混凝土徐变收缩

混凝土的收缩与徐变

1 混凝土的收缩

混凝土在硬化过程中要发生体积变化，最大的变化是当混凝土在大气中或湿度较低的介质中硬化时产生的体积减小。这种变形称为混凝土收缩。

一般认为，混凝土的收缩包括自生收缩、干燥收缩和碳化收缩，引起各种收缩的原因和机理可以解释为:

1．自生收缩是在没有水分转移下的收缩，其原因是水泥水化物的体积小于参与水化的水泥和水的体积，因此，这是一种因水泥水化产生的固有收缩，对于普通混凝土来讲，自生收缩相对于干燥收缩微不足道，而对于高强混凝土来讲，由于其具有较高的水泥含量，因此，早期水泥水化所产生的自生收缩占总缩量的比重较大，应予以考虑。

2．干燥收缩的原因是混凝土内部水分的散失，需要指出的是，干燥开始时所损失的自由水不会引起混凝土的收缩，干燥收缩的主要原因是吸附水的消失。

3．碳化收缩是混凝土中水泥水化物与空气中的CO

2

发生化学反应的结果。水

泥水化物中的Ca(OH)

2碳化成为CaCO

3

，碳化收缩的主要原因在于Ca(OH)

2

结晶体

的溶解和CaCO

3

的沉淀。碳化收缩的速度取决于混凝土的含水量、环境相对湿度和构件的尺寸，当空气中相对湿度为100%或小至25%时，碳化收缩停止。碳化收缩是相对发现得较晚，因此，大多数干燥收缩的试验数据中包含了碳化收缩。2混凝土的徐变

2.1徐变现象

徐变指在应力保持不变的条件下，混凝土的应变会随荷载持续时间的增长而增大的现象。徐变可分为两种:基本徐变和干燥徐变。基本徐变是指在常荷载作用下无水分转移时的体积改变；干燥徐变是指在常荷载作用下试件干燥时的时变变形。

总徐变=基本徐变+干燥徐变

图1 混凝土徐变与时间的关系曲线

图1为混凝土棱柱体试件受压徐变的试验曲线。对试件施加某一荷载（本图为0.5c f ），在加载瞬间为竖直的直线，试件受压后立即产生瞬时的应变e ε，若保持应力不变，随荷载作用时间的增加，试件的变形继续增加，产生徐变cr ε。在加载初期，徐变增长较快半年后徐变可达到总量的70%-80%。；此后，徐变的增长速度逐渐减慢，经过较长时期后趋于稳定。两年后测得的徐变应变值约为瞬时应变的1~4倍，若在此时卸载，试件瞬时可恢复一部分应变e 'ε（瞬时恢复应变），其值比加载时的瞬时应变略小。卸除后约过20d 后，试件还可恢复一部分应变e ''ε（弹性后效）。其余很大一部分应变cr ''ε是不可恢复的，称为残余应变。

2.2混凝土徐变的机理

曾有不少学者提出各种理论和假设来说明收缩徐变的机理，但迄今为止还没有一种理论能完全解释混凝土的徐变现象。美国混凝土学会第209委员会1972年的报告将徐变的主要机理分为：

(1)在应力作用下和吸附水层的润滑作用下，水泥凝胶体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形；

(2)在应力作用下，由于吸附水的渗流或层间水的转移而导致的紧缩；

(3)由水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形；

(4)由于局部破裂以及重新结晶与新的联结而产生的永久变形。

粘弹性理论将水泥浆体看作为弹性的水泥凝胶骨架，其空隙中充满着粘弹性液体构成的复合体。加给水泥浆的荷载起初一部分被固体空隙中的水所承受，这样便推迟了固体的瞬时弹性变形。当水从压力高处向低处流动时，固体承受的荷载就逐渐增大，从而加大弹性变形。荷载卸除后，水便流向相反方向，引起徐变的恢复。与这一过程有关的水，仅是毛细管空隙和凝胶空隙中的水，而不是凝胶微粒表面的吸附水。

渗出理论认为徐变是由于凝胶粒子表面的吸附水和这些粒子之间的层间水在荷载作用下的流动引起。水泥浆体承受压缩荷载后，凝胶粒子之间的吸附水和层间水就缓慢排除而产生变形。当水被挤出后，凝胶微粒承受的应力增加，而作用于水的压力相应减小，结果导致水的渗出速度的减小．徐变是在凝胶与周围介质达到新的湿度平衡时的现象．此处需强调的是该理论渗出的水是凝胶水，而不是毛细水和化合水。由于凝胶水被挤出，使微粒问的距离缩短而处于微粒问力的作用范围内。在外荷载作用下，水分子进一步接近，使微粒间的表面能降低，而且引起一部分的化学结合，这就增加了凝胶的稳定性。因此卸载后，凝胶不会恢复到加载前的状态，有这种过程引起的徐变就是非恢复性徐变。吸附水的渗出速度取决于压应力和毛细管的阻力，作用应力越大，水分的渗出速度和和变形速度也越快，相应徐变也越大。混凝土的强度取决于水泥石的密实度，而密实度大的水泥石，毛细管通道的阻力也越大，水分的渗出速度和变形速度则小，相应徐变也小。因此强度高的混凝土，徐变小，反之，则徐变大。

粘性流动理论认为混凝土可分为两部分，一部分为荷载作用下不产生流动的惰性骨料。当混凝土受荷时，水泥浆体的流动受到骨科的阻碍。结果使得骨科承受到较高的应力。而水泥浆体承受的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变与加荷应力成正比，因此，随着加荷应力逐渐从水泥浆体转移到骨料来承受，从而徐变速率将减小。

微裂缝理论认为在多相混凝土组成材料的界面上，受荷前就有粘结微裂缝的存在，这是由于混凝土硬化过程中骨料沉降、拌合水析出及干缩应力引起。对正常工作范围内，裂缝界面通过摩擦连续传递荷载，微裂缝仅稍微增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力时，界面上的粘结微裂缝就会扩展并产生新的微裂缝；当荷载再增加，还会产生少量穿越砂浆的裂缝，甚至产生穿越骨料的裂缝，最后各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。因此，当加荷应力小于抗裂强度时，混凝土结构继续密实。而当加荷应力大于抗裂强度时，由于微裂缝的产生和发展，在长期荷载作用下便产生了附加变形，这使得混凝土的徐变变形与应力之间表现出明显的非线性特征。

内力平衡理论认为水泥浆体的徐变是由于荷载破坏了开始存在于水泥浆体中的内力平衡并达到新的平衡的过程。根据这一理论，内力平衡将由荷载、温度、湿度变化的任一原因而破坏。从而产生干燥收缩和徐变，两者原因不同，现象却相同。

2.3 混凝土徐变计算理论

徐变计算理论是常荷载下徐变试验结果用到变应力作用下的结构构件徐变分析中，也就是变应力下构件的徐变分析方法。徐变计算理论有有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、弹性老化理论和继效流动理论。

有效模量法

有效模量法用降低弹性模量来考虑混凝土的徐变影响，也就是混凝土的徐变近似地归入弹性应变，将徐变问题化为相应的弹性问题来解决。引入有效模量之后，可以采用弹性状态分析方法，逐步推算各时刻的变形和应力。该方法在应力无明显变化或龄期可以忽略不计时(如老龄期混凝土)能给出极好的精确解，然而有效模量法认为徐变是完全可复的，这显然与事实不符。 c E()E ()=1+E()C(t,)

ττττ (),C t τ：单位应力作用下的徐变

()E τ:τ龄期的弹性模量

老化理论