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学习情境1
材料准备与进场验收
混凝土是由水、水泥和骨料（包括粗骨料和细骨料，粗骨料有碎石、卵石等；细骨料有粗砂、中砂、细砂等）等材料按一定配合比拌合、入模浇捣、养护硬化后形成的人工石材。
一、混凝土的强度
1．立方体抗压强度和强度等级
混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。
混凝土的立方体抗压强度是衡量混凝土强度大小的基本指标，是评价混凝土强度等级的标准。
1）立方体抗压强度的确定方法。
《规范》规定混凝土立方体抗压强度的确定方法：用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度20 ℃ ±3℃，相对湿度不小于90%）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15～0.3N/mm2）测得的具有95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。
2）混凝土强度等级。
《规范》规定的混凝土强度等级，是按立方体强度标准值（即有95%超值保证率）确定的，用“C”表示，规范中列出14个等级，即：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母C后面的数字表示以 为单位的立方体抗压强度标准值。
3)影响强度试验的因素。
尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，强度较低。
加载速度：加载速度越快，强度越低。
端部约束：涂润滑油，强度降低。
2．混凝土的轴心抗压强度（棱柱体强度）
用标准棱柱体试件测定的混凝土抗压强度，称
为混凝土的轴心抗压强度或棱柱体强度，用符号 表示。
采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。在钢筋混凝土结构中，进行受弯构件、受压构件以及偏心受拉构件的承载力计算时，要采用混凝土的轴心抗压强度作为设计指标。
国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》
（CBJ81—85）规定以150㎜×150㎜×300㎜的试件作为试验混凝土轴心抗压强度的标准试件。
1.混凝土的轴心抗拉强度
混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般只有抗压强度的1/18～1/9。因此，在钢筋混凝土结构中，一般不采用混凝土承受拉力。。但进行混凝土以及预应力混凝土构件的抗裂度和裂缝宽度计算时，需要知道混凝土的抗拉强度，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。混凝土的轴心抗拉强度用 表示。
混凝土抗拉强度的测定方法分为两类：一类为直接测试法，另一类为间接测试方法，如劈裂试验等。
拉
压
压
混凝土的轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k之间具有以下对应关系：
(3-2)
δ——混凝土强度变异系数
二、混凝土的变形
一类是由于荷载作用而产生的变形:
1)一次短期加荷时的变形。
2)荷载长期作用下的变形。
一类是非荷载作用下的变形：
1）混凝土的化学收缩。
2）混凝土的干湿变形。
3）混凝土的温度变形等。
1．混凝土在短期荷载作用下的变形
（1）混凝土在短期荷载作用下的的应力-应变曲线
混凝土在单轴短期单调加载过程中的应力-应变关系（σ-ε曲线）是混凝土最基本的力学性能之一，它是研究钢筋混凝土构件强度、裂缝、变形、延性所必须的依据。
（1）混凝土在短期荷载作用下的的应力-应变曲线
混凝土的应力-应变曲线通常用棱柱体试件进行测定，在试件的四个侧面安装应变仪测读纵向压应变的变化，如图所示为轴心受压混凝土典型的应力-应变曲线，图中几个特征阶段如下：
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
A
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，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.3~0.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。
B
C
E
D
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
B
A
A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形（expansion）增加 。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。
C
E
D
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
B
A
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sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。
C
E
D
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
B
A
C
E
D
达到C点 fc，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 e 0，约为0.002。
纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
B
A
C
E
D
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。
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
B
A
C
E
D
混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e = (2~3) e 0，应力s = (0.4~0.6) fc。
0
2
4
6
8
10
20
30
s
(MPa)
e
×
10
-3
B
A
C
E
D
E点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强度，约为(0.1~0.4) fc。
从混凝土应力-应变曲线可以看出：混凝土的应力-应变关系图形是一条曲线，这说明混凝土是一种弹塑性材料，只有当压应力很小时，才可将其视为弹性材料。曲线分为上升段和下降段，说明混凝土在破坏过程中，承载力有一个从增加到减少的过程，当混凝土的压应力达到最大时，并不意味着立即破坏。因此，混凝土最大应变对应的不是最大应力，最大应力对应的也不是最大应变。
影响混凝土应力-应变曲线形状的因素很多，如混凝土强度、组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况等。
试验表明不同强度的混凝
土，对应力-应变曲线上升
段的影响不大，压应力的
峰值对应的应变值大致约
为0.002。对于下降段，混
凝土强度越高，应力下降
越剧烈，也即延性越差。
而强度较低的混凝土，曲
线的下降段较平缓，也即
低强度混凝土的延性要好些。
不同强度混凝土的应力-应变关系曲线
试验表明，加荷速度对混凝土的应力-应变曲线也有影响。随着加荷速度的增加,最大应力值也增加，但到达最大应力值的应变小了，也使曲线的下降比较陡峭。
试验还表明，横向钢筋的约束作用对混凝土的应力-应变曲线也有较明显的影响。随着配箍量的增加及箍筋的加密，混凝土应力-应变曲线的峰值不仅有所提高，而且峰值应变的增大，及曲线下降段的下降减缓都比较明显。在这里横向钢筋实际上起到了侧向约束的作用，构件已处于多项应力状态。承受地震作用的构件，采用加密箍筋的方法不仅可使混凝土强度有所提高，而且可以有效地提高混凝土构件的延性。
（2）混凝土的弹性模量和变形模量
1）弹性模量。
弹性模量反映了材料受力后的应力-应变性质。当应力较小时，混凝土具有弹性性质，混凝土在这个阶段的的弹性模量可用应力-应变曲线过原点切线的正切表示（图1.13），称为初始弹性模量（简称弹性模量）。
（2）混凝土的弹性模量和变形模量
2）变形模量。
严格说来，当混凝土进入塑性阶段后，初始弹性模量已不能反应这时的应力-应变性质。因此有时用切线模量和割线模量来表示这时的应力应变性质。
切线模量 ：过某一点切线的斜率。
割线模量 ：某一点与原点连线的斜率。
割线模量 切线模量
割线模量表示了曲线上某点总应力与总应变之比，而总应变包括弹、塑性变形，所以割线模量也称为混凝土的变形模量。
（2）混凝土的弹性模量和变形模量
图1.13 混凝土弹性模量及变形模量
混凝土受拉弹性模量与受压时基本一致，因此可取相同值。
泊松比：横向应变与纵向应变之比称为泊松比。
剪切弹性模量
影响混凝土剪切弹性模量的因素一般认为与弹性模量相似，可按我国规范所给的混凝土弹性模量的0.4倍采用，相当于取ν=0.2。
三、混凝土的徐变和收缩
（1）混凝土的徐变
1）徐变的过程。
概念：混凝土在荷载长期作用下产生随时间而增长的变形称为徐变。
影响：徐变会造成结构的内力重分布，会使变形增大，会引起预应力损失，在高应力作用下，还会导致构件破坏。
过程：随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（70~80）%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。
如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变 ‘小于加载时的瞬时弹性应变
。再经过一段时间后，还有一部分应变 ''可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变
（1）混凝土的徐变
（1）混凝土的徐变
2）影响徐变的因素。
内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。
环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。
（1）混凝土的徐变
3）徐变对构件的影响。
钢筋混凝土轴心受压构件在不变荷载的长期作用下，混凝土将产生徐变。由于钢筋与混凝土的粘结作用，两者共同变形，混凝土的徐变将迫使钢筋的应变增大，钢筋应力也相应增大；但外荷载保持不变，由平衡条件可知，混凝土的应力必将减少，这样就产生了应力重分布，使得构件中钢筋和混凝土的实际应力和设计计算时所得出的数值不一样。
徐变使受弯构件和偏压构件变形增大。
在轴压构件中，徐变使钢筋应力增加，混凝土应力减小。
在预应力构件中，徐变使预应力发生损失；在超静定结构中，徐变使内力发生重分布。
四、混凝土的徐变和收缩
(2)混凝土的收缩
1）收缩的过程。
混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土在水中结硬时体积会膨胀。收缩和膨胀是混凝土在不受力情况下因体积变化而产生的变形。
通常认为混凝土的收缩是由凝胶体本身的体积收缩（即凝结）和混凝土因失水产生的体积收缩（即干缩）所组成。混凝土的收缩在早期发展较快，以后逐渐放慢（图1.15），整个收缩过程可延续2年以上，最后趋于一个最终收缩值。
图1.15 混凝土的收缩
2）影响收缩的因素。
　　　混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。
水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。
骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。
干燥失水及高温环境，收缩大。
小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。
高强混凝土收缩大。
影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。
在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响——施工缝。
3）收缩对构件的影响。
　　　当混凝土不能自由收缩时，会在混凝土内产生拉应力而引起裂缝。在钢筋混凝土构件中，由于钢筋限制了混凝土的部分收缩，使构件的收缩变形比混凝土的自由收缩要小一些。钢筋与混凝土之间存在粘结作用，粘结应力使钢筋随混凝土缩短而受压，其反作用力相当于将自由收缩的混凝土拉长，使混凝土受拉，当混凝土收缩较大，构件结构截面配筋又较多时，会使混凝土构件产生收缩裂缝。混凝土的膨胀数值一般较小，对结构的危害也不大。
混凝土的选用原则
钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不应低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。
预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用碳素钢丝、钢铰线、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。

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