混凝土的变形性能

第七节　混凝土的变形性能

混凝土在凝结、硬化和使用过程中，由于受物理、化学及力学等因素的影响，常会发生各种变形，这些变形是导致混凝土产生裂缝的主要原因之一，从而影响混凝土的强度及耐久性。混凝土的变形通常有以下几种。

一、化学减缩

混凝土在硬化过程中，由于水泥水化生成物的固相体积，小于水化前反应物的总体积，从而致使混凝土产生体积收缩，此称化学减缩（chemical　shrinkage）。混凝土的化学收缩是不能恢复的，其收缩量随混凝土硬化龄期的延长而增加，一般在40 d内渐趋稳定。混凝土的化学收缩值很小（小于0.01%），对混凝土结构物没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细裂缝。

二、塑性收缩

混凝土在硬化之前，尚处于塑性阶段时产生的体积缩小，称为塑性收缩。塑性收缩易导致塑性裂缝的形成。通常混凝土板等暴露面积较大的构件在混凝土硬化之前易产生塑性收缩并开裂。当新拌混凝土表面的水分蒸发速率大于因泌水而导致的内部水分上升速率时，新拌混凝土表面将快速干燥，此时混凝土的抗拉强度小，因不足以抵抗塑性收缩产生的拉应力而开裂。塑性收缩裂缝通常相互平行，裂缝深度约25～30 mm，裂缝间距在0.3～1 m。

新拌混凝土的泌水、分层、离析，因环境温度高、湿度小、风速大等导致的水分蒸发快等均易导致塑性收缩开裂。防止塑性收缩开裂可以采取以下措施：混凝土浇注前润湿底层和模具；将干燥的骨料在使用前进行预润湿；挡风；在新拌混凝土浇注入模后尽快进行表面覆盖塑料膜或进行喷雾、喷养护剂等养护；在新拌混凝土中添加少量的低弹性模量的有机纤维，如聚丙烯纤维等。

三、干缩与湿胀

混凝土因周围环境的湿度变化，会产生干缩与湿胀（drying　shrinkage　and　swelling）变形，这种变形是由于混凝土中水分的变化所致。混凝土中的水分为自由水（即孔隙水）、毛细管水及凝胶粒子表面的吸附水等三种，当后两种水发生变化时，混凝土就会产生干湿变形。

当混凝土在水中硬化时，由于凝胶体中的胶体粒子表面的吸附水膜增厚，胶体粒子间距离增大，这时混凝土会产生微小的膨胀，这种湿胀对混凝土无危害影响。

图6－29　混凝土的湿胀干缩变形

当混凝土在空气中硬化时，首先失去自由水，继续干燥时则毛细管水蒸发，这时将使毛细孔中负压增大而产生收缩力。再继续受干燥则吸附水蒸发，从而引起胶体失水而紧缩。以上这些作用的结果就致使混凝土产生干缩变形。干缩后的混凝土若再吸水变湿时，其干缩变形大部分可恢复，但有30%～50%是不可逆的。混凝土的干缩变形对混凝土危害较大，它可使混凝土表面产生较大的拉应力而引起许多裂纹，从而降低混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀等耐久性能。混凝土的湿胀干缩变形见图6－29所示。

根据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》（GB／T　50082—2009）规定，混凝土的干缩变形是用100 mm×100 mm×515 mm的标准试件，在规定试验条件下测得的干缩率来表示的，其值可达（3～5）×10^－4。用这种小试件测得的混凝土干缩率，只能反映混凝土的相对干缩性，而实际构件的尺寸要比试件大得多，又构件内部的干燥过程较为缓慢，故实际混凝土构件的干缩率远较试验值小。结构设计中混凝土干缩率取值为（1.5～2.0）×10－4，即每米混凝土收缩0.15～0.20 mm。

影响混凝土干缩变形的因素很多，主要有以下几方面：

（1）水泥的用量、细度及品种的影响。由于混凝土的干缩变形主要由混凝土中水泥石的干缩所引起，而骨料对干缩具有制约作用，因此在水灰比不变的情况下，混凝土中水泥浆量愈多，混凝土干缩率就愈大。水泥颗粒愈细，干缩也愈大。采用掺混合材料的硅酸盐水泥配制的混凝土，比用普通水泥配制的混凝土干缩率大，其中火山灰水泥混凝土的干缩率最大，粉煤灰水泥混凝土的干缩率较小。

（2）水灰比的影响。当混凝土中的水泥用量不变时，混凝土的干缩率随水灰比的增大而增加，塑性混凝土的干缩率较干硬性混凝土大得多。混凝土单位用水量的多少，是影响其干缩率的重要因素。一般用水量平均每增加1%，干缩率约增大2%～3%。

（3）骨料质量的影响。混凝土所用骨料的弹性模量较大，则其干缩率较小。混凝土采用吸水率较大的骨料，其干缩较大。骨料的含泥量较多时，会增大混凝土的干缩性。骨料最大粒径较大、级配良好时，由于能减少混凝土中水泥浆用量，故混凝土干缩率较小。

（4）混凝土施工质量的影响。混凝土浇筑成型密实、并延长湿养护时间，可推迟干缩变形的发生和发展，但对混凝土的最终干缩率无显著影响。采用湿热养护混凝土，可减小混凝土的干缩率。

四、温度变形

混凝土和其他材料一样，也会随着温度的变化而产生热胀冷缩变形。混凝土的温度膨胀系数在（0.6～1.3）×10^－5／℃之间，一般取1.0×10^－5／℃，即温度每改变1℃，1 m长的混凝土将产生0.01 mm的膨胀或收缩变形。混凝土的温度变形（thermal　deformation）对大体积混凝土（指最小边尺寸在1 m以上的混凝土结构）、纵长的混凝土结构及大面积混凝土工程等极为不利，易使这些混凝土造成温度裂缝。

混凝土是热的不良导体，传热很慢，因此在大体积混凝土硬化初期，由于内部水泥水化放热而积聚较多热量，造成混凝土内外温差很大，有时可达40～50℃，从而导致混凝土内部热胀大大超过混凝土表面的膨胀变形，使混凝土表面产生较大拉应力而遭开裂破坏。为此，大体积混凝土施工常采用低热水泥，并掺加缓凝剂及采取人工降温等措施。

对纵长的混凝土结构和大面积混凝土工程，为防止其受大气温度影响而产生开裂，常采取每隔一段距离设置一道伸缩缝，以及在结构中设置温度钢筋等措施。

五、在荷载作用下的变形

（一）混凝土在短期荷载作用下的变形

1.混凝土的弹塑性变形

混凝土是一种多相复合材料，它是一种弹塑性体。混凝土在静力受压时，其应力（σ）与应变（ε）之间的关系见图6－30所示。由图可知，当在A点卸荷时，应力－应变曲线为弧线，卸荷后弹性变形（ε弹）恢复了，而残留下塑性变形（ε塑）。普通混凝土的应力与应变的比值随着其应力的增大而减小。

2.混凝土弹性模量的测定

由于混凝土是弹塑性体，故要准确测定其弹性模量并非易事，但可间接地求其近似值。即在低应力（轴心抗压强度f_cp的30%～50%）下，随着荷载重复次数的增加（3～5次），混凝土的塑性变形的增量逐渐减少，最后得到一条应力－应变曲线只有很小的曲率，几乎与初始切线（混凝土最初受压时的应力－应变曲线在原点的切线）相平行，如图6－31中，由此就可测得混凝土的静力受压弹性模量，严格地讲，称混凝土割线弹性模量。

图6－30　混凝土在压力作用下的应力－应变曲线

图6－31　混凝土在低应力重复荷载下的应力－应变曲线

按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081—2002）规定，混凝土弹性模量的测定，是采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，取其轴心抗压强度（f_cp）值的40%作为试验控制应力荷载值，经3次以上反复加荷和卸荷后，测得应力与应变的比值，即为混凝土的弹性模量，它在数值上与tanα相近。混凝土的弹性模量随混凝土强度的提高而增大，二者存在密切关系。通常当混凝土强度等级在C10～C60时，其弹性模量在（1.75～3.60）×10⁴MPa。混凝土的弹性模量具有重要的实用意义，在结构设计中当计算钢筋混凝土的变形、裂缝开展及大体积混凝土的温度应力时，都需要用到混凝土的弹性模量。

混凝土的弹性模量受很多因素的影响，主要有以下几方面：

（1）当混凝土中水泥浆用量较少，即骨料用量较多时，混凝土弹性模量较大。如干硬性混凝土的弹性模量较塑性混凝土大；

（2）当混凝土所用骨料的弹性模量较大时，则混凝土的弹性模量也较大；

（3）早期养护温度较低的混凝土具有较大的弹性模量。因此相同强度的混凝土，经蒸汽养护的比在标准条件下养护的混凝土弹性模量要小；

（4）引气混凝土的弹性模量较普通混凝土约低20%～30%；

（5）试验时湿试件测得的混凝土弹性模量，比干试件测得的要大。

（二）混凝土在长期荷载作用下的变形

混凝土在长期荷载作用下会发生徐变（creep）现象。混凝土的徐变是指其在长期恒定荷载作用下，随着时间的延长，沿着作用力的方向发生的变形，一般要延续2～3年才逐渐趋向稳定。这种随时间而发展的变形性质，称为混凝土徐变。混凝土不论是受压、受拉或受弯时，均会产生徐变现象。混凝土在长期荷载作用下，其变形与持荷时间的关系如图6－32所示。

图6－32　混凝土的应变与持荷时间的关系

由图可知，当混凝土受荷后立即产生瞬时变形，这时主要为弹性变形，随后则随受荷时间的延长而产生徐变变形，此时以塑性变形为主。当作用应力不超过一定值时，这种徐变变形在加荷初期较快，以后逐渐减慢，最后渐行停止。混凝土的徐变变形为瞬时变形的2～3倍，徐变变形量可达（3～15）×10^－4，即0.3～1.5 mm／m。混凝土在长期荷载下持荷一定时间后，若卸除荷载，则部分变形可瞬时恢复，接着还有少部分变形将在若干天内逐渐恢复，此称徐变恢复，最后留下的是大部分不能恢复的残余变形。

混凝土产生徐变的原因，一般认为是由于在长期荷载作用下，水泥石中的凝胶体产生黏性流动，向毛细管内迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透所致。混凝土的徐变与很多因素有关，但可认为，混凝土徐变是其水泥石中毛细孔相对数量的函数，即毛细孔数量越多，混凝土的徐变越大，反之则小。因此对于硬化龄期愈长、结构愈密实、强度越高的混凝土，其徐变愈小。当混凝土在较早龄期加载时，产生的徐变较大；水灰比较大的混凝土徐变也较大；混凝土中骨料用量较多者徐变较小，混凝土所用骨料弹性模量较大、级配较好及最大粒径较大时，其徐变较小；经充分湿养护的混凝土徐变较小。此外，混凝土的徐变还与受荷应力种类、试件尺寸及试验时的温度等因素有关。

混凝土的徐变对结构物的影响有有利方面，也有不利方面。有利的是徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力产生重分配，从而使结构物中局部集中应力得到缓和。对大体积混凝土则能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力。不利的是使预应力钢筋混凝土的预应力值受到损失。