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第2章混凝土结构材料的
物理力学性能
混凝土的物理力学性能
单轴向应力状态下的混凝土强度

虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态,但是单轴向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。

混凝土试件的大小和形状、试验方法和加载速率都影响混凝土强度的试验结果,因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。
1 混凝土的抗压强度
(1) 混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级
我国《混凝土结构设计规范》规定以边长为150mm的立方体为标准试件,标准立方体试件在(20±3)℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d,按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度,单位为“N/mm2”。
用上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80,共14个等级。例如,C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中,C50~C80属高强度混凝土范畴。
图2-1 混凝土立方体试块的破坏情况
(a)不涂润滑剂;(b) 涂润滑剂
(2) 混凝土的轴心抗压强度
混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。
图2-2 混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况
我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。
《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值,用符号fck表示,下标c表示受压,k表示标准值。
图2-3 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系
考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别,实际构件强度与试件强度之间将存在差异,《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值,轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定:
为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比,,,两者之间按直线规律变化取值。
为高强度混凝土的脆性折减系数,,,中间按直线规律变化取值。
。
2 混凝土的轴心抗拉强度
抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一,其标准值用ftk表示,下标t表示受拉,k表示标准值。混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。
图2-4 混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系
F——破坏荷载;
d——圆柱体直径或立方体边长;
l——圆柱体长度或立方体边长。
图2-5 混凝土劈裂试验示意图
(a)用圆柱体进行劈裂试验;(b)用立方体进行劈裂试验;
(c)劈裂面中水平应力分布
1—压力机上压板;2—弧形垫条及垫层各一条;3—试件;4—浇模顶面;5—浇模底面;6—压力机下压板;7—试件破裂线
复合应力状态下混凝土的强度
混凝土结构构件实际上大多处于复合应力状态,例如框架梁要承受弯矩和剪力的作用;框架柱除了承受弯矩和剪力外还要承受轴向力;框架节点区混凝土的受力状态就更复杂。同时,研究复合应力状态下混凝土的强度,对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。
图2-6 双向应力状态下混凝土的破坏包络图
图2-7 法向应力和剪应力组合的破坏曲线
A—轴心受拉;B—纯剪;C—剪压;D—轴心受压