[工學(xué)]高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)-02混凝土的力學(xué)性能(已修改)
2025-04-23 22:13 本頁(yè)面
【正文】 第二章 混凝土的力學(xué)性能 混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。 作 用：作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主體，一是自身承擔(dān)較的大的荷載；二是容納和維護(hù)各種構(gòu)造的鋼筋，組成合理的組合性結(jié)構(gòu)材料。 特 點(diǎn)：非彈性、非線性、非勻質(zhì)材料，較大離散性。 混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，經(jīng)過(guò)硬化后形成的人工石。其為一多相復(fù)合材料，其質(zhì)量的好壞與材料、施工配合比、施工工藝、齡期、環(huán)境等諸多因素有關(guān)。 第 1章 基本力學(xué)性能 第一節(jié) 混凝土的變形及破壞機(jī)理 一 . 材料的組成和內(nèi)部構(gòu)造 通常把混凝土的結(jié)構(gòu)分為三種類型： Ａ .微觀結(jié)構(gòu)： 也即水泥石結(jié)構(gòu)，包括水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成。 Ｂ .亞微觀結(jié)構(gòu)： 即混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu)。 Ｃ .宏觀結(jié)構(gòu)： 即砂漿和粗骨料兩組分體系。 宏觀結(jié)構(gòu) 亞微觀結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu) 粗骨料（分散相） 水泥石 （基相） 細(xì)骨料（分散相） 砂漿 （基相） 晶體骨架 晶體 帶核凝膠體 干縮 孔隙 凝縮 氫氧化鈣 凝膠體 混凝土組成結(jié)構(gòu) 晶體骨架： 由完全水化的水泥結(jié)晶體和骨料組成，承受外力，具有彈性變形特點(diǎn)。 塑性變形： 在外力作用下由凝膠、孔隙、微裂縫產(chǎn)生。 破壞起源： 孔隙、微裂縫等原因造成。 PH值： 由于水泥石中的氫氧化鈣存在，混凝土偏堿性。 由于水泥凝膠體的硬化過(guò)程需要若干年才能完成，所以，混凝土的強(qiáng)度、變形也會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，變形逐漸加大 。 由于混凝土材料的非均勻微構(gòu)造 、 局部缺陷和離散性較大而極難獲得精確的計(jì)算結(jié)果 。 因此 ， 主要討論混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)反應(yīng) ， 即混凝土結(jié)構(gòu)在一定尺度范圍內(nèi)的平均值 。宏觀結(jié)構(gòu)中混凝土的兩個(gè)基本構(gòu)成部分 ， 即粗骨料和水泥砂漿的隨機(jī)分布 ， 以及兩者的物理和力學(xué)性能的差異是其非勻質(zhì) 、 不等向性質(zhì)的根本原因 。 粗骨料和水泥漿體的物理力學(xué)性能指標(biāo)的典型值 施工和環(huán)境因素引起混凝土的 非勻質(zhì)性 和 不等向性 ：例如澆注和振搗過(guò)程中 ， 比重和顆粒較大的骨料沉入構(gòu)件的底部 ， 而比重小的骨料和流動(dòng)性大的水泥砂漿 、 氣泡等上浮 ， 靠近構(gòu)件模板側(cè)面和表面的混凝土表層內(nèi) ， 水泥砂漿和氣孔含 量 比內(nèi)部的多；體積較大的結(jié)構(gòu) ， 內(nèi)部和表層的失水速率和含水 量 不等 ， 內(nèi)外溫度差形成的微裂縫狀況也有差別；建造大型結(jié)構(gòu)時(shí) ， 常需留出水平的或其它形狀的施工縫 …… 。 當(dāng)混凝土承受不同方向 （ 即平行 、 垂直或傾斜于混凝土的澆注方向 ） 的應(yīng)力時(shí) ， 其強(qiáng)度和變形值有所不同 。 例如對(duì)混凝土立方體試件 ， 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法規(guī)定沿垂直澆注方向加載以測(cè)定抗壓強(qiáng)度 ， 其值略低于沿平行澆注方向加載的數(shù)值 。 再如 ， 豎向澆注的混凝土柱 ， 截面上混凝土性質(zhì)對(duì)稱 ， 而沿柱高兩端的性質(zhì)有別；臥位澆注的混凝土柱 ， 情況恰好相反 。 這兩種柱在軸力作用下的強(qiáng)度和變形也將不等 。 澆注方向 N N 澆注方向 N N ≤ 混凝土的材料組成和構(gòu)造決定其 4個(gè)基本受力特點(diǎn) : 1． 復(fù)雜的微觀內(nèi)應(yīng)力 、 變形和裂縫狀態(tài) 將一塊混凝土按比例放大 ， 可以看作是 由粗骨料和硬化水泥砂漿等兩種主要材料構(gòu)成的不規(guī)則的三維實(shí)體結(jié)構(gòu) ， 且具有非勻質(zhì) 、 非線性和不連續(xù)的性質(zhì) 。 混凝土在承受荷載 （ 應(yīng)力 ） 之前 ， 就已經(jīng)存在復(fù)雜的微觀應(yīng)力 、 應(yīng)變和裂縫 ， 受力后更有劇烈的變化。 在混凝土的凝固過(guò)程中 ， 水泥的水化作用在表面形成凝膠體 ， 水泥漿逐漸變稠 、 硬化 ， 并和粗細(xì)骨料粘結(jié)成一整體 。 在此過(guò)程中 ， 水泥漿失水收縮變形遠(yuǎn)大于粗骨料的 。 此收縮變形差使粗骨料受壓 ， 砂 漿 受拉 。 這些應(yīng)力場(chǎng)在截面上的合力為零 ， 但局部應(yīng)力可能很大 ， 以至在骨料界面產(chǎn)生微裂縫 。 粗骨料和水泥砂槳的熱工性能 （ 如線膨脹系數(shù) )有差別 。 當(dāng)混凝土中水泥產(chǎn)生水化熱或環(huán)境溫度變化時(shí) ， 兩者的溫度變形差受到相互約束而形成溫度應(yīng)力場(chǎng) 。 壓力 拉力 當(dāng)混凝土承受外力作用時(shí) ， 即使作用應(yīng)力完全均勻 ， 混凝土內(nèi)也將產(chǎn)生不均勻的空間微觀應(yīng)力場(chǎng) 。 在應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下 ， 水泥砂漿和粗骨料的徐變差使混凝土內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布 ， 粗骨料將承受更大的壓應(yīng)力 。 所有這些都說(shuō)明， 從微觀上分析混凝土，必然要考慮非常復(fù)雜的、隨機(jī)分布的三維應(yīng)力（應(yīng)變）狀態(tài) 。 其對(duì)于混凝土的宏觀力學(xué)性能，如開裂，裂縫開展，變形，極限強(qiáng)度和破壞形態(tài)等，都有重大影響。 混凝土內(nèi)部有不可避免的初始?xì)饪缀涂p隙，其尖端附近因收縮、溫度變化或應(yīng)力作用都會(huì)形成局部應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力分布更復(fù)雜，應(yīng)力值更高。 2. 變形的多元組成 從砼的組成和構(gòu)造特點(diǎn)分析 ， 其變形值由 3部分組成： ⑴ 骨料的彈性變形 占混凝土體積絕大部分的石子和砂 ， 本身的強(qiáng)度和彈性模量值均比其組成的混凝土高出許多 。 即使混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度值時(shí) ， 骨料并不破碎 ， 變形仍在彈性范圍以內(nèi) ， 即 變形與應(yīng)力成正比 ， 卸載后變形可全部恢復(fù) ， 不留殘余變形 。 ⑵ 水泥凝膠體的粘性流動(dòng) 水泥經(jīng)水化作用后生成的凝膠體 ， 在應(yīng)力作用下除了即時(shí)產(chǎn)生的變形外 ， 還將隨時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生緩慢的粘性流 （ 移 ） 動(dòng) ，混凝土的變形不斷地增長(zhǎng) ， 形成塑性變形 。 當(dāng)卸載后 ， 這部分變形一般不能恢復(fù) ， 出現(xiàn)殘余變形 。 ⑶ 裂縫的形成和擴(kuò)展 在拉應(yīng)力作用下 ， 混凝土沿應(yīng)力的垂直方向發(fā)生裂縫 。 在壓應(yīng)力作用下 ， 混凝土大致沿應(yīng)力平行方向發(fā)生縱向劈裂裂縫 ， 穿過(guò)粗骨料界面和砂漿內(nèi)部 。 在應(yīng)力的下降過(guò)程中 ， 變形仍繼續(xù)增長(zhǎng) ， 卸載后大部分變形不能恢復(fù) 。 后兩部分變形成分，不與混凝土的應(yīng)力成比例變化，且卸載后大部分不能恢復(fù)，一般統(tǒng)稱為 塑性變形 。 不同原材料和組成的混凝土，在不同的應(yīng)力水平下，這三部分變形所占比例有很大變化。 ① 當(dāng)混凝土應(yīng)力較低時(shí)，骨料彈性變形占主要部分，總變形很小 ； ② 隨應(yīng)力的增 大，水泥凝膠體的粘性流動(dòng)變形逐漸加速增長(zhǎng) ； ③ 接近混凝土極限強(qiáng)度時(shí)，裂縫的變形才明顯顯露，但其數(shù)量級(jí)大，很
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