5.3混凝土的变形性能

5.3 混凝土的变形性能
体积变形引起砼裂缝的原因:
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 体内外变形差异的约束。
当弹性材料的应变(变形)完全受到限制，就产 生弹性应力。应力大小取决材料的应变ε和弹 性模量E（σ= Eε）。
当变形产生的应力，超过砼抵抗断裂的能力时， 就会引起开裂，出现宏观可见裂缝。
1.塑性收缩（沉缩）
定义:混凝土成型后尚未凝结硬化时属塑性阶 段，在此阶段往往由于表面失水而产生收缩， 称为塑性收缩。
原因：表面失水速率大于内部水向表面迁移 的速率。造成毛细管内产生负压，使浆体中 固体颗粒间产生一定的引力，当引力不均匀 作用于混凝土表面，则在表面产生裂纹。
处理方法：防风、降温、洒水、覆盖及喷养 护剂等。
5.3 混凝土的变形性能
二、荷载作用下的变形
短期荷载作用下的变形－弹塑性变形 长期荷载作用下的变形—徐变
二、荷载作用下的变形 (一)短期荷载作用下的变形－弹塑性变形
1.砼受力变形及破坏的4个阶段
(I)裂缝无明显变化阶段(收缩裂缝阶段):
当荷载达到“比例极限”
极限荷载(%)
30 70 100
✓ 化学收缩值很小，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。
✓
一.非荷载作用下的变形
3.干湿变形（物理收缩）
❖ （1）、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。 ➢ 混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但
干燥收缩（Dry Shrinkage）能使混凝土表面出 现拉应力而导致开裂 ❖ （2）、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，产生收缩力，导致混凝土产生收 缩裂缝。
土。
外部保温保湿
三峡大坝泄洪段－发电段 大体积混凝土
大体积混凝土的内部降温管
5、碳化收缩
❖ （1）、定义 ➢ 水泥石与CO2 作用所引起一种体积收缩现象。 ❖ （2）、机理： ➢ 空气中与水泥石中水化物，特别石与Ca(OH)2的作
用，置换出水分子，引起水泥石体积变化。
➢ 一方面这些失去的水分随相对湿度减小而增大;另一 方面，CO2与水化物作用又必须在一定湿度下进行。 （湿度为100％时不产生碳化收缩，55％时为最大 值，<25％时也不产生收缩）
(1).砼的弹塑变形:
➢加荷载σ,应变ε, 弹 塑
➢ 一部分变形可 ➢恢复,叫ε弹, 另一部分,叫ε塑。 ➢当应力 0.3 - 0.5f cp (轴心抗压强度） ,反 复加荷、卸荷,塑性变形不断增加,直至稳定,
即最后一次加荷、卸荷所产生的塑性变型为零.
➢当应力为 0.5 - 0.7f cp,反复加荷、卸荷,塑 性变形不断增加,最终导致疲劳破坏.
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）。
二、荷载作用下的变形
2.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；
5.3 混凝土的变形性能
硬化砼的变形2种类型
非荷载作用下的变形 ➢化学收缩;干燥收缩; ➢自收缩;温度收缩; ➢塑性收缩;碳化收缩.
化学收缩 干燥收缩 塑性收缩 温度收缩
荷载作用下的变形
➢短期荷载作用下的变形(弹塑变形);
➢长期荷载作用下的变形(徐变).
一.非荷载作用下的变形
混凝土变形在线监测
一.非荷载作用下的变形
第五节 混凝土的技术性质
5.3 混凝土的变形性能
5.3 混凝土的变形性能
硬化混凝土体积变形的后果
混凝土在硬化过程中、在干燥或冷却作用下 要产生变形，以及硬化后在荷载作用下要产生 弹性与非弹性变形，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 王铁梦
➢ 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
干湿变形机理示意图
负压
弯
月
面
毛
细
孔
3.干湿变形
（3）、影响干燥收缩的因素
水泥品种：P.P和P.S水泥干燥收缩大；
水泥细度：水泥细度越大，干燥收缩 越大；
毛细现象解释负压的产生。
一.非荷载作用下的变形
2.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40d左右增长较快，以后逐渐 趋于稳定。
应力 0.4f cp 时，经4－5次反复加荷、卸 荷后的割线弹性模量，规定为砼的静弹模
量： Eh
( 0.4 fcp, )
2、混凝土的弹塑变形及弹性模量
砼的其他弹性模量
动弹性模量：道路轨枕 砼的抗折弹性模量：道路混凝土
(一)短期荷载作用下的变形－弹塑性变形
3.影响混凝土弹性模量的因素
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;
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。
二、荷载作用下的变形
3.混凝土徐变的种类
应变X10－6
(1)恢复性徐变: 瞬时恢复 徐变恢复 (2)非恢复性徐变 残余变形
加荷 瞬时应变
卸荷
瞬时恢复 徐变恢复 残余徐变
恒定荷载作用时间(d)
二、荷载作用下的变形
4.影响混凝土徐变的因素
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;
水泥浆量：水泥浆量越大，弹性模量越小；
含气量：混凝土含气量越大，弹性模量越小；
养护条件——混凝土的水灰比较小，养护较好及龄期较 长时，混凝土的弹性模量就较大。
二、荷载作用下的变形
（二）、在长期荷载作用下的变形－徐变
❖ （1）、定义： 混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形。
❖ （2）、参数：
混凝土的温度线膨胀系数 ：（1～1.5）×10-
5/℃，即温度升高1℃，每m膨胀0.01mm。
L 源自文库L t
❖ （3）、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。
4、温度变形（温度收缩、冷缩）
30 70 100
IV
III
II I
形变
1.砼受力变形及变坏的4个阶段
（III）稳定的裂缝增长阶段
荷载超过临界荷载后， 随着荷载增大，裂缝 继续扩大，并开始出 现少将裂纹。但荷载 保持一定不变时，裂 缝也停止。
极限荷载(%)
30 70 100
IV
III
II I
形变
1.砼受力变形及变坏的4个阶段
（IV）不稳定的裂缝扩展阶段
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。
环境温湿度
二、荷载作用下的变形
5.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，使应力重新 分布，从而使局部应力集中得到缓解；
（4）、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。
4、温度变形（温度收缩、冷缩）
（5）大体积砼温度应力裂缝的控制
水泥用量：用量越大，干燥收缩越大；
水灰(胶）比：w/c or w/B越大，干 缩大，但，水胶比过小，自收缩大；
骨料质量：级配好，杂质含量，针片 状颗粒含量少，干缩小。
养护条件：湿度越高，湿养时间越长， 干缩小。
+ 水中
水中 d 空气中 -
一.非荷载作用下的变形
4、温度变形（温度收缩、冷缩）
合适配筋我选国规择定结构断面最小尺寸超过1m
的混凝土，叫大适低体当热积选水混用泥凝较或粗加土骨掺。料合料
配合比美设国计混凝土学降加会低膨水胀（泥剂AC用I量）（规高定效任减何水现剂）
浇混凝土，其尺加寸缓达凝到剂必须解决水化热
及随之引起的体积变形问题，以最大限
控制入模温度
内外温差小于
施度工减养少护开裂影响必的要，时即内称部降为温大体积2混5－凝30度
(约为极限荷载30%) 以前,裂缝无明显变化, 并稍有收缩. 混凝土处 于弹性工作阶段
III
IV
II
I
形变
1.砼受力变形及变坏的4个阶段
(II).裂缝引发阶段
荷载介于比例极限 30％极限荷载）和 临界荷载（70％极 限荷载）之间，裂 缝数量、长度、宽 度逐渐增大，但尚 无明显砂浆裂缝。
极限荷载(%)
2、混凝土的弹塑变形及弹性模量
(2)砼的弹性模量(静弹模量)
初始切线模量
E初切
d d
( 0, 0)
切线弹性模量
E初切
d d
( , )
切线弹性模量
割线
E初切
应应变变
2、混凝土的弹塑变形及弹性模量
讨论：砼静弹模量的检测与规定
当 0.3 - 0.5f cp(轴心抗压强度）时，每次加 荷、卸荷均有一定塑性变形，但当反复次 数增多后，每次塑性变型逐渐减小并趋于 零，也就是说，最后一次（第4至5次）塑 性变形接近于弹性变形。
荷载达到极限荷载 之后，荷载不变，裂 缝不断扩展。随后应 力降低回落，变形继 续增大，直至破坏。
极限荷载(%)
30 70 100
IV
III
II I
形变
(一)短期荷载作用下的变形－弹塑性变形
2、混凝土的弹塑变形及弹性模量
由混凝土受力破坏特征可知: 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.
➢ 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： ➢ 降低混凝土的承载力,增大了钢筋的应力. ➢ 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。
1.混凝土徐变的概念 ➢ 徐变——在长期恒定荷载作用下，随时间而沿
受力方向增大的非弹性变形称为徐变。 ➢ 松弛——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。