图1.7混凝土受压时应力-应变曲线完整的混凝土轴心受压应力-应变曲线由上升段OC、下降段CD和收敛段DE 3个阶段组成。图1.8不同强度等级混凝土的应力-应变曲线②混凝土的弹性模量、变形模量。由于混凝土的非弹性性质，每次卸荷至零时，变形不能完全恢复，存在残余变形。图1.10所示为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件在相对湿度为65%、温度为20℃、承受σ=0.5fc压应力并保持不变的情况下变形与时间的关系曲线。......
2023-09-19
混凝土变形性能的研究结果
【摘要】：混凝土在硬化期间和使用过程中，因受物理、化学和力学因素的影响产生变形，这些变形是使混凝土产生裂缝的重要原因之一，从而影响混凝土的强度和耐久性。混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。从图4.13可以看出，混凝土的变形模量随应力的增加而减小。图4.15混凝土的变形与荷载作用时间关系混凝土受荷后立即产生瞬时变形，随着荷载持续作用时间的延长，又产生徐变变形。
混凝土在硬化期间和使用过程中，因受物理、化学和力学因素的影响产生变形，这些变形是使混凝土产生裂缝的重要原因之一，从而影响混凝土的强度和耐久性。混凝土的变形通常有以下几种。
1.化学收缩（Chemical Shrinkage）
混凝土体积的化学收缩是指在没有干燥和其他外界影响下的收缩，其原因是水泥水化物的固体体积小于水化前反应物的总体积。化学收缩是不能恢复的，其收缩量随混凝土硬化龄期的延长而增加，大致与时间的对数成正比，一般在混凝土成型后40d内增加较快，以后就渐趋稳定。
2.干湿变形（Wet Deformation）──湿胀干缩
混凝土处于干燥环境中时，会产生体积收缩，称为干燥收缩，简称干缩。混凝土的干缩是由于其内部吸附水分蒸发而引起凝胶体失水产生紧缩，以及毛细管内游离水分蒸发而引起毛 细管内负压增大，也使混凝土产生收缩。当干缩后的混凝土再次吸水变湿后，部分干缩变形是可以恢复的。混凝土吸水膨胀称为混凝土的湿胀。混凝土在水中硬化时甚至有轻微膨胀，这是由于凝胶体中胶体粒子的吸附水膜增厚，胶体粒子间距离增大所致。混凝土凝结硬化前，保持混凝土表面的湿润，如在表面覆盖塑料膜、喷洒养护剂等。
混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干缩变形过大，对混凝土危害较大，一般条件下，混凝土的极限收缩为（50～90）×10－5mm。收缩受到约束时，会引起混凝土的开裂，在设计和施工时应予以注意。混凝土的干缩与水泥品种和细度、水灰比、水泥用量、用水量等有关。
混凝土干缩变形主要是由混凝土中水泥石干缩引起的，集料对干缩具有制约作用，故混凝土中水泥浆含量越多，混凝土的干缩率越大。塑性混凝土的干缩率较干硬性混凝土大得多。因此，混凝土单位用水量的大小，是影响干缩率大小的重要因素，平均用水量增加1%，干缩率增加2%～3%。当集料最大粒径较大，级配较好时，由于能减少用水量，故混凝土干缩率较小。
混凝土中所用水泥的品种和细度对干缩率有很大影响。如火山灰水泥的干缩率最大，粉煤灰水泥的干缩率较小。水泥的细度越大，干缩率也越大。
集料的种类对干缩率也有影响。使用弹性模量较大的集料，混凝土干缩率较小；使用吸水性大的集料，其干缩率一般较大。当集料中含泥量较多时，会增大混凝土的干缩。
延长潮湿养护时间，可推迟干缩的发生和发展，但对混凝土的最终干缩率并无显著影响。采用湿热处理可减小混凝土的干缩率。
在工程设计中，混凝土的干缩率一般取（1.5～2.0）×10－4，即每米收缩0.15～0.20 mm。
3.温度变形（Temperature Deformation）
混凝土具有热胀冷缩的变形，称为温度变形。混凝土温度膨胀系数为（1～1.5）×10－5mm/（mm·℃），即温度每升高或降低1℃，每米混凝土将产生0.01～0.015 mm 的膨胀或收缩变形。
温度变形对大体积混凝土非常不利。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，散热缓慢，使混凝土内部温度较外部高很多，产生较大的内外温差，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。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，如采用低热水泥、减少水泥用量、采取人工降温等措施。根据目前的工程实践，对工民建工程中的某些大体积构件，如筏式基础、转换大梁等，也采取减缓表面温度下降、保持构件内外温差不超过规范规定值的措施，以避免混凝土的温度变形裂缝产生。另外，一般对纵向较长的钢筋混凝土结构物，应采取每隔一段长度设置伸缩缝以及在结构物中设置温度钢筋等措施。
4.混凝土在荷载作用下的变形
1）短期荷载作用下的变形
（1）混凝土的弹塑性变形（Elastic-plastic Deformation）
混凝土是一种非均质的材料，它不是完全的弹性体而是弹塑性体。受力后既产生可以恢复的弹性变形，又产生不可恢复的塑性变形。应力与应变之间的关系不是直线而是曲线，如图4.13所示。
图4.13 混凝土在压力作用下的应力-应变曲线
（2）混凝土的弹性模量（Deformation Modulus）
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。从图4.13可以看出，混凝土的变形模量随应力的增加而减小。在混凝土结构或钢结构设计中，采用按标准方法测得的静力受压弹性模量Ec。
由于混凝土是一种弹塑性材料，其应力σ与应变ε的比值随着应力的增加而减小，并不完全遵循虎克定律，混凝土的弹性模量（应力与应变之比）有三种表示方法，如图4.14所示。
图4.14 混凝土弹性模量
①初始切线弹性模量：应力-应变曲线原点上切线的斜率，不易测准。
②切线弹性模量：应力-应变曲线上任一点的切线斜率，只适用于很小的应力范围。
③割线弹性模量：应力-应变曲线上任一点与原点连线的斜率。混凝土的割线模量测试较为简单，为工程实际常用。
我国目前规定混凝土弹性模量即割线模量，采用150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱体试件，取测定点的应力等于轴心抗压强度的40%，经三次以上反复加荷与卸荷，以基本消除塑性变形后测得的应力-应变之比值，即为混凝土弹性模量。
混凝土的弹性模量随混凝土中集料与水泥石的弹性模量而异。由于水泥石的弹性模量一般低于集料的弹性模量，故混凝土弹性模量一般略低于集料的弹性模量。另外，在材料质量不变的条件下，混凝土的集料含量较多、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。蒸汽养护的混凝土弹性模量较标准养护的低。
2）长期荷载作用下的变形──徐变
混凝土承受长期荷载作用，其变形会随时间不断增长，即荷载不变而变形仍随时间增大，一般要延续2～3年才逐渐趋于稳定。这种在长期荷载作用下随时间的延长而增加的变形称为徐变（Creep）。混凝土的变形与荷载作用时间关系如图4.15所示。
图4.15 混凝土的变形与荷载作用时间关系
混凝土受荷后立即产生瞬时变形，随着荷载持续作用时间的延长，又产生徐变变形。如果作用应力不超过一定值，徐变变形的增长在加荷初期较快，然后逐渐减慢。在荷载持续一定时间后，若卸除荷载，部分变形可瞬时恢复，也有少部分变形在若干天内逐渐恢复，称为徐变恢复，最后留下一部分不能恢复的变形称为残余变形。
混凝土徐变一般被认为是由于水泥石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。从水泥凝结硬化过程可知，随着水泥的逐渐水化，新的凝胶体逐渐填充毛细孔，使毛细孔的相对体积逐渐减小。在荷载初期或硬化初期，由于未填满的毛细孔较多，凝胶体移动较为容易，故徐变增长较快。以后由于内部移动和水化的进展，毛细孔逐渐减小，因而徐变速度越来越慢。集料能阻碍水泥石的变形，从而减小混凝土的徐变。混凝土中的孔隙及水泥石中的凝胶孔则与集料相反，可促进混凝土的徐变。因此，混凝土中集料含量较多者，徐变较小。结构越密实，强度越高的混凝土，徐变就越小。
由此可知，当混凝土在较早龄期加荷时，产生的徐变较大。水灰比较大时，徐变也较大。
在水灰比相同时，水泥用量较多的混凝土徐变较大。集料弹性模量较大，级配较好及最大粒径较大时，徐变较小。
混凝土不论是受压、受拉或受弯时，均有徐变现象。混凝土的徐变对结构物的影响有有利方面，也有不利方面。混凝土的徐变对钢筋混凝土构件来说，能消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力较均匀地重新分布。对于大体积混凝土，则能消除由于温度变形所产生的破坏应力。但是，在预应力钢筋混凝土结构中，徐变会使钢筋的预加应力受到损失，从而降低结构的承载能力。
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2023-09-19
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