第四章 混凝土的体积稳定性
第四章混凝土的体积稳定性Dimensional Stability of Concrete
问题
某混凝土在实验室里成型的试件强度又高、渗透性又小，可是用它浇注的钢筋混凝土构件开裂得厉害（强度和渗透性都受到影响）；另一混凝土成型的试件开裂了，可是用其浇注的钢筋混凝土基础却完好不裂。这是为什么？
4.1 混凝土的变形控制意义与类型
——混凝土体积的变化
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。
——裂缝治理专家王铁孟?混凝土在荷载作用下呈现弹性与非弹性的应变；
?混凝土在硬化过程产生自生收缩；暴露在环境温湿度中，产生与失水相关的干燥收缩或与冷却相关的热收缩(或称温度收缩)，当收缩受到约束时引起复杂的应力常会导致开裂。
?一定条件下，哪一种收缩为主，主要取决于构件的断面尺寸、混凝土原材料的特性、拌合物配合比等诸多因素。
变形与开裂
混凝土构件总是要受到一定的约束，约束通常来自它与地基的摩擦、端部的其他构件、配筋，以及混凝土体内外变形的差异。
当混凝土材料的应变完全受到约束时，将产生弹性拉应力，取决于σ=E·ε。当应力超过混凝土的抗拉强度时，构件就有可能开裂。
但是混凝土的粘弹性（徐变）可减小混凝土构件的开裂风险。
徐变对拉应力的影响
控制裂缝的意义
?可见与不可见裂缝的存在是混凝土劣化的根本原因?裂缝的可见与不可见：正常视力在明视距离能分辨0.1mm的宽度为可见
?裂缝的有害和无害：部位，宽度（0.1mm以下可自愈），长度（是否通长），深度（是否贯穿）?控制早期混凝土结构内部积聚的内应力才是提高混凝土耐久性的根本
结构混凝土的开裂和混凝土耐久性的关系
结构物寿命评估的整体论
n结构物寿命第一阶段：凡是组成良好并经适当捣固和养护的混凝土，只要内部孔隙和裂缝尚未形成相互连接而直达表面的通道，则基本上是水密性的；结构的荷载以及大气环境的影响如冷热交替、干湿循环，可使这些内部微裂缝发展并传播；
n结构物寿命第二阶段：混凝土丧失水密性，变成水饱和，有害离子浸入。由于有害离子作用而连续膨胀，开裂，重量损失，渗透性增加；修补、加固后可用；
n结构物寿命第三阶段：上述过程反复进行，直到修补不如重建时，则废弃。
影响结构混凝土开裂的因素
u收缩变形的大小
u约束的程度
u混凝土弹性模量发展
u混凝土抗拉强度发展
u徐变能力
变形的类型
Types of deformations
1．荷载作用产生弹性与非弹性变形2．非荷载作用产生收缩与膨胀变形3．材料的粘弹性徐变（应力松弛）
3.4.2 混凝土的弹性行为
——在短期荷载作用下的变形
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。
1. 应力—应变特性
混凝土应力－应变图
硬化水泥浆体、骨料与混凝土的应力应变关系
（a）三者的应力—应变曲线
（b）混凝土在加/卸载循环时的应力—应变关系
Elastic Modulus
混凝土的弹性模量高，即刚度大，意味着在一定荷载作用下的变形小。
混凝土的弹性模量与孔隙率关系密切，因此影响强度的各种因素，也同样影响它的弹性模量。
混凝土的弹性模量在很大程度上取决于占其主要体积组分的骨料的弹性模量。
Elastic Modulus
?不是常数。受许多因素影响，如水灰比、骨料品种、骨料用量和混凝土干湿状态等（干湿状态对强度的影响规律与对弹性模量的影响规律正好相反）、加载速率等；
?随龄期增长及水灰比减小，即抗压的提高而增大；?弹性模量大，虽然在外荷载作用下的变形小，对梁来说，挠曲就小，也越好；但另一方面，混凝土的变形受约束时产生相同的变形，弹性模量越大，产生的应力则越大，该角度看，刚度较小的混凝土要好些。
弹性模量影响因素
初始切线弹性模量与割线弹性模量
?测定方法：以150mm×150mm×300mm棱柱体轴心抗压强度(指极限强度)40%的作用应力测定的割线弹性模量作为混凝土的静抗压弹性模量(水工混凝土强度低，为极限强度30%)。
?静抗压弹性模量E
h ≈静抗拉弹性模量E
t
In the CEB-FIP model code 1990, the modulus of elasticity of normal-weight concrete can be estimated from
E c= 104×( f cu)1/3
4.3 混凝土的非荷载变形
Unloaded Deformation in Concrete
4.3.1 热膨胀／温度收缩
4.3.2 干燥收缩
4.3.3 自生变形
4.3.4 其他收缩：塑性收缩、沉降收缩、碳化收缩
4.3.1 热膨胀与温度收缩
Thermal Expansion and Shrinkage
混凝土硬化初期由于水泥水化放热升温，体积膨胀；到达温峰后降温产生收缩，由于升温时弹模小、降温时弹模明显增大，因此收缩变形受约束形成的拉应力远大于升温期间积累的压应力，当超过混凝土的抗拉强度时会出现开裂。