第 2 章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能

2.1 混凝土的物理力學(xué)性能

　　2.1.1 混凝土的組成結(jié)構(gòu)

　　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，是多相復(fù)合材料。通常把混凝土的結(jié)構(gòu)分為三種基本類型：微觀結(jié)構(gòu)即水泥石結(jié)構(gòu);亞微觀結(jié)構(gòu)即混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu);宏觀結(jié)構(gòu)即砂漿和粗骨料兩組分體系。

　　微觀結(jié)構(gòu)(水泥石結(jié)構(gòu))由水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成，其物理力學(xué)性能取決于水泥的化學(xué)礦物成分、粉磨細(xì)度、水灰比和凝結(jié)硬化條件等�；炷�土的宏觀結(jié)構(gòu)與亞微觀結(jié)構(gòu)有許多共同點(diǎn)，可以把水泥砂漿看作基相，粗骨料分布在砂漿中，砂漿與粗骨料的界面是結(jié)合的薄弱面。骨料的分布以及骨料與基相之間在界面的結(jié)合強(qiáng)度也是重要的影響因素。

　　澆注混凝土?xí)r的泌水作用會(huì)引起沉縮，硬化過程中由于水泥漿水化造成的化學(xué)收縮和干縮受到骨料的限制，會(huì)在不同層次的界面引起結(jié)合破壞，形成隨機(jī)分布的界面裂縫。

　　混凝土中的砂、石、水泥膠體組成了彈性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有彈性變形的特點(diǎn)。而水泥膠體中的凝膠、孔隙和界面初始微裂縫等，在外力作用下使混凝土產(chǎn)生塑性變形。另一方面，混凝土中的孔隙、界面微裂縫等缺陷又往往是混凝土受力破壞的起源。

　　由于水泥膠體的硬化過程需要多年才能完成，所以混凝土的強(qiáng)度和變形也隨時(shí)間逐漸增長。

　　2.1.2 單軸向應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度

　　混凝土的強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比有很大關(guān)系;骨料的性質(zhì)、混凝土的級(jí)配、混凝土成型方法、硬化時(shí)的環(huán)境條件及混凝土的齡期等也不同程度地影響混凝土的強(qiáng)度;試件的大小和形狀、試驗(yàn)方法和加載速率也影響混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。因此各國對各種單向受力下的混凝土強(qiáng)度都規(guī)定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

　　1.混凝土的抗壓強(qiáng)度

　　(1) 混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度等級(jí)

　　立方體試件的強(qiáng)度比較穩(wěn)定，所以我國把立方體強(qiáng)度值作為混凝土強(qiáng)度的基本指標(biāo)，并把立方體抗壓強(qiáng)度作為評(píng)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　1) 測定的方法

　　我國國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBJ81-85)規(guī)定以邊長為150mm的立方體為標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在(20±3)℃的溫度和相對濕度90%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28d，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，單位為N/mm2。

　　2) 立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定用上述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號(hào)fcu,k表示。

　　3) 強(qiáng)度等級(jí)的劃分及有關(guān)規(guī)定

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k確定。混凝土強(qiáng)度等級(jí)劃分有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14個(gè)等級(jí)。例如，C30表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30N /mm2。其中，C50～C80屬高強(qiáng)度混凝土范疇。

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15;當(dāng)采用HRB335級(jí)鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20;當(dāng)采用HRB400和RRB400級(jí)鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C20。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30;當(dāng)采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40o

　　4) 試驗(yàn)方法對立方體抗壓強(qiáng)度的影響

　　試件在試驗(yàn)機(jī)上單向受壓時(shí)，豎向縮短，橫向擴(kuò)張，由于混凝土與壓力機(jī)墊板彈性模量與橫向變形系數(shù)不同，壓力機(jī)墊板的橫向變形明顯小于混凝土的橫向變形，所以墊板通過接觸面上的摩擦力約束混凝土試塊的橫向變形，就象在試件上下端各加了一個(gè)套箍，致使混凝土破壞時(shí)形成兩個(gè)對頂?shù)慕清F形破壞面，抗壓強(qiáng)度比沒有約束的情況要高。

　　如果在試件上下表面涂一些潤滑劑，這時(shí)試件與壓力機(jī)墊板間的摩擦力大大減小，其橫向變形幾乎不受約束，受壓時(shí)沒有“套箍”作用的影響，試件將沿著平行于力的作用方向產(chǎn)生幾條裂縫而破壞，測得的抗壓強(qiáng)度就低。

　　我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是不涂潤滑劑的。

　　5) 加載速度對立方體強(qiáng)度的影響

　　加載速度越快，測得的強(qiáng)度越高。通常規(guī)定加載速度為：混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于C30時(shí)，取每秒鐘0.3～0.5N/mm2;混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于或等于C30時(shí)，取每秒鐘0.5～0.8N/mm2。

　　6) 齡期對立方體強(qiáng)度的影響

　　混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著成型后混凝土的齡期逐漸增長，增長速度開始較快，后來逐漸緩慢，強(qiáng)度增長過程往往要延續(xù)幾年，在潮濕環(huán)境中往往延續(xù)更長。

　　7) 幾點(diǎn)說明

　　① 施工單位按圖紙規(guī)定的強(qiáng)度等級(jí)制作混凝土, 現(xiàn)場用同樣的混凝土制作一定量的試塊, 以檢驗(yàn)其立方體抗壓強(qiáng)度是否滿足要求;

　�、� 立方體抗壓強(qiáng)度是在實(shí)驗(yàn)室條件下取得的抗壓強(qiáng)度(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊);

　　③ 結(jié)構(gòu)實(shí)體的環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)試塊不同，標(biāo)養(yǎng)試塊立方體強(qiáng)度不能真實(shí)反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土的抗壓強(qiáng)度，必須增加同條件養(yǎng)護(hù)試塊立方體強(qiáng)度予以判定結(jié)構(gòu)實(shí)體的強(qiáng)度;

　�、� 不同尺寸試件的“尺寸效應(yīng)” :

　　fcu(200)×1.05 = fcu(150) =fcu(100)×0.95

　　(2) 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 fc

　　混凝土的抗壓強(qiáng)度與試件的形狀有關(guān)，采用棱柱體比立方體能更好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗壓能力。用混凝土棱柱體試件測得的抗壓強(qiáng)度稱軸心抗壓強(qiáng)。

　　1) 測定的方法

　　我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》規(guī)定以150mm×150mm×300mm的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件。棱柱體試件與立方體試件的制作條件相同，試件上下表面不涂潤滑劑。棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度都比立方體的強(qiáng)度值小，并且棱柱體試件高寬比越大，強(qiáng)度越小。

　　2) 軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定以150mm×150mm×300mm的棱柱體試件試驗(yàn)測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號(hào)fck表示。

　　3) 軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系

　　圖2-4是根據(jù)我國所做的混凝土棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)的結(jié)果�！痘炷�土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》基于安全取偏低值，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系按下式確定：

　　fck=0.88αc1αc2fcu,k (2-1)

　　式中：

　　αc1——為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比，對混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50及以下的取αc1 = 0.76，對C80取αc1 = 0.82，在此之間按直線規(guī)律變化取值。

　　αc2——為高強(qiáng)度混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40及以下取αc2 =1.00,對C80取αc2 =0.87,中間按直線規(guī)律變化取值。

　　0.88——為考慮實(shí)際構(gòu)件與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異而取用的折減系數(shù)。

　　國外常采用混凝土圓柱體試件來確定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。例如美國、日本和歐洲混凝土協(xié)會(huì)(CEB)系采用直徑6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度作為軸心抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)，記作fc′。

　　混凝土軸心 fc′=0.79 fcu,k (2-2)

　　2. 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度ft

　　抗拉強(qiáng)度是混凝土的基本力學(xué)指標(biāo)之一，也可用它間接地衡量混凝土的沖切強(qiáng)度等其他力學(xué)性能。

　　(1)測定的方法

　　可以采用直接軸心受拉的試驗(yàn)方法來測定。但是，由于混凝土內(nèi)部的不均勻性，加之安裝試件的偏差等原因，準(zhǔn)確測定抗拉強(qiáng)度是很困難的。所以，國內(nèi)外也常用如圖2-5所示的圓柱體或立方體的劈裂試驗(yàn)來間接測試混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。根據(jù)彈性理論，劈拉強(qiáng)度ft,s可按下式計(jì)算：

　　圓柱體 ft,s=2F/(πdι) (2-3)

　　立方體 ft,s=2P/πa2

　　試驗(yàn)表明，劈裂抗拉強(qiáng)度略大于直接受拉強(qiáng)度，劈拉試件的大小對試驗(yàn)結(jié)果也有一定影響。軸心抗拉強(qiáng)度只有立方抗壓強(qiáng)度的1/17～1/8，混凝土強(qiáng)度等級(jí)愈高，這個(gè)比值愈小。

　　(2) 軸心抗拉強(qiáng)度ftk與立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k的關(guān)系 圖2-6

　　ftk=0.88×0.395 fcu,k0.55(1-1.645d) 0.45 × a2 (2-4)

　　2.1.3 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度

　　實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多是處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，例如框架梁、柱既受到柱軸向力作用，又受到彎矩和剪力的作用。節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受力狀態(tài)一般更為復(fù)雜。同時(shí)，研究復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度，對于認(rèn)識(shí)混凝土的強(qiáng)度理論也有重要的意義。

　　1. 雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度

　　在兩個(gè)平面作用著法向應(yīng)力σl和σ2，第三個(gè)平面上應(yīng)力為零的雙向應(yīng)力狀態(tài)下，不同混凝土強(qiáng)度的二向破壞包絡(luò)圖如圖2-7所示，圖中σ0是單軸向受力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度。一旦超出包絡(luò)線就意味著材料發(fā)生破壞。

　　(1) 雙向受拉: 圖中第一象限為雙向受拉區(qū)，σl、σ2相互影響不大，雙向受拉強(qiáng)度均接近于單向受拉強(qiáng)度。

　　(2) 雙向受壓: 第三象限為雙向受壓區(qū)，大體上一向的強(qiáng)度隨另一向壓力的增加而增加，混凝土雙向受壓強(qiáng)度比單向受壓強(qiáng)度最多可提高27%。

　　(3) 拉--壓狀態(tài)：第二、四象限為拉--壓應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度均低于單向拉伸或壓縮時(shí)的強(qiáng)度。

　　2. 法向應(yīng)力與剪應(yīng)力組合混凝土的強(qiáng)度 圖2-8

　　壓應(yīng)力低時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而增大;當(dāng)壓應(yīng)力約超過0.6 fc′時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而減小。也就是說由于存在剪應(yīng)力，混凝土的抗壓強(qiáng)度要低于單向抗壓強(qiáng)度。

　　另外，還可以看出，抗剪強(qiáng)度隨著拉應(yīng)力的增大而減小，也就是說剪應(yīng)力的存在也會(huì)使抗拉強(qiáng)度降低。

　　3. 三向受壓狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度

　　混凝土在三向受壓的情況下，由于受到側(cè)向壓力的約束作用，最大主壓應(yīng)力軸的抗壓強(qiáng)度fcc′(σl)有較大程度的增長，其變化規(guī)律隨兩側(cè)向壓應(yīng)力(σ2，σ3)的比值和大小而不同。常規(guī)的三軸受壓是在圓柱體周圍加液壓，在兩側(cè)向等壓(σ2=σ3= fL>0)的情況下進(jìn)行的。由試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式為：

　　fcc′= fc′+(4.5～7.0)fL (2-5)

　　式中 fcc′—— 有側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強(qiáng)度;

　　fc′—— 無側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強(qiáng)度;

　　fL —— 側(cè)向約束壓應(yīng)力。

　　公式中，fL前的數(shù)字為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，平均值為5.6,當(dāng)側(cè)向壓應(yīng)力較低時(shí)得到的系數(shù)值較高。

　　常見工程范例：鋼管混凝土柱、螺旋箍筋柱、密排側(cè)向箍筋柱�！�— 可提供側(cè)向約束, 以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。