混凝土收缩徐变机理与影响因素综述

丁孝斌 吴昊天 胡成杰

（1.重庆交通大学，重庆 404100；2.辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113006；3.浙江工业大学，浙江 杭州 310000）

随着钢管混凝土拱桥建设的兴起，核心混凝土收缩徐变对结构带来的不利影响也日渐明显。钢管混凝土收缩徐变会导致拱肋截面产生应力重分布，即钢管应力增大，核心混凝土应力减小[1]；在变形上会导致主拱圈下挠。因此对钢管混凝土收缩徐变效应的准确计算就显得尤为重要。混凝土随时间而改变的效应性质，我们称为混凝土的收缩徐变效应。在计算钢管混凝土构件的收缩徐变效应时，最主要的是准确地确定出混凝土收缩及徐变效应的最终值，而在计算该种效应时，其产生的误差主要取决于混凝土收缩徐变计算模式和分析方法的选取。钢管混凝土收缩徐变的机理和影响因素较多[1]，对该机理及影响因素的了解，对钢管混凝土收缩徐变计算模型和计算分析方法的合理选取具有较大的指导意义。

1 混凝土收缩徐变的基本概念

徐变属于非弹性变形，该种变形是在荷载作用下产生并与时间有关，变形在力的作用下会随着时间的增长而逐渐变大[2]，荷载施加历史、加载龄期、湿度、温度、混凝土的种类及配合比等因素都会对徐变总量的多少产生不可忽略的影响。混凝土的基本徐变类型是单轴压缩。徐变的基本机理可以在水泥胶凝体连同胶体水的滞后弹变或粘稠变形下得到很好的阐释。当荷载作用较长一段时间时，瞬时弹性变形相对于徐变应变来讲，可以仅仅占到一半都不到，在某些情况下所占比例可能会更小。

水泥凝胶体中游离水蒸发使混凝土休积减小的物理化学现象称为混凝土的收缩，该现象与受荷无关，只与时间相关。收缩效应会导致混凝土体积缩小，缩小原因可以归结为胶凝体中所含水分的蒸发或者其它与受力无关的化学物理因素。

2 混凝土徐变与收缩的机理

荷载的作用只会使混凝土发生徐变但不会产生收缩。尽管收缩、徐变这两种效应的特点不同，但均与混凝土内水化水泥浆的特性有关。在本质上，其产生的机理原因是一样的。构成混凝土的水泥浆的物理结构决定着混凝土徐变、收缩的机理，该机理与其化学性质无关。

2.1 混凝土的收缩机理

导致混凝土发生收缩的机理可归结为[3]:

（1）自发收缩。这种情况下，水分的转移没有发生，在水泥和水起化学反应生成水泥水化物的过程中，体积会自然而然地缩小，该收缩效应是由水化反应引起的。但混凝土收缩量在该种反应作用下产生的比较小。

（2）干燥收缩。在该种收缩类型中，混凝土中的吸附水受到相对干燥的外部环境影响，从而蒸发导致的。干燥收缩在混凝土收缩应变中占得比重较大。

（3）碳化收缩。产生的原因是大气中的二氧化碳与水泥水化物发生了化学反应。

2.2 混凝土的徐变机理

在对徐变产生机理的研究分析中，以前就有学者对此作出不同的理论假定，可惜的是，到现在为止，人们还没有对其中的一个观点产生普遍的接受。第209 委员会（隶属于美国混凝土学会）在1972年作了一份关于混凝土徐变机理的报告：

（1）吸附水层的润滑再加上应力的作用，水泥石在水泥胶凝体的剪切或滑动错位作用下会产生粘稠变形。

（2）在力的作用下,混凝土当中层间水的转移或吸附水的参流导致的紧缩。

（3）胶体结晶和骨料构成的骨架的弹性变形会受到水泥胶凝体的约束作用，该种变形从而变成滞后弹性变形。

在1983年Neville 教授出版的著作[4]中有写到，尽管现有较多的徐变理论，但这些徐变理论对于徐变机理的阐述是不尽相同的。有一种普遍为人们所接受的观点是：收缩、徐变产生的原因是一样的，徐变效应产生的主要原因是混凝土内部水分的蒸发。但这种说法在某种方面还是有分歧，即其不一定是徐变的真正原因，或许对胶凝体的运动只产生了细微的促进作用。较多人认为混凝土的外部环境较干燥时，内部的能够蒸发的水分会逸出到外界。徐变发生的速度会随着外部环境湿度的降低而增大。且变形会沿着荷载施加的方向发生。内部水分向外的转移会随着内外部环境的湿度达到平衡时而停止。这时，混凝土结构受到力的作用，就只有基本徐变，而无干燥徐变。水泥胶凝体连同胶体水的粘稠变形或滞后弹变被人们正常理解为混凝土基本徐变的产生机理。因而水分转移和初期徐变有关联。初期徐变受到水分转移的影响是什么，还没有统一的结论。

3 混凝土徐变与收缩的影响因素

混凝土的收缩、徐变与很多因素有关，总的能够分为两种：内，外部两种因素。内部因素可以总结为：骨料、水灰比、水泥品种、灰浆率以及外加水泥混合物等；加载应力、持荷时间、加载龄期、环境相对湿度与温度、空气含量等归属于外部因素。

3.1 内部因素

（1）水泥品种

混凝土的强度在加载时受到水泥品种的影响，故而影响了徐变。在结构所受应力，加载龄期和其他条件一定的情况下，徐变的发生量随混凝土强度发展速度的增大而减小。

（2）骨料

混凝土中的骨料不会参与结构的收缩徐变，相反会对水泥石变形导致的徐变效应起到约束作用，约束作用随着骨料的刚度及所占体积比例的增大而加强。骨料体积百分比为60 所产生的徐变是骨料体积百分比为75 的两倍。

（3）水灰比

在正常情况下，混凝土中水泥浆含量会随着水灰比的改变而改变。在水泥浆的比重和初应力全部相同的情况下，徐变会随着水灰比的降低而降低。

（4）灰浆率

灰浆率是指单位体积混凝土中水泥浆所占的百分比。试验结果表明，灰浆率越大则混凝土的徐变量也越大。

（5）加劲水泥混合物

纤维的掺入会使水泥砂浆以及素混凝土的徐变较原来减少很多。

3.2 外部因素

（1）加载龄期

加载龄期越久，混凝土产生的总徐变越大。当混凝土加载初期，水泥水化不充分，混凝土强度较低，产生的徐变速率较快。但随着加载龄期的增长，水泥强度随着水化的逐渐充分而提高了，徐变效应也越来越不明显。

（2）加载应力

混凝土的徐变和应力成正比例关系，在混凝土的加载应力与其强度比不超过0.4 时的条件下成立。当超过该比例时，徐变速率随着应力强度比的增大而陡增，该关系也有正比例关系转变为非线性关系。

（3）持荷时间

混凝土的徐变在荷载的持续作用下会逐渐增加，但速率会逐渐降低。混凝土的徐变效应一般持续的时间较长，但在两年时间内，大多数徐变均可完成。

（4）工作环境的温度和湿度

外部环境的相对温湿度是最能影响混凝土徐变效应的因素之一。在加载才作用时，外部环境的相对湿度较低，徐变会因此受到很大的影响。当混凝土的内外部湿度达到平衡时，由湿度产生的影响便逐渐消失。

（5）空气含量

空气含量的变化也会影响混凝土的徐变，其随空气含量的增大而增大。空气含量百分比为5.4 的混凝土在养护28 天开始持续加载一年时，所产生的徐变比空气含量百分比为1.7 的混凝土要大大约40%。

结语：本文在国内外专家学者对混凝土收缩徐变效应研究分析的基础上，阐述了混凝土收缩徐变的基本概念，产生的机理以及所受的影响因素。由上述总结可以得出以下主要结论：1）徐变是一种与时间、所受荷载有关的非弹性变形，即在应力作用下，随时间的发展混凝土徐变量而增大的现象；收缩是指混凝土内部游离水蒸发，从而导致休积缩小的一种物理化学现象，该变形与荷载无关，仅随时间而改变。2）混凝土的收缩机理有碳化收缩、自发收缩、干燥收缩三种，其中干燥收缩为收缩应变的主要部分。而在混凝土徐变机理的认识方面，人们还未形成共识。3）影响混凝土收缩徐变效应的因素可分为内外部两种，内部因素可归为配合比，外部因素主要为加载龄期与持荷时间。要想准确选取混凝土收缩徐变的计算分析方法与计算模式，务必要在混凝土收缩徐变机理以及所受影响因素方面有较为清晰的认识。