混凝土收缩徐变研究综述

摘 要：混凝土的收缩徐变是与时间相关的两个重要的物理力学性质，历来受到国内外研究者的普遍关注。本文根据国内外对混凝土收缩徐变的研究，介绍了混凝土收缩徐变的机理及影响因素，混凝土收缩应变和徐变系数的计算方法，徐变效应分析的经典方法及有限元方法。

关键词：混凝土；收缩；徐变系数；徐变效应分析；有限元

中图分类号：TV331文献标识码： A

The Shrinkage and Creep Research of Concrete

XU Chun-guang

(Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092 PRC)

Abstract: The shrinkage and creep are two important time-related physical and mechanical properties of concrete. And they have been subjected to widespread attention from researchers both at home and aboard. According to the domestic and aboard research of concrete shrinkage and creep, this article introduces the mechanism and influencing factors of shrinkage and creep. The calculation methods of shrinkage strain and creep coefficient as well as the classic and finite element method for analysis of creep effect are presented..

Key words: Concrete, Shrinkage, Creep coefficient, Analysis of creep effect, FEM

早在19世纪前，混凝土就作为结构材料得到应用。当时混凝土结构设计与钢结构设计类似，假定混凝土就是弹性材料。1905年威尔逊(I.H.Woolson)发现在高轴向应力作用下，钢管中的混凝土有流动现象[1]。这是历史上第一次观测到混凝土的徐变现象，表明混凝土还具有一定的塑性。从那时起，国内外已经有一大批专家和学者对混凝土的收缩和徐变开展了长期的研究工作，虽然取得了很多重要的成果[2-4]，但是严格的说混凝土的收缩和徐变现象还没有被完全掌握。混凝土收缩和徐变的机理和影响因素十分复杂，且相互关联。对混凝土收缩徐变的机理及影响因素的认识直接关系到对结构收缩徐变的正确分析。对结构收缩徐变效应分析的有效性取决于对混凝土收缩应变和徐变系数的计算及结构分析方法的选用。在缺乏试验资料的情况下, 混凝土收缩应变和徐变系数的计算更多的依赖于己有的收缩徐变预测模型。

混凝土收缩徐变机理

收缩徐变是混凝土粘弹性的基本特征之一。混凝土的收缩是混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发，而使其本身体积缩小的一种物理化学现象，它是不依赖于荷载而与时间有关的一种变形[5]。混凝土的收缩会使预应力构件产生预应力损失。此外，某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力[6]。混凝土的徐变则是依赖于外荷载且与时间有关的一种非弹性性质的变形。在长期荷载作用下，混凝土体内的水泥凝胶体微孔隙中的游离水将经毛细管里挤出并蒸发，产生了胶体缩小形成徐变过程。徐变会使结构的挠度变形增大，特别是以自重为主的大跨结构；对于预应力混凝土结构，徐变会引起预应力损失，降低预应力效果；在长期高应力作用下，甚至会导致混凝土破坏[6]。因此，混凝土的收缩徐变是一个不容忽视的问题。

混凝土的收缩机理

混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形收到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。

混凝土的收缩是一种随时间的增长而不断增长的变形。初期收缩变形发展较快，两周即可完成全部收缩的25%，一个月可完成约50%，以后收缩变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。一般情况下，收缩应变终极值约为(2～5)×10-4[6]。

混凝土的收缩主要是由于干燥失水引起，故构件的养护条件、环境的温湿度，以及凡是影响混凝土中水分保持的因素，都对混凝土的收缩有影响，若混凝土处于饱和湿度情况下，不仅不会收缩，反而会产生体积膨胀[7]。混凝土的收缩大致可分为以下几种原因及机理：

（1）干燥收缩。干燥收缩是混凝土干燥时的体积改变，是由于混凝土中水分在新生成的水泥石骨架中蒸发引起的。但是，开始干燥时所损失的自由水并不引起混凝土的收缩[1]。混凝土的干燥收缩不是单一机理可以解释清楚的，一般认为干燥收缩是由于混凝土内部吸附水的消失而产生的[8]。

（2）自发收缩。自发收缩是在没有水分转移下的收缩，它是一种由水泥的水化反应所产生的固有收缩，其值约从一个月后的40×10-6到五年后的100×10-6，与干燥收缩比较是微不足道的[3]。从实用的目的来说，没有必要把它从干燥收缩中区分开来，一般都并到干燥收缩中计算。

（3）塑性收缩。塑性收缩是指混凝土未凝结硬化前，还处于塑性状态时发生的收缩。塑性收缩产生的原因主要是失水，即由于水分从混凝土表面蒸发损失，导致的混凝土体积收缩。

（4）碳化收缩。碳化收缩是由混凝土中的水泥水化物与空气中的二氧化碳发生化学反应而产生的。水泥水化物中的Ca(OH)2碳化成为CaCO3，水化物的其他成分也都发生分解而生成水化硅、铝和氧化铁等，而收缩的原因在于Ca(OH)2结晶体的溶解和CaCO3的沉积。碳化收缩是较晚才发现的现象，故大多数干燥收缩的试验数据中包括了碳化收缩,而没有将这两种性质十分不同的收缩区分开来。

混凝土的徐变机理

混凝土的徐变主要是由硬化水泥浆体(也称水泥石)产生[9]。解释混凝土徐变机理的理论很多，一般都以水泥浆体的微观结构为基础。这些理论主要有粘弹性理论、渗出理论、粘性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论及内力平衡理论等六种。

（1）粘弹性理论：粘弹性理论把水泥浆体看成弹性的水泥胶凝骨架，其空隙中充满着粘弹性液体构成的复合体。它认为加给水泥浆的荷载起初一部分被固体空隙中的水所承受，这样推迟了固体的瞬时弹性变形。当水从压力高处向低处流动时，固体承受的荷载就逐渐加大，增大了弹性变形即发生了徐变变形。荷载卸除后，水就流向相反方向，引起徐变恢复。与这过程有关的水，仅是毛细管空隙和凝胶空隙中的水，而不是凝胶微粒表面的吸附水。粘弹性理论解释了混凝土的徐变恢复现象。

（2）渗出理论：由C.G.Lynam于1934年首先提出[1]。该理论认为混凝土徐变是由于凝胶粒子表面吸附水和这些粒子之间的层间水(在荷载作用下)的流动引起的。水泥浆体承受压缩荷载后，凝胶微粒之间的吸附水和层间水就缓慢地排出而产生变形即徐变变形。由于凝胶水被挤出，使微粒之间距离缩短而处于微粒间力的作用范围内。在外荷载作用下，水分子进一步接近，使微粒间的表面能降低，而且引起一部分化学结合，这就增加了凝胶的稳定性。因此，在卸荷后，凝胶不会恢复到加荷前的状态，该过程引起的徐变就是非恢复性徐变。

（3）粘性流动理论：由F.G.Thomas于1937年首先提出[1]。该理论认为，混凝土可分成两部分，一部分是在荷载作用下产生粘性流动的水泥浆体;另一部分是在荷载作用下不产生流动的惰性骨料。该理论认为，当混凝土受荷时，水泥浆体的流动受到骨料的阻碍，结果使骨料承受较高的应力，而水泥浆体承受的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变与加荷应力成正比，因此，随着加荷应力逐渐从水泥浆体转移到骨料来承受，从而徐变速率将随时间逐渐减小。

（4）塑性流动理论：该理论认为，混凝土徐变类似于金属材料晶格滑动的塑性变形。当加荷应力超过金属材料的屈服点后，塑性变形就发生。实用的晶格滑动理论是由Glanville等人于1939年建立的[1]。他们认为，在低应力作用下混凝土徐变是粘性流动，而在高应力作用下，混凝土徐变则是塑性流动(晶格滑动)。

（5）微裂缝理论：该理论认为，在多相混凝土组成材料的界面上，受荷前就有粘结微裂缝存在。它是由于混凝土硬化过程中骨料沉降、拌合水析出及干缩应力引起的。对于正常工作应力范围，裂缝界面通过摩擦连续传递荷载，微裂缝仅稍微增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力，界面上粘结微裂缝就会扩展并逐渐产生新的微裂缝;当荷载再增加，裂缝会迅速发展并逐渐贯通，这时对徐变的影响比较明显。苏联学者别尔格认为，只有当加荷应力口大于抗裂强度时，微裂缝才会对混凝土的徐变有明显影响。他用声学方法取得了一系列试验数据。试验结果表明，当加荷应力小于抗裂强度时，随时间的推移声波脉冲在混凝土中的传播时间不断下降，从而说明混凝土结构继续变得密实;当加荷应力大于抗裂强度时，由于微裂缝的产生和发展，在长期荷载作用下产生了附加变形，这使得混凝土徐变与应力间的关系表现为明显的非线性关系。

（6）内力平衡理论：该理论认为水泥浆体的徐变是由于荷载破坏了开始存在于水泥浆体中的内力平衡状态，并达到新的平衡的变化过程。这时，内力包括凝胶微粒产生收缩的表面张力，凝胶微粒之间的力，还有广泛而均匀地分布于凝胶微粒表面上的吸附水，在胶粒切点分离作用的压力，以及静水压力等。其中以吸附水的分离压力的作用作为重要。

美国混凝土学会第209委员会1972年的报告把徐变机理分述为[3]：

（1）在应力作用下、在吸附水层的作用下，水泥胶凝体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形。

（2）在应力作用下，由于吸附水的渗流或层间水转移而导致的紧缩。

（3）由于水泥胶凝体对骨架（由骨料和胶体结晶组成）弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形。

（4）由于局部破裂（在应力作用下发生微裂及结晶破坏）以及重新结晶与新的连接而产生的永久变形。

也有一种观点，认为收缩、徐变的基本原理是相同的，某些可蒸发的水分的存在对徐变才是最主要的[1]。关于徐变机理，迄今为止，还没有一种是被普遍接受的。尽管如此，徐变却是客观存在的，它受水泥品种、水灰比、骨料、养护条件、振捣、构件尺寸、工作环境的温、湿度、应力水平及持续时间、掺加料、外加剂等诸多因素的影响。

与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。前四个月徐变增长较快，六个月可达徐变终极值的70%～80%，以后增长逐渐缓慢，2～3年后趋于稳定[6]。

混凝土收缩徐变表示方法

混凝土的收缩变形的性质一般用时间 _ 来表示，即混凝土的收缩变形在达到一定的期限后其影响趋近于某一终值。而混凝土的徐变则通常采用徐变系数来描述。

混凝土收缩应变的数学表达式

混凝土在任意时刻的收缩应变一般表达为收缩应变终值与时间函数的乘积

式中：——收缩应变终值；

——表示收缩应变发展进程的时间函数。

2.1.1 收缩应变终值的预计

对于收缩应变终值的预计，主要有两种方法：

（1）根据环境条件及构件尺寸等因素，从现成的图表中查得。采用这种方法的有CEB-FIP（1978）模型[11]等。

（2）将收缩应变终值表示成若干系数的乘积

ACI209（1982）模型[10]将收缩应变终值表示为标准状态下的收缩应变终值与7个校正系数的乘积。英国桥梁规范BS5400第四部分（1984）[12]中，收缩应变终值等于三个系数的乘积，而这三个系数又分别取决于环境湿度、混凝土成分和构件的厚度。

2.1.2 收缩应变时间函数的表达式

收缩应变时间函数的表达式主要有以下几种：

（1）双曲线函数表达式

ACI209（1982）模型[10]即采用这种表达式，其中系数A由养护条件决定。

（2）双曲-幂函数表达式

CEB-FIP（1978）模型[11]即采用了这种形式，其中系数