1、第五节 混凝土的技术性质5.3 混凝土的变形性能混凝土的变形性能n 混凝土在硬化过程中、在干燥或冷却作用下混凝土在硬化过程中、在干燥或冷却作用下要产生变形，以及硬化后在荷载作用下要产生要产生变形，以及硬化后在荷载作用下要产生弹性与非弹性变形，当变形受约束时常会弹性与非弹性变形，当变形受约束时常会引起引起开裂开裂。n 80%80%以上的开裂都是由于混凝土变形所引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起，只有很小一部分是由于承载力不足导致。致。裂缝治理专家裂缝治理专家 王铁梦王铁梦硬化混凝土体积变形的后果5.3 混凝土的变形性能混凝土的变形性能体积变形引起砼裂缝的原因
2、:n结构物里的混凝土构件，总要受到一定的约束，结构物里的混凝土构件，总要受到一定的约束，如来自地基的摩擦、其它构件、配筋或混凝土如来自地基的摩擦、其它构件、配筋或混凝土体内外变形差异的约束。体内外变形差异的约束。n当弹性材料的应变当弹性材料的应变(变形变形)完全受到限制，就产完全受到限制，就产生弹性应力。应力大小取决材料的应变生弹性应力。应力大小取决材料的应变 和弹和弹性模量性模量E E（=E=E）。）。n当变形产生的应力，超过砼抵抗断裂的能力时，当变形产生的应力，超过砼抵抗断裂的能力时，就会引起开裂，出现宏观可见裂缝。就会引起开裂，出现宏观可见裂缝。5.3 混凝土的变形性能混凝土的变形性能硬
3、化砼的变形2种类型n非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形 化学收缩;干燥收缩;自收缩;温度收缩;塑性收缩;碳化收缩.n荷载作用下的变形荷载作用下的变形 短期荷载作用下的变形(弹塑变形);长期荷载作用下的变形(徐变).化学收缩 干燥收缩 塑性收缩 温度收缩5.3 混凝土的变形性能混凝土的变形性能混凝土变形在线监测混凝土变形在线监测一一.非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形 1.塑性收缩（沉缩）n定义:混凝土成型后尚未凝结硬化时属塑性阶段，在此阶段往往由于表面失水而产生收缩，称为塑性收缩。n原因：表面失水速率大于内部水向表面迁移的速率。造成毛细管内产生负压，使浆体中固体颗粒间产生一定的引力，当引力
4、不均匀作用于混凝土表面，则在表面产生裂纹。n处理方法：防风、降温、洒水、覆盖及喷养护剂等。n毛细现象解释负压的产生。一一.非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形2.化学收缩v定义定义 在混凝土硬化过程中，由于水泥水化生成物在混凝土硬化过程中，由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小，从而引起混凝的体积比反应前物质的总体积小，从而引起混凝土的收缩，称为化学收缩。土的收缩，称为化学收缩。v特点：特点：化学收缩是不可恢复的。化学收缩是不可恢复的。其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加，一其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加，一般在混凝土成型后般在混凝土成型后40d左右增长较快，以后逐渐左右增长
5、较快，以后逐渐趋于稳定。趋于稳定。化学收缩值很小，对混凝土结构没有破坏作用，化学收缩值很小，对混凝土结构没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细裂缝。但在混凝土内部可能产生微细裂缝。一一.非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形3.干湿变形（物理收缩）v（1）、定义）、定义 由于混凝土周围环境湿度的变化，会引起混凝土由于混凝土周围环境湿度的变化，会引起混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀。的干湿变形，表现为干缩湿胀。混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干燥收缩（干燥收缩（Dry Shrinkage）能使混凝土表面出能使混凝土表面出现拉应力而导致开裂现拉应
6、力而导致开裂 v（2）、机理：）、机理：混凝土在干燥过程中，由于毛细孔水的蒸发，使毛混凝土在干燥过程中，由于毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压，产生收缩力，导致混凝土产生收细孔中形成负压，产生收缩力，导致混凝土产生收缩裂缝。缩裂缝。同时，凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，凝胶同时，凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，凝胶体因失水而产生紧缩。体因失水而产生紧缩。一一.非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形干燥环境干燥环境干缩示意图开裂开裂干缩示意图干湿变形机理示意图干湿变形机理示意图弯月面弯月面毛细孔毛细孔负压负压（3）、影响干燥收缩的因素n水泥品种：P.P和P.S水泥干燥收缩大；n水泥细度：水泥细
7、度越大，干燥收缩越大；n水泥用量：用量越大，干燥收缩越大；n水灰(胶）比：w/c or w/B越大，干缩大，但，水胶比过小，自收缩大；n骨料质量：级配好，杂质含量，针片状颗粒含量少，干缩小。n养护条件：湿度越高，湿养时间越长，干缩小。3.干湿变形干湿变形d水中水中空气中变形X10-6-+4、温度变形（温度收缩、冷缩）v（1）、定义：）、定义：混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形。混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形。v（2）、参数：）、参数：混凝土的温度线膨胀系数混凝土的温度线膨胀系数 ：（：（11.5）10-5/，即温度升高，即温度升高1，每，每m膨胀膨胀0.01mm。v（3）、危害：）
8、、危害：温度变形对大体积混凝土及大面积混凝土工程极为温度变形对大体积混凝土及大面积混凝土工程极为不利，易使这些混凝土造成温度裂缝。不利，易使这些混凝土造成温度裂缝。一一.非荷载作用下的变形非荷载作用下的变形tLL（4）、热裂缝出现的机理n在混凝土硬化初期，水泥水化放出较多热在混凝土硬化初期，水泥水化放出较多热量，而混凝土又是热的不良导体，散热很量，而混凝土又是热的不良导体，散热很慢，因此造成混凝土内外温差很大，有时慢，因此造成混凝土内外温差很大，有时可达可达5070，n这将使混凝土产生内胀外缩，结果在外表这将使混凝土产生内胀外缩，结果在外表混凝土中将产生很大的拉应力，严重时使混凝土中将产生很大
9、的拉应力，严重时使混凝土产生裂缝。混凝土产生裂缝。4、温度变形（温度收缩、冷缩）（5）大体积砼温度应力裂缝的控制4、温度变形（温度收缩、冷缩）我国规定结构断面最小尺寸超过1m 的混凝土，叫大体积混凝土。美国混凝土学会（ACI）规定任何现 浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热 及随之引起的体积变形问题，以最大限 度减少开裂影响的，即称为大体积混凝 土。适当选用较粗骨料 低热水泥或加掺合料 降低水泥用量（高效减水剂）加膨胀剂 加缓凝剂控制入模温度 必要时内部降温 外部保温保湿内外温差小于 2530度合适配筋选择配合比设计施工养护三峡大坝泄洪段发电段三峡大坝泄洪段发电段大体积混凝土大体积混凝土大体积混
10、凝土的内部降温管大体积混凝土的内部降温管5、碳化收缩v（1）、定义）、定义 水泥石与水泥石与CO2 作用所引起一种体积收缩现象。作用所引起一种体积收缩现象。v（2）、机理：）、机理：空气中与水泥石中水化物，特别石与空气中与水泥石中水化物，特别石与Ca(OH)2的作的作用，置换出水分子，引起水泥石体积变化。用，置换出水分子，引起水泥石体积变化。一方面这些失去的水分随相对湿度减小而增大一方面这些失去的水分随相对湿度减小而增大;另一另一方面，方面，CO2与水化物作用又必须在一定湿度下进行。与水化物作用又必须在一定湿度下进行。（湿度为（湿度为100时不产生碳化收缩，时不产生碳化收缩，55时为最大时为最
11、大值，值，25时也不产生收缩）时也不产生收缩）二、荷载作用下的变形 q短期荷载作用下的变形弹塑性变形短期荷载作用下的变形弹塑性变形 q长期荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形徐变徐变5.3 混凝土的变形性能混凝土的变形性能(一一)短期荷载作用下的变形弹塑性变形短期荷载作用下的变形弹塑性变形n1.砼受力变形及破坏的4个阶段(I)裂缝无明显变化阶段(收缩裂缝阶段):当荷载达到“比例极限”(约为极限荷载30%)以前,裂缝无明显变化,并稍有收缩.混凝土处于弹性工作阶段n 二、荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形3070100形变极限荷载(%)IIIIIIIV(II).裂缝引发阶段n荷载介于比例极限 3
12、0极限荷载）和 临界荷载（70极 限荷载）之间，裂 缝数量、长度、宽 度逐渐增大，但尚 无明显砂浆裂缝。1.砼受力变形及变坏的砼受力变形及变坏的4个阶段个阶段 3070100形变极限荷载(%)IIIIIIIV（III）稳定的裂缝增长阶段荷载超过临界荷载后，随着荷载增大，裂缝 继续扩大，并开始出 现少将裂纹。但荷载 保持一定不变时，裂 缝也停止。1.砼受力变形及变坏的砼受力变形及变坏的4个阶段个阶段 3070100形变极限荷载(%)IIIIIIIV（IV）不稳定的裂缝扩展阶段n荷载达到极限荷载 之后，荷载不变，裂 缝不断扩展。随后应 力降低回落，变形继 续增大，直至破坏。1.砼受力变形及变坏的砼
13、受力变形及变坏的4个阶段个阶段 3070100形变极限荷载(%)IIIIIIIV2、混凝土的弹塑变形及弹性模量q由混凝土受力破坏特征可知由混凝土受力破坏特征可知:混凝土是一种由水泥石、砂、石、混凝土是一种由水泥石、砂、石、孔隙等组成的不匀质的孔隙等组成的不匀质的三相复合材三相复合材料料。它既不是一个完全弹性体，也。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，塑性体。受力时既产生弹性变形，又产生塑性变形，其应力与应变的又产生塑性变形，其应力与应变的关系不是直线，而是曲线关系不是直线，而是曲线.(一一)短期荷载作用下的变形弹塑
14、性变形短期荷载作用下的变形弹塑性变形(1).砼的弹塑变形:加荷载,应变应变,一部分变形可 恢复,叫弹弹,另一部分,叫叫塑塑。当应力 ,反 复加荷、卸荷,塑性变形不断增加,直至稳定,即最后一次加荷、卸荷所产生的塑性变型为零.当应力为 ,反复加荷、卸荷,塑 性变形不断增加,最终导致疲劳破坏.塑弹轴心抗压强度）(0.5f-0.3cpcp0.7f-0.5(2)砼的弹性模量(静弹模量)n初始切线模量 n n切线弹性模量 n n切线弹性模量 n n 2、混凝土的弹塑变形及弹性模量、混凝土的弹塑变形及弹性模量)0,0(dd初切E),(dd初切E初切E应变应变应力切线初始切线割线讨论：砼静弹模量的检测与规定n
15、当 时，每次加荷、卸荷均有一定塑性变形，但当反复次数增多后，每次塑性变型逐渐减小并趋于零，也就是说，最后一次（第4至5次）塑性变形接近于弹性变形。n应力 时，经45次反复加荷、卸荷后的割线弹性模量，规定为砼的静弹模量：轴心抗压强度）(0.5f-0.3cpcp0.4f),4.0(fcphE2、混凝土的弹塑变形及弹性模量、混凝土的弹塑变形及弹性模量砼的其他弹性模量n动弹性模量：道路轨枕 n砼的抗折弹性模量：道路混凝土2、混凝土的弹塑变形及弹性模量、混凝土的弹塑变形及弹性模量3.影响混凝土弹性模量的因素影响混凝土弹性模量的因素n混凝土的强度混凝土的强度混凝土的强度越高，弹性模量越大，混凝土的强度越高
16、，弹性模量越大，当混凝土的强度等级由当混凝土的强度等级由C10增加到增加到C60时，其弹性模时，其弹性模量大致由量大致由1.75104MPa增加到增加到3.60 104MPa;n骨料的含量与弹性模量骨料的含量与弹性模量骨料的含量越多，弹性模量骨料的含量越多，弹性模量越大，混凝土的弹性模量越高越大，混凝土的弹性模量越高;n水泥浆量水泥浆量：水泥浆量越大，弹性模量越小；：水泥浆量越大，弹性模量越小；n含气量含气量：混凝土含气量越大，弹性模量越小；：混凝土含气量越大，弹性模量越小；n养护条件养护条件混凝土的水灰比较小，养护较好及龄期较混凝土的水灰比较小，养护较好及龄期较长时，混凝土的弹性模量就较大。
17、长时，混凝土的弹性模量就较大。(一一)短期荷载作用下的变形弹塑性变形短期荷载作用下的变形弹塑性变形（二）、在长期荷载作用下的变形徐变（二）、在长期荷载作用下的变形徐变n1.混凝土徐变的概念混凝土徐变的概念 徐变徐变在长期恒定荷载作用下，随时间而沿在长期恒定荷载作用下，随时间而沿受力方向增大的非弹性变形称为徐变。受力方向增大的非弹性变形称为徐变。松弛松弛应变一定时，应力随时间逐渐减小的应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象则称应力松弛。现象则称应力松弛。两者都是粘弹性材料的典型特征。当一混凝土两者都是粘弹性材料的典型特征。当一混凝土构件受约束时，其粘弹性表现为应力随时间逐构件受约束时，其粘弹性表现
18、为应力随时间逐渐减小。因此，在有约束的条件下，收缩应变渐减小。因此，在有约束的条件下，收缩应变引起的弹性拉应力和粘弹性引起的应力松弛，引起的弹性拉应力和粘弹性引起的应力松弛，是大多数结构变形与开裂的实质。是大多数结构变形与开裂的实质。n 二、荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形 西太平洋西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨群岛上的一座桥梁（主跨为为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年年后坍塌后坍塌（1996年）。年）。徐变引起的桥梁垮塌图徐变引起的桥梁垮塌图2.混凝土
19、徐变原因n水泥石中的水泥石中的凝胶体凝胶体在长期荷载作用下的在长期荷载作用下的粘粘性流动性流动，并向毛细孔内迁移的结果。，并向毛细孔内迁移的结果。n在混凝土的较早龄期加荷，水泥尚未充分在混凝土的较早龄期加荷，水泥尚未充分水化，所含凝胶体较多，且水泥石中毛细水化，所含凝胶体较多，且水泥石中毛细孔较多，凝胶体易流动，所以徐变发展较孔较多，凝胶体易流动，所以徐变发展较快；快；n在晚龄期，水泥继续硬化，凝胶体含量相在晚龄期，水泥继续硬化，凝胶体含量相对减少，毛细孔亦少，徐变发展愈慢。对减少，毛细孔亦少，徐变发展愈慢。二、荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形加荷瞬时应变恒定荷载作用时间(d)应变X106
20、卸荷徐变恢复瞬时恢复残余徐变3.混凝土徐变的种类混凝土徐变的种类(1)恢复性徐变恢复性徐变:瞬时恢复瞬时恢复 徐变恢复徐变恢复(2)非恢复性徐变非恢复性徐变 残余变形残余变形二、荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形4.影响混凝土徐变的因素n水灰比水灰比混凝土的水灰比混凝土的水灰比较小或在水中养护时，徐变较小或在水中养护时，徐变较小；较小；n水泥用量水泥用量水灰比相同的水灰比相同的混凝土，其水泥用量愈多，混凝土，其水泥用量愈多，徐变愈大；徐变愈大；n骨料的性质骨料的性质混凝土所用混凝土所用骨料的弹性模量较大时，徐骨料的弹性模量较大时，徐变较小；变较小；n荷载荷载所受应力越大，徐所受应力越大，徐变
21、越大。变越大。n环境温湿度环境温湿度二、荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形5.混凝土的徐变对结构物的影响混凝土的徐变对结构物的影响n有利面：有利面：徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力重新徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力重新分布，从而使局部应力集中得到缓解；分布，从而使局部应力集中得到缓解；对大体积混凝土则能消除一部分由于温度变形所产对大体积混凝土则能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力生的破坏应力。n不利面：不利面：降低混凝土的承载力降低混凝土的承载力,增大了钢筋的应力增大了钢筋的应力.在预应力钢筋混凝土中，混凝土的徐变将使在预应力钢筋混凝土中，混凝土的徐变将使钢筋的预加应力受到损失。钢筋的预加应力受到损失。二、荷载作用下的变形二、荷载作用下的变形
