第六節硬化混凝土的變形性硬化混凝土除了受荷載作用產生變形外，在不受荷載作用的情況下，由于各種物理的或化學的因素也會引起局部或整體的體積變化。如果混凝土處于自由的非約束狀態，那么體積變化一般不會產生不利影響。但是，實際使用中的混凝土結構總會受到基礎、鋼筋或相鄰部件的牽制，而處于不同程度的約束狀態。即使單一的混凝土試塊沒有受到外部的制約，其內部各組成相之間也還是互相制約，因而仍處于約束狀態。因此，混凝土的體積變化會由于約束的作用在混凝土內部產生拉應力。眾所周知，混凝土能承受較高的壓應力，而其抗拉強度卻很低，一般不超過抗壓強度的10%。從理論上講，在完全約束條件下，混凝土內部產生的拉應力約有3至十幾兆帕（取決于混凝土的體積變化特性和彈性特性）。所以，混凝土受約束時，由于體積變化過大產生的拉應力一旦超過其自身的抗拉強度時，就會引起混凝土開裂，產生裂縫。裂縫不僅是影響混凝土承受設計荷載能力的弱點，而且還會嚴重損害混凝土的耐久性和外觀。綜上所述，硬化混凝土的變形按其產生的原因可分為非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形等兩大類。非荷載作用下的變形包括混凝土的化學減縮、溫度變形、干縮濕脹等；荷載作用下的變形分為短期荷載作用下的變形及長期荷載作用下的變形（徐變）。一、化學減縮

混凝土體積的自發化學收縮是在沒有干燥和其它外界影響下的收縮，其原因是水泥水化物的固體體積小于水化前反應物（水和水泥）的總體積。因此，混凝土的這種體積收縮是由水泥的水化反應所產生的固有收縮，亦稱為化學減縮。混凝土的這一體積收縮變形是不能恢復的。其收縮量隨混凝土的齡期延長而增加，但是觀察到的收縮率很小。因此，在結構設計考慮限制應力作用時，就不把它從較大的干燥收縮率中區分出來處理，而是一并在干燥收縮中一起計算。研究進一步表明，雖然化學減縮率很小，在限制應力下不對結構物產生破壞作用，但其收縮過程中在混凝土內部還是會產生微細裂縫，這些微細裂縫可能會影響到混凝土的受載性能和耐久性能。二、溫度變形

混凝土與通常固體材料一樣呈現熱脹冷縮。一般室溫變化對于混凝土沒有什么大影響。但是溫度變化很大時，就會對混凝土產生重要影響。混凝土與溫度變化有關的變形除取決于溫度升高或降低和程度外，還取決于其組成的熱脹系數。

當溫度變化引起的骨料顆粒體積變化與水泥石體積變化相差大時，或者骨料顆粒之間的膨脹系數有很大差別時，都會產生破壞性的內應力。許多混凝土的裂縫與剝落實例都與此有關。在溫度降低時，對于抗拉強度低的混凝土來說，體積發生冷縮應變造成的影響較大。例如，混凝土通常的熱脹系數約為（6~12）×10-6/℃，設取10×10-6/℃，則溫度下降15℃造成的冷收縮量達150×10-6。如果混凝土的彈性模量為21GPa，不考慮了徐變等產生的應力松弛，該冷收縮受到完全約束所產生的彈性拉應力為3.1MPa。因此，在結構設計中必須考慮到該冷收縮造成的不利影響。

混凝土溫度變形穩定性，除由于降溫或升溫影響外，還有混凝土內部與外部的溫差對體積穩定性產生的影響，即大體積混凝土存在的溫度變形問題。大體積混凝土內部溫度上升，主要是由于水泥水化熱蓄積造成的。水泥水化會產生大量水化熱，經驗表明1立方米混凝土中每增加10kg水泥，所產生的水化熱能使混凝土內部溫度升高1℃。由于混凝土的導熱能力很低，水泥水化發出的熱量聚集地混凝土內部長期不易散失。大體積混凝土表面散熱快、溫度較低，內部散熱慢、溫度較高，就會造成表面和內部熱變形不一致。這樣，在內部約束應力和外部約束應力作用下就可能產生裂縫。為了減少大體積混凝土體積變形引起的開裂，目前常用的方法有：

1、用低水化熱水泥和盡量減少水泥用量；

2、盡量減少用水量，提高混凝土強度；

3、選用熱膨脹系數低的骨料，減小熱變形；

4、預冷原材料；

5、合理分縫、分塊、減輕約束；

6、在混凝土中埋冷卻水管；

7、表面絕熱，調節表面溫度的下降速率等。三、混凝土的干縮濕脹

混凝土內水分變化引起的體積變化，取決于周圍環境的濕度變化。混凝土在干燥過程中，隨著毛細孔水的蒸發，使毛細孔中形成負壓產生收縮力，導致混凝土收縮，稱為干縮。已干燥的混凝土再次吸水變濕時，體積又會膨脹，稱為濕脹，此時原有的干縮變形會大部分消失，也有一部分變形是不消失的。如圖4.15所示。圖中表明，混凝土在第一次干燥后，若再放入水中，將發生膨脹。可是，并非全部初始干燥產生的收縮都能為膨脹所恢復，即使長期置于水中也不可能全部恢復。因此，干燥收縮可分為可逆收縮和不可逆收縮兩類。可逆收縮屬于第一次干濕循環所產生的總收縮的一部分；不可逆收縮則屬于第一次干燥總收縮的一部分，在繼續的干濕循環過程中不再產生。事實上，經過第一次干燥-再潮濕后的混凝土的后期干燥收縮將減小，即第一次干燥由于存在不可逆收縮，改善了混凝土的體積穩定性，這有助于混凝土制品的制造。混凝土的濕脹變形量很小，一般無破壞作用。但干縮變形對混凝土危害較大，當干縮受到約束時會使混凝土表面出現拉應力而導致開裂，使混凝土抗滲、抗凍、抗侵蝕性能降低，嚴重影響混凝土的耐久性。因此在設計時必須加以考慮。混凝土結構設計中干縮率取值一般為1.5~2.0×10-4。干縮主要是水泥石產生的，因此降低水泥用量，減小水灰比是減少干縮的關鍵。四、荷載作用下的變形

1、短期荷載作用下的變形

混凝土在短期荷載作用下的變形可分為四個階段。

第一階段是混凝土承受的壓應力低于30%極限應力時：在粗骨料和砂漿基體兩者的界面過渡區中，由于養護歷程的泌水、收縮等原因形成的原生界面裂縫（也稱為界面粘結裂縫）基本保持穩定，沒有擴展趨勢。盡管局部界面區域可能有極少量新的微裂縫引發，但也很穩定而無明顯作用。因此，在這一階段，混凝土的受壓應力-應變曲線近似呈直線。第二階段是混凝土承受的壓應力約為30%~50%極限應力時：

過渡區的微無論在長度、寬度和數量上均隨應力水平的逐步提高而增加。過渡區中的原生界面裂縫由于裂縫尖端的應力集中而在過渡區內穩定緩慢地伸展，但在砂漿基體中尚未發生開裂。界面裂縫的這種演變，產生了明顯的附加應變。因此，在這一階段，混凝土的受壓應力-應變曲線隨界面裂縫的演變逐漸偏離直線，產生彎曲。這時發生的變形，既有彈性變形又有塑性變形。第三階段是混凝土承受的壓應力約為50%~75%極限應力時：

一旦應力水平超過50%極限應力，界面裂縫就變得不穩定，而且逐漸延伸到砂漿基體中，同時砂漿基體也開始形成微裂縫。當應力水平進一步從60%極限應力增大到75%極限應力時，砂漿基體中的裂縫也逐漸增生，產生不穩定擴展。在應力水平達到75%極限應力左右時，整個裂縫體系變得不穩定，過渡區裂縫和砂漿基體裂縫的搭接開始發生，此應力水平稱為臨界應力。第四階段是混凝土承受的壓應力超過75%極限應力時：

隨著應力水平的增長，基體和過渡區中的裂縫處于不穩定狀態，迅速擴展成為連續的裂縫體系。此時，混凝土產生非常大的應變，其受壓應力-應變曲線明顯彎曲，趨向水平，直至達到極限應力。混凝土的承載能力下降，荷載減小而變形迅速增大，以至完全破壞，荷載—變形曲線逐漸下降而最后結束。由此可見，荷載與變形的關系，是內部微裂縫擴展規律的體現。混凝土在外力作用下的變形和破壞過程，也是內部微裂縫的發生和發展過程，它是一個從量變發展到質變的過程。只有當混凝土內部的微觀破壞發展到一定量級時才使混凝土的整體遭到破壞。通過以上受單軸向壓縮作用的混凝土力學行為可以看出，混凝土在不同應力狀態下的力學性能特征與其內部裂縫演變規律有密切的聯系。這為在鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構設計中，規定相應的一系列混凝土力學性能指標（如混凝土設計強度、疲勞強度、長期荷載作用下的混凝土設計強度、預應力取值、彈性模量等等）提供了依據。混凝土的彈性模量在結構設計、計算鋼筋混凝土的變形和裂縫的開展中是不可缺少的參數。但由于混凝土應力-應變曲線的高度非線性，因此給混凝土彈性模量的確定帶來困難。對硬化混凝土的靜彈性模量，目前有三種處理方法。

（1）初始切線模量

該值為混凝土應力-應變曲線的原點對曲線所作切線的斜率。由于混凝土受壓的初始加荷階段，原來存在于混凝土中的裂縫會在所加荷載作用下引起閉合，從而導致應力-應變曲線開始時稍呈凹形，使初始切線模量不易求得。另外，該模量只適用于小應力應變，在工程結構計算中無實用意義。（2）切線模量

該值為應力-應變曲線上任一點對曲線所作切線的斜率。僅適用于考察某特定荷載處，較小的附加應力所引起的應變反應。

（3）割線模量

該值為應力-應變曲線原點與曲線上相應于40%極限應力的點所作連線的斜率。該模量包括了非線性部分，也較易測準，適宜于工程應用。

混凝土強度等級為C10~C60時，其彈性模量約為（1.75~3.60）×104MPa2、長期荷載作用下的變形---徐變

混凝土在長期荷載作用下，除產生瞬間的彈性變形和塑性變形外，還會在沿著作用力方向產生隨時間而增長的非彈性變形，這種在長期荷載作用下的變形通常稱為徐變。徐變一般要延續2~3年才逐漸趨于穩定。混凝土在長期荷載作用下，一方面在開始加荷時發生瞬間變形（又稱瞬變，即混凝土受力后立刻產生的變形，以彈性變形為主）；另一方面發生緩慢增長的徐變。在荷載作用初期，徐變變形增長較快，然后逐漸減慢且穩定下來。當變形穩定以后，卸掉荷載后，一部分變形瞬時恢復，還有一部分要過一段時間才恢復，稱徐變恢復。剩余不可恢復部分，稱殘余變形。混凝土的徐變對混凝土及鋼筋混凝土結構物的應力和應變狀態有很大影響。徐變可能超過彈性變形，甚至達到彈性變形的2~4倍。在某些情況下，徐變有利于削弱由溫度、干縮等引起的約束變形，從而防止裂