混凝土变形：弹性与残余变形

混凝土的变形按其产生的原因可分为荷载作用下的变形和非荷载作用下的变形两大类。荷载作用下的变形分为短期荷载作用下的弹塑性变形及长期荷载作用下的徐变变形；非荷载作用下的变形包括混凝土的化学收缩、温度变形、干缩湿胀等。

（1）短期荷载作用下的变形——弹、塑性变形。

1）弹性变形和塑性变形。混凝土在短期荷载作用下的变形有弹性变形和塑性变形，弹性变形是指对材料施加荷载，荷载卸除后可以恢复的变形，塑性变形是卸载后不可恢复的变形。混凝土承受的压力在极限荷载的30%左右之前产生的变形近似于弹性变形，其应力.应变曲线大致接近直线。之后的变形主要是塑性变形。在混凝土未达到极限荷载时卸载，混凝土的变形瞬时恢复的是弹性变形，还有一部分变形是不能恢复的塑性变形，如图5-8所示。

2）弹性模量。在应力.应变关系曲线上任一点的应力与应变的比值为混凝土在该应力下的弹性模量。但混凝土在短期荷载作用下的应力.应变并非线性关系，故弹性模量有三种表示方法，如图5-9 所示。

图5-8　短期荷载作用下加载、卸载时的应力-应变曲线

图5-9　混凝土弹性变形的三种弹性模量示意

①始切线弹性模量α0。

②切线弹性模量α。

③割线弹性模量α1。在应力小于极限抗压强度的30%～40%时，应力-应变曲线接近直线。

《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081 一2002）中规定：采用割线弹性模量作为混凝土静力受压弹性模量。

3）静力受压弹性模量。混凝土静力受压弹性模量的试验方法是：按照规定的方法制作尺寸为150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱体标准试件6 个；取3 个试件测定混凝土的轴心抗压强度fcp；另外，取3 个试件测定静力受压弹性模量Ec。测定静力受压弹性模量时，将变形测量仪安装在试件两侧的中心线上并对称于试件的两端，经过至少两次的反复预压，并且在预压符合规范要求的前提下，测定基准压力F0=0.5 MPa 下的变形ε0 和加载到1/3 轴心抗压强度Fa 压力下的变形εa。代入下式计算静力受压弹性模量：

式中　A、L——分别为试件的承压面积（mm2）和测量标距（mm）；

　　　Δn——测定时从F0 加载到Fa 时试件两侧变形的平均值，Δn=εa-ε0，εa、ε0 为FA、F0时试件两侧变形的平均值。

混凝土的强度越高，结构越密实，弹性模量值越大。

（2）长期荷载作用下的变形——徐变变形。混凝土在长期荷载作用下，除产生瞬间的弹性变形和塑性变形外，还会产生徐变变形。徐变变形是在长期恒定荷载作用下，随时间产生的、沿受力方向增大的非弹性变形。徐变变形在早期增长很快，然后逐渐缓慢，一般要延续2～3 年才逐渐趋于稳定。当混凝土卸载后，一部分变形瞬时恢复，还有一部分变形慢慢地恢复，称为徐变恢复。剩下的不可恢复的变形称为残余变形。(www.xing528.com)

混凝土的徐变变形对混凝土及钢筋混凝土结构物的应力和应变状态有很大影响。徐变变形可能超过弹性变形，甚至超过弹性变形的2 ～4 倍。在某些情况下，徐变变形有利于削弱由温度、干缩等引起的约束变形，从而防止裂缝的产生。但在预应力结构中，徐变变形将产生应力松弛，引起预应力损失，造成不利影响。因此，在混凝土结构设计时，必须充分考虑徐变变形的有利和不利影响。

（3）化学收缩。混凝土体积的自发化学收缩是在没有干燥和其他外界影响下的收缩，其原因是水泥水化物的固体体积小于水化前反应物（水和水泥）的总体积。因此，混凝土的这种体积收缩是由水泥的水化反应所产生的固有收缩，也称为化学减缩。混凝土的这一体积收缩变形是不能恢复的。其收缩量随混凝土龄期的延长而增加，但是观察到的收缩率很小。因此，在结构设计考虑限制作用时，不必将其从较大的干燥收缩率中区分出来处理，而是在干燥收缩中一起计算。

（4）温度变形。混凝土与通常固体材料一样呈现热胀冷缩。一般室温变化对混凝土没有太大影响，但是温度变化很大时，就会对混凝土产生重要影响。混凝土与温度变化有关的变形除取决于温度升高或降低的程度外，还取决于其组成的热胀系数。当温度变化引起的集料颗粒体积变化与水泥石体积变化相差大，或者集料颗粒之间的膨胀系数有很大差别时，都会产生破坏性的内应力，造成混凝土的裂缝与集料的剥落。

混凝土温度变形的稳定性，除受降温或升温的影响外，还受混凝土内部与外部的温度差对体积稳定性的影响，此即大体积混凝土存在的温度变形问题。

大体积混凝土内部温度上升，主要是由于水泥水化热蓄积造成的。水泥水化会产生大量水化热，经验表明，1 m3 混凝土中每增加10 kg 水泥所产生的水化热能使混凝土内部温度升高l℃。由于混凝土的导热能力很低，水泥水化发出的热量聚集在混凝土内部，长期不易散失。大体积混凝土表面散热快、温度较低，内部散热慢、温度较高，就会造成表面和内部热变不一致。这样，在内部约束力和外部约束力作用下就可能产生裂缝。

为了减少大体积混凝土体积变形引起的开裂，目前采取的措施如下：

1）采用低水化热水泥，尽量减少水泥用量。

2）尽量减少用水量，提高混凝土强度。

3）选用热膨胀系数低的集料，减小热变形。

4）预冷原材料。

5）合理分缝、分块、减轻约束。

6）在混凝土中埋冷却水管。

7）表面绝热，调节表面温度的下降速率等。

（5）干缩湿胀。混凝土内水分变化引起的体积变化，取决于周围环境的温度变化。混凝土在干燥过程中，随着毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压产生收缩力，导致混凝土收缩，称为干缩。已干燥的混凝土再次吸水变湿时体积又会膨胀，称为湿胀。此时，原有的干缩变形会大部分消失，也有一部分变形是不消失的。

干燥收缩分为可逆收缩和不可逆收缩两类。可逆收缩属于第一次干湿循环所产生的总收缩的一部分；不可逆收缩则属于第一次干燥总收缩的一部分，在继续的干湿循环过程中不再产生。事实上，经过第一次干燥，再潮湿的混凝土的后期干燥收缩将减小，即第一次干燥由于存在不可逆收缩，改善了混凝土的体积稳定性，这有助于混凝土制品的制造。

混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用，但干缩变形对混凝土危害较大，当干缩受到约束时，会使混凝土表面出现拉应力而导致开裂，使混凝土抗渗、抗冻、抗侵蚀性能降低，严重影响混凝土的耐久性。因此，在设计时必须加以考虑。

（6）收缩试验。现行国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）规定：可用收缩试验测定混凝土的自由收缩变形。