混凝土的基本特性

1、第三章混凝土的基本特性混凝土是水泥、砂、石和水的混合材料，其組成材料的成分和性質(zhì)，以及在制備、凝固、使用過程中的各種條件和環(huán)境因素都對其強(qiáng)度和變形有不同程度的影響，因而混凝土比其它結(jié)構(gòu)材料具有更復(fù)雜、多變的力學(xué)性能。§3.1非勻質(zhì)、非等向的多相混合材料由圖3-1可看出混凝土內(nèi)部的非勻質(zhì)構(gòu)造非勻質(zhì)構(gòu)造。其主要組成部分有：固體顆粒一具有不同形狀、顏色、尺寸和礦物成分的粗骨料、較大的砂粒、未水化的水泥顆粒團(tuán)和混入的各種固體雜質(zhì)。它們隨機(jī)地分布在混凝土內(nèi)部，占據(jù)了總體積的絕大部分。硬化的水泥砂漿一水泥和水產(chǎn)生的水化作用，將攪拌均勻的砂子膠結(jié)在一起成為水泥砂漿，填充在固體顆粒之間，或稱圍裹在固

2、體顆粒外層，形成不均勻、不規(guī)則的條帶狀或網(wǎng)狀分布構(gòu)造。剛開始時(shí)，水泥砂漿是流動性強(qiáng)的膠狀體。隨著混凝土齡期的增長，水泥顆粒的水化作用層往內(nèi)部深入，外層逐漸固化，砂子的粘結(jié)力不斷加強(qiáng)，形成硬化的水泥砂漿。各種氣孔和縫隙一在混凝土的攪拌和澆注過程中，少量空氣混入其內(nèi)部；在震搗時(shí)，大部分空氣成氣泡狀上升，從構(gòu)件的上表面逸出，其余的積聚在構(gòu)件頂面和側(cè)面的表層砂漿層內(nèi)。較大的石子和鋼筋下面有明顯的氣孔?；炷林械乃终舭l(fā)以及水泥砂漿干縮變形等都會在粗骨料和砂漿的界面、砂漿的內(nèi)部形成不同形狀和尺寸的細(xì)微裂縫。此外，澆注、震搗操作不當(dāng)?shù)仁┕と毕菘赡茉诨炷羶?nèi)留下較大孔洞。這三部分中，前兩者為基本組成。它們的

3、物理相力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，在外力作用和環(huán)境條件影響下的反應(yīng)有顯著差別，成為混凝土強(qiáng)度和變形性能復(fù)雜、多變的主要原因。上部的骨科含雙少澆注摸底下鋪粗骨料含量需骨科大面翎下他表面層砂漿和氣孔較多u.租皆料也.水泥的漿白.氣孔5,粗砂口建整乩雜面面層即察和氣孔鼓多圖3-1混凝土組成材料的非勻質(zhì)、非等向分布除了混凝土組成部分的隨機(jī)分布所引起的非勻質(zhì)性外，還因?yàn)橐恍┮蛩貥?gòu)成混凝土的必然非勻質(zhì)性，例如：在澆注、震搗混凝土的過程中，比重和顆粒較大的粗骨料沉入底部，而比重較小的骨料、流動性大的水泥砂漿和氣泡等向上升。構(gòu)件澆注方向的頂面和模板側(cè)面附近，水泥砂漿和氣泡的含量高于構(gòu)件內(nèi)部，構(gòu)件表層的水分蒸發(fā)較快，收縮

4、變形較大，遺留裂縫較多?；炷敛牧系姆莿蛸|(zhì)和非等向性的程度，取決于原材料的均勻性、水泥骨料比和水灰比，以及攪拌、澆注、震搗和養(yǎng)護(hù)等施工操作工藝。止匕外，在混凝土的澆注、震搗過程中，有一些現(xiàn)象將產(chǎn)生非等向性，例如：粗骨料若有一較大干面，震搗后的最穩(wěn)定位置是大面朝下；氣泡上升過程中略呈長圓形，混凝土凝固后氣孔長徑平行于澆注方向；構(gòu)件分層澆注和振搗混凝土?xí)r，留有水平施工縫；在先期應(yīng)力作用下,混凝土內(nèi)部形成的微裂縫具有一定的方向性等等。§ 3.2 雜的微觀內(nèi)應(yīng)力（變形）狀態(tài)如果將一塊混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂漿這兩種性質(zhì)迥異的主要材料構(gòu)成的非線性、三維實(shí)體結(jié)構(gòu)物。在承受

5、荷載之前和之后，都存在十分復(fù)雜的微觀應(yīng)力（應(yīng)變）場。這正是混凝土材性變化大和性能指標(biāo)離散的主要原因。在混凝土的凝固過程中，水泥的水化作用產(chǎn)生凝膠體，使水泥砂漿逐漸變稠、硬化，和粗骨料粘結(jié)成一整體。在此同時(shí)，混凝土因水分逐漸逸出而變干燥，水泥砂漿發(fā)生的收縮量遠(yuǎn)大于粗骨料的收縮量。此收縮差使粗骨料受壓，而砂漿受拉，雖然任一截面上的應(yīng)力合力為零，但局部的收縮應(yīng)力值可能很大，以致在粗骨料界面形成微裂縫。同樣由于粗骨料和硬化水泥漿間的線膨脹系數(shù)的差別，即使兩者的溫度變化相同，也因?yàn)樽冃蔚牟灰恢?，又相互約束而產(chǎn)生不均勻的三維應(yīng)力場?；炷潦菬岫栊圆牧希?yàn)樗療?、環(huán)境溫度變化或事故（火）升溫等會使其表層和

6、內(nèi)部形成較大的溫度差，內(nèi)部的微觀溫度應(yīng)力（應(yīng)變）場更為復(fù)雜。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受外力的作用時(shí)，即使局部混凝土的宏觀應(yīng)力均勻，也會因?yàn)榇止橇系碾S機(jī)排列和水泥砂漿的不規(guī)則形狀、兩者的彈性（或變形）模量和抗拉、壓強(qiáng)度的差別，以及粗骨料周界的支承或接觸狀況的不同等原因而存在著不均勻的微觀應(yīng)力場，不僅主要截面，其它任何方向截面上的應(yīng)力分布都不均勻。所有這些都表明，從微觀上分析混凝土必然是一個(gè)非常復(fù)雜的、不確定的三維應(yīng)力（變形）狀態(tài)，對于混凝土的開裂、裂縫發(fā)展、變形、極限強(qiáng)度和破壞形態(tài)等都有很大影響。§ 3.3 變形的多元組成混凝土承受應(yīng)力的作用或者環(huán)境條件的變化都將發(fā)生相應(yīng)的變形。從混凝土的組成和構(gòu)造特

7、點(diǎn)分析，總變形實(shí)際上由三部分組成：粗細(xì)骨料的彈性變形一占混凝土體積中絕大部分的石子和砂子，其本身的強(qiáng)度和彈性模量均高出混凝土的很多，在達(dá)到混凝土的最大應(yīng)力（極限強(qiáng)度）時(shí)變形一般仍在彈性范圍以內(nèi)，即變形與應(yīng)力值成正比，卸載后變形可全部恢復(fù)，不留殘余應(yīng)變（圖32）。水泥凝膠體的粘性流動一水泥水化作用形成的凝膠體在數(shù)十年內(nèi)還不是一種形狀固定的材料。在應(yīng)力的作用下，除了即時(shí)發(fā)生的變形外，還將隨時(shí)間的延續(xù)發(fā)生緩慢、但逐漸收斂的粘性流動，使混凝土的變形不斷增長，構(gòu)成塑性變形。當(dāng)應(yīng)力卸除后，即時(shí)的變形恢復(fù)有限。隨后變形雖繼續(xù)恢復(fù)，但最終仍存在較大的殘余變形。混凝土承受的應(yīng)力越大，則塑性變形和殘余變形增加越多

8、。微裂縫的形成和擴(kuò)展一在拉應(yīng)力作用下，沿應(yīng)力的垂直方向形成微裂縫，并迅速擴(kuò)展；在壓應(yīng)力作用下，沿大致平行于應(yīng)力方向形成縱向裂縫，穿過骨料界面和水泥砂漿，減弱了相鄰部分的聯(lián)系；裂縫端部的局部集中應(yīng)力造成水泥砂漿的損傷，形成薄弱區(qū)。在峰值應(yīng)力后，雖然混凝土的應(yīng)力減小，但變形將繼續(xù)增大。全部卸載后，這部分變形基本上不能恢復(fù)。對于由不同的材料和組成的混凝土，在不同的應(yīng)力階段，這三部分變形所占的比例有很大變化。一般情況下，應(yīng)力水平較低時(shí)，骨料的彈性變形占主要成分。隨著應(yīng)力的加大，水泥凝膠體的粘性流動變形逐漸增大；接近混凝土極限強(qiáng)度值時(shí)，裂縫變形才有明顯作用，但其變形值大，在峰值強(qiáng)度后的下降段成為變形的主

9、體。圖3-2混凝土變形的組成在卸載過程中，骨料的彈性變形可全部恢復(fù)，而水泥凝膠體的粘性流動變形出現(xiàn)應(yīng)變恢復(fù)滯后現(xiàn)象。全部卸載后的混凝土殘余變形，則由裂縫變形和粘性流動變形組成。止匕外，混凝土剛開始承受應(yīng)力時(shí)，骨料和水泥砂漿分擔(dān)應(yīng)力。如果維持應(yīng)力不變，由于粘性流動變形隨時(shí)間延續(xù)而增大，混凝土的總變形將隨之增加，在骨料和水泥砂漿間應(yīng)力將會有相應(yīng)的重分布。§ 3.4 對力學(xué)性能的影響因素應(yīng)力狀態(tài)和途徑一混凝土單軸受拉強(qiáng)度和受壓強(qiáng)度的比值約為1:10,相應(yīng)的峰值應(yīng)變比值約為1:20,兩者的破壞機(jī)理和形態(tài)差別顯著。這與鋼、木材等結(jié)構(gòu)材料的拉、壓強(qiáng)度和變形接近相等的狀況形成鮮明的對比。這種基本拉

10、壓狀態(tài)下力學(xué)性能的巨大差別，使得混凝土在軸壓力狀態(tài)下的強(qiáng)度、變形和破壞特征等隨主應(yīng)力的拉、壓和應(yīng)力比值的不同，而在很大幅度內(nèi)變化。至于更復(fù)雜的受力狀態(tài)，如不均勻受力、荷載重復(fù)/反復(fù)作用、邊界受約束、不同應(yīng)力路徑等等，因?yàn)樽冃谓M成的差別、內(nèi)部微裂縫的方向性、損傷的積累等，形成了混凝土不同的力學(xué)性能反應(yīng)，給混凝士帶來一些新的特點(diǎn)。時(shí)間一水泥與水產(chǎn)生的水化作用，從水泥顆粒的表層往內(nèi)部慢慢深入，混凝土逐漸成熟，這一過程將持續(xù)數(shù)十年。在此期間，混凝土周圍的環(huán)境條件既影響水泥水化作用的速度，又與混凝土材料發(fā)生多種物理的和化學(xué)的作用，對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。隨著混凝土齡期的增長，水泥凝膠體的粘結(jié)強(qiáng)度不斷

11、增強(qiáng)，流動性不斷減弱，從而提高了混凝土的強(qiáng)度和彈性模量。另一方面，混凝士在應(yīng)力的長期作用下，由于水泥凝膠體發(fā)生持續(xù)的粘性流動和內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，其變形將隨時(shí)間而增大（即所謂的徐變），長期強(qiáng)度將有所降低。環(huán)境條件一溫度變化使混凝土內(nèi)部形成不均勻溫度場，因而影響水泥的水化速度，產(chǎn)生溫度變形和內(nèi)應(yīng)力，甚至出現(xiàn)裂縫。環(huán)境的濕度影響混凝土內(nèi)水分的散發(fā)速度和數(shù)量、含水量分布、收縮變形和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，以及微裂縫的出現(xiàn)。這些都將使混凝土的強(qiáng)度和變形發(fā)生相應(yīng)的變化。環(huán)境介質(zhì)中的CO2氣體使混凝土表層碳化，碳化層隨時(shí)間逐漸加厚，介質(zhì)中的Cl離子對混凝土有腐蝕作用這些不利因素都使混凝士的強(qiáng)度和耐久性有所降低。前面介紹的混凝土材料的特點(diǎn)，決定了其力學(xué)性能的復(fù)雜、多變和離散，再加上混凝土原材料的性質(zhì)和配合比的差別，更造成了從微觀的定量理論分析來研究混凝土力學(xué)性能的困難。從結(jié)構(gòu)工程的觀點(diǎn)，通常取尺度為70mm£34倍粗骨料粒徑的混凝土材料作為單元，