第七節(jié)　混凝土的變形性能

混凝土在凝結(jié)、硬化和使用過程中，由于受物理、化學(xué)及力學(xué)等因素的影響，常會發(fā)生各種變形，這些變形是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，從而影響混凝土的強(qiáng)度及耐久性?；炷恋淖冃瓮ǔＳ幸韵聨追N。

一、化學(xué)減縮

混凝土在硬化過程中，由于水泥水化生成物的固相體積，小于水化前反應(yīng)物的總體積，從而致使混凝土產(chǎn)生體積收縮，此稱化學(xué)減縮（chemical　shrinkage）?；炷恋幕瘜W(xué)收縮是不能恢復(fù)的，其收縮量隨混凝土硬化齡期的延長而增加，一般在40 d內(nèi)漸趨穩(wěn)定。混凝土的化學(xué)收縮值很?。ㄐ∮?.01%），對混凝土結(jié)構(gòu)物沒有破壞作用，但在混凝土內(nèi)部可能產(chǎn)生微細(xì)裂縫。

二、塑性收縮

混凝土在硬化之前，尚處于塑性階段時產(chǎn)生的體積縮小，稱為塑性收縮。塑性收縮易導(dǎo)致塑性裂縫的形成。通常混凝土板等暴露面積較大的構(gòu)件在混凝土硬化之前易產(chǎn)生塑性收縮并開裂。當(dāng)新拌混凝土表面的水分蒸發(fā)速率大于因泌水而導(dǎo)致的內(nèi)部水分上升速率時，新拌混凝土表面將快速干燥，此時混凝土的抗拉強(qiáng)度小，因不足以抵抗塑性收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力而開裂。塑性收縮裂縫通常相互平行，裂縫深度約25～30 mm，裂縫間距在0.3～1 m。

新拌混凝土的泌水、分層、離析，因環(huán)境溫度高、濕度小、風(fēng)速大等導(dǎo)致的水分蒸發(fā)快等均易導(dǎo)致塑性收縮開裂。防止塑性收縮開裂可以采取以下措施：混凝土澆注前潤濕底層和模具；將干燥的骨料在使用前進(jìn)行預(yù)潤濕；擋風(fēng)；在新拌混凝土澆注入模后盡快進(jìn)行表面覆蓋塑料膜或進(jìn)行噴霧、噴養(yǎng)護(hù)劑等養(yǎng)護(hù)；在新拌混凝土中添加少量的低彈性模量的有機(jī)纖維，如聚丙烯纖維等。

三、干縮與濕脹

混凝土因周圍環(huán)境的濕度變化，會產(chǎn)生干縮與濕脹（drying　shrinkage　and　swelling）變形，這種變形是由于混凝土中水分的變化所致?；炷林械乃譃樽杂伤纯紫端⒚?xì)管水及凝膠粒子表面的吸附水等三種，當(dāng)后兩種水發(fā)生變化時，混凝土就會產(chǎn)生干濕變形。

當(dāng)混凝土在水中硬化時，由于凝膠體中的膠體粒子表面的吸附水膜增厚，膠體粒子間距離增大，這時混凝土?xí)a(chǎn)生微小的膨脹，這種濕脹對混凝土無危害影響。

圖6－29　混凝土的濕脹干縮變形

當(dāng)混凝土在空氣中硬化時，首先失去自由水，繼續(xù)干燥時則毛細(xì)管水蒸發(fā)，這時將使毛細(xì)孔中負(fù)壓增大而產(chǎn)生收縮力。再繼續(xù)受干燥則吸附水蒸發(fā)，從而引起膠體失水而緊縮。以上這些作用的結(jié)果就致使混凝土產(chǎn)生干縮變形。干縮后的混凝土若再吸水變濕時，其干縮變形大部分可恢復(fù)，但有30%～50%是不可逆的。混凝土的干縮變形對混凝土危害較大，它可使混凝土表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力而引起許多裂紋，從而降低混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕等耐久性能?；炷恋臐衩浉煽s變形見圖6－29所示。

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T　50082—2009）規(guī)定，混凝土的干縮變形是用100 mm×100 mm×515 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，在規(guī)定試驗條件下測得的干縮率來表示的，其值可達(dá)（3～5）×10^－4。用這種小試件測得的混凝土干縮率，只能反映混凝土的相對干縮性，而實際構(gòu)件的尺寸要比試件大得多，又構(gòu)件內(nèi)部的干燥過程較為緩慢，故實際混凝土構(gòu)件的干縮率遠(yuǎn)較試驗值小。結(jié)構(gòu)設(shè)計中混凝土干縮率取值為（1.5～2.0）×10－4，即每米混凝土收縮0.15～0.20 mm。

影響混凝土干縮變形的因素很多，主要有以下幾方面：

（1）水泥的用量、細(xì)度及品種的影響。由于混凝土的干縮變形主要由混凝土中水泥石的干縮所引起，而骨料對干縮具有制約作用，因此在水灰比不變的情況下，混凝土中水泥漿量愈多，混凝土干縮率就愈大。水泥顆粒愈細(xì)，干縮也愈大。采用摻混合材料的硅酸鹽水泥配制的混凝土，比用普通水泥配制的混凝土干縮率大，其中火山灰水泥混凝土的干縮率最大，粉煤灰水泥混凝土的干縮率較小。

（2）水灰比的影響。當(dāng)混凝土中的水泥用量不變時，混凝土的干縮率隨水灰比的增大而增加，塑性混凝土的干縮率較干硬性混凝土大得多。混凝土單位用水量的多少，是影響其干縮率的重要因素。一般用水量平均每增加1%，干縮率約增大2%～3%。

（3）骨料質(zhì)量的影響?；炷了霉橇系膹椥阅Ａ枯^大，則其干縮率較小?；炷敛捎梦瘦^大的骨料，其干縮較大。骨料的含泥量較多時，會增大混凝土的干縮性。骨料最大粒徑較大、級配良好時，由于能減少混凝土中水泥漿用量，故混凝土干縮率較小。

（4）混凝土施工質(zhì)量的影響?；炷翝仓尚兔軐崱⒉⒀娱L濕養(yǎng)護(hù)時間，可推遲干縮變形的發(fā)生和發(fā)展，但對混凝土的最終干縮率無顯著影響。采用濕熱養(yǎng)護(hù)混凝土，可減小混凝土的干縮率。

四、溫度變形

混凝土和其他材料一樣，也會隨著溫度的變化而產(chǎn)生熱脹冷縮變形。混凝土的溫度膨脹系數(shù)在（0.6～1.3）×10^－5／℃之間，一般取1.0×10^－5／℃，即溫度每改變1℃，1 m長的混凝土將產(chǎn)生0.01 mm的膨脹或收縮變形?；炷恋臏囟茸冃危╰hermal　deformation）對大體積混凝土（指最小邊尺寸在1 m以上的混凝土結(jié)構(gòu)）、縱長的混凝土結(jié)構(gòu)及大面積混凝土工程等極為不利，易使這些混凝土造成溫度裂縫。

混凝土是熱的不良導(dǎo)體，傳熱很慢，因此在大體積混凝土硬化初期，由于內(nèi)部水泥水化放熱而積聚較多熱量，造成混凝土內(nèi)外溫差很大，有時可達(dá)40～50℃，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部熱脹大大超過混凝土表面的膨脹變形，使混凝土表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而遭開裂破壞。為此，大體積混凝土施工常采用低熱水泥，并摻加緩凝劑及采取人工降溫等措施。

對縱長的混凝土結(jié)構(gòu)和大面積混凝土工程，為防止其受大氣溫度影響而產(chǎn)生開裂，常采取每隔一段距離設(shè)置一道伸縮縫，以及在結(jié)構(gòu)中設(shè)置溫度鋼筋等措施。

五、在荷載作用下的變形

（一）混凝土在短期荷載作用下的變形

1.混凝土的彈塑性變形

混凝土是一種多相復(fù)合材料，它是一種彈塑性體?；炷猎陟o力受壓時，其應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）之間的關(guān)系見圖6－30所示。由圖可知，當(dāng)在A點卸荷時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線為弧線，卸荷后彈性變形（ε彈）恢復(fù)了，而殘留下塑性變形（ε塑）。普通混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變的比值隨著其應(yīng)力的增大而減小。

2.混凝土彈性模量的測定

由于混凝土是彈塑性體，故要準(zhǔn)確測定其彈性模量并非易事，但可間接地求其近似值。即在低應(yīng)力（軸心抗壓強(qiáng)度f_cp的30%～50%）下，隨著荷載重復(fù)次數(shù)的增加（3～5次），混凝土的塑性變形的增量逐漸減少，最后得到一條應(yīng)力－應(yīng)變曲線只有很小的曲率，幾乎與初始切線（混凝土最初受壓時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線在原點的切線）相平行，如圖6－31中，由此就可測得混凝土的靜力受壓彈性模量，嚴(yán)格地講，稱混凝土割線彈性模量。

圖6－30　混凝土在壓力作用下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖6－31　混凝土在低應(yīng)力重復(fù)荷載下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50081—2002）規(guī)定，混凝土彈性模量的測定，是采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，取其軸心抗壓強(qiáng)度（f_cp）值的40%作為試驗控制應(yīng)力荷載值，經(jīng)3次以上反復(fù)加荷和卸荷后，測得應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即為混凝土的彈性模量，它在數(shù)值上與tanα相近?；炷恋膹椥阅Ａ侩S混凝土強(qiáng)度的提高而增大，二者存在密切關(guān)系。通常當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級在C10～C60時，其彈性模量在（1.75～3.60）×10⁴MPa?；炷恋膹椥阅Ａ烤哂兄匾膶嵱靡饬x，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中當(dāng)計算鋼筋混凝土的變形、裂縫開展及大體積混凝土的溫度應(yīng)力時，都需要用到混凝土的彈性模量。

混凝土的彈性模量受很多因素的影響，主要有以下幾方面：

（1）當(dāng)混凝土中水泥漿用量較少，即骨料用量較多時，混凝土彈性模量較大。如干硬性混凝土的彈性模量較塑性混凝土大；

（2）當(dāng)混凝土所用骨料的彈性模量較大時，則混凝土的彈性模量也較大；

（3）早期養(yǎng)護(hù)溫度較低的混凝土具有較大的彈性模量。因此相同強(qiáng)度的混凝土，經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)的比在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的混凝土彈性模量要?。?/p>

（4）引氣混凝土的彈性模量較普通混凝土約低20%～30%；

（5）試驗時濕試件測得的混凝土彈性模量，比干試件測得的要大。

（二）混凝土在長期荷載作用下的變形

混凝土在長期荷載作用下會發(fā)生徐變（creep）現(xiàn)象。混凝土的徐變是指其在長期恒定荷載作用下，隨著時間的延長，沿著作用力的方向發(fā)生的變形，一般要延續(xù)2～3年才逐漸趨向穩(wěn)定。這種隨時間而發(fā)展的變形性質(zhì)，稱為混凝土徐變?；炷敛徽撌鞘軌?、受拉或受彎時，均會產(chǎn)生徐變現(xiàn)象?；炷猎陂L期荷載作用下，其變形與持荷時間的關(guān)系如圖6－32所示。

圖6－32　混凝土的應(yīng)變與持荷時間的關(guān)系

由圖可知，當(dāng)混凝土受荷后立即產(chǎn)生瞬時變形，這時主要為彈性變形，隨后則隨受荷時間的延長而產(chǎn)生徐變變形，此時以塑性變形為主。當(dāng)作用應(yīng)力不超過一定值時，這種徐變變形在加荷初期較快，以后逐漸減慢，最后漸行停止?；炷恋男熳冏冃螢樗矔r變形的2～3倍，徐變變形量可達(dá)（3～15）×10^－4，即0.3～1.5 mm／m?；炷猎陂L期荷載下持荷一定時間后，若卸除荷載，則部分變形可瞬時恢復(fù)，接著還有少部分變形將在若干天內(nèi)逐漸恢復(fù)，此稱徐變恢復(fù)，最后留下的是大部分不能恢復(fù)的殘余變形。

混凝土產(chǎn)生徐變的原因，一般認(rèn)為是由于在長期荷載作用下，水泥石中的凝膠體產(chǎn)生黏性流動，向毛細(xì)管內(nèi)遷移，或者凝膠體中的吸附水或結(jié)晶水向內(nèi)部毛細(xì)孔遷移滲透所致?；炷恋男熳兣c很多因素有關(guān)，但可認(rèn)為，混凝土徐變是其水泥石中毛細(xì)孔相對數(shù)量的函數(shù)，即毛細(xì)孔數(shù)量越多，混凝土的徐變越大，反之則小。因此對于硬化齡期愈長、結(jié)構(gòu)愈密實、強(qiáng)度越高的混凝土，其徐變愈小。當(dāng)混凝土在較早齡期加載時，產(chǎn)生的徐變較大；水灰比較大的混凝土徐變也較大；混凝土中骨料用量較多者徐變較小，混凝土所用骨料彈性模量較大、級配較好及最大粒徑較大時，其徐變較??；經(jīng)充分濕養(yǎng)護(hù)的混凝土徐變較小。此外，混凝土的徐變還與受荷應(yīng)力種類、試件尺寸及試驗時的溫度等因素有關(guān)。

混凝土的徐變對結(jié)構(gòu)物的影響有有利方面，也有不利方面。有利的是徐變可消除鋼筋混凝土內(nèi)的應(yīng)力集中，使應(yīng)力產(chǎn)生重分配，從而使結(jié)構(gòu)物中局部集中應(yīng)力得到緩和。對大體積混凝土則能消除一部分由于溫度變形所產(chǎn)生的破壞應(yīng)力。不利的是使預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的預(yù)應(yīng)力值受到損失。