Chapter 2 Structural Material
2.1 Materials for Concrete and Mix Proportions
2.1.1 Concrete Composition
Concrete is a mixture of aggregate，and often controlled amounts of entrained air held together by a hardened paste made from cement and water．Although there are other kinds of cement，the word cement in common usage refers to as portland cement. A chemical reaction between the portland cement and water causes concrete to harden to a stone-like condition．This reaction is called hydration. Hydration gives off heat，known as the heat of hydration．
Because hydration hardens concrete，freshly placed concrete submerged underwater will harden．When correctly proportioned，fresh concrete can be molded into nearly any size or shape. Upon hydration of the cement by the water，concrete becomes stone-like in strength，durability，and hardness．
Portland cement．Portland cement is the most commonly used modern hydraulic cement. In this case，the word hydraulic is the cements characteristic of holding aggregate together by using water or other low-viscosity fluids．Portland cement is a carefully proportioned and specially processed chemical combination of lime, silica, iron oxide, and alumina．
Water. Unless test or experience indicates that a particular water source is satisfactory, water should be free from acids, alkalis, oils, and organic impurities．
Aggregate. Inert filler materials(usually sand and stone or gravel)make up between 60 and 80 percent of the volume of normal concrete．Aggregate is often washed when impurities are found that can retard cement hydration or deteriorate the concretes quality. All aggregate is screened to ensure proper size gradation, because concrete differs from other cement-water-aggregate mixtures in the size of its aggregate．The aggregatersquo;s physical and chemical properties also affect concrete properties; aggregate size，shape，and grade influence the amount of water required．For example, limestone aggregate requires more water than marble aggregate of similar size．Aggregate surface texture influences the bond between the aggregate and the cement paste．In properly mixed concrete, the paste surrounds each aggregate particle and fills all spaces between the particles．The elastic properties of the aggregate influence the elastic properties of the concrete and the pastersquo;s resistance to shrinkage．Reactions between the cement paste and the aggregate can either improve or harm the bond between the two and consequently, the concretersquo;s quality．
Admixtures．Admixtures are added to the concrete mixture to accelerate or retard the initial set, improve workability, reduce water requirements, increase strength, improve durability, decrease permeability, and impart other properties．They usually cause a chemical reaction within the concrete. Admixtures are normally classified into accelerating admixture, self-retarding admixtures, air-entraining agents，plasticizers，fly ash，silica fume，color pigments，and miscellaneous materials．Many admixtures fall into more than one classification.
2．1．2 Desirable Concrete Property
1．Plastic Concrete
Plastic Concrete is a concrete in a relatively fluid state that is readily molded by hand，like a lump of modeling clay．A plastic mix keeps all the grains of sand and the pieces of gravel or stone encased and held in place．The degree of plasticity influences the quality and character of the finished product．
The workability of a concrete mix gives a measure of the ease with which fresh concrete can be placed and compacted．The concrete should flow readily into the form and go around and cover the reinforcement，the mix should retain its consistency and the aggregates should not segregate．A mix with high workability is needed where sections are thin and／or reinforcement is complicated and congested．
The main factor affecting workability is the water content of the mix．Plasticizer will increase workability．The size of aggregate，its grading and shape，the ratio of coarse to fine aggregate and the aggregate—to—cement ratio also affect workability to some degree．
2．Hardened Concrete.
Hardened Concrete is the end product of any concrete design. The essential properties that it must have are strength，durability, and watertightness.
Strength．The concretersquo;s ability to resist a load in compression, flexure, or shear is a measure of its strength．Concrete strength is largely determined by the ratio of water to cement in the mixture and curing condition.
Durability．Climate and weather exposure affect durability. Thus，the concretersquo;s abilities to resist the effects of wind，frost, snow, ice，abrasion, and the chemical reaction of soils or salts are a measure of its durability. As the water to cement ratio increases，durability decreases correspondingly.
Durability should be a strong consideration for concrete structures expected to last longer than five years．Air-entrained concrete has improved freeze-thaw durability．
Watertightness．Tests show that the watertightness of a cement paste depends on the water to cement ratio and the extent of the chemical-reaction process between the cement and water. The watertightness of air-entrained concrete is superior to that of nonair-entrained concrete.
The strength and deformation characteristics of concrete thus depend on the grade and type of cement，aggregates，admixtures， water to cement ratio, environmental conditions and curing．Plain concrete after preparation and placement needs curing to attain strength．The increase of strength with its age during curing is considered to be marginal after 28 days.
Plain concrete is very good in
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第二章 结构材料
2.1 混凝土材料及配比
2.1.1 混凝土组成
混凝土是骨料的混合物，通常在空气中由骨料和水一起搅拌形成硬化膏，经凝结硬化而成。虽然还有其他种类的水泥，但通常见到的水泥指的是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥和水之间的化学反应引起的混凝土坚硬如石头的状态，称为水化。水化发热，称为水化热。
由于混凝土的水化硬化作用，新浇混凝土水下会变硬。当比例正确时，新鲜混凝土可以被塑造成几乎任何尺寸或形状。经水水化的水泥，混凝土拥有像石头一样的强度、耐久性和硬度。
硅酸盐水泥.硅酸盐水泥是最常用的现代化水硬性水泥。在这种情况下,液压是通过水或其他低粘度的液体来控制水泥的特性。硅酸盐水泥是由石灰、二氧化硅、氧化铁和氧化铝经一定比例和特殊处理而形成的化学物。
水.除非试验或经验表明一个特定的水源是令人满意的,否则水中应有适酸、碱、盐和有机物。
骨料.惰性填充料(通常是砂、石或砾石)在混凝土中所占的体积约为60%~80%。当杂质被发现时应经常清洗骨料，这样可以延缓水泥水化或恶化混凝土的质量。用筛分法确定骨料的颗粒级配和粗细程度，因为混凝土不同于其他水泥-水-骨料混合物的粒径。骨料的物理和化学性能也将影响混凝土的性能；粒径、颗粒形状和级配影响所需水量。例如，石灰石骨料比粒径相似的大理石骨料需要更多的水。骨料表面特征影响骨料和水泥的和易性。适当比例的混凝土,水泥浆包裹集料表面和填充空隙。骨料的弹性性能影响混凝土的弹性性能和浆体的阻滞性。水泥浆体和骨料之间的反应可以改善或破坏他们的关系，以及混凝土的质量
外加剂.外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土的性能，改善混凝土拌合物和易性，减少水的要求，增加强度，提高耐久性，降低渗透率，并赋予其它特性。它们通常会导致混凝土内的化学反应，外加剂通常分为速凝剂、缓凝剂、引气剂、着色剂、增塑剂、粉煤灰、硅粉和矿物掺和料。许多外加剂落入多个分类。
2.1.2 理想混凝土的性能
1.塑性混凝土
塑性混凝土易于手工成型，像橡皮泥的一种流态混凝土。塑性混合使砂和碎石或石搅拌在一起。可塑性影响最终产品的质量和性能。
和易性是指混凝土拌合物易于施工操作并获得均匀质量、成型密实的混凝土性能。混凝土应该很容易流入并四散开来以覆盖加固，且混合物应保持其一致性使骨料不至分离。具有较高和易性的混合物它的拥挤或复杂的部分是需要削弱和/或加强的。
影响和易性的主要因素是水泥中水的含量。增塑剂会提高和易性。其骨料粒形、级配和砂率以及灰骨比也会在一定程度上影响和易性。
2.硬化混凝土
硬化混凝土是任何具体设计的最终产品。它必不可少的特性是强度、耐久性和水密性。
强度. 混凝土的抗压缩性、弯曲和剪切荷载能力是衡量其强度的标准。混凝土的强度在很大程度上取决于水灰比和固化条件。
耐久性.气候和天气影响耐久性。因此，混凝土的抗风、霜、雪、冰、磨损以及和 土壤或盐的化学反应能力是衡量其耐久性的标准。水灰比的增大时，耐久性相应降低。
对于混凝土结构来说耐久性是衡量其是否能使用超过五年的重要因素。加气混凝土能提高其耐冻融性。
水密性.测试表明，水泥的水密性取決于水灰比以及水与水泥间的化学反应程度。加气混凝土的水密性由于非加气混凝土。
混凝土的强度和变形特性取決于水泥的等级种类、骨料、外加剂、水灰比、环境条件和固化程度。普通混凝土制备安装后需要固化达到强度要求。固化周期达到28天后强度得以增加。
普通混凝土压缩性很好，但是拉伸性差。这就是为什么钢材被用作增强材料使得拉伸性可以持续。因此，适当的掺入钢材的普通混凝土被称作钢筋混凝土。
2.1.3 配比混凝土混合物
各个组成部分的混合比例使所产生的混凝土具有足够的强度、适当和易性，且成本低。使用最少的水泥用量，得到足够的性能。
比例混合设计使用的两种主要方法是试拌法和绝对体积法。混凝土的配料比例应将现有材料最经济的使用，生产出具有适当和易性，耐久性和强度的混凝土。基本关系已经建立且实验测试提供了最佳组合。被推荐的和典型的混凝土类型或种类将会决定如何配置混凝土配合比，影响因素包括：（1）水灰比，（2）骨料的类型和大小，（3）加气或不加气混凝土，（4）混合料的坍落度。
水灰比由强度、耐久性和硬化混凝土所需的水密性决定。强度，耐久性，水密性通常是由结构设计工程师指定，但初步配合比可以从以前的工作经验来暂时确定。记住，水灰比的改变会导致硬化混凝土性能的改变。除了水化需要水，还要用水润湿混凝土表面。随着水的加入，塑性和流动性增加（即，其和易性提高），但强度下降，因为游离水使得空隙体积变大。
骨料的级配越好，即体积空隙越小，越少的水泥浆体来填充这些空隙。细骨料用于填充粗集料颗粒之间的空隙并且增加了和易性。没有大的级配差距也没有总没有大的等级差距也没有超出尺寸的混合物能提供一个平滑的级配曲线从而得出最好的配合组合。
粗骨料可以使一个给定水泥含量的混凝土产生最大强度，这取决于骨料来源以及骨料形状和分级；因此，在大多数情况下，将减少总成本。在混凝土质量一定的情况下，粗骨料的尺寸越大，水泥浆体越少（水，水泥和夹带的空气）。骨料的最大粒径不超过结构截面的五分之一或不超过钢筋间最小净距的四分之三。对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不应超过三分之一的板厚。
2.2 混凝土的性能
2.2.1 抗压强度
1.立方体抗压强度
混凝土的立方体抗压强度，采用150mm的立方体标准尺寸试件养护28天后得到。图2.1显示了一个立方体试块抗压强度值理想化的正态分布。横轴表示抗压强度的值，这也被称为频率。抗压强度(平均强度)的平均值表示为f。特征强度被定义为混凝土的强度按照预期下降，且不超过5％的测试结果。其值比1.65sigma;低，sigma;指正态分布偏差值。
混凝土在其特征抗压强度基础上进行分级，以MPa表示。等级由一个字母“C”和一个从15到18的数字表示，特征强度在不同的国家有可能表示是不同的。
2. 棱柱抗压强度
混凝土棱柱抗压强度接近柱混凝土的轴心抗压强度。采用高宽比为3〜4的棱柱形样品进行测试。
2.2.2 抗拉强度
混凝土的抗拉强度可表示为：
1.轴向抗拉强度
它是由棱柱试件在张力作用下直接测量得到的（如图2.2A）。在确定混凝土真实的抗拉强度值时有很大的困难。轻微的偏差和应力集中对结果会有一定的影响。
下面的表达式给出了混凝土轴向拉伸强度的计算方法
2.劈裂抗拉强度
劈裂抗拉强度分割多维数据集测试的结果一定程度上反应了混凝土的拉伸强度，150毫米 混凝土立方体，和立方体抗压强度试验时使用的相同，被插入一个压缩试验机中。垫插在机器的压盘和立方体试块之间来均衡和分配压力。可以证明，在一个弹性立方体试块被如此加载时，一个几乎均匀的拉伸应力存在于装置平面上，相应地，如立方体，在测试时，被分为两半沿该平面几乎均匀的拉伸应力级，在应力，可以计算，其中P是破坏时所施加的压缩载荷，a为立方体的长度。
2.2.3 弹性模量
弹性模量是从棱镜片的低循环载荷试验确定。装载被限制到最大值为0.5F。装载—卸载循环反复进行5〜10次。参见图2.3.
弹性模量从低循环载荷试验得到以下公式
其中=弹性模量
=立方体抗压强度标准值
2.2.4 混凝土收缩
任何可行的混凝土配合比中含有的水比需要水化的水多。如果混凝土暴露于空气中，这个自由水很大一部分都会蒸发，干燥速率和完整性取决于环境温度和湿度条件。随着混凝土变干燥，体积收缩，可能是由于在剩余的水在混凝土中的表面张力。相反，如果在干燥混凝土浸泡在水中，它会膨胀，恢复收缩前的体积。收缩率，按一定的下降速度持续数月，根据构件的结构，在某些方面是对混凝土产生有害的属性。如果不能有效控制，它会造成影响美观的和有害的裂缝，如板、墙等超静定结构中（大多数混凝土结构）等，它可能会导致很大的有害应力。在预应力混凝土中，它会导致初始预应力部分损失。由于这些原因，收缩率被控制或最小化是至关重要的。
1.水泥和水含量对混凝土收缩的影响
水含量可能是影响浆体和混凝土收缩的最大因素。混凝土试件典型收缩率的值为5到1，集灰比为0.04， 0.06，0.075和水灰比的百分之0.085，水灰比为0.4,0.5,0.6和0.7。其中一个原因是，在不同的水灰比形成的密度和硅酸钙成分可能略有不同。一般来说，较高的水泥含量会增加混凝土的收缩。
水泥细度是在收缩率和比200号筛粗的颗粒，与水缓慢反应，有抑制作用的集料。因此，早期强度高的水泥，比正常的水泥缩小约百分之十。低热量和硅酸盐火山灰水泥进一步萎缩20%到53%，这被认为是有大量的硅酸钙等收缩成分存在于它们中才引起的。
2.骨料的成分和分级
如前所述，混凝土的干燥收缩率是纯水泥的一部分，因为骨料颗粒不仅稀释了水，而且还可以增强其收缩性。它已被证明，当易压缩骨料被使用时，混凝土将收缩尽可能多的纯水泥，并且会扩大页岩从而导致所收缩的比普通骨料多三分之一。另一方面，钢骨料导致收缩比普通混凝土少三分之一，一般来说，骨料的弹性性质决定了约束的程度。骨料的大小和级配不会影响的收缩的幅度，但使用粗骨料，从而增加混凝土的总体积的20％，会引起一个较低的收缩。增加粗骨料，将确保收缩的大幅下降。
3.外加剂的影响
可以预测水灰比对收缩率的影响，外加剂可以增加水的需求量、增加收缩，这些可以减少水的要求。氯化钙常被用作加速剂——水泥总量的2%——可以增加多达50%的干燥收缩。
在所有的影响中使用加气混凝土不会增加收缩。对于一些外加剂，如果用量比正常剂量稍多，会大幅增加收缩，但是必须进行护理。
2.2.5 混凝土的徐边
徐变是一种材料在一定的压力或负载下在相当长的时间内的缓慢变形。徐变过程的本质如图2.4所示。这种特殊的混凝土在28天之后，会产生瞬间变形，瞬间变形以弹性变形为主。如果相同的应力保持一段时间，由于徐变产生的附加应变可以被记录下来。如果卸去载荷，应变减小，立即由量等于在给定的年龄的弹性应变，这是一般低于弹性应变加载自弹性模量增加，在干预期间。这种瞬时恢复是随后在干预期间逐渐减少。这种瞬时恢复是由一个逐渐减少应变，称为徐变恢复。这种恢复是不完整的，因为徐变不是一个简单的可逆的现象。
徐变不包括因荷载引起的任何直接弹性应变或由于水分变化引起的任何收缩或膨胀。当一个具体的结构元件在负载下干燥时，发生的徐变是1到2倍，因为它将在恒定的水分条件下。添加正常的干燥收缩，并考虑到这样的事实：徐变可以是大的弹性应变加载时，可能会被认为这些因素可以导致相当大的挠度，并且在结构力学中，它们是非常重要的。
2.3 钢材料
2.3.1 钢性能
结构钢是一种重要的建筑材料。它具有的属性，如强度、刚度、韧性和延展性，是非常理想的现代建筑。
强度是由材料的屈服强度来衡量的，极限抗拉强度等级，或用Q235 Q345、Q390和Q420表示。单轴试样Q235钢的应力-应变曲线如图2.5所示。可以看出，极限应力（点A）和屈服应力（点B）是非常接近的，因此，两者之间的小差异可以忽略。应力-应变曲线也显示了一小段超出弹性极限，然后强度增加，由于应变硬化。在E点，出现缩颈现象且试样迅速断裂。
高强度钢材料的应力-应变曲线如图2.6所示。曲线上没有明显的屈服点，塑性流动几乎看不见。由0.2%的偏移应变方法确定的屈服应力。在试验中，试样突然断裂且没有明显的颈缩现象。
刚度是一种材料抵抗变形的能力，它被测量为材料的应力-应变曲线的斜率。不同的钢级的刚度不会有明显的变化，韧性是一种材料在破坏前吸收能量的能力，是材料在应力-应变曲线下的面积。
延性是一种材料在破坏前进行大塑性或塑性变形的能力。它是用单轴拉伸试验的试样的伸长百分数或减少率等方面进行测量，钢的延性是钢结构的重要属性，延性一般随钢强度的增加而降低。钢结构在断裂前发生变形使得不确定结构进行应力重新分配，延性也提高了结构的能量吸收特性，在抗震设计中具有十分重要的作用。
2.3.2 型钢
用于施工目的的结构钢一般分为几个主要的分类。
碳素钢：除铁，这类钢的主要成分是碳（最高含量为0.22%）和少量的锰、硅、铜。最常用的碳素结构钢Q235，具有极强的韧性，适用于螺栓和焊接。
低合金高强度钢：这类钢强度增强是由于一个或更多的合金元素如铬、铜、镍、硅、钒的存在，除铁、碳、锰元素的基本元素。正常情况下，所有合金元素总量在总成
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