丁孝斌 吳昊天 胡成杰

（1.重慶交通大學(xué)，重慶 404100；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113006；3.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310000）

隨著鋼管混凝土拱橋建設(shè)的興起，核心混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的不利影響也日漸明顯。鋼管混凝土收縮徐變會(huì)導(dǎo)致拱肋截面產(chǎn)生應(yīng)力重分布，即鋼管應(yīng)力增大，核心混凝土應(yīng)力減小[1]；在變形上會(huì)導(dǎo)致主拱圈下?lián)?。因此?duì)鋼管混凝土收縮徐變效應(yīng)的準(zhǔn)確計(jì)算就顯得尤為重要?；炷岭S時(shí)間而改變的效應(yīng)性質(zhì)，我們稱為混凝土的收縮徐變效應(yīng)。在計(jì)算鋼管混凝土構(gòu)件的收縮徐變效應(yīng)時(shí)，最主要的是準(zhǔn)確地確定出混凝土收縮及徐變效應(yīng)的最終值，而在計(jì)算該種效應(yīng)時(shí)，其產(chǎn)生的誤差主要取決于混凝土收縮徐變計(jì)算模式和分析方法的選取。鋼管混凝土收縮徐變的機(jī)理和影響因素較多[1]，對(duì)該機(jī)理及影響因素的了解，對(duì)鋼管混凝土收縮徐變計(jì)算模型和計(jì)算分析方法的合理選取具有較大的指導(dǎo)意義。

1 混凝土收縮徐變的基本概念

徐變屬于非彈性變形，該種變形是在荷載作用下產(chǎn)生并與時(shí)間有關(guān)，變形在力的作用下會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變大[2]，荷載施加歷史、加載齡期、濕度、溫度、混凝土的種類及配合比等因素都會(huì)對(duì)徐變總量的多少產(chǎn)生不可忽略的影響?；炷恋幕拘熳冾愋褪菃屋S壓縮。徐變的基本機(jī)理可以在水泥膠凝體連同膠體水的滯后彈變或粘稠變形下得到很好的闡釋。當(dāng)荷載作用較長(zhǎng)一段時(shí)間時(shí)，瞬時(shí)彈性變形相對(duì)于徐變應(yīng)變來講，可以僅僅占到一半都不到，在某些情況下所占比例可能會(huì)更小。

水泥凝膠體中游離水蒸發(fā)使混凝土休積減小的物理化學(xué)現(xiàn)象稱為混凝土的收縮，該現(xiàn)象與受荷無關(guān)，只與時(shí)間相關(guān)。收縮效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致混凝土體積縮小，縮小原因可以歸結(jié)為膠凝體中所含水分的蒸發(fā)或者其它與受力無關(guān)的化學(xué)物理因素。

2 混凝土徐變與收縮的機(jī)理

荷載的作用只會(huì)使混凝土發(fā)生徐變但不會(huì)產(chǎn)生收縮。盡管收縮、徐變這兩種效應(yīng)的特點(diǎn)不同，但均與混凝土內(nèi)水化水泥漿的特性有關(guān)。在本質(zhì)上，其產(chǎn)生的機(jī)理原因是一樣的。構(gòu)成混凝土的水泥漿的物理結(jié)構(gòu)決定著混凝土徐變、收縮的機(jī)理，該機(jī)理與其化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。

2.1 混凝土的收縮機(jī)理

導(dǎo)致混凝土發(fā)生收縮的機(jī)理可歸結(jié)為[3]:

（1）自發(fā)收縮。這種情況下，水分的轉(zhuǎn)移沒有發(fā)生，在水泥和水起化學(xué)反應(yīng)生成水泥水化物的過程中，體積會(huì)自然而然地縮小，該收縮效應(yīng)是由水化反應(yīng)引起的。但混凝土收縮量在該種反應(yīng)作用下產(chǎn)生的比較小。

（2）干燥收縮。在該種收縮類型中，混凝土中的吸附水受到相對(duì)干燥的外部環(huán)境影響，從而蒸發(fā)導(dǎo)致的。干燥收縮在混凝土收縮應(yīng)變中占得比重較大。

（3）碳化收縮。產(chǎn)生的原因是大氣中的二氧化碳與水泥水化物發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

2.2 混凝土的徐變機(jī)理

在對(duì)徐變產(chǎn)生機(jī)理的研究分析中，以前就有學(xué)者對(duì)此作出不同的理論假定，可惜的是，到現(xiàn)在為止，人們還沒有對(duì)其中的一個(gè)觀點(diǎn)產(chǎn)生普遍的接受。第209 委員會(huì)（隸屬于美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)）在1972年作了一份關(guān)于混凝土徐變機(jī)理的報(bào)告：

（1）吸附水層的潤(rùn)滑再加上應(yīng)力的作用，水泥石在水泥膠凝體的剪切或滑動(dòng)錯(cuò)位作用下會(huì)產(chǎn)生粘稠變形。

（2）在力的作用下,混凝土當(dāng)中層間水的轉(zhuǎn)移或吸附水的參流導(dǎo)致的緊縮。

（3）膠體結(jié)晶和骨料構(gòu)成的骨架的彈性變形會(huì)受到水泥膠凝體的約束作用，該種變形從而變成滯后彈性變形。

在1983年Neville 教授出版的著作[4]中有寫到，盡管現(xiàn)有較多的徐變理論，但這些徐變理論對(duì)于徐變機(jī)理的闡述是不盡相同的。有一種普遍為人們所接受的觀點(diǎn)是：收縮、徐變產(chǎn)生的原因是一樣的，徐變效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)。但這種說法在某種方面還是有分歧，即其不一定是徐變的真正原因，或許對(duì)膠凝體的運(yùn)動(dòng)只產(chǎn)生了細(xì)微的促進(jìn)作用。較多人認(rèn)為混凝土的外部環(huán)境較干燥時(shí)，內(nèi)部的能夠蒸發(fā)的水分會(huì)逸出到外界。徐變發(fā)生的速度會(huì)隨著外部環(huán)境濕度的降低而增大。且變形會(huì)沿著荷載施加的方向發(fā)生。內(nèi)部水分向外的轉(zhuǎn)移會(huì)隨著內(nèi)外部環(huán)境的濕度達(dá)到平衡時(shí)而停止。這時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)受到力的作用，就只有基本徐變，而無干燥徐變。水泥膠凝體連同膠體水的粘稠變形或滯后彈變被人們正常理解為混凝土基本徐變的產(chǎn)生機(jī)理。因而水分轉(zhuǎn)移和初期徐變有關(guān)聯(lián)。初期徐變受到水分轉(zhuǎn)移的影響是什么，還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。

3 混凝土徐變與收縮的影響因素

混凝土的收縮、徐變與很多因素有關(guān)，總的能夠分為兩種：內(nèi)，外部?jī)煞N因素。內(nèi)部因素可以總結(jié)為：骨料、水灰比、水泥品種、灰漿率以及外加水泥混合物等；加載應(yīng)力、持荷時(shí)間、加載齡期、環(huán)境相對(duì)濕度與溫度、空氣含量等歸屬于外部因素。

3.1 內(nèi)部因素

（1）水泥品種

混凝土的強(qiáng)度在加載時(shí)受到水泥品種的影響，故而影響了徐變。在結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力，加載齡期和其他條件一定的情況下，徐變的發(fā)生量隨混凝土強(qiáng)度發(fā)展速度的增大而減小。

（2）骨料

混凝土中的骨料不會(huì)參與結(jié)構(gòu)的收縮徐變，相反會(huì)對(duì)水泥石變形導(dǎo)致的徐變效應(yīng)起到約束作用，約束作用隨著骨料的剛度及所占體積比例的增大而加強(qiáng)。骨料體積百分比為60 所產(chǎn)生的徐變是骨料體積百分比為75 的兩倍。

（3）水灰比

在正常情況下，混凝土中水泥漿含量會(huì)隨著水灰比的改變而改變。在水泥漿的比重和初應(yīng)力全部相同的情況下，徐變會(huì)隨著水灰比的降低而降低。

（4）灰漿率

灰漿率是指單位體積混凝土中水泥漿所占的百分比。試驗(yàn)結(jié)果表明，灰漿率越大則混凝土的徐變量也越大。

（5）加勁水泥混合物

纖維的摻入會(huì)使水泥砂漿以及素混凝土的徐變較原來減少很多。

3.2 外部因素

（1）加載齡期

加載齡期越久，混凝土產(chǎn)生的總徐變?cè)酱?。?dāng)混凝土加載初期，水泥水化不充分，混凝土強(qiáng)度較低，產(chǎn)生的徐變速率較快。但隨著加載齡期的增長(zhǎng)，水泥強(qiáng)度隨著水化的逐漸充分而提高了，徐變效應(yīng)也越來越不明顯。

（2）加載應(yīng)力

混凝土的徐變和應(yīng)力成正比例關(guān)系，在混凝土的加載應(yīng)力與其強(qiáng)度比不超過0.4 時(shí)的條件下成立。當(dāng)超過該比例時(shí)，徐變速率隨著應(yīng)力強(qiáng)度比的增大而陡增，該關(guān)系也有正比例關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系。

（3）持荷時(shí)間

混凝土的徐變?cè)诤奢d的持續(xù)作用下會(huì)逐漸增加，但速率會(huì)逐漸降低。混凝土的徐變效應(yīng)一般持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，但在兩年時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)徐變均可完成。

（4）工作環(huán)境的溫度和濕度

外部環(huán)境的相對(duì)溫濕度是最能影響混凝土徐變效應(yīng)的因素之一。在加載才作用時(shí)，外部環(huán)境的相對(duì)濕度較低，徐變會(huì)因此受到很大的影響。當(dāng)混凝土的內(nèi)外部濕度達(dá)到平衡時(shí)，由濕度產(chǎn)生的影響便逐漸消失。

（5）空氣含量

空氣含量的變化也會(huì)影響混凝土的徐變，其隨空氣含量的增大而增大?？諝夂堪俜直葹?.4 的混凝土在養(yǎng)護(hù)28 天開始持續(xù)加載一年時(shí)，所產(chǎn)生的徐變比空氣含量百分比為1.7 的混凝土要大大約40%。

結(jié)語：本文在國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)混凝土收縮徐變效應(yīng)研究分析的基礎(chǔ)上，闡述了混凝土收縮徐變的基本概念，產(chǎn)生的機(jī)理以及所受的影響因素。由上述總結(jié)可以得出以下主要結(jié)論：1）徐變是一種與時(shí)間、所受荷載有關(guān)的非彈性變形，即在應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的發(fā)展混凝土徐變量而增大的現(xiàn)象；收縮是指混凝土內(nèi)部游離水蒸發(fā)，從而導(dǎo)致休積縮小的一種物理化學(xué)現(xiàn)象，該變形與荷載無關(guān)，僅隨時(shí)間而改變。2）混凝土的收縮機(jī)理有碳化收縮、自發(fā)收縮、干燥收縮三種，其中干燥收縮為收縮應(yīng)變的主要部分。而在混凝土徐變機(jī)理的認(rèn)識(shí)方面，人們還未形成共識(shí)。3）影響混凝土收縮徐變效應(yīng)的因素可分為內(nèi)外部?jī)煞N，內(nèi)部因素可歸為配合比，外部因素主要為加載齡期與持荷時(shí)間。要想準(zhǔn)確選取混凝土收縮徐變的計(jì)算分析方法與計(jì)算模式，務(wù)必要在混凝土收縮徐變機(jī)理以及所受影響因素方面有較為清晰的認(rèn)識(shí)。