混凝土變形產生的原因及分類

■汪永木 ■貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025

混凝土的變形有兩類:一類是受力變形;另一類是由溫度和凝結硬化過程中引起的體積變形。以下對混凝土因不同因素產生變形進行分類和相關說明。

1 混凝土受短期單調荷載下的變形

按照國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法》規定，采用150mm×150mm×300mm的棱柱體作為軸心受壓試驗的標準試件研究測定混凝土受壓時的應力——應變的相關關系。分析試驗數據可知:當應力不大于0．3倍的混凝土軸心抗壓強度時，應力應變成線性關系;當應力在0．3～0．8倍的混凝土軸心抗壓強度時，應變的增長速度大于應力的增長速度，此時混凝土內部雖有微裂縫但都處于穩定狀態;當應力在0．8～1．0倍的混凝土軸心抗壓強度時，試件中形成的裂縫發展加快，平行于裂縫方向的裂縫相互貫通，試件即將破壞。由混凝土受復合應力狀態下的強度理論可知，若構件受到環向約束力的作用其強度和變形能力都會大大提高。正是基于這樣的原理對于實際混凝土結構中的受壓構件，往往可以通過配置箍筋和螺旋筋來約束混凝土的側向變形，從而使構件的受壓承載力大為提高。

2 混凝土受長期荷載作用下的變形

在固體力學中大多研究荷載在短期作用下彈性體或彈塑性體的變形情況即應力與應變的相關關系，但是混凝土在受到長期不變的應力作用下，其變形會隨著時間的持續而增長。我們把這種現象成為“徐變”。混凝土的徐變試驗采用100mm×100mm×400mm的棱柱體，并分別記錄相同試件在不同的應力水平下，壓應變隨時間變化的關系。分析試驗結果后發現:加載的前幾個月徐變增長的較快大概可以達到總徐變量的70% ～80%，隨后增長速度緩慢下降，在2～3年徐變趨于穩定。若在兩年后卸載則試件可立即恢復部分變形，20天左右又可回復一部分變形。但試件仍然存在很大一部分的殘余變形。通過對比不同應力水平下混凝土徐變與時間的關系的曲線時可以發現:當混凝土中應力不大于混凝土抗壓強度設計值的0．5倍時，在應力差相等的情況下徐變曲線的縱向間距也近似相等，說明應力與徐變成線性關系，并稱作“線性徐變”。當混凝土中應力介于混凝土抗壓強度設計值的0．5～0．8倍時，應力與徐變不再成線性關系，并且徐變的增加大于應力的增加，此階段稱為“非線性徐變”。當混凝土中應力大于混凝土抗壓強度設計值的0．8倍時，非線性徐變不再收斂而發散。混凝土內部微裂縫進入不穩定狀態最終導致試件的破壞。所以當混凝土在承受長期荷載的作用下，其實際能發揮的強度只有設計強度的80%左右，這一點在實際工程應用中有著重要的意義。

產生徐變的原因:(1)混凝土中水泥漿屬于膠凝漿體，其受到長期荷載作用下未結硬的膠凝體會產生粘性流動繼而發生塑性變形。(2)混凝土內部中本身存在許多微裂縫，而混凝土的徐變增長要長達三年才基本停止，這期間給了微裂縫充足的時間延伸和擴展，宏觀表現就是混凝土整體變形的增加。由上訴原因可以有以下幾種方法來有效降低混凝土徐變:(1)適當降低水灰比來減小殘留的游離水。(2)采用堅硬的粗骨料能有效抑制塑性變形，而且骨料所占比例越大徐變越小。(3)加荷時齡期不易太早，且養護混凝土的溫度越高、濕度越大，則水泥的水化反應越充分，徐變越小。

徐變對于混凝土結構的性能有較大的影響，它會加大結構構件的變形，從而使結構中的混凝土和鋼筋進行內力重分布，繼而引起結構的不安全甚至混凝土的開裂。

3 混凝土的收縮變形

混凝土變形的另一種重要形式就是收縮。混凝土在空氣中凝結硬化時體積會收縮，它是混凝土本身的屬性而與其受荷情況無關。試驗研究表明混凝土的收縮也是隨時間而增長的，初期發展較快以后逐漸減慢。對于素混凝土構件當其收縮變形受到約束時會產生拉應力，其值超過混凝土本身的抗拉強度就會開裂。對于鋼筋混凝土構件，即便是自由收縮，鋼筋仍會因為收縮而產生壓應力由截面受力平衡可知混凝土將會受到拉應力。尤其是鋼筋混凝土構件收縮變形較大，截面配筋較多時，混凝土產生的拉應力極有可能超過其抗拉強度而開裂。為避免混凝土收縮變形較大而使結構構件產生危險，我們應采取一定的措施。研究表明:(1)水泥用量越大、等級越高，水灰比越大，則收縮越大;骨料級配越好，彈性模量越大，則收縮越小。(2)凝結硬化過程以及使用時，環境濕度越大，收縮越小;若環境濕度大的同時養護溫度提高，收縮將減小;但是在干燥環境中，養護溫度提高反而使收縮加大。(3)施工質量。混凝土施工質量好，振搗越密實，收縮越小。(4)構件體表面積比值越大，收縮越小。

4 混凝土受重復荷載下的變形

在重復荷載作用下混凝土會產生疲勞破壞。混凝土的疲勞試驗采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體，通常把試件承受200萬次重復荷載而發生破壞的壓應力值稱為混凝土的疲勞抗壓強度。試驗過程中每次加載、卸載過程都會有一部分彈性變形的恢復和塑性變形的累積。混凝土的疲勞破壞是由于構件內部有微裂縫、空隙的存在，在重復荷載作用下產生集中應力現象，加速了裂縫發展、貫通。疲勞破壞屬于脆性破壞，破壞前無明顯預兆危害較大。

對于混凝土變形的研究還在繼續，研究清楚變形的機理對于設計、施工和日后維護都具有重要意義并幫助我們理解和分析實際工程中出現的問題。

［1］王鐵夢．工程結構裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業出版社，1997．

［2］何星華，高小旺．建筑工程裂縫防治指南［M］．北京:中國建筑工業出版社，2005．

［3］何鴻浩．建筑物變形裂縫的成因分析及防治措施的研究，天津大學碩士論文，2003．

［4］陳勝云．砌體結構鋼筋混凝土現澆樓板裂縫問題的試驗研究與理論分析，天津大學碩士論文，2003．

［5］姚振綱，劉祖華．建筑結構試驗，同濟大學出版社，1996．

［6］孫進祥等．建筑物裂縫，同濟大學出版社，2001．

［7］富文全，韓素芳．混凝土工程裂縫分析與控制，中國鐵道出版社，2002．

［8］王鐵夢著．工程結構裂縫控制，中國建筑工業出版社，1997．

［9］Control of Cracking in Concrete Structures，ACI224R-80．