混凝土的潜变与收缩

✍ dations ◷ 2025-09-14 14:20:04 #混凝土的潜变与收缩

混凝土的潜变与收缩是混凝土的两种物理性质,是应用混凝土时需要考量的变因。混凝土如果长时间受应力,便会缓慢变形,移除持续施予的力之后,变形只有部分会恢复,可以恢复的变形称为弹性变形,不能恢复、永久的变形称为潜变。而在没有受力的情况下,混凝土水含量变多或变少也会使混凝土的体积变化,称为膨胀与收缩。

混凝土的潜变为其中水泥的硅酸钙水合物(C-S-H)在持续受应力下缓慢流动引起。

水泥浆浆体由固体的水泥凝胶(cement gel)组成,水泥凝胶又由硅酸钙水合物形成的薄片以及薄片之间大量的空隙(大约占凝胶40%至55%的体积)组成。这些空隙中含有会蒸发的层间水,水会对孔壁施加分离压力(disjoining pressure),并削弱薄片与薄片之间的结合力。混凝土受力造成薄片之间滑动可能就是潜变的原因。

同样的应力下,潜变(永久变形)通常是弹力变形(去除载荷后可恢复的变形)的三倍。

混凝土中的水泥硬化过程会产生收缩。水泥中的硅酸钙水合物薄片间的水分减少之后,薄片与薄片之间的间隔因为缺乏水分的流体静拉力(hydrostatic tension)支撑而缩小,导致混凝土体积变小。混凝土的收缩依水分减少的方式或发生收缩的部位不同可以分为:

并非因为水分变化造成体积变小的收缩:

如果在混凝土中混入足够多的骨料的话,可以抑制水泥凝胶的潜变和收缩,因为骨料的蠕变较不明显。孔隙水含量小或孔隙湿度低时的潜变较小,而完全干燥的混凝土不会潜变。

混凝土加载(受应力)时,材料年龄越大,潜变越小,这是因为混凝土会随着时间越来越干燥的关系。大部分的应变都发生在受力前期,大约有四分之一到三分之一的潜变发生在第一个月,并且大约一半到四分之三的总潜变会发生在持续载荷的前半年。

理论上温度越高,潜变的程度也要越大,但实务上升温增加的潜变会与混凝土失去水分减少的潜变互相抵消。升温会加速层间水与其他物质发生水化,使混凝土孔隙中的水分减少。没有水分施加的分离压力,硅酸钙薄片与薄片之间就难以滑动,使增加的潜变抵消。

另外,干燥过程的水分变化越剧烈,从湿润到完全干燥中间的潜变总量也会越多。较大试体干燥较缓慢,因水分含量变化引起的潜变较小,所以潜变总量会较少,收缩总量也较少。

混凝土的本构方程中可以出现的变量有温度、材料年龄、水化程度、孔隙湿度(与环境湿度有关)和孔隙水含量。这些变量被称为状态变量(state variables),是可以用来描述材料中任何一点的点属性的变量。试体尺寸虽然也会影响潜变,但不列在本构方程中。环境湿度是影响孔隙湿度的条件之一,因为本构方程中已经包含孔隙湿度了,所以环境湿度就不会出现在本构方程中。

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