3-4 混凝土的体积稳定性

干 缩 与 徐 变
蒸发
干 缩
荷 载 变 形
P
P
基 本 徐 变
干 燥 徐 变
60%RH
P 100%RH
P 60%RH
徐变的作用
徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据 统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达 30～50%，减小混凝土的徐变，对这样一些结 构物是有益的。但是另一方面，徐变会使温度 或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；在 结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部 应力的结构中，可以降低应力峰值，从这个角 度来说：徐变较大的混凝土又有有利的一面。
干燥收缩 Dry Shrinkage
混凝土与周围环境存在湿度梯度，引 起水分向外蒸发产生体积收缩的现象。由 于水分是通过表面向外蒸发，因此比表面 积/体积比大的构件，干缩就大。
干燥收缩 Dry Shrinkage
1. 路面板、机场道面(pavement)、桥面板(deck)、 停车场(parking)、堆石坝面板等暴露面积大且 厚度较小的结构物干缩显著； 2. 影响蒸发量的因素，如气温、混凝土温度、相 对湿度、风速和太阳辐射热均影响干缩； 3.混凝土骨料用量多、水灰比低时，干缩小。
弯 月 面
凝 胶 孔
自生收缩与干缩的异同点
相同点：均由于水的迁移所引起；
不同点：1.自缩不失重； 2. 自生收缩各向同性地发生，干缩由表 及里地发生； 3.水灰比降低时，干缩减小，自缩增大 4.覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而 自缩必须通过湿养护处理。
3.4.7 延伸性与开裂
• 混凝土在约束条件下的变形是开裂的诱因。 • 除此之外，还有三个因素：
热收缩与开裂
由于70年代美国混凝土桥面板普遍出现 开裂，因此转向使用更高强度的混凝土，但 是看来这无济于事。根据国家公路合作研究 计划1995年的调查表明：10万多块混凝土桥 面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现了间 隔1~3米的贯穿性裂缝。
P. K. Mehta.
大体积混凝土
任何现浇混凝土，其尺寸达到必须 解决水化热及随之引起的体积变形问题， 以最大限度减少开裂影响的，即称为 “大体积混凝土”。
• 掺加纤维，抑制塑性收缩裂缝
影响温度（热）应力的因素
温度变化（∆T） • 温度变化就是混凝土的温峰与结构运行期温度 的差异。 • ∆T＝新拌混凝土的浇注温度＋绝热温升－环境温 度－由于散热产生的温降
温度变化（∆T）
C Ti T f Tr Kr
式中：Ｔｉ = 混凝土浇注温度 Ｔf = 混凝土最终稳定温度 C = 混凝土拉应变能力 Kr = 约束程度 α = 热膨胀系数 Tr = 混凝土初始温升
化学收缩
化学减缩
Wh
沉降
自生收缩
W
W C
Hy
P
W C
Hy
化 学 减 缩
C
浇注时
初凝时
硬化后
b) 有泌水的情况 竖直向化学减缩与自生收缩之间的关系
自生收缩的机理
水化反应进行过程中， 一部分拌合水由化学反应 消耗，一部分填充凝胶孔。 当水灰比较大时，凝胶孔 基本上充满水，自生收缩 很小；水灰比较小时，凝 胶孔形成弯月面，产生自 干燥作用（Selfdesiccation)，外界的大气 压力使水泥浆体收缩。
热膨胀与收缩
混凝土硬化初期由于水泥水化放热升温，体 积膨胀；到达温峰后降温产生收缩，由于升温时 弹模小、降温时弹模明显增大，因此收缩变形受 约束形成的拉应力远大于升温期间积累的压应力， 当超过混凝土的抗拉强度时会出现开裂。
新 浇 混 凝 土 温 度 、 应 变 、 应 力 的 变 化 历 程
水化热的影响
混凝土温度随水泥用量增加而上升
图3-46 硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升
结构断面尺寸非常大
2.5m 2.0m
图3-47 混凝土浇注厚度对温升的影响 （浇注温度20C，水泥用量400kg/m3）
混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧
Thermal Shrinkage and Cracking
热收缩与开裂
混凝土的弹性模量高，即刚度大，意 味着在一定荷载作用下的变形小。
混凝土的弹性模量与孔隙率关系密切， 因此影响强度的各种因素，也同样影响它 的弹性模量。
混凝土的弹性模量在很大程度上取决 于占其主要体积组分的骨料的弹性模量。
混凝土的弹性模量
Elastic Modulus
• 不是常数。受许多因素影响，如骨料品种、 用量和混凝土干湿状态等； • 随时间（混凝土的龄期）会不断增长； • 弹性模量高时，虽然在外荷载作用下的变形 小；但混凝土的变形受约束时，弹性模量越 高，产生的应力则越大。
混凝土在荷载 作用下的变形
P
什么材料的泊 松比≈0.5?
体积不变： 纯流体
混凝土的泊松比=？
0.15~0.2
P
混凝土的非荷载变形
Unloaded Deformation in Concrete 3.4.3 热膨胀/收缩
3.4.4 干燥收缩与徐变
3.4.5 自生变形 3.4.6 碳化收缩
Thermal Expansion and Shrinkage
弹性模量
徐变 抗拉强度 延 伸 性
开 裂 风 险
总结
减小混凝土结构开裂风险的材料措施
• 优选体积稳定性好的原材料：骨料，粉煤灰 • 优化混凝土配合比，提高密实性 • 采用补偿收缩混凝土
掺加膨胀剂，利用其在水化硬化过程中的 体积膨胀性，在硬化混凝土中建立预压应力， 抵抗体积收缩产生的拉应力，使体积维持不变。
自生收缩
Autogenous shrinkage
混凝土在没有温度变化，没有和外界发生 水分交换，也不受力的条件下发生的表观体积 变形称自生变形，自生变形时体积减小称自生 收缩。混凝土发生自生变形的原因，是由于化 学减缩，即水泥（与掺合料）和水发生水化反 应以后，其绝对体积减小的现象。
化学减缩
• 水泥与水产生水化反应前后发 生的体积变化，约为两者体积 之和的7～8％。
收缩应变受约束时 产生的弹性拉应力 无松弛作用时出现开裂
应 力
混凝土的 抗拉强度
应力松弛
松弛后的实际应力
开裂延迟 时间
3.4.1 变形的类型
Types of deformations
1. 荷载作用 2. 非荷载作用
产生弹性与非弹性变形 产生收缩与膨胀变形
3.
材料的粘弹性
徐变（应力松弛）
3.4.2 弹性行为
20世纪初，人们就认识到大体积混凝土会 因水化温升出现开裂，为了减小水化放热产生 的影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又 开发出低热水泥。利用加大粗骨料粒径、非常 低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注 层高和管道冷却等措施，进一步获得了降低水 化温峰、抑制热裂缝的效果。
热收缩与热应力
混凝土的抗拉强度很小，因此在冷却时产生的 拉应力很容易超过它的强度。例如： 混凝土的热膨胀系数为10×10－6 /℃ 由于水化热产生的温升为15℃ 则混凝土冷却时的热收缩为150×10－6 而其弹性模量设为30GPa 如果被完全约束，冷却时的拉应力达3.15MPa 超过一般混凝土的抗拉强度 因此，如果不意图
Vw1 Vw Vc1 Vc Vhy
化 学 减 缩
未水化水泥
拌合前
水化后
体 积 减 缩
初 终 凝 凝
水化产生 的孔隙
化学减缩
自生收缩 初凝时的化学减缩 龄期
化学收缩与自生收缩之间的关系
水平向化学减缩与自生收缩之间的关系
浇注时 C W
初凝时
Hy
C
W 自生收缩
硬化后
Hy
C
W
P
§3.4 混凝土的体积稳定性
Dimensional Stability of Concrete
问题？
某混凝土在实验室里成型的试件 强度又高、渗透性又小，可是用它浇 注的钢筋混凝土构件开裂得厉害（强 度和渗透性都受到影响）；另一混凝 土成型的试件开裂了，可是用其浇注 的钢筋混凝土基础却完好不裂。这是 为什么？
• 混凝土在荷载作用下呈现弹性与非弹性的应 变；在环境作用下干燥和冷却时产生收缩应 变，当收缩受到约束时引起复杂的应力常会 导致开裂。
• 混凝土的弹性行为，包括弹性模量的检测等， 在今后学习其他课程里会不只一次地接触到， 因此在这里着重介绍几种收缩变形及其影响 因素等。
变形与开裂
混凝土构件总是要受到一定的约束，约束 通常来自它与地基的摩擦、端部的其他构件、 配筋，以及混凝土体内外变形的差异。 当混凝土材料的应变完全受到约束时，将 产生弹性拉应力σ=Eε。当应力超过混凝土的抗 拉强度时，构件就有可能开裂。 但是混凝土的粘弹性（徐变）可减小混凝 土构件的开裂风险。
干燥收缩 Dry Shrinkage
由于外加剂，尤其是高效减水剂和矿物 掺合料的应用，混凝土的水胶比可以明显降 低，泌水减少，干缩也明显减小。但与此同 时，带来自生收缩增大、塑性收缩开裂加剧 等新问题。
徐变与干燥收缩 Creep and Dry Shrinkage
1) 起因于硬化水泥浆体； 2) 应变-时间曲线非常相似； 3) 影响干缩的因素通常也同样影响徐变； 4) 都达到400～1000微应变(μm/m,×10-6）， 以至设计上不可忽略； 5) 两者都部分可逆。
拉应力的计算
E t Kr T 1
式中：σt ＝ 拉应力 Kr ＝ 约束程度 E = 弹性模量 α = 热膨胀系数 ∆T = 温度变化 φ = 徐变系数
影响温度（热）应力的因素
• 约束程度(Kr) 混凝土体在外部通常被岩基或（道路）基 层约束，在内部由于不同部位存在的温度梯度， 也产生约束。刚性基层产生完全约束(Kr＝1.0)， 当与界面的距离增大时，约束减小。在基础不 是刚性时， Kr也要减小。
Thermal Shrinkage and Cracking
热收缩与开裂
近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌 以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土 开裂的现象增多，同时发现干燥收缩在这 些结构里并不重要了。水化热以及温度变 化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约 束应力和开裂的主导原因。
Thermal Shrinkage and Cracking