混凝土收縮徐變影響因素及對結(jié)構(gòu)影響分析

文 / 上饒市鉛山公路事業(yè)發(fā)展中心 胡欽

引言

一直以來，國內(nèi)外許多專家、學(xué)者針對混凝土進(jìn)行收縮徐變等問題開展了長期的科學(xué)研究和實(shí)踐工作，并已經(jīng)取得了一批重要的研究成果。但是如何有效地預(yù)計(jì)和監(jiān)督控制混凝土的收縮和徐變及其對于結(jié)構(gòu)材料各種機(jī)械性能的影響還是一個(gè)極其復(fù)雜且難以解決的問題，國內(nèi)外也不乏由于混凝土的收縮和徐變而嚴(yán)重影響到整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命、甚至可能會(huì)導(dǎo)致工程安全事故的例子。

盡管對混凝土的收縮和徐變已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的實(shí)踐和研究，認(rèn)識(shí)在不斷提高，收縮和徐變對結(jié)構(gòu)的影響分析、計(jì)算理論和方法在不斷發(fā)展，但是預(yù)計(jì)和控制混凝土的收縮和徐變及其對結(jié)構(gòu)物性能的影響仍然是十分復(fù)雜而又難以獲得精確答案的問題。國內(nèi)外不乏橋梁工程因?yàn)榛炷恋男熳円鹆后w撓度過大而出現(xiàn)質(zhì)量問題、甚至坍塌的實(shí)例。

混凝土收縮徐變基本理論

混凝土的收縮機(jī)理有自收縮、干燥收縮、化學(xué)減縮、塑性收縮、碳化收縮、溫度收縮等。

導(dǎo)致混凝土徐變的原因較為復(fù)雜，主要可認(rèn)為與水泥膠漿體、水泥膠凝體對混凝土微觀組成的影響，以及由于局部發(fā)生微裂、結(jié)晶破壞以及重新結(jié)晶與新的聯(lián)結(jié)而產(chǎn)生的永久變形等有關(guān)?；炷列熳儠?huì)增加結(jié)構(gòu)變形并導(dǎo)致附加應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的受力影響較為明顯，因此應(yīng)予以充分重視。

混凝土的徐變性就是指混凝土中的保持在一定范圍內(nèi)，并且隨著時(shí)間的推移而保持恒定。國內(nèi)外針對混凝土徐變的分析仍然存在著各種差異性的理論，所要考慮到的具體影響因素也與之大不相同，并且都采用了不同的計(jì)算方法。對于鋼筋混凝土徐變程度的大小，通常可以采用先進(jìn)的徐變系數(shù)方法來加以描述。

混凝土收縮徐變的影響因素

現(xiàn)有文獻(xiàn)表明收縮變形較大的混凝土構(gòu)件通常徐變也較大。因此，一般認(rèn)為混凝土的一些基本因素共同影響了混凝土收縮和徐變。同時(shí)收縮和徐變又具有各自的特性，影響混凝土構(gòu)件的收縮和徐變的因素不完全相同。

影響鋼筋混凝土的收縮徐變性能的因素非常多，在鋼筋混凝土材料制品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造和安裝使用的整個(gè)工藝流程中所受到的各種影響因素也都會(huì)直接對其產(chǎn)生一定的影響。

影響混凝土收縮的主要因素是由于結(jié)構(gòu)本身所處環(huán)境的相對濕度，混凝土的組成以及構(gòu)件的理論厚度。而影響徐變的因子又可以劃分為內(nèi)部因子與外部因子兩類。內(nèi)部影響因素主要是指:水泥的品種、骨料、水灰比、水泥材質(zhì)用量、水灰漿利用率、外加劑等；外部條件因素主要是指：加荷年限、環(huán)境溫度和空氣濕度、持荷時(shí)間、加荷應(yīng)力、試件大小、碳化等。

水泥品種對混凝土收縮徐變的影響

一般來說，水泥的組成材料及其品種或化學(xué)成分組成中的物質(zhì)對于鋼筋混凝土的收縮沒有太多的直接影響，但是經(jīng)過膨脹后的鋼筋水泥卻可以很好地有效減少混凝上的過度收縮。再次，水泥的主要結(jié)構(gòu)組成成份對于鋼筋混凝土干燥自生膨脹收縮的直接影響就遠(yuǎn)遠(yuǎn)地要大于對干燥自生收縮的直接影響。

水泥的不同品種對于控制混凝土徐變的重要性，在于它們對各種混凝土基體進(jìn)行壓力加載后的過程對其中的壓力強(qiáng)度改變有著不同的程度影響。而且當(dāng)不同加載時(shí)的工作時(shí)間年限、應(yīng)力以及其它加載條件不同時(shí)，導(dǎo)致改性混凝土中的改性水泥漿也會(huì)直接造成徐變。

骨料對混凝土收縮徐變的影響

骨料的等級品質(zhì)對再生混凝土的收縮徐變性能起到了決定性的作用，不同等級的骨料所構(gòu)成的再生混凝土在收縮與徐變的性能上也具有較大的差異性。

混凝土收縮徐變受骨料影響主要有以下兩個(gè)方面：第一是骨料的吸水率，第二則是骨料的剛度。對于混凝土收縮，水泥漿對其影響很大，而水泥漿中的骨料控制著水泥漿的性能。

骨料等級越高的再生混凝土在收縮徐變性能方面越好，而低等級骨料再生混凝土在收縮徐變性能方面則表現(xiàn)較差。對目前國家標(biāo)準(zhǔn)中不同等級的骨料再生混凝土的收縮與徐變的性能進(jìn)行深入地分析與把握，可以加深對再生混凝土的理解，優(yōu)化對再生混凝土的利用。

含水量對混凝土收縮徐變的影響

含水率對于建筑水泥混凝膠體和鋼筋混凝土干燥和膨脹收縮過程都有很大的影響。當(dāng)每方量鋼筋混凝土工程中的各種水泥填料使用量都相同時(shí)，水灰比的值越大則其膨脹收縮就越大。不同種類的水泥，并不會(huì)對混凝土產(chǎn)生徐變有所影響，但應(yīng)用水泥時(shí)，其中的含水量會(huì)影響水含量當(dāng)中的潔晶程度。

養(yǎng)護(hù)及使用條件下的溫度和濕度對混凝土收縮徐變的影響

對水泥混凝土采用低溫蒸汽法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)或者是高壓蒸汽法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，這樣就有利于控制水泥混凝土水化過程中的濕度與溫度，促進(jìn)了混凝土強(qiáng)度的增長和水泥砼凝膠體密實(shí)性的提升。因而，蒸汽養(yǎng)護(hù)或者是高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)都可以在一定程度上降低了收縮，并且這樣就有利于徐變。

養(yǎng)護(hù)過程中，溫度高、濕率大、水泥漿的水化效果充分，徐變就小，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可使徐變減小約20%～35%。當(dāng)構(gòu)件受荷時(shí)，溫度和相對濕率就可能會(huì)愈來越高，則徐變也變得更加嚴(yán)重。

配筋時(shí)混凝土收縮徐變的影響

鋼筋在控制混凝土發(fā)生變形中具有約束性，從理論上說就是減少了混凝土發(fā)生的收縮徐變。但到目前為止，絕大多數(shù)的收縮徐變試驗(yàn)均未能充分考慮到對配筋的影響。

混凝土的收縮和徐變都具有時(shí)變性，配筋混凝土的收縮徐變比素混凝土的收縮徐變更為復(fù)雜?；炷恋氖湛s徐變造成混凝土和鋼筋的內(nèi)力重分布也是一個(gè)時(shí)變過程，混凝土應(yīng)力的變化反過來又影響徐變的發(fā)展，兩者相互耦合，并且由收縮導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力將進(jìn)一步影響徐變變形。

加載齡期對混凝土徐變的影響

影響混凝土徐變的因素眾多，加之現(xiàn)代混凝土生產(chǎn)工藝、材料組成等諸多變化，有關(guān)高性能混凝土徐變，尤其是齡期徐變的研究目前還處于起步階段，現(xiàn)有大多數(shù)的徐變研究仍偏向于研究硬化混凝土的壓縮徐變，對于拉伸徐變尤其是早齡期的拉伸徐變，研究甚少。此外，以往關(guān)于加載齡期對拉伸徐變的影響，往往局限于單一的溫度，對于不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下加載齡期對于徐變發(fā)展的影響在現(xiàn)有文獻(xiàn)中鮮有提及。

混凝土收縮和徐變對結(jié)構(gòu)的影響以及措施對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響

收縮和徐變對于鋼筋混凝土及其應(yīng)力收縮狀況、變形結(jié)構(gòu)特征及其性能和內(nèi)部裂縫的變形控制等均有很大的重要影響，由于鋼筋混凝土的應(yīng)力收縮徐變導(dǎo)致的巨大應(yīng)力，不但可以直接促使鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部基層產(chǎn)生較大變形、裂縫，從而大大減少其主體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度，而且它還可以直接促使鋼筋混凝土內(nèi)部基層發(fā)生微小的裂縫，破壞了鋼筋混凝土的內(nèi)部微觀主體結(jié)構(gòu)，降低了鋼筋混凝土保護(hù)層和砼的強(qiáng)度及砼的耐久性。

減少收縮和徐變的措施

為了減小鋼筋混凝土在結(jié)構(gòu)中的收縮和徐變而產(chǎn)生的不利作用，總結(jié)工程中有如下措施：

（1）嚴(yán)格控制鋼筋混凝土的水灰比。由于鋼筋混凝土中的徐變主要來源于水泥砂漿的快速流動(dòng)。水灰比也是直接影響鋼筋混凝土徐變的一個(gè)重要因素。由于水灰比大的鋼筋混凝土，水泥顆粒的間距較大、空隙較多，毛細(xì)管的孔徑較多，所以徐變性較大。但是當(dāng)水泥使用量保持不變，混凝土的徐變就會(huì)隨著水灰比的提高而逐漸增大。

（2）增加骨料體積的含量，通常我們認(rèn)為在鋼筋混凝土中骨料屬于惰性，在高荷載的作用下僅會(huì)產(chǎn)生一定的彈性和變形。所以徐變主要是由于水泥砂漿造成，然而骨料的留置對于混凝土發(fā)生變形具有良好的制約作用。

（3）減少減水劑的使用，使用減水劑可以直接讓鋼筋水泥的砂漿顆粒較為分散且更加容易被水化，產(chǎn)生了更多的鋼筋水泥混凝漿體，而水灰比與灰漿率卻沒有因此發(fā)生任何大的變化，所以這就可能會(huì)直接導(dǎo)致一些鋼筋混凝土的收縮徐變的幅度逐漸增大。因此要盡量減少減水劑的使用。

結(jié)論

混凝土的收縮、徐變作為混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件伴隨著時(shí)間推移發(fā)生的最常見的現(xiàn)象，對混凝土構(gòu)件的使用性能有著重要影響。

欲意消除混凝土的收縮徐變對結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響是不現(xiàn)實(shí)的，只能在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段考慮結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)的各種不利的影響，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，預(yù)留足夠的安全儲(chǔ)備，使結(jié)構(gòu)在施工和使用的各個(gè)階段能夠確保足夠安全。

當(dāng)然合理的設(shè)計(jì)也是基于對混凝土的收縮徐變的性質(zhì)和影響有足夠的理解，才能在足夠安全的前提下達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效益。