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第2章混凝土结构材料的物理力学性能.pdf
第2章 混凝土结构材料的物理力学性能
混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不同的材料组成,它们共同承担和传递结构的
荷载。因此,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,这些性能也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。在工程中,适当地选用材料,
合理地利用这两种材料的力学性能,不仅可以改善钢筋混凝土结构和构件的受力性能,也可
以取得良好的经济效益。因此,了解钢筋和混凝土这两种材料的力学性能是非常重要的。本
章主要介绍钢筋与混凝土的物理和力学性能、共同工作的原理及这两种材料在工程中的选用
原则。
2.1 混 凝 土
普通混凝土是以水泥为主要胶结材料,拌合一定比例的砂、石和水,有时还根据不同的
目的加入不同种类的添加剂,经过搅拌、注模、振捣、养护等工序后,逐渐凝固硬化而成的
人工混合材料。混凝土是一种多相复合材料,肉眼就可以看出混凝土内部的非匀质构造。从
混凝土结构中锯切出一块混凝土,可以明显区分开来的相是具有不同尺寸和形状的骨料颗
粒,以及不连续的起胶结作用的水化水泥浆体固化物,如图2.1所示。各组成材料的成分、
性质和相互比例,以及制备和硬化过程中的各种条件和环境因素,都对混凝土的力学性能有
不同程度的影响。混凝土的强度和变形性能显著地区别于其他单一结构材料,其拉、压强度
相差悬殊,性能随时间和环境因素的变异大。所以,混凝土比其他单一性结构材料具有更为
复杂多变的力学性能。
图2.1 由卵石(左图)和碎石(右图)制成的混凝土内部非均质构造
2.1.1 混凝土的组成结构
混凝土力学性能复杂多变的根本原因在于其复杂的组成结构,它是一种非匀质、不等向,
且随时间和环境条件而变化的多相混合材料。混凝土组成结构是一个广泛的综合概念,包括
从组成混凝土不同组分的原子、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、未水化完成的水泥颗粒和凝胶孔组成,如图 2.2 。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。在混凝土的凝固过程中,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体。在此过程中,水泥凝胶体收缩变形远大于粗骨料的
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收缩变形。此收缩变形差使粗骨料受压,水泥凝胶体受拉。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。混凝土在承受荷载(应力)之前,就已
经存在复杂的微观应力、应变和裂缝,这些在混凝土受力后会有更剧烈的变化。混凝土中的
孔隙、界面微裂缝等缺陷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。
混凝土中占体积绝大部分的石子和砂,
本身的强度和弹性模量值均比混凝土中其他
组分的强度和弹性模量高出许多。即使混凝
土达到极限强度值时,骨料并不破碎,变形
仍在弹性范围以内,即变形与应力成正比,
卸载后变形可完全恢复,不留残余变形。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,还将随时间的延
续而发生缓慢的粘性流(移)动,使混凝土 骨料 水泥浆基体
的变形不断地增长,形成塑性变形。当卸载 界面过渡区
(应力)后,这部分变形一般不能恢复,出 图2.2 混凝土骨料与水泥浆基体界面过渡区
现残余变形。 微观结构示意图
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。当混凝土的应力较低时,骨料的弹性变形占主要部分,总变形很小;
随着应力的增大,水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐加速增长;接近混凝土极限强度时,裂缝
的引起变形才明显显露,但其量级大,很快就超过其他变形成分。在应力峰值之后,随着应
力的下降,骨料弹性变形开始恢复,而裂缝引起的变形却继续加大。
混凝土的单轴抗拉和抗压强度的比值约为 1:10,相应的峰值
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