5硬化混凝土的变形完整版课件

混凝土在硬化过程中，由于受物理化学作用的影响，会产生各种变形，而导致混凝土开裂，从而降低强度和其它性能。4.4硬化混凝土的变形

混凝土在硬化过程中，由于受物理化学作41

硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿度变化)和外加荷载因素，因此有：荷载作用下的变形

弹性变形非弹性变形非荷载作用下的变形

收缩变形膨胀变形复合作用下的变形

徐变

三问：各种变形的特征是什么(What)？这些变形是如何产生的(How)？影响这些变形的因素有那些(Which)？引深思考：如何减小或消除这些变形的负面影响？硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素2一、非荷载作用下的变形干燥收缩自收缩温度变形一、非荷载作用下的变形干燥收缩3(1)湿胀干缩变形湿胀干缩湿度变化所引起的混凝土体积变形。原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的。水泥石和混凝土的收缩行为通常混凝土的干缩率为（1.5～2）×10－4，即每米收缩0.15～0.2mm。水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀；第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分（30～50％）是不可逆的，即再次吸水不能恢复。试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。连续浸泡下的湿胀不可逆收缩可逆收缩应变膨胀收缩第1次干燥时间

水泥石或混凝土在干湿循环下的变形行为(1)湿胀干缩变形湿胀干缩湿度变化所引起的混41）混凝土的干缩机理干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图所示，收缩值随着水的损失变化的斜率不一致。环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：毛细张力毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因大气水蒸气压降低而蒸发时，表面张力增加，产生拉伸应力，使得孔壁受压而收缩；分离压水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁间存在分离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损失时，将降低孔壁的分离压，引起整体收缩；层间可挥发水的迁移

0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水损失对水灰比为0.5的水泥石干缩的影响变形百分率(%)水损失量（质量百分数%)毛细水吸附水分离压1）混凝土的干缩机理干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图52）干燥收缩的危害路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；混凝土的湿胀影响小，但干缩变形特别是在约束下的收缩将导致混凝土开裂，降低混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀等耐久性能。2）干燥收缩的危害路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积63）混凝土干缩的影响因素混凝土组成与配合比骨料：混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，干缩越小；水泥用量：水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大；用水量：水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。水泥种类与细度：细度越细，干缩较大。良好养护可以减小收缩构件几何尺寸和形状表面积与体积比值越大，收缩越大；湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。骨料的体积百分数(%)干缩值比骨料体积含量对混凝土干缩的影响普通混凝土范围水泥石的孔隙率干缩率(%)孔隙率对水泥石干缩的影响不可逆收缩可逆收缩第1次收缩3）混凝土干缩的影响因素混凝土组成与配合比骨料的体积百分数(7(2)

自收缩条件特征：与外界环境无水分交换；产生的原因水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛细管压力，引起收缩——自干燥收缩；水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导致混凝土硬化后收缩——化学收缩；特点1）不能恢复，收缩值较小（如每1m3混凝土中硅酸盐水泥为250kg，则总减缩量达0.02m3），收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。2）对混凝土结构无破坏，但混凝土内部可产生微细裂缝而影响承载状态和耐久性。影响因素水泥品种主要是矿物组成与混合材种类；水灰比随水灰比减小，收缩增大；骨料及其体积分数水泥用量外加剂内部相对湿度(%)龄期(天)水泥石内部相对湿度随龄期的变化水泥品种对自收缩的影响水灰比对自收缩的影响外加剂对自收缩的影响骨料与未水化水泥颗粒的含量(%)收缩值之比骨料和未水化水泥颗粒含量对收缩值的影响(2)自收缩条件特征：与外界环境无水分交换；内部相对湿度(8问题？混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？答：相同点：机理相似，水分损失、毛细张力等；不同点：水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变化引起的，后者是由水泥水化引起的；前者主要发生在表面层，而后者发生在整个体积，尤其在中心部位更大。问题？混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？9(3)温度变形混凝土具有热胀冷缩性质混凝土的热膨胀系数为1～1.5×10－5/C；即温度升降1℃，每米胀缩0.01～0.015mm。混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。危害

温度变形对大体积混凝土、纵长砼结构、大面积砼工程不利。因水泥水化放热，造成内外温差可达50～70℃，内外膨胀不均，导致外部开裂。措施

1）用低热水泥、减少水泥用量；2）掺加缓凝剂；3）采用热膨胀系数低的集料；4）人工降温（预冷原材料、预埋水管等）；5）分块、分层施工；6）设温度伸缩缝。(3)温度变形混凝土具有热胀冷缩性质10二、短期荷载作用下的变形单轴受压时的应力－应变行为混凝土的弹性模量混凝土弹性模量的主要影响因素；弹性模量与抗压强度的关系；二、短期荷载作用下的变形单轴受压时的应力－应变行为11(1)单轴受压时的应力－应变行为在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产生塑性变形。在较低应力(＜极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主；在较高应力(＞fcp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高，塑性变形量越大；混凝土强度越低，塑性变形越大。骨料混凝土水泥石受压时，骨料、水泥石和混凝土的应力－应变曲线混凝土受压的应力－应变全曲线混凝土受压的应力－应变全曲线重复荷载作用下的应力-应变曲线塑弹(1)单轴受压时的应力－应变行为在压应力作用下，骨料是弹性12(2)混凝土的弹性模量弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性模量混凝土的应力－应变行为不完全遵循虎克定律，－曲线是非线性的，所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。为了工程设计，故常对应力~应变曲线的初始阶段作近似直线处理，有三种处理方式：原点切线弹性模量Eo=tan1；割线弹性模量Eh=tan2；切线弹性模量Et=tan3。原点切线123割线切线难以准确测量，应力水平很低，实用意义小。

我国现行标准指定以应力

=1/3fcp时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量Eh——静力弹性模量。只适用于切点处荷载变化很小的范围内，工程意义也不大(2)混凝土的弹性模量弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性13(3)影响混凝土弹性模量的因素混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性行为取决于各个相的弹性行为：未水化的水泥颗粒水化物凝胶水粗骨料细骨料混凝土的弹性模量取决于下列4个要素：水泥石的弹性模量Ep；骨料的弹性模量Ea；骨料的体积含量(或水泥石的体积含量)Vg。界面过渡区特性水泥石骨料基体相分散相(3)影响混凝土弹性模量的因素混凝土是多物相复合材料，因此，14影响混凝土弹性模量的因素水泥石基体相的弹性模量水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制：即孔隙率越大，弹性模量越低；水泥石的孔隙率的影响因素：水灰比水灰比越小，弹性模量越高;水泥水化度(龄期)弹性模量随水化龄期不断增长;空气含量含气量越大，弹性模量越低；矿物掺合料含水状态吸水饱和时的弹性模量大于干燥时的；水灰比水泥石的弹性模量(GPa)龄期(天)水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响影响混凝土弹性模量的因素水泥石基体相的弹性模量水灰比水15影响混凝土弹性模量的因素骨料相的弹性模量骨料的孔隙率骨料越密实，弹性模量越高；粗骨料的体积含量弹性模量高的粗骨料越多，一般来说，混凝土的弹性模量越高；界面过渡区特征空隙,微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力－应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。弹性模量(GPa)玄武岩辉绿岩辉长岩白粒岩石灰石石英岩蛇纹石冻石混凝土试件、水泥浆体和骨料的弹性模量混凝土水泥石基体骨料混凝土过渡区结构骨料C-S-H钙矾石CH影响混凝土弹性模量的因素骨料相的弹性模量弹性模量(GPa)玄16(4)

混凝土弹性模量与抗压强度的关系混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混凝土弹性模量应由试验测定；一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大：二者之间存在经验公式：

Ec

＝3.32(f’cyl)0.5+6.9(ACI2000b)

式中：Ec——混凝土弹性模量；

f’cyl——标准棱柱体试件28天抗压强度该公式适用于抗压强度在21～83MPa的混凝土(4)混凝土弹性模量与抗压强度的关系混凝土的弹性模量与强度17三、长期荷载下的变形——徐变（1）徐变

在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随时间而增加的变形称为徐变。徐变在加荷早期增长较快，一般延续2～3年逐渐变慢并稳定下来。混凝土的徐变变形为瞬时变形的2～3倍，一般可达(3～15)×10-4，即0.3～1.5mm/m。三、长期荷载下的变形——徐变（1）徐变18（2）徐变曲线特征加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。卸荷后，一部分变形可恢复，称为弹性恢复；其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复；最后残留下来的变形成为不可逆徐变。徐变恢复加荷后的时间(天)弹性恢复不可恢复弹性变形徐变变形卸荷（2）徐变曲线特征加上恒定荷载时，混凝土立即徐变恢复加荷后的19（3）徐变产生的机理水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和剪切滑移；在荷载作用下，凝胶体内的吸附水被挤出；骨料的延后弹性变形；过渡区裂缝的扩展或产生。

加荷后，水泥石首先变形，骨料上的应力增大，骨料产生弹性变形——延后弹性变形（3）徐变产生的机理水泥石中的水化物凝胶颗粒之间的粘性流动和20吸附水吸附水排出徐变徐变机理吸附水吸附水排出徐变徐变机理21

不利：徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达30～50%；混凝土构件会产生随时间变化的挠度或变形。有利徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；降低结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中的应力峰值。（4）徐变的影响

西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁(主跨为241m)，由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌(1996年)。不利：（4）徐变的影响西太平洋Caroline群22（5）影响徐变的因素

湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小；环境湿度：湿度降低，徐变增大；温度：温度升高，徐变增大，70C以上，使徐变降低；骨料用量：体积含量增加，徐变减小；骨料的特性：弹性模量越大，徐变越小；水灰比与龄期：水灰比增大，徐变增大；水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐变减小荷载应力水平：荷载越大，徐变会越大。骨料的体积含量(%)骨料的体积含量对混凝土徐变的影响温度对混凝土徐变的影响荷载作用时间(天)加荷的应力水平对混凝土徐变的影响加荷时间(天)环境湿度对混凝土徐变的影响骨料的弹性模量对混凝土徐变的影响加荷时间(对数)（5）影响徐变的因素湿含量：混凝土中的湿含量降低，徐变减小23总结骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体，在受压应力作用，既产生弹性变形，又产生塑性变形；混凝土的弹性模量不是一个常数，工程应用中，一般用割线弹性模量作为设计依据，其大小取决于水泥石和骨料的弹性模量及其相对含量，以及界面状况；在干燥状态下，混凝土内部水的损失，而引起干缩变形，它与混凝土的组成、构件几何尺寸与形状、环境条件等有关；在与外界隔绝的条件下，由于水泥水化会引起混凝土内部自干燥，而产生整体的自干缩变形；在荷载长期作用下，混凝土会发生随时间增加的变形——徐变，干燥会使徐变增大；在约束条件下，混凝土发生的各种变形，可引起开裂。总结骨料和水泥石是弹性体，而混凝土是弹塑性体或粘弹性体，在受24

混凝土在硬化过程中，由于受物理化学作用的影响，会产生各种变形，而导致混凝土开裂，从而降低强度和其它性能。4.4硬化混凝土的变形

混凝土在硬化过程中，由于受物理化学作425

硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素(温、湿度变化)和外加荷载因素，因此有：荷载作用下的变形

弹性变形非弹性变形非荷载作用下的变形

收缩变形膨胀变形复合作用下的变形

徐变

三问：各种变形的特征是什么(What)？这些变形是如何产生的(How)？影响这些变形的因素有那些(Which)？引深思考：如何减小或消除这些变形的负面影响？硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素26一、非荷载作用下的变形干燥收缩自收缩温度变形一、非荷载作用下的变形干燥收缩27(1)湿胀干缩变形湿胀干缩湿度变化所引起的混凝土体积变形。原因是水泥石中的凝胶水和毛细孔水的变化引起的。水泥石和混凝土的收缩行为通常混凝土的干缩率为（1.5～2）×10－4，即每米收缩0.15～0.2mm。水泥石在水中连续浸泡，产生相当小的连续膨胀；第1次干燥时，收缩最大，其收缩值有部分（30～50％）是不可逆的，即再次吸水不能恢复。试验证明：相对湿度为70%的空气中的收缩值为水中膨胀值的6倍，相对湿度为50%，为8倍。连续浸泡下的湿胀不可逆收缩可逆收缩应变膨胀收缩第1次干燥时间

水泥石或混凝土在干湿循环下的变形行为(1)湿胀干缩变形湿胀干缩湿度变化所引起的混281）混凝土的干缩机理干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图所示，收缩值随着水的损失变化的斜率不一致。环境湿度不同，有以下几种不同的干缩机理：毛细张力毛细孔和较大的凝胶孔中的自由水因大气水蒸气压降低而蒸发时，表面张力增加，产生拉伸应力，使得孔壁受压而收缩；分离压水泥石中的凝胶孔中的吸附水使得孔壁间存在分离压力(湿胀的原因),因干燥而吸附水损失时，将降低孔壁的分离压，引起整体收缩；层间可挥发水的迁移

0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水损失对水灰比为0.5的水泥石干缩的影响变形百分率(%)水损失量（质量百分数%)毛细水吸附水分离压1）混凝土的干缩机理干缩来自材料内部水的损失，二者的关系如图292）干燥收缩的危害路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；混凝土的湿胀影响小，但干缩变形特别是在约束下的收缩将导致混凝土开裂，降低混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀等耐久性能。2）干燥收缩的危害路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积303）混凝土干缩的影响因素混凝土组成与配合比骨料：混凝土的干缩小于水泥石，因此，骨料体积含量越大，干缩越小；水泥用量：水灰比一定时，水泥用量越多，干缩越大；用水量：水泥用量一定时，用水量越多，干缩越大。水泥种类与细度：细度越细，干缩较大。良好养护可以减小收缩构件几何尺寸和形状表面积与体积比值越大，收缩越大；湿度扩散的路径越长，收缩速率越低。骨料的体积百分数(%)干缩值比骨料体积含量对混凝土干缩的影响普通混凝土范围水泥石的孔隙率干缩率(%)孔隙率对水泥石干缩的影响不可逆收缩可逆收缩第1次收缩3）混凝土干缩的影响因素混凝土组成与配合比骨料的体积百分数(31(2)

自收缩条件特征：与外界环境无水分交换；产生的原因水泥水化吸收毛细管中的水分，使毛细管失水，产生毛细管压力，引起收缩——自干燥收缩；水泥水化物的体积小于反应前各物质的体积和，因而导致混凝土硬化后收缩——化学收缩；特点1）不能恢复，收缩值较小（如每1m3混凝土中硅酸盐水泥为250kg，则总减缩量达0.02m3），收缩值随龄期而增加，早期较快，后期缓慢。2）对混凝土结构无破坏，但混凝土内部可产生微细裂缝而影响承载状态和耐久性。影响因素水泥品种主要是矿物组成与混合材种类；水灰比随水灰比减小，收缩增大；骨料及其体积分数水泥用量外加剂内部相对湿度(%)龄期(天)水泥石内部相对湿度随龄期的变化水泥品种对自收缩的影响水灰比对自收缩的影响外加剂对自收缩的影响骨料与未水化水泥颗粒的含量(%)收缩值之比骨料和未水化水泥颗粒含量对收缩值的影响(2)自收缩条件特征：与外界环境无水分交换；内部相对湿度(32问题？混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？答：相同点：机理相似，水分损失、毛细张力等；不同点：水分损失的原因不同，前者是因环境湿度变化引起的，后者是由水泥水化引起的；前者主要发生在表面层，而后者发生在整个体积，尤其在中心部位更大。问题？混凝土的干燥收缩与自干燥收缩有何异同？33(3)温度变形混凝土具有热胀冷缩性质混凝土的热膨胀系数为1～1.5×10－5/C；即温度升降1℃，每米胀缩0.01～0.015mm。混凝土的热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数。危害

温度变形对大体积混凝土、纵长砼结构、大面积砼工程不利。因水泥水化放热，造成内外温差可达50～70℃，内外膨胀不均，导致外部开裂。措施

1）用低热水泥、减少水泥用量；2）掺加缓凝剂；3）采用热膨胀系数低的集料；4）人工降温（预冷原材料、预埋水管等）；5）分块、分层施工；6）设温度伸缩缝。(3)温度变形混凝土具有热胀冷缩性质34二、短期荷载作用下的变形单轴受压时的应力－应变行为混凝土的弹性模量混凝土弹性模量的主要影响因素；弹性模量与抗压强度的关系；二、短期荷载作用下的变形单轴受压时的应力－应变行为35(1)单轴受压时的应力－应变行为在压应力作用下，骨料是弹性体，水泥石也是弹性体，但由骨料与水泥石组成的混凝土是一种弹塑性体。特点：混凝土在压应力作用下，既产生弹性变形，也产生塑性变形。在较低应力(＜极限应力fcp的30%)下，以弹性变形为主；在较高应力(＞fcp的30%)下，产生弹塑性变形，应力水平越高，塑性变形量越大；混凝土强度越低，塑性变形越大。骨料混凝土水泥石受压时，骨料、水泥石和混凝土的应力－应变曲线混凝土受压的应力－应变全曲线混凝土受压的应力－应变全曲线重复荷载作用下的应力-应变曲线塑弹(1)单轴受压时的应力－应变行为在压应力作用下，骨料是弹性36(2)混凝土的弹性模量弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性模量混凝土的应力－应变行为不完全遵循虎克定律，－曲线是非线性的，所以，混凝土的弹性模量不是一个恒定值。为了工程设计，故常对应力~应变曲线的初始阶段作近似直线处理，有三种处理方式：原点切线弹性模量Eo=tan1；割线弹性模量Eh=tan2；切线弹性模量Et=tan3。原点切线123割线切线难以准确测量，应力水平很低，实用意义小。

我国现行标准指定以应力

=1/3fcp时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量Eh——静力弹性模量。只适用于切点处荷载变化很小的范围内，工程意义也不大(2)混凝土的弹性模量弹性模量E：静力弹性模量与动荷载弹性37(3)影响混凝土弹性模量的因素混凝土是多物相复合材料，因此，其弹性行为取决于各个相的弹性行为：未水化的水泥颗粒水化物凝胶水粗骨料细骨料混凝土的弹性模量取决于下列4个要素：水泥石的弹性模量Ep；骨料的弹性模量Ea；骨料的体积含量(或水泥石的体积含量)Vg。界面过渡区特性水泥石骨料基体相分散相(3)影响混凝土弹性模量的因素混凝土是多物相复合材料，因此，38影响混凝土弹性模量的因素水泥石基体相的弹性模量水泥石基体相的弹性模量受其孔隙率控制：即孔隙率越大，弹性模量越低；水泥石的孔隙率的影响因素：水灰比水灰比越小，弹性模量越高;水泥水化度(龄期)弹性模量随水化龄期不断增长;空气含量含气量越大，弹性模量越低；矿物掺合料含水状态吸水饱和时的弹性模量大于干燥时的；水灰比水泥石的弹性模量(GPa)龄期(天)水灰比和水化龄期对水泥石弹性模量的影响影响混凝土弹性模量的因素水泥石基体相的弹性模量水灰比水39影响混凝土弹性模量的因素骨料相的弹性模量骨料的孔隙率骨料越密实，弹性模量越高；粗骨料的体积含量弹性模量高的粗骨料越多，一般来说，混凝土的弹性模量越高；界面过渡区特征空隙,微裂缝和CH晶体的取向等因素决定混凝土应力－应变关系，因而影响到混凝土的弹性模量。弹性模量(GPa)玄武岩辉绿岩辉长岩白粒岩石灰石石英岩蛇纹石冻石混凝土试件、水泥浆体和骨料的弹性模量混凝土水泥石基体骨料混凝土过渡区结构骨料C-S-H钙矾石CH影响混凝土弹性模量的因素骨料相的弹性模量弹性模量(GPa)玄40(4)

混凝土弹性模量与抗压强度的关系混凝土的弹性模量与强度间没有简单关系，所以混凝土弹性模量应由试验测定；一般来说，混凝土抗压强度越高，弹性模量越大：二者之间存在经验公式：

Ec

＝3.32(f’cyl)0.5+6.9(ACI2000b)

式中：Ec——混凝土弹性模量；

f’cyl——标准棱柱体试件28天抗压强度该公式适用于抗压强度在21～83MPa的混凝土(4)混凝土弹性模量与抗压强度的关系混凝土的弹性模量与强度41三、长期荷载下的变形——徐变（1）徐变

在持续（恒定）荷载作用下，混凝土产生随时间而增加的变形称为徐变。徐变在加荷早期增长较快，一般延续2～3年逐渐变慢并稳定下来。混凝土的徐变变形为瞬时变形的2～3倍，一般可达(3～15)×10-4，即0.3～1.5mm/m。三、长期荷载下的变形——徐变（1）徐变42（2）徐变曲线特征加上恒定荷载时，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随后，徐变随时间增加较快，然后逐渐减慢。卸荷后，一部分变形可恢复，称为弹性恢复；其后将有一个随时间而减小的应变恢复称为徐变恢复；最后残留下来的变形成为不可逆徐变。徐变恢复加荷后的时间(天)弹性恢复不可恢复弹性变形徐