混凝土的变形性能

收缩变形 膨胀变形

复合作用下的变形
徐变
引深思考：如何减小或消除这些 变形的负面影响
1、荷载作用下的变形
单轴受压时的应力－应变行为 混凝土的弹性模量 混凝土弹性模量与组成关系 混凝土弹性模量的主要影响因素； 弹性模量与抗压强度的关系；

(1) 单轴受压时的应力－应变行为
毛细张力 毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因大气水蒸
0.0 气压降低而蒸发时，表面张力增加，产生拉伸应力，使得 -0.2 变 孔壁受压而收缩； 形 -0.4 百 分离压 水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁间存在分 分 -0.6 离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损失时，将降低孔壁 率 -0.8 毛细水 的分离压，引起整体收缩； -1.0 层间可挥发水的迁移 -1.2

影响因素

水泥品种 主要是矿物组成与混合材种类； 水灰比 随水灰比减小，收缩增大 ； 骨料及其体积分数 水泥用量 龄期(天) 外加剂 自收缩测量装臵 水泥石内部相对湿度随龄期的变化
自收缩（微应变）
问题？
混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？ 解答：

相同点：机理相似，水分损失、毛细张力等； 不同点：
1000 800

600 条件特征：与外界环境无水分交换； 产生的原因： 400
水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛 200
细管压力，引起收缩—— 自干燥收缩； 0 0 0.5 1.5 3 4.5 6 0 0.5 3 4.5 4.5 6 6 内部相对湿度 (%)1.5 0 0.5 1.5 3 水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导 时间（天） 时间（天） 时间（天） 致混凝土硬化后收缩——化学收缩； 水泥品种对自收缩的影响 水灰比对自收缩的影响 特点：收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。 外加剂对自收缩的影响
表面积与体积比值越大，收缩越大； 湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。
骨料的体积百分数(%)
骨料体积含量对混凝土干缩的影响
(2) 自收缩
自收缩（微应变） 自收缩（微应变）
W/C=0.45 W/C=0.25 硫铝酸盐 普通硅酸盐 W/C=0.35 中热水泥 W/C=0.30 快硬铁铝酸盐
1000 900 1000 800 800 700 600 600 500 400 400 300 200 200 100 0 0


力受 在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体， －压 但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。 骨料 应时 特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产 变， 混凝土 生塑性变形。 曲骨 线料 在较低应力(＜极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主； 、 在较高应力(＞ fcp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高， 水泥石 水 塑性变形量越大； 泥 混凝土强度越低，塑性变形越大。 石 和 混 凝 土 塑 弹 的 应 -应变曲线 混凝土受压的应力－应变全曲线 重复荷载作用下的应力 混凝土受压的应力－应变全曲线
降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力 的结构中的应力峰值。
西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(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)。
影响徐变的因素：





湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小； 环境湿度：湿度降低，徐变增大； 温度：温度升高，徐变增大，70C以上，使徐变降低； 骨料用量：体积含量增加，徐变减小； 骨料的特性：泊松比和弹性模量，弹模越大，徐变越小； 水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大； 水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小 荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大 。
原点切线弹 = tan 2； 切线弹性模量 Et = tan 3。

原点切线
3
切线
只适用于切点处荷载变化 很小的范围内，工程意义 也不大
割线
1 2

(3)影响混凝土弹性模量的因素

单相匀质材料的弹性模量和密度有直接关系； 混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性模量取决 于下列因素： 各物相的体积分数； 各物相的密度； 各物相的弹性模量 界面过渡区的特性
4.2.3 混凝土的变形性能
硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿 三问：

度变化)和外加荷载因素，因此有： 各种变形的特征是什么(What)？ 荷载作用下的变形
弹性变形 非弹性变形

这些变形是如何产生的(How)？

非荷载作用下的变形 影响这些变形的因素有那些(Which)？
一部分变形可恢复，称为弹性恢复；
卸荷 其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复； 最后残留下来的变形成为不可逆徐变。 弹性恢复

徐变变形
徐变恢复
不可恢复 弹性变形
加荷后的时间(天)
徐变产生的机理：


水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和剪切 滑移； 在荷载作用下，凝胶体内的吸附水被挤出； 骨料的延后弹性变形 ； 过渡区裂缝的扩展或产生。
荷载作用时间 (( 天 )) 加荷时间 天 环境湿度对混凝土徐变的影响 骨料的体积含量(%) 加荷的应力水平对混凝土徐变的影响 温度对混凝土徐变的影响
骨料的体积含量对混凝土徐变 的影响

混凝土组成与配合比
混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，
干缩越小 水泥用量 水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大； 用水量 水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。 水泥种类与细度 细度越细，干缩较大。

良好养护可以减小收缩 构件几何尺寸和形状
干 缩 值 比
普通混凝 土范围
问题？


为什么骨料和水泥石是弹性体，而二者组成的混凝土是弹塑 性体？ 原因：
混凝土是一个多物相、多孔性的复合材料，其主体是颗粒堆聚体，存 裂缝成为连续 在界面过渡区，且过渡区有原生微裂缝。受力下，界面裂缝的扩展、颗 体系－破坏 粒间的滑移、孔隙中水的迁移等因素导致产生塑性变形。 过渡区裂缝扩 基体相中 展，但基体相 混凝土单轴受压下的－曲线可以分为4个阶段： 产生裂缝 没有裂缝 在极限应力fcp的30%以下，界面过渡区微裂缝是稳定的，因此， － 曲线是线形的； 当应力＞ fcp的30%时，随着应力增加，过渡区的裂缝长度、宽度和数 量增加， /比值增加， －曲线偏离直线；如果应力＜ fcp的50%， 过渡区的微裂缝稳定体系存在，基体水泥石不会产生微裂缝； 当应力＞ fcp的50~60%时，基体相中产生微裂缝，如果应力进一步增 加，基体相微裂缝扩展，增多，过渡区微裂缝失稳，导致－曲线弯 向横轴 当应力＞ fcp的75~80%时，应变能释放速度达到在持久应力下裂缝自 界面过渡区 发扩展的水平，应变随应力增长很快，直至裂缝成为联系体系 —破坏。 的微裂缝
吸附水 0.5的水泥石干缩的影响 水损失对水灰比为
(%)
-1.4
0
5
10
15
20
25
水损失量（质量百分数 %) 分离压
干燥收缩的危害
路面板、桥面板、机场道面、停车场 等暴露面积大且厚度较小的结构物干 缩最为显著； 当混凝土的干燥收缩受到约束时，将 导致裂缝，影响混凝土的强度和耐久 性。
混凝土干缩的影响因素
3、混凝土的徐变
什么是徐变？
在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随 时间而增加的变形称为徐变。
徐变曲线特征？
徐变产生的机理？
徐变对混凝土结构有何影响？
影响徐变的因素有那些？
徐变曲线特征：

加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形， 随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。 卸荷后，
加荷后，水泥石首先变形，骨料上的应力 增大，骨料产生弹性变形——延后弹性变形
吸附水
徐变机理
吸附水排出
徐变
徐变的影响：
不利：
徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几 十年来生产的构件预应力损失达30～50%；
混凝土构件会产生随时间变化的挠度或变形。
有利
徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；
收缩 即再次吸水不能恢复。 第1次干燥 试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀 可逆收缩 值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。

混凝土的湿胀干缩变形重要的是干缩变形，因在约 束下的收缩将导致混凝土开裂。
时间
水泥石或混凝土在干湿循环下的变形行为
混凝土的干缩机理


干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图所示， 收缩值随着水的损失变化的斜率不一致。 环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：
水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变化引起的， 后者是由水泥水化引起的； 前者主要发生在表面层，而后者发生在整个体积，尤 其在中心部位更大。

(3) 温度变形


与其它材料一样，混凝土也具有热胀冷缩的性质； 混凝土的热膨胀系数为1×10－5 m /C； 温度变形对大体积混凝土不利，因水泥水化放热， 造成内外温差较大，内外膨胀不均，导致外部开裂； 混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。
2、混凝土在非荷载作用下的变形
干燥收缩 自收缩 温度变形

(1) 湿胀干缩变形


定义：湿度变化所引起的混凝土体积变形——湿胀 干缩，主要原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的 变化引起的。 应变 连续浸泡 下的湿胀 水泥石和混凝土的收缩行为 膨胀
水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀； 第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分是不可逆的， 不可逆收缩
(2) 混凝土的弹性模量