第二章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1砼的物理力学性能
材料的力学性能指标包括：强度指标和变形性能指标。
本节内容
一、混凝土的组成结构
二、单向受力状态下的混凝土强度（重点） 三、复合受力状态下的混凝土强度 四、混凝土的变形性能 2.1.1 混凝土的组成结构
普通混凝土是由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材。
1、混凝土结构分为三种基本类型：
微观结构：即水泥石结构，由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学—矿物成分、粉磨细度、水灰比和硬化条件
亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构；可看作以水泥石为基相、砂子为分散相的二组分体系，砂子和水泥石的结合面是薄弱面。对于水泥砂浆结构，除上述决定水泥石结构的因素外，砂浆配合比、砂的颗粒级配与矿物组成、砂粒形状、颗粒表面特性及砂中的杂质含量是重要控制因素
宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。
与亚微观结构有许多共同点，因为这时可以把水泥砂浆看作基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的结合面也是薄弱面。 2、混凝土的内部结构特点
a) 混凝土是一种复杂的多相复合材料。其组份中的砂、石、水泥胶块中的晶体、未水
化的水泥颗粒组成了混凝土中错综复杂的弹性骨架，主要用它来承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点；
b) 水泥胶块中的凝胶、孔隙和结合界面初始微裂缝等，在外荷载作用下则使混凝土产
生塑性变形。
c) 混凝土结构中的孔隙、界面微裂缝等先天缺陷，往往是混凝土受力破坏的起源，而
微裂缝在受荷时的发展对混凝土的力学性能起着极为重要的影响。
2.1.2、单向受力状态下的混凝土强度
用途：是进行钢筋混凝土结构构件强度分析、建立强度理 论公式的重要依据。
1、立方体抗压强度 混凝土强度等级 立方体抗压强度是最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是依据混凝土立方体抗压强度标准制fcuk确定的。
（1）测定方法：以边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度值，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2
现《规范》根据强度范围，从C15~C60共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土，
（2）实验方法对混凝土立方体抗压强度的影响 a) 箍（机头）影响 b) 尺寸影响
c) 加载速度影响C30时，取每秒钟0.3～0.5N／mm2；混凝土强度等级高于或等于C30时，
取每秒钟0.5～0.8N／mm2，
d) 混凝土龄期影响混凝土的抗压极限强度随着试验时混凝土的龄期逐渐增长，开始时强度
增长的速度较快，后来逐渐减缓。 （3）尺寸效应
随着受压截面的增大，混凝土立方体抗压强度值减小。
2、混凝土轴心抗压强度（混凝土的棱柱体强度fc ，是其基本力学性能之一）
混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有关，而且也同它的形状有关。混凝土结构的实际情况，受压构件往往不是立方体，而是棱柱体，所以采用棱柱体试件(高度大于边长的试件称为棱柱体)比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。
轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，棱柱体试件高宽比一般h/b=2-3，我国通常取150mm×150mm×450mm的棱柱体试件，也常用100×100×300试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。
棱柱体抗压强fck度和立方体抗压强度fcu,k的关系（统计平均值）
考虑到实际结构构件制作、养护、受力情况与试件的差异，并主要照顾到多年来采用的数值等因素，《规范》中取用 fck?0.88?1?2fcu,k
式中：?1为棱柱体强度与立方体强度的比值，对混凝土强度等级为C50以下的取0.76；对C80取0.82，中间按直线内插计算。?2为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取
1.0，对C80取0.87，中间按内插计算，0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。
美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc'。
fc ??(0.79~0.81)fcu圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，3.混凝土受压破坏机理
粗骨料抗压强度为90N／mm2；砂浆抗压强度为48N／mm2 ；由这两种材料组成的混凝土抗压强度只有24 N／mm2，其原因必须从混凝土受压破坏的机理来剖析：混凝土内部是多层次的二相复合结构，在未受荷前由于收缩、湿热体积变化等原因就已存在初始的微裂缝，在外力作用下，混凝土的破坏过程是裂缝不断产生、扩展和失稳的过程。 混凝土破坏的三个阶段
I. 30％～40％极限抗压强度以内：此时只在试件内骨料和浆体结合面的某些孤立点上产生拉应力集中，当拉应力超过结合面粘结强度时，这些点就开裂，从而缓和了应力集中并恢复平衡。
II. 极限强度的70％～90％：裂缝缓慢稳定地发展着，若停止加载，裂缝扩展也就中止，所以也叫做稳定裂缝扩展阶段。由于不可恢复的变形明显增加，横向变形系数增大，其应力约为极限强度的70％～90％，通常称为临界应力。
III.破坏阶段：此后进入不稳定裂缝扩展阶段，即第Ⅲ阶段，裂缝数量和宽度均急剧增加，有的砂浆裂缝与粘结裂缝已连在一起，成为连续裂缝，应力再增加，混凝土内裂缝大量传播发展，骨料与水泥石之间的粘结作用基本丧失，大体连成与受荷作用方向平行的通缝，使混凝土被断裂成若干分离的小柱体，应力达到极限抗压强度
此过程可概括为：微裂缝的形成；裂缝扩展阶段；裂缝贯穿阶段。
混凝土的宏观破坏是裂缝累积的过程，是内部结构局部损伤到连续性遭受破坏(裂缝贯通)而导致整个体系解体而丧失承载能力的过程，决非组成相(粗骨料、砂浆)自身强度的耗尽。 4.混凝土的抗拉强度
是混凝土基本力学性能指标之三，用符号 ft 表示。
混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。混凝土轴心抗拉强度比立方强度小很多，只有立方强度的1／17～1／8，由于轴心受拉试验对中困难，常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。 2.1.3复合受力状态下的混凝土强度
实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。 1． 双轴应力状态。
在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 ~0.6之间，约为(1.25~1.60 )fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。
2。三轴应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。 3。局部抗压强度
局部受压强度fcl 比轴心抗压强度 fc 大很多，也是因为局部受压面积以外的混凝土对局部受压区域内部混凝土微裂缝产生了较强的约束。 2.1.4 混凝土的变形性能
混凝土的变形分为两类：一类称为混凝土的受力变形；另一类称为混凝土的体积变形。 混凝土的受力变形：
1．一次短期加荷的变形：混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。
混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。
（1）不同混凝土强度的应力应变，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。（图2-10） (2)混凝土受压应力—应变曲线关系的数学模型 Rusch的建议曲线
?2????2??? ??fc???0????0(2?8)??????0?0?????fc ?0????u(2?9)
◆Hognestad建议的应力-应变曲线 ◆《规范》应力-应变关系 上升阶段：???0，??fc[2???()2] ?0?0???0]
?cu??0下降阶段：?0????cu，??fc[1?0.15(3)混凝土三向受压的变形特点
如果混凝土试件横向处于约束状态，不但可以提高它的抗压强度，还可以大大提高其延性。工程上可以通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土。 箍筋的作用：
1． 螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高
2． 矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善 影响箍筋作用的因素：
⑴ 箍筋与内部混凝土的体积比； ⑵ 箍筋的屈服强度；
⑶ 箍筋间距与核心截面直径或边长的比值； ⑷ 箍筋直径与肢距的比值；
⑸ 混凝土强度，对高强混凝土的约束效果差一些
因此，了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。
从螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线中可以看出，当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。
在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒的目的。 （4）弹性模量测定方法
混凝土结构材料的物理力学性能资料
