第二章 混凝土结构材料的物理力学性能

2.1 混凝土的物理力学性能

混凝土是由水，水泥及骨料按一定配合比组成的人造石材。水泥和水在凝结硬化过程中形成水泥胶块把骨料粘结在一起。混凝土内部有液体和孔隙，是一种不密实的混合体，主要靠由骨料和水泥胶块中的结晶体组成的弹性骨架来承受外力。弹性骨架使混凝土具有弹性变形的特点，同时水泥胶块中的凝胶体又使混凝土具有塑性变形的性质。通常把混凝土的结构分为三种类型：

1. 微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。

2. 亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。

3. 宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。

注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；

　　　2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。

混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。

混凝土的强度

1)单向受力状态下混凝土的强度

立方体抗压强度和强度等级

我国混凝土结构设计规范把混凝土立方体试件的抗压强度作为混凝土各种力学指标的基本代表值，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的依据。

标准试件（边长为150mm的立方体试件），在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28d，用标准试验方法（加载速0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值f_cuk作为混凝土强度等级，用符号C表示。我国规范中混凝土的强度等级有C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C50，C60，C70，C80.

水利水电工程用砼强度等级分为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60.共十个等级。

棱柱体抗压强度（又称为轴心抗压强度）f_ck

标准试件（150mm×l50mm× 300mm的棱柱体试件），在温度为20土3℃和相对湿度为90％以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。 　   

      考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：

k１－棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取　0.82，其间按线性插值。

k2－为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。

0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。

轴心抗拉强度

混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。

2）复杂应力下状态下的混凝土强度

实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。工程上经常遇到的都是一些双向或三向受力的复合应力状态。研究复合应力状态下的混凝土强度，对于进行混凝土结构的合理设计非常重要，但是这方面的研究在20世纪50年代后才开始，而且问题复杂，所以至今还没有建立起比较完善的强度理论。

双轴应力状态

混凝土双向应力小的强度曲线

从上图曲线，可以得出以下几点规律：

1. 双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 ~0.6之间，约(1.25~1.60 )fc。

2. 双向受拉时混凝土抗拉强度与单向受拉强度基本相同。
   

3. 在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。

构件在单轴向压应力及剪应力共同作用下，混凝土的破坏强度曲线也可用下图来表示。

混凝土的复合应力强度曲线

1. 混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 ，  随压应力增大而增大。

2. 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大。

3. 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。

三轴应力状态

三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。

试验得到的经验公式为:

混凝土的变形

混凝土的变形有两类，一类是由外荷载作用而产生的受力变形，其与加载的方式、荷载作用的持续时间有；另一类是由温度和干湿变化引起的体积变形。

1）混凝土的收缩

     混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。

    收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。

    当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。

影响因素

混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。

（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。

（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。

（3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。

（4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。

（5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。

（6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。

（7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。

2）混凝土的徐变 

混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。

     混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。

影响因素

内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。

环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。

3）混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）

疲劳强度

混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm×100mm×300mm 或着150mm×150mm×450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。

影响因素

施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。

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混凝土结构材料物理力学性能

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知识点： 混凝土的物理力学性能