混凝土的徐变性能

时间
应变 图 1 在持续荷载及干燥作用下混凝土的变形曲线 混凝土的徐变和收缩性能
唐义华
摘要：徐变和收缩是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。

混凝土的徐变是指在持续荷载作用下，混凝土结构的变形随时间不断增加的现象。

受拉和受扭混凝土虽然也能产生徐变，但混凝土的徐变通常是指受压徐变。

由非荷载因素引起的混凝土体积的缩小称为收缩。

本文对混凝土的徐变和收缩性能进行了阐述。

1 核心混凝土的徐变和收缩模型
一般而言，长期荷载作用下混凝土的变形包括基本徐变、干燥徐变和收缩三部分[1]，如图1所示。

当混凝土置于不饱和空气中时，混凝土将因水分的散失而产生干缩现象，导致长期荷载作用下的混凝土产生Pickett 效应[1,2]，即当徐变和干缩同时发生时，其总变形要比相同条件下分别测得的徐变和干缩的总和要大。

就普通混凝土而言，其
试验多数是在混凝土边干燥边受荷的情况下进行。

因此，普通混凝土的徐变通常包括基本徐变和干燥徐变两部分。

基本徐变是指混凝土在密闭
条件下（与周围介质没有湿度交换）受持续荷载作用产生的徐变，从总徐变中减去基本徐
变后的部分称为干燥徐变。

由于方钢管混凝土的核心混凝土被包围在钢管中，属于比较理想的密闭环境，由上述定义，可以认为方钢管混凝土的核心混凝土徐变属基本徐变，即不存在Pickett 效应。

在徐变过程中，由于混凝土弹性模量随龄期而增加，所以弹性变形逐渐减小。

因此，严格地说，徐变应看作是测定徐变时超过当时弹性应变的那个应变。

但不同龄期的弹性模量往往不进行测定，因此为简化起见，通常就将徐变看作是超过初始弹性应变的应变增量。

1.1 影响混凝土徐变和收缩的主要因素[1-5]
影响混凝土徐变和收缩的因素很多，但归纳起来不外乎内部因素和外部因素两种。

（1）内部因素。

影响混凝土徐变和收缩的内部因素有水泥品种、骨料含量和水灰比等。

水泥品种对徐变的影响是就它对混凝土强度有影响这一点而言的。

在早龄期加荷的情况下，混凝土随龄期的增长其强度不断提高，导致实际应力比不断下降，而不同品种的混凝土其强度增长规律并不一致，从而影响到混凝土徐变量的大
小。

同样的情况是水泥细度对徐变产生的影响。

关于水泥品种对收缩的影响目前看法并不一致，有些认为影响不大，有些则认为有较大影响。

骨料的品种和含量对混凝土的徐变和收缩有一定的影响。

骨料的弹性模量越高，徐变和收缩值会相应降低。

试验结果表明，弹性模量低、孔隙率大的砂岩骨料混凝土的徐变值可达弹性模量高、孔隙率小的石灰岩骨料混凝土徐变值的2.3~5倍。

另外，徐变和收缩随骨料含量的增加而减小，这是由于混凝土的徐变和收缩主要源自于水泥浆体的变形，当骨料的含量增加，相应水泥浆体的含量就会减小，因而徐变和收缩也就减小。

混凝土水灰比是影响徐变和收缩的主要因素之一。

水灰比大的混凝土，其单位体积的混凝土含水量增大，水泥颗粒间距大、孔隙多，毛细管孔径大、质松强度低，因而徐变和收缩也大。

（2）外部因素。

影响混凝土徐变的外部因素主要有加荷龄期、加荷应力比（加荷应力与混凝土强度之比）、持荷时间、环境相对湿度、结构尺寸等。

影响混凝土收缩的外部因素主要有养护条件、收缩持续时间、环境相对湿度和结构尺寸等。

混凝土徐变随加荷龄期的增长而减少。

在早龄期，由于水泥水化正在进行，强度很低，徐变较大；随着龄期的增长，水泥不断水化，强度也不断提高，故晚龄期混凝土徐变较小。

混凝土徐变随加荷应力比的增大而增大。

当应力比小于0.4时，一般都假定徐变与应力成正比（Davis-Glanville法则）；当应力比大于0.4时，徐变随应力比的增长而急剧增大，表现出明显的非线性关系，因而混凝土的徐变可分为线性徐变和非线性徐变两种。

非线性徐变被认为是由于骨料与凝固水泥浆交界面上出现的微裂所致。

目前混凝土的徐变研究以线性徐变为主。

混凝土徐变随持荷时间的延长而增加。

混凝土徐变可以持续非常长的时间，最长的测试资料表明，30年以后徐变仍有小量增加，此后试验因碳化作用的干扰而停止。

一般假设，在荷载作用下经无限长时间以后，徐变趋于其极限值。

混凝土徐变增长的规律表明大部分徐变都在徐变开始后的1~2年内完成，此后的徐变增长趋缓。

对于普通素混凝土，若以持荷20年的徐变为准，则平均情况下持荷1年的徐变为持荷20年的76%，持荷3个月的徐变为持荷20年的55%。

后期徐变和持荷1年徐变的比值如表1所示。

表 1 普通素混凝土徐变随持荷时间的变化情况
1年2年5年10年20年30年
1.00 1.14 1.20 1.26 1.33 1.36
从以上数据可以看出，极限徐变为1年徐变的1.36倍以上，在一般计算中假定极限徐变为1年徐变的4/3。

这种估算对早期加荷的混凝土徐变的误差在±15%以内。

表1中的数据还表明，在正常工作应力作用下，混凝土的徐变速率随时间的延长而不断减小。

但以上规律并不适用于高应力作用下的情况，对于高应力作用下的无约束素混凝土，试验证明其变形速率随时间的延长反而不断增加，直至破
坏。

导致以上时间破坏的临界应力比，对于7天和28天龄期加荷，其值为0.85；对于180天龄期加荷，其值为0.96。

后者值高是因为晚龄期加荷的混凝土徐变速率和总徐变都较小的缘故。

有约束混凝土是否也存在临界应力比问题目前尚未见相关研究。

在长期荷载作用下，当混凝土不出现微裂时，混凝土强度通常随龄期的增长而不断提高。

试验证明在低应力或中等水平应力作用下，混凝土强度因龄期增长而提高的幅度可高达10%以上，其原因可能是荷载的作用加速了水泥水化，并使与荷载作用方向垂直的微裂缝愈合，同时分子间的范德华力加大，使胶体颗粒更紧密所致。

强度提高的大小与混凝土短期强度水平、持荷时间、应力比及加载龄期等有关。

但以上混凝土强度随龄期的变化规律并不适用于高应力比作用的情况。

如前所述，在高应力比作用下，无约束混凝土的非线性徐变将导致混凝土破坏（也即强度产生降低），在此破坏过程中，混凝土同时产生很大的横向变形，混凝土内部微裂缝的发展导致其徐变泊松比将超过0.5。

可以推测，当方钢管混凝土在高轴压比的长期荷载作用下，其核心混凝土也将发生非线性徐变变形，但由于混凝土的横向变形受到钢管的有效约束，因而其有可能不存在导致混凝土发生破坏的临界应力比，即使存在临界应力比，其值也将高于无约束素混凝土的相应值，这一点尚待有关试验证实。

普通混凝土徐变随相对湿度的增加而减小；而徐变速率随相对湿度的降低而增大。

这是因为混凝土加荷同时经受干燥使其产生附加徐变 干燥徐变。

据此可以认为，只要加荷前试件的湿度与周围环境相对湿度达到平衡（没有湿度交换），那么相对湿度对徐变就没有什么影响。

对于普通混凝土，一般认为试件的尺寸越小，徐变越大。

其原因有两个：一是构件尺寸小，混凝土中的水分蒸发快，导致产生附加的干燥徐变；另一个原因是构件尺寸小，不能容纳较大粒径的颗粒，单位体积内灰浆率增加，故徐变大。

对于方钢管混凝土试件，其核心混凝土处于密闭保水状态，不存在水分从混凝土内部蒸发出来的问题。

试件尺寸可能对方钢管混凝土徐变产生影响将主要是以上第二个原因。

养护条件对收缩值的影响比较复杂。

一般认为延长潮湿养护时间可以延滞收缩的进程，并对干缩终值有一定的影响，但并非能减少混凝土的短期干缩。

蒸汽和高压蒸汽养护可显著降低混凝土的收缩。

收缩持续时间对收缩的影响类似持荷时间对徐变的影响。

收缩随持续时间的延长而增加，并趋向于一终值，在此过程中，收缩速率不断降低并最终趋近于0。

周围介质的相对湿度对混凝土的收缩有显著的影响。

混凝土收缩随空气相对湿度的增加而减少，直至相对湿度100%时表现为湿胀。

收缩和混凝土试件尺寸和形状有关，收缩随试件尺寸减小而增大，随时间体表面积比的增大而减小。

1.2 混凝土的徐变和收缩机理
在长期荷载作用下，混凝土中的骨料一般认为不产生徐变和收缩，徐变和收缩主要来自于水泥石。

水泥石中有结晶连生体和凝胶体两种基本结构，另外还有
少量粉碎的水泥熟料颗粒。

解释混凝土徐变机理的理论很多，一般都以上面水泥浆体的微观结构为基础。

这些理论主要有粘弹性理论、渗出理论、内力平衡理论、粘性流动理论和微裂缝理论等，各种理论对徐变的解释不尽相同，但以上理论中没有任何一种能将徐变机理解释得令人满意，而将几种理论结合起来解释可能会得到令人比较满意的结果，如可将徐变原因综合为水分的迁移、凝胶微粒的滑动及微裂缝的发展等。

虽然混凝土徐变机理十分复杂，但在实际工程应用中，工程师们更关心的是徐变对结构的整体影响，这就需要建立起联系徐变微观机理和结构宏观反应两者之间桥梁的徐变计算模型。

混凝土的收缩一般包括凝缩、自生收缩、干燥收缩和碳化收缩等，通常意义上的收缩主要是指后三种。

自生收缩是由于水泥的水化作用而产生的固有收缩，干燥收缩的原因是混凝土内部水分的散失，而碳化收缩则是由于水泥水化物中的氢氧化钙碳化成为碳酸钙而引起。

2 结论
由于影响混凝土徐变和收缩的因素极其复杂，实际情况千差万别，因而出现了众多计算混凝土徐变和收缩的模型，包括幂函数、对数函数、双曲线函数、指数函数等不同的表达形式。

但到目前为止，没有一种模型能将影响混凝土徐变和收缩的所有因素都考虑进去，因而各模型都有其一定的适用范围。

在进行钢筋混凝土结构徐变和收缩分析时要根据各自的实际情况选择合适的计算模型。

参考文献
1 惠荣炎, 黄国兴, 易冰岩. 混凝土的徐变. 北京: 中国铁道出版社. 1988: 1~17
2 A.M.内维尔. 混凝土的性能. 李国泮,马贞勇译. 北京: 中国建筑工业出版社. 1983:
436~474
3 周履, 陈永春. 收缩·徐变. 北京: 中国铁道出版社. 1994: 33~36
4 姜福田. 混凝土力学性能与测定. 北京: 中国铁道出版社. 1989: 164~205
5 黄国兴, 惠荣炎. 混凝土的收缩. 北京: 中国铁道出版社. 1990: 1~56。