混凝土的变形之体积变化

干缩示意图 干燥环境
干缩示意图
混凝土表面
泌水速率 < 蒸发速率 开裂
4.6.4 荷载作用下的变形
1、短期荷载作用下的变形－弹塑性变形 2、长期荷载作用下的变形—徐变
4.6.4.1、在短期荷载作用下的变形——弹塑性变形
混凝土的特点： ➢ 混凝土是一种由水泥石、砂、石、孔隙
等组成的不匀质的三相复合材料。它既 不是一个完全弹性体，也不是一个完全 塑性体，而是一个弹塑性体。受力时既 产生弹性变形，又产生塑性变形，其应 力与应变的关系不是直线，而是曲线， 如下图
混凝土的弹性模量的测定
混凝土应力－应变图
图3-12 硬化水泥浆体、骨料与混凝土的应力应变关系： （a）三者的应力-应变曲线 （b）混凝土在加/卸载循环时的应力-应变关系
混凝土的弹性模量
➢ 定义——在应力－应变曲线上任一点的应 力σ与其应变ε的比值，称作混凝土在该应 力下的变形模量。
➢ 它反应混凝土所受应力与所产生应变之间 的关系。在计算钢筋混凝土结构的变形、 裂缝开展及大体积混凝土的温度应力时， 均需知道该时混凝土的变形模量。
4.6 混凝土的变形——混凝土体积的
变化
➢ 混凝土在荷载作用下产生弹性与非弹性变形， 在硬化过程和干燥或冷却作用下也要产生变形， 当变形受约束时常会引起开裂。
• 80%以上的开裂都百度文库由于混凝土变形所引起， 只有很小一部分是由于承载力不足导致。
•
——裂缝治理专家 王铁孟
混凝土变形的意义
➢ 刚硬化的混凝土（无论加载或没有加载）暴露在 环境温湿度之中，通常总要产生温度收缩（或 “热收缩”——与冷却相关的收缩应变）和干燥 收缩（与失水相关的收缩应变）。
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.
大体积混凝土的定义
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。
特点： ➢ 化学收缩是不可恢复的。 ➢ 其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加，
一般在混凝土成型后40天左右增长较快，以后 逐渐趋于稳定。 ➢ 化学收缩值很小（小于1％），对混凝土结构 没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细 裂缝。
化学收缩示意图
水泥 +
水
= 水泥水浆泥体浆
大水灰比
水泥 +
水=
水泥 浆体
➢ 这将使混凝土产生内胀外缩，结果在外表混凝土 中将产生很大的拉应力，严重时使混凝土产生裂 缝。
热裂缝的控制
➢ 自20世纪初起，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。
➢ 结构物里的混凝土构件，总要受到一定的约束， 如来自地基的摩擦、其它构件、配筋或混凝土体 内外变形的差异。
➢ 当弹性材料的收缩应变完全受到限制，就产生弹 性拉应力。应力大小取决材料的应变ε和弹性模 量E（σ= Eε）。
混凝土变形的意义
➢ 当变形产生的拉应力，或者由于荷载作用产 生的拉应力超过其抵抗断裂的能力时，就会 引起开裂，出现宏观可见裂缝。
结构变形的实时监测
混凝土变形的类型
分类： Ⅰ非荷载作用下的变形
化学收缩 干湿变形 温度变形
Ⅱ荷载作用下的变形 短期荷载作用下的变形 长期荷载作用下的变形—徐变
Ⅰ非荷载作用下的变形
包括： 1、化学收缩 2、干湿变形 3、温度变形 4、碳化收缩等
4.6.1、化学收缩
定义——在混凝土硬化过程中，由于水泥水化生 成物的体积比反应前物质的总体积小，从而引 起混凝土的收缩，称为化学收缩。
小水灰比
化学收缩
4.6.2 温度变形
定义——混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形。
参数——混凝土的温度线膨胀系数为（1～1.5）×10-5/℃， 即温度升高1℃，每m膨胀0.01mm。
危害——温度变形对大体积混凝土及大面积混凝土工程极 为不利，易使这些混凝土造成温度裂缝。
热裂缝出现的机理
➢ 在混凝土硬化初期，水泥水化放出较多热量，而 混凝土又是热的不良导体，散热很慢，因此造成 混凝土内外温差很大，有时可达50～70℃，
➢ 有时裂缝只在混凝土的表面或浅层，虽有碍 结构物外观，对结构受力功能和耐久性则没 有很大影响；
➢ 而有时表面出现裂缝，是构件内部裂缝已经 延伸到表面的结果，是设计、施工和材料几 方面有误的综合反映，可能由于混凝土强度 不足、匀质性差等，甚至整个结构存在严重 的薄弱环节所引起，对结构受力和耐久性都 有一定程度的影响。
三峡大坝泄洪段－发电段 大体积混凝土
三峡大坝混凝土的“外衣”
大体积混凝土的内部降温管
三峡大坝搅拌站
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，同时发现干燥收缩通常在这 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。
美国混凝土学会（ACI）
4.6.3. 干湿变形
定义——由于混凝土周围环境湿度的变化，会引起 混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀。
机理： ➢ 混凝土在干燥过程中，由于毛细孔水的蒸发，使
毛细孔中形成负压，随者空气湿度的降低负压逐 渐增大，产生收缩力，导致混凝土收缩。 ➢ 同时，凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，凝 胶体因失水而产生紧缩。
干湿变形机理示意图
负压
弯
月
面
凝
胶
孔
干湿变形的特点
➢ 可恢复性－吸水膨胀；
➢ 混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。 但干缩收缩（Dry Shrinkage）能使混凝土表面 出现拉应力而导致开裂，严重影响混凝土的耐 久性。
➢ 一 般 条 件 下 混 凝 土 的 极 限 收 缩 值 为 (50 ～ 90)×10－5mm/mm左右，在工程设计时，混 凝 土 的 线 收 缩 采 用 (15 ～ 20)×10-5mm/mm ， 即每m收缩0.15～0.20mm