混凝土的潛變與收縮

混凝土的潛變與收縮是混凝土的兩種物理性質,是應用混凝土時需要考量的變因。混凝土如果長時間受應力,便會緩慢變形,移除持續施予的力之後,變形只有部分會恢復,可以恢復的變形稱為彈性變形,不能恢復、永久的變形稱為潛變。而在沒有受力的情況下,混凝土水含量變多或變少也會使混凝土的體積變化,稱為膨脹與收縮。

機制
潛變
混凝土的潛變為其中水泥的矽酸鈣水合物(C-S-H)在持續受應力下緩慢流動引起。

水泥漿漿體由固體的水泥凝膠(cement gel)組成,水泥凝膠又由矽酸鈣水合物形成的薄片以及薄片之間大量的空隙(大約佔凝膠40%至55%的體積)組成。
這些空隙中含有會蒸發的層間水,水會對孔壁施加分離壓力(disjoining pressure),並削弱薄片與薄片之間的結合力。
混凝土受力造成薄片之間滑動可能就是潛變的原因。

同樣的應力下,潛變(永久變形)通常是彈力變形(去除載荷後可恢復的變形)的三倍。只要將乾燥收縮的混凝土泡水一段時間就可以回復部分體積。乾燥收縮的機制與潛變關係密切
*塑性收縮(Plastic Shrinkage):混凝土表面與內部蒸發速率不一致,導致收縮的速率也不一致,造成開裂的現象,稱為塑性收縮。
*自體收縮(Autogenous Shrinkage):水分被混凝土中的水泥吸收,導致孔隙中的水分減少而收縮。水灰比過低的混凝土特別容易因自收縮而開裂。
並非因為水分變化造成體積變小的收縮:
*碳化收縮(Carbonation Shrinkage):矽酸鈣水合物會與大氣中的二氧化碳發生反應產生碳酸鈣、二氧化矽和水。碳酸鈣晶體的排列方式使混凝土體積縮小。

變因
如果在混凝土中混入足夠多的骨料的話,可以抑制水泥凝膠的潛變和收縮,因為骨料的蠕變較不明顯。
孔隙水含量小或孔隙濕度低時的潛變較小,而完全乾燥的混凝土不會潛變。

混凝土加載(受應力)時,材料年齡越大,潛變越小,這是因為混凝土會隨著時間越來越乾燥的關係。大部分的應變都發生在受力前期,大約有四分之一到三分之一的潛變發生在第一個月,並且大約一半到四分之三的總潛變會發生在持續載荷的前半年。

另外,乾燥過程的水分變化越劇烈,從濕潤到完全乾燥中間的潛變總量也會越多。較大試體乾燥較緩慢,因水分含量變化引起的潛變較小,所以潛變總量會較少,收縮總量也較少。
本構方程
混凝土的本構方程中可以出現的變量有溫度、材料年齡、水化程度、孔隙濕度(與環境濕度有關)和孔隙水含量。這些變量被稱為狀態變量(state variables),是可以用來描述材料中任何一點的點屬性的變量。
試體尺寸雖然也會影響潛變,但不列在本構方程中。環境濕度是影響孔隙濕度的條件之一,因為本構方程中已經包含孔隙濕度了,所以環境濕度就不會出現在本構方程中。
應用
參考資料

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