混凝土变形

混凝土在凝结硬化过程和凝结硬化以后，均将产生一定量的体积变形，主要包括化学收缩、干湿变形、温度变形及荷载作用下的变形等。

4．5．1 化学收缩

水泥水化生成的固体体积小于水化硬化前水泥和水的总体积，从而使混凝土出现体积收缩。这种由水泥水化和凝结硬化而产生的自身体积减缩，称为化学收缩，化学收缩是不能恢复的。

化学收缩伴随着水泥水化和硬化而进行，其收缩值随混凝土龄期增加而增大，但增加幅度逐渐减小，一般在混凝土成型后40多天内化学收缩增长较快，以后渐趋稳定。化学收缩量与水泥用量和水泥品种有关，水泥用量越大，化学收缩值越大，因此，在富水泥浆混凝土和高强混凝土中尤其应引起重视。

4．5．2 干湿变形

干湿变形是指干缩湿胀，因混凝土内部水分蒸发引起的体积变形，称为干缩；混凝土吸湿或吸水引起的膨胀，称为湿胀。干湿变形取决于周围环境的湿度变化。

混凝土湿胀，主要是因为混凝土水泥凝胶体粒子吸水后，吸附水膜增厚，胶体粒子间的距离增大。湿胀变形量很小，对混凝土性能基本无影响。

混凝土干缩，主要是因为混凝土在干燥过程中，毛细孔水分蒸发，使毛细孔中形成负压，产生收缩力，导致混凝土收缩。当毛细孔中的水蒸发完后，如继续干燥，则胶凝体颗粒间吸附水也发生部分蒸发，胶凝体颗粒间距离缩小，甚至产生新的化学结合而收缩。因此，干缩的混凝土再次吸水时，干缩变形一部分可恢复，也有一部分（30％～60％）不能恢复。

影响混凝土干缩变形的主要因素有：

①水泥品种和细度。例如，用火山灰水泥和矿渣水泥的混凝土干缩值较大；采用高强度等级水泥，由于颗粒较细，混凝土干缩也较大。

②用水量和水泥用量。用水量越多，硬化后形成的毛细孔越多，干缩值越大；水泥用量越多，干缩值也较大，而且水泥用量多会使用水量增加，也是导致干缩增大的因素。

③集料的种类和数量。粗细集料在混凝土中形成骨架，对收缩有一定抵抗作用；集料弹性模量越高，混凝土收缩值越小，因此轻集料混凝土的收缩值比普通混凝土大得多。

④养护条件。延长潮湿条件的养护时间可推迟干缩的发生，但对最终的干缩值影响不大；若采用蒸养，则可减少混凝土干缩，蒸压养护效果更显著。

4．5．3 温度变形

混凝土与其他材料一样，具有热胀冷缩的性质，这种热胀冷缩的变形，称为温度变形。混凝土的温度变形系数约为1×10－5／℃。即温度每升高或降低1℃，每米混凝土将产生0．01mm的膨胀或收缩变形。混凝土的温度变形对大体积混凝土、超长混凝土结构及大面积混凝土工程等极为不利，极易产生温度裂缝。

在混凝土硬化初期，水泥水化放出较多的热量，混凝土是热的不良导体，散热较慢，因此在大体积混凝土内部的温度较高，有时可达50～70℃。内部较高温度使混凝土内部产生较大膨胀，外部混凝土却因散热较快随气温温度降低而收缩；内部膨胀和外部收缩相互制约，在混凝土表层将产生较大拉应力，严重时导致混凝土开裂。因此对大体积混凝土工程，必须尽量设法减少混凝土发热量或减缓水化放热，减小温升，如采用低热水泥、减少水泥用量、采取人工降温等措施。

为防止超长结构或大面积混凝土温度变形的危害，一般采取设置伸缩缝、配制温度钢筋或掺入膨胀剂等措施，防止混凝土开裂。

4．5．4 荷载作用下的变形

1）短期荷载作用下的变形

混凝土在外力作下的变形，包括弹性变形和塑性变形两部分。塑性变形主要由水泥凝胶体的塑性流动和组成材料间的滑移产生。混凝土是一种弹塑性材料，在短期荷载作用下，其应力-应变关系如图4．8所示。

图4．8 混凝土在荷载作用下的应力-应变关系

混凝土的静力弹性模量为应力与应变之比值。对理论上的纯弹性材料来说，弹性模量是一个定值，而对混凝土这种组分复杂的弹塑性材料来说，不同应力水平的应力与应变之比值为变数。应力水平越高，塑性变形比重越大，故测得的比值越小。因此，《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T50081—2002）规定，混凝土的弹性模量是以棱柱体（150mm× 150mm×300mm）试件轴心抗压强度的1／3作为控制值，在此应力水平下重复加荷卸荷3次以上，基本消除塑性变形后测得的应力-应变之比值，这是一个条件弹性模量，在数值上近似等于初始切线的斜率。表达式为：

式中 Ec——混凝土弹性模量，MPa；

Fa——应力为1／3轴心抗压强度时的荷载，N；

F0——应力为0．5MPa时的初始荷载，N；

A——试件承压面积，mm2；

L——测量标距，mm；

Δn：最后一次从F0加荷至Fa时试件两侧变形的平均值，即εa－ε0，mm；

εa——Fa时试件两侧变形的平均值，mm；

ε0——F0时试件两侧变形的平均值，mm。

影响弹性模量的主要因素如下：

①混凝土强度越高，弹性模量越大。如混凝土强度等级由C10增大到C60，弹性模量从1．75×104MPa增长至6．60×104MPa。

②集料含量。集料的弹性模量一般高于混凝土弹性模量，集料含量越高，则混凝土弹性模量越大。

③混凝土水灰比越小，混凝土越密实，弹性模量越大。

④混凝土养护龄期越长，胶凝材料水化越充分，弹性模量也越大。

⑤早期养护温度较高时，弹性模量较小，亦即蒸汽养护混凝土的弹性模量较小。

⑥掺入引气剂将使混凝土弹性模量下降。

2）长期荷载作用下的变形——徐变

混凝土在长期恒定荷载作用下，沿着作用力方向随试件的延长而增加的变形，称为徐变。徐变产生的原因主要是凝胶体的黏性流动和滑移。加荷早期徐变增加较快，后期减缓，一般要延续2～3年才趋于稳定。卸荷后，混凝土一部分徐变变形瞬间恢复，这一变形小于最初加荷时产生的弹塑性变形。在卸荷后一定时间内，变形还会缓慢恢复一部分，称为徐变恢复。最后残留部分的变形称为残余变形。因此，徐变是由可恢复徐变和不可恢复徐变两部分组成，前者是黏弹性变形，后者多为黏性流动。混凝土的徐变可达300×10－6～1500×10－6m／m。

混凝土的徐变在不同结构物中有不同的作用。对普通钢筋混凝土构件，能消除混凝土内部温度应力和收缩应力，减弱混凝土的开裂现象。对预应力混凝土结构，混凝土徐变使预应力损失显著增加，这是极其不利的。因此，预应力结构一般要求较高的混凝土强度等级，以减小徐变及预应力损失。影响混凝土徐变的主要因素如下：

①水泥用量越大（水灰比一定时），徐变越大。

②W／C越小，徐变越小。

③龄期长、结构致密、强度高，则徐变小。

④集料用量多、弹性模量高、级配好、最大粒径大，则徐变小。

⑤应力水平越高，徐变越大。

此外，徐变还与试验时的应力种类、试件尺寸、温度等有关。影响混凝土徐变的因素及其影响规律与影响混凝土干燥收缩的类似。