混凝土收縮徐變機理與影響因素綜述

丁孝斌 吳昊天 胡成杰

（1.重慶交通大學，重慶 404100；2.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113006；3.浙江工業大學，浙江 杭州 310000）

隨著鋼管混凝土拱橋建設的興起，核心混凝土收縮徐變對結構帶來的不利影響也日漸明顯。鋼管混凝土收縮徐變會導致拱肋截面產生應力重分布，即鋼管應力增大，核心混凝土應力減小[1]；在變形上會導致主拱圈下撓。因此對鋼管混凝土收縮徐變效應的準確計算就顯得尤為重要。混凝土隨時間而改變的效應性質，我們稱為混凝土的收縮徐變效應。在計算鋼管混凝土構件的收縮徐變效應時，最主要的是準確地確定出混凝土收縮及徐變效應的最終值，而在計算該種效應時，其產生的誤差主要取決于混凝土收縮徐變計算模式和分析方法的選取。鋼管混凝土收縮徐變的機理和影響因素較多[1]，對該機理及影響因素的了解，對鋼管混凝土收縮徐變計算模型和計算分析方法的合理選取具有較大的指導意義。

1 混凝土收縮徐變的基本概念

徐變屬于非彈性變形，該種變形是在荷載作用下產生并與時間有關，變形在力的作用下會隨著時間的增長而逐漸變大[2]，荷載施加歷史、加載齡期、濕度、溫度、混凝土的種類及配合比等因素都會對徐變總量的多少產生不可忽略的影響。混凝土的基本徐變類型是單軸壓縮。徐變的基本機理可以在水泥膠凝體連同膠體水的滯后彈變或粘稠變形下得到很好的闡釋。當荷載作用較長一段時間時，瞬時彈性變形相對于徐變應變來講，可以僅僅占到一半都不到，在某些情況下所占比例可能會更小。

水泥凝膠體中游離水蒸發使混凝土休積減小的物理化學現象稱為混凝土的收縮，該現象與受荷無關，只與時間相關。收縮效應會導致混凝土體積縮小，縮小原因可以歸結為膠凝體中所含水分的蒸發或者其它與受力無關的化學物理因素。

2 混凝土徐變與收縮的機理

荷載的作用只會使混凝土發生徐變但不會產生收縮。盡管收縮、徐變這兩種效應的特點不同，但均與混凝土內水化水泥漿的特性有關。在本質上，其產生的機理原因是一樣的。構成混凝土的水泥漿的物理結構決定著混凝土徐變、收縮的機理，該機理與其化學性質無關。

2.1 混凝土的收縮機理

導致混凝土發生收縮的機理可歸結為[3]:

（1）自發收縮。這種情況下，水分的轉移沒有發生，在水泥和水起化學反應生成水泥水化物的過程中，體積會自然而然地縮小，該收縮效應是由水化反應引起的。但混凝土收縮量在該種反應作用下產生的比較小。

（2）干燥收縮。在該種收縮類型中，混凝土中的吸附水受到相對干燥的外部環境影響，從而蒸發導致的。干燥收縮在混凝土收縮應變中占得比重較大。

（3）碳化收縮。產生的原因是大氣中的二氧化碳與水泥水化物發生了化學反應。

2.2 混凝土的徐變機理

在對徐變產生機理的研究分析中，以前就有學者對此作出不同的理論假定，可惜的是，到現在為止，人們還沒有對其中的一個觀點產生普遍的接受。第209 委員會（隸屬于美國混凝土學會）在1972年作了一份關于混凝土徐變機理的報告：

（1）吸附水層的潤滑再加上應力的作用，水泥石在水泥膠凝體的剪切或滑動錯位作用下會產生粘稠變形。

（2）在力的作用下,混凝土當中層間水的轉移或吸附水的參流導致的緊縮。

（3）膠體結晶和骨料構成的骨架的彈性變形會受到水泥膠凝體的約束作用，該種變形從而變成滯后彈性變形。

在1983年Neville 教授出版的著作[4]中有寫到，盡管現有較多的徐變理論，但這些徐變理論對于徐變機理的闡述是不盡相同的。有一種普遍為人們所接受的觀點是：收縮、徐變產生的原因是一樣的，徐變效應產生的主要原因是混凝土內部水分的蒸發。但這種說法在某種方面還是有分歧，即其不一定是徐變的真正原因，或許對膠凝體的運動只產生了細微的促進作用。較多人認為混凝土的外部環境較干燥時，內部的能夠蒸發的水分會逸出到外界。徐變發生的速度會隨著外部環境濕度的降低而增大。且變形會沿著荷載施加的方向發生。內部水分向外的轉移會隨著內外部環境的濕度達到平衡時而停止。這時，混凝土結構受到力的作用，就只有基本徐變，而無干燥徐變。水泥膠凝體連同膠體水的粘稠變形或滯后彈變被人們正常理解為混凝土基本徐變的產生機理。因而水分轉移和初期徐變有關聯。初期徐變受到水分轉移的影響是什么，還沒有統一的結論。

3 混凝土徐變與收縮的影響因素

混凝土的收縮、徐變與很多因素有關，總的能夠分為兩種：內，外部兩種因素。內部因素可以總結為：骨料、水灰比、水泥品種、灰漿率以及外加水泥混合物等；加載應力、持荷時間、加載齡期、環境相對濕度與溫度、空氣含量等歸屬于外部因素。

3.1 內部因素

（1）水泥品種

混凝土的強度在加載時受到水泥品種的影響，故而影響了徐變。在結構所受應力，加載齡期和其他條件一定的情況下，徐變的發生量隨混凝土強度發展速度的增大而減小。

（2）骨料

混凝土中的骨料不會參與結構的收縮徐變，相反會對水泥石變形導致的徐變效應起到約束作用，約束作用隨著骨料的剛度及所占體積比例的增大而加強。骨料體積百分比為60 所產生的徐變是骨料體積百分比為75 的兩倍。

（3）水灰比

在正常情況下，混凝土中水泥漿含量會隨著水灰比的改變而改變。在水泥漿的比重和初應力全部相同的情況下，徐變會隨著水灰比的降低而降低。

（4）灰漿率

灰漿率是指單位體積混凝土中水泥漿所占的百分比。試驗結果表明，灰漿率越大則混凝土的徐變量也越大。

（5）加勁水泥混合物

纖維的摻入會使水泥砂漿以及素混凝土的徐變較原來減少很多。

3.2 外部因素

（1）加載齡期

加載齡期越久，混凝土產生的總徐變越大。當混凝土加載初期，水泥水化不充分，混凝土強度較低，產生的徐變速率較快。但隨著加載齡期的增長，水泥強度隨著水化的逐漸充分而提高了，徐變效應也越來越不明顯。

（2）加載應力

混凝土的徐變和應力成正比例關系，在混凝土的加載應力與其強度比不超過0.4 時的條件下成立。當超過該比例時，徐變速率隨著應力強度比的增大而陡增，該關系也有正比例關系轉變為非線性關系。

（3）持荷時間

混凝土的徐變在荷載的持續作用下會逐漸增加，但速率會逐漸降低。混凝土的徐變效應一般持續的時間較長，但在兩年時間內，大多數徐變均可完成。

（4）工作環境的溫度和濕度

外部環境的相對溫濕度是最能影響混凝土徐變效應的因素之一。在加載才作用時，外部環境的相對濕度較低，徐變會因此受到很大的影響。當混凝土的內外部濕度達到平衡時，由濕度產生的影響便逐漸消失。

（5）空氣含量

空氣含量的變化也會影響混凝土的徐變，其隨空氣含量的增大而增大。空氣含量百分比為5.4 的混凝土在養護28 天開始持續加載一年時，所產生的徐變比空氣含量百分比為1.7 的混凝土要大大約40%。

結語：本文在國內外專家學者對混凝土收縮徐變效應研究分析的基礎上，闡述了混凝土收縮徐變的基本概念，產生的機理以及所受的影響因素。由上述總結可以得出以下主要結論：1）徐變是一種與時間、所受荷載有關的非彈性變形，即在應力作用下，隨時間的發展混凝土徐變量而增大的現象；收縮是指混凝土內部游離水蒸發，從而導致休積縮小的一種物理化學現象，該變形與荷載無關，僅隨時間而改變。2）混凝土的收縮機理有碳化收縮、自發收縮、干燥收縮三種，其中干燥收縮為收縮應變的主要部分。而在混凝土徐變機理的認識方面，人們還未形成共識。3）影響混凝土收縮徐變效應的因素可分為內外部兩種，內部因素可歸為配合比，外部因素主要為加載齡期與持荷時間。要想準確選取混凝土收縮徐變的計算分析方法與計算模式，務必要在混凝土收縮徐變機理以及所受影響因素方面有較為清晰的認識。