（1）湿胀干缩。
混凝土的湿胀干缩是由于混凝土内水分变化引起的。当混凝土长期在水中硬化时，会产生微小的膨胀；当混凝土在空气中硬化时，由于水分蒸发，水泥石凝胶体逐渐干燥收缩，使混凝土产生干缩。已干燥的混凝土再次吸水变湿时，原有的干缩变形会大部分消失，也有一部分（约30%～50%）是不消失的。
混凝土干缩变形的大小用干缩率表示。一般采用100mm×100mm×515mm的试件，在温度为20℃±3℃，相对湿度55%～65%的干燥室 （或干燥箱）中，干燥至规定龄期，测定干燥前后试件的长度，按式（3.3）计算干缩率εt
式中：L0 为试件的基准长度；Lt 为试件干燥至规定龄期td后的长度；Δ 为金属测头的长度。
用这种方法测得的干缩率，其值可达3×10-4～5×10-4。而实际工程中构件的尺寸要比试件大得多，构件内部混凝土干燥过程则缓慢得多，所以构件上混凝土的干缩率较上述试验值也小得多。设计上常采用的混凝土干缩率为1.5×10-4。
影响混凝土干缩率的主要因素有：混凝土单位用水量越大，干缩率越大，一般混凝土用水量每增加1%，干缩率可增大2%～3%；混凝土的水灰比越大，干缩率越大；混凝土骨料最大粒径越大、级配越良好，其干缩率越小。此外，水泥的品种及细度对干缩率也有很大影响，火山灰水泥的干缩率最大。水泥越细，干缩率也越大。当掺用促凝剂时，可使干缩率增大，例如，掺用氯化钙将使混凝土的干缩率增大50%～100%。
干缩变形可使混凝土表面产生拉应力，引起表面裂纹，使混凝土抗渗、抗冻、抗侵蚀性能降低。因此，干缩对混凝土有较大的危害，工程中应予以足够注意。
（2）温度变形。
混凝土具有热胀冷缩的性质，温度变形的大小可用温度变形系数α表示，用式 （3.4）计算，即
式中：L为试件长度；ΔT 为温度变化；ΔL为温度变化ΔT 时试件长度的变化。
混凝土温度变形系数随骨料种类及配合比的不同而变化。当骨料为石英岩、石英砂岩或花岗岩时，α值较大；当骨料为石灰岩、白云石或玄武岩时，α值较小。骨料最大粒径较大的混凝土，其水泥浆较少，α值较小。
当缺乏资料时，对石灰岩人工砂石骨料混凝土可取α为 （0.5×10-5～0.7×10-5）℃；对硅质砂岩人工砂石骨料或天然砂石骨料的混凝土，常取α为1.0×10-5℃。
温度变形系数的大小对混凝土温度应力及结构的温度变形有很大影响。选用α值较小的混凝土有利于减小大体积混凝土的温度应力，提高抗裂性。
（3）自生体积变形。
混凝土在硬化过程中，由于水泥水化而引起的体积变化称为自生体积变形。测定混凝土自生体积变形的方法，是把成型后的混凝土试件立即用密封材料封闭，并置于20℃环境中养护，记录应变计的初始读数及以后各龄期混凝土的应变值。在测定混凝土干缩率时，干缩变形中已经包括了混凝土的部分自生体积变形，故有时不单独测定混凝土自生体积变形。
普通水泥混凝土中，水泥水化生成物的体积较反应前物质的总体积小。混凝土自生体积变形多为收缩型。当水泥中含有膨胀组分或在混凝土中掺入膨胀剂时，可使混凝土产生膨胀型的自生体积变形，可以抵消部分（或全部）的干缩及温降收缩变形，防止混凝土出现裂缝。混凝土自生体积变形是不能恢复的。
3.2.4.2 混凝土在荷载作用下的变形
（1）应力—应变关系。
在短期荷载作用下（按一般静力试验加荷），混凝土受力变形如图3.6所示，应力—应变曲线如图3.6的1线所示，应力—体积应变曲线如图3.6的2线所示。混凝土应力应变关系，随应力σ大小的不同，可分为三个阶段。
当σ＜ （0.3～0.5）fcu时，应力—应变曲线近于直线，此时混凝土的变形主要是弹性变形，也有极少的塑性变形。产生此极少的塑性变形是由于混凝土内原生裂隙被压闭合，并且局部拉应力也引发了极少的新生微裂隙。在此阶段混凝土的连续性未被破坏。
当σ为 （0.3～0.5）fcu 至 （0.7～0.9）fcu 之间时，应力—应变曲线的曲率增大，体积变形曲线的压缩率逐渐减小，直到体积压缩停止。此阶段混凝土内裂缝稳定扩展，若保持应力于某一水平不变，裂缝扩展到某一程度也会自行停止。由于混凝土内裂缝的扩展，混凝土的总变形中包括有较多的塑性变形。这种塑性变形与金属材料的塑性变形不同，它是与混凝土内裂缝发展相联系的，故称为假塑性。
图3.6 混凝土受压时应力—应变曲线
1—应力—应变曲线；2—应力—体积应变曲线
当σ ≥ （0.7～0.9）fcu 后，混凝土内出现不稳定裂缝扩展。混凝土表面出现可见裂缝，其体积变形曲线反转，体积开始转向膨胀，直到应力达到极限抗压强度值，而后变形继续增加，直至破坏。
在承受拉应力时，混凝土应力—应变曲线如图3.7所示。此曲线在应力较低时接近于直线，当应力超过极限抗拉强度的70%左右时，曲线明显弯曲，随即破坏。
在重复荷载作用下，应力—应变曲线因作用应力大小的不同而有不同形式。当重复应力小于（0.3～0.5）fcu 时，应力应变曲线如图3.8所示。每次卸荷都残留少量塑性变形，且随着应力重复次数增加，塑性变形增量逐渐减小，最后曲线稳定于A′C′线它与初始切线大致平行。当重复应力大于 （0.5～0.7）fcu 时，随着重复次数的增加，塑性应变将逐渐增加，最后导致疲劳破坏。
图3.7 混凝土的抗拉应力—应变曲线
图3.8 低应力下重复荷载的应力—应变曲线
从上可见，混凝土在短期荷载下的变形和破坏，与其内部裂缝的发生、扩展是紧密联系的。
（2）变形模量。
混凝土的变形模量是指应力—应变曲线上任一点的应力与应变的比值。在计算钢筋混凝土的变形、裂缝开展、大体积混凝土的温度应力以及进行结构物应力观测时，均需了解混凝土的变形模量。由前述混凝土应力—应变关系可知，当混凝土所受应力大小不同时，其变形模量也不同。故在上述计算和观测中，应采用不同的变形模量。
在混凝土及钢筋混凝土结构设计中，常采用按标准方法测得的变形模量，称为混凝土静力弹性模量Eh ，简称弹性模量（试验方法见试验部分）。
混凝土弹性模量与混凝土强度密切相关，强度越高，弹性模量越大，且混凝土弹性模量随养护温度的提高及龄期的增大而增大。当缺乏试验资料时，28d龄期Eh （MPa）可按经验式（3.5）近似计算
式中：fcu 为混凝土28d龄期立方体抗压强度，MPa。
混凝土弹性模量还受下列因素影响：混凝土的水泥浆含量较少时，弹性模量较大；骨料弹性模量较大时，混凝土的弹性模量也较大；掺引气剂混凝土的弹性模量较普通混凝土的弹性模量低20%～30%。
当σ ≥ （0.5～0.7）fcu 时，混凝土应力—应变曲线明显弯曲，故变形模量明显减小。这时的变形模量称为弹塑性模量E′h 。当计算构件出现裂缝前的变形时，应采用弹塑性模量，常取E′h =0.85Eh。
混凝土抗拉弹性模量Et ，是用断面100mm×100mm的轴心拉伸试件进行轴心拉伸试验测定的。混凝土的Et 与Eh 十分接近，当缺乏试验资料时，常取Et =Eh。(www.xing528.com)
用测定试件自振频率的方法所测得的弹性模量称为混凝土动弹性模量Ed ，其值较Eh为大。
（3）徐变与松弛。
1）徐变。随着荷载作用时间的延长，混凝土变形将逐渐增大，这种随时间增长的变形称为徐变。混凝土徐变是加荷龄期τ和荷载持续时间t的函数。
当σ ＜ （0.3～0.5）fcu 时，在持荷时间内，变形随时间延长而增长，徐变变形可达瞬时变形的2～3倍。卸除荷载后，部分变形瞬时恢复，少部分变形逐渐恢复，称为徐变恢复。此外，还会保留部分永久变形。徐变曲线如图3.9所示。徐变量ε（τ，t）与应力σ 成正比，即
式中：C（τ，t）为单位应力的徐变量，称为徐变度或比徐变。
当σ ＞ （0.3～0.5）fcu 时，徐变变形增长比应力增长为快；当σ ≥ （0.7～0.8）fcu时，混凝土将由于变形的不断增长而破坏。持荷时间越长破坏应力越低，如图3.10所示。当持荷时间趋近于无限大时，其破坏应力称为持久强度。
图3.9 混凝土的徐变曲线
混凝土的徐变是由于水泥石的徐变所引起的，而水泥石的徐变则产生于凝胶体中的水分在荷载作用下的迁移，以及在长期荷载的作用下凝胶体的黏性流动。砂、石骨料和水泥石中的未水化水泥内核及结晶体，可以认为是不产生徐变的，且它们还能阻碍水泥石变形，减少混凝土徐变。混凝土中的孔隙则与骨料相反，增加混凝土的徐变。
图3.10 不同加荷速度下的应力应变曲线
影响混凝土徐变的因素很多。混凝土的加荷龄期τ较短时，产生的徐变较大；水灰比较大及强度较低的混凝土，徐变较大；水灰比相同时，水泥用量较多的混凝土徐变较大；在混凝土中掺有矿渣或火山灰质掺合料或采用掺混合材料硅酸盐水泥时，可增大混凝土徐变；加入引气剂，可增大混凝土徐变；充分养护，特别是水中养护，可使混凝土徐变减小。
混凝土拉伸徐变较应力相等时的压缩徐变大20%～30%。
混凝土徐变对建筑物的受力影响很大，由于混凝土徐变，结构内部会发生应力和变形重分布。例如：在钢筋混凝土中，由于混凝土的徐变，将使钢筋所承受的应力加大；在预应力钢筋混凝土中，混凝土的徐变会使钢筋的预加应力受到损失；徐变还能使结构内应力集中现象得到缓解；徐变也能降低大体积混凝土的温度应力。
2）应力松弛。加荷使混凝土产生一定变形后，若维持此变形不变，随着时间的延长，混凝土内的应力将逐渐降低，这种现象称为应力松弛。产生应力松弛的原因与徐变相同。
设混凝土加荷龄期为τ，此时应力为στ ，保持其变形不变，到龄期t时，其应力为σt ，则σt/στ 为此时的应力松弛系数Kτ，t 。加荷龄期越早（τ越小），持续时间越长 （t-τ越大），则Kτ，t 越小，应力松弛现象越显著。在大体积混凝土温度应力计算中，常取Kτ，t 在0.5～0.8之间。
3.2.4.3 混凝土的抗裂性
（1）混凝土的裂缝。
混凝土的开裂主要是由于混凝土中拉应力超过了抗拉强度 （或者说拉伸应变达到或超过了极限拉伸值）而引起的。混凝土的干缩、降温冷缩及自身体积收缩等收缩变形，受到基础及周围环境的约束（称此收缩为限制收缩）时，在混凝土内引起拉应力，并可能引起混凝土的裂缝。例如，与基础嵌固很牢的路面或建筑物底板、在老混凝土间填充的新混凝土等。混凝土内部温度升高（或因膨胀剂作用）使混凝土产生膨胀变形。当膨胀变形受到约束时（称此变形为限制膨胀），在混凝土内引起压应力，混凝土不会裂缝；当膨胀变形不受外界约束时（称此变形为自由膨胀），也会引起混凝土内部裂缝。
大体积混凝土发生裂缝的原因有干缩和温度应力两方面，其中温度应力是最主要的因素。在混凝土浇筑初期，水泥水化热使混凝土内部温度升高，产生内表温差，在混凝土表面产生拉应力，导致表面裂缝。当气温骤降时，这种裂缝更易发生。在硬化后期，混凝土温度逐渐降低而发生收缩，此时混凝土若受到基础或周围环境的约束，会产生深层裂缝。
此外，结构物受荷过大、施工方法欠合理以及结构物基础不均匀沉陷等都可能导致混凝土开裂。
为防止混凝土结构的裂缝，除应选择合理的结构形式及施工方法，以减少或消除引起裂缝的应力或应变外，还应采用抗裂性较好的混凝土。采用补偿收缩混凝土以抵消有害的收缩变形，也是防止裂缝的重要途径。
（2）混凝土抗裂性指标。
混凝土为脆性材料，抗裂能力较低。评价混凝土抗裂性的指标有多种，现仅对常用的几种作简单介绍：
1）混凝土极限拉伸εp 。混凝土轴心拉伸时，断裂前最大伸长应变称为极限拉伸。在其他条件相同时，混凝土极限拉伸值越大，抗裂性越强。对于大坝内部混凝土，常要求εp≥0.7×10-4；对于外部混凝土，一般要求εp ≥0.85×10-4。进行钢筋混凝土轴心受拉构件抗裂验算时，常取εp =1.0×104。
2）抗裂度D 。抗裂度是极限拉伸与混凝土温度变形系数之比 （℃），即以温差量度的极限拉伸
式中：α为混凝土的温度变形系数。
抗裂度越大，混凝土抗裂性越强。
3）热强比H/R 。某龄期单位体积混凝土发热量与抗拉强度之比 [J/ （m3·MPa）][5]。混凝土发热量是产生温度应力的主要原因，发热量小，温度应力小。抗拉强度是防止开裂的主要因素。因此，混凝土热强比越小，抗裂性越强。
4）抗裂性系数CR 。以止裂作用的极限拉伸与起裂作用的热变形值之比作为抗裂性系数CR 。CR 值越大，抗裂性越好。
式中：ΔT 为混凝土的绝热温升。
混凝土抗裂度、热强比及抗裂性系数等指标，都是比较混凝土抗裂性能优劣的相对指标，在研究和选择混凝土原材料及配合比时可起一定参考作用。
（3）提高混凝土抗裂性的主要措施。
1）选择适当的水泥品种。火山灰水泥干缩率大，对混凝土抗裂不利。粉煤灰水泥水化热低、干缩率较小、抗裂性好。选用C3S及C3A含量较低、C2S及C4AF含量较高或早期强度稍低后期强度增长率高的硅酸盐水泥或普通水泥，混凝土的弹性模量较低、极限拉伸值较大，有利于提高混凝土的抗裂性。
2）选择适当的水灰比。水灰比过大的混凝土，强度等级过低，极限拉伸值过小，抗裂性较差；水灰比过小，水泥用量过多，混凝土发热量过大，干缩率增大，抗裂性也会降低。因此，对于大体积混凝土，应取适当强度等级且发热量低的混凝土。对于钢筋混凝土结构，提高混凝土极限拉伸值可以增大结构抗裂度，故混凝土强度等级不应过低。
3）采用多棱角的石灰岩碎石及人工砂做混凝土骨料。碎石骨料与天然河卵石骨料相比，可使混凝土极限拉伸值显著提高。同时石灰岩碎石骨料可使混凝土温度变形系数减小，有利于提高混凝土抗裂性。
4）掺用适量优质粉煤灰或硅粉。混凝土中采用超量取代法掺入适量粉煤灰时，水胶比随之减小，混凝土极限拉伸可提高，有利于提高混凝土的抗裂性。在水胶比不变的条件下，采用等量取代法掺入适量优质粉煤灰时，混凝土的极限拉伸值虽然有一定下降，但其发热量显著减少。试验证明，当掺量适当时，混凝土的抗裂性也会提高。
混凝土中掺入适量硅粉，可显著提高混凝土的抗拉强度及极限拉伸值，且混凝土发热量基本不变，故可显著提高混凝土的抗裂性。
5）掺入减水剂及引气剂。在混凝土强度不变的情况下，掺入减水剂及引气剂，可减少混凝土用水量，并可改善混凝土结构，从而显著提高混凝土极限拉伸值。
6）加强质量控制，提高混凝土均匀性。调查研究发现，混凝土均质性越差，建筑物裂缝发生率越高。故加强质量管理，减小混凝土强度离差系数，可提高混凝土的抗裂性。
7）加强养护。充分保温或水中养护混凝土可减缓混凝土干缩，并可提高极限拉伸，故可提高混凝土抗裂性。对于掺有粉煤灰或硅粉的混凝土，由于混凝土早期强度增长较慢或干缩较大，更应加强养护。对于大体积混凝土，用保温材料对混凝土进行表面保护，可有效地防止混凝土浇筑初期发生的表面裂缝。
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