混凝土徐變的理論研究綜述

劉寶興 劉志剛

1蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院（215011） 2青島正商置業(yè)有限公司（266000）

混凝土是一種人造復(fù)合材料,該特性決定了混凝土比其它單一性結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能更復(fù)雜。所謂徐變是指混凝土結(jié)構(gòu)在持續(xù)荷載的長(zhǎng)期作用下,其變形將隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象。從19世紀(jì)第一次觀測(cè)到混凝土的收縮和1907年Hatt首先發(fā)現(xiàn)混凝土的徐變至今,國(guó)內(nèi)外一大批研究專家和學(xué)者對(duì)這一課題進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，雖然已經(jīng)取得了一些重要的成績(jī)，但由于混凝土徐變機(jī)理十分復(fù)雜且影響因素眾多,故混凝土的徐變問題還遠(yuǎn)沒有被完全掌握[1]。

1 對(duì)混凝土徐變的認(rèn)識(shí)過程

19世紀(jì)20年代,隨著波特蘭水泥在英國(guó)的出現(xiàn)，從此混凝土結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展和快速應(yīng)用。然而，直到20世紀(jì)初，人們對(duì)混凝土的徐變現(xiàn)象才有了初步的認(rèn)識(shí)，直到20世紀(jì)30年代才開始對(duì)它的系統(tǒng)研究，應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)則更晚[2]。1907年，美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)首先報(bào)道了鋼筋混凝土梁的徐變資料。1917年，史密斯在美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)（ACI）雜志上發(fā)表了混凝土徐變及徐變恢復(fù)的試驗(yàn)成果,直到1931年戴維斯等人對(duì)混凝土的徐變性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究之后，才對(duì)徐變性能有了較明確的認(rèn)識(shí)[3]。經(jīng)過試驗(yàn)研究取得的資料積累與幾十年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人們對(duì)混凝土的徐變研究工作已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。

2 混凝土的徐變機(jī)理

曾有不少學(xué)者提出各種理論和假設(shè)來說明混凝土徐變的機(jī)理，但迄今為止還沒有一種理論能完全解釋混凝土的徐變現(xiàn)象[4]。通常認(rèn)為在應(yīng)力不大的情況下，混凝土凝結(jié)硬化后，骨料之間的水泥漿，一部分為完全彈性結(jié)晶體，另一部分是填充在晶體間的凝膠體。在施加荷載的瞬間，結(jié)晶體與凝膠體共同承受荷載，隨著時(shí)間的推移，凝膠體由于黏性流動(dòng)而逐漸卸載，此時(shí)結(jié)晶體承受更多的力并產(chǎn)生彈性變形。在應(yīng)力較大的作用條件下，混凝土內(nèi)部微裂縫在荷載長(zhǎng)期作用下不斷發(fā)展和增加，也是導(dǎo)致混凝土徐變變形的原因[5]。

解釋混凝土徐變機(jī)理的理論很多，這些理論主要有滲出理論、黏彈性理論、黏性流動(dòng)理論、塑性流動(dòng)理論、微裂縫理論以及內(nèi)力平衡理論等[3]。其中有些理論由于提出的時(shí)間較早，經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)不能消除各自的缺點(diǎn)和不足,如今已很少提及。以下就認(rèn)可度比較普遍的黏性流動(dòng)理論、塑性流動(dòng)理論和微裂縫理論分別進(jìn)行闡述。

2.1 黏性流動(dòng)理論

黏性流動(dòng)理論[6]由托馬斯在1937年首先提出。他認(rèn)為∶混凝土可分為兩部分，一部分為荷載作用下產(chǎn)生黏性流動(dòng)的水泥漿體，另一部分為荷載作用下不發(fā)生流動(dòng)的惰性骨料。當(dāng)混凝土受荷載時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)受到骨料的阻礙，結(jié)果骨料承受到較高的應(yīng)力,而水泥漿體受到的應(yīng)力隨時(shí)間而減小。由于水泥漿體的徐變和加荷應(yīng)力成正比，因此，隨著加荷應(yīng)力從水泥漿體逐漸轉(zhuǎn)移到骨料來承受，從而徐變速率將逐漸減小。

2.2 塑性流動(dòng)理論

該理論[3]認(rèn)為，混凝土徐變與金屬材料晶格滑動(dòng)的塑性變形極為相似。當(dāng)加荷應(yīng)力超過金屬材料的屈服點(diǎn)后，塑性變形就會(huì)發(fā)生。實(shí)用的晶格滑動(dòng)理論是在1939年由格拉維爾等人建立的,他們認(rèn)為,在低應(yīng)力作用下混凝土的徐變是黏性流動(dòng)，但在高應(yīng)力作用下，混凝土的徐變則是塑性流動(dòng)。

2.3 微裂縫理論

微裂縫理論[3]認(rèn)為，在多相混凝土組成材料的界面上，受荷之前黏結(jié)微裂縫就已經(jīng)存在。在正常應(yīng)力范圍內(nèi)，裂縫界面通過摩擦傳遞荷載，微裂縫僅增加一些徐變。當(dāng)荷載超過正常工作應(yīng)力時(shí)，界面上黏結(jié)微裂縫就會(huì)擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂縫；當(dāng)荷載續(xù)增加，還會(huì)產(chǎn)生少量穿越骨料的裂縫，最后各種裂縫迅速發(fā)展并逐漸貫通。

3 影響混凝土徐變的主要因素

3.1 水泥

水泥品種本身對(duì)混凝土徐變的直接影響很小，水泥品種對(duì)徐變的影響主要表現(xiàn)為它對(duì)混凝土強(qiáng)度有影響。蘇聯(lián)學(xué)者沙塔林曾進(jìn)行水泥熟料礦物組成對(duì)混凝土徐變的影響試驗(yàn)[7]，該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥熟料中硅酸二鈣（C2S）和硅酸三鈣(C3S)的含量對(duì)混凝土徐變影響較大,徐變隨C2S含量的增加而增大，隨C3S含量的增加而減小。

3.2 骨料

通常認(rèn)為混凝土中的骨料是惰性的，一般不參與徐變過程,但其對(duì)水泥石的變形有約束作用，約束的程度取決于骨料的剛度和其所占混凝土體積的百分比。骨料的剛度和體積含量越大，混凝土的徐變量就越小。骨料的孔隙率也影響混凝土的徐變，孔隙率越大，徐變也越大[8]。

3.3 水灰比

水灰比[3]是影響混凝土徐變的主要因素。水灰比大的混凝土，水泥顆粒間距大、孔隙多，徐變就大。瓦格納的研究結(jié)果表明，水灰比在0.4~0.6范圍內(nèi),徐變與水灰比成線性關(guān)系;但水灰比在0.35~0.85范圍內(nèi)，徐變與水灰比成曲線關(guān)系。原蘇聯(lián)學(xué)者烏里茨基等人認(rèn)為，混凝土極限徐變度和水灰比的平方成正比，即為比例常數(shù)與混凝土中的水泥用量有關(guān)。

3.4 加荷齡期

混凝土徐變隨加荷齡期的增長(zhǎng)而減小。在早齡期，由于水泥水化正在進(jìn)行，強(qiáng)度較低，故徐變很大。隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥不斷水化，強(qiáng)度也不斷提高，故晚齡期徐變較小[3]。

3.5 相對(duì)濕度

相對(duì)濕度[3]是影響混凝土徐變的最重要的外部因素之一。對(duì)于給定的混凝土，周圍環(huán)境的相對(duì)濕度越低，徐變?cè)酱?。混凝土徐變隨相對(duì)濕度的增加而減小;而徐變速率隨相對(duì)濕度的降低而增大，但在兩年之后，徐變速率與相對(duì)濕度基本無關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土徐變的研究已歷時(shí)多年，各種影響因素、產(chǎn)生機(jī)理也都有了一定的研究。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)所提出的各種混凝土徐變機(jī)理理論，在此基礎(chǔ)上討論了影響混凝土徐變的多種因素。由上述分析得出，現(xiàn)今混凝土徐變機(jī)理理論尚不完善，急需一種機(jī)理理論來解釋混凝土的徐變現(xiàn)象。隨著力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信通過大量的試驗(yàn)和研究，會(huì)找到更好的徐變機(jī)理理論。

[1]卓旬,梅明榮.混凝土徐變計(jì)算理論和方法綜述[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(2):14~19.

[2]任志國(guó).淺談混凝土徐變[J].四川建材,2011,37(5):27~29.

[3]黃國(guó)興,惠榮炎,王秀軍.混凝土徐變與收縮[M].北京:中國(guó)電力出版社,2011,11.

[4]蘇永章,劉文博,楊高平.淺析混凝土裂縫成因及控制[J].河南建材,2011(6):117~118.

[5]程文瀼,顏德姮,王鐵成等.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第四版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008:18~21.

[6]姚炎炎.混凝土徐變問題分析[J].廣東建材,2010(3):41~44.

[7]劉數(shù)華,馮安勇.混凝土的徐變研究綜述[J].紅水河,2006,25(3):118~120.

[8]侯爵.混凝土徐變的影響因素分析[J].科技信息,2011(35):232~233.