混凝土的变形之体积变化

环境湿度对徐变的影响
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混凝土的徐变对结构物的影响
有利面：
徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力 重分布，从而使局部应力集中得到缓解； 对大体积混凝土则能消除一部分由于温度变形 所产生的破坏应力。
不利面：
在预应力钢筋混凝土中，混凝土的徐变 将使钢筋的预加应力受到损失。
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徐变引起的桥梁垮塌图
西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨 为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥 面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年 后坍塌 （1996年）。
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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
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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
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%以上的开裂都是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
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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 ， Cement Concrete 即每m收缩0.15～0.20mm
干缩示意图
干燥环境
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干缩示意图
混凝土表面
Cement Concrete 开裂 泌水速率 < 蒸发速率
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4.6.4.2、在长期荷载作用下的变形——徐变
定义——这种在长期荷载作用下，随时间而增 长的变形称为徐变。 而应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象则 称应力松弛。 两者都是粘弹性材料的典型特征。当一混凝土 构件受约束时，其粘弹性表现为应力随时间逐 渐减小。因此，在有约束的条件下，收缩应变 引起的弹性拉应力和粘弹性引起的应力松弛， 是大多数结构变形与开裂的实质。
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干湿变形机理示意图
负压
弯 月 面
凝 胶 孔
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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。
来自百度文库
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 ～
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。
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三峡大坝泄洪段－发电段 大体积混凝土
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混凝土的弹性模量的测定
根据《普通混凝土力学性能试验方法》
（ GBJ － 85 ） 中 规 定 ， 采 用 150mm×150mm×150mm 的棱柱体作 为标准试件，取测定点的应力为试件轴 心强度的 40 ％（即 σ ＝ 0.4fcp ） , 经三次 以上反复加荷与卸荷后，测得的变形模 量值，即为该混凝土的弹性模量。
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影响混凝土徐变的因素*
水灰比 —— 混凝土的水灰比较小或在水中
养护时，徐变较小； 水泥用量 —— 水灰比相同的混凝土，其水 泥用量愈多，徐变愈大； 骨料的性质 —— 混凝土所用骨料的弹性模 量较大时，徐变较小； 荷载——所受应力越大，徐变越大。
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徐 变
徐变示意图
Cement Concrete
徐变示意图
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混凝土徐变原因*
水泥石中的凝胶体在长期荷载作用下的粘
性流动，并向毛细孔内迁移的结果。 在混凝土的较早龄期加荷，水泥尚未充分 水化，所含凝胶体较多，且水泥石中毛细 孔较多，凝胶体易流动，所以徐变发展较 快； 在晚龄期，水泥继续硬化，凝胶体含量相 对减少，毛细孔亦少，徐变发展愈慢。
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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.
骨料弹性模量影响

岩芯试验表明： 低孔隙率的天然骨料，例如花岗岩、暗色岩以及玄武 岩的弹性模量在 70 ～ 140GPa ；砂岩、石灰岩和有孔 的砾石在23～50GPa；轻骨料是多孔的，其弹性模量 取决孔隙率，低的可能才有 7GPa ；高的会到 28GPa 。 通常轻骨料混凝土的弹性模量在14～21GPa。为同强 度普通混凝土弹性模量的50～75%。骨料的其他性质， 如最大粒径、粒形、表面构造、级配与矿物组成要影 响过渡区的微裂缝，因此影响应力 —应变曲线的形状。
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影响混凝土弹性模量的因素

在匀质材料里，弹性模量和密度直接相关；而多相材料， 例如混凝土中，主要组分所占体积及其密度和弹性模量， 以及过渡区的特性决定弹性性质;
混凝土的强度——混凝土的强度越高，弹性模量
越大，当混凝土的强度等级由 C10增加到 C60时， 其弹性模量大致由 1.75×104MPa 增加到 3.60× 104MPa; 骨料的含量与弹性模量 ——骨料的含量越多，弹 性模量越大，混凝土的弹性模量越高; 养护条件等——混凝土的水灰比较小，养护较好 Cement Concrete 及龄期较长时，混凝土的弹性模量就较大。
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三峡大坝混凝土的“外衣”
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大体积混凝土的内部降温管
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三峡大坝搅拌站
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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。
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）。 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）。
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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℃， 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。
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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。 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 Cement Concrete 有一定程度的影响。
结构变形的实时监测 Cement Concrete
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
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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
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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： Cement Concrete （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。
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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。 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 Cement Concrete 裂缝。
化学收缩示意图
水泥
+
水
=
水泥浆 水泥浆体
大水灰比 水泥
+
水
=
水泥 浆体 化学收缩 Cement Concrete
小水灰比
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。
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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。
美国混凝土学会（ACI）
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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。