五混凝土的力學(xué)性能

1、會計學(xué)1五混凝土的力學(xué)性能五混凝土的力學(xué)性能三問：l 各種變形的特征是什么(What)？l 這些變形是如何產(chǎn)生的(How)？l 影響這些變形的因素有那些(Which)？引深思考：如何減小或消除這些變形的負(fù)面影響骨 料混凝土水泥石受壓時，骨料、水泥石和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑彈界面過渡區(qū)的微裂縫過渡區(qū)裂縫擴(kuò)展，但基體相沒有裂縫基體相中產(chǎn)生裂縫裂縫成為連續(xù)體系破壞原點切線 1 2 3割線切線難以準(zhǔn)確測量，應(yīng)力水平很低，實用意義小。 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指定以應(yīng)力 =1/3 fcp時的加荷割線彈性模量定義為混凝土的彈性模量Eh靜

2、力彈性模量。只適用于切點處荷載變化很小的范圍內(nèi)，工程意義也不大水泥石骨 料基體相分散相因為：c ap，c1a Vg+ p (1Vg)根據(jù)虎克定律： E得到： EcEaVg+Ep(1Vg) (1)因為：cap ， c 1 aVg+ p (1Vg)根據(jù)虎克定律： E得到： (1/Ec)(Vg/Ea)+ (1Vg)/ Ep (2) 該模型是由上下兩層水泥石和中間第一個模型構(gòu)成，同理可得：(1/Ec)(1-Vg1/2)/Ea+ Vg1/2/EaVg+Ep(1-Vg1/2) (3)EcEpEa(1)(3)(2)00.51.0混凝土中骨料的體積分?jǐn)?shù)水 灰 比水泥石的彈性模量(GPa)齡期(天)水灰比和水化

3、齡期對水泥石彈性模量的影響水灰比和水化齡期對水泥石彈性模量的影響彈性模量彈性模量(GPa)玄武巖玄武巖輝綠巖輝綠巖輝長巖輝長巖白粒巖白粒巖石灰石石灰石石英巖石英巖蛇紋石蛇紋石凍石凍石混凝土試件、水泥漿體和骨料的彈性模量混凝土混凝土水泥石基體水泥石基體骨料骨料混凝土過渡區(qū)結(jié)構(gòu)骨 料C-S-H鈣礬石CHPP水飽和狀態(tài)下， 混凝土的泊松比 =0.250.3；干燥狀態(tài)下， 混凝土的泊松比 =0.2；一般在0.170.2?；炷敛此杀入S骨料含量的增加而增加?；炷恋牟此杀冗B續(xù)浸泡連續(xù)浸泡下的濕脹下的濕脹不可逆收縮可逆收縮應(yīng)變膨脹收縮第1次干燥時間水泥石或混凝土在干濕循環(huán)下的變形行為0510152025-

4、1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)毛細(xì)水吸附水分離壓骨料的體積百分?jǐn)?shù)(%)干縮值比骨料體積含量對混凝土干縮的影響普通混凝土范圍水泥石的孔隙率干縮率(%)孔隙率對水泥石干縮的影響不可逆收縮可逆收縮第1次收縮內(nèi)部相對濕度(%)齡期(天)水泥石內(nèi)部相對濕度隨齡期的變化自收縮測量裝置0100200300400500600700800900100000.51.534.56時間（天）自收縮（微應(yīng)變）普通硅酸鹽中熱水泥快硬鐵鋁酸鹽硫鋁酸鹽水泥品種對自收縮的影響水灰比對自收縮的影響020040060080

5、0100000.51.534.56時間（天）自收縮（微應(yīng)變）W/C=0.45W/C=0.35W/C=0.30W/C=0.250200400600800100000.51.534.56時間（天）自收縮（微應(yīng)變）(W/C)e=0(W/C)e=0.045(W/C)e=0.07外加劑對自收縮的影響骨料與未水化水泥顆粒的含量(%)收縮值之比骨料和未水化水泥顆粒含量對收縮值的影響徐變恢復(fù)加荷后的時間加荷后的時間( (天天) )彈性恢復(fù)不可恢復(fù)彈性變形徐變變形卸荷 加荷后，水泥石首先變形，骨料上的應(yīng)力增大，骨料產(chǎn)生彈性變形延后彈性變形吸附水吸附水吸附水排出吸附水排出徐變徐變 不利： 徐變會引起混凝土構(gòu)件的預(yù)

6、應(yīng)力損失，據(jù)統(tǒng)計，我國幾十年來生產(chǎn)的構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失達(dá)3050%； 混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生隨時間變化的撓度或變形。 有利 徐變會使溫度或其他收縮變形受約束時產(chǎn)生的應(yīng)力減小； 降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值。徐變的影響： 西太平洋Caroline群島上的一座橋梁(主跨為241m)，由于徐變使跨中向下?lián)锨愉伒臉蛎姘暹M(jìn)一步加劇徐變，使該橋在建成不到20年后坍塌 (1996年)。骨料的體積含量骨料的體積含量(%)骨料的體積含量對混凝土徐變 的影響溫度對混凝土徐變的影響荷載作用時間荷載作用時間(天天)加荷的應(yīng)力水平對混凝土徐變的影響加荷時間加荷時間( (天天) )環(huán)境濕度

7、對混凝土徐變的影響骨料的彈性模量對混凝土徐變的影響加荷時間加荷時間(對數(shù)對數(shù))干縮與徐變混凝土在干燥狀態(tài)受壓下的變形無松弛作用時出現(xiàn)開裂混凝土的抗拉強(qiáng)度開裂延遲應(yīng)力松弛后的實際應(yīng)力應(yīng)力松弛時 間收縮應(yīng)變受約束時產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)力延伸性與開裂 Extensibility and Cracking延伸性的含義：彈性模量 彈模越小，產(chǎn)生一定量收縮引起的彈性拉應(yīng)力越?。恍熳?徐變越大，應(yīng)力松弛越顯著，殘余拉應(yīng)力就越小；抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度越高，拉應(yīng)力使材料開裂的危險越小。 PPPP國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：制作邊長為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：制作邊長為150mm的立方體試的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件件，在標(biāo)準(zhǔn)條件(20 2 C，相對

8、濕度，相對濕度95%)下下，養(yǎng)護(hù)到，養(yǎng)護(hù)到28天齡期，測得的抗壓強(qiáng)度值稱為天齡期，測得的抗壓強(qiáng)度值稱為混混凝土立方體抗壓強(qiáng)度凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以，以“fcu”表示。表示。 用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的一組若干個立方體抗用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的一組若干個立方體抗壓強(qiáng)度值的總體分布中的某一個值，低于該值壓強(qiáng)度值的總體分布中的某一個值，低于該值的百分率不超過的百分率不超過5%,該抗壓強(qiáng)度值稱為該抗壓強(qiáng)度值稱為立方體立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。以。以“fcu,k”表示表示 根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)劃分的等級，劃分的等級，以符號以符號C+混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土立

9、方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)表示。表示。 將試件在實際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)將試件在實際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)28天，測得的立天，測得的立方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗收依據(jù)。方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗收依據(jù)。v軸心抗壓強(qiáng)度國家規(guī)范規(guī)定：用尺寸為150 mm 150 mm 300mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，按規(guī)定方法成型、標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，測得的抗壓強(qiáng)度為軸心抗壓強(qiáng)度，以fcp表示；工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)；軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系： fcp = (0.70.8)fcu換算系數(shù)與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，系數(shù)越小。PPfd = P/A橫截面積為A軸心直拉試驗Tensi

10、on Testing混凝土受拉伸 直拉試驗劈裂抗拉四點彎曲拉伸 劈裂抗拉試驗 Splitting Testfs 劈拉強(qiáng)度計算：fts = 2P/ a2 = 0.637( (P/ a2) ) a：立方體試件的邊長 ;150 mm 150 mm 150mm的立方體試件PPa受 拉fs彎拉試驗 Flexural Test/Modules of RuptureP L/3 L/3 L/3 fb拉 壓v用尺寸為150 mm 150 mm 550mm的梁式試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，采用三分點加荷方式試驗，直至試件斷裂。v根據(jù)材料力學(xué)理論合線彈性應(yīng)力應(yīng)變分析，試件斷裂是的最大拉伸應(yīng)力為： fb = PL /

11、 bd2 (bd= 試件的截面積) 稱為斷裂模量 modulus of rupture混凝土試件受壓時內(nèi)部裂縫擴(kuò)展情形普通混凝土普通混凝土剪切粘結(jié)破壞混凝土試件單軸受壓混凝土受壓破壞機(jī)理a. 受壓破壞，或者在較低應(yīng)力水平上拉伸破壞，都是因為多裂縫的相互作用所導(dǎo)致，而不是單一裂縫擴(kuò)展的結(jié)果；b. 硬化水泥漿或混凝土中裂縫的擴(kuò)展不沿直線，而是繞過水泥石或骨料顆粒邊緣，沿著彎曲的路徑延伸，在此過程裂縫發(fā)生畸變與挫鈍。c. 混凝土是硬化水泥漿、過渡區(qū)和骨料的復(fù)合體，三者各有其本身的斷裂韌性(Kc)，很難測定。美國混凝土學(xué)會美國混凝土學(xué)會v過渡區(qū)特征過渡區(qū)以厚度約為10-15 m的薄殼存在于粗骨料的周圍

12、；過渡區(qū)比混凝土中其它兩相硬化水泥漿和骨料都弱，是混凝土中最薄弱的組份，所以雖然尺寸小，但對混凝土的力學(xué)行為影響很大；在混凝土澆灌好后，在粗骨料周圍形成一層水膜，導(dǎo)致粗骨料周圍的水灰比大于整體水泥漿，所以界面過渡區(qū)多孔，且鈣礬石和羥鈣石都呈取向性大晶體顆粒?；炷吝^渡區(qū)結(jié)構(gòu)骨 料C-S-H鈣礬石CH裂縫擴(kuò)展的路徑和方向骨 料水泥石骨料周圍的界面區(qū)普通混凝土的微結(jié)構(gòu)裂縫沿界面區(qū)擴(kuò)展 混凝土、砂漿和水泥漿體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析和掌握的思路： 材料的強(qiáng)度與其組成、結(jié)構(gòu)密切有關(guān) 組成影響因素：水泥、骨料和水及其特性與摻量； 結(jié)構(gòu)影響因素：組成材料及其分布、生產(chǎn)工藝與條件、澆灌與養(yǎng)護(hù)制度等。水泥品種齡期

13、養(yǎng)護(hù)條件外加劑水化度水灰比凝膠結(jié)構(gòu)與組成孔隙率含水量水泥石強(qiáng)度骨料質(zhì)量表面特征化學(xué)組成骨料用量粒徑彈 模水泥石骨料粘結(jié)力混凝土混凝土強(qiáng)度強(qiáng)度生產(chǎn)因素混凝土強(qiáng)度的影響因素圖解 毛毛 細(xì)細(xì) 孔孔 隙隙 率率 （ %） 抗抗壓壓強(qiáng)強(qiáng)度度（Mpa） 硬化水泥漿體強(qiáng)度-毛細(xì)孔隙率關(guān)系140水灰比(W/C) fc K1 / K2w/cK1、K2 是常數(shù)，取決于混凝土的齡期、組成材料及測定方法等因素。不同水灰比硬化水泥漿體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系濕養(yǎng)護(hù)齡期(天)粗骨料粒徑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響骨料最大粒徑對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響粗骨料品種對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響掃描電鏡照片顯示：用石灰石做骨料的混凝土中，界面過渡區(qū)沒有微

14、裂縫和連通的孔隙混凝土混凝土水泥漿體水泥漿體骨料骨料抗壓強(qiáng)度(MPa)石灰石石灰石玄武巖玄武巖輝綠巖輝綠巖輝長巖輝長巖白粒巖白粒巖石英巖石英巖蛇紋石蛇紋石凍凍 石石混凝土試件、水泥漿體和骨料的抗壓強(qiáng)度混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計公式2) 澆灌與養(yǎng)護(hù)條件的影響新拌混凝土的和易性搗實程度與養(yǎng)護(hù)條件硬化混凝土的微結(jié)構(gòu)硬化混凝土的強(qiáng)度timein air entire timemoist cured entire timein air after 3 daysin air after 7 daysStrength28100%混凝土連續(xù)在21C下養(yǎng)護(hù)28天的試樣強(qiáng)度的百分率(%) 混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置

15、混凝土在指定的溫度下澆灌密封放置2 2小時后，再在小時后，再在2121 C C下養(yǎng)護(hù)到測試齡期下養(yǎng)護(hù)到測試齡期說明：混凝土在說明：混凝土在21C下澆灌并放置下澆灌并放置6小時后小時后，再在指定溫度下養(yǎng)護(hù)至測試齡期，再在指定溫度下養(yǎng)護(hù)至測試齡期v養(yǎng)護(hù)溫度越低，強(qiáng)度越低；v養(yǎng)護(hù)溫度比澆灌溫度更重要!v冬天施工的混凝土必須采取措施保暖一段時間。v微觀研究表明：較低溫度的養(yǎng)護(hù)可以使得水泥石的結(jié)構(gòu)致密、均勻。為什么？ 養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土強(qiáng)度的影響 上述因素影響強(qiáng)度試驗值，而不是實際混凝土強(qiáng)度！試件尺寸越大，混凝土強(qiáng)度測試值越偏低；試件尺寸越小，混凝土強(qiáng)度測試值越偏高；相對強(qiáng)度()試件尺寸(cm)0 10

16、15 20 30 40 50 60 70 80 90其原因：環(huán)箍效應(yīng)，尺寸小，環(huán)箍效應(yīng)明顯缺陷概率，尺寸大，缺陷概率大混凝土沉降形成的界面縫隙鋼筋鋼筋混凝土混凝土雙膜氫氧化鈣水泥漿本體多孔層 水泥品種與強(qiáng)度等級 骨料品種、粒徑、級配 外加劑 水灰比 砂率 用水量或膠凝材料用量 溫度 濕度 時間0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)毛細(xì)水吸附水分離壓0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形

17、百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)毛細(xì)水吸附水分離壓 不利： 徐變會引起混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，據(jù)統(tǒng)計，我國幾十年來生產(chǎn)的構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失達(dá)3050%； 混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生隨時間變化的撓度或變形。 有利 徐變會使溫度或其他收縮變形受約束時產(chǎn)生的應(yīng)力減??； 降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值。徐變的影響： 西太平洋Caroline群島上的一座橋梁(主跨為241m)，由于徐變使跨中向下?lián)锨愉伒臉蛎姘暹M(jìn)一步加劇徐變，使該橋在建成不到20年后坍塌 (1996年)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：制作邊長為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：制作邊長為150mm的立方體試的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件件，在標(biāo)準(zhǔn)條件

18、(20 2 C，相對濕度，相對濕度95%)下下，養(yǎng)護(hù)到，養(yǎng)護(hù)到28天齡期，測得的抗壓強(qiáng)度值稱為天齡期，測得的抗壓強(qiáng)度值稱為混混凝土立方體抗壓強(qiáng)度凝土立方體抗壓強(qiáng)度，以，以“fcu”表示。表示。 用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的一組若干個立方體抗用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的一組若干個立方體抗壓強(qiáng)度值的總體分布中的某一個值，低于該值壓強(qiáng)度值的總體分布中的某一個值，低于該值的百分率不超過的百分率不超過5%,該抗壓強(qiáng)度值稱為該抗壓強(qiáng)度值稱為立方體立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。以。以“fcu,k”表示表示 根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)劃分的等級，劃分的等級，以符號以符號C+混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)表示。表示。 將試件在實際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)將試件在實際工程的溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)28天，測得的立天，測得的立方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗收依據(jù)。方體試件強(qiáng)度，作為混凝土施工質(zhì)量控制和驗收依據(jù)。v軸心抗壓強(qiáng)度國家規(guī)范規(guī)定：用尺寸為150 mm 150 mm 300mm的標(biāo)