第二章混凝土材料

材料的物理力學性能鋼筋混凝土兩者間的粘結(jié)強度變形粘結(jié)破壞的過程和機理鋼筋的形式和品種熱軋鋼筋、熱處理鋼筋、冷加工鋼筋、鋼絲或鋼絞線HPB300（HotRolledPlainSteelBar）熱軋光面鋼筋

HRB335

（HotRolledRibbedSteelBar）熱軋帶肋鋼筋

20MnSiHRB400

（HotRolledRibbedSteelBar）熱軋帶肋鋼筋

20MnSiV,20MnSiNb,20MnTiRRB400

（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar）

余熱處理鋼筋

常用熱軋鋼筋的分類主要成分為鐵元素，還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷等元素，力學性能主要與碳的含量有關(guān)：含碳量越高，則鋼筋的強度越高，質(zhì)地硬，但塑性變差。若含碳量低于0.25％，則稱為低碳鋼，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中多應(yīng)用的是低碳鋼。20MnSi前面的20指的是平均含碳量的萬分數(shù)，其他化學元素的含量在1.5％以下。

塑性是一種在某種給定載荷下,材料產(chǎn)生永久變形的材料特性,對大多的工程材料來說,當其應(yīng)力低于比例極限時,應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是線性的另外,大多數(shù)材料在其應(yīng)力低于屈服點時表現(xiàn)為彈性行為也就是說當移走載荷時其應(yīng)變也完全消失。

熱軋鋼筋的成分HPB235：質(zhì)量穩(wěn)定，塑性好易成型，但屈服強度較低，不宜用于結(jié)構(gòu)中的受力鋼筋；HRB335：帶肋鋼筋，有利于與混凝土之間的粘結(jié)，強度和塑性均較好，是目前受限使用的鋼筋品種之一；HRB400：帶肋鋼筋，有利于與混凝土之間的粘結(jié)，強度和塑性均較好，是目前主要應(yīng)用的鋼筋品種之一；RRB400：是HRB335鋼筋熱軋后快速冷卻，利用鋼筋內(nèi)溫度自行回火而成，淬火鋼筋強度提高，但塑性降低，余熱處理后塑性有所改善。熱軋鋼筋的性能特點預(yù)應(yīng)力鋼絲

分為中強度預(yù)應(yīng)力鋼絲和消除應(yīng)力鋼絲，按外形有光面鋼絲、螺旋肋鋼絲（圖2.2b）和刻痕鋼絲（圖2.2a）等三種，直徑為5.0、7.0或9.0mm，材質(zhì)為高碳鋼。由于刻痕鋼絲的錨固性能差，現(xiàn)已淘汰。鋼絞線（圖2.2c）分三股（1×3）和七股（1×7）兩種，是用三根或七根鋼絲捻制而成（類似于擰麻繩），其外接圓直徑為8.6～12.9mm（三股）和9.5～21.6mm（七股）不等。由于鋼絞線運輸和使用都較為方便，因而現(xiàn)已成為預(yù)應(yīng)力鋼筋的主要型式，在中、大跨度結(jié)構(gòu)中它正逐步取代鋼絲束。在實際應(yīng)用中，一般采用由若干根鋼絞線組成的鋼絞線束。預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋（也稱精軋螺紋鋼筋，圖2.3）具有高強度、高精度、施工便捷等特性，其鋼筋外形為螺紋狀無縱肋且鋼筋兩側(cè)螺紋在同一螺旋線上，其任意截面處均可用帶有匹配形狀內(nèi)螺紋的連接器或錨具進行連接或錨固，能夠避免鋼筋在焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及組織不穩(wěn)定等引起的斷裂現(xiàn)象，在大中型工程中應(yīng)用廣泛。精軋螺紋鋼筋的公稱直徑范圍為18mm~50mm，以25mm和32mm的為主。

dv——基圓直徑；

h——螺紋高；b——螺紋底寬；L——螺距；r——螺紋根??；α——導角圖2.3精軋螺紋鋼筋的外形短期荷載下鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯屈服點的鋼筋無明顯屈服點的鋼筋有明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系—比例極限—彈性極限—屈服上限—屈服下限—極限強度cd段為屈服臺階df段為強化段2.1.2短期荷載下鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線在單調(diào)受拉狀態(tài)下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可分為以下幾個階段：彈性階段：應(yīng)力與應(yīng)變按比例增長，應(yīng)變?yōu)閺椥?。比例極限屈服階段：應(yīng)變大幅度增長而應(yīng)力幾乎不變。屈服強度強化階段：應(yīng)力重新增長。極限抗拉強度破壞階段：頸縮現(xiàn)象鋼筋的雙線性理想彈塑性本構(gòu)模型無明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系條件屈服點為殘余變形為0.2％時對應(yīng)的應(yīng)力無明顯物理流限的鋼筋對于含碳量較高的鋼絲，由于其強度高而塑性低。受拉時無屈服階段。應(yīng)變隨應(yīng)力增加而增加，到極限強度后出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象斷裂不同鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的比較鋼筋的冷拉性能冷拉、冷拔和冷軋反映鋼筋力學性能的基本指標：屈服強度、延伸率和強屈比鋼筋在拉斷時的應(yīng)變稱為伸長率，定義為：為試件的標距，通常取為5d或10d為試件拉斷拼合后標距部分的長度在最大力下的總伸長率δgt，用算式分別表示如下：式中：l0——受力前拉伸試件上的標距；

lu——試件拉斷拼合后標距部分的長度；

lm——受力最大時拉伸試件上標距部分的長度。鋼筋斷后伸長率主要反映了斷口頸縮區(qū)域殘余變形的大小，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；同時，不同標距長度得到的結(jié)果也不一致，還容易產(chǎn)生人為誤差。相比斷后伸長率，最大力下的總伸長率不受斷口-頸縮區(qū)局部變形的影響，反映了鋼筋拉斷前達到最大力（極限強度）時的均勻變形，故又稱均勻伸長率。伸長率越大，表明鋼筋的塑性性能越好，具有適應(yīng)較大變形的能力。冷彎性能是反映鋼筋變形能力的另一個指標用于檢驗鋼筋韌性和內(nèi)部質(zhì)量鋼筋的冷彎性能是檢驗鋼筋韌性和內(nèi)部質(zhì)量的有效方法，一般采用彎曲試驗和反向彎曲試驗。彎曲試驗要求把鋼筋圍繞具有某個規(guī)定直徑D的輥軸（常稱彎心）進行彎轉(zhuǎn)（圖2.13），在達到規(guī)定的冷彎角度α時，鋼筋不能發(fā)生裂紋或斷裂；反向彎曲試驗要求先把鋼筋圍繞具有某個規(guī)定直徑的輥軸進行正向彎轉(zhuǎn)到規(guī)定角度再反向彎轉(zhuǎn)到另一規(guī)定的角度時，鋼筋不能發(fā)生裂紋或斷裂。為了保證結(jié)構(gòu)在抵抗地震作用時具有足夠的延性，用于抗震結(jié)構(gòu)中鋼筋的變形性能是至關(guān)重要的。對用于重要抗震結(jié)構(gòu)中的鋼筋應(yīng)具有更高的性能要求。國家有關(guān)標準提出了“抗震鋼筋”，其標識為在原代碼后加“E”，如HRB400E。抗震鋼筋與普通鋼筋的區(qū)別主要體現(xiàn)在：抗震鋼筋的實測抗拉強度與實測屈服強度之比不小于1.25；鋼筋的實測屈服強度與屈服強度特征值（即標準值）之比不大于1.30；鋼筋的最大力下的總伸長率不小于9%?；炷两Y(jié)構(gòu)對鋼筋的要求強度－屈服強度和極限強度塑性－延伸率和冷彎性能具有較好的可焊性有較好的粘結(jié)力－帶肋鋼筋2.2混凝土的物理力學性能混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例組成，經(jīng)凝結(jié)和硬化形成的，屬于復(fù)合材料?；炷潦怯伤嘟Y(jié)晶體、水泥凝膠體和內(nèi)部微裂縫組成的2.2.1簡單受力狀態(tài)下砼的強度混凝土立方抗壓強度混凝土軸心抗壓強度混凝土抗拉強度抗壓強度復(fù)雜受力狀態(tài)下砼的強度抗壓強度立方體抗壓強度：衡量砼強度大小的基本指標。是評價砼強度等級的標準。

套箍作用：試件的橫向變形受到約束，延緩了裂縫的開展，提高試件的抗壓極限強度。軸心抗壓強度：衡量砼受壓構(gòu)件強度大小的最基本指標?；炷翉姸鹊燃壔炷两Y(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標?；炷恋膹姸鹊燃壥怯每箟簭姸葋韯澐值?。混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下（20±3℃，≥90%濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

《規(guī)范》根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。與原《規(guī)范GBJ10-89》相比，混凝土強度等級范圍由C60提高到C80，C50以上為高強混凝土。立方體抗壓強度的試驗尺寸效應(yīng)及摩擦力的影響美國、日本、加拿大等國家，采用圓柱體（直徑150mm，高300mm）標準試件測定的抗壓強度來劃分強度等級，符號記為fc'。圓柱體強度與我國標準立方體抗壓強度的換算關(guān)系為立方體抗壓強度的換算關(guān)系立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標準（制作、測試方便）100mm立方體強度與標準立方體強度之間的換算關(guān)系小于C50的混凝土，修正系數(shù)m=0.95。隨混凝土強度的提高，修正系數(shù)m值有所降低。當fcu100=100N/mm2時，換算系數(shù)m約為0.9軸心抗壓強度軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=3~4，我國通常取150mm×150mm×450mm的棱柱體試件，也常用100×100×300試件。棱柱體抗壓強度的試驗方法立方抗壓與軸心抗壓強度的關(guān)系《規(guī)范》對小于C50級的混凝土取k=0.76，對C80取k=0.82，其間按線性插值。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。軸心抗拉強度也是混凝土的基本力學性能，用符號

ft表示?；炷翗?gòu)件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關(guān)。拉壓壓劈拉試驗aPP由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度。軸心抗拉與立方抗壓強度的關(guān)系混凝土強度標準值《規(guī)范》規(guī)定材料強度的標準值fk

應(yīng)具有不小于95%的保證率立方體強度標準值即為混凝土強度等級fcu。《規(guī)范》在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值時，假定它們的變異系數(shù)與立方體強度的變異系數(shù)相同，利用與立方體強度平均值的換算關(guān)系，便可按上式計算得到。同時，《規(guī)范》考慮到試件與實際結(jié)構(gòu)的差異以及高強混凝土的脆性特征，對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度，還采用了以下兩個折減系數(shù)：⑴結(jié)構(gòu)中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，取0.88；⑵脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化[例]fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645d)×0.88×1.0=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa混凝土的變形單軸（單調(diào)）受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainRelationship

混凝土單軸受力時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反映了混凝土受力全過程的重要力學特征，是分析混凝土構(gòu)件應(yīng)力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進行非線性分析的基礎(chǔ)。

混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，常采用棱柱體試件來測定。

在普通試驗機上采用等應(yīng)力速度加載，達到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應(yīng)變能大于試件所能吸收的應(yīng)變能，會導致試件產(chǎn)生突然脆性破壞，只能測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段。

采用等應(yīng)變速度加載，或在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內(nèi)集聚的應(yīng)變能，可以測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段?；炷恋钠茐臋C理A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點應(yīng)力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc

，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc

到達B點以后，混凝土產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)力－應(yīng)變逐漸偏離直線。B點時的裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強度；普通強度混凝土sB約為0.8fc

，高強混凝土sB可達0.95fc

到達C點時，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始減小而進入下降段。C點時的應(yīng)力稱為峰值應(yīng)力，即為混凝土棱柱體抗壓強度；相應(yīng)的縱向壓應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變，約為0.002。繼續(xù)發(fā)展至D點時，破壞面初步形成。E點以后，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用下形成破壞帶。此時試件的強度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應(yīng)變進一步發(fā)展，摩阻力不斷下降，試件的殘余強度約為0.1~0.4fc不同強度混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的比較強度等級越高，線彈性段越長，峰值應(yīng)變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。箍筋約束混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

ConfinementwithTransverseReinforcement螺旋箍筋(a)螺旋箍筋壓應(yīng)變箍筋d=4.76mm，s=38.1mm，箍筋d=4.76mms=63.5mm無箍筋矩形箍筋螺旋箍筋約束對強度和變形能力均有很大提高矩形箍筋約束對強度的提高不是很顯著，但對變形能力有顯著改善當應(yīng)力較小時，橫向變形很小，箍筋的約束作用不明顯；當應(yīng)力超過B點的應(yīng)力時，由于混凝土的橫向變形開始顯著增大，側(cè)向膨脹使螺旋箍筋產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，其反作用力使混凝土的橫向變形受到約束，從而使混凝土的強度和變形能力都得到提高。2.2.3荷載作用下砼的變形階段應(yīng)力應(yīng)變裂縫

OA0.3fc0彈性無

AB0.3fc0~0.8fc0彈塑性穩(wěn)定的微裂縫上升段BC0.8~1.0fc0塑性微裂縫開始發(fā)展

C1.0fc0

內(nèi)部通縫

C后下降增長迅速表面通縫下降段砼應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的特點砼是一種彈塑性材料，只有當壓應(yīng)力很小時，才可視為彈性材料曲線有上升段和下降段，說明在破壞過程中，承載力有一個從增加到減少的過程。砼最大應(yīng)變對應(yīng)的不是最大應(yīng)力、最大應(yīng)力對應(yīng)的不是最大應(yīng)變。（2）軸心受拉時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：形狀與受壓時相似。2砼在重復(fù)加載下的變形概念：彈性后效：卸載后，停留一段時間，試件的變形又恢復(fù)了一部分，這部分恢復(fù)變形叫做彈性后效殘余變形：卸載后試件不能恢復(fù)的變形稱為殘余變形疲勞破壞：砼在重復(fù)荷載作用下的破壞疲勞極限強度：在重復(fù)荷載作用下，使砼的應(yīng)力應(yīng)變圖形由保持直線而變?yōu)橥瓜驊?yīng)變軸方向的界限應(yīng)力值2.2.4彈性模量彈性模量Ec

、切線模量、割切模量：反映了砼受力后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系．反映了混凝土材料抵抗彈性變形的能力彈性模量：適用于應(yīng)力較小的彈性階段，也稱初始彈性模量、原點模量測定：10次加載循環(huán)后的應(yīng)力差與相應(yīng)的應(yīng)變差之比切線模量：某一具體點處的切線斜率割切模量：某點總應(yīng)力與總應(yīng)變之比2.2.5砼的徐變與收縮徐變：砼在長期作用下產(chǎn)生隨時間而增長的變形．它有利于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布．但會使結(jié)構(gòu)的變形增大，引起預(yù)應(yīng)力損失．（1）發(fā)展：應(yīng)力較小時：線性徐變6個月時完成70%—80%的徐變一年以后趨于穩(wěn)定三年左右基本終止（2）產(chǎn)生徐變的原因：水泥凝膠體與骨料之間力的傳遞（3）影響因素：持續(xù)作用壓應(yīng)力的大小砼的組成成分與配合比養(yǎng)護時的濕度構(gòu)件的體表比受荷時砼的齡期2收縮收縮：砼在空氣中結(jié)硬時其體積會縮?。挪皇芰Γ┊a(chǎn)生原因：是由于水泥凝膠體本身的體積收縮和砼因失水產(chǎn)生的體積收縮所組成的發(fā)展：早期發(fā)展較快，以后逐漸緩慢，整個過程可持續(xù)兩年以上當砼收縮較大，構(gòu)件配筋較多時，會使砼構(gòu)件產(chǎn)生收縮裂縫2.3鋼筋與砼的粘結(jié)鋼筋與砼的粘結(jié)：鋼筋與其周圍砼之間的相互作用。包括粘結(jié)力與相對滑移．它是鋼筋與砼變形一致、共同受力的保證。作用：傳遞應(yīng)力、協(xié)調(diào)變形，阻止裂縫進一步發(fā)展包括：

膠著力：砼在結(jié)硬過程中，水泥膠體與鋼筋間會產(chǎn)生吸附膠著力。摩擦力：鋼筋與周圍砼有相對滑移趨勢時，其接觸面上出現(xiàn)摩擦力。機械咬全力：由于鋼筋表面粗糙不平產(chǎn)生的機械咬合作用。占主要部分。2.3.4保證鋼筋與砼之間粘結(jié)力的措施最小搭接長度和錨固長度鋼筋的最小間距和砼保護層厚度接頭范圍內(nèi)，箍筋間距加密受力的光面鋼筋要做彎鉤混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系TheTensionConstitutiveRelationshipofConcrete彈性系數(shù)約為0.5混凝土的彈性模量（ElasticModulus）彈性模量的測定方法復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的力學性能實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大受壓強度發(fā)生在兩個壓應(yīng)力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與單軸受壓曲線相似，但峰值應(yīng)變均超過單軸受壓時的峰值應(yīng)變。雙軸應(yīng)力狀態(tài)（BiaxialStressState）構(gòu)件受剪或受扭時常遇到剪應(yīng)力t和正應(yīng)力s共同作用下的復(fù)合受力情況。混凝土的抗剪強度：隨拉應(yīng)力增大而減小，隨壓應(yīng)力增大而增大當壓應(yīng)力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。三軸應(yīng)力狀態(tài)（TriaxialStressState）三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進行?；炷恋氖湛s和徐變

ShrinkageandCreep混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮，收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形?；炷猎陂L期不變荷載的作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。混凝土的收縮是隨時間而增長的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。通常，最終收縮應(yīng)變值約為(2~5)×10-4

，而混凝土開裂應(yīng)變?yōu)?0.5~2.7)×10-4，說明收縮會導致開裂?；炷潦湛s包括凝縮和干縮兩部分，凝縮是由于水泥結(jié)晶體比原材料的體積小；干縮是混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)引起的?；炷恋氖湛s受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、濕度、構(gòu)件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)、混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護條件等許多因素有關(guān)：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；骨料彈性模量高、級配好，收縮就小；干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大；小尺寸構(gòu)件收縮大，大尺寸構(gòu)件收縮??；高強混凝土收縮大。影響收縮的因素多且復(fù)雜，要精確計算尚有一定的困難。在實際工程中，要采取一定措施減小收縮應(yīng)力的不利影響?；炷潦湛s的影響因素當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預(yù)應(yīng)力