第二章混凝土的力學(xué)性能

第二章混凝土的力學(xué)性能

混凝土的變形及破壞機(jī)理混凝土的單軸受力強(qiáng)度混凝土的多軸強(qiáng)度及變形混凝土的疲勞性能混凝土的收縮混凝土的徐變高性能混凝土第一節(jié)混凝土的變形及破壞機(jī)理

一、混凝土的力學(xué)構(gòu)成混凝土系由砂、石、水泥和水按一定比例拌和而成的復(fù)合材料，其力學(xué)構(gòu)成可表達(dá)為：上式中各組分的受力特性分析如下：(1)骨料為砂、石的統(tǒng)稱，一般認(rèn)為不與水泥和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。優(yōu)質(zhì)的骨料總表現(xiàn)為彈性的力學(xué)行為，是構(gòu)成混凝土內(nèi)彈性骨架的組分之一，并具有較高的強(qiáng)度和彈性模量。(2)水泥與水作用后生成的水化物可分為兩類。一類是完全水化的水泥結(jié)晶體，具有線彈性性質(zhì)，它與骨料一起共同構(gòu)成了混凝土內(nèi)部的彈性骨架；另一類是未完全水化的水泥凝膠體，在荷載作用下具有滯性流動(dòng)的特性，由此產(chǎn)生的變形大部分是不可恢復(fù)的，表現(xiàn)出明顯的塑性。(3)通?；炷猎诔惺芎奢d前，其內(nèi)部即存在微裂縫（圖2-1），究其原因是：水泥石在凝結(jié)硬化過程中的收縮受到粗骨料約束而產(chǎn)生的微裂縫。在粗骨料界面殘存的氣泡形成的界面裂縫。多余的水分排出體外形成的毛細(xì)孔道。在不同的應(yīng)力水平下以上三部分產(chǎn)生的變形所占比例有明顯不同。在應(yīng)力水平較低時(shí)，荷載主要由骨料和水泥結(jié)晶體所構(gòu)成的彈性骨架承受，此時(shí)混凝土表現(xiàn)出彈性特征；隨著應(yīng)力水平的增大，由水泥凝膠體的滯性流動(dòng)引起的變形逐漸明顯，混凝土表現(xiàn)出彈塑性特征；當(dāng)應(yīng)力水平接近混凝土強(qiáng)度時(shí)，主要由內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展引起的變形急劇增加，體現(xiàn)了明顯的塑性特征。綜上所述，混凝土是一種非勻質(zhì)彈塑性材料，其材料特性決定了混凝土力學(xué)性能的復(fù)雜性和離散性。

二、混凝土的變性及破壞機(jī)理下面結(jié)合混凝土單調(diào)受壓時(shí)的典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線（圖2-2），分析混凝土的變形和破壞機(jī)理。（1）應(yīng)力時(shí)曲線近似為直線，如圖中OA段。此時(shí)混凝土的變形主要是骨料和水泥結(jié)晶體的彈性交形。雖然有些微裂縫的尖端因應(yīng)力集中而略有發(fā)展，也有些微裂縫和間隙因受壓而閉合，但對(duì)混凝土的宏觀變形性能無明顯影響。即使荷載多次重復(fù)作用或者持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，微裂縫也不致有大發(fā)展，殘余變形很小，此時(shí)微裂縫處于相對(duì)穩(wěn)定期。

（2）應(yīng)力時(shí)應(yīng)力超過A點(diǎn)后，曲線明顯偏離直線，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)比應(yīng)力增長(zhǎng)快，混凝土表現(xiàn)出明顯的彈塑性。其原因是：一方面水泥凝膠體的滯性流動(dòng)變形逐漸增加；另一方面，原有的微裂縫逐漸延伸和加寬，骨料界面和水泥砂漿內(nèi)部還產(chǎn)生了少量新的微裂縫。但這時(shí)微裂縫尚處于穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，若停止加載，微裂縫擴(kuò)展也就中止。（3）應(yīng)力時(shí)超過B點(diǎn)后，曲線漸趨水平，表明混凝土的應(yīng)力增量不大，而塑性變形卻相當(dāng)大。在高應(yīng)力下，粗骨料的界面裂縫突然加寬和延伸，大量進(jìn)入水泥砂漿；水泥砂漿中已有裂縫也加快發(fā)展，并和相鄰裂縫相連。連通裂縫大致平行于壓應(yīng)力方向，將試件分割成了數(shù)個(gè)小柱體。若混凝土中部分粗骨料的強(qiáng)度較低，或有節(jié)理和缺陷，也可能在高應(yīng)力下發(fā)生骨料劈裂。此時(shí)裂縫已進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，即使應(yīng)力維持常值，裂縫仍將繼續(xù)發(fā)展。（4）超過峰值應(yīng)力后此時(shí)，曲線進(jìn)入下降段。隨著應(yīng)力的下降，骨料彈性交形開始恢復(fù)，凝膠體的滯性流動(dòng)減小，而裂縫繼續(xù)迅速傳播發(fā)展，使變形繼續(xù)加大。由于堅(jiān)硬骨料顆粒的存在，在裂縫面上產(chǎn)生剪摩阻力，以及非連續(xù)接觸面間的非彈性變化等原因，試件仍能承擔(dān)一定荷載。進(jìn)入收斂段后，曲線由凹向應(yīng)變軸變?yōu)橥瓜驊?yīng)變軸(D點(diǎn)為反彎點(diǎn))，試件破裂的許多細(xì)塊逐漸擠密，導(dǎo)致應(yīng)變進(jìn)一步增加，曲線坡度漸趨平緩。

綜上所述，混凝土受壓破壞機(jī)理可概括為：隨著應(yīng)力的增大，沿粗骨料界面和砂漿內(nèi)部的微裂縫逐漸延伸和擴(kuò)展，導(dǎo)致砂漿的損傷不斷積累；裂縫貫通后．混凝土的連續(xù)性遭到破壞，逐漸喪失其承載力，破壞的實(shí)質(zhì)是由連續(xù)材料逐步變成不連續(xù)材料的過程。從宏觀來看，混凝土可看成是粗骨料隨機(jī)分散在連續(xù)的水泥砂漿中。粗骨料的強(qiáng)度遠(yuǎn)比混凝土的高，硬化水泥砂漿的強(qiáng)度也比混凝土高（表2-1），但由這兩者所構(gòu)成的混凝土強(qiáng)度卻較低。這說明砂漿與骨料界面是混凝土內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)。混凝土破壞后，其中的粗骨料一般無破損的跡象，裂縫和破碎都發(fā)生在粗骨料表面和水泥砂漿內(nèi)部，所以混凝土的強(qiáng)度和變形性能在很大程度上取決于水泥砂漿的質(zhì)量和密實(shí)性。

三、影響應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀的因素1．試驗(yàn)方法的影響早期的軸壓試驗(yàn)所測(cè)得的應(yīng)力一應(yīng)變曲線只有上升段，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，試件便突然崩碎?；炷猎嚰蝗黄茐牡脑蚴窃囼?yàn)機(jī)的剛度不足?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)方法：(1)應(yīng)用電液伺服閥控制的剛性試驗(yàn)機(jī)直接進(jìn)行試件等應(yīng)變速度加載。這類試驗(yàn)機(jī)價(jià)格昂貴，且加載能力有限，對(duì)于強(qiáng)度較高、尺寸較大的試件試驗(yàn)仍有困難。(2)在普通液壓試驗(yàn)機(jī)上附加剛性元件(如剛性彈簧、千斤頂、小鋼柱、鋼管等)，使試驗(yàn)裝置的總體剛度超過試件下降段的最大線剛度，就可防止混凝土的急速破壞。這類方法簡(jiǎn)便易行。采用不同應(yīng)變速度加載所得到的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀亦有較大差別。以不同的等應(yīng)變率加載得到了一組曲線（圖2-3）。曲線表明，應(yīng)變速度比較快時(shí)，不僅應(yīng)力峰值有所提高，曲線下降坡度也較陡；反之，則下降坡度較平坦，且極限壓應(yīng)變也較大，達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變也有所增加。應(yīng)變速率對(duì)曲線上升段的影響較小。2、混凝土強(qiáng)度的影響混凝土強(qiáng)度越高，其曲線的上升段和下降段均較陡；混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，曲線較為平坦。有試驗(yàn)指出，不同強(qiáng)度混凝土的曲線大體上在以后進(jìn)入收斂階段，并大體上收斂在一起（圖2-4）。相應(yīng)于應(yīng)力峰值的應(yīng)變隨著混凝土強(qiáng)度的增高略有增大，但變化幅度不大，基本上在0.002附近。混凝土最終破壞時(shí)的極限壓應(yīng)變的變化范圍較大，強(qiáng)度較低的混凝土較大；強(qiáng)度高的較小。3、應(yīng)變梯度的影響（圖2-5）偏壓構(gòu)件與軸壓構(gòu)件的不同之處在于，它的截面應(yīng)變?yōu)榉蔷鶆蚍植迹蚨嬖趹?yīng)變梯度。偏壓的曲線難以精確確定。各研究人員根據(jù)各自的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算研究后得出結(jié)論：混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的形狀與試件偏心距或應(yīng)變梯度無關(guān)，即偏壓和軸壓可采用相同的曲線方程，只是其應(yīng)力峰值和應(yīng)變峰值比軸壓要高。因此在許多強(qiáng)度理論中，仍以軸壓的曲線為基礎(chǔ)。4、側(cè)向約束的影響（圖2-6）混凝土單向受壓時(shí)，其側(cè)向會(huì)膨脹，如膨脹不受約束，就稱為無側(cè)限混凝土；如果側(cè)向配置了較密集的箍筋，側(cè)向膨脹受到約束，稱為有側(cè)限混凝土。混凝土有側(cè)向約束時(shí)，實(shí)際上已處于三向受壓的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，軸向抗壓強(qiáng)度及延性均可提高。由圖2-6可見，配置螺旋箍的混凝土強(qiáng)度和延性隨著箍筋用量的增加而增長(zhǎng)；而配置方形箍的混凝土，配箍的多少對(duì)延性的影響是非常明顯的，但對(duì)強(qiáng)度的影響則較小。螺旋箍和方形箍相比，螺旋箍的約束作用大得多。

四、應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程研究者對(duì)根據(jù)大量試驗(yàn)得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，就可建立其應(yīng)力—應(yīng)變方程。Saenz提出以三次拋物線方程來描述混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：（2-1）式中：E為彈性模量；A、B、C、D為常數(shù)，可由下列基本條件確定（圖2-7）：（1）（2）

（3）（4）（5）由式（2-1）可以看出，條件（1）自動(dòng)得到滿足，而其余四個(gè)條件用以確定常數(shù)A、B、C、D。由此得到的公式為：（2-2）式中，峰值點(diǎn)的割線模量如果忽略條件（5），可得下式：（2-3）

上式只適用于應(yīng)力—應(yīng)變曲線的上升段，在鋼筋混凝土有限元分析中，此式用得相當(dāng)廣泛。近似取N為2，代入式（2-3）可得：（2-4）

圖2-8a是目前國內(nèi)外采用最廣泛的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其上升段為拋物線，下降段為直線變化。上升段：（2-5）下降段：

（2-6）圖2-8列出了三種有代表性的曲線。表2-2給出了另外一些混凝土單軸受壓時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變方程。其中。

五、重復(fù)加卸載下混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線混凝土在重復(fù)加卸載下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，是研究混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能、延性和恢復(fù)力特性的基礎(chǔ)。清華大學(xué)為研究混凝土在應(yīng)力重復(fù)作用下的強(qiáng)度和變形性能，已進(jìn)行過多種形式的重復(fù)荷載試驗(yàn)，主要包括：A—單調(diào)加載，作為對(duì)比試驗(yàn)，圖2-9a；B—等應(yīng)變?cè)隽康闹貜?fù)完全加卸載，圖2-9b；C—等應(yīng)變?cè)隽康闹貜?fù)加卸載，但卸載至卸載前應(yīng)力的一半時(shí)，立即再加載，圖2-9c；D—等應(yīng)力循環(huán)加卸載，圖2-9d；E—等應(yīng)變循環(huán)加卸載，圖2-9e；F—沿首次卸載曲線的循環(huán)加卸載，圖2-9f。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到了混凝土在重復(fù)加卸載下的一些重要現(xiàn)象和一般規(guī)律：1、混凝土的卸載和再加載曲線如圖2-10，從混凝土受壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€或包絡(luò)線上任一點(diǎn)A卸載，卸載剛開始時(shí)，試件應(yīng)力下降很快，而應(yīng)變恢復(fù)很少。隨著應(yīng)力的減小，應(yīng)變恢復(fù)逐漸加快。這種變形恢復(fù)滯后現(xiàn)象的主要原因是：試件中的縱向裂縫在高壓應(yīng)力下不能閉合，其變形不能恢復(fù)，應(yīng)力降低后裂縫閉合速度加快，恢復(fù)變形也加快。

2、裂縫和破壞過程所有試件都是在超過應(yīng)力峰值后出現(xiàn)第一條可見裂縫。裂縫細(xì)而短，平行于壓應(yīng)力方向。繼續(xù)加卸載，相繼出現(xiàn)多條縱向短裂縫。若荷載重復(fù)加卸多次而總應(yīng)變值并不增大，裂縫無明顯發(fā)展。當(dāng)試件的總應(yīng)變較大時(shí)，相鄰裂縫延伸并連接，形成貫通的斜向裂縫。應(yīng)變?cè)僭龃?，斜裂縫的破壞帶逐漸加寬，仍保有少量殘余承載力。這一過程也與試件一次單調(diào)加載的現(xiàn)象相同。3、包絡(luò)線沿著重復(fù)荷載下混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的外輪廓描繪所得的光滑曲線稱為包絡(luò)線EV。各種重復(fù)荷載（圖2-9b～f）下的包絡(luò)線都與單調(diào)加載的全曲線a十分接近。包絡(luò)線上的峰值點(diǎn)給出的棱柱體抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變峰值也與單調(diào)加載的相應(yīng)值無明顯差別。

4、共同點(diǎn)軌跡線

圖2-9中CM即表示共同點(diǎn)軌跡線。由圖可見，再加載曲線過了共同點(diǎn)以后斜率顯著減小，也即試件的縱向應(yīng)變超過原卸載應(yīng)變而迅速增長(zhǎng)，橫向應(yīng)變也突然增大。這表明已有縱向裂縫的擴(kuò)張，新的裂縫產(chǎn)生，混凝土損傷積累加大。分析各種重復(fù)荷載下的共同點(diǎn)軌跡線，顯然與相應(yīng)的包絡(luò)線或單調(diào)加載曲線的形狀相似。5、穩(wěn)定點(diǎn)軌跡線重復(fù)荷載試驗(yàn)E、F中，在預(yù)定的應(yīng)變值下經(jīng)過多次加卸載，混凝土的應(yīng)力不再下降，殘余應(yīng)變不再增大，卸載—再加載曲線成為一穩(wěn)定的閉合環(huán)，環(huán)的兩端稱為穩(wěn)定點(diǎn)。將各次循環(huán)所得的穩(wěn)定點(diǎn)連以光滑曲線，即為穩(wěn)定點(diǎn)軌跡線ST。ST實(shí)質(zhì)上就是混凝土低周疲勞的極限包線。達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)所需的荷載循環(huán)次數(shù)，取決于卸載時(shí)的應(yīng)變。經(jīng)觀察對(duì)比，穩(wěn)定點(diǎn)軌跡線的形狀也與相應(yīng)的包絡(luò)線和單調(diào)加載曲線相似。

綜上所述，可得到如下結(jié)論：不同重復(fù)荷載作用下，混凝土試件的力學(xué)反應(yīng)都與一次單調(diào)加載過程的反應(yīng)無顯著差異；各種重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力—應(yīng)變包絡(luò)線都可采用混凝土單調(diào)荷載下的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程。六、混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€混凝土作為一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度低，極限變形小．破壞很突然，所以要得到混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€十分困難。隨著試驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)，已能測(cè)得混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€。圖2-11為清華大學(xué)實(shí)測(cè)的受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線，曲線上的四個(gè)特征點(diǎn)A、C、D、E標(biāo)志受拉性能的不同階段。第二節(jié)混凝土的單軸受力強(qiáng)度

一、單軸受壓強(qiáng)度混凝土的單軸受壓強(qiáng)度包括立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體抗壓強(qiáng)度。混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本的強(qiáng)度指標(biāo)，它是用來確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)、評(píng)定和比較混凝土強(qiáng)度和質(zhì)量的最主要指標(biāo)，也是推算其它力學(xué)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)。立方體標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸規(guī)定各不相同。當(dāng)采用的試件形狀和尺寸不同時(shí)，由于加載時(shí)端面的約束影響范圍和程度的不同，以及混凝土材性不均勻等原因，得到的抗壓強(qiáng)度值有所不同。對(duì)比試驗(yàn)給出的不同試件抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系如表2-3。棱柱體抗壓強(qiáng)度是為了消除立方體試件兩端局部應(yīng)力和約束變形的影響，改用棱柱體試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)測(cè)得的?；炷恋睦庵w抗壓強(qiáng)度比立方體強(qiáng)度低，約為0.76倍?；炷量箟簭?qiáng)度受諸多因素影響，如構(gòu)件的形狀和尺寸、組成材料品種、組成材料配比、混凝土齡期、加載速度、施工養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境條件等等。因此，作為混凝土在某一特定條件下的試驗(yàn)結(jié)果，立方體強(qiáng)度或棱柱體強(qiáng)度均不能代表實(shí)際工程中混凝土受壓的真實(shí)強(qiáng)度，但它們都是衡量混凝土強(qiáng)度和質(zhì)量的主要指標(biāo)。

二、抗拉強(qiáng)度混凝土的抗拉強(qiáng)度可由中心受拉試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)三種方式測(cè)得（圖2-12）。這三種方法得到的抗拉強(qiáng)度值有所不同。

1、軸心抗拉強(qiáng)度采用棱柱體試件做中心受拉試驗(yàn)，可得到混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度（如圖2-12a）（2-8）中心受拉試驗(yàn)的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、直接，但受對(duì)中困難、混凝土材性不均勻等的影響，實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)離散?；炷恋妮S心抗拉強(qiáng)度值隨立方體抗壓強(qiáng)度單調(diào)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度逐漸降低。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析，可得到計(jì)算二者間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

（2-9）2、劈拉強(qiáng)度劈拉試驗(yàn)結(jié)果離散程度?。铱刹捎脴?biāo)準(zhǔn)的立方體試件，試驗(yàn)方法比較簡(jiǎn)單所以用得比較廣泛。根據(jù)彈性力學(xué)公式，在圖2-12b中：（2-10）我國給出的劈拉強(qiáng)度隨立方體強(qiáng)度變化的經(jīng)驗(yàn)公式為：（2-11）劈拉強(qiáng)度值與軸心抗拉強(qiáng)度值比較接近：（2-12）3、抗折強(qiáng)度國外常采用矩形小梁抗折試驗(yàn)來間接測(cè)定混凝土的抗拉強(qiáng)度。該方法采用三分點(diǎn)加載，同樣是以彈性理論為基礎(chǔ)，即假定截面應(yīng)力為線性分布，根據(jù)材料力學(xué)公式：

（2-13）由于混凝土在受彎開裂時(shí)已發(fā)生塑性應(yīng)變，因此按上式求出的強(qiáng)度值并不是混凝土的真實(shí)抗拉強(qiáng)度，而只是一個(gè)代表性指標(biāo)?？拐蹚?qiáng)度比軸拉或劈拉強(qiáng)度值高。定義抗折強(qiáng)度與軸拉強(qiáng)度之比為塑性系數(shù)，則：（2-14）該系數(shù)與截面應(yīng)變梯度、混凝土強(qiáng)度、截面形狀和尺寸等因素有關(guān)。美國ACI209委員會(huì)曾建議對(duì)普通混凝土，抗折強(qiáng)度與圓柱體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系采用：（2-15）CEB也曾建議?。海?-16）

三、抗剪強(qiáng)度在實(shí)際結(jié)構(gòu)中雖很少有受純剪的情況，但會(huì)出現(xiàn)一些剪切破壞現(xiàn)象。當(dāng)純剪力作用時(shí)，構(gòu)件中會(huì)產(chǎn)生主拉應(yīng)力，由于混凝土抗拉強(qiáng)度小于抗剪強(qiáng)度，從而出現(xiàn)拉裂破壞。由抗剪試驗(yàn)情況可知，剪切破壞往往是突然產(chǎn)生的，帶有脆性破壞性質(zhì)，在破壞前沒有明顯預(yù)兆。目前測(cè)定混凝土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法已有多種，所采用的試件形狀和加載方法差別很大，其測(cè)得的抗剪強(qiáng)度值相差懸殊。最早也是最常用的試驗(yàn)方法是矩形短梁直接剪切法（圖2-13a），它直觀而簡(jiǎn)單。試驗(yàn)得到的混凝土抗剪強(qiáng)度值最高可達(dá)：（2-17）圖2-13b類試驗(yàn)方法與圖2-13a類似，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，且存在的正應(yīng)力值數(shù)倍于平均剪應(yīng)力，與純剪應(yīng)力狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，故給出的抗剪強(qiáng)度值較高。圖2-13c類試驗(yàn)中，AB截面中部的剪應(yīng)力分布均勻，而水平、豎向正應(yīng)力數(shù)值都很小，接近純剪應(yīng)力狀態(tài)。圖2-13d、e兩類試件接近理想的純剪應(yīng)力狀態(tài)試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度，但是必須具備技術(shù)復(fù)雜的專用試驗(yàn)設(shè)備，一般實(shí)驗(yàn)室不易實(shí)現(xiàn)。結(jié)合到混凝土的實(shí)際受剪破壞，應(yīng)把抗剪強(qiáng)度分為純剪強(qiáng)度和剪摩強(qiáng)度兩種。沿一平面上的剪摩強(qiáng)度除與純剪強(qiáng)度有關(guān)外，還與該剪切面上的正應(yīng)力和摩擦系數(shù)值有關(guān)。就混凝土的摩擦系數(shù)來說，其值隨組成骨料品種性質(zhì)和平面的粗糙程度而定。對(duì)整澆混凝土內(nèi)的摩擦系數(shù)常定為1.4，當(dāng)混凝土新澆在已結(jié)硬混凝土平面上時(shí)，其摩擦系數(shù)常定為1.0。第三節(jié)混凝土的多軸強(qiáng)度及變形

一、概述實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件的受力多為復(fù)雜受力情況?；炷猎诙噍S應(yīng)力狀態(tài)下的性能較為復(fù)雜。各國學(xué)者對(duì)混凝土多軸性能進(jìn)行了大量的系統(tǒng)性試驗(yàn)和理論研究，提出了多種強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和多軸本構(gòu)關(guān)系的理論和經(jīng)驗(yàn)公式．取得的研究成果有的已經(jīng)納入有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。但在實(shí)際應(yīng)用中，目前大多仍采用以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式。混凝土多軸試驗(yàn)裝置主要分為兩大類：常規(guī)三軸試驗(yàn)機(jī)——一般利用已有的大型材料試驗(yàn)機(jī)，配備一個(gè)帶活塞的高壓油缸和獨(dú)立的油泵及油路系統(tǒng)（圖2-14a）。真三軸試驗(yàn)裝置——其特點(diǎn)是在三個(gè)相互垂直的方向都設(shè)有獨(dú)立的活塞、液壓油缸、供油管路和控制系統(tǒng)?；炷恋膹?fù)雜應(yīng)力狀態(tài)由于沒有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果都比較離散。下面引用某些試驗(yàn)結(jié)果來說明復(fù)雜應(yīng)力下混凝土強(qiáng)度和變形的一般規(guī)律。討論中應(yīng)力及應(yīng)變均以拉為正、壓為負(fù)。

二、二軸應(yīng)力狀態(tài)混凝土在二軸應(yīng)力不同組合下的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2-15。1、二軸受壓（C/C）混凝土的二軸抗壓強(qiáng)度均超過其單軸抗壓強(qiáng)度，即：（2-18）原因是一方壓應(yīng)力作用下的橫向變形受另一方壓應(yīng)力的約束，其內(nèi)部微裂縫的開展受到了抑制，使得其抗壓強(qiáng)度提高。由圖2-15中的第三象限二軸受壓的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，二軸受壓極限強(qiáng)度與應(yīng)力比有關(guān)。二軸受壓時(shí)混凝土的應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖2-16a。最大壓應(yīng)力方向的應(yīng)變峰值見圖2-16b。

2、二軸拉/壓（T/C）混凝土二軸拉/壓時(shí)（圖2-15a第二象限），抗壓強(qiáng)度隨另一方向拉應(yīng)力的增大而降低。即使很小的拉應(yīng)力，也可導(dǎo)致較大的抗壓強(qiáng)度降低。另一方面，抗拉強(qiáng)度也隨壓應(yīng)力的增大而降低。這一現(xiàn)象也可以用混凝土的破壞機(jī)理來說明：一方應(yīng)力作用下混凝土內(nèi)部微裂縫會(huì)逐漸延伸擴(kuò)展，而另一方向的應(yīng)力作用加劇了這種擴(kuò)展，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。在任意應(yīng)力比下，混凝土的二軸拉/壓強(qiáng)度均低于其單軸強(qiáng)度，即：（2-19）二軸拉/壓時(shí)混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2-17所示，兩個(gè)受力方向的應(yīng)變峰值均隨應(yīng)力比的增大而迅速減小。

3、二軸受拉（T/T）在工程實(shí)踐中，二軸受拉的情況較少。試驗(yàn)結(jié)果表明（圖2-15第一象限），不論應(yīng)力比如何，混凝土的二軸抗拉強(qiáng)度均與其單軸抗拉強(qiáng)度接近。二軸受拉時(shí)混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線（圖2-18）與單軸受拉曲線形狀相同，變形值和曲率都很小，破壞形態(tài)同為拉斷。由于橫向變形的影響，隨應(yīng)力比由0到1增大，峰值應(yīng)變減小。

三、三軸應(yīng)力狀態(tài)1、常規(guī)三軸受壓（）由于側(cè)向壓力的限制，混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和傳播發(fā)展受到阻礙而被延緩或推遲。這種阻礙的程度隨側(cè)向壓力的大小而定，側(cè)向壓力值越大，對(duì)裂縫傳播開展所起的限制作用也越大。因此，當(dāng)三軸受壓的側(cè)向壓力增大時(shí)，縱軸向抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變也相應(yīng)增大。工程實(shí)踐中，密間距螺旋鋼箍柱、鋼管混凝土中的核心混凝土即處于這種應(yīng)力狀態(tài)下?；炷恋某Ｒ?guī)三軸抗壓強(qiáng)度隨側(cè)壓力的加大而成倍地增長(zhǎng)（圖2-19a）。雖然不同試驗(yàn)結(jié)果有一些差異，但變化規(guī)律基本相同，可用下列強(qiáng)度關(guān)系式表示：（2-21）式中，。K值與值的大小有關(guān)。一般情況下，K值在3.0～4.0內(nèi)變化。常規(guī)三軸受壓時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2-19b。由于側(cè)向壓力約束了混凝土的橫向膨脹，阻滯縱向裂縫的出現(xiàn)和開展，在提高極限強(qiáng)度的同時(shí)，塑性變形有很大發(fā)展。應(yīng)力—應(yīng)變曲線平緩地上升。過了強(qiáng)度峰點(diǎn)，曲線緩慢下降。2、真三軸受壓（）實(shí)際結(jié)構(gòu)中的混凝土多處于復(fù)雜受力情況，有些可以簡(jiǎn)化為二軸或單軸受力工況，有些則不能，因而研究一般三軸應(yīng)力下混凝土的受力性能很有必要。圖2-20是清華大學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果。3、三軸拉/壓（T/C/C，T/T/C）該試驗(yàn)技術(shù)難度大，已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)少且離散度大。其一般規(guī)律為：混凝土三軸拉或壓強(qiáng)度分別不超過其單軸強(qiáng)度；隨受拉軸主拉應(yīng)力的增大，混凝土的第三軸抗壓強(qiáng)度很快降低。4、三軸受拉（T/T/T）第四節(jié)混凝土的疲勞性能混凝土在低于靜載強(qiáng)度的應(yīng)力多次重復(fù)作用下，可能發(fā)生突然的脆性破壞，即疲勞破壞?；炷廉a(chǎn)生疲勞破壞的原因是其內(nèi)部存在微裂縫、孔隙、低強(qiáng)界面等缺陷，在荷載作用下缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過荷載的多次重復(fù)加卸，缺陷附近出現(xiàn)損傷，并不斷地積累和擴(kuò)展，最后導(dǎo)致材料的突然破壞。

一、重復(fù)荷載作用下混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系混凝土棱柱體試件在不同壓應(yīng)力重復(fù)作用下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2-22。當(dāng)壓應(yīng)力低于混凝土的疲勞強(qiáng)度時(shí)，每次卸載和再加載的曲線都形成一封閉的滯回環(huán)，滯回環(huán)的面積隨荷載重復(fù)次數(shù)n的增多而減小。當(dāng)重復(fù)到一定次數(shù)后，加卸載的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系漸近于一直線，殘余應(yīng)變不再增大，表明混凝土內(nèi)部材料組織的變形已趨穩(wěn)定，繼續(xù)重復(fù)加卸載其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系仍維持直線，為彈性工作，不致因變形積累過大而破壞。當(dāng)混凝土的壓應(yīng)力超過疲勞強(qiáng)度后，開始重復(fù)加載時(shí)，滯回環(huán)的面積逐漸變小，加卸載曲線漸近于一直線但這是暫時(shí)的穩(wěn)定變形狀態(tài)。因?yàn)閼?yīng)力值較大，每次加載都會(huì)引起混凝土內(nèi)微裂縫不斷出現(xiàn)和發(fā)展。如繼續(xù)施加重復(fù)荷載，加卸載曲線就由凸向應(yīng)力軸轉(zhuǎn)變?yōu)橥瓜驊?yīng)變軸，加卸載曲線不再能形成封閉的滯回環(huán)，試件的變形逐漸增大，曲線的斜率減小。當(dāng)重復(fù)次數(shù)超過疲勞壽命后，混凝土因內(nèi)部損傷積累，裂縫發(fā)展相連，使變形加快增長(zhǎng)以致發(fā)散，最終引發(fā)混凝土的破壞?；炷恋钠趶?qiáng)度的定義為：構(gòu)件混凝土在給定的重復(fù)荷裁次數(shù)N作用下，所能耐受的最大應(yīng)力值。各國對(duì)不同的結(jié)構(gòu)N的取值是不一樣的。我國公路橋梁取N＝200萬次疲勞試驗(yàn)的結(jié)果作為疲勞強(qiáng)度。

二、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素疲勞壽命N——根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得到表示材料疲勞強(qiáng)度的S-N圖（圖2-24）。由于混凝土材性的不均勻等原因，疲勞試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，可按試件的疲勞破壞概率P作出等值線，即S-N-P圖。由圖可見，疲勞壽命越大，疲勞強(qiáng)度就越小。疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命的關(guān)系可用下式表達(dá)：

（2-22）式中，A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可由試驗(yàn)確定。應(yīng)力梯度——用不同偏心距e的棱柱體試件重復(fù)加卸載試驗(yàn)獲得的S-N關(guān)系如圖2-25。它表明混凝土的疲勞強(qiáng)度隨應(yīng)力梯度的增大而提高。應(yīng)力梯度為零即均勻受壓試件，全截面都處于高應(yīng)力狀態(tài)，混凝土較早出現(xiàn)損傷的概率大，疲勞強(qiáng)度理應(yīng)偏低。應(yīng)力變化幅度——應(yīng)力變化幅度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可見圖2-26b，疲勞壽命N一定時(shí)，如應(yīng)力變化幅度S較大．疲勞強(qiáng)度就較小；縮小應(yīng)力變化幅度S，可以相應(yīng)地提高疲勞強(qiáng)度。加載頻率——試驗(yàn)時(shí)的加載頻率在100次／min-900次／min之間，對(duì)混凝土疲勞強(qiáng)度無明顯影響。加裁速度很慢時(shí)，混凝土內(nèi)部微裂縫有相對(duì)較充裕的時(shí)間發(fā)展，徐變作用大，則疲勞強(qiáng)度會(huì)降低。受拉疲勞強(qiáng)度——試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是軸心受拉、劈拉和彎曲受拉的混凝土，抗拉疲勞強(qiáng)度相對(duì)值都與其抗壓疲勞強(qiáng)度相一致。但是，在拉—壓應(yīng)力反復(fù)作用下的混凝土疲勞強(qiáng)度低于重復(fù)受拉的混凝土疲勞強(qiáng)度。為了驗(yàn)算結(jié)構(gòu)中混凝土的疲勞強(qiáng)度或壽命，各國給出了多種形式的簡(jiǎn)化計(jì)算式或圖表（圖2-26）疲勞強(qiáng)度值一般偏低（偏安全）。第五節(jié)混凝土的收縮

一、產(chǎn)生收縮的原因收縮是混凝土在非荷載因素下體積變化而產(chǎn)生的變形?；炷潦畷r(shí)收縮，浸水時(shí)膨脹?；炷猎诳諝庵心毯陀不?，收縮變形是不可避免的。其主要原因有如下三個(gè)方面：

1、水泥水化生成物的體積小于原物料的體積（化學(xué)性收縮）。2、干燥收縮（物理性收縮）。

3、碳化收縮。上述原因決定了混凝土的收縮是個(gè)長(zhǎng)期過程?，F(xiàn)有資料的混凝土收縮試驗(yàn)記錄曾持續(xù)到28年?？疾?0年的收縮量隨時(shí)間的發(fā)展如表2-6。試驗(yàn)表明，收縮變形在混凝土開始干燥時(shí)發(fā)展較快，以后逐漸減慢，大部分收縮在齡期3個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)，但齡期超過20年后收縮變形仍未終止。圖2-27為我國鐵道部科學(xué)研究院所做的混凝土自由收縮的試驗(yàn)結(jié)果。

二、影響收縮的主要因素

1、水泥的品種和用量混凝土中發(fā)生收縮的主要組分是水泥石，減少水泥石相對(duì)含量可以減少混凝土的收縮。故水泥用量和水灰比越大，收縮量越大。因此一般要求水泥用量不宜大于500kg/m3，水灰比不大于0.6。另外不同品種和質(zhì)量的水泥，收縮變形值不等，如早強(qiáng)水泥比普通水泥的收縮約大10%。2、骨料的性質(zhì)、粒徑和含量骨料對(duì)水泥石的收縮起著約束作用，其數(shù)量和彈性模量都對(duì)混凝土的收縮有很大影響。骨料含量大、彈性模量高者，收縮量??；粒徑大者，對(duì)水泥漿體收縮的約束大，且達(dá)到相同稠度所需的用水量少，收縮量也小。3、養(yǎng)護(hù)條件完善和及時(shí)的養(yǎng)護(hù)、高溫濕養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)等工藝可加速水泥的水化作用，減小收縮量。養(yǎng)護(hù)不完善，存放期的環(huán)境干燥會(huì)加大收縮。4、使用期的環(huán)境條件構(gòu)件所處的環(huán)境溫度高、濕度低，會(huì)加速水分的蒸發(fā)，收縮量增大。5、構(gòu)件的形狀和尺寸三、收縮值的估算混凝土的收縮變形影響因素多，變化幅度大，一般難以準(zhǔn)確定量。對(duì)于普通的中小型構(gòu)件，收縮變形能促生表面裂縫，但由此所引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)一般不至于造成安全度的明顯降低。所以，構(gòu)件計(jì)算中不考慮收縮的影響，只采取一些附加構(gòu)造措施，如增設(shè)鋼筋或鋼筋網(wǎng)作為補(bǔ)償。對(duì)于一些重要的大型結(jié)構(gòu)，需要對(duì)混凝土收縮變形值進(jìn)行定量分析時(shí)，有條件的應(yīng)進(jìn)行混凝土試件的短期收縮試驗(yàn)，用測(cè)定值推算其極限收縮值，否則可按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供的公式和參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

課本43至44頁介紹了模式規(guī)范CEB–FIPMC90和美國《AASHTOLRFD橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的收縮值估算方法。

第六節(jié)混凝土的徐變對(duì)混凝土在齡期時(shí)施加荷載，除了加載后立即產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變外，還在荷載的持續(xù)作用下，產(chǎn)生隨時(shí)間增長(zhǎng)而不斷增加的應(yīng)變，即所謂徐變，如圖2-30?；炷恋男熳?cè)谇?-6個(gè)月發(fā)展最快，然后逐漸減慢，2-3年后的變化已不大，但其增長(zhǎng)可延續(xù)數(shù)十年，參閱表2-8。最終的收斂值稱為極限徐變。在應(yīng)力持續(xù)作用多時(shí)后卸載至零，混凝土試件有一瞬時(shí)恢復(fù)應(yīng)變（其值小于加載時(shí)瞬時(shí)應(yīng)變）。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，還有少量滯后的徐變恢復(fù)緩緩出現(xiàn)，稱為彈性后效。

一、徐變?cè)囼?yàn)通過如下試驗(yàn)可以測(cè)定混凝土試件在恒溫條件下壓力不變時(shí)的徐變值。1、試件制作徐變?cè)囼?yàn)可采用棱柱體試件或圓柱體試件，其形狀尺寸主要由骨料大小、徐變儀加載能力和現(xiàn)有試模決定。當(dāng)研究某一混凝土的徐變特性時(shí)，應(yīng)至少制備4組徐變?cè)嚰?。參考的加載齡期可取7d、14d、28d、90d。2、試驗(yàn)設(shè)備（1）徐變儀其基本形式如圖2-31所示。（2）加荷裝置包括加荷架、千斤頂及測(cè)力裝置。（3）變形測(cè)量裝置（4）恒溫恒濕室

3、試驗(yàn)步驟先對(duì)同條件養(yǎng)護(hù)的棱柱體抗壓試件加載，測(cè)得混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度。一般取徐變應(yīng)力為棱柱體抗壓強(qiáng)度的30%-40%。徐變?cè)囼?yàn)時(shí)，把徐變?cè)嚰旁谛熳儍x的下壓板上，此時(shí)應(yīng)保證試件、加荷千斤頂，測(cè)力計(jì)及徐變儀的軸線重合。按下列試驗(yàn)周期（由試件加荷時(shí)起算）測(cè)定混凝土試件的變形值：1、3、7、14、28、45、60、90、120、150、180、360d。應(yīng)當(dāng)注意的是，在測(cè)讀徐變變形的同時(shí)，應(yīng)測(cè)定同條件放置的收縮試件的收縮值?；炷恋男熳冎祽?yīng)按下式計(jì)算：（2-30）式中：——加荷天后的混凝土徐變值；——加荷t天后混凝土的總變形值；——加荷t天后混凝土初始變形值；——測(cè)量標(biāo)距；——同齡期混凝土的收縮值。

二、徐變機(jī)理徐變是在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，而收縮的產(chǎn)生則與應(yīng)力無關(guān)。收縮、徐變的機(jī)理都與混凝土中水泥石的特性相關(guān)。一般認(rèn)為，混凝土在承受應(yīng)力后的瞬時(shí)變形，主要是骨料和水泥砂漿的彈性變形；徐變則主要是水泥凝膠體的粘性流動(dòng)，以及骨料界面和砂漿內(nèi)部微裂縫發(fā)展的結(jié)果。內(nèi)部水分的蒸發(fā)也產(chǎn)生附加的干縮徐變。與此類似，混凝土卸載后的瞬時(shí)和滯后恢復(fù)變形，有著相應(yīng)而相反的作用。與徐變相平行的現(xiàn)象是松弛。當(dāng)混凝土在齡期時(shí)，施加荷載后產(chǎn)生應(yīng)變。此后，若保持此應(yīng)變值不變，則混凝土的應(yīng)力將隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減?。▓D2-32），這就是應(yīng)力松弛。三、影響混凝土徐變的主要因素歸納起來可分為內(nèi)部因素和外部因素兩類。1、原材料和配合比（1）混凝土中水泥用量大或水泥漿含量大，則水泥凝膠體在混凝土組分中所占比例越大，徐變也就越大。（2）不同品種的水泥在同一齡期加荷時(shí)，水泥的水化程度（即成熟度）越大，水泥石的結(jié)構(gòu)越密實(shí)，徐變就越小。所以早強(qiáng)水泥的徐變比普通水泥小。（3）骨料對(duì)水泥石的變形起約束作用，約束程度取決于骨料的硬度（彈性模量）和含量。骨料的彈性模量越小，或骨料含量越小，則徐變?cè)酱蟆?/p>

（4）混凝土水灰比是影響徐變的主要因素。水灰比大的混凝土，水泥顆粒間距大、孔隙多、毛細(xì)管孔徑大、質(zhì)松、強(qiáng)度低，徐變就較大。2、應(yīng)力水平混凝土的徐變與應(yīng)力水平有關(guān)（圖2-33）：（1）時(shí)為線性徐變，即徐變與應(yīng)力成正比，且應(yīng)力長(zhǎng)期作用下徐變收斂，此時(shí)徐變主要由水泥凝膠體的滯性流動(dòng)引起。（2）時(shí)為非線性徐變，即徐變較應(yīng)力增大得快，此時(shí)除了凝膠體的滯性流動(dòng)外，另有微裂縫的發(fā)生和發(fā)展，致使變形不斷增大，但微裂縫基本處于穩(wěn)定擴(kuò)展階段，徐變有極限值。

（3）時(shí)，混凝土在高應(yīng)力持續(xù)作用下，一段時(shí)間后會(huì)因徐變發(fā)散而發(fā)生破壞，因?yàn)榇藭r(shí)徐變主因是微裂縫的擴(kuò)展和逐步貫通，故混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度約為。

3、加荷時(shí)的齡期混凝土徐變隨加荷齡期的增長(zhǎng)而減小。在早齡期，由于水泥水化正在進(jìn)行，強(qiáng)度很低，故徐變較大。隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥不斷水化，水泥凝膠體所占比例越來越小，強(qiáng)度也不斷提高，故加載時(shí)混凝土的齡期較大，徐變就較?。▓D2-34）。4、制作和養(yǎng)護(hù)條件混凝土振搗密實(shí)，養(yǎng)護(hù)條件好，特別是蒸汽養(yǎng)護(hù)后成熟快，則徐變減小。5、使用期的環(huán)境條件圖2-35a表示環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)徐變的影響。構(gòu)件周圍環(huán)境的相對(duì)濕度越低，因水分蒸發(fā)的干縮徐變就越大。圖2-35b是A.M.Nevilles試驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度對(duì)徐變的影響。6、構(gòu)件的尺寸構(gòu)件的尺寸越小，或體表比越小，混凝土水分蒸發(fā)快，徐變就越大。處于密封狀態(tài)的混凝土，水分不會(huì)蒸發(fā)，構(gòu)件尺寸不影響徐變值。

四、徐變值的估算混凝土的徐變因?yàn)橛绊懸蛩囟?，變化幅度大，試?yàn)數(shù)據(jù)離散，不易準(zhǔn)確地計(jì)算，一般情況下可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的近似計(jì)算方法考慮。對(duì)于一些重要的和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求有比較準(zhǔn)確的混凝土徐變值及其隨齡期的變化規(guī)律，比較可靠的辦法是用相同的混凝土制作試件，直接進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn)和量測(cè)，或者用短期的量測(cè)數(shù)據(jù)推算長(zhǎng)期徐變值。在缺乏試驗(yàn)條件的情況下，一般采用擬合已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。課本中簡(jiǎn)要介紹了模式規(guī)范CEB–FIPMC90和美國《AASHTOLRFD橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的徐變值估算方法。見課本49頁。一般徐變變形比瞬時(shí)彈性變形大1～3倍，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中徐變是一個(gè)不可忽略的重要因素。徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響有有利方面，也有不利方面。概括如下：（1）大跨度構(gòu)件的受壓區(qū)徐變會(huì)增大其撓度。（2）徐變會(huì)增大偏壓柱的撓曲，使偏心距增大，降低柱的承載力。（3）預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，徐變會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。（4）在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)，徐變能使截面上應(yīng)力重分布，減小應(yīng)力集中程度。（5）對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，徐變將導(dǎo)致內(nèi)力重分布，即引起結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力。要計(jì)算徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，一般需選用合適的徐變計(jì)算理論和力學(xué)公式，并結(jié)合實(shí)際施工過程，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。第七節(jié)高性能混凝土前面各節(jié)介紹的混凝土強(qiáng)度和變形性能，主要針對(duì)常用的普通結(jié)構(gòu)混凝土。普通混凝土自重大，易開裂，是其一大缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展，一方面，混凝土結(jié)構(gòu)工程向更高建筑、更大跨度和更大負(fù)載能力的方向發(fā)展；另一方面，對(duì)各種在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的特種結(jié)構(gòu)，如海上采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆等的需求也在不斷增加。這些混凝土工程的施工難度大，耐久性要求高，一旦出現(xiàn)事故，后果十分嚴(yán)重。因此高性能混凝土的研制和應(yīng)用勢(shì)在必然。目前國際上已廣泛認(rèn)識(shí)到，高性能混凝土具備足夠的耐久性、工作性和強(qiáng)度，并且能在經(jīng)濟(jì)合理的條件下制備，其優(yōu)越的性能大大地?cái)U(kuò)展了混凝土在工程中的應(yīng)用范圍，已經(jīng)成為今后混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹高性能混凝土的性能要求、技術(shù)途徑、力學(xué)性能及其應(yīng)用和發(fā)展。

一、對(duì)高性能混凝土性能的要求高性能混凝土（HPC）為具有特定性能要求的勻質(zhì)混凝土，其高性能包括：易澆搗而不離析，力學(xué)性能穩(wěn)定，早期強(qiáng)度高，韌性高和體積穩(wěn)定性好，在惡劣的環(huán)境中使用壽命長(zhǎng)。各國對(duì)高性能混凝土的理解和要求不完全一樣，但新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的強(qiáng)度和耐久性，這三者是構(gòu)成高性能混凝土的基本要素。其中優(yōu)良的耐久性是其首要的技術(shù)指標(biāo)。

1、新拌混凝土的工作性新拌混凝土的工作性是指拌和物在攪拌、運(yùn)輸、澆注等過程中都能均勻、密實(shí)而不分層離析的性能。它包括流動(dòng)性、粘聚性、保水性三個(gè)方面。流動(dòng)性大，則拌和物易于均勻密實(shí)地填滿模型、便于施工，以坍落度來評(píng)價(jià)；粘聚性好，則拌和物不易產(chǎn)生離析分層，能保持整體均勻；保水性好，則拌和物具有保持一定水分并不使其泌出的能力。為使高性能混凝土便于施工，要求新拌混凝土具有高流動(dòng)性，目前工程中采用的泵送混凝土和免振搗自密實(shí)混凝土都屬高流態(tài)混凝土。但是流動(dòng)性好、坍落度大的混凝土，很容易產(chǎn)生離析、泌水，失去均勻性和穩(wěn)定性。要解決這一矛盾，需要使用高效減水劑、超塑化劑、增粘劑等外加劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉等摻合料，使新拌混凝土的塑性、粘性、流動(dòng)性、抗離析性達(dá)到協(xié)調(diào)的統(tǒng)一。另外，在能滿足施工操作的工作度條件下，應(yīng)盡可能降低坍落度。按照日本規(guī)范JASS5規(guī)定，高性能混凝土的塌落度一般為18cm～21cm。2、高性能混凝土的強(qiáng)度在高層建筑底層柱和大跨度橋梁等允許減小斷面的構(gòu)件部位，應(yīng)盡量采用強(qiáng)度高的混凝土。資料顯示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C40提高到C80時(shí)，造價(jià)約增加50%，而承載能力可提高1倍左右。由于具有減小斷面、降低結(jié)構(gòu)物自重等優(yōu)勢(shì)，高強(qiáng)混凝土在國內(nèi)外發(fā)展很快。出于耐久性的考慮，高強(qiáng)混凝土又逐漸發(fā)展成高強(qiáng)度的高性能混凝土。目前國內(nèi)外多數(shù)研究者認(rèn)為高性能混凝土必須是高強(qiáng)混凝土（C50以上），而高強(qiáng)混凝土未必是高性能混凝土。劃分高強(qiáng)混凝土的年標(biāo)準(zhǔn)，是與各國的混凝土工程技術(shù)水平相關(guān)的。我國將強(qiáng)度等級(jí)為C50及以上的混凝土劃分為高強(qiáng)混凝土。3、高性能混凝土的耐久性長(zhǎng)期以來，混凝土一直被看成堅(jiān)固耐久的材料，但實(shí)踐證明普通混凝土并不總是耐久的?；炷猎谑褂闷陂g，由于環(huán)境中的水、氣體和有害介質(zhì)浸入，產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)而逐漸劣化?；炷恋哪途眯约吹挚惯@種劣化的能力，主要包括：抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗凍性、耐磨性、抗碳化性、抗堿—骨料反應(yīng)等。產(chǎn)生這些劣化的內(nèi)因是混凝土的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)；外因是環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)和水的存在；必要條件是侵蝕性介質(zhì)和水能逐漸浸入混凝土內(nèi)部。所以要保證混凝土的耐久性，就必須使混凝土密實(shí)度高且不產(chǎn)生原生裂縫；硬化后體積穩(wěn)定而不產(chǎn)生收縮裂縫；同時(shí)減少混凝土內(nèi)部產(chǎn)生侵蝕的組分。高性能混凝土是一種耐久性優(yōu)異的混凝土，耐久性可達(dá)百年以上，是普通混凝土的3～10倍。

二、獲得高性能混凝土的技術(shù)途徑要獲得高性能混凝土，最重要的技術(shù)手段是使用新型高效減水劑和超細(xì)礦物質(zhì)摻合料。另外，選擇原材料的品種和質(zhì)量、采用合理工藝參數(shù)和控制施工工藝也是使混凝土具有高性能的重要保證。

1、水膠比所謂水膠比即水與膠凝材料的質(zhì)量之比。通常水泥充分水化所需的水膠比約為0.2。但是，為了使新拌混凝土滿足施工和易性（或坍落度）要求，常采用更大的水膠比。由于用水量的增加，使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙，從而降低混凝土的強(qiáng)度及耐久性。因此，配制高性能混凝土的重要措施是減小水膠比，使混凝土密實(shí)性提高，其強(qiáng)度和耐久性可顯著增長(zhǎng)。一般水膠比選擇在0.4以下。2、高效減水劑水灰比越小，混凝土強(qiáng)度越高，但其流動(dòng)性越差。這就是為什么早期的高強(qiáng)混凝土都是干硬性、施工困難的原因。高效減水劑的問世，才使混凝土的高強(qiáng)和高流態(tài)變得相當(dāng)容易，使高強(qiáng)混凝土的廣泛應(yīng)用成為可能。高效減水劑是表面活性劑，在攪拌混凝土?xí)r摻入，吸附在水泥顆粒的表面，可使顆粒分散，大大提高水泥漿的流動(dòng)性，使得低水灰比配制的混凝土具有高坍落度。高效減水劑賦予混凝土高密實(shí)度即高強(qiáng)度、高耐久性，同時(shí)具有優(yōu)異的施工性能。3、礦物質(zhì)超細(xì)粉礦物質(zhì)超細(xì)粉是HPC中不可缺少的組