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第三章 混凝土的基本特性 混凝土是水泥、砂、石和水的混合材料，其组成材料的成分和性质，以及在制备、凝固、使用过程中的各种条件和环境因素都对其强度和变形有不同程度的影响，因而混凝土比其它结构材料具有更复杂、多变的力学性能。 §3.1非匀质、非等向的多相混合材料 由图3—1可看出混凝土内部的非匀质构造非匀质构造。其主要组成部分有： 固体颗粒—具有不同形状、颜色、尺寸和矿物成分的粗骨料、较大的砂粒、未水化的水泥颗粒团和混入的各种固体杂质。它们随机地分布在混凝土内部，占据了总体积的绝大部分。 硬化的水泥砂浆—水泥和水产生的水化作用，将搅拌均匀的砂子胶结在一起成为水泥砂浆，填充在固体颗粒之间，或称围裹在固体颗粒外层，形成不均匀、不规则的条带状或网状分布构造。刚开始时，水泥砂浆是流动性强的胶状体。随着混凝土龄期的增长，水泥颗粒的水化作用层往内部深入，外层逐渐固化，砂子的粘结力不断加强，形成硬化的水泥砂浆。 各种气孔和缝隙—在混凝土的搅拌和浇注过程中，少量空气混入其内部；在震捣时，大部分空气成气泡状上升，从构件的上表面逸出，其余的积聚在构件顶面和侧面的表层砂浆层内。较大的石子和钢筋下面有明显的气孔。混凝土中的水分蒸发以及水泥砂浆干缩变形等都会在粗骨料和砂浆的界面、砂浆的内部形成不同形状和尺寸的细微裂缝。此外，浇注、震捣操作不当等施工缺陷可能在混凝土内留下较大孔洞。 这三部分中，前两者为基本组成。它们的物理相力学性质相差悬殊，在外力作用和环境条件影响下的反应有显著差别，成为混凝土强度和变形性能复杂、多变的主要原因。 除了混凝土组成部分的随机分布所引起的非匀质性外，还因为一些因素构成混凝土的必然非匀质性，例如： ·在浇注、震捣混凝土的过程中，比重和颗粒较大的粗骨料沉入底部，而比重较小的骨料、流动性大的水泥砂浆和气泡等向上升。 ·构件浇注方向的顶面和模板侧面附近，水泥砂浆和气泡的含量高于构件内部，构件表层的水分蒸发较快，收缩变形较大，遗留裂缝较多。 混凝土材料的非匀质和非等向性的程度，取决于原材料的均匀性、水泥骨料比和水灰比，以及搅拌、浇注、震捣和养护等施工操作工艺。 此外，在混凝土的浇注、震捣过程中，有一些现象将产生非等向性，例如：粗骨料若有一较大干面，震捣后的最稳定位置是大面朝下；气泡上升过程中略呈长圆形，混凝土凝固后气孔长径平行于浇注方向；构件分层浇注和振捣混凝土时，留有水平施工缝；在先期应力作用下，混凝土内部形成的微裂缝具有一定的方向性等等。 §3.2复杂的微观内应力(变形)状态 如果将一块混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂浆这两种性质迥异的主要材料构成的非线性、三维实体结构物。在承受荷载之前和之后，都存在十分复杂的微观应力(应变)场。这正是混凝土材性变化大和性能指标离散的主要原因。 在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用产生凝胶体，使水泥砂浆逐渐变稠、硬化，和粗骨料粘结成一整体。在此同时，混凝土因水分逐渐逸出而变干燥，水泥砂浆发生的收缩量远大于粗骨料的收缩量。此收缩差使粗骨料受压，而砂浆受拉，虽然任一截面上的应力合力为零，但局部的收缩应力值可能很大，以致在粗骨料界面形成微裂缝。 同样由于粗骨料和硬化水泥浆间的线膨胀系数的差别，即使两者的温度变化相同，也因为变形的不一致，又相互约束而产生不均匀的三维应力场。混凝土是热惰性材料，因为水化热、环境温度变化或事故(火)升温等会使其表层和内部形成较大的温度差，内部的微观温度应力(应变)场更为复杂。 当结构承受外力的作用时，即使局部混凝土的宏观应力均匀，也会因为粗骨料的随机排列和水泥砂浆的不规则形状、两者的弹性(或变形)模量和抗拉、压强度的差别，以及粗骨料周界的支承或接触状况的不同等原因而存在着不均匀的微观应力场，不仅主要截面，其它任何方向截面上的应力分布都不均匀。 所有这些都表明，从微观上分析混凝土必然是一个非常复杂的、不确定的三维应力(变形)状态，对于混凝土的开裂、裂缝发展、变形、极限强度和破坏形态等都有很大影响。 §3.3 变形的多元组成 混凝土承受应力的作用或者环境条件的变化都将发生相应的变形。从混凝土的组成和构造特点分析，总变形实际上由三部分组成： 粗细骨料的弹性变形—占混凝土体积中绝大部分的石子和砂子，其本身的强度和弹性模量均高出混凝土的很多，在达到混凝土的最大应力(极限强度)时变形一般仍在弹性范围以内，即变形与应力值成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余应变（图3—2）。 水泥凝胶体的粘性流动—水泥水化作用形成的凝胶体在数十年内还不是一种形状固定的材料。在应力的作用下，除了即时发生的变形外，还将随时间的延续发生缓慢、但逐渐收敛的粘性流动，使