课件：混凝土的变形之体积变化.ppt

4.6 混凝土的变形混凝土体积的变化,混凝土在荷载作用下产生弹性与非弹性变形，在硬化过程和干燥或冷却作用下也要产生变形，当变形受约束时常会引起开裂。 80%以上的开裂都是由于混凝土变形所引起，只有很小一部分是由于承载力不足导致。 裂缝治理专家 王铁孟,混凝土变形的意义,刚硬化的混凝土（无论加载或没有加载）暴露在环境温湿度之中，通常总要产生温度收缩（或“热收缩”与冷却相关的收缩应变）和干燥收缩（与失水相关的收缩应变）。 结构物里的混凝土构件，总要受到一定的约束，如来自地基的摩擦、其它构件、配筋或混凝土体内外变形的差异。 当弹性材料的收缩应变完全受到限制，就产生弹性拉应力。应力大小取决材料的应变和弹性模量E（= E）。,混凝土变形的意义,当变形产生的拉应力，或者由于荷载作用产生的拉应力超过其抵抗断裂的能力时，就会引起开裂，出现宏观可见裂缝。 有时裂缝只在混凝土的表面或浅层，虽有碍结构物外观，对结构受力功能和耐久性则没有很大影响； 而有时表面出现裂缝，是构件内部裂缝已经延伸到表面的结果，是设计、施工和材料几方面有误的综合反映，可能由于混凝土强度不足、匀质性差等，甚至整个结构存在严重的薄弱环节所引起，对结构受力和耐久性都有一定程度的影响。,结构变形的实时监测,混凝土变形的类型,分类： 化学收缩 非荷载作用下的变形 干湿变形 温度变形 荷载作用下的变形 短期荷载作用下的变形 长期荷载作用下的变形徐变,非荷载作用下的变形,包括： 1、化学收缩 2、干湿变形 3、温度变形 4、碳化收缩等,4.6.1、化学收缩,定义在混凝土硬化过程中，由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小，从而引起混凝土的收缩，称为化学收缩。 特点： 化学收缩是不可恢复的。 其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加，一般在混凝土成型后40天左右增长较快，以后逐渐趋于稳定。 化学收缩值很小（小于1），对混凝土结构没有破坏作用，但在混凝土内部可能产生微细裂缝。,化学收缩示意图,4.6.2 温度变形,定义混凝土随着温度的变化产生热胀冷缩的变形。 参数混凝土的温度线膨胀系数为（11.5）10-5/，即温度升高1，每m膨胀0.01mm。 危害温度变形对大体积混凝土及大面积混凝土工程极为不利，易使这些混凝土造成温度裂缝。,热裂缝出现的机理,在混凝土硬化初期，水泥水化放出较多热量，而混凝土又是热的不良导体，散热很慢，因此造成混凝土内外温差很大，有时可达5070， 这将使混凝土产生内胀外缩，结果在外表混凝土中将产生很大的拉应力，严重时使混凝土产生裂缝。,热裂缝的控制,自20世纪初起，为了减小水化放热产生的影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又开发出低热水泥。利用加大粗骨料粒径、非常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注层高和管道冷却等措施，进一步获得了降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。,三峡大坝泄洪段发电段 大体积混凝土,三峡大坝混凝土的“外衣”,大体积混凝土的内部降温管,三峡大坝搅拌站,热收缩与开裂,近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂的现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了。水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。,热收缩与开裂,由于70年代美国混凝土桥面板普遍出现开裂，因此转向使用更高强度的混凝土，但是看来这无济于事。根据国家公路合作研究计划1995年的调查表明：10万多块混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现了间隔1-3米的贯穿性裂缝。 P. K. Mehta.,大体积混凝土的定义,任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。 美国混凝土学会（ACI）,4.6.3. 干湿变形,定义由于混凝土周围环境湿度的变化，会引起混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀。 机理： 混凝土在干燥过程中，由于毛细孔水的蒸发，使毛细孔中形成负压，随者空气湿度的降低负压逐渐增大，产生收缩力，导致混凝土收缩。 同时，凝胶体颗粒的吸附水也发生部分蒸发，凝胶体因失水而产生紧缩。,干湿变形机理示意图,2019/8/6,21,可编辑,干湿变形的特点,可恢复性吸水膨胀； 混凝土的湿胀变形量很小，一般无破坏作用。但干缩收缩（Dry Shrinkage）能使混凝土表面出现拉应力而导致开裂，严重影响混凝土的耐久性。 一般条件下混凝土的极限收缩值为(5090)105mm/mm左右，在工程设计时，混凝土的线收缩采用(1520)10-5mm/mm，即每m收缩0.150.20mm,干燥环境,干缩示意图,泌水速率 蒸发速率,开裂,混凝土表面,干缩示意图,4.6.4 荷载作用下的变形,1、短期荷载作用下的变形弹塑性变形 2、长期荷载作用下的变形徐变,4.6.4.1、在短期荷载作用下的变形弹塑性变形,混凝土的特点： 混凝土是一种由水泥石、砂、石、孔隙等组成的不匀质的三相复合材料。它既不是一个完全弹性体，也不是一个完全塑性体，而是一个弹塑性体。受力时既产生弹性变形，又产生塑性变形，其应力与应变的关系不是直线，而是曲线，如下图,混凝土应力应变图,图3-12 硬化水泥浆体、骨料与混凝土的应力应变关系： （a）三者的应力-应变曲线 （b）混凝土在加/卸载循环时的应力-应变关系,混凝土的弹性模量,定义在应力应变曲线上任一点的应力与其应变的比值，称作混凝土在该应力下的变形模量。 它反应混凝土所受应力与所产生应变之间的关系。在计算钢筋混凝土结构的变形、裂缝开展及大体积混凝土的温度应力时，均需知道该时混凝土的变形模量。,混凝土的弹性模量的测定,根据普通混凝土力学性能试验方法（GBJ85）中规定，采用150mm150mm150mm的棱柱体作为标准试件，取测定点的应力为试件轴心强度的40（即0.4fcp）,经三次以上反复加荷与卸荷后，测得的变形模量值，即为该混凝土的弹性模量。,影响混凝土弹性模量的因素,在匀质材料里，弹性模量和密度直接相关；而多相材料，例如混凝土中，主要组分所占体积及其密度和弹性模量，以及过渡区的特性决定弹性性质; 混凝土的强度混凝土的强度越高，弹性模量越大，当混凝土的强度等级由C10增加到C60时，其弹性模量大致由1.75104MPa增加到3.60 104MPa; 骨料的含量与弹性模量骨料的含量越多，弹性模量越大，混凝土的弹性模量越高; 养护条件等混凝土的水灰比较小，养护较好及龄期较长时，混凝土的弹性模量就较大。,骨料弹性模量影响,岩芯试验表明： 低孔隙率的天然骨料，例如花岗岩、暗色岩以及玄武岩的弹性模量在70140GPa；砂岩、石灰岩和有孔的砾石在2350GPa；轻骨料是多孔的，其弹性模量取决孔隙率，低的可能才有7GPa；高的会到28GPa。通常轻骨料混凝土的弹性模量在1421GPa。为同强度普通混凝土弹性模量的5075%。骨料的其他性质，如最大粒径、粒形、表面构造、级配与矿物组成要影响过渡区的微裂缝，因此影响应力应变曲线的形状。,4.6.4.2、在长期荷载作用下的变形徐变,定义这种在长期荷载作用下，随时间而增长的变形称为徐变。 而应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象则称应力松弛。 两者都是粘弹性材料的典型特征。当一混凝土构件受约束时，其粘弹性表现为应力随时间逐渐减小。因此，在有约束的条件下，收缩应变引起的弹性拉应力和粘弹性引起的应力松弛，是大多数结构变形与开裂的实质。,徐变,徐变示意图,徐变示意图,混凝土徐变原因*,水泥石中的凝胶体在长期荷载作用下的粘性流动，并向毛细孔内迁移的结果。 在混凝土的较早龄期加荷，水泥尚未充分水化，所含凝胶体较多，且水泥石中毛细孔较多，凝胶体易流动，所以徐变发展较快； 在晚龄期，水泥继续硬化，凝胶体含量相对减少，毛细孔亦少，徐变发展愈慢。,影响混凝土徐变的因素*,水灰比混凝土的水灰比较小或在水中养护时，徐变较小； 水泥用量水灰比相同的混凝土，其水泥用量愈多，徐变愈大； 骨料的性质混凝土所用骨料的弹性模量较大时，徐变较小； 荷载所受应力越大，徐变越大。,环境湿度对徐变的影响,混凝土的徐变对结构物的影响,有利面： 徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力重分布，从而使局部应力集中得到缓解； 对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。 不利面： 在预应力钢筋混凝土中，混凝土的徐变将使钢筋的预加应力受到损失。,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）。,徐变引起的桥梁垮塌图,无松弛作用时出现开裂,混凝土的抗拉强度