混凝土的變形性能

1、4.2.3 混凝土的變形性能 硬化混凝土的變形來(lái)自?xún)煞矫妫涵h(huán)境因素(溫、濕度變化)和外加荷載因素，因此有：v荷載作用下的變形 彈性變形非彈性變形 v非荷載作用下的變形 收縮變形膨脹變形v復(fù)合作用下的變形 徐變?nèi)龁?wèn)：l 各種變形的特征是什么(What)？l 這些變形是如何產(chǎn)生的(How)？l 影響這些變形的因素有那些(Which)？引深思考：如何減小或消除這些變形的負(fù)面影響1、荷載作用下的變形v單軸受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變行為v混凝土的彈性模量v混凝土彈性模量與組成關(guān)系v混凝土彈性模量的主要影響因素；v彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系；(1) 單軸受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變行為v在壓應(yīng)力作用下，骨料是彈性體，水泥石也是彈

2、性體，但由骨料與水泥石組成的混凝土是一種彈塑性體。v特點(diǎn)：混凝土在壓應(yīng)力作用下，既產(chǎn)生彈性變形，也產(chǎn)生塑性變形。在較低應(yīng)力(極限應(yīng)力fcp的30%)下，以彈性變形為主；在較高應(yīng)力( fcp的30%)下，產(chǎn)生彈塑性變形，應(yīng)力水平越高，塑性變形量越大；混凝土強(qiáng)度越低，塑性變形越大。骨 料混凝土水泥石受壓時(shí)，骨料、水泥石和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑彈問(wèn)題？v為什么骨料和水泥石是彈性體，而二者組成的混凝土是彈塑性體？v原因： 混凝土是一個(gè)多物相、多孔性的復(fù)合材料，其主體是顆粒堆聚體，存在界面過(guò)渡區(qū)，且過(guò)渡區(qū)有原生微裂縫。受力

3、下，界面裂縫的擴(kuò)展、顆粒間的滑移、孔隙中水的遷移等因素導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。v混凝土單軸受壓下的曲線可以分為4個(gè)階段：在極限應(yīng)力fcp的30%以下，界面過(guò)渡區(qū)微裂縫是穩(wěn)定的，因此， 曲線是線形的；當(dāng)應(yīng)力 fcp的30%時(shí)，隨著應(yīng)力增加，過(guò)渡區(qū)的裂縫長(zhǎng)度、寬度和數(shù)量增加， /比值增加， 曲線偏離直線；如果應(yīng)力 fcp的50%，過(guò)渡區(qū)的微裂縫穩(wěn)定體系存在，基體水泥石不會(huì)產(chǎn)生微裂縫；當(dāng)應(yīng)力 fcp的5060%時(shí)，基體相中產(chǎn)生微裂縫，如果應(yīng)力進(jìn)一步增加，基體相微裂縫擴(kuò)展，增多，過(guò)渡區(qū)微裂縫失穩(wěn)，導(dǎo)致曲線彎向橫軸當(dāng)應(yīng)力 fcp的7580%時(shí)，應(yīng)變能釋放速度達(dá)到在持久應(yīng)力下裂縫自發(fā)擴(kuò)展的水平，應(yīng)變隨應(yīng)力增長(zhǎng)很

4、快，直至裂縫成為聯(lián)系體系破壞。界面過(guò)渡區(qū)的微裂縫過(guò)渡區(qū)裂縫擴(kuò)展，但基體相沒(méi)有裂縫基體相中產(chǎn)生裂縫裂縫成為連續(xù)體系破壞(2) 混凝土的彈性模量v彈性模量E：靜力彈性模量與動(dòng)荷載彈性模量v混凝土的應(yīng)力應(yīng)變行為不完全遵循胡克定律， 曲線是非線性的，所以，混凝土的彈性模量不是一個(gè)恒定值。v為了工程設(shè)計(jì)，故常對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始階段作近似直線處理，有三種處理方式：原點(diǎn)切線彈性模量 Eo = tan 1； 割線彈性模量 Eh = tan 2； 切線彈性模量 Et = tan 3。原點(diǎn)切線 1 2 3割線切線難以準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)力水平很低，實(shí)用意義小。 我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指定以應(yīng)力 =1/3 fcp時(shí)的加荷割線彈性模

5、量定義為混凝土的彈性模量Eh靜力彈性模量。只適用于切點(diǎn)處荷載變化很小的范圍內(nèi)，工程意義也不大(3)影響混凝土彈性模量的因素v單相勻質(zhì)材料的彈性模量和密度有直接關(guān)系；v混凝土是多物相復(fù)合材料，因此，其彈性模量取決于下列因素：各物相的體積分?jǐn)?shù)；各物相的密度；各物相的彈性模量界面過(guò)渡區(qū)的特性2、混凝土在非荷載作用下的變形v干燥收縮v自收縮v溫度變形(1) 濕脹干縮變形v定義：濕度變化所引起的混凝土體積變形濕脹干縮，主要原因是水泥石中的凝膠水和毛細(xì)孔水的變化引起的。v水泥石和混凝土的收縮行為水泥石在水中連續(xù)浸泡，產(chǎn)生相當(dāng)小的連續(xù)膨脹；第1次干燥時(shí)，收縮最大，其收縮值有部分是不可逆的，即再次吸水不能恢復(fù)

6、。試驗(yàn)證明：相對(duì)濕度為70%的空氣中的收縮值為水中膨脹值的6倍，相對(duì)濕度為50%，為8倍。v混凝土的濕脹干縮變形重要的是干縮變形，因在約束下的收縮將導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。連續(xù)浸泡連續(xù)浸泡下的濕脹下的濕脹不可逆收縮可逆收縮應(yīng)變膨脹收縮第1次干燥時(shí)間水泥石或混凝土在干濕循環(huán)下的變形行為混凝土的干縮機(jī)理v干縮來(lái)自材料內(nèi)部水的損失，二者的關(guān)系如圖所示，收縮值隨著水的損失變化的斜率不一致。v環(huán)境濕度不同，有以下幾種不同的干縮機(jī)理：毛細(xì)張力 毛細(xì)孔和較大的凝膠孔中的自由水因大氣水蒸氣壓降低而蒸發(fā)時(shí)，表面張力增加，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使得孔壁受壓而收縮；分離壓 水泥石中的凝膠孔中的吸附水使得孔壁間存在分離壓力(濕脹的原

7、因),因干燥而吸附水損失時(shí)，將降低孔壁的分離壓，引起整體收縮；層間可揮發(fā)水的遷移 0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對(duì)水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)毛細(xì)水吸附水分離壓干燥收縮的危害u 路面板、橋面板、機(jī)場(chǎng)道面、停車(chē)場(chǎng)等暴露面積大且厚度較小的結(jié)構(gòu)物干縮最為顯著；u 當(dāng)混凝土的干燥收縮受到約束時(shí)，將導(dǎo)致裂縫，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性?；炷粮煽s的影響因素v混凝土組成與配合比混凝土的干縮小于水泥石，因此，骨料體積含量越大，干縮越小水泥用量 水灰比一定時(shí)，水泥用量越多，干縮越大；用水量 水泥用量一定時(shí)，用水

8、量越多，干縮越大。水泥種類(lèi)與細(xì)度 細(xì)度越細(xì)，干縮較大。 v良好養(yǎng)護(hù)可以減小收縮v構(gòu)件幾何尺寸和形狀表面積與體積比值越大，收縮越大；濕度擴(kuò)散的路徑越長(zhǎng)，收縮速率越低。骨料的體積百分?jǐn)?shù)(%)干縮值比骨料體積含量對(duì)混凝土干縮的影響普通混凝土范圍(2) 自收縮v條件特征：與外界環(huán)境無(wú)水分交換；v產(chǎn)生的原因：水泥水化吸收毛細(xì)管中的水分，使毛細(xì)管失水，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，引起收縮自干燥收縮；水泥水化物的體積小于反應(yīng)前各物質(zhì)的體積和，因而導(dǎo)致混凝土硬化后收縮化學(xué)收縮；v特點(diǎn)：收縮值隨齡期而增加，早期較快，后期緩慢。v影響因素水泥品種 主要是礦物組成與混合材種類(lèi)；水灰比 隨水灰比減小，收縮增大 ；骨料及其體積分?jǐn)?shù)

9、水泥用量外加劑內(nèi)部相對(duì)濕度(%)齡期(天)水泥石內(nèi)部相對(duì)濕度隨齡期的變化自收縮測(cè)量裝置0100200300400500600700800900100000.51.534.56時(shí)間（天）自收縮（微應(yīng)變）普通硅酸鹽中熱水泥快硬鐵鋁酸鹽硫鋁酸鹽水泥品種對(duì)自收縮的影響水灰比對(duì)自收縮的影響0200400600800100000.51.534.56時(shí)間（天）自收縮（微應(yīng)變）W/C=0.45W/C=0.35W/C=0.30W/C=0.25外加劑對(duì)自收縮的影響問(wèn)題？v混凝土的干燥收縮與自干燥收縮有何異同？解答：相同點(diǎn)：機(jī)理相似，水分損失、毛細(xì)張力等；不同點(diǎn)：u 水分損失的原因不同，前者是因環(huán)境濕度變化引起的，

10、后者是由水泥水化引起的；u 前者主要發(fā)生在表面層，而后者發(fā)生在整個(gè)體積，尤其在中心部位更大。(3) 溫度變形v與其它材料一樣，混凝土也具有熱脹冷縮的性質(zhì)；v混凝土的熱膨脹系數(shù)為1105 m /C；v溫度變形對(duì)大體積混凝土不利，因水泥水化放熱，造成內(nèi)外溫差較大，內(nèi)外膨脹不均，導(dǎo)致外部開(kāi)裂；v混凝土的熱膨脹系數(shù)取決于骨料的熱膨脹系數(shù)。3、混凝土的徐變v什么是徐變？ 在持續(xù)（恒定）荷載作用下，混凝土產(chǎn)生隨時(shí)間而增加的變形稱(chēng)為徐變。v徐變曲線特征？v徐變產(chǎn)生的機(jī)理？v徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有何影響？v影響徐變的因素有那些？徐變曲線特征：v加上恒定荷載時(shí)，混凝土立即產(chǎn)生瞬時(shí)彈性變形，隨后，徐變隨時(shí)間增加較快，

11、然后逐漸減慢。v卸荷后，一部分變形可恢復(fù)，稱(chēng)為彈性恢復(fù)；其后將有一個(gè)隨時(shí)間而減小的應(yīng)變恢復(fù)稱(chēng)為徐變恢復(fù)；最后殘留下來(lái)的變形成為不可逆徐變。徐變恢復(fù)加荷后的時(shí)間加荷后的時(shí)間( (天天) )彈性恢復(fù)不可恢復(fù)彈性變形徐變變形卸荷徐變產(chǎn)生的機(jī)理：v水泥石中的水化物凝膠顆粒之間的粘性流動(dòng)和剪切滑移；v在荷載作用下，凝膠體內(nèi)的吸附水被擠出；v骨料的延后彈性變形 ；v過(guò)渡區(qū)裂縫的擴(kuò)展或產(chǎn)生。 加荷后，水泥石首先變形，骨料上的應(yīng)力增大，骨料產(chǎn)生彈性變形延后彈性變形吸附水吸附水吸附水排出吸附水排出徐變徐變徐變機(jī)理 不利： 徐變會(huì)引起混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)幾十年來(lái)生產(chǎn)的構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失達(dá)3050%； 混凝土構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的撓度或變形。 有利 徐變會(huì)使溫度或其他收縮變形受約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力減?。?降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值。徐變的影響： 西太平洋Caroline群島上的一座橋梁(主跨為241m)，由于徐變使跨中向下?lián)锨愉伒臉蛎姘暹M(jìn)一步加劇徐變，使該橋在建成不到20年后坍塌 (1996年)。影響徐變的因素： v濕含量：混凝土中的濕含量降低，徐變減??；v環(huán)境濕度：濕度降低，徐變?cè)龃?；v溫度：溫度升高，徐變?cè)龃螅?0C以上，使徐變降低；v骨料用量：體積含量增加，徐變減??；v骨料的特性：