荷载作用下的变形-土木工程材料（第4版）

（1）短期荷载作用下的变形

1）弹塑性变形和弹性模量（静弹性模量）

混凝土是一种人造的、不均质的多相复合材料，它不是一种完全的弹性体，而是一种弹塑性体，受力后既产生可以恢复的弹性变形，又产生不可恢复的塑性变形。应力与应变之间的关系不是直线，而是曲线，如图5.21所示。

由于混凝土是一种弹塑性材料，其应力σ与应变ε的比值随着应力的增加而减小，并不完全遵循虎克定律，混凝土的弹性模量（即应力与应变之比）有三种表示方法，如图5.22所示。

图5.21　混凝土在压力作用下的应力-应变曲线

图5.22　混凝土弹性模量

①初始切线弹性模量。应力-应变曲线原点上切线的斜率，不易测准。

②切线弹性模量。应力-应变曲线上任一点的切线斜率，只适用于很小的应力范围内。

③割线弹性模量。应力-应变曲线上任一点与原点连线的斜率。混凝土的割线弹性模量测试较为简单，为工程实际常用。我国目前规定混凝土弹性模量（即割线弹性模量）采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，取测定点的应力等于试件轴心抗压强度的40%，经三次以上反复加荷和卸荷后，测得应力与应变比值，即为混凝土弹性模量。

混凝土的强度越高，弹性模量越高，两者存在一定的相关性。当混凝土的强度等级由C10增高到C60时，其弹性模量大致是由1.75×104 MPa增至6.60×104 MPa。水分的存在对弹性模量有一定影响，被水饱和的混凝土其弹性模量比干燥时高，这一点正好与湿度对强度的影响相反。

混凝土的弹性模量随混凝土中骨料与水泥石的弹性模量而异。由于水泥石的弹性模量一般低于骨料的弹性模量，所以混凝土弹性模量一般略低于骨料的弹性模量。在材料质量不变的条件下，混凝土的骨料含量较多、水灰比较小、养护较好及龄期较长时，混凝土的弹性模量就较高。

2）动弹性模量

通过测定试件的共振频率或超声波在混凝土试件中的传播速度，也可根据相应公式计算出弹性模量，这种利用声学方法间接求得的材料弹性模量称为动弹性模量。主要用于混凝土耐久性的评价，或用于现场混凝土质量的评定。

（2）混凝土的徐变(www.xing528.com)

材料在荷载的长期作用下所产生的变形称为徐变。其显著特点是：变形会随时间不断增长，即荷载不变而变形仍随时间增大，因此，徐变也被称作时间变化。这样，黏弹性、滞弹性、黏性流动都可能成为徐变的表现形式。如果作用应力不超过一定值，徐变变形的增长在加荷初期较快，然后逐渐减慢，一般要延续2~3年才逐渐趋于稳定。徐变与荷载作用时间关系如图5.23所示。

图5.23　混凝土的徐变与徐变恢复

在持续荷载一定时间后，若卸除荷载，部分变形可瞬时恢复，也有少部分变形在若干天内逐渐恢复，称为徐变恢复，最后留下一部分不能恢复的变形称为残余变形。因此，徐变是由可恢复徐变和不可恢复徐变两部分组成，前者是滞弹性变形，后者多为黏性流动。

一般认为混凝土徐变是由于水泥石凝胶体在长期荷载作用下产生黏性流动，并向毛细孔中移动的结果。从水泥凝结硬化过程可知，随着水泥的逐渐水化，新的凝胶体逐渐填充毛细孔，使毛细孔的相对体积逐渐减小。在加荷初期或硬化初期，由于未填满的毛细孔较多，凝胶体移动较为容易，故徐变增长较快。以后由于内部移动和水化的进展，毛细孔逐渐减小，因而徐变速度越来越慢。骨料能阻碍水泥石的变形，从而减小混凝土的徐变。混凝土中的孔隙及水泥石中的凝胶孔则与骨料相反，可促进混凝土的徐变。因此，混凝土中骨料含量较多时，徐变较小。混凝土的结构越密实，强度越高，徐变就越小。

由此可知，当混凝土在较早龄期加荷时，产生的徐变较大；水灰比较大时，徐变也较大；在水灰比相同时，水泥用量较多的混凝土徐变较大；骨料弹性模量较高、级配较好及最大粒径较大时，徐变较小。

对于混凝土，无论是受压、受拉或受弯时，均有徐变现象。混凝土的徐变对钢筋混凝土构件来说，能消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力较均匀地重新分布。对于大体积混凝土，则能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力。但是，在预应力钢筋混凝土结构中，徐变将使钢筋的预加应力受到损失，从而降低结构的承载能力。

影响徐变的主要因素有：

①环境湿度。对混凝土加荷时，环境湿度越小，徐变越大。

②混凝土龄期。加荷时，混凝土龄期越短，徐变越大。

③混凝土构件的比表面积。结构构件尺寸越小，比表面积越大，由于水分蒸发量大，干缩剧烈，徐变增大。

④荷载。荷载引起的应力强度比越大，徐变越大。

⑤混凝土配合比。混凝土水灰比越大，徐变越大；混凝土集灰比越大，徐变越小。

⑥原材料性质。骨料弹性模量高的混凝土徐变越小，早强水泥比非早强水泥徐变小。