建筑材料：荷载作用下混凝土的弹性变形与徐变

1.短期荷载作用下的变形

图5-24　为混凝土试件时间在压力作用下的应力-应变曲线。由图中曲线可见，在压力作用下混凝土没有明显的弹性阶段，只有在大约30％～40％极限荷载范围内曲线比较接近直线，可以将这段变形近似地看做弹性变形。当荷载再增大时，总变形量中有相当一部分变形不能恢复。这是由于在水泥凝胶体和界面相中，存在着许多原生微裂缝，外力作用使这些微裂缝扩展甚至连通，无法愈合。随着混凝土强度的提高，水泥凝胶体和界面相的结构更加完善，微裂缝数量大大减少，因此，高强混凝土近似弹性的线段范围有所增大。

2.静力弹性模量

混凝土应力-应变曲线上任意一点的应力与应变之比值，称为该点的变形模量。如图5-24所示，混凝土的应力-应变曲线为非线性，在不同的应力值下，混凝土的变形模量也不相同。所以对于混凝土来说，不像钢材那样存在着严格定义上的弹性模量。但是，弹性模量是反映材料在力的作用下抵抗变形的能力，即刚度的大小，在结构设计中是一个重要参数。对于混凝土材料，定义当应力为轴心抗压强度的40％时的加荷割线模量为混凝土的弹性模量，叫做静力受压弹性模量。轴心抗压强度大约是立方抗压强度的0.7～0.8倍，所以上述定义的混凝土的静力受压弹性模量相当于立方抗压强度的30％时的加荷割线的模量。从混凝土受压应力-应变图中可以看出，在应力为极限抗压强度的30％以下的范围内，曲线非常接近直线，这一阶段的变形绝大部分属于弹性变形。

静力弹性模量试验采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，每组成型6个试件，其中三个用于测定轴心抗压强度，三个用于测定变形值。以轴心抗压强度值的40％作为试验的控制荷载值，以该控制荷载值为上限，对试件进行三次加荷与卸荷预压，如图5-25所示。

图5-24　混凝土的应力-应变曲线

图5-25　混凝土的静力弹性模量加荷曲线

经过三次低应力预压后，混凝土内部的一些微裂缝得到闭合，内部组织趋于更加均匀，所以第三次预压时的应力-应变曲线近乎于直线，且几乎与初始切线相平行。在此基础上进行第4次加荷，最大荷载仍然控制在40％的轴心抗压强度，测定试件在标距内的变形量，则混凝土的弹性变形模量等于应力除以试件的应变值。

混凝土的静力弹性模量随强度的提高而增大。通常C40以下普通混凝土的静力弹性模量大约为1.75万～2.30万MPa，C40以上混凝土静力弹性模量大约在2.30万～3.6万MPa的范围。

3.长期荷载作用下的变形——徐变

混凝土在长期的、持续荷载作用下，其变形随时间的延长不断增加的现象称为徐变。混凝土的徐变通常要持续几年甚至十几年才逐渐趋于稳定。(www.xing528.com)

混凝土在持续荷载作用下产生徐变的原因主要有孔隙水的迁移、水泥凝胶体的粘性流动。混凝土是弹性骨料分布在具有一定粘性的水泥凝胶体连续介质中的复合材料，所以混凝土材料可以认为是弹性元件与粘性元件串联而成的粘弹性体系，其受力与变形特征符合麦克斯威尔模型。其应变符合公式（5-12）的规律，在外荷载作用的瞬间，应变ε0＝σ0/E，叫做瞬时应变；以后随着荷载作用时间的延长，应变值仍逐渐增加，即式（5-12）中的第二项，这部分随时间延长而增加的变形叫做徐变。在某一时刻t1卸载，则σ0/E部分应变立即恢复，称为瞬时恢复；而随时间的延长逐渐恢复，称为徐变恢复，最终还将残存一部分不可恢复的塑性变形（图5-26）。混凝土的应变为

图5-26　混凝土的徐变曲线

徐变变形与受力方向一致，受持续荷载条件下构件的徐变变形通常比瞬时弹性变形大1～3倍，因此在结构设计中徐变是一个不可忽略的因素。徐变对结构物的影响如下。

（1）增加结构物的变形量。设计桥梁、建筑物的梁等受弯构件时不仅要考虑承载能力，而且对跨中最大挠度有一定要求。徐变使挠度随荷载作用时间延长而增大，总徐变量最大可达到加载时产生的瞬时变形的1～3倍，对结构安全和正常使用极为不利，因此在设计时要充分考虑到徐变对结构物变形的影响。

（2）引起预应力钢筋混凝土结构中的预应力损失。预应力钢筋混凝土构件利用钢筋抗拉强度高的特性，针对混凝土抗压强度高而抗拉强度低的特点，先对其中的钢筋施加预拉应力，并使之与混凝土粘结或锚固为一体后，再卸掉荷载，利用钢筋恢复弹性变形的原理，对混凝土施加预压应力，使混凝土在未受外力作用时，内部已经产生预加的压应力。当受拉力作用时，混凝土内部的预压应力可以抵消一部分拉力，从而提高混凝土的抗拉、抗裂性能。这是一种巧妙地发挥两种材料的特性构造出的复合材料。预加压应力越大，混凝土抗拉、抗裂性能提高得越多。而预加应力的大小与钢筋的弹性变形量成正比。由于混凝土具有徐变的性质，所以随时间延长，将在受压方向上增大变形，使钢筋的拉伸变形量得以部分恢复，因此预应力减小。据工程经验，由于混凝土徐变引起的预应力损失可达到初始值的30％～50％，所以在进行预应力钢筋混凝土构件的结构设计时，一定要将预应力损失考虑进去，设计钢筋的拉伸量，以及确定经徐变后混凝土内部的预加压应力值。

（3）降低温度应力，减少微裂缝。由于混凝土的水化热，大体积混凝土内部往往存在较大的温度应力，导致温度裂缝。徐变能够使混凝土在应力方向上缓慢地能产生变形，从而缓解、降低温度应力，减轻温度应力对混凝土结构的危害。

（4）产生应力松弛，缓解应力集中。在混凝土构件内部的裂缝或其他有缺陷的部位容易产生应力集中，结构物由于基础的不均匀沉陷也会引起局部应力过大，徐变能够缓解这些部位的应力峰值，使应力集中现象减弱，对结构是有利的。

图5-27　混凝土的徐变与干缩变形叠加曲线

徐变试验采用棱柱体试件，在标准条件下（20°C±2°C、相对湿度95％以上）养护至7d龄期，移入20°C±2°C、相对湿度60％±5％的恒温、恒湿条件下进行徐变试验。开始加载龄期通常规定为7d、14d、28d、90d，在该试验条件下混凝土的徐变与干燥收缩是同时产生的，徐变试验所测得的变形值中已经包括了干缩变形，因此在进行混凝土徐变试验时，要同时制作干燥收缩试件，并与徐变试件在同一温、湿度条件下养护、同步进行收缩变形试验。徐变试验测得的混凝土在一定荷载作用下，变形随时间变化的曲线是干缩变形和徐变变形的加和，如图5-27所示，即为混凝土在20°C±2°C、相对湿度60％±5％的环境下承受荷载作用时的总变形，从中减去同步试验测得的干缩变形，即可得到徐变变形。

徐变变形与干缩变形产生的机理是有差别的。徐变是在荷载、环境湿度变化同时作用下随时间延长产生的变形，而干燥收缩只考虑环境干燥时混凝土内部水分的损失所带来的体积变化。影响干缩变形的因素，例如水泥品种、骨料品质、水灰比等原材料和配合比参数以及环境湿度等对徐变也有影响。此外影响徐变的因素还有开始加载时混凝土的龄期、加载值的大小等。