第2章鋼筋和混凝土材料的基本性能

第2章

鋼筋和混凝土材料的基本性能 2.1鋼筋的基本性能一、鋼筋的品種1、按化學(xué)成分不同分碳素鋼：主要成分為鐵合金鋼：在碳素鋼基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素建筑中常用低合金鋼鋼材化學(xué)成分不同影響鋼材的性能，如含碳影響可焊性和強度等。鋼材中的有害元素為硫、磷、氧，在冶煉過程中盡可能除去。熱軋鋼筋：在高溫狀態(tài)下軋制成型，鋼筋混凝土中常用鋼絞線：預(yù)應(yīng)力鋼絲：預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋：2、按加工工藝和力學(xué)性能分預(yù)應(yīng)力混凝土中的預(yù)應(yīng)力筋熱軋鋼筋

附表1，P343熱軋鋼筋按其強度由低到高分為：HPB300：光面鋼筋，碳素鋼HRB(F)335：變形鋼筋，低合金鋼HRB(F)400、RRB400：變形鋼筋，低合金鋼HRB(F)500：變形鋼筋，低合金鋼（隨強度增加，塑性逐漸下降）●長期以來，我國熱軋帶肋鋼筋的品種主要是添加釩、鈦等合金元素的普通低合金鋼，由于鋼筋用量巨大，近年來已造成釩、鈦等低合金資源資緊張，價格眀顯上漲，對熱軋鋼筋的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來不利影響?！窦?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋是我國冶金行業(yè)研究開發(fā)的新型熱軋鋼筋，這種鋼筋生產(chǎn)過程中不需要添加或只需添加很少的釩、鈦等合金元素，而是在熱軋過程中，通過控軋和控冷工藝軋制成的帶肋鋼筋，其金相組織主要是鐵素體加珠光體。細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的外形與普通低合金熱軋帶肋鋼筋相同，其強度和延性完全滿足混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求?！裼眉?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋代替我國目前大量使用的普通低合金熱軋鋼筋可節(jié)約國家寶貴的釩、鈦等合金元素資源，降低碳當(dāng)量和鋼筋的價格，社會效益和經(jīng)濟效益均十分顯著。附：鋼筋牌號的鑒別方法產(chǎn)品規(guī)格為φ18生產(chǎn)廠廠標(biāo)“4”代表HRB400

帶肋鋼筋表面的標(biāo)志

(a)普通熱軋鋼筋（HRB)(b)細(xì)晶粒熱軋鋼筋（HRBF）

(C)余熱處理鋼筋（RRB）

鋼筋品牌的判斷根據(jù)金相組織觀感的不同，判斷鋼筋的品牌

二、鋼筋的力學(xué)性能通過鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變曲線來研究lPPA（一）強度：應(yīng)力（二）變形：應(yīng)變比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)fyftedabcoa

－彈性階段b－屈服強度：作為設(shè)計時鋼筋強度取值的依據(jù)cd－強化階段d－極限強度：鋼筋破壞時的實際強度1、有明顯流幅的鋼筋：軟鋼

(熱軋鋼筋)de－頸縮階段

ac－屈服階段四個階段:二個強度指標(biāo)：（一）鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線（強度）0.2%0.2(N/mm2)o

工程上取條件屈服強度0.2

作為強度取值的依據(jù)。2、無明顯流幅的鋼筋：硬鋼

(鋼絲、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋)0.2的定義：取殘余應(yīng)變

=0.2%時的應(yīng)力?！兑?guī)范規(guī)定》：0.2=0.85bab強度指標(biāo)：b點的極限抗拉強度牌號HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435410抗拉強度設(shè)計值抗壓強度設(shè)計值牌號符號公稱直徑d（mm）屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值fyk（N/mm2）極限強度標(biāo)準(zhǔn)值fstk（N/mm2）HPB3006～22300420HRB335、HRBF3356～50335455HRB400、HRBF400RRB4006～50400540HRB500、HRBF5006～50500630普通鋼筋強度設(shè)計值普通鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值鋼筋的受壓彈性模量和受拉時相同。鋼筋的彈性模量見附表6。3、鋼筋的彈性模量應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值。（二）鋼筋的變形性能1、伸長率：2、冷彎性能：彎心直徑：越小，冷彎性能越好冷彎角度：越大，冷彎性能越好鋼筋塑性（變形）指標(biāo)：伸長率、冷彎性能

伸長率越大，塑性和變形能力越好

原來采用的是鋼筋斷后伸長率，《規(guī)范》采用最大力下的總伸長率?！皲摻顢嗪笊扉L率只能反映鋼筋斷口頸縮區(qū)域殘余變形的大?。徊煌瑯?biāo)距長度l0得到的結(jié)果不一致；忽略了鋼筋的彈性變形，不能反映鋼筋受力時的總體變形能力；容易產(chǎn)生人為誤差?！兑?guī)范》采用最大力下的總伸長率來評定鋼筋的塑性，見附表5。

鋼筋伸長率●最大力下的總伸長率（均勻伸長率）dgt普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋在最大力下的總伸長率限值鋼筋品種普通鋼筋預(yù)應(yīng)力筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500δgt（%）10.07.53.5（三）鋼筋的疲勞性能疲勞破壞：在重復(fù)、周期荷載作用下的破壞疲勞強度：附表7、附表8。鋼材的疲勞強度遠(yuǎn)低于抗拉強度設(shè)計值。

冷加工的方法：冷拉、冷拔等。冷加工的目的：改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高強度，節(jié)約鋼筋。冷加工對鋼材性能的影響：三、鋼筋的冷加工冷拉：可采用冷拉控制應(yīng)力和冷拉伸長率控制。

冷拉可提高鋼材的抗拉強度，但塑性降低。冷拔：可同時提高鋼材的抗拉和抗壓強度，塑性降低很多。o冷拉控制應(yīng)力(N/mm2)冷拉率殘余變形o'abcc'd'd冷拉無時效冷拉經(jīng)時效(a)(b)d1d2Pd2d1(b)冷拔(a)冷拉四、混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求1、適當(dāng)?shù)膹姸群蛷娗葟娗纫话悴恍∮?.2。2、足夠的塑性3、可焊性4、耐久性和耐火性5、與混凝土有良好的粘結(jié)2.2混凝土的基本性能

混凝土的強度受多種因素的影響，如組成材料、配合比、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)條件、齡期、測定方法等。

混凝土是由膠凝材料（水泥）、水和粗、細(xì)骨料按適當(dāng)比例配合，拌制成拌合物，經(jīng)一定時間硬化而成的人工石材。也可加入外加劑和摻合料。

混凝土的抗壓強度高，而抗拉強度很低，在工程中一般利用混凝土來承受壓力。力學(xué)特點定義強度影響因素本節(jié)主要講述混凝土的強度指標(biāo)和變形。1、立方體抗壓強度和強度等級（1）立方體抗壓強度:按照標(biāo)準(zhǔn)方法的制作邊長為150ｍｍ的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度20士2°Ｃ，相對濕度95％以上）下，養(yǎng)護(hù)至28ｄ齡期，按照標(biāo)準(zhǔn)的測定方法測定其抗壓強度值。一、混凝土的強度

不同的試件尺寸的強度換算:

邊長為100ｍｍ的立方體試件，換算系數(shù)為0.95；邊長為200ｍｍ的立方體試件，換算系數(shù)為1.05。由于尺寸效應(yīng)的影響：fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)

（2）強度等級

按立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值確定。立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值是具有95％保證率的立方體抗壓強度。

《規(guī)范》將混凝土共劃分為14個強度等級，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80?；炷翉姸鹊燃塁60以下的為普通混凝土，C60及C60以上的為高強混凝土。在混凝土的強度等級中，C表示混凝土，其后的數(shù)字表示混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。如C30表示混凝土的立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值大于等于30MPa。

《規(guī)范》對混凝土的強度等級的基本要求：

●

素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C15；

●鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C20；采用強度級別400MPa及以上的鋼筋時，混凝土強度等級不應(yīng)低于C25?！癯惺苤貜?fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強度等級不應(yīng)低于C30?！耦A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不宜低于C40，且不應(yīng)低于C30。2、軸心抗壓強度

為了使測得的混凝土強度接近于混凝土結(jié)構(gòu)的實際情況，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算中，計算軸心受壓構(gòu)件（例如柱子、桁架的腹桿等）時，都是采用混凝土的軸心抗壓強度作為依據(jù)。

我國現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測定軸心抗壓強度采用150×150×300ｍｍ棱柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件。3、軸心抗拉強度

混凝土的抗拉強度很低，一般只有抗壓強度的1/8~1/18.當(dāng)混凝土強度等級提高時，抗拉強度的增加不及抗壓強度提高得快。

在鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞階段，處于受拉狀態(tài)的混凝土一般早已開裂，故在構(gòu)件承載力計算中一般不考慮混凝土的抗拉強度，但抗拉強度對混凝土的抗裂性具有重要意義，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定混凝土抗裂度的重要指標(biāo)?；炷恋母鞣N強度值見附表9和附表10。1、混凝土在一次短期加載時的變形OA–––彈性階段A:0.3fcAB–––彈塑性階段:0.3fc～0.8fc

裂縫穩(wěn)定階段BC–––裂縫不穩(wěn)定階段:0.8fc～1.0fcCBDEfc00???Acu??特征點：fc-軸心抗壓強度0

-對應(yīng)于峰值點應(yīng)變，0

=0.002cu

-混凝土極限壓應(yīng)變，cu

=0.0033二、混凝土的變形性能00原點彈性模量：彈性模量混凝土彈性模量的數(shù)值見附表11。2、混凝土在重復(fù)荷載作用下的變形

如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應(yīng)力達(dá)到某個數(shù)值σ，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重復(fù)下去，就稱為多次重復(fù)荷載。

通常把能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生破壞的壓應(yīng)力稱為混凝土的疲勞抗壓強度，用符號表示?；炷恋钠诳箟簭姸冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸心抗壓強度設(shè)計值。3、混凝土在荷載長期作用下的變形——徐變

混凝土在不變的應(yīng)力長期持續(xù)作用下，變形會隨時間徐徐增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。徐變初期增長較快，以后逐漸變慢，一年內(nèi)可完成90%左右。

徐變對混凝土結(jié)構(gòu)的影響：

（1）產(chǎn)生應(yīng)力重分布，使混凝土應(yīng)力減小，鋼筋應(yīng)力增大；（2）會使構(gòu)件的變形增加，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力；（3）使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)壓應(yīng)力受到損失。

影響徐變的因素有：

（1）水灰比（2）水泥用量（3）骨料所占的比例及性能（4）養(yǎng)護(hù)條件（溫度、濕度）一般應(yīng)盡可能減小混凝土的徐變。

（1）溫度變形混凝土的熱脹冷縮變形稱為溫度變形。混凝土溫度線膨脹系數(shù)約為(1.0~1.5)×10-5,即溫度升高（或降低）1度,每米約膨脹（或收縮）0.01~0.015mm。對大體積混凝土工程，應(yīng)設(shè)法降低混凝土的發(fā)熱量，如使用低熱水泥、減少水泥用量、采用人工降溫以及對表層混凝土加強保溫措施等。對縱向較長的混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮混凝土溫度變形所產(chǎn)生的危害，每隔一段長度應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫。4、混凝土的溫度變形和收縮、膨脹

（2）干濕（收縮和膨脹）變形

當(dāng)混凝土在水中硬化時，體積產(chǎn)生微小膨脹；當(dāng)混凝土在干燥空氣中硬化時，體積將產(chǎn)生收縮。混凝土的收縮值比膨脹值大得多?；炷恋臐衩涀冃瘟亢苄?，對結(jié)構(gòu)一般無破壞作用。但干縮變形對混凝土危害較大，干縮可能使混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力而開裂，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。因此，應(yīng)采取措施減少混凝土的收縮。

減少混凝土的干縮變形：①加強養(yǎng)護(hù)；在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)使混凝土保持潮濕環(huán)境。②減小水灰比；水灰比大，會使混凝土收縮量大大增加。③減小水泥用量；水泥含量減少，骨料含量相對增加，骨料的體積穩(wěn)定性比水泥好，減少混凝土的收縮。④加強振搗?；炷翐v固的愈密實，內(nèi)部孔隙量愈少，收縮量愈小。2.3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)一、粘結(jié)力的組成1、化學(xué)膠結(jié)力：混凝土在結(jié)硬過程中，水泥膠體與鋼筋間產(chǎn)生吸附膠著作用?；炷翉姸鹊燃壴礁?，膠結(jié)力也越高。

2、摩擦力：由