材料力學性能 普通混凝土的力學性能

材料力學性能

裴立宅材料科學與工程學院Email:lzpei1977@163.com,lzpei@

3/15/20241安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院普通混凝土的力學性能3/15/20242安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院自從1824年發(fā)明水泥之后，1830年左右就出現(xiàn)了混凝土，隨后又出現(xiàn)了鋼筋混凝土。20世紀30年代又制出來了預應力鋼筋混凝土；20世紀70年代，混凝土外加劑的出現(xiàn)，特別是減水劑的應用，使混凝土非常容易地達到60MPa以上，同時外加劑可以改進混凝土的其它性能，所以被認為混凝土發(fā)展史的第三次革命。3/15/20243安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院普通混凝土的優(yōu)點：(1)生產(chǎn)混凝土的原材料來源豐富，價格低廉。(2)混凝土拌和物具有良好的可塑性，可按工程結(jié)構(gòu)的要求澆筑成各種形狀和任意尺寸的混凝土結(jié)構(gòu)物。(3)配制靈活、適應性好。(4)抗壓強度高。(5)與鋼筋之間有著非常好的粘接力，且混凝土的線膨脹系數(shù)與鋼筋基本相同，能保證共同工作，擴展了混凝土的應用范圍。(6)耐久性好。(7)耐火性好?；炷恋哪突鹦阅苓h比木材、塑料的要好，可耐數(shù)小時的高溫仍保持其力學性能，有利于火災時撲救。(8)生產(chǎn)能耗低。3/15/20244安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院混凝土的不足之處：(1)自重大、比強度??；(2)抗拉強度低；(3)導熱系數(shù)大，保溫隔熱性能差；(4)硬化慢、生產(chǎn)周期長。3/15/20245安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(1)采用輕集料可降低混凝土的自重和改進保溫隔熱性能；(2)摻入聚合物和纖維，可大大降低混凝土的脆性；(3)摻入早強劑可提高混凝土的早期強度，縮短施工周期。本章在介紹普通混凝土結(jié)構(gòu)特點的基礎上，討論了普通混凝土的強度特性及其影響普通混凝土強度的主要因素和提高混凝土強度的措施論述了普通混凝土在外力和環(huán)境等因素作用下的變形特性。3/15/20246安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第一節(jié)普通混凝土的結(jié)構(gòu)混凝土的定義：指由水泥、砂、石加水拌和，經(jīng)水泥水化硬化而成的一種人造石材，主要作為承受載荷的結(jié)構(gòu)材料使用。砂、石起骨架作用，稱為骨料；水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充其空隙；3/15/20247安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院硬化混凝土是由粗、細集料和硬化水泥漿組成的，而硬化水泥漿由水泥水化物、未水化的水泥顆粒、自由水、氣孔等組成，并且在集料表面及集料與硬化水泥漿體之間也存在孔隙及裂縫等。通過顯微鏡可觀察到在混凝土內(nèi)，從粗骨料表面至硬化水泥漿體有一厚度約為20到100微米的區(qū)域范圍，通常稱為過渡層。在這一區(qū)域?qū)觾?nèi)，材料的化學成分、結(jié)構(gòu)狀態(tài)與區(qū)外漿體有所不同，在過渡層內(nèi)富集有氫氧化鈣晶體，水灰比高、孔隙率大。因此，過渡層結(jié)構(gòu)比較疏松、密度小、強度低，從而在粗集料表面和硬化水泥漿之間形成一弱接觸層，對混凝土強度和抗?jié)B性都很不利。3/15/20248安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第二節(jié)普通混凝土的強度一般來講，混凝土的強度越高，剛性、不透水性、抵抗風化和某些侵蝕介質(zhì)的能力越高。另一方面，混凝土的強度越高，往往干縮也越大，同時較脆、易裂；因此，通常用混凝土的強度來評定和控制混凝土的質(zhì)量以及作為評價各種因素（如原料、配合比、制造方法和養(yǎng)護條件等）影響程度的指標。3/15/20249安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院一、混凝土立方體抗壓強度按照國標《普通混凝土力學性能試驗方法》（GBJ81-85），制作邊長為150mm的立方體試樣，在標準條件（20±3℃、相對濕度90%以上）下，養(yǎng)護到28d齡期，測得的抗壓強度值為混凝土立方體試件抗壓強度（簡稱立方抗壓強度），以fcu表示。測定混凝土立方體試件抗壓強度時，也可根據(jù)粗集料的最大粒徑而選用不同的試件尺寸，但試件邊長不得小于骨料最大直徑的3倍。在計算抗壓強度時，應乘以換算系數(shù)，以得到相當于標準試樣的試驗結(jié)果。對于邊長為100mm和200mm的立方體試件，換算系數(shù)分別為0.95和1.05。3/15/202410安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、混凝土立方體抗壓標準強度與強度等級混凝土立方體抗壓標準強度，或稱立方體抗壓強度標準值，是指按標準方法制作和養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件，在28d齡期，用標準試驗方法測得的強度總體分布中具有不低于95%保證率的抗壓強度值，以fcu,k表示?；炷恋膹姸鹊燃壱苑朇表示（以MPa計）：12等級：C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C603/15/202411安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據(jù)建筑物的不同部位和承受載荷的不同，采用不同強度等級的混凝土，一般為：C7.5-C15：用于墊層、基礎、地坪及受力不大的結(jié)構(gòu)；C15-C25：用于普通混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱、樓梯和屋架等；C25-C30：用于大跨度結(jié)構(gòu)、耐久性要求較高的結(jié)構(gòu)、預制構(gòu)件等；C30以上：用于預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、吊車梁及特種結(jié)構(gòu)等。3/15/202412安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院三、混凝土的軸心抗壓強度混凝土的軸心抗壓強度又稱棱柱體抗壓強度。確定混凝土強度等級是采用立方體試件，但實際工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式極少是立方體的，大部分是棱柱體（正方形截面）或圓柱體。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，在結(jié)構(gòu)計算中，計算軸心受壓構(gòu)件（如柱子）時，都是采用混凝土的軸心抗壓強度fcp為依據(jù)。3/15/202413安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法》（GBJ81-85）規(guī)定，測軸心抗壓強度采用150mm×150mm×300mm棱柱體作為標準試樣。棱柱體試樣的制作條件與立方體試樣相同，但測得的軸心抗壓強度fcp比同截面的立方體強度值fcu小，棱柱體試樣高寬比越大，軸心抗壓強度越小，但當高寬比達到一定值后，強度就不再降低。這是由于試樣壓板與試樣表面之間的摩擦阻力對棱柱體試樣中部的影響已消失，形成了純壓狀態(tài)，所以測試值較穩(wěn)定。3/15/202414安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院四、混凝土的抗拉強度混凝土的抗拉強度是抗壓強度的1/10-1/20，隨著強度等級的提高，抗拉強度越低。因此，混凝土在直接受拉時，很小的變形就會產(chǎn)生開裂，破壞時沒有明顯的殘余變形，是一種脆性破壞。3/15/202415安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院混凝土的抗拉強度采用劈裂法，結(jié)果簡稱劈拉強度。標準規(guī)定，我國混凝土劈裂抗拉強度采用邊長150mm的立方體試件作為標準試件。測試原理：在試件的兩個相對的表面中部劃定的劈裂面位置線處，作用著均勻分布的壓力，這樣就能夠在此外力作用的豎向平面內(nèi)產(chǎn)生均布拉伸應力，見右圖，這個拉伸應力可以根據(jù)彈性理論計算得出。3/15/202416安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法》（GBJ81-85）規(guī)定，測定混凝土的抗折強度應采用150mm×150mm×600mm（550mm）小梁作為標準試件，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d后，按三點加載方式測得抗折強度：采用的非標準試件時，所得抗折強度值應乘以尺寸換算系數(shù)0.85。五、混凝土的抗折強度3/15/202417安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第三節(jié)影響普通混凝土強度的因素普通混凝土的受力破壞出現(xiàn)在集料和水泥石的分界面上，因為這些部位往往存在許多孔隙、水隙和潛在的微裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，是混凝土最薄弱的環(huán)節(jié)，這是常見的粘接面的破壞。普通混凝土中，集料最先破壞的可能性小，這是由于集料強度經(jīng)常大大超過水泥石和粘接面的強度，所以混凝土的強度主要取決于水泥石和粘接面的強度。而水泥石和粘接面的強度與水泥強度等級、水灰比及集料的性質(zhì)有密切關(guān)系。混凝土強度還與施工方法、養(yǎng)護條件、養(yǎng)護齡期等有關(guān)。3/15/202418安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院一、水泥強度等級和水灰比水泥強度等級相同的情況下，水灰比越大，多余水分越多，混凝土強度也就越低，反之，強度越高。如果加水太少，水灰比太小，拌和物過于干硬，在一定施工條件下，無法保證混凝土被充分振搗密實，混凝土中將出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，反而導致混凝土強度嚴重下降。3/15/202419安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院實際工程中，以上線性關(guān)系很適用，結(jié)合考慮水泥強度并應用數(shù)理統(tǒng)計的方法，可建立混凝土強度與灰水比之間的關(guān)系式，即混凝土強度經(jīng)驗公式，又稱鮑羅米公式：3/15/202420安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院混凝土強度公式具有以下兩方面的作用：（1）當已知所用水泥強度等級和水灰比時，用此公式可估算混凝土28d可能達到的抗壓強度值；（2）當已知所用水泥強度等級及要求的混凝土強度時，用此公式可估算應采用的水灰比值。這一經(jīng)驗公式，一般只適用于流動性混凝土和低流動性混凝土，即灰水比C/W=1.2~2.5間的混凝土，對于干硬性混凝土不適用。3/15/202421安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、粗集料與漿集比混凝土試樣在單向壓力載荷作用下，當載荷達到極大載荷的50%-70%時，在內(nèi)部出現(xiàn)垂直裂縫，裂縫形成的應力大多取決于粗集料的性質(zhì)。光滑的卵石制成的混凝土的開裂應力較粗糙有棱角的碎石混凝土的要低，這可能是由于表面性質(zhì)對機械結(jié)合影響的緣故，粗集料的形狀對機械結(jié)合有一定的影響。骨料品種對混凝土強度的影響，與水灰比W/C有關(guān)。當W/C<0.4，用碎石制成的混凝土的強度較卵石的要高，兩者的差值高達30%。而當W/C=0.65時，用碎石和卵石制成的混凝土的強度基本上沒有差異。3/15/202422安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院混凝土中水泥漿的體積與集料體積之比（漿集比），對混凝土的強度有一定影響。水灰比相同時，增加漿集比，可以獲得更大地流動性，從而使混凝土更易于成型密實，所以適量增加漿集比可以提高混凝土的強度。但是漿集比過大，則水泥硬化過程中產(chǎn)生的收縮，會形成微裂紋，反而會降低水泥混凝土的強度。3/15/202423安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院三、養(yǎng)護溫度與濕度3/15/202424安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院3/15/202425安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院四、齡期的影響試驗表明：由中等強度等級的普通水泥配制的混凝土，在標準養(yǎng)護條件下，混凝土強度的發(fā)展大致與齡期的對數(shù)成正比關(guān)系（齡期不小于3天）：3/15/202426安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院五、提高混凝土強度和促進強度發(fā)展的主要措施（一）采用高強度等級水泥或早強型水泥（二）減小水灰比減小水灰比是提高混凝土強度最有效的途徑。在低水灰比的干硬性混凝土拌和物中游離水少，硬化后在混凝土中留下的孔隙少，混凝土密實度高，所以強度可顯著提高。（三）摻加混凝土外加劑和摻合劑混凝土中摻入早強劑，可顯著提高其早期強度，當摻入減水劑，由于可大幅度減少拌和用水量，混凝土可獲得高強度。（四）采用機械攪拌和振搗工程中采用干硬性混凝土或低流動性混凝土時，必須同時采用機械攪拌和機械振搗混凝土，只有這樣才能使混凝土拌和物攪拌均勻并在振動作用下充分密實成型，內(nèi)部孔隙大大減小，從而使混凝土的密實度和強度大大提高。3/15/202427安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（五）采用濕熱處理養(yǎng)護混凝土濕熱養(yǎng)護：就是通過提高混凝土養(yǎng)護溫度和濕度，以加快水泥的硬化，提高早期強度。（1）蒸汽養(yǎng)護將澆筑好的混凝土構(gòu)件經(jīng)一定時間預養(yǎng)后，置于100℃的常壓飽和蒸氣壓中進行養(yǎng)護，以加速水泥水化，促進混凝土強度的快速增長。（2）蒸壓養(yǎng)護將澆筑好的混凝土構(gòu)件經(jīng)一定時間預養(yǎng)后，放入蒸壓釜內(nèi)，通入高壓、高溫飽和蒸氣對混凝土進行養(yǎng)護。3/15/202428安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院一、普通混凝土材料的理論強度與實際強度根據(jù)格雷菲斯（Griffith）理論，固體材料的理論抗拉強度可近似的用下式計算：第四節(jié)普通混凝土的脆性斷裂3/15/202429安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院混凝土受力時，混凝土的裂縫擴展過程可用下列的一些方法來檢驗：（1）混凝土應力-應變曲線斜率的減小；（2）泊松比的增大；（3）通過聲波在試塊中的傳播速度降低；（4）試塊受力后對其截面直接SEM或用光學顯微鏡觀察。二、混凝土的裂縫擴展過程3/15/202430安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院以混凝土單軸受壓為例，繪出的靜力受載時的荷載-變形曲線如下：3/15/202431安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第五節(jié)普通混凝土的變形變形分類：（1）非荷載型變形：由混凝土內(nèi)部及外部環(huán)境因素引起的各種物理化學變化發(fā)生的變形；（2）荷載型變形：混凝土構(gòu)件在受力過程中，根據(jù)自身特定的本構(gòu)關(guān)系產(chǎn)生的變形。3/15/202432安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（一）化學收縮混凝土在硬化過程中，由于水泥水化生成物的體積，比反應前物質(zhì)的總體積（包括水的體積）小，而使混凝土產(chǎn)生的體積收縮。（二）塑性收縮混凝土拌合物在剛成型后，固體顆粒下沉，混凝土表面產(chǎn)生泌水現(xiàn)象。當混凝土表面水分蒸發(fā)的速度大于泌水速度時，由于表面張力的作用，混凝土表面產(chǎn)生收縮，稱為塑性收縮。一、物理化學因素引起的變形3/15/202433安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（三）碳化收縮空氣中的二氧化碳會與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應，而引起混凝土體積的減小。（四）干濕變形混凝土在干燥過程中，首先發(fā)生氣孔水和毛細水的蒸發(fā)。氣孔水的蒸發(fā)并不引起混凝土的收縮，毛細孔水的蒸發(fā)，使毛細孔中形成負壓，隨著空氣濕度的降低負壓逐漸增大，產(chǎn)生收縮力，導致混凝土收縮。當毛細孔中的水蒸發(fā)完后，如果繼續(xù)干燥，則凝膠體顆粒的吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)，由于分子引力的作用，粒子間距離變小，使凝膠體緊縮。3/15/202434安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院3/15/202435安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（1）水泥用量、細度及品種的影響干縮主要由水泥石的干縮引起，而骨料對干縮有制約作用，所以水灰比不變時，水泥漿料越多，干縮率就越大。采用高強度等級水泥，水泥顆粒較細，干縮率也較大。（2）水灰比的影響水泥用量不變，干縮率隨著水灰比的增大而增加。（3）集料質(zhì)量的影響砂石形成骨架，對收縮有一定的限制作用，所以混凝土的收縮率小于水泥砂漿的收縮率，水泥砂漿的收縮率小于水泥凈漿的收縮率。（4）施工質(zhì)量的影響澆筑成型密實、并延長濕養(yǎng)護時間，可推遲干縮變形的發(fā)生和發(fā)展，但對混凝土的最終干縮率沒有顯著影響。影響混凝土干縮的因素：3/15/202436安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（五）溫度變形混凝土的熱膨脹系數(shù)大約為（0.6~1.3）×10-5mm/(mm·℃)，一般取1.0×10-5mm/(mm·℃)，即每升高1℃，每米膨脹0.01mm。溫度變形對大體積混凝土不利，易出現(xiàn)溫度裂縫。大體積混凝土在硬化初期，水泥水化放出熱量，但混凝土為熱的不良導體，散熱慢，所以內(nèi)部溫度比外部溫度高，可達50-70℃

，所以內(nèi)部產(chǎn)生體積膨脹，外部產(chǎn)生體積收縮，則在表面產(chǎn)生拉應力，導致混凝土產(chǎn)生裂縫。因此，對于大體積混凝土工程，應盡量減少混凝土發(fā)熱量，如采用低熱水泥、減少水泥用量、采用人工降溫措施。一般縱長的混凝土結(jié)構(gòu)，一般采取每隔一段距離設置一道伸縮縫，以及在結(jié)構(gòu)中設置溫度鋼筋等措施。3/15/202437安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、在短荷載作用下的變形（一）混凝土的彈塑性變形混凝土由砂石集料、水泥石、游離水分和氣泡組成，決定了混凝土本身不均勻，受力時既能產(chǎn)生能恢復的彈性變形，也有可恢復的塑性變形，是一種彈塑性體。3/15/202438安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院3/15/202439安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）混凝土的變形模量應力-應變曲線上任一點的應力與應變的比值，稱為混凝土在該應力下的變形模量。3/15/202440安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據(jù)中國GBJ81-85的規(guī)定，混凝土變形模