混凝土的变形性能

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第124页（3192字）

混凝土在硬化期间和使用过程中，会受到各种因素的作用而产生变形。混凝土的变形直接影响到混凝土的强度和耐久性，特别是对裂缝的产生有很大影响。引起混凝土变形的因素很多，归纳起来可分为两大类，即非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。

(一)非荷载作用下的变形

非荷载作用下的变形，可分为混凝土的化学收缩变形、干湿变化变形和温度变化变形。

1．化学收缩变形

在混凝土硬化过程中，由于一般水泥水化生成物的体积比水化反应后物质的总体积要小，因此会导致水泥水化过程的体积收缩，这种收缩称为化学收缩变形。化学收缩随着混凝土硬化龄期的增长而增加，在40d内其收缩值增长较快，以后逐渐趋于稳定，这种化学收缩是不能恢复的。化学收缩变形值很小，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的裂缝。

2．干湿变化变形

如果混凝土的周围环境湿度变化较大，容易引起混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀。当混凝土在水中硬化时，水泥凝胶体中胶体离子的吸附水膜增厚，胶体离子间的距离增大，使混凝土产生微小膨胀。当混凝土在干燥空气中硬化时，混凝土中的水分逐渐蒸发，水泥凝胶体或水泥石毛细管发生失水，从而使混凝土产生收缩。若把已收缩的混凝土再置于水中养护，原收缩变形的一部分可以恢复，但仍有一部分(占30%～50%)不可恢复。

试验充分证明：混凝土的湿胀变形量很小，对混凝土结构一般无破坏作用；但干缩变形对混凝土危害较大，干缩可能使混凝土表面出现拉应力而开裂，严重影响混凝土的耐久性。因此，应采取措施减少混凝土的收缩变形。在工程施工中可采取减小水灰比、减小水泥用量、加强振捣和养护、掺加适宜外加剂等。

3．温度变化变形

混凝土与其他材料一样，也会随着温度的变化产生热胀冷缩变形，这种变形称为温度变形。混凝土的温度膨胀系数一般为10×10^－5，即温度升高1℃，每1m长度的混凝土膨胀0．01mm。

温度变形对大体积混凝土是非常不利的，在混凝土的硬化初期，水泥水化放出大量的水化热，而混凝土又是热的不良导体，散热的速度非常缓慢，使大体积混凝土内外产生较大的温差，从而使混凝土表面产生很大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，则会产生裂缝。因此，对于大体积混凝土工程，应设法降低混凝土的发热量，如选用中热或低热水泥、减少水泥用量、掺加缓凝剂和采用人工降温措施等，以减少混凝土的内外温差，．防止裂缝的产生和发展。

对于纵向较长的混凝土及钢筋混凝土结构，应考虑混凝土温度变形所产生的危害，每隔一定长度应设置温度伸缩缝。

(二)荷载作用下的变形

荷载作用下的变形分为短期荷载作用下的变形和长期荷载作用下的变形。

1．短期荷载作用下的变形

水泥混凝土是由水泥石、砂子、石子等组成的不均匀复合材料，是一种典型的弹塑性体。混凝土受力后既会产生可以恢复的弹性变形，又会产生不可恢复的塑性变形。其全部应变(ε)是由弹性应变(ε_e)与塑性应变(ε_p)组成；其应力与应变的关系，不是直线，而是曲线，如图5－23所示。

图5－23 硬化水泥浆体、骨料与混凝土的应力－应变关系

(a)硬化水泥浆体、骨料与混凝土的应力－应变曲线；(b)混凝土在加／卸载循环时的应力－应变关系

在应力－应变曲线上任一点的应力σ与其应变ε的比值，称为混凝土在该应力下的变形模量，这个变形模量反映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，均需要知道该时混凝土的变形模量。在钢筋混凝土构件设计中，常采用一种按标准方法测得的静力受压弹性模量作为混凝土的弹性模量。

根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB／T50081－2002)中的规定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，取测定点的应力为试件轴心抗压强度的40%(即σ=0．4f_cp)，经3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。

混凝土的变形模量有三种表示方法，即初始弹性模量E₀=tanα₀、割线变形模量E_g=tanα₁和切线弹性模量E_h=tanα₂，如图5－24所示。混凝土的强度等级越高，弹性模量也越高，两者存在着一定的相关性；试验证明：当混凝土的水灰比较小，养护条件较好及龄期较长时，混凝土的弹性模量也越大。混凝土的强度等级由C15增高到C30时，其弹性模量大致由2．20×10⁴MPa增至3．80×10⁴MPa。

图5－24 混凝土的三种变形模量

2．长期荷载作用下的变形

混凝土在荷载的长期作用下，除了产生瞬间的弹性变形和塑性变形外，还会产生随时间增长而沿受力方向增加的非弹性变形，这种变形称为混凝土的徐变。图5－25表示混凝土的徐变曲线。

图5－25 混凝土的徐变曲线

从上图可以看出：当混凝土开始加荷时产生瞬时应变，随着荷载持续作用时间的增长，逐渐产生徐变变形。徐变变形初期增长较快，以后逐渐变慢，一般要延续2～3年才稳定下来。当变形稳定以后卸掉荷载，混凝土立即发生稍少于瞬时应变的恢复，称为瞬时恢复。在卸荷后的一段时间内，变形还会继续恢复，称为徐变恢复。最后残留下来的不能恢复的应变，称为残余应变。混凝土的徐变一般为(3～15)×10－⁴，即0．3～1．5mm／m。

混凝土的徐变，一般认为是由于水泥石中的凝胶体在长期荷载作用下的黏性流动，并向毛细孔中移动的结果。在混凝土的较早龄期加荷，水泥尚未充分水化，所以凝胶体较多，且水泥石中毛细孔也较多，凝胶体易于流动，所以徐变发展较快；在龄期较长后加荷，水泥继续水化、硬化，凝胶体含量相对减少，毛细孔也随之减少，徐变发展则较慢。

影响混凝土徐变的因素很多，混凝土所受初应力越大，加荷时龄期越短，水泥用量越多，水灰比越大，都会使混凝土的徐变增加；混凝土的弹性模量越大，混凝土养护时温度越高、湿度越大，水泥水化越充分，徐变则越小。

混凝土的徐变对混凝土构件来说，能消除混凝土内的应力集中，使应力较均匀地重新分布；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。但是，徐变会使构件的变形增加，尤其是在预应力钢筋混凝土结构中，徐变会使钢筋的预应力受到损失，从而降低结构的承载能力。