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第 2 章混凝土结构材料的物理力学性能本章提要钢筋与混凝土的物理力学性能以及共同工作的特性直接影响混凝土结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。

本章讲述钢筋与混凝土的主要物理力学性能以及混凝土与钢筋的粘结。

2.1 混凝土的物理力学性能2.1.1 混凝土的组成结构普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材，是多相复合材料。

通常把混凝土的结构分为三种基本类型：微观结构即水泥石结构；亚微观结构即混凝土中的水泥砂浆结构；宏观结构即砂浆和粗骨料两组分体系。

微观结构（水泥石结构）由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学矿物成分、粉磨细度、水灰比和凝结硬化条件等。

混凝土的宏观结构与亚微观结构有许多共同点，可以把水泥砂浆看作基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的界面是结合的薄弱面。

骨料的分布以及骨料与基相之间在界面的结合强度也是重要的影响因素。

浇注混凝土时的泌水作用会引起沉缩，硬化过程中由于水泥浆水化造成的化学收缩和干缩受到骨料的限制，会在不同层次的界面引起结合破坏，形成随机分布的界面裂缝。

混凝土中的砂、石、水泥胶体组成了弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。

而水泥胶体中的凝胶、孔隙和界面初始微裂缝等，在外力作用下使混凝土产生塑性变形。

另一方面，混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷又往往是混凝土受力破坏的起源。

由于水泥胶体的硬化过程需要多年才能完成，所以混凝土的强度和变形也随时间逐渐增长。

2.1.2 单轴向应力状态下的混凝土强度混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系；骨料的性质、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响混凝土的强度；试件的大小和形状、试验方法和加载速率也影响混凝土强度的试验结果。

因此各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。

1.混凝土的抗压强度(1) 混凝土的立方体抗压强度和强度等级立方体试件的强度比较稳定，所以我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。

HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力 钢筋和箍筋。
HRB335级(Ⅱ级)和 HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢 筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋 作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的 变形钢筋。
RRB400级(Ⅳ级)钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中 的配筋，一般冷拉后作预应力筋。
残余应变为0.2%所对应的应力Байду номын сангаас
《规范》取s0.2 =0.85 fu
2.2.3 混凝土结构对钢筋性能的要求
1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈 服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵 向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。 2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。 3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头 性能良好。 4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力， 以保证两者共同工作。
当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉 应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的 抗压和抗拉强度。
侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为
式中
f
' cc
fc 4.1 fl
fcc ——被约束混凝土的轴心抗压强度；
fc ——非约束混凝土的轴心抗压强度；
fl ——侧向约束压应力。
混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试 验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件 产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。
采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受 压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下 降段。

螺旋箍筋圆柱体约束混凝土
在接近混凝土单轴抗压强度之前， 横向钢筋几乎不受力，混凝土基本不 受约束。 轴向压力大于单轴抗压强度时， 轴向强度和变形能力均提高，横向钢 筋越密，提高幅值越大。 螺旋筋能使核心混凝土在侧向受 到均匀连续的约束力，其效果较普通 箍筋好，因而强度和延性的提高更为 显著。

普通箍筋约束混凝土柱

bc段 ：当应力比约为（0.8～1.0）时，应变增长速度进一步加快， 应力-应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳 定发展阶段。当应力到达c点时，混凝土发挥出受压时的最大 承载能力，即轴心抗压强度（极限强度），相应的应变值称 为峰值应变。 cd 段：下降段，由滑移面上的摩擦咬合力和混凝土柱体的残余 强度提供
• • 摆脱端部摩擦力的影响 试件不致失稳

立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系

fck=0.88αc1αc2fcu,k
混凝土考虑脆性的折减系数 棱柱体强度与立方体强度的比值
结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数
2.1.1混凝土的强度
c 2 为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取 c 2 =1.00，对 C80取 c 2 =0.87，中间按线性规律变化取值；

轴心抗拉强度 ft
• 混凝土的抗拉强度远低于抗压强度
•
•

对于普通混凝土，抗拉强度约 1/17-1/8 的抗压强度
对于高强混凝土，抗拉强度约 1/24-1/20 的抗压强度
轴心抗拉强度的试验方法
• 直接受拉试验
•
•
劈裂试验
弯折试验
2.1.1混凝土的强度
简单受力状态下混凝土的强度

轴心抗拉强度
≈0.8fc

第2章 混凝土结构材 料的物理力学性能
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主要内容
1、混凝土的物理力学性能 2、钢筋的物理力学性能 3、混凝土和钢筋的粘结
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2.1 混凝土的物理力学性能
混凝土的组份：
水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不 同等级的砼。
骨料 水泥结晶体
弹性变形的基础
水泥凝胶体 塑性变形的基础
1.混凝土的立方体抗压强度fcu,k 和强度等级
我国将立方体抗压强度值作为混凝土强度的基 本指标，并作为评定砼强度等级的标准。
标准试验条件：边长、温度、湿度、养护时间
混凝土强度等级：
是按立方体抗压强度标准值确定的 共14级，用C表示：C15, C20, …C50,…C75,C80。
例如 C20, 表示为 fcu,k＝20N/mm2
C0.点00—2。—混凝土棱柱体抗压强度fc，对应的应变
下降段（CE）:
缓慢卸荷，裂缝继续扩展、贯通，变形增大。
收敛点E——应变约0.003～0.004
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。
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砼试件大小和形状、荷载的性质和受 力条件，均影响混凝土的强度
单向应力状态下的强度
立方体抗压强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度
复合应力状态下的强度
双向受力强度 三向受压强度
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一、单轴向应力状态下的砼强度
0.88——考虑实际构件与试件混凝土之间 的差异而取的折减系数。
不同国家试验形状及尺寸有差异。
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3.混凝土的轴心抗拉强度ftk、ft

1 混凝土力学性能
（1）(集料）骨料 分为细骨料、粗骨料
细骨料：天然砂和人工砂，颗粒粒径 9.5mm 粗骨料：卵石或碎石。粒径1.18~150mm 之间。常
用粗骨料最大粒径是19~25mm （2）水泥浆： 胶凝材料——水泥、化学外加剂、
辅助胶凝材料如粉煤硅灰、石膏等 水 残留的空第1气页/共或48有页 意引入的气泡组成。
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1 混凝土力学性能
水泥种类对混凝土强度增长影响很大，但对后期强度影响不大 （2）温度
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1 混凝土力学性能
（3）蒸汽养护 ① 可使砼早期强度增长快，但后期硬化却很小。因此，相同配合 比时，蒸汽养护的砼试块的后期强度比正常硬化试块后期强度低 10%。 ② 构件在高蒸汽压力下养护很快就硬化，并可提高后期强度。 （4）再捣实 在第一次捣实后大约15~45min,用外部振捣器再捣实可明显提高 砼强度。
4.13
直线
0.5
7.01
-8.85
0
0
1
f
/ c
0.10.6 2
7.86(
f
/ c
)
8.46(
f
/ c
)2
2
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五、抗剪强度—纯剪下强度及变形
1、试验方法 （1）矩形短梁直剪
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（2）z型单剪面试件 See“ Shear transfer in reinforced concrete"
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1 混凝土力学性能
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1 混凝土力学性能

试 验 录 像
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结
3.轴心抗拉强度 ft，s
P
压
d
拉
f ts
2P
dl
fts
2P
d2
压
P
劈拉试验
fts
0.23
f 2/3
cu
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结
4.双轴应力状态 Biaxial Stress State
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结
b.特点
混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形 发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%， 以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结
esh
50% 25% 14d 28d
(2~5)×10-4
t
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结 5.温度变形
a、压－压作用
一向的强度随另一向 压应力的增加而增加。
最大受压强度发生在两 个压应力之比为0.5或2时， 约为1.27fc。
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结
4.双轴应力状态 Biaxial Stress State
b、拉－压作用 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。
切线模量
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结
3.混凝土的徐变 Creep
a.定义
混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间不断增长的现象称为徐变
b.特点
早期发展较快，然后趋于稳定
§2.1 混凝土材料的力学性能 《钢筋混凝土结

有侧向约束 时的抗压强 度
fc'c fc' (4 .5 ~ 7 .0 )fL
无侧向约束 时圆柱体的 单轴抗压强 度
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1=fcc’
2= 3= fL
1=fcc’
fL----侧向约束 压应力（加液压）
结论：三向受压状态下的 混凝土抗压强度大于双向 和单向，侧压力的存在还 会提高混凝土的延性。
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1—2(N/mm2)
混凝土的抗剪强度： （1）随拉应力增大而减小 （2）随压应力增大而增大，当压应力在0.6fc左右时， 抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展
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明显，抗剪的抗压和抗拉强度。 2.关于三向受压状态下的强度变化规律
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。
sA第2章混凝土结构材料的物理 力学性能
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。
2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度
混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，单向受力状 态下混凝土的强度指标，是进行钢筋混凝土结构构件强度 分析、建立强度理论公式的重要依据。为分析问题方便， 先讨论单轴向应力状态下的混凝土强度。
混凝土结构
C50~C80为高强混凝土，适用于高层结构和预应力混
凝土构件。
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D.试验方法对立方体抗压强度的影响
a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度底，
其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样（见
图）；
承压板
摩擦力
试块
不涂润滑剂
涂润滑剂

起的收缩称为干缩。混凝土的应力与应变的比值
为弹性横量，弹性模量又分为静弹性模量和动弹
性模量。混凝土的强度越大，弹性模量越高。徐
变是指混凝土在长期荷载作用下随时间而增加的
变形。这种固定荷载下变形随着时间推移而增大
的现象，一般要延续二年至三年才逐渐趋于稳定。
徐变主要与混凝土的弹性模量有关，弹性模量越
大混凝土徐变越小。
《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 GB/T50082-2009
《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 GB/T50080—2016
《普通混凝土配合比设计规程》 JGJ55-2011 《建筑砂浆基本性能试验方法》 JGJ /T70-2009 《砌筑砂浆配合比设计规程》 JGJ/T98-2010
(3)同条件养护试件的拆模时间可与实际构件的拆 模时间相同。拆模后，试件仍需同条件养护。
(4)标准养护龄期为28d(从15 搅拌加水时计)。 编辑版pppt
四、试验方法 （一）立方体抗压强度试验 1、仪器设备
压力试验机，并符合下列要求： (1)其精度为±1％，试件破坏荷载应大于压力 机全量程的20％且小于压力机全量程的 80%。 (2)应具有加荷速度指示装置或加荷速度控制 装置，并应能均匀、连续地加荷。 (3)应具有有效期内的计量检定证书。
混凝土抗冻性以抗冻等级表示，通常以龄期 为28d的混凝土试件所能承受的冻融循环次数确 定。
混凝土的碳化作用是二氧化碳与水泥石中的 氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水，并进一步可使 全部钙离子碳化。混凝土的抗碳化能力是指测定 在一定浓度的二氧化碳介质中混凝土试件的碳化 程度。
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二、检测依据 《《普通混凝土力学性能试验方法标准》 GB/T 50081-2002 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 GB/T50082-2009

第2章混凝土结构材料的物理力学性能第2章混凝土结构材料的物理力学性能钢筋和混凝土的物理力学性能以及共同工作的特性直接影响混凝土结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。

本章讲述钢筋和混凝土的主要物理力学性能以及混凝土与钢筋之间的粘结。

2.1钢筋2.1.1钢筋的强度与变形钢筋的强度和变形性能可以用拉伸试验得到的应力－应变曲线来说明。

根据钢筋拉伸试验的应力－应变关系曲线的特点不同，可分为有明显屈服点钢筋(如热轧钢筋等)(见图2-2)和无明显屈服点钢筋(如消除应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋等)(见图2-3)。

图2-2有明显屈服点钢筋的应力－应变曲线图2-3无明显屈服点钢筋的应力－应变曲线对有明显流幅的钢筋，从图2-2中可以看到，应力值在A点以前，应力与应变成比例变化，与A点对应的应力称为比例极限。

过A点后，应变较应力增长为快，到达点后钢筋开始塑流，到点称为屈服上限，它与加载速度、截面形式、试件表面光洁度等因素有关，通常点是不稳定的，待点降至屈服下限B点，这时应力基本不增加而应变急剧增长，曲线接近水平线。

曲线延伸至C点，B点到C点的水平距离的大小称为流幅或屈服台阶。

有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下限确定的。

过C点以后，应力又继续上升，说明钢筋的抗拉能力又有所提高。

随着曲线上升到最高点D，相应的应力称为钢筋的极限强度，CD段称为钢筋的强化阶段。

试验表明，过了D点，试件薄弱处的截面将会突然显著缩小，发生局部颈缩，变形迅速增加，应力随之下降，达到E点时试件被拉断。

由于构件中钢筋的应力到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用，所以对有时显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。

对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋，为了与钢筋国家标准相一致，《混凝土结构设计规范》中也规定在构件承载力设计时，取极限抗拉强度的85%作为条件屈服点，如图2-3所示。