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1、第五节 混凝土的技术性质,5.3 混凝土的变形性能,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,硬化混凝土体积变形的后果,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和弹性模量E（= E）。 当变形产生的应力，超过砼抵抗断裂
2、的能力时，就会引起开裂，出现宏观可见裂缝。,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.,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).,化学收缩 干燥收缩 塑性收缩 温度收缩,5.3 混凝土的变形性能,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
3、理方法：防风、降温、洒水、覆盖及喷养护剂等。 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。 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
4、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。 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。,一.非荷载作用下的变形,干燥环境,干缩示意图,泌水速率 蒸发速率,开裂,混凝土表面,干缩示意图,干湿变形机理示意图,弯月面,（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； 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
5、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。,3.干湿变形,4、温度变形（温度收缩、冷缩）,（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 ：（11.5）10-5/，即温度升高1，每m膨胀0.01mm。 （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。,一.非荷载作用下的变形,（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5070， 这将使混凝土产生
6、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,4、温度变形（温度收缩、冷缩）,我国规定结构断面最小尺寸超过1m 的混凝土，叫大体积混凝土。 美国混凝土学会（ACI）规定任何现 浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热 及随之引起的体积变形问题，以最大限 度减少开裂影响的，即称为大体积混凝 土。,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，
7、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）,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,5.3 混凝土的变形性能,(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” (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,二、荷载作用下的变形,(II).裂缝引发阶段,荷载介于比例极限 30极限荷载）和 临
8、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。,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。,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,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。,1.砼受力变形及变坏的4个阶段,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
9、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.,(一)短期荷载作用下的变形弹塑性变形,(1).砼的弹塑变形: 加荷载,应变, 一部分变形可 恢复,叫弹, 另一部分,叫塑。 当应力 ,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 ,反复加荷、卸荷,塑 性变形不断增加,最终导致疲劳破坏.,(2)砼的弹性模量(静弹模量),初始切线模量 切线弹性模量 切线弹性模量,2、混凝土的弹塑变形及弹性模量,应变,应变,讨论：砼静弹模量的检测与规定,当 时，每次加荷、卸荷均有一定塑性变
10、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。 应力 时，经45次反复加荷、卸荷后的割线弹性模量，规定为砼的静弹模量：,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,2、混凝土的弹塑变形及弹性模量,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1.75104MPa增加到3.60 104MPa; 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，
11、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。,(一)短期荷载作用下的变形弹塑性变形,（二）、在长期荷载作用下的变形徐变,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。,二、荷载作用下的变形,西太平洋Caroline群岛
12、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）。,徐变引起的桥梁垮塌图,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； 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,(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,二、荷载作用下的变形,4.影响混凝土徐变的因素,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； 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。,二、荷载作用下的变形,
