混凝土徐变收缩

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1、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部水分的散

2、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

3、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。总徐变二基本徐变+干燥徐变rM画注出棱柱伸 10QX 100X400 7rtt = 40.穴h),立寸&10）5202530时间（月）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0.5f），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e，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8 C,。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

4、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了 （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8:（弹性后效）。其余很大一部分应变8/是不可恢复的，称为残余应变。22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

5、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

6、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 作用围。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

7、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

8、 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 常工作围，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。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 的力平衡并达到新的平

9、衡的过程。根据这一理论，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

10、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。E (T )=c1+E( T )C(t, T )C (t,T)：单位应力作用下的徐变EG):t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。J(t，T 七尊)+e(t)m(t，T。)*，t o) 0wetw(0.1)J(t,T ):徐变函数为弹性变形和徐变变形之和中(t具0)=E(t0)C(顷0):徐变系数表示，徐变变形与弹性变形之比老化理论低估了 T 0之后的应力变化所引起的徐变，而且对于在龄

11、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 (t )=bG o)1+ jt+ C (t 具)ib (t )t0E(T )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1 中(t -t)中(t)一中(t )J(t,T )=+ + fo-E(t )E(t )E(t o)d和6f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，

12、故丸仅与(t- T0)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，T，T0)，主要 取决于观测时间与卸荷龄期之差(t-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,、b(T )b (t)-b (t ) (t)二归 U+甲(t具 o)+ - E (t c) o U+x(t具。加(t具 o) oc o老化系数取值围为0.

13、5 x(t，TO)l，E(t)仅与即时应力o(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

14、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

15、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.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C S含量的增加而增大，随C S含量的增加而减小，23普通水泥中CS含量比快硬水泥高，因此，普通水泥混凝