基本力学性能-钢筋混凝土原理_过镇海.ppt

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1、第1章基本力学性能1.1材料组成和材性特点1.2抗压强度1.3受压应力—应变全曲线1.4抗拉强度和变形1.5抗剪强度和变形1.1混凝土的组成结构和材性特点1.1.1材料的组成和内部构造1.1.2材性的基本特点1.1.3受力破坏的一般机理混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常将其组成结构分为：宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。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。1.1.1材料的组成

2、和内部构造宏观结构亚微观结构微观结构粗骨料（分散相）水泥石（基相）细骨料（分散相）砂浆（基相）晶体骨架晶体带核凝胶体干缩孔隙凝缩氢氧化钙凝胶体混凝土组成结构晶体骨架：由未水化颗粒组成，承受外力，具有弹性变形特点。塑性变形：在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。破坏起源：孔隙、微裂缝等原因造成。PH值：由于水泥石中的氢氧化钙存在，混凝土偏碱性。由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成，所以，混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，强度逐渐增长，变形逐渐加大。由于混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性较大而极难获得精确的计算结果。因此，主要讨论混凝土结构的宏观力学反应，即混

3、凝土结构在一定尺度范围内的平均值。混凝土非匀质、不等向性质根本原因：宏观结构中混凝土的粗骨料和水泥砂浆的随机分布，以及两者的物理和力学性能的差异。粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值施工和环境因素引起混凝土的非匀质性和不等向性。当混凝土承受不同方向（即平行、垂直或倾斜于混凝土的浇注方向）的应力时，其强度和变形值有所不同。浇注方向NN浇注方向NN≤例如混凝土立方体试件，标准试验方法规定沿垂直浇注方向加载以测定抗压强度，其值略低于沿平行浇注方向加载的数值。总之，混凝土材料的非匀质性和不等向性的严重程度，主要取决于原材料的均匀性和稳定性，以及制作过程的施工操作和管理的精细程度，其

4、直接结果是影响混凝土的质量（材性的指标和离散度）。1.1.2材性的基本特点混凝土的材料组成和构造决定其4个基本受力特点:1.复杂的微观内应力、变形和裂缝状态2.变形的多元组成3.应力状态和途径对力学性能的巨大影响4.时间和环境条件的巨大影响1．复杂的微观内应力、变形和裂缝状态混凝土可以看作由粗骨料和硬化水泥砂浆两种材料构成的不规则三维实体结构，具有非匀质、非线性和不连续的性质。混凝土在承受荷载（应力）之前，存在复杂的微观应力、应变和裂缝，受力后更有剧烈的变化。混凝土收缩引起骨料界面微裂缝混凝土凝固过程中，水泥的水化作用在表面形成凝胶体，水泥浆逐渐变稠、硬化，并和粗细骨料粘结成一整

5、体。此过程中，水泥浆失水收缩变形远大于粗骨料的。此收缩变形差使粗骨料受压，砂浆受拉，和其它应力分布。这些应力场在截面上的合力为零，但局部应力可能很大，以至在骨料界面产生微裂缝。压力拉力温度差引起界面微裂缝粗骨料和水泥砂浆的热工性能（如线膨胀系数)有差别。当混凝土中水泥产生水化热或环境温度变化时，两者的温度变形差受到相互约束而形成温度应力场。更因为混凝土是热惰性材料，温度梯度大而加重了温度应力。压力拉力混凝土承受均匀应力当混凝土承受外力作用时，即使作用应力完全均匀，混凝土内也将产生不均匀的空间微观应力场，取决于粗骨料和水泥砂浆的面（体）积比、形状、排列和弹性模量值，以及界面的接触条

6、件等。在应力的长期作用下，水泥砂浆和粗骨料的徐变差使混凝土内部发生应力重分布，粗骨料将承受更大的压应力。压力拉力从微观上分析混凝土，要考虑非常复杂的、随机分布的三维应力（应变）状态。其对于混凝土的宏观力学性能，如开裂，裂缝开展，变形，极限强度和破坏形态等，都有重大影响。混凝土内部的初始气孔和缝隙，其尖端附近因收缩、温度变化或应力作用形成局部应力集中区，其应力分布更复杂，应力值更高。2.变形的多元组成混凝土在承受应力作用或环境条件改变时都将发生相应的变形：⑴骨料的弹性变形⑵水泥凝胶体的粘性流动⑶裂缝的形成和扩展后两部分变形成分，不与混凝土的应力成比例变化，且卸载后大部分不能恢复，一

7、般统称为塑性变形。⑴骨料的弹性变形混凝土中的石子和砂，其强度和弹性模量值均比其组成的混凝土高出许多。混凝土达到极限强度值时，骨料并不破碎，变形仍在弹性范围内，即变形与应力成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余变形。⑵水泥凝胶体的粘性流动水泥经水化作用后生成的凝胶体，在应力作用下除了即时产生的变形外，还随时间的延续而发生缓慢的粘性流（移）动，混凝土的变形不断地增长，形成塑性变形。当卸载后，这部分变形一般不能恢复，出现残余变形。⑶裂缝的形成和扩展在拉应力作用下，混凝土沿应力的垂直方向