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?！窦毦Я彳垘Ю咪摻钍俏覈苯鹦袠I(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?！裼眉毦Я彳垘Ю咪摻畲嫖覈壳按罅渴褂玫钠胀ǖ秃辖馃彳堜摻羁晒?jié)約國家寶貴的釩、鈦等合金元素資源，降低碳當量和鋼筋的價格，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“4”代表HRB400

帶肋鋼筋表面的標志

(a)普通熱軋鋼筋（HRB)(b)細晶粒熱軋鋼筋（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：（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：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）屈服強度標準值fyk（N/mm2）極限強度標準值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準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：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??；不同標距長度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。《規(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?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)護條件、齡期、測定方法等。

混凝土是由膠凝材料（水泥）、水和粗、細骨料按適當比例配合，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:按照標準方法的制作邊長為150ｍｍ的立方體試件，在標準養(yǎng)護條件（溫度20士2°Ｃ，相對濕度95％以上）下，養(yǎng)護至28ｄ齡期，按照標準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準值確定。立方體抗壓強度標準值是具有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。混凝土強度等級C60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準值。如C30表示混凝土的立方體抗壓強度標準值大于等于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)范標準規(guī)定，測定軸心抗壓強度采用150×150×300ｍｍ棱柱體作為標準試件。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?；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。混凝土的疲勞抗壓強度遠遠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?；炷翜囟染€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

當混凝土在水中硬化時，體積產(chǎn)生微小膨脹；當混凝土在干燥空氣中硬化時，體積將產(chǎn)生收縮?；炷恋氖湛s值比膨脹值大得多?；炷恋臐衩涀冃瘟亢苄。瑢Y(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；在養(yǎng)護期內(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翉姸鹊燃壴礁撸z結(jié)力也越高。

2、摩擦力：由