混凝土徐變的理論研究綜述

劉寶興 劉志剛

1蘇州科技學院土木工程學院（215011） 2青島正商置業有限公司（266000）

混凝土是一種人造復合材料,該特性決定了混凝土比其它單一性結構材料的力學性能更復雜。所謂徐變是指混凝土結構在持續荷載的長期作用下,其變形將隨時間不斷增加的現象。從19世紀第一次觀測到混凝土的收縮和1907年Hatt首先發現混凝土的徐變至今,國內外一大批研究專家和學者對這一課題進行了長期的研究，雖然已經取得了一些重要的成績，但由于混凝土徐變機理十分復雜且影響因素眾多,故混凝土的徐變問題還遠沒有被完全掌握[1]。

1 對混凝土徐變的認識過程

19世紀20年代,隨著波特蘭水泥在英國的出現，從此混凝土結構在世界范圍內得到了迅猛的發展和快速應用。然而，直到20世紀初，人們對混凝土的徐變現象才有了初步的認識，直到20世紀30年代才開始對它的系統研究，應用于實際結構則更晚[2]。1907年，美國材料試驗學會首先報道了鋼筋混凝土梁的徐變資料。1917年，史密斯在美國混凝土學會（ACI）雜志上發表了混凝土徐變及徐變恢復的試驗成果,直到1931年戴維斯等人對混凝土的徐變性能進行了系統的研究之后，才對徐變性能有了較明確的認識[3]。經過試驗研究取得的資料積累與幾十年的工程實踐經驗，人們對混凝土的徐變研究工作已經取得了很大的進展。

2 混凝土的徐變機理

曾有不少學者提出各種理論和假設來說明混凝土徐變的機理，但迄今為止還沒有一種理論能完全解釋混凝土的徐變現象[4]。通常認為在應力不大的情況下，混凝土凝結硬化后，骨料之間的水泥漿，一部分為完全彈性結晶體，另一部分是填充在晶體間的凝膠體。在施加荷載的瞬間，結晶體與凝膠體共同承受荷載，隨著時間的推移，凝膠體由于黏性流動而逐漸卸載，此時結晶體承受更多的力并產生彈性變形。在應力較大的作用條件下，混凝土內部微裂縫在荷載長期作用下不斷發展和增加，也是導致混凝土徐變變形的原因[5]。

解釋混凝土徐變機理的理論很多，這些理論主要有滲出理論、黏彈性理論、黏性流動理論、塑性流動理論、微裂縫理論以及內力平衡理論等[3]。其中有些理論由于提出的時間較早，經過時間的檢驗不能消除各自的缺點和不足,如今已很少提及。以下就認可度比較普遍的黏性流動理論、塑性流動理論和微裂縫理論分別進行闡述。

2.1 黏性流動理論

黏性流動理論[6]由托馬斯在1937年首先提出。他認為∶混凝土可分為兩部分，一部分為荷載作用下產生黏性流動的水泥漿體，另一部分為荷載作用下不發生流動的惰性骨料。當混凝土受荷載時，水泥漿體的流動受到骨料的阻礙，結果骨料承受到較高的應力,而水泥漿體受到的應力隨時間而減小。由于水泥漿體的徐變和加荷應力成正比，因此，隨著加荷應力從水泥漿體逐漸轉移到骨料來承受，從而徐變速率將逐漸減小。

2.2 塑性流動理論

該理論[3]認為，混凝土徐變與金屬材料晶格滑動的塑性變形極為相似。當加荷應力超過金屬材料的屈服點后，塑性變形就會發生。實用的晶格滑動理論是在1939年由格拉維爾等人建立的,他們認為,在低應力作用下混凝土的徐變是黏性流動，但在高應力作用下，混凝土的徐變則是塑性流動。

2.3 微裂縫理論

微裂縫理論[3]認為，在多相混凝土組成材料的界面上，受荷之前黏結微裂縫就已經存在。在正常應力范圍內，裂縫界面通過摩擦傳遞荷載，微裂縫僅增加一些徐變。當荷載超過正常工作應力時，界面上黏結微裂縫就會擴展并產生新的裂縫；當荷載續增加，還會產生少量穿越骨料的裂縫，最后各種裂縫迅速發展并逐漸貫通。

3 影響混凝土徐變的主要因素

3.1 水泥

水泥品種本身對混凝土徐變的直接影響很小，水泥品種對徐變的影響主要表現為它對混凝土強度有影響。蘇聯學者沙塔林曾進行水泥熟料礦物組成對混凝土徐變的影響試驗[7]，該試驗發現水泥熟料中硅酸二鈣（C2S）和硅酸三鈣(C3S)的含量對混凝土徐變影響較大,徐變隨C2S含量的增加而增大，隨C3S含量的增加而減小。

3.2 骨料

通常認為混凝土中的骨料是惰性的，一般不參與徐變過程,但其對水泥石的變形有約束作用，約束的程度取決于骨料的剛度和其所占混凝土體積的百分比。骨料的剛度和體積含量越大，混凝土的徐變量就越小。骨料的孔隙率也影響混凝土的徐變，孔隙率越大，徐變也越大[8]。

3.3 水灰比

水灰比[3]是影響混凝土徐變的主要因素。水灰比大的混凝土，水泥顆粒間距大、孔隙多，徐變就大。瓦格納的研究結果表明，水灰比在0.4~0.6范圍內,徐變與水灰比成線性關系;但水灰比在0.35~0.85范圍內，徐變與水灰比成曲線關系。原蘇聯學者烏里茨基等人認為，混凝土極限徐變度和水灰比的平方成正比，即為比例常數與混凝土中的水泥用量有關。

3.4 加荷齡期

混凝土徐變隨加荷齡期的增長而減小。在早齡期，由于水泥水化正在進行，強度較低，故徐變很大。隨著齡期的增長，水泥不斷水化，強度也不斷提高，故晚齡期徐變較小[3]。

3.5 相對濕度

相對濕度[3]是影響混凝土徐變的最重要的外部因素之一。對于給定的混凝土，周圍環境的相對濕度越低，徐變越大。混凝土徐變隨相對濕度的增加而減小;而徐變速率隨相對濕度的降低而增大，但在兩年之后，徐變速率與相對濕度基本無關。

4 結語

國內外對于混凝土徐變的研究已歷時多年，各種影響因素、產生機理也都有了一定的研究。本文總結了國內外學者和科研機構所提出的各種混凝土徐變機理理論，在此基礎上討論了影響混凝土徐變的多種因素。由上述分析得出，現今混凝土徐變機理理論尚不完善，急需一種機理理論來解釋混凝土的徐變現象。隨著力學和計算機技術的不斷發展，相信通過大量的試驗和研究，會找到更好的徐變機理理論。

[1]卓旬,梅明榮.混凝土徐變計算理論和方法綜述[J].水利與建筑工程學報,2012,10(2):14~19.

[2]任志國.淺談混凝土徐變[J].四川建材,2011,37(5):27~29.

[3]黃國興,惠榮炎,王秀軍.混凝土徐變與收縮[M].北京:中國電力出版社,2011,11.

[4]蘇永章,劉文博,楊高平.淺析混凝土裂縫成因及控制[J].河南建材,2011(6):117~118.

[5]程文瀼,顏德姮,王鐵成等.混凝土結構設計原理(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2008:18~21.

[6]姚炎炎.混凝土徐變問題分析[J].廣東建材,2010(3):41~44.

[7]劉數華,馮安勇.混凝土的徐變研究綜述[J].紅水河,2006,25(3):118~120.

[8]侯爵.混凝土徐變的影響因素分析[J].科技信息,2011(35):232~233.