《土木工程材料》課件-變形

混凝土受溫度、濕度變化、化學(xué)反應(yīng)或外力作用，所產(chǎn)生的形狀、尺寸和體積的變化，稱為變形。這些變形是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，從而進(jìn)一步影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

四、混凝土的變形性能混凝土構(gòu)件總是要受到一定的約束，約束通常來(lái)自它與地基的摩擦、端部的其他構(gòu)件、配筋，以及混凝土體內(nèi)外變形的差異。當(dāng)混凝土材料的應(yīng)變（收縮）完全受到約束時(shí)，將產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力σ=Eε。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度(1.27-3.11MPa設(shè)計(jì)規(guī)范)時(shí)，構(gòu)件就有可能開(kāi)裂。(或收縮值大于極限拉伸王鐵夢(mèng)p291-1.6×10-4時(shí)，即開(kāi)裂、王鐵夢(mèng)p592.5-3×10-4）橡皮繩但是混凝土的粘彈性（徐變）可減小混凝土構(gòu)件的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。變形與開(kāi)裂無(wú)松弛作用時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂混凝土的抗拉強(qiáng)度開(kāi)裂延遲應(yīng)力松弛后的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)力松弛時(shí)間收縮應(yīng)變受約束時(shí)產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)力混凝土變形:非荷載作用變形——化學(xué)收縮、自收縮、沉降收縮、塑性收縮、干燥收縮和溫度變形——產(chǎn)生收縮與膨脹變形荷載作用下的變形

短期荷載——彈、塑性變形，

長(zhǎng)期荷載——徐變（應(yīng)力松弛）

三、混凝土的變形性能1.非荷載作用下的變形（1）化學(xué)收縮（chemicalshrinkage）——水泥水化后，水化產(chǎn)物的絕對(duì)體積小于水化前水泥與水的絕對(duì)體積，從而使混凝土產(chǎn)生的收縮。（小于1％多為內(nèi)在的體積變化、不會(huì)顯著影響構(gòu)件外觀尺寸）圖5.28沉降、泌水、化學(xué)收縮和自收縮之間的體積關(guān)系（未按比例繪制）1.非荷載作用下的變形（1）化學(xué)收縮（chemicalshrinkage）—收縮量隨齡期的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，大致與時(shí)間的對(duì)數(shù)成正比。一般在混凝土成型后40多天內(nèi)化學(xué)收縮增長(zhǎng)較快，以后漸趨穩(wěn)定?；瘜W(xué)收縮是不能恢復(fù)的，可使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微細(xì)裂縫。（2）沉降收縮(settlementshrinkage補(bǔ)充）——指混凝土凝結(jié)前在垂直方向上的收縮，由骨料下沉、泌水、氣泡上升到表面和化學(xué)收縮而引起圖5.28沉降、泌水、化學(xué)收縮和自收縮之間的體積關(guān)系（未按比例繪制）（2）沉降收縮————沉降過(guò)大，通常是由混凝土拌合物不密實(shí)而引起，引氣、足夠細(xì)骨料、低用水量（低坍落度）可以減少沉降收縮。變截面處因沉降引起開(kāi)裂的示意圖（大流動(dòng)性混凝土沉縮變形約為200×10-4，混凝土極限拉伸1-1.6×10-4）

。沉降裂縫——沉降不均和過(guò)大會(huì)使同時(shí)澆注的不同尺寸構(gòu)件在交界處產(chǎn)生裂縫，在鋼筋上方的混凝土保護(hù)層產(chǎn)生順筋開(kāi)裂鋼筋沉降裂縫水囊混凝土表面1.非荷載作用下的變形圖5.28沉降、泌水、化學(xué)收縮和自收縮之間的體積關(guān)系（未按比例繪制）（3）自收縮（autogenousshrinkage補(bǔ)充）——指混凝土在沒(méi)有和外界發(fā)生水分交換的情況下，水泥水化消耗毛細(xì)孔水導(dǎo)致漿體自身的干燥和體積的均勻減少。（3）自收縮（autogenousshrinkage）混凝土的自收縮與水灰比、水泥細(xì)度、膠凝材料的活性、混凝土表面積與體積之比等有關(guān)。

（3）自收縮（autogenousshrinkage）水灰比越小，混凝土自收縮越大。水灰比≥0.5的混凝土（相當(dāng)于C30級(jí)）自收縮可以忽略；而水灰比低于0.42時(shí)自收縮極其顯著，則不可忽略。高強(qiáng)、低水灰比混凝土的自收縮可達(dá)到（200-400）×10-6，水灰比為0.3的混凝土自收縮可達(dá)到干燥收縮的一半。（極限拉伸1-1.6×10-4）

為減少混凝土的自收縮，混凝土澆注后應(yīng)盡可能快的對(duì)混凝土進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)

（4）塑性收縮（plasticshrinkage補(bǔ)充）

混凝土成型后尚未凝結(jié)硬化時(shí)屬塑性階段（4-15小時(shí)），在此階段由于表面失水而產(chǎn)生的收縮，稱為塑性收縮?；炷猎谛掳锠顟B(tài)下，如養(yǎng)護(hù)不足，表面泌水層的蒸發(fā)速率超過(guò)泌水速率，塑性收縮就可能快速發(fā)展，則會(huì)造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致開(kāi)裂。有研究表明：首條裂縫通常出現(xiàn)在泌水膜消失后0.5-2個(gè)小時(shí)左右?；炷帘砻婷谒俾?lt;蒸發(fā)速率開(kāi)裂混凝土表面骨料對(duì)塑性收縮的影響（10-4）極限拉伸1-1.6×10-4（4）塑性收縮（plasticshrinkage）

塑性收縮開(kāi)裂多見(jiàn)于道路、地坪、樓板等大面積工程，以夏季施工最為普遍。塑性收縮裂縫可能具有相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度（1-2m）和深度，甚至貫穿板的截面，寬度介于0.1-3.0mm，很難自行愈合。即使是表面的細(xì)小裂縫，也有可能成為今后裂縫發(fā)展的根源，因此，對(duì)此類裂縫可能造成的危害應(yīng)該引起足夠的重視。塑性收縮裂縫某工程樓面板塑性裂縫檢測(cè)報(bào)告－明確無(wú)結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，只需灌縫修復(fù)。管理和建設(shè)單位－加固總是好的。加固公司－即原檢測(cè)單位－利益驅(qū)動(dòng)－碳纖維結(jié)構(gòu)加固＋灌縫，直接損失100多萬(wàn)，簡(jiǎn)接損失300萬(wàn)。施工單位－同樣的施工、同樣的人員?；炷恋膯?wèn)題“現(xiàn)場(chǎng)泵送時(shí)，水是加過(guò)的”某工程樓面板24h內(nèi)產(chǎn)生的裂縫，寬1.2mm某樓面板收縮裂縫的芯樣建設(shè)主管部門和質(zhì)監(jiān)站根據(jù)專家組分析和建議，給出明確的意見(jiàn)，使問(wèn)題得以合理解決，減少了損失。。。。。。影響蒸發(fā)速率的因素：（可查表確定蒸發(fā)速率）1）高氣溫；2）混凝土體溫；3）低相對(duì)濕度；4）高風(fēng)速；5）太陽(yáng)輻射熱；以上任意兩個(gè)因素的組合都屬于熱天混凝土澆注(HotWeatherConcreting)。影響塑性開(kāi)裂的內(nèi)部因素：水灰比、細(xì)摻料、漿集比等。ACI305建議：對(duì)泌水速率介于0.5～1.5

kg/m2/h的普通混凝土，最大允許蒸發(fā)速率為1.0kg/m2/h。但對(duì)現(xiàn)代普通混凝土、特別是高強(qiáng)高性能混凝土，W/B小，同時(shí)摻有高細(xì)度的硅灰、粉煤灰、礦粉等，泌水量小，在較小水分蒸發(fā)速率的環(huán)境下，比如0.2～0.7kg/m2/h，塑性收縮裂縫依然有可能出現(xiàn)。美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)最大允許水分蒸發(fā)速率因此，HSPC和泵送混凝土對(duì)環(huán)境因素的敏感性提高了。對(duì)于普通混凝土適宜的環(huán)境條件，對(duì)于HSPC和泵送混凝土來(lái)說(shuō)可能就是惡劣環(huán)境。環(huán)境因素

預(yù)防塑性收縮開(kāi)裂的方法：降低混凝土表面的失水速率。如擋風(fēng)、遮陽(yáng)、噴霧、降低混凝土溫度、延緩混凝土凝結(jié)速率（凝結(jié)快-水化快、水化熱大、失水快、泌水無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充)、二次抹壓和振搗等措施。

最有效的方法是加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，如在表面覆蓋塑料薄膜（觀察是否有冷凝水珠）、濕麻布、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等養(yǎng)護(hù)對(duì)防治塑性收縮裂縫起著關(guān)鍵作用。判斷養(yǎng)護(hù)是否良好的標(biāo)準(zhǔn)：首先，必須有效控制混凝土表面水分蒸發(fā)速率；其次，必須在澆筑后立即覆蓋并加濕養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)的重要性表面潮濕不是無(wú)需養(yǎng)護(hù)的理由，我們等不到表面發(fā)白。(工程中通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證塑料薄膜、抹面的重要性和進(jìn)行技術(shù)管理）（5）干燥收縮（dryingshrinkage簡(jiǎn)稱干縮）——混凝土處于干燥環(huán)境中，會(huì)引起體積收縮，稱為干燥收縮。

原因：干燥過(guò)程中，毛細(xì)孔水分蒸發(fā)，使毛細(xì)孔中形成負(fù)壓，產(chǎn)生收縮力，導(dǎo)致混凝土收縮；當(dāng)毛細(xì)孔中的水蒸發(fā)完后，凝膠體顆粒間吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)，縮小凝膠體顆粒間距離，甚至產(chǎn)生新的化學(xué)結(jié)合而收縮。（5）干燥收縮(混凝土極限拉伸1-1.6×10-4)干縮的混凝土再次吸水時(shí)，干縮變形可部分恢復(fù)，也有一部分（約30％-60％）不能恢復(fù)?；炷帘砻娴母稍锸湛s裂縫

干燥收縮與以下因素有關(guān)（表4-22）：1）水泥品種及細(xì)度2）用水量與水泥用量3）骨料的質(zhì)量與數(shù)量4）養(yǎng)護(hù)條件干燥收縮與以下因素有關(guān)：1）水泥品種及細(xì)度火山灰水泥、礦渣水泥干縮大2）用水量與水泥用量

一般用水量平均每增加1%，干縮率約增大2%-3%。干燥收縮與以下因素有關(guān)：3）骨料的質(zhì)量與數(shù)量水泥漿的收縮值高達(dá)285×10－5mm/mm，砼、砂漿、水泥石收縮之比約為1：2：5骨料彈性模量越高，混凝土的收縮越小。輕骨料混凝土的收縮大。含泥量、吸水率大的骨料，干縮較大。4）養(yǎng)護(hù)條件——延長(zhǎng)潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間，可推遲干縮發(fā)展，但對(duì)最終干縮值影響不大。

蒸養(yǎng)可減少干縮，蒸壓養(yǎng)護(hù)效果更顯著。

干縮變形試件：100mm×100mm×515mm，干縮變形用干縮率表示，一般條件下混凝土的極限收縮值約為（5-9）×10－4mm/mm。由于實(shí)際構(gòu)件遠(yuǎn)比試件尺寸大，且構(gòu)件內(nèi)部干燥過(guò)程較為緩慢，故實(shí)際構(gòu)件的干縮率遠(yuǎn)較試驗(yàn)值小。在一般工程設(shè)計(jì)中，混凝土干縮值通常?。?.5-2）×10－4mm/mm(大于混凝土極限拉伸1-1.6×10-4)，即每米混凝土收縮0.15mm-0.2mm(例家地板十年開(kāi)裂、極限收縮20年）。碳化：水泥石中的Ca（OH）2與CO2發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣和水，稱為混凝土的碳化。碳化伴隨有體積的收縮，稱為碳化收縮。收縮原因：碳化過(guò)程中水分損失所致。碳化發(fā)生在混凝土表面處，與干燥收縮疊加后，可能引起嚴(yán)重的收縮裂縫。CO2

濃度較高環(huán)境的混凝土工程，如汽車庫(kù)、停車場(chǎng)、公路路面以及大會(huì)堂等，對(duì)碳化收縮變形應(yīng)引起重視。（6）碳化收縮（carbonationshrinkage補(bǔ)充）混凝土熱脹冷縮的變形稱為溫度變形.混凝土溫度變形系數(shù)約為1×10－5，即溫度升高1℃，每米膨脹0.01mm。溫度變形對(duì)大體積混凝土（massconcrete）及大面積混凝土工程極為不利。由于混凝土表面散熱快、溫度較低，內(nèi)部散熱慢、溫度較高，內(nèi)外溫差有時(shí)可達(dá)40-50℃，從而造成表面和內(nèi)部熱變形不一致，使混凝土表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)使混凝土產(chǎn)生裂縫。（7）溫度變形(temperaturedeformation)圖3-46硬化水泥漿體與混凝土的絕熱溫升水化熱的影響混凝土溫度隨水泥用量增加而上升圖3-47混凝土澆注厚度對(duì)溫升的影響（澆注溫度20C，水泥用量400kg/m3）溫升隨結(jié)構(gòu)物斷面尺寸增大而加劇2.0m2.5m結(jié)構(gòu)斷面尺寸非常大

混凝土的抗拉強(qiáng)度很小，因此在冷卻時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超過(guò)抗拉強(qiáng)度。例如：混凝土的熱膨脹系數(shù)為10×10－6/℃

由于水化熱產(chǎn)生的溫升為15℃

則混凝土冷卻時(shí)的熱收縮為150×10－6

而其彈性模量設(shè)為30GPa

如果被完全約束，冷卻時(shí)的拉應(yīng)力達(dá)4.5MPa

超過(guò)一般混凝土的抗拉強(qiáng)度(1.27-4.1MPa)因此，如果不是由于應(yīng)力松弛，很可能要開(kāi)裂熱收縮與熱應(yīng)力

溫度變化（?T）溫度變化就是混凝土的溫峰與結(jié)構(gòu)運(yùn)行期溫度的差異。?T＝新拌混凝土的澆注溫度＋絕熱溫升－環(huán)境溫度－由于散熱產(chǎn)生的溫降應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土內(nèi)部最高溫度與表面溫度溫差≯25℃，表面與環(huán)境（養(yǎng)護(hù)水）溫差≯15℃（20℃）

。

影響溫度（熱）應(yīng)力的因素

近幾十年來(lái)，基礎(chǔ)、橋梁、隧道襯砌以及其他構(gòu)件尺寸并不很大的結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象增多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)干燥收縮在這些結(jié)構(gòu)里并不重要了。水化熱以及溫度變化已經(jīng)成為引起素混凝土與鋼筋混凝土約束應(yīng)力和開(kāi)裂的主導(dǎo)原因。ThermalShrinkageandCracking熱收縮與開(kāi)裂

由于70年代美國(guó)混凝土橋面板普遍出現(xiàn)開(kāi)裂，因此轉(zhuǎn)向使用更高強(qiáng)度的混凝土，但是看來(lái)這無(wú)濟(jì)于事。根據(jù)國(guó)家公路合作研究計(jì)劃1995年的調(diào)查表明：10萬(wàn)多塊混凝土橋面板是在混凝土澆筑后一個(gè)月內(nèi)就出現(xiàn)了間隔1~3米的貫穿性裂縫。

P.K.Mehta.ThermalShrinkageandCracking熱收縮與開(kāi)裂任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題，以最大限度減少開(kāi)裂影響的，即稱為“大體積混凝土”。大體積混凝土本條為強(qiáng)制條款2008、10月太原工地C40基礎(chǔ)，適應(yīng)性不好、凝結(jié)快、堵車，前面已凝固，冷縫，后期觀測(cè)《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》規(guī)定：①混凝土入模溫度宜控制在5-30℃；②新澆筑混凝土與鄰接的已硬化的混凝土或巖土介質(zhì)間澆筑時(shí)的溫差不得大于15℃。③混凝土養(yǎng)護(hù)期間，內(nèi)部最高溫度不宜超過(guò)65℃，混凝土的芯部與表層、表層與環(huán)境之間的溫差不宜超過(guò)20℃（截面較為復(fù)雜時(shí)，不宜超過(guò)15℃），養(yǎng)護(hù)用水溫度與混凝土表面溫度之差不得大于15℃。通常工程中應(yīng)盡量減少混凝土的發(fā)熱量，如采用低熱水泥、減少水泥用量、摻入摻合料、緩凝劑、加大粗骨料粒徑、采取人工降溫等措施——預(yù)冷拌合物原材料（通冷氣-三峽）、冰水（深井水）、管道冷卻、限制澆注層高等措施。對(duì)縱長(zhǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)和大面積混凝土工程，常采取每隔一段距離設(shè)置伸縮縫，以及在結(jié)構(gòu)中設(shè)置溫度鋼筋等措施。水化溫升下降—粉煤灰摻量10~50%時(shí)，3天水化溫升降低13.9%~52.1%水化熱顯著減小—粉煤灰摻量10~50%時(shí)，3天水化熱降低5.9%~35.1%水化溫升減慢、溫峰出現(xiàn)時(shí)間推遲0.5~3.2h摻粉煤灰有利于降低溫峰值和推遲溫峰出現(xiàn)時(shí)間摻粉煤灰有利于降低溫峰值和推遲溫峰出現(xiàn)時(shí)間粉煤灰顯著降低溫峰、推遲溫峰出現(xiàn)時(shí)間

英國(guó)Bamforth的試驗(yàn)（在一厚2.5m結(jié)構(gòu)的中點(diǎn)測(cè)溫）70%硅酸鹽水泥+30%粉煤灰100%硅酸鹽水泥25%硅酸鹽水泥+75%磨細(xì)礦渣（1）在短期荷載作用下的變形混凝土在受力時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為曲線，如圖。2.荷載作用下的變形在應(yīng)力—應(yīng)變曲線（stress-straincurve）上任一點(diǎn)的應(yīng)力δ與其應(yīng)變?chǔ)诺谋戎?，叫做混凝土在該?yīng)力下的