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-混凝土徐变收缩-第 10 页混凝土的收缩与徐变1 混凝土的收缩混凝土在硬化过程中要发生体积变化，最大的变化是当混凝土在大气中或湿度较低的介质中硬化时产生的体积减小。这种变形称为混凝土收缩。一般认为，混凝土的收缩包括自生收缩、干燥收缩和碳化收缩，引起各种收缩的原因和机理可以解释为:1自生收缩是在没有水分转移下的收缩，其原因是水泥水化物的体积小于参与水化的水泥和水的体积，因此，这是一种因水泥水化产生的固有收缩，对于普通混凝土来讲，自生收缩相对于干燥收缩微不足道，而对于高强混凝土来讲，由于其具有较高的水泥含量，因此，早期水泥水化所产生的自生收缩占总缩量的比重较大，应予以考虑。2干燥收缩的原因是混凝土内部水分的散失，需要指出的是，干燥开始时所损失的自由水不会引起混凝土的收缩，干燥收缩的主要原因是吸附水的消失。3碳化收缩是混凝土中水泥水化物与空气中的CO2发生化学反应的结果。水泥水化物中的Ca(OH)2碳化成为CaCO3，碳化收缩的主要原因在于Ca(OH)2结晶体的溶解和CaCO3的沉淀。碳化收缩的速度取决于混凝土的含水量、环境相对湿度和构件的尺寸，当空气中相对湿度为100%或小至25%时，碳化收缩停止。碳化收缩是相对发现得较晚，因此，大多数干燥收缩的试验数据中包含了碳化收缩。2混凝土的徐变2.1徐变现象徐变指在应力保持不变的条件下，混凝土的应变会随荷载持续时间的增长而增大的现象。徐变可分为两种:基本徐变和干燥徐变。基本徐变是指在常荷载作用下无水分转移时的体积改变；干燥徐变是指在常荷载作用下试件干燥时的时变变形。总徐变=基本徐变+干燥徐变图1 混凝土徐变与时间的关系曲线图1为混凝土棱柱体试件受压徐变的试验曲线。对试件施加某一荷载（本图为），在加载瞬间为竖直的直线，试件受压后立即产生瞬时的应变，若保持应力不变，随荷载作用时间的增加，试件的变形继续增加，产生徐变。在加载初期，徐变增长较快半年后徐变可达到总量的70%-80%。；此后，徐变的增长速度逐渐减慢，经过较长时期后趋于稳定。两年后测得的徐变应变值约为瞬时应变的14倍，若在此时卸载，试件瞬时可恢复一部分应变（瞬时恢复应变），其值比加载时的瞬时应变略小。卸除后约过20d后，试件还可恢复一部分应变（弹性后效）。其余很大一部分应变是不可恢复的，称为残余应变。2.2混凝土徐变的机理曾有不少学者提出各种理论和假设来说明收缩徐变的机理，但迄今为止还没有一种理论能完全解释混凝土的徐变现象。美国混凝土学会第209委员会1972年的报告将徐变的主要机理分为：(1)在应力作用下和吸附水层的润滑作用下，水泥凝胶体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形；(2)在应力作用下，由于吸附水的渗流或层间水的转移而导致的紧缩；(3)由水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形；(4)由于局部破裂以及重新结晶与新的联结而产生的永久变形。粘弹性理论将水泥浆体看作为弹性的水泥凝胶骨架，其空隙中充满着粘弹性液体构成的复合体。加给水泥浆的荷载起初一部分被固体空隙中的水所承受，这样便推迟了固体的瞬时弹性变形。当水从压力高处向低处流动时，固体承受的荷载就逐渐增大，从而加大弹性变形。荷载卸除后，水便流向相反方向，引起徐变的恢复。与这一过程有关的水，仅是毛细管空隙和凝胶空隙中的水，而不是凝胶微粒表面的吸附水。渗出理论认为徐变是由于凝胶粒子表面的吸附水和这些粒子之间的层间水在荷载作用下的流动引起。水泥浆体承受压缩荷载后，凝胶粒子之间的吸附水和层间水就缓慢排除而产生变形。当水被挤出后，凝胶微粒承受的应力增加，而作用于水的压力相应减小，结果导致水的渗出速度的减小徐变是在凝胶与周围介质达到新的湿度平衡时的现象此处需强调的是该理论渗出的水是凝胶水，而不是毛细水和化合水。由于凝胶水被挤出，使微粒问的距离缩短而处于微粒问力的作用范围内。在外荷载作用下，水分子进一步接近，使微粒间的表面能降低，而且引起一部分的化学结合，这就增加了凝胶的稳定性。因此卸载后，凝胶不会恢复到加载前的状态，有这种过程引起的徐变就是非恢复性徐变。吸附水的渗出速度取决于压应力和毛细管的阻力，作用应力越大，水分的渗出速度和和变形速度也越快，相应徐变也越大。混凝土的强度取决于水泥石的密实度，而密实度大的水泥石，毛细管通道的阻力也越大，水分的渗出速度和变形速度则小，相应徐变也小。因此强度高的混凝土，徐变小，反之，则徐变大。 粘性流动理论认为混凝土可分为两部分，一部分为荷载作用下不产生流动的惰性骨料。当混凝土受荷时，水泥浆体的流动受到骨科的阻碍。结果使得骨科承受到较高的应力。而水泥浆体承受的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变与加荷应力成正比，因此，随着加荷应力逐渐从水泥浆体转移到骨料来承受，从而徐变速率将减小。微裂缝理论认为在多相混凝土组成材料的界面上，受荷前就有粘结微裂缝的存在，这是由于混凝土硬化过程中骨料沉降、拌合水析出及干缩应力引起。对正常工作范围内，裂缝界面通过摩擦连续传递荷载，微裂缝仅稍微增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力时，界面上的粘结微裂缝就会扩展并产生新的微裂缝；当荷载再增加，还会产生少量穿越砂浆的裂缝，甚至产生穿越骨料的裂缝，最后各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。因此，当加荷应力小于抗裂强度时，混凝土结构继续密实。而当加荷应力大于抗裂强度时，由于微裂缝的产生和发展，在长期荷载作用下便产生了附加变形，这使得混凝土的徐变变形与应力之间表现出明显的非线性特征。内力平衡理论认为水泥浆体的徐变是由于荷载破坏了开始存在于水泥浆体中的内力平衡并达到新的平衡的过程。根据这一理论，内力平衡将由荷载、温度、湿度变化的任一原因而破坏。从而产生干燥收缩和徐变，两者原因不同，现象却相同。2.3 混凝土徐变计算理论徐变计算理论是常荷载下徐变试验结果用到变应力作用下的结构构件徐变分析中，也就是变应力下构件的徐变分析方法。徐变计算理论有有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、弹性老化理论和继效流动理论。有效模量法有效模量法用降低弹性模量来考虑混凝土的徐变影响，也就是混凝土的徐变近似地归入弹性应变，将徐变问题化为相应的弹性问题来解决。引入有效模量之后，可以采用弹性状态分析方法，逐步推算各时刻的变形和应力。该方法在应力无明显变化或龄期可以忽略不计时(如老龄期混凝土)能给出极好的精确解，然而有效模量法认为徐变是完全可复的，这显然与事实不符。：单位应力作用下的徐变:龄期的弹性模量老化理论老化理论假定不同加载龄期混凝土的徐变曲线具有沿变形轴“平行”的性质，也就是说徐变速率与加荷龄期无关。因此，只需一条徐变曲线就可以进行徐变计算。(0.1)：徐变函数为弹性变形和徐变变形之和：徐变系数表示，徐变变形与弹性变形之比老化理论低估了之后的应力变化所引起的徐变，而且对于在龄期较长的混凝土上施加荷载来说，被推算的徐变小得几乎可以忽略，这与试验结果不符。弹性徐变理论弹性老化理论弹性老化理论它是弹性徐变理论和老化理论的结合。该理论将徐变函数分为弹性变形、滞后弹性变形、流动变形三部分组成,其中滞后弹性变形为可复变形与加载龄期无关。假定不同加荷龄期的流动变形曲线是平行的,即流动速率与加荷龄期无关,从而有d和f分别表示滞后弹性应变和流变的徐变系数,由于各个不同龄期的徐变恢复曲线近似相等,故d仅与(t- 0)有关。继效流动理论不再假定流动速率与加载龄期无关，而采用流变模型来考虑流变变形。其中滞后弹性变形是加荷龄期、卸荷龄期和观测时间的函数Cd(t，0)，主要取决于观测时间与卸荷龄期之差(t-)。按龄期调整的有效模量法有效模量法忽略了材料的老化，因此往往高估了第一次加载后的应力增量所引起的徐变，故该方法不适用于变应力情况。按龄期调整有效模量法就是用老化系数来考虑混凝土老化对最终徐变值的影响。总的应变按下式计算老化系数取值范围为0.5< (t，0)<1，(t)仅与即时应力(t)和初始应力0有关，而与应力历史无关，从而简化了计算。然而使用时需查表差值，这给实际工程应用带来不便。由于近年来高性能计算机的逐渐普及，通用有限元程序的广泛应用，将按龄期调整的有效模量法与有限单元法相结合，使得混凝土结构的徐变计算能够更逼近实际。几种徐变计算理论的比较为了方便使用现将几种徐变理论进行比较，见表1。表1徐变计算理论的比较计算方法优点缺点有效模量法应力无明显变化、混凝土龄期可以忽略不计时，与试验结果较符合对于松弛、荷载剧烈变动及徐变恢复等问题不大适用;应力递减时低估了徐变变形且低估了长变形下的应力松弛，应力递增时高估了徐变变形老化理论对于混凝土应力单调减少且变化不大时(如预应力衰减计算)，用该理论可以获得较好结果对于老龄期的徐变、应力剧烈变化和脉动变化的情况，计算结果与实际不符;应力递减时高估了徐变变形且忽略了卸荷后的徐变恢复，应力递增时低估了徐变变形。弹性徐变理论能反应徐变的基本特征徐变恢复，计算值与试验结果基本相符由于需要考虑应力历史，计算量较大;得出老混凝土徐变完全可复的结论与试验结果不符。弹性老化理论较好地描述早龄期混凝土在卸荷状态下徐变部分可复的性质，在应力递减时能获得较好。低估了老混凝土的徐变变形;应力递增时低估了徐变变形。继效流动理论精度较高，对于应力衰减问题，能得到满意的结果计算比较繁复按龄期调整的有效模量法精度较高， 并采用了应力应变关系的代数方程式， 计算大为简化。只有在应变变化与徐变系数时徐变效应的计算可以来用任何形整的有效成线性关系或应力变化与松弛函数成线性系数。使超静定结构的徐变效的模量关系时，此方法才能得到精确解。3收缩徐变影响因素一般认为混凝土的收缩、徐变特性由一些共同的基本因素所决定的。凡是收缩大的混凝土，徐变也大。影响收缩徐变的共同因素主要包括内部因素和外部因素两个方面。由于徐变是由外荷载引起的，所以对于徐变来讲，除了上述共同影响因素外，还应考虑混凝土的加载龄期、应力水平、以及持荷时问的影响。3.1 水泥品种一般情况下，水泥的化学成分对混凝土的收缩无影响。但水泥的石膏不足会导致较大的收缩。水泥品种对混凝土的徐变影响不大，水泥品种对徐变的影响是就其对强度的影响来讲的。因此，在早龄期加载的情况下，徐变以快硬、普通、低热水泥的次序增加苏联学者沙塔林曾进行了水泥熟科矿物组成对混凝土徐变的影响试验 发现水泥熟料中硅酸二钙(C2S)及硅酸三钙(C3S)的含量对混凝士徐变的影响较大，混凝土的徐变随C2S含量的增加而增大，随C3S含量的增加而减小，普通水泥中C2S含量比快硬水泥高，因此，普通水泥混凝土的徐变比快硬水泥混凝土的大水泥中石膏含量对徐变影响较大，高铝水泥的石膏含量高用该水泥配制的混凝土表现出最小的徐变特性。3.2 骨料在混凝土的内部，骨料对水泥石的收缩徐变起约束作用。制约作用的大小与骨料所占的体积百分比和骨料本身的刚度有关。当混凝土的骨料体积含量从60增加至75，徐变可降低50左右。试验证明骨料的弹性模量低于30GP时，混凝土的徐变受弹性模量的影响较大，当高于此值，骨料弹性模量的变化对徐变的影响较小，当骨料的弹性模量大于70GPa时，它对混凝土的徐变的影响是无关紧要的。3.3 水灰比在单位体积混凝土的水泥用量相同时，水灰比越大则收缩越大。当含水量不变时，单位体积混凝土的水泥用量愈大则收缩愈大。在其它条件相同时，混凝土的徐变随水灰比的增大而增大。另外，具有不同水灰比的混凝土的“初始应力/强度”比值相同时，水灰比愈小，徐变反而增大，这一现象可以解释为：具有低水灰比混凝土的强度发展速度低于高水灰比混凝土的强度发展速度由于强度发展速度低者将导致较高的徐变变形，所以。当“初始应力强度”比值相同时，低水灰比的混凝土反而导致较大的徐变。3.4 周围介质的温度、湿度周围介质的相对湿度对混凝土的收缩和徐变均有显著的影响。湿度愈大，吸附水的蒸发量愈小，水泥的水化程度愈高，水泥凝胶体的密度也愈大，收缩和徐变均减小。相对湿度对加载早期的徐变影响更大。然而，一旦混凝土与周围环境的湿度达到平衡则相对湿度的影响就趋于消失。高强高性能混凝土与普通混凝土相比，由于可供迁移的水分较少，因此受相对湿度的影响较小。介质的温度对混凝土的收缩影响不大，对混凝土的徐变有显著的影响。环境温度对徐变的影响主要有两种方式：一方面，在湿度稳定的条件下，混凝土的徐变将随温度的升高有显著的增加。大多数学者认为，随周围介质温度升高，徐变率将增大，温度在2090之问以71徐变率最大，随后又开始下降；另一方面，若允许混凝土干燥，则温度的升高会促使混凝土内部水分的散失因此，有增大徐变的趋势。3.5 构件尺寸构件尺寸决定了介质湿度和温度影响混凝土内部水分逸出的程度，随构件体表比的增大，混凝土的收缩和徐变较小。但当混凝土与环境达到湿度平衡时，尺寸效应将消失。试验表明，当构件体表比超出.09m时，尺寸因素可以忽略不计。应力的影响 试验表明，应力大小是影响混凝土徐变的重要因素。从图2中可以看到，当混凝土应力时， 各条徐变曲线的间距近似相等，说明此时的混凝土徐变与应力基本成正比。线性徐变在加载初期增长较快，后期徐变增长逐渐减缓，约3年后可以认为混凝土徐变的增长基本终止。当混凝土应力较大时，如，徐变不再与应力成正比，此时徐变的增长要快于应力的增长。当应力达更高的数值时，如时，由于试件内部微裂缝的发展进入不稳定状态，非线性徐变急剧增加而不收敛，因此将导致混凝土破坏。所以，一般认为在长期荷载下混凝土的抗压强度只能达到其短期强度的75%-80%。图2 应力对徐变的影响加载龄期混凝土与其他材料蠕变特性的区别主要在与它的力学性能与其材料龄期有关。这种特性主要由于混凝土水化作用的长期性所决定。由于不同加载龄期下，混凝土的力学性能有所差异，因此需要研究加载龄期对徐变的影响。在早期，由于水泥水化还在进行，混凝土强度低，故徐变很大。随着龄期的增长，水泥不断水化，强度也提高，故后期徐变较小。 养护条件养护条件一般指养护环境的温度、湿度及养护时问温度和湿度均影响水泥的水化速度和水化程度。采用蒸汽养护或高压蒸汽养护，有利于保证水泥水化的湿度和温度。有利于混凝土强度的形成和水泥凝胶体密度的提高。因而，可大幅度减少收缩，并有利于徐变的减少。参考文献1顾祥林.混凝土结构基本原理M.上海:同济大学出版社,2011. 2过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析M.北京:清华大学出版社,2003.3惠荣炎,黄国兴，易冰岩.混凝土的徐变M.北京:中国铁道出版社,19884黄国兴,惠荣炎.混凝土的收缩M.北京:中国铁道出版社,1990 5王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论M.北京:中国建筑工业出版社,1985 6高政国,黄达海,赵国藩.混凝土结构徐变应力分析的全量方法J.土木工程学报,2001,04:10-14.7 杨小兵. 混凝土收缩徐变预测模型研究D. 武汉大学, 2004.