强度范围,混凝土强度等级分为14级:C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80 C50以上为高强混凝土。混凝土强度等级的选用原则:素混凝土结构的混凝土强度等级不低于C15钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不低于C20采用强度等级400MPa的钢筋时混凝
5、土强度等级不低于C25承受重复荷载的钢筋混凝土构件,混凝土强度等级不应低于C30预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40,且不应低于C30 试验影响因素:a.润滑剂:不涂润滑剂与涂润滑剂相比,试块和试验机之间的摩擦对试块有“套箍”作用,阻碍了试件的横向变形,延缓裂缝的发展,从而提高了试件的抗压极限强度,(破坏见图2.1)。b.f cu与立方体试件大小有关,尺寸越小,测得的抗压强度越高。原因:1)内部缺陷少;2)实验方法的影响,箍的作用。立方体不能代表混凝土在实际构件中的受力状态,只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准(制作、测试方法)。2.轴心抗压强度fc试件高宽比适中(
6、23)时,测出的混凝土抗压强 度值比较稳定这样就大部分消除了垫板与试件之 间摩擦力和可能的附加偏心距对试件强度的影响。标准试件:150mm150mm300mm 对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强 度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度平均值之间的换算关系为:ck=0.88 c1 c2 cu,k 规范对小于C50级的混凝土取c1=0.76,对C80取c1=0.82,其间按线性插值;图图 2.22.23.轴心抗拉强度f tk 是混凝土的基本力学性能。混凝土构件开裂、裂缝、变形,以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。测定方法有直接轴拉和间接试验两种 直接轴拉:需要较大尺寸的试件和
7、相应的拉力试验机,工作量大,较难进行,测得的数据准确。间接试验:由于轴心受拉时对中困难,且混凝土不均匀,以劈裂代替轴拉,以弯折代替轴拉。劈裂试验采用圆柱体或立方体(以边长150mm的试件为标准试件)(图)图25 劈裂试验FdF t o 2F/d l0.637 F/A 式中 t o混凝土的劈裂抗拉强度(MPA);F破坏荷载(N);A试件劈裂面面积(mm2)fcu,kC15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C800.210.180.160.140.130.120.120.110.110.10分析:劈拉试验结果受试件大小影响 劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度 轴心抗拉强度只有(1/
8、81/17)的立方体抗压强度,且C值越高,比值越小。抗拉强度与立方抗压强度的统计关系:f tk=0.880.395(1-1.645)0.45c2 f cu,k 0.55 系数0.395和指数0.55是根据试验数据得出的。规范对混凝土立方体强度采用的变异系数如下:2.1.2、复合受力状态下混凝土的强度 1双向受力强度(1)双向应力:图2.6 双压;双拉;一拉一压(2)剪压或剪拉:图2.7 图图 2.62.6双向受压时,双向受压强度大于单向受压强度,大体上一向的强度随另一向的压力的增大而增大,最大受压强度发生在两个压应力之0.30.6之间,约为1.27f c。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与
9、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处于拉压应力状态时,混凝土的强度均低于单向拉伸或压缩时的强度,即双向异号应力使强度降低。当双向受拉时,不同应力比值下的双向受拉强度均接近于单向抗拉强度构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力s s 共同作用下的复合受力情况。共同作用下的复合受力情况。图 2.7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。fc1有侧压约束试件的轴心抗压强度 fc 无侧压约束试件的轴心抗压强度 2
10、 侧向约束应力2三向受力强度:强度和变形能力大大提高,这是由于侧向约束限制了混凝土受压向变形,因此提高混凝土的抗压强度,所以提高混凝土的抗压强度可以采用如密排箍筋、螺旋箍筋、钢管混凝土等。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件下进行。侧向压力对混凝土强度的影响2.1.3 混凝土的变形混凝土的变形分为两类:a.受力变形(一次短期加载、长期加载和多次重复荷载作用下的变形)b.体积变形(由于收缩、温度、湿度变化产生的变形)1一次短期加载下 (1)受压时应力-应变全曲线(图2.8):02468102030s(MPa)e 10-3 曲线上升段:OA段、BA段、CB段 OA段:混凝土表现出理想的弹性性质,
11、应力-应变关系呈直线变化,微裂缝没有发展。对普通强度混凝土 A 约为 (0.30.4)fc,对高强混凝土A可达(0.50.7)fc。因为应力到达A点之前,应力和应变呈正比,此时若卸去荷载,则应变恢复为零,故称A点为比例极限点。B A段:(0.30.8)fc ,混凝土表现出非弹性性质,应变增长开始加快,应力-应变曲线逐渐偏离直线。由于微裂缝处的应力集中,微裂缝已有所发展,但处于稳定阶段。B点称为裂缝稳定扩展的“临界点”,取 B 的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土B 约为0.8 fc,高强强度混凝土 B 可达0.95 fc以上 CB段:(0.81.0)fc,超过B点后,试件所积蓄的弹性
12、应变能始终大于裂缝发展所需要的能量,形成裂缝发展的不稳定状态。峰值应力max称为混凝土抗压强度c,相应的应变称为峰值应变0,其值波动在0.00150.0025之间,平均00.002 曲线下降段:CE段 CD段:超过C点,试件的承载力随应变增长逐渐 缩小,应力开始下降。试件表面出现一些不连续的裂缝,以后应力下降加快,应力应变曲线变陡。应力应变曲线在D点曲线凹向变化,曲率为零,该点称为“拐点”。DE段:超过D点,骨料间的咬料间的咬合力及摩擦力开始与残余承压面共同承受荷载。随着变形的增加,应力应变曲线又逐渐凸向水平方向发展,直到曲率最大点E点(“收敛点”),E点的应变e=(23)e 0,应力 =(0
13、.40.6)fc。曲线收敛段 EF段:E点以后,贯通的主裂缝已很宽,此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展,摩阻力和粘结力不断下降,但即使在很大的应变下,骨料间仍有一定摩阻力,应力下降减缓,最后趋于稳定的残余应力,约为(0.10.4)fc。下降反映了混凝土内部沿裂缝面的剪切滑移及骨料颗粒处裂缝不断延伸扩展。试验表明,加载速度越大,最大应力值也越大,但到达最大应力值的应变减小,曲线下降较陡峭。试验还表明,随着配箍量的增加及箍筋的加密,曲线峰值和 峰值应变均有所增大,而且下降段减缓也较明显。即强度和变形能力均得到提高。因此约束混凝土对于抗震结构非常重要。在抗震结构中对于可
14、能出现塑性铰的区域,均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力,达到坏而不倒的目的。影响应力应变曲线形状的因素:混凝土的强度等级、组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况等由不同强度混凝土的应力应变曲线(图2.9)可以看出,混凝土强度对上升段曲线影响不大。对于下降段,强度越高,应力下降越剧烈,延性越差。强度越低则下降越平缓,延性越好。图2.9 不同强度混凝土的应力应变关系曲线-(2)混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型:美国 E.Hognested 建议的模型该模型的上升段为二次抛物线,下降段为斜直线 c峰值应力;0相应于峰值应力时的应变,取0=0.002;u 极限压应变。取u 0.0038
15、 西德Rusch模型 0 时:0 u 时:=c 式中 00.002;u 0.0035 规范的应力-应变关系上升段:下降段:(3)混凝土受拉时的应力应变关系 具有上升和下降段,切曲线形状与受压时相似。混凝土强度越高上升段越长,曲线峰点越高,但对应的变形几乎没有增大,下降越陡,极限变形反而变小。研究混凝土曲线,一方面看强度,另一方面看后期变形能力(混凝土达到极限强度后,应力下降相同幅度时变形的大小,变形大,表明承受变形的能力高,逐性好)。混凝土强度越高,后期变形能力小,延性较差。2.混凝土的变形模量Modulus of Elasticity(1)弹性模量EC 弹性模量反应了从材料受力后的应力应变性
16、质。当应力较小时,混凝土具有弹性性质,这个阶段的弹性模量可用应力应变曲线过原点切线的正切表示(图),称为初始弹性模量(简称弹性模量)原点切线模量原点切线模量 过原点作应力应变曲线的切线与应变轴间的夹角,上式仅适用于小应力状态,即混凝土近似处于弹性阶段,因此 EC(2)变形模量EC(割线模量)曲线上任一点与原点连线的斜率,即为混凝土的割线模量,由于割线模量表示了曲线上某点总应力和总应变之比,而总应变包括弹、塑性变形,所以割线模量也称为混凝土的变形模量 式中 1割线与应变轴间的夹角;总应变,e+p。割线模量割线模量 e与的比值称为弹性系数 (=10.5)所以 在混凝土应力应变曲线的上升段任意点的应
17、力为:由以上可知,在同样应变条件下,混凝土强度越高,割线模量越大。(3)切线模量EC 在混凝土的应力应变曲线上某一点处作一切线,切线的斜率,即为应力为时的切线模量。应力应变曲线上某点的切线与应变轴间的夹角;EC 主要用于混凝土的非线性分析中。(4)实际用 EC的测定 对棱柱体试件(150mm150mm300mm)先加荷至0.5fc,然后卸荷至零,在重复加荷卸荷510次。每次卸载会产生残余变形。随着加卸载次数的增加,应力应变曲线渐稳定并基本上接近直线,该直线的斜率即为混凝土的弹性模量。经不同强度混凝土的弹性模量分析,得出Ec的经验公式为:(5)受拉弹性模量Et 受拉弹性模量Et与受压时的弹性模量
18、基本相同,峰 值应力时的变形(割线)模量Et(7686)Ec,在构件计算中相应于抗拉强度t时的变形模量(割线模量)可取为Et0.5Ec,即峰值应力的弹性系数0.5。凝土受拉断裂发生于达到极限拉应变时,而不是发生在达到最大拉应力时。受拉极限应变与混凝土配合比、养护条件和强度紧密相关。3长期荷载下(徐变)creep 混凝土在荷载长期作用下产生随时间而增长的变形称为徐变徐变会引起混凝土结构变形增大,导致预应力混凝土发生预应力损失,严重时还会引起结构破坏。同时徐变的发生对结构内力重分布有利,可以减小各种外界因素对超静定结构的不利影响,降低附加应力。受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。在测定混凝土的徐变时,应
19、同批浇筑同样尺寸不受荷的试件,在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形,从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形,才可得到徐变变形。徐变规律(图)el为加载时立即产生的瞬时应变,cr为随时间而增长的徐变,sh为混凝土的收缩变形。徐变开始时增长很快,6个月可达最终徐变量的(7080),以后增长缓慢,23年后趋于稳定。如卸去全部荷载,则el为卸荷时的瞬时恢复变形,由于混凝土弹性模量随时间增大,故弹性恢复应变el小于加载时的瞬时弹性应变el。再经过一段时间后,还有一部分应变el可以恢复,称为弹性后效或徐变恢复,但仍有不可恢复的残留永久应变cr 徐变产生的原因徐变产生的原因 其一是混凝土中具有粘性流动性
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