四、混凝土的力学性能

❖ ❖
混非为线线弹凝线了处弹 性土性工理我的的程，性 模国应，设有模 量现力计三所量 。行－，种以定应故处，标义变常理混准为行对方凝指为应式土混定不力：的凝以完弹~土应应全性变的难 很遵模力曲以 低弹循量准 ，线性虎不=确 实的1克是模测 用/初3量 意定一量始f，义c律个pE阶应小时，恒h力。—段的定水作—－值加平近静。荷曲似力线割直是
❖ 水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和剪切 滑移；
❖ 在荷载作用下，凝胶体内的吸附水被挤出； ❖ 骨料的延后弹性变形 ； ❖ 过渡区裂缝的扩展或产生。
加荷后，水泥石首先变形，骨料上的应力 增大，骨料产生弹性变形——延后弹性变形
吸附水
徐变机理
吸附水排出 徐变
徐变的影响：
➢ 不利：
✓ 徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几 十年来生产的构件预应力损失达30～50%； ✓ 混凝土构件会产生随时间变化的挠度或变形。
❖ 复合作用下的变形 变形的负面影响
➢ 徐变
1、荷载作用下的变形
❖ 单轴受压时的应力－应变行为 ❖ 混凝土的弹性模量 ❖ 混凝土弹性模量与组成关系 ❖ 混凝土弹性模量的主要影响因素； ❖ 弹性模量与抗压强度的关系；
(1) 单轴受压时的应力－应变行为
❖ 在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹 性体，但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹 塑性体。
Summary
❖ 骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体， 在受压应力作用，既产生弹性变形，又产生塑性变形；
❖ 混凝土的弹性模量不是一个常数，工程应用中，一般用割线 弹性模量作为设计依据，其大小取决于水泥石和骨料的弹性 模量及其相对含量，以及界面状况；
❖ 在干燥状态下，混凝土内部水的损失，而引起干缩变形，它 与混凝土的组成、构件几何尺寸与形状、环境条件等有关；
❖ 水泥石和混凝土的收缩行为
➢ 水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀； ➢ 第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分是不可逆的，
即再次吸水不能恢复。 ➢ 试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀
值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。
❖ 混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约 束下的收缩将导致混凝土开裂。
➢ 水灰比 水灰比越小，泥 石弹性模量越高;
➢ 水泥水化度(龄期) 弹的 弹性模量随水化龄期不断增长;
➢ 空气含量 含气量越性大，弹性模量越低；
龄期(天)
➢ 矿物掺合料
模 量
➢ 含水状态 吸水饱和时的弹性模量大于干燥时的；
(GPa)
水灰比
水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响
影响混凝土弹性模量的因素
➢ 原点切线弹性模量 Eo = tan 1；
➢ 割线弹性模量 Eh = tan 2；
➢ 切线弹性模量 Et = tan 3。
原点切线
3
切线
只适用于切点处荷载变化 很小的范围内，工程意义 也不大
割线
1 2
(3)影响混凝土弹性模量的因素
❖ 单相匀质材料的弹性模量和密度有直接关系； ❖ 混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性模量取决
玄武岩 辉绿岩 辉长岩 白粒岩 石灰石 石英岩 蛇纹石 冻石
混凝土试件、水泥浆体和骨料的弹性模量
(4) 混凝土弹性模量与抗压强度的关系
❖ 混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混 凝土弹性模量应由试验测定；
❖ 一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大： 二者之间存在经验公式：
Ec ＝3.32( f ’cyl)0.5 + 6.9
❖ 特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形， 也产生塑性变形。
➢ 在较低应力(＜极限应力fcp的30%)下，以弹性 变形为主；
➢ 在较高应力(＞ fcp的30%)下，产生弹塑性变形， 应力水平越高，塑性变形量越大；
➢ 混凝土强度越低，塑性变形越大。
(2) 混凝土的弹性模量
❖ 弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性模量
❖ 影响因素
➢ 水泥品种
主要是矿物组成骨与料混与合未材水种化水类泥；颗粒的含量(%)
➢ 水灰比 随水灰比骨减料小和，未收水缩化增水泥大颗；粒含量对收缩值的影响
➢ 骨料及其体积分数
➢ 水泥用量 ➢ 外加剂
龄期(天)
水泥石内部相自对收湿缩度测随量龄装期置的变化
问题？
❖ 混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？ 解答：
于下列因素： ➢ 各物相的体积分数； ➢ 各物相的密度； ➢ 各物相的弹性模量 ➢ 界面过渡区的特性
混凝土弹性模量影响因素
❖ 混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性行为取决 于各个相的弹性行为：
➢ 未水化的水泥颗粒
➢ 水化物凝胶
水泥石
基体相
➢水
➢ 粗骨料 ➢ 细骨料
骨料
分散相
❖ 混凝土的弹性模量取决于下列4个要素：
(ACI 2000b)
式中： Ec ——混凝土弹性模量；
f’cyl —— 标准棱柱体试件28天抗压强度 该公式适用于抗压强度在21～83 MPa的混凝土
2、混凝土在非荷载作用下的变形
❖ 干燥收缩 ❖ 自收缩 ❖ 温度变形
(1) 湿胀干缩变形
❖ 定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形——湿胀 干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的 变化引起的。
❖ 加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形， 随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。
❖ 卸荷后，
➢ 一部分变形可恢复，称为弹性恢复；
➢ 其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复； ➢ 最后残留下来的变形成为不可逆徐变。 卸荷
弹性恢复
徐变变形
徐变恢复
弹性变形
不可恢复
加荷后的时间(天)
徐变产生的机理：
❖ 在与外界隔绝的条件下，由于水泥水化会引起混凝土内部自 干燥，而产生整体的自干缩变形；
❖ 在荷载长期作用下，混凝土会发生随时间增加的变形——徐 变，干燥会使徐变增大；
❖ 在约束条件下，混凝土发生的各种变形，可引起开裂。
(二) 混凝土的强度
Strength of Concrete
❖ 几个基本概念 ❖ 混凝土受压破坏机理 ❖ 决定混凝土强度的内在因素 ❖ 混凝土强度的影响因素
影响徐变的因素：
❖ 湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小； ❖ 环境湿度：湿度降低，徐变增大； ❖ 温度：温度升高，徐变增大，70C以上，使徐变降低； ❖ 骨料用量：体积含量增加，徐变减小； ❖ 骨料的特性：泊松比和弹性模量，弹模越大，徐变越小； ❖ 水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大； ❖ 水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小 ❖ 荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大 。
➢ 相同点：机理相似，水分损失、毛细张力等； ➢ 不同点：
水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变 化引起的，后者是由水泥水化引起的；
前者主要发生在表面层，而后者发生在整个 体积，尤其在中心部位更大。
(3) 温度变形
❖ 与其它材料一样，混凝土也具有热胀冷缩的 性质；
❖ 混凝土的热膨胀系数为1×10－5/C； ❖ 温度变形对大体积混凝土不利，因水泥水化
➢ 水泥用量 水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大；
➢ 用水量 水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。
➢ 水泥种类与细度 细度越细，干缩较大。
❖
良好养护可以减小收缩
干 缩
值
❖ 构件几何尺寸和形状 比
普通混凝 土范围
➢ 表面积与体积比值越大，收缩越大；
➢ 湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。
骨料的体积百分数(%)
➢ 水泥石的弹性模量Ep； ➢ 骨料的弹性模量Ea； ➢ 骨料的体积含量(或水泥石的体积含量)Vg。 ➢ 界面过渡区特性
影响混凝土弹性模量的因素
❖ 水泥石基体相的弹性模量
➢ 水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制：
Ep=E0(1－Pc)3，即孔隙率越大，弹性模量越低；
❖ 水泥石的孔隙率的影水响因素：
➢ 有利
✓ 徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小； ✓ 降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力 的结构中的应力峰值。
西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(主跨为241m)，由于徐变 使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成 不到20年后坍塌 (1996年)。
ຫໍສະໝຸດ Baidu四、混凝土的物理力学性质
Physical and Mechanical Properties of Hardened Concrete
主要内容
❖ 尺寸稳定性 包括弹塑性、徐变、体积变形等。
❖ 强度 包括抗压、抗拉和握裹强度等。
(一) 混凝土的尺寸稳定性
Dimensional Stability of Concrete
放热，造成内外温差较大，内外膨胀不均， 导致外部开裂； ❖ 混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系 数。
3、混凝土的徐变
❖什么是徐变？
在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随 时间而增加的变形称为徐变。
❖徐变曲线特征？ ❖徐变产生的机理？ ❖徐变对混凝土结构有何影响？ ❖影响徐变的因素有那些？
徐变曲线特征：
❖ 条件特征：与外界678000000环600境无水分交换；
❖ 产生的原因：
456000000收 缩400
❖ 特➢➢ 点水细水致泥管泥混：水压水凝收化力化土缩吸，物硬值收引的化随毛起体后龄细收积收期12324000000000000管缩小缩内值 之 比0而02部0中于——00增相0 的反——水加对外0水应自化.湿05泥，水.5加度分前干学0品早灰.5(剂%，各燥收种期比)1对.51使物收缩对.较对5 自1时.毛质缩；5自快自时间收间（时细的；收，收（天间3缩天）（3管体缩后缩）天3的）失积的期的影水和4影缓影.54响.45，，响慢.响5 产因。6生而66毛导
干燥收缩的危害
路面板、桥面板、机场道面、停车场 等暴露面积大且厚度较小的结构物干 缩最为显著；
当混凝土的干燥收缩受到约束时，将 导致裂缝，影响混凝土的强度和耐久 性。
混凝土干缩的影响因素
❖ 混凝土组成与配合比
➢ 混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，
干缩越小：c＝p (1-Vg)n (n＝1.2~1.7)
骨料体积含量对混凝土干缩的影响
(2) 自收缩
1000 1000
900
1800000 800
W/普C=通0.硅4(5W酸/C盐)e=0W/C=0中.3热5(W水/泥C)e=W0/.C0=405快.3硬0 铁铝(酸WW盐//CC)=e0=.02.057硫铝酸盐
自收自缩收（缩微（应微应 变变））
自收缩（微应变）
混凝土强度指标的重要性
❖ 在混凝土设计和质量控制中，一般以强度 作为评价的性能。
➢ 强度是土木工程结构对材料的基本要求；
➢ 混凝土的其它难以直接测量的主要性能，如弹 性模量、抗水性、抗渗性、耐久性都与强度有 直接关系，所以，可以由强度数据推断出其它 性能的好坏；
➢ 与其它许多性能相比，强度试验比较简单直观， 通过制作试件，对其进行强度试验，测得的试 件破坏时所能承受的最大内应力，即可计算得 出混凝土的强度。
三问硬：化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿
度变化)和外加荷载因素，因此有：
❖ 荷载各作种用变下的形变的形特征是什么(What)？
➢➢弹非这性弹些变性形变变形形是如何产生的(How)？
❖ 非荷影载响作这用下些的变变形形的因素有那些(Which)？
➢ 收缩变形
➢ 膨胀变形
引深思考：如何减小或消除这些
4、收缩与徐变对混凝土开裂的影响
❖ 混凝土的开裂受多种因素的影响
➢ 环境的物理与化学因素和荷载作用下的变形； ➢ 混凝土的延性、强度等性能； ➢ 变形受到约束的程度。
❖ 开裂条件：收缩与徐变的相互作用
➢ 收缩受到约束时，产生拉应力； ➢ 在一定持续应力下，混凝土会产生徐变，引起应力松弛，
导致应力随时间减小； ➢ 当徐变后的实际应力达到抗拉强度时，混凝土才会开裂。
❖ 骨料相的弹性模量
混凝土
➢ 骨料的孔隙率 骨料越密实，弹性模量水越泥高石基；体
弹 ➢ 粗骨料的体积含量 弹性模量高的粗骨骨料料越多，一般来说， 性 混凝土的弹性模量越高； 模❖ 界面过渡区特征 量 ➢ 空隙, 微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力－
应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。
(GPa)
混凝土的干缩机理
❖ 干缩来自材料内部水的损失，收缩值随着水的损失 变化的斜率不一致。
❖ 环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理： ➢ 毛细张力 毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因 大气水蒸气压降低而蒸发时，表面张力增加，产 生拉伸应力，使得孔壁受压而收缩； ➢ 分离压 水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁 间存在分离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损 失时，将降低孔壁的分离压，引起整体收缩； ➢ 层间可挥发水的迁移