混凝土的變形性

第六節(jié)硬化混凝土的變形性硬化混凝土除了受荷載作用產(chǎn)生變形外，在不受荷載作用的情況下，由于各種物理的或化學(xué)的因素也會(huì)引起局部或整體的體積變化。如果混凝土處于自由的非約束狀態(tài)，那么體積變化一般不會(huì)產(chǎn)生不利影響。但是，實(shí)際使用中的混凝土結(jié)構(gòu)總會(huì)受到基礎(chǔ)、鋼筋或相鄰部件的牽制，而處于不同程度的約束狀態(tài)。即使單一的混凝土試塊沒有受到外部的制約，其內(nèi)部各組成相之間也還是互相制約，因而仍處于約束狀態(tài)。因此，混凝土的體積變化會(huì)由于約束的作用在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。眾所周知，混凝土能承受較高的壓應(yīng)力，而其抗拉強(qiáng)度卻很低，一般不超過抗壓強(qiáng)度的10%。從理論上講，在完全約束條件下，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力約有3至十幾兆帕（取決于混凝土的體積變化特性和彈性特性）。所以，混凝土受約束時(shí)，由于體積變化過大產(chǎn)生的拉應(yīng)力一旦超過其自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起混凝土開裂，產(chǎn)生裂縫。裂縫不僅是影響混凝土承受設(shè)計(jì)荷載能力的弱點(diǎn)，而且還會(huì)嚴(yán)重?fù)p害混凝土的耐久性和外觀。綜上所述，硬化混凝土的變形按其產(chǎn)生的原因可分為非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形等兩大類。非荷載作用下的變形包括混凝土的化學(xué)減縮、溫度變形、干縮濕脹等；荷載作用下的變形分為短期荷載作用下的變形及長期荷載作用下的變形（徐變）。一、化學(xué)減縮

混凝土體積的自發(fā)化學(xué)收縮是在沒有干燥和其它外界影響下的收縮，其原因是水泥水化物的固體體積小于水化前反應(yīng)物（水和水泥）的總體積。因此，混凝土的這種體積收縮是由水泥的水化反應(yīng)所產(chǎn)生的固有收縮，亦稱為化學(xué)減縮?；炷恋倪@一體積收縮變形是不能恢復(fù)的。其收縮量隨混凝土的齡期延長而增加，但是觀察到的收縮率很小。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮限制應(yīng)力作用時(shí)，就不把它從較大的干燥收縮率中區(qū)分出來處理，而是一并在干燥收縮中一起計(jì)算。研究進(jìn)一步表明，雖然化學(xué)減縮率很小，在限制應(yīng)力下不對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生破壞作用，但其收縮過程中在混凝土內(nèi)部還是會(huì)產(chǎn)生微細(xì)裂縫，這些微細(xì)裂縫可能會(huì)影響到混凝土的受載性能和耐久性能。二、溫度變形

混凝土與通常固體材料一樣呈現(xiàn)熱脹冷縮。一般室溫變化對(duì)于混凝土沒有什么大影響。但是溫度變化很大時(shí)，就會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生重要影響?；炷僚c溫度變化有關(guān)的變形除取決于溫度升高或降低和程度外，還取決于其組成的熱脹系數(shù)。

當(dāng)溫度變化引起的骨料顆粒體積變化與水泥石體積變化相差大時(shí)，或者骨料顆粒之間的膨脹系數(shù)有很大差別時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生破壞性的內(nèi)應(yīng)力。許多混凝土的裂縫與剝落實(shí)例都與此有關(guān)。在溫度降低時(shí)，對(duì)于抗拉強(qiáng)度低的混凝土來說，體積發(fā)生冷縮應(yīng)變?cè)斐傻挠绊戄^大。例如，混凝土通常的熱脹系數(shù)約為（6~12）×10-6/℃，設(shè)取10×10-6/℃，則溫度下降15℃造成的冷收縮量達(dá)150×10-6。如果混凝土的彈性模量為21GPa，不考慮了徐變等產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，該冷收縮受到完全約束所產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)力為3.1MPa。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮到該冷收縮造成的不利影響。

混凝土溫度變形穩(wěn)定性，除由于降溫或升溫影響外，還有混凝土內(nèi)部與外部的溫差對(duì)體積穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，即大體積混凝土存在的溫度變形問題。大體積混凝土內(nèi)部溫度上升，主要是由于水泥水化熱蓄積造成的。水泥水化會(huì)產(chǎn)生大量水化熱，經(jīng)驗(yàn)表明1立方米混凝土中每增加10kg水泥，所產(chǎn)生的水化熱能使混凝土內(nèi)部溫度升高1℃。由于混凝土的導(dǎo)熱能力很低，水泥水化發(fā)出的熱量聚集地混凝土內(nèi)部長期不易散失。大體積混凝土表面散熱快、溫度較低，內(nèi)部散熱慢、溫度較高，就會(huì)造成表面和內(nèi)部熱變形不一致。這樣，在內(nèi)部約束應(yīng)力和外部約束應(yīng)力作用下就可能產(chǎn)生裂縫。為了減少大體積混凝土體積變形引起的開裂，目前常用的方法有：

1、用低水化熱水泥和盡量減少水泥用量；

2、盡量減少用水量，提高混凝土強(qiáng)度；

3、選用熱膨脹系數(shù)低的骨料，減小熱變形；

4、預(yù)冷原材料；

5、合理分縫、分塊、減輕約束；

6、在混凝土中埋冷卻水管；

7、表面絕熱，調(diào)節(jié)表面溫度的下降速率等。三、混凝土的干縮濕脹

混凝土內(nèi)水分變化引起的體積變化，取決于周圍環(huán)境的濕度變化?；炷猎诟稍镞^程中，隨著毛細(xì)孔水的蒸發(fā)，使毛細(xì)孔中形成負(fù)壓產(chǎn)生收縮力，導(dǎo)致混凝土收縮，稱為干縮。已干燥的混凝土再次吸水變濕時(shí)，體積又會(huì)膨脹，稱為濕脹，此時(shí)原有的干縮變形會(huì)大部分消失，也有一部分變形是不消失的。如圖4.15所示。圖中表明，混凝土在第一次干燥后，若再放入水中，將發(fā)生膨脹?？墒?，并非全部初始干燥產(chǎn)生的收縮都能為膨脹所恢復(fù)，即使長期置于水中也不可能全部恢復(fù)。因此，干燥收縮可分為可逆收縮和不可逆收縮兩類?？赡媸湛s屬于第一次干濕循環(huán)所產(chǎn)生的總收縮的一部分；不可逆收縮則屬于第一次干燥總收縮的一部分，在繼續(xù)的干濕循環(huán)過程中不再產(chǎn)生。事實(shí)上，經(jīng)過第一次干燥-再潮濕后的混凝土的后期干燥收縮將減小，即第一次干燥由于存在不可逆收縮，改善了混凝土的體積穩(wěn)定性，這有助于混凝土制品的制造?；炷恋臐衩涀冃瘟亢苄。话銦o破壞作用。但干縮變形對(duì)混凝土危害較大，當(dāng)干縮受到約束時(shí)會(huì)使混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致開裂，使混凝土抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕性能降低，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中干縮率取值一般為1.5~2.0×10-4。干縮主要是水泥石產(chǎn)生的，因此降低水泥用量，減小水灰比是減少干縮的關(guān)鍵。四、荷載作用下的變形

1、短期荷載作用下的變形

混凝土在短期荷載作用下的變形可分為四個(gè)階段。

第一階段是混凝土承受的壓應(yīng)力低于30%極限應(yīng)力時(shí)：在粗骨料和砂漿基體兩者的界面過渡區(qū)中，由于養(yǎng)護(hù)歷程的泌水、收縮等原因形成的原生界面裂縫（也稱為界面粘結(jié)裂縫）基本保持穩(wěn)定，沒有擴(kuò)展趨勢(shì)。盡管局部界面區(qū)域可能有極少量新的微裂縫引發(fā)，但也很穩(wěn)定而無明顯作用。因此，在這一階段，混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈直線。第二階段是混凝土承受的壓應(yīng)力約為30%~50%極限應(yīng)力時(shí)：

過渡區(qū)的微無論在長度、寬度和數(shù)量上均隨應(yīng)力水平的逐步提高而增加。過渡區(qū)中的原生界面裂縫由于裂縫尖端的應(yīng)力集中而在過渡區(qū)內(nèi)穩(wěn)定緩慢地伸展，但在砂漿基體中尚未發(fā)生開裂。界面裂縫的這種演變，產(chǎn)生了明顯的附加應(yīng)變。因此，在這一階段，混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨界面裂縫的演變逐漸偏離直線，產(chǎn)生彎曲。這時(shí)發(fā)生的變形，既有彈性變形又有塑性變形。第三階段是混凝土承受的壓應(yīng)力約為50%~75%極限應(yīng)力時(shí)：

一旦應(yīng)力水平超過50%極限應(yīng)力，界面裂縫就變得不穩(wěn)定，而且逐漸延伸到砂漿基體中，同時(shí)砂漿基體也開始形成微裂縫。當(dāng)應(yīng)力水平進(jìn)一步從60%極限應(yīng)力增大到75%極限應(yīng)力時(shí)，砂漿基體中的裂縫也逐漸增生，產(chǎn)生不穩(wěn)定擴(kuò)展。在應(yīng)力水平達(dá)到75%極限應(yīng)力左右時(shí)，整個(gè)裂縫體系變得不穩(wěn)定，過渡區(qū)裂縫和砂漿基體裂縫的搭接開始發(fā)生，此應(yīng)力水平稱為臨界應(yīng)力。第四階段是混凝土承受的壓應(yīng)力超過75%極限應(yīng)力時(shí)：

隨著應(yīng)力水平的增長，基體和過渡區(qū)中的裂縫處于不穩(wěn)定狀態(tài)，迅速擴(kuò)展成為連續(xù)的裂縫體系。此時(shí)，混凝土產(chǎn)生非常大的應(yīng)變，其受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯彎曲，趨向水平，直至達(dá)到極限應(yīng)力?；炷恋某休d能力下降，荷載減小而變形迅速增大，以至完全破壞，荷載—變形曲線逐漸下降而最后結(jié)束。由此可見，荷載與變形的關(guān)系，是內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展規(guī)律的體現(xiàn)?；炷猎谕饬ψ饔孟碌淖冃魏推茐倪^程，也是內(nèi)部微裂縫的發(fā)生和發(fā)展過程，它是一個(gè)從量變發(fā)展到質(zhì)變的過程。只有當(dāng)混凝土內(nèi)部的微觀破壞發(fā)展到一定量級(jí)時(shí)才使混凝土的整體遭到破壞。通過以上受單軸向壓縮作用的混凝土力學(xué)行為可以看出，混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能特征與其內(nèi)部裂縫演變規(guī)律有密切的聯(lián)系。這為在鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，規(guī)定相應(yīng)的一系列混凝土力學(xué)性能指標(biāo)（如混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、長期荷載作用下的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力取值、彈性模量等等）提供了依據(jù)?；炷恋膹椥阅Ａ吭诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算鋼筋混凝土的變形和裂縫的開展中是不可缺少的參數(shù)。但由于混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的高度非線性，因此給混凝土彈性模量的確定帶來困難。對(duì)硬化混凝土的靜彈性模量，目前有三種處理方法。

（1）初始切線模量

該值為混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的原點(diǎn)對(duì)曲線所作切線的斜率。由于混凝土受壓的初始加荷階段，原來存在于混凝土中的裂縫會(huì)在所加荷載作用下引起閉合，從而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始時(shí)稍呈凹形，使初始切線模量不易求得。另外，該模量只適用于小應(yīng)力應(yīng)變，在工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中無實(shí)用意義。（2）切線模量

該值為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)對(duì)曲線所作切線的斜率。僅適用于考察某特定荷載處，較小的附加應(yīng)力所引起的應(yīng)變反應(yīng)。

（3）割線模量

該值為應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點(diǎn)與曲線上相應(yīng)于40%極限應(yīng)力的點(diǎn)所作連線的斜率。該模量包括了非線性部分，也較易測(cè)準(zhǔn)，適宜于工程應(yīng)用。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C10~C60時(shí)，其彈性模量約為（1.75~3.60）×104MPa2、長期荷載作用下的變形---徐變

混凝土在長期荷載作用下，除產(chǎn)生瞬間的彈性變形和塑性變形外，還會(huì)在沿著作用力方向產(chǎn)生隨時(shí)間而增長的非彈性變形，這種在長期荷載作用下的變形通常稱為徐變。徐變一般要延續(xù)2~3年才逐漸趨于穩(wěn)定?；炷猎陂L期荷載作用下，一方面在開始加荷時(shí)發(fā)生瞬間變形（又稱瞬變，即混凝土受力后立刻產(chǎn)生的變形，以彈性變形為主）；另一方面發(fā)生緩慢增長的徐變。在荷載作用初期，徐變變形增長較快，然后逐漸減慢且穩(wěn)定下來。當(dāng)變形穩(wěn)定以后，卸掉荷載后，一部分變形瞬時(shí)恢復(fù)，還有一部分要過一段時(shí)間才恢復(fù)，稱徐變恢復(fù)。剩余不可恢復(fù)部分，稱殘余變形?；炷恋男熳儗?duì)混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)有很大影響。徐變可能超過彈性變形，甚至達(dá)到彈性變形的2~4倍。在某些情況下，徐變有利于削弱由溫度、干縮等引起的約束變形，從而防止裂