1、第一篇 混凝土的力学性能,本篇讨论混凝土特性和一般破坏机理，即基本应力状态下（拉、压、剪）的强度和变形规律，以及它们随时间而变化的特性。 混凝土的这些基本特性是了解和分析混凝土其他种类多轴性能和构件力学反应的基础。普通混凝土是指由硅酸盐水泥和天然粗、细集料组成的重度在2224kn/m3、强度在C20C50之间混凝土。,混凝土是以水泥为主要胶结材料，砂、石和水按一定的比例的配合（有时还加入少量的各种添加剂），经过搅拌、浇注、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的人工混合材料。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。因此，混
2、凝土比其它单一性结构材料(如钢木等)具有更为复杂多变的力学件能。,1. 三相体系 （1） 固体颗粒不同颜色、尺寸、形状和矿物成分的粗骨料，未水化的水泥团和混入的各种杂质。随机地分布在混凝土内部，占据了体积的绝大部分。,第一章 基本力学性能1.1 混凝土的物理性质,（2） 硬化的水泥砂浆大部分细骨料(砂)和水泥、水一起混合，搅拌均匀后构成的水泥砂浆包裹在固体颗粒表面及之间，或称包围在固体颗边的周围，凝固后构成为不规则、不均匀的条带状或网状结构。（3）气孔和缝隙在搅拌和浇注过程中混入混凝土的少量空气，经振捣后仍有部分残留在砂浆内部，约成圆孔状。多数气孔位于构件的表层和较大的石于或钢筋的下方。在混凝
3、土的凝固过程中，由于水分蒸发和水泥砂浆干缩变形等原因，使粗骨料和砂浆的界面上以及砂浆的内部形成小而规则的细微缝隙。 结论：混凝土的两个基本构成都分，即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是其非匀质、不等向性质的根本原因；,（4）此外 施工和环境因素引起混凝土的非匀质件和不等向性如浇注、振捣；温度变化；模板移动等,2. 材料的基本特点 1 ) 复杂的微观内应力、变形和裂缝状态 （1）非匀质、非线性和不连续的性质 将混凝土视为由粗骨料和硬化水泥砂浆这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。 （2）微观应力、应变和裂缝的变化规律 混凝土在承受
4、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。a. 在混凝土的凝固过程中，水泥水化作用在表面形成凝胶体，水泥砂浆逐渐变稠、硬化并和粗骨料粘结成一整体。在此过程中，水泥砂浆失水收缩变形远大于粗骨料的收缩变形。这种变形差使粗骨料受压，砂浆受拉，和其它应力分布(图)。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。,b. 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。c. 混凝土承受外力作用时，即
5、使作用的外力完全均布，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。以及界面的接触条件等。,d. 应力长期作用下，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。 e.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。 从微观上分析混凝土，必然是个非常复杂的、随机分布的三维应力(应变)状态，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。,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
6、发生相应的变形。从混凝土的组成和构造特点分析，其变形值由二部分组成：（1）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(图) 。,（2）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(图)。当卸载(应力)后，这部分变形一般不能恢复，出现残余变形。 （3）微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
7、发生裂缝。裂缝存在于粗骨料的界面和砂浆的内部。裂缝的不断形成和扩展，使拉变形很快增长。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。这些裂缝的增多、延伸和扩展，将混凝土分成多个小柱体(图)，纵向变形增大。在应力的下降过程个，变形仍继续增长；卸敛后大部分变形不能恢复(图）。,3）应力状态和途径对力学性能的巨大影响混凝土的单轴抗拉和抗压强度的比值约为1：10，相应的峰值应变之比约为1：20，都相 差一个数量级。两者的破坏形态也有根本区别。基本受力状态下的力学性能的巨大差别，使得混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏形态等有很大的变化范围；存在横向和纵向应
8、力(变)梯度的情况下，混凝土的强度和变形值将变化；,荷载(应力)的重复加卸和反复作用下，混凝土将产生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现象(2.3.1节)；多轴应力的不同作用途径，改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件，混凝土出现不同的力学性能反应。混凝土初应力状态和途径的不同而引起力学性能的巨大差异，当然是其材料特性和内部微结构所决定的。材料性能的差异足以对构件和结构的力学性能造成重大影响，在实际工程中不能不加以重视。,4）时间和环境条件的巨大影响 混凝土随水泥水化作用的发展渐趋成熟。水泥颗粒的水化作用由表及里逐渐深入，至龄期20年后仍末终止。混凝土成熟度的增加，表示了水泥和骨料的粘结强
9、度增大，水泥凝胶体稠化，粘性流动变形减小，因而混凝土的极限强度和弹性模量值都逐渐提高。但是，混凝土在应力的持续作用下，因水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的开展而产生的徐变与时俱增，使混凝土材料和构件的变形加大，长期强度降低。,混凝土周围的环境条件既影响其成熟度的发展过程，又与混凝土材料发生物理的和化学的作用。对其性能产生有利的或不利的影响。 环境温度和湿度的变化，在混凝土内部形成变化的不均匀的温度场和湿度场，影响水泥水化作用的速度和水分的散发速度，产生相应的应力场和变形场，促使内部微裂缝的发展，甚至形成表面宏观裂缝。在混凝上表面附近形成一碳化层且逐渐增厚；介质中的氯离子对水泥(和钢筋)的腐蚀作
10、用降低了混凝土结构的耐久件。,混凝土材料的这些特点（1 非匀质；2 复杂的微观内应力、变形和裂缝状态；3 变形的多元组成；4 应力状态和途径对力学性能的巨大影响；时间和环境条件的巨大影响），决定了其力学性能的复杂、多变和离散性，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出发，用理论研究的方法来解决混凝土的性能问题，来得到 准确而实用的结果是十分困难的。,另一方面，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
11、度的标准试件测定各项性能指标。经过总结、统计和分析后建立的破坏(强度)准则和本构关系，在实际工程中应用，就具有足够的准确性。尽管如此，了解和掌握混凝土的这些材性特点，对于深入理解和应用混凝土的各种力学性能和结构构件的力学反应至关重要，有助于以后各章内容的学习。,3. 受力破坏的一般机理,1） 实验分析仪器 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，实验证明：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，其宽度一般为(25)10-3，最大长度达12mm。,2）界面粘结裂缝 混凝土的凝固过程中，存在粗骨料
12、与水泥石的收缩差和不均匀温湿度场所产生的微观应力场，由于水泥砂桨和粗骨料表面的粘结强度只及水泥石抗拉强度的3565%，而粗骨料本身的抗拉强度远超过水泥石的强度。故当混凝土内微观拉应力较大时，首先在粗骨料的界面出现微裂缝，称界面粘结裂缝。,3）实验方法 试验采用方形板式试件(127mm x127mmx12.7mm)，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。试件用两种材料制作。理想试件用3种不同直径的圆形骨料(厚12.7mm)随机地埋入水泥石中(见图)，另一种为真实混凝土试件。两种试件的受力过程和观测结果相同。前者更具典型性。,试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂缝，
13、都出现在较大粗骨料的界面。 开始受力后直到极限荷载( )，混凝土的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作3个阶段：,(1) 微裂缝相对稳定期(/ max0.30.5 )混凝土的压应力较小，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。,（2）稳定裂缝发展期(/ max0.750.9)混凝土的应力增大后，原有的粗骨料界面裂缝逐渐延伸和增宽，其它骨料界面又出现新的粘结裂缝。一些界面裂缝的伸展，渐次地进入水泥石，或者水泥石中原有缝隙处的应力集力将水泥石拉断，产生少量
14、微裂缝。这一阶段，混凝土内微裂缝发展较多，变形增长较大。 但是，当荷载不再增大，微裂缝的发展亦将停滞，裂缝形态保持基本稳定。故荷载长期作用下，混凝土的变形将增大。但不会提前过早破坏。,(3)不稳定裂缝发展期（/ max 0.9)混凝土在更高的应力作用下，粗骨料的界面裂缝突然加宽和延伸，大量地进入水泥石中；水泥石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
15、发展，不再能保持稳定状态。纵向的通缝将试件分隔成数个小柱体，承载力下降而导致混凝土的最终破坏。,混凝土受压过程微观现象破坏机理 首先是水泥石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，加受拉和多轴应力状态下的破坏过程也与此相似。祥见以下各章。,结论 混凝土的强度远低于粗骨料本身的强度，当混凝土破坏后，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。,小结：,1.2 变形的多元组成骨料弹性变形水泥凝胶体的塑性流动为裂缝的形成与发展应力状态与途径对力学性能影响巨大时间与环境条件影响1.3 受力破坏机理应力与裂缝的发生与发展,2. 混凝土抗压强度,2.1 立方体抗压强度承压面的应力分布、破坏形态2.2 棱柱体试件受力与破坏过程2.3 受压应力应变全曲线曲线方程2.4 受拉应力应变与变形,
