混凝土的力学性能课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,混凝土的力学,构成,混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料作,用：作为钢筋混凝土结构的主体,，,一是自身承担较大的荷,载；二是容纳和维护各种构造的钢筋，组成合理的组合性结,构,材料特,点：非匀质材料,、,非弹性、,非线性、,较大离散性混凝土的结构分三个层面解释：,.,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,：,由完全水化的水泥结晶体和骨料组成，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。

混凝土的材料组成和构造决定其基本受力特点,:,1,复杂的微观内部应力、变形和裂缝状态,将一块混凝土按比例放大，可以看作是由粗骨料和硬化水泥砂浆等两种主要材料构成的不规则的三维实体结构，且具有非匀质、非线性和不连续的性质,混凝土在承受荷载（应力）之前，就已经存在复杂的微观应力、应变和裂缝，受力后更有剧烈的变化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粗骨料和水泥砂桨的热工性能（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,温度差受到相互约束而形成温度应力场压 力,拉 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所有这些都说明，,从微观上分析混凝土，必然要考虑非常复杂的、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。

另混凝土内部有不可避免的初始气孔和缝隙，其尖端附近因收缩、温度变化或应力作用都会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,从混凝土的组成和构造特点分析，其变形值由,3,部分组成：,骨料的弹性变形,占混凝土体积绝大部分的石子和砂，本身的强度和弹性模量值均比其组成的混凝土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，卸载后变形可全部恢复，不留残余变形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，还将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发生裂缝在压应力作用下，混凝土大致沿应力平行方向发生纵向劈裂裂缝，穿过粗骨料界面和砂浆内部在应力的下降过程中，变形仍继续增长，卸载后大部分变形不能恢复后两部分变形成分，不与混凝土的应力成比例变化，且卸载后大部分不能恢复，一般统称为,塑性变形不同原材料组成的混凝土，在不同的应力水平下，这三部分变形所占比例有很大变化。

当混凝土应力较低时，骨料弹性变形占主要部分，总变形很小；,随应力的增大，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,，裂缝的变形才明显显露，但其数量级大，很快就超过其它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，凝胶体的流动减小，而裂缝的变形却继续加大混凝土的这些材性特点，决定了其力学性能的复杂、多变和离散，还由于混凝土原材料的性质和组成的差别很大，,完全从微观的定量分析来解决混凝土的性能问题，得到准确而实用的结果是十分困难的所以，从结构工程的观点出发，将一定尺度，（例如,70mm,或,34,倍粗骨料粒径）的混凝土体积作为单元，看成是连续的、匀质的和等向的材料，取其平均的强度、变形值和宏观的破坏形态等作为研究的标准，可以有相对稳定的力学性能并且用同样尺度的标准试件测定各项性能指标混凝土材性的复杂程度如上述，在不同的应力状态下发生显著差别的破坏过程和形态混凝土在结构中,主要用作受压材料，,最简单的单轴受压状态下的破坏过程最有代表性混凝土一直被认为是“脆性”，材料，无论是受压还是受拉状态，它的破坏过程都短暂、急骤，肉眼不可能仔细地观察到其内部的破坏过程现代科学技术的高度发展，为材料和结构试验提供了先进的加载和量测手段。

现在已经可以比较容易地获得混凝土受压和受拉的应力,-,应变全曲线，还可采用超声波检测仪、,x,光摄影仪、电子显微镜等多种精密测试仪器，对混凝土的微观构造在受力过程中的变化情况加以详尽的研究混凝土的变形及破坏机理,试验证明，结构混凝土在承受荷载或外应力之前，内部就已经存在少量、分散的微裂缝，宽（,2-5,）,10,-3,、最长（,1-2mm,），其主要原因是在混凝土的凝固过程中，,粗骨料和水泥砂浆的收缩差和不均匀温湿度场所产生的微观应力场由于水泥砂浆和粗骨料表面的粘结强度只有该砂浆抗拉强度的,35%65%,，而粗骨料本身的抗拉强度远超过水泥砂浆的强度，故当混凝土内微观拉应力较大时，,首先在粗骨料界面出现微裂缝，称界面粘结裂缝试验采用方形板式试件,(127 mm 127 mm 12.7 mm,），既接近理想的平面应力状态，又便于在加载过程中直接获得裂缝的,x,光信息试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂缝，都出现在较大粗骨料的界面开始受力后直到极限荷载，混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作,3,个阶段：,粘结裂缝,=0,用,X,光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程,1.,微裂缝相对稳定期,(/,max,0.3,0.5),这时混凝土的压应力较小，虽然有些微裂缝的尖端因应力集中而沿界面略有发展，也有些微裂缝和间隙因受压而有些闭合，对混凝土的宏观变形性能无明显变化。

即使荷载的多次重复作用或者持续较长时间，微裂缝也不致有大发展，残余变形很小用,X,光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程,=0.65,max,2.,稳定裂缝发展期,（,/max 0.75,0.9,）,混凝土在高应力作用下，粗骨料的界面裂缝突然加宽和延伸，大量地进人水泥砂浆；水泥砂浆中的已有裂缝也加快发展，并和相邻的粗骨料界面裂缝相连这些裂缝逐个连通，构成大致平行于压应力方向的连续裂缝，或称纵向劈裂裂缝若混凝土中部分粗骨料的强度较低，或有节理和缺陷，也可能在高应力下发生骨料劈裂这一阶段的应力增量不大，而裂缝发展迅速，变形增长大即使应力维持常值，裂缝仍将继续发展，不再能保持稳定状态max,用,X,光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程,从对混凝土受压过程的微观现象的分析，其破坏机理可以概括为：,首先是水泥砂浆沿粗骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝；,应力增大后这些微裂缝逐渐地延伸和扩展，并连通成为宏观裂缝；,砂浆的损伤不断积累，切断了和骨料的联系，混凝土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力混凝土在其它应力状态，如受拉和多轴应力状态下的破坏过程也与此相似混凝土的强度远低于粗骨料本身的强度，,混凝土破坏后，其中的粗骨料一般无破损的迹象，裂缝和破碎都发生在水泥砂浆内部。

所以，,混凝土的强度和变形性能在很大程度上取决于水泥砂浆的质量和密实性任何改进和提高水泥砂浆质量的措施都能较多地提高混凝土强度和改善结构的性能0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,B,A,C,D,A,点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形A,点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土,A,约为,(0.3,0.4),f,c,，对高强混凝土,A,可达,(0.5,0.7),f,c,A,点以后，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加但该阶段微裂缝的发展是稳定的典型的砼受压应力,-,应变曲线,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂缝连通形成斜向破坏面D,点的应变,e,=(2,3,),e,0,，应力,等于,0.4,f,c,左右达到,B,点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为横向增加在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏取,B,点的应力作为混凝土的长期抗压强度普通强度混凝土,B,约为,0.8,f,c,，高强强度混凝土,B,可达,0.95,f,c,以上。

达到,C,点,f,c,，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，,C,点的纵向应变值称为峰值应变,o，,约为,0.002,三、影响应力-应变曲线形状的因素,1.,试验方法,在棱柱体抗压试验时，若应用普通液压式材料试验机加载，可毫无困难地获得应力应变曲线的上升段但试件在达到最大承载力后急速破裂，量测不到有效的下降段曲线Whitney,很早就指出混凝土试件突然破坏的原因是试验机的刚度不足,试验机本身在加载过程中发生变形，储存了很大的弹性应变能当试件承载力突然下降时，试验机因受力减小而恢复变形，即刻释放能量，将试件急速压坏要获得稳定的应力,-,应变全曲线，主要是曲线的下降段，必须控制混凝土试件缓慢地变形和破坏有两类试验方法：,应用电液伺服阀控制的刚性试验机直接进行试件,等应变速度加载；,在普通液压试验机上附加刚性元件，使试验装置的总体刚度超过试件下降段的最大线刚度，就可防止混凝土的急速破坏按上述方法实测的混凝土棱柱体受压应力,-,应变全曲线如图加载中应变速率对应力,-,应变曲线的影响,不同强度混凝土的应力,-,应变关系曲线,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。

2.,砼强度等级的影响,应变梯度对混凝土的强度和变形性能的影响，国内外设计了多种棱柱体的偏心受压试验加以研究试验按照控制截面应变方法的不同分作三类,1.,等偏心距试验,(,e,0,=const),按预定偏心距确定荷载位置，一次加载直至试件破坏为止试件的截面应变随荷载的增大而变化，应变梯度逐渐增大，中和轴因混凝土受压的塑性变形等原因而向荷载方向有少量移动3.,应变梯度的影响,3.,等应变梯度加载（,1,-,2,=const,）,试件由试验机施加轴力,N,，在横向有千斤顶施加弯矩,M,试验时按预定应变梯度同时控制,N,和,M,，使截面应变平行地增大，应变梯度保持为一常值2.,全截面受压，一侧应变为零（,2,o),截面中心的主要压力,(N,1,）由试验机施加偏心压力（,N,2,）由液压千斤顶施加，数值可调，使一侧应变为零截面应变分布始终成三角形，但应变梯度渐增实验结论：混凝土应力应变全曲线的形状与试件偏心距或应变梯度无关，即偏压和轴压可采用相同的曲线方程，只是其应力峰值和应变峰值比轴压高因此，在许多强度理论中均以轴压为基础主要试验结果,1.,极限承载力（,N,p,）和相应的最大应变,(,1p,),试件破坏时的极限承载力随荷载偏心距（,e,o,）的增大而降低，但是均明显高出按线性应力图（弹性）计算的。