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第二章 混凝土结构材料的物理力学性能
教学重点：
掌握各种材料性能的特性，钢筋及混凝土各自的应力应变关系，影响材料强度及变形大小的因素，从而为以后学习本课程或使用材料时打下基础。
教学内容：
1.钢筋：钢筋的成份、种类和级别，钢筋的应力应变曲线，钢筋的塑性性能，钢筋的冷加工。
2.混凝土：立方体抗压强度，影响混凝土强度的因素，轴心抗压强度，轴心抗拉强度。混凝土的变形：混凝土在一次短期加载时的应力应变性能，混凝土的变形模量。混凝土的徐变。混凝土的收缩。
3.钢筋与混凝土之间的粘结力。
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。混凝土组成结构是一个广泛的综合概念，包括从组成混凝土组分的原子、分子结构到混凝土宏观结构在内的不同层次的材料结构。通常把混凝土的结构分为三种基本结构类型：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。混凝上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台的薄弱面。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。
浇注混凝上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、水泥胶体中的晶体、未水化的水泥颗粒组成了错综复杂的弹性骨架，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、?L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。在荷载作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。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
虽然实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。
1. 混凝土的强度等级
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上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的强度，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。
《混凝土设计规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N／lnnl2。其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。
钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；
当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20； 当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。
预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；
当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。 2. 混凝上的立方体抗压强度 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。我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81 85)规定以边长为150mm的立方体为标准试件．标准立方体试件在(20±3)℃的温度和相对湿度90％以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度．单位为N／mm2。
试验方法对混凝土的立方体抗压强度有较大影响。试件在试验机上单向受压时，竖向缩短，横向扩张，由于混凝土与压力机垫板弹性模量与横向变形系数不同，压力机垫板的横向变形明显小于混凝土的横向变形，所以垫板通过接触面上的摩擦力约束混凝土试块的横向
变形，就像在试件上下端各加了一个套箍，致使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面，杭压强度比没有约束的情况要高。如果在试件上下表面涂一些润滑剂，这时试件与压力机垫板间的摩擦力大大减小，其横向变形几乎不受约束，受压时没有“套箍”作用的影响，
试件将沿着平行于力的作用方向产生几条裂缝而破坏，测得的抗压强度就低。图2—1（a，b）是两种混凝土立方体试块的破坏情况，我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。
加载速度对立方体强度也有影响，加载速度越快，
测得的强度越高。通常规定加载速度为：混凝土强度等级低于C30时，取每秒钟0.3～0.5N／mm2；强度等级高
于或等于C30时，取每秒钟(0.5～0.8) N／mm2。
混凝土立方体强度还与成型后的龄期有关，抗压强度随成型后混凝土的龄期逐渐增长，增长速度开始较快，后来逐渐缓慢。
3. 混凝上的轴心抗压强度
混凝土的抗压强度与试件的形状有关，采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称轴心抗压强度。
我国《普通混凝土力学性能试验方法》规定以150mm× 150mm ×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，试件下表面不涂润滑剂。
对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。
棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为
fck?0.88?1?2?fcu,k （2-1）
α1为棱柱体强度与立方体强度之比，对小于C50级的混凝土取α1=0.76，对C80取α1=0.82，其间按线性插值。
α2为高强度混凝土的脆性折减系数，C40以下取α2=1.00，C80取α2=0.87, 其间按线性插值。
3、轴心抗拉强度
抗拉强度是混凝土的基本力学性能指标之一，用符号f tk表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。混凝土的抗拉强度取决于水泥石的强度和水泥石与骨料间的粘接强度。增加水泥用量、减少水灰比及采用表面粗糙的骨料可提高混凝土的抗拉强度。
图2—2是混凝土轴心抗拉强度试验的结果。试验结果表明，轴心抗拉强度只有立方抗压强度的1/17～1/8，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。考虑到构件与试件的差别，尺寸效应、加载速度等因素的影响，《混凝土结构设计规范》考虑了从普通强度混凝土到高强度混凝土的变化规律，取轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系为：
0.550.45ftk?0.88?0.395fcu??2 （2-4）,k(1?1.645?)
图2-2 混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系
2.1.3 复合应力状态下混凝土的强度
实际混凝土结构构件大多是处于复合应
力状态，例如框架粱、柱既受到柱轴向为作用，又受到弯矩和剪力的作用。节点区混凝土受力状态一般更为复杂。同时，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。
图2-3为方形薄板混凝土上试件的双向受力试验结果。试件处于平面应力状态，在
图2-3 双向应力状态下混凝土的破坏包络图
板的平而内作用有法向应力?1及?2；沿板
厚方向的应力?3。图中第三象限为双向受压情况，混凝土强度与法向应力的比值?1／?2有关。最大强度发生在?1／?2约等于2或0.5时，而不是在?1=?2的情况下。双向受压强度比单向受压强度虽有提高，但提高的程度有限，约为27％。第二、四象限为一向受压，另一向受拉的情况，在这种情况下，混凝土的强度均低于单向受力（压或拉）的强度，这一现象与混凝土的破坏机理是符合的。第一象限为双向受拉情况，无论应力比值?1／?2如何，实测破坏强度基本不变，双向受拉强度均接近于单向抗拉强度ft。
当构件的截面上同时作用有剪力或扭矩引起的剪应力，轴力引起的法向应力时，形成所谓的剪压或剪拉符合应力状态。理论上这类问题可通过换算为主应力，按双向拉压应力来处理。但由于混凝土材料本身组成结构的特点，实际上仍 然采用在截面上同时施加法向应
力和剪应力的直接试验方法测定
其破坏强度。图2-4为混凝土在?及?作用下的复合增大而减小，随压应力的增大而增大，但当压应力大于(0.5～0.7)fc时，抗剪强度随压应力的增大而减小。
应该指出的是，混凝土在复合受力状态下的强度是一个比较复杂而至今尚未完善解决的问题，但又是钢筋混凝土结构的一个基本的理论问题。
2.1.3 混凝土的变形
混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复荷载作用下会产生变形。这类变形称为受力变形。另外，混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。变形是混凝土的一个重要力学性能。
1. 一次短期加载下混凝土的变形性能 (1)混凝土受压时的应力—应变关系
混凝土受压时的应力—应变关系是混凝土最基本的力学性能之载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，也称单调加载。
在普通试验机上获得有下降段的应力—应变曲线是比较困难的。若采用有伺服装置能控制下降段应变速度的特殊试验机，或者在试件旁附加各种弹性元件协同受压，以吸收试验机内所积蓄的应变能，防止试验机头回弹的冲击引起试件突然破坏，并以等应变加载，就可以测量出具有真实下降段的应力—应变全曲线。混凝土达到极限强度后，在应力下降幅度相同的
情况下，变形能力大的混凝土延性好。