混凝土變形產(chǎn)生的原因及分類

■汪永木 ■貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025

混凝土的變形有兩類:一類是受力變形;另一類是由溫度和凝結(jié)硬化過程中引起的體積變形。以下對混凝土因不同因素產(chǎn)生變形進行分類和相關(guān)說明。

1 混凝土受短期單調(diào)荷載下的變形

按照國家標準《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》規(guī)定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱體作為軸心受壓試驗的標準試件研究測定混凝土受壓時的應(yīng)力——應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系。分析試驗數(shù)據(jù)可知:當應(yīng)力不大于0．3倍的混凝土軸心抗壓強度時，應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系;當應(yīng)力在0．3～0．8倍的混凝土軸心抗壓強度時，應(yīng)變的增長速度大于應(yīng)力的增長速度，此時混凝土內(nèi)部雖有微裂縫但都處于穩(wěn)定狀態(tài);當應(yīng)力在0．8～1．0倍的混凝土軸心抗壓強度時，試件中形成的裂縫發(fā)展加快，平行于裂縫方向的裂縫相互貫通，試件即將破壞。由混凝土受復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的強度理論可知，若構(gòu)件受到環(huán)向約束力的作用其強度和變形能力都會大大提高。正是基于這樣的原理對于實際混凝土結(jié)構(gòu)中的受壓構(gòu)件，往往可以通過配置箍筋和螺旋筋來約束混凝土的側(cè)向變形，從而使構(gòu)件的受壓承載力大為提高。

2 混凝土受長期荷載作用下的變形

在固體力學(xué)中大多研究荷載在短期作用下彈性體或彈塑性體的變形情況即應(yīng)力與應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系，但是混凝土在受到長期不變的應(yīng)力作用下，其變形會隨著時間的持續(xù)而增長。我們把這種現(xiàn)象成為“徐變”?；炷恋男熳冊囼灢捎?00mm×100mm×400mm的棱柱體，并分別記錄相同試件在不同的應(yīng)力水平下，壓應(yīng)變隨時間變化的關(guān)系。分析試驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn):加載的前幾個月徐變增長的較快大概可以達到總徐變量的70% ～80%，隨后增長速度緩慢下降，在2～3年徐變趨于穩(wěn)定。若在兩年后卸載則試件可立即恢復(fù)部分變形，20天左右又可回復(fù)一部分變形。但試件仍然存在很大一部分的殘余變形。通過對比不同應(yīng)力水平下混凝土徐變與時間的關(guān)系的曲線時可以發(fā)現(xiàn):當混凝土中應(yīng)力不大于混凝土抗壓強度設(shè)計值的0．5倍時，在應(yīng)力差相等的情況下徐變曲線的縱向間距也近似相等，說明應(yīng)力與徐變成線性關(guān)系，并稱作“線性徐變”。當混凝土中應(yīng)力介于混凝土抗壓強度設(shè)計值的0．5～0．8倍時，應(yīng)力與徐變不再成線性關(guān)系，并且徐變的增加大于應(yīng)力的增加，此階段稱為“非線性徐變”。當混凝土中應(yīng)力大于混凝土抗壓強度設(shè)計值的0．8倍時，非線性徐變不再收斂而發(fā)散。混凝土內(nèi)部微裂縫進入不穩(wěn)定狀態(tài)最終導(dǎo)致試件的破壞。所以當混凝土在承受長期荷載的作用下，其實際能發(fā)揮的強度只有設(shè)計強度的80%左右，這一點在實際工程應(yīng)用中有著重要的意義。

產(chǎn)生徐變的原因:(1)混凝土中水泥漿屬于膠凝漿體，其受到長期荷載作用下未結(jié)硬的膠凝體會產(chǎn)生粘性流動繼而發(fā)生塑性變形。(2)混凝土內(nèi)部中本身存在許多微裂縫，而混凝土的徐變增長要長達三年才基本停止，這期間給了微裂縫充足的時間延伸和擴展，宏觀表現(xiàn)就是混凝土整體變形的增加。由上訴原因可以有以下幾種方法來有效降低混凝土徐變:(1)適當降低水灰比來減小殘留的游離水。(2)采用堅硬的粗骨料能有效抑制塑性變形，而且骨料所占比例越大徐變越小。(3)加荷時齡期不易太早，且養(yǎng)護混凝土的溫度越高、濕度越大，則水泥的水化反應(yīng)越充分，徐變越小。

徐變對于混凝土結(jié)構(gòu)的性能有較大的影響，它會加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，從而使結(jié)構(gòu)中的混凝土和鋼筋進行內(nèi)力重分布，繼而引起結(jié)構(gòu)的不安全甚至混凝土的開裂。

3 混凝土的收縮變形

混凝土變形的另一種重要形式就是收縮。混凝土在空氣中凝結(jié)硬化時體積會收縮，它是混凝土本身的屬性而與其受荷情況無關(guān)。試驗研究表明混凝土的收縮也是隨時間而增長的，初期發(fā)展較快以后逐漸減慢。對于素混凝土構(gòu)件當其收縮變形受到約束時會產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值超過混凝土本身的抗拉強度就會開裂。對于鋼筋混凝土構(gòu)件，即便是自由收縮，鋼筋仍會因為收縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力由截面受力平衡可知混凝土將會受到拉應(yīng)力。尤其是鋼筋混凝土構(gòu)件收縮變形較大，截面配筋較多時，混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力極有可能超過其抗拉強度而開裂。為避免混凝土收縮變形較大而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生危險，我們應(yīng)采取一定的措施。研究表明:(1)水泥用量越大、等級越高，水灰比越大，則收縮越大;骨料級配越好，彈性模量越大，則收縮越小。(2)凝結(jié)硬化過程以及使用時，環(huán)境濕度越大，收縮越小;若環(huán)境濕度大的同時養(yǎng)護溫度提高，收縮將減小;但是在干燥環(huán)境中，養(yǎng)護溫度提高反而使收縮加大。(3)施工質(zhì)量?；炷潦┕べ|(zhì)量好，振搗越密實，收縮越小。(4)構(gòu)件體表面積比值越大，收縮越小。

4 混凝土受重復(fù)荷載下的變形

在重復(fù)荷載作用下混凝土?xí)a(chǎn)生疲勞破壞?；炷恋钠谠囼灢捎?00mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體，通常把試件承受200萬次重復(fù)荷載而發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值稱為混凝土的疲勞抗壓強度。試驗過程中每次加載、卸載過程都會有一部分彈性變形的恢復(fù)和塑性變形的累積。混凝土的疲勞破壞是由于構(gòu)件內(nèi)部有微裂縫、空隙的存在，在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生集中應(yīng)力現(xiàn)象，加速了裂縫發(fā)展、貫通。疲勞破壞屬于脆性破壞，破壞前無明顯預(yù)兆危害較大。

對于混凝土變形的研究還在繼續(xù)，研究清楚變形的機理對于設(shè)計、施工和日后維護都具有重要意義并幫助我們理解和分析實際工程中出現(xiàn)的問題。

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［7］富文全，韓素芳．混凝土工程裂縫分析與控制，中國鐵道出版社，2002．

［8］王鐵夢著．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制，中國建筑工業(yè)出版社，1997．

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