硬化混凝土的變形（課堂PPT）

1、1 混凝土在硬化過程中，由于受物理化學(xué)作用的影響，會(huì)產(chǎn)生各種變形，而導(dǎo)致混凝土開裂，從而降低強(qiáng)度和其它性能。4.4 硬化混凝土的變形 硬化混凝土的變形來(lái)自兩方面：環(huán)境因素(溫、濕度變化)和外加荷載因素，因此有：v荷載作用下的變形 彈性變形非彈性變形 v非荷載作用下的變形 收縮變形膨脹變形v復(fù)合作用下的變形 徐變 三問：l 各種變形的特征是什么(What)？l 這些變形是如何產(chǎn)生的(How)？l 影響這些變形的因素有那些(Which)？引深思考：如何減小或消除這些變形的負(fù)面影響？3一、一、非荷載作用下的變形v干燥收縮v自收縮v溫度變形4(1) 濕脹干縮變形v濕脹干縮 濕度變化所引起的混凝土體積變

2、形。v原因 是水泥石中的凝膠水和毛細(xì)孔水的變化引起的。v水泥石和混凝土的收縮行為 通?；炷恋母煽s率為（1.52）104，即每米收縮0.150.2mm。水泥石在水中連續(xù)浸泡，產(chǎn)生相當(dāng)小的連續(xù)膨脹；第1次干燥時(shí)，收縮最大，其收縮值有部分（3050）是不可逆的，即再次吸水不能恢復(fù)。試驗(yàn)證明：相對(duì)濕度為70%的空氣中的收縮值為水中膨脹值的6倍，相對(duì)濕度為50%，為8倍。連續(xù)浸泡連續(xù)浸泡下的濕脹下的濕脹不可逆收縮可逆收縮應(yīng)變膨脹收縮第1次干燥時(shí)間 水泥石或混凝土在干濕循環(huán)下的變形行為51）混凝土的干縮機(jī)理v干縮來(lái)自材料內(nèi)部水的損失，二者的關(guān)系如圖所示，收縮值隨著水的損失變化的斜率不一致。v環(huán)境濕度不同

3、，有以下幾種不同的干縮機(jī)理：毛細(xì)張力 毛細(xì)孔和較大的凝膠孔中的自由水因大氣水蒸氣壓降低而蒸發(fā)時(shí)，表面張力增加，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使得孔壁受壓而收縮；分離壓 水泥石中的凝膠孔中的吸附水使得孔壁間存在分離壓力(濕脹的原因),因干燥而吸附水損失時(shí)，將降低孔壁的分離壓，引起整體收縮；層間可揮發(fā)水的遷移 0510152025-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0水損失對(duì)水灰比為0.5的水泥石干縮的影響變形百分率(%)水損失量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%)毛細(xì)水吸附水分離壓62）干燥收縮的危害u 路面板、橋面板、機(jī)場(chǎng)道面、停車場(chǎng)等暴露面積大且厚度較小的結(jié)構(gòu)物干縮最為顯著；u 混凝土的濕脹影響小，但干

4、縮變形特別是在約束下的收縮將導(dǎo)致混凝土開裂，降低混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕等耐久性能。73）混凝土干縮的影響因素v混凝土組成與配合比骨料：混凝土的干縮小于水泥石，因此，骨料體積含量越大，干縮越小；水泥用量：水灰比一定時(shí)，水泥用量越多，干縮越大；用水量：水泥用量一定時(shí)，用水量越多，干縮越大。水泥種類與細(xì)度：細(xì)度越細(xì)，干縮較大。 v良好養(yǎng)護(hù)可以減小收縮v構(gòu)件幾何尺寸和形狀表面積與體積比值越大，收縮越大；濕度擴(kuò)散的路徑越長(zhǎng)，收縮速率越低。骨料的體積百分?jǐn)?shù)(%)干縮值比骨料體積含量對(duì)混凝土干縮的影響普通混凝土范圍水泥石的孔隙率干縮率(%)孔隙率對(duì)水泥石干縮的影響不可逆收縮可逆收縮第1次收縮8(2)(2

5、) 自收縮v條件特征：與外界環(huán)境無(wú)水分交換；v產(chǎn)生的原因水泥水化吸收毛細(xì)管中的水分，使毛細(xì)管失水，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，引起收縮自干燥收縮；水泥水化物的體積小于反應(yīng)前各物質(zhì)的體積和，因而導(dǎo)致混凝土硬化后收縮化學(xué)收縮；v特點(diǎn)1）不能恢復(fù) ，收縮值較?。ㄈ缑?m3混凝土中硅酸鹽水泥為250kg，則總減縮量達(dá)0.02m3），收縮值隨齡期而增加，早期較快，后期緩慢。2）對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)破壞，但混凝土內(nèi)部可產(chǎn)生微細(xì)裂縫而影響承載狀態(tài)和耐久性。v影響因素水泥品種 主要是礦物組成與混合材種類；水灰比 隨水灰比減小，收縮增大 ；骨料及其體積分?jǐn)?shù)水泥用量外加劑內(nèi)部相對(duì)濕度(%)齡期(天)水泥石內(nèi)部相對(duì)濕度隨齡期的變化0

6、100200300400500600700800900100000.51.534.56時(shí)間（天）自收縮（微應(yīng)變）普通硅酸鹽中熱水泥快硬鐵鋁酸鹽硫鋁酸鹽水泥品種對(duì)自收縮的影響水灰比對(duì)自收縮的影響0200400600800100000.51.534.56時(shí)間（天）自收縮（微應(yīng)變）W/C=0.45W/C=0.35W/C=0.30W/C=0.250200400600800100000.51.534.56時(shí)間（天）自收縮（微應(yīng)變）(W/C)e=0(W/C)e=0.045(W/C)e=0.07外加劑對(duì)自收縮的影響骨料與未水化水泥顆粒的含量(%)收縮值之比骨料和未水化水泥顆粒含量對(duì)收縮值的影響9問題？v混凝

7、土的干燥收縮與自干燥收縮有何異同？答：相同點(diǎn)：機(jī)理相似，水分損失、毛細(xì)張力等；不同點(diǎn)：u 水分損失的原因不同，前者是因環(huán)境濕度變化引起的，后者是由水泥水化引起的；u 前者主要發(fā)生在表面層，而后者發(fā)生在整個(gè)體積，尤其在中心部位更大。10(3) 溫度變形v混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)混凝土的熱膨脹系數(shù)為11.5 105/C；即溫度升降1，每米脹縮0.010.015mm。混凝土的熱膨脹系數(shù)取決于骨料的熱膨脹系數(shù)。v危害 溫度變形對(duì)大體積混凝土、縱長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)、大面積砼工程不利。因水泥水化放熱，造成內(nèi)外溫差可達(dá)5070，內(nèi)外膨脹不均，導(dǎo)致外部開裂。v措施措施 1）用低熱水泥、減少水泥用量；2）摻加緩凝劑；3）采

8、用熱膨脹系數(shù)低的集料；4）人工降溫（預(yù)冷原材料、預(yù)埋水管等）；5）分塊、分層施工；6）設(shè)溫度伸縮縫。11二、短期荷載作用下的變形v單軸受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變行為v混凝土的彈性模量v混凝土彈性模量的主要影響因素；v彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系；12(1) 單軸受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變行為v在壓應(yīng)力作用下，骨料是彈性體，水泥石也是彈性體，但由骨料與水泥石組成的混凝土是一種彈塑性體。v特點(diǎn)：混凝土在壓應(yīng)力作用下，既產(chǎn)生彈性變形，也產(chǎn)生塑性變形。在較低應(yīng)力(極限應(yīng)力fcp的30%)下，以彈性變形為主；在較高應(yīng)力( fcp的30%)下，產(chǎn)生彈塑性變形，應(yīng)力水平越高，塑性變形量越大；混凝土強(qiáng)度越低，塑性變形越大。骨 料混凝

9、土水泥石受壓時(shí)，骨料、水泥石和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€混凝土受壓的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑彈13(2) 混凝土的彈性模量v彈性模量E：靜力彈性模量與動(dòng)荷載彈性模量v混凝土的應(yīng)力應(yīng)變行為不完全遵循虎克定律， 曲線是非線性的，所以，混凝土的彈性模量不是一個(gè)恒定值。v為了工程設(shè)計(jì)，故常對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始階段作近似直線處理，有三種處理方式：原點(diǎn)切線彈性模量 Eo = tan 1； 割線彈性模量 Eh = tan 2； 切線彈性模量 Et = tan 3。原點(diǎn)切線 1 2 3割線切線難以準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)力水平很低，實(shí)用意義小。 我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)指定以應(yīng)力 =1/3

10、fcp時(shí)的加荷割線彈性模量定義為混凝土的彈性模量Eh靜力彈性模量。只適用于切點(diǎn)處荷載變化很小的范圍內(nèi)，工程意義也不大14(3)影響混凝土彈性模量的因素v混凝土是多物相復(fù)合材料，因此，其彈性行為取決于各個(gè)相的彈性行為：未水化的水泥顆粒水化物凝膠水粗骨料細(xì)骨料v混凝土的彈性模量取決于下列4個(gè)要素：水泥石的彈性模量Ep；骨料的彈性模量Ea；骨料的體積含量(或水泥石的體積含量)Vg。界面過渡區(qū)特性水泥石骨 料基體相分散相15影響混凝土彈性模量的因素 v水泥石基體相的彈性模量水泥石基體相的彈性模量受其孔隙率控制： 即孔隙率越大，彈性模量越低；v水泥石的孔隙率的影響因素：水灰比 水灰比越小，彈性模量越高;

11、水泥水化度(齡期) 彈性模量隨水化齡期不斷增長(zhǎng);空氣含量 含氣量越大，彈性模量越低；礦物摻合料 含水狀態(tài) 吸水飽和時(shí)的彈性模量大于干燥時(shí)的；水 灰 比水泥石的彈性模量(GPa)齡期(天)水灰比和水化齡期對(duì)水泥石彈性模量的影響水灰比和水化齡期對(duì)水泥石彈性模量的影響16影響混凝土彈性模量的因素v骨料相的彈性模量骨料的孔隙率 骨料越密實(shí)，彈性模量越高；粗骨料的體積含量 彈性模量高的粗骨料越多，一般來(lái)說(shuō)，混凝土的彈性模量越高；v界面過渡區(qū)特征空隙, 微裂縫和CH晶體的取向等因素決定混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因而影響到混凝土的彈性模量。彈性模量彈性模量(GPa)玄武巖玄武巖輝綠巖輝綠巖輝長(zhǎng)巖輝長(zhǎng)巖白粒巖白粒巖

12、石灰石石灰石石英巖石英巖蛇紋石蛇紋石凍石凍石混凝土試件、水泥漿體和骨料的彈性模量混凝土混凝土水泥石基體水泥石基體骨料骨料混凝土過渡區(qū)結(jié)構(gòu)骨 料C-S-H鈣礬石CH17(4) 混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系v混凝土的彈性模量與強(qiáng)度間沒有簡(jiǎn)單關(guān)系，所以混凝土彈性模量應(yīng)由試驗(yàn)測(cè)定；v一般來(lái)說(shuō)，混凝土抗壓強(qiáng)度越高，彈性模量越大：二者之間存在經(jīng)驗(yàn)公式： Ec 3.32( fcyl)0.5 + 6.9 (ACI 2000b) 式中： Ec 混凝土彈性模量； fcyl 標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件28天抗壓強(qiáng)度 該公式適用于抗壓強(qiáng)度在2183 MPa的混凝土三、長(zhǎng)期荷載下的變形徐變（1）徐變 在持續(xù)（恒定）荷載作用下，混

13、凝土產(chǎn)生隨時(shí)間而增加的變形稱為徐變。v徐變?cè)诩雍稍缙谠鲩L(zhǎng)較快，一般延續(xù)23年逐漸變慢并穩(wěn)定下來(lái)。v混凝土的徐變變形為瞬時(shí)變形的23倍，一般可達(dá)(315)10-4， 即0.31.5mm/m。（2）徐變曲線特征v加上恒定荷載時(shí)，混凝土立即產(chǎn)生瞬時(shí)彈性變形，隨后，徐變隨時(shí)間增加較快，然后逐漸減慢。v卸荷后，一部分變形可恢復(fù)，稱為彈性恢復(fù)；其后將有一個(gè)隨時(shí)間而減小的 應(yīng)變恢復(fù)稱為徐變恢復(fù)；最后殘留下來(lái)的變形成為不可逆徐變。加荷后的時(shí)間加荷后的時(shí)間( (天天) )彈性恢復(fù)彈性變形徐變變形卸荷20（3）徐變產(chǎn)生的機(jī)理v水泥石中的水化物凝膠顆粒之間的粘性流動(dòng)和剪切滑移；v在荷載作用下，凝膠體內(nèi)的吸附水被擠出

14、；v骨料的延后彈性變形 ；v過渡區(qū)裂縫的擴(kuò)展或產(chǎn)生。 加荷后，水泥石首先變形，骨料上的應(yīng)力增大，骨料產(chǎn)生彈性變形延后彈性變形吸附水吸附水吸附水排出吸附水排出徐變徐變徐變機(jī)理 不利： 徐變會(huì)引起混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)幾十年來(lái)生產(chǎn)的構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失達(dá)3050%； 混凝土構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的撓度或變形。 有利 徐變會(huì)使溫度或其他收縮變形受約束時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力減小； 降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值。（4）徐變的影響 西太平洋Caroline群島上的一座橋梁(主跨為241m)，由于徐變使跨中向下?lián)锨愉伒臉蛎姘暹M(jìn)一步加劇徐變，使該橋在建成不到20年后坍塌

15、(1996年)。（5）影響徐變的因素 v濕含量：混凝土中的濕含量降低，徐變減??；v環(huán)境濕度：濕度降低，徐變?cè)龃?；v溫度：溫度升高，徐變?cè)龃螅?0C以上，使徐變降低；v骨料用量：體積含量增加，徐變減小；v骨料的特性：彈性模量越大，徐變?cè)叫?；v水灰比與齡期：水灰比增大，徐變?cè)龃?；v水泥用量：水灰比一定，水泥用量增加，徐變減小v荷載應(yīng)力水平：荷載越大，徐變會(huì)越大 。骨料的體積含量骨料的體積含量(%)骨料的體積含量對(duì)混凝土徐變 的影響溫度對(duì)混凝土徐變的影響荷載作用時(shí)間荷載作用時(shí)間(天天)加荷的應(yīng)力水平對(duì)混凝土徐變的影響加荷時(shí)間加荷時(shí)間( (天天) )環(huán)境濕度對(duì)混凝土徐變的影響骨料的彈性模量對(duì)混凝土徐變的影響加荷時(shí)間加荷時(shí)間(對(duì)數(shù)對(duì)數(shù))24總結(jié)v骨料和水泥石是彈性體，而混凝土是彈塑性體或粘彈性體，在受壓應(yīng)力作用，既產(chǎn)