UHPC的徐变性能

发布时间：2018-01-29

文：邱明红邵旭东

复核：黄政宇

引言

徐变是指在一定的应力水平下保持荷载不变，随着时间的延续而增加的变形。混凝土在外部荷载作用下瞬间产生的变形为近似弹性变形，之后随持载时间延长而增加的变形为徐变变形。对于普通混凝土而言，徐变变形通常比弹性变形大1~3倍。徐变对混凝土结构可能存在不利影响，如徐变会引起预应力混凝土结构的预应力损失，会增加梁的挠度等等。因此在普通混凝土结构设计中徐变是一个不可忽略的重要因素。那么对于超高性能混凝土（UHPC）这种低水胶比、具有致密微观结构的水泥基复合材料而言，其徐变性能又有什么样的特点？在结构设计中应该如何考虑？

本期，将从概述、机理、影响因素、各国UHPC规范规定等四个方面与大家分享UHPC的徐变性能研究成果。

1 概述

混凝土的徐变变形受干燥环境和荷载条件共同作用，徐变变形与收缩变形同时发生。通常将荷载作用下混凝土的总变形减去无荷载混凝土的体积变形（干燥收缩）即为总徐变变形。混凝土在密封条件下（与周围介质无水分交换）受持续荷载产生的徐变为基本徐变，从总徐变值中减去基本徐变后的变形为干燥徐变（混凝土在承受荷载时，由于试件内部水分变化造成的徐变），如图 1所示，存在如下关系：

总变形=总徐变+干燥收缩=（基本徐变+干燥徐变）+干燥收缩

图 1 混凝土在荷载与干燥共同作用下的徐变

在外部荷载作用下，混凝土立即产生瞬时弹性变形，随着时间的增长，混凝土产生徐变变形，徐变变形速率在加载早期较快，然后逐渐减慢，如图 2所示。在荷载除去后，部分变形瞬时内恢复，即为弹性恢复变形，此变形小于加载初期产生的瞬时弹性变形；随着卸载时间的增长，还会逐渐产生一部分恢复变形，此过程为徐变恢复；最后还会有大部分的变形不能恢复，这部分为残余变形。

图 2 混凝土的徐变与恢复

混凝土的徐变特性常用徐变系数和徐变度来表征。

徐变系数是指混凝土徐变值与加荷时产生的瞬间弹性变形值的比值，即

徐变度是指单位应力下混凝土徐变变形，也称为比徐变，即

当荷载持续时间无限延长时，徐变值将趋向于一恒定极限值，这时徐变系数用ψ∞表示，这时在应力作用下混凝土产生的全部变形ε∞为

2 徐变机理

产生徐变的原因一般认为是由于水泥石凝胶体在长期荷载作用下的粘性流动或滑移，同时吸附在凝胶粒子上的吸附水因荷载应力而向毛细管渗出。在混凝土的较早龄期加载，水泥尚未充分水化，所含胶凝体致密性较低，水泥石中毛细孔较多，凝胶体易流动，所以徐变发展较快；在晚龄期，水泥继续硬化，凝胶体致密性较高，毛细孔亦较少，徐变发展渐慢。而UHPC是一种具有高致密性的水泥基复合材料，毛细孔少，凝胶体不易流动，因而徐变较小，大量的试验结果也证明了这一观点。

但是，另一方面不得不承认目前解释徐变的准确机理还没有完全搞清楚。现有解释混凝土徐变机理的理论一般都是以水泥凝胶体的微观结构为基础，目前主要包括6种徐变机理理论：粘弹性理论、渗出理论、粘性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论、内力平衡理论。但是没有一种理论对徐变的解释能够得出十分满意的结果。目前，对于UHPC的徐变性能往往是基于试验实测研究和确定。而目前国内外的UHPC徐变测试方法也基本沿用普通混凝土徐变的测试方法。国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082）规定了受压徐变试验的相关事宜。与ASTM（美国试验材料学会）、EN（欧洲标准）、RILEM（国际材料与结构研究实验联合会）、JIS（日本工业标准）、DL/T（电力行业水电标准）不同的是GB规定受压徐变采用棱柱体试件，而前者均要求或允许采用圆柱体试件作为受压徐变的试件。

3 影响UHPC徐变性能因素

大量的试验研究表明UHPC材料的徐变主要受养护条件、加载龄期、持荷时间及加载应力水平等的影响。

养护条件

大量的研究结果表明，采用热养护（或蒸汽养护）可有效减少UHPC徐变。

Acker和Behloul的研究表明加荷龄期为4天和28天，持荷时间为250天的UHPC材料的徐变系数均小于0.8，徐变度分别为43和32 με/MPa，而UHPC材料蒸汽养护48小时后，持荷250天的徐变系数仅为0.2。

Garas 等采用对比了常温养护、60℃热养护、90℃热养护等三种不同养护制度的UHPC徐变性能，如图 3所示。由图可以看出，常温养护的UHPC徐变度约为8.3 με/MPa，而采用热养护后UHPC的徐变度降至3~4 με/MPa。

图 3 不同养护制度对UHPC徐变影响

Graybeal对不同养护条件的圆柱体进行徐变试验，测得持荷一年后的徐变系数随养护条件不同在0.29~0.78之间变化，具体结果如图 4和表 1所示，采用蒸汽养护可有效减少UHPC徐变系数，且采用延迟蒸养的养护方式最终的徐变应变与正常蒸养的养护方式基本一致。

图4 UHPC徐变应变的试验结果

表1 UHPC徐变的试验结果

注：蒸汽养护为脱模后90℃蒸汽养护48小时；低温蒸汽养护为脱模后60℃蒸汽养护48小时；延迟蒸汽养护为浇筑成型15天后90℃蒸汽养护48小时。

加载龄期

一般而言，相同条件下随着加载龄期的增大，UHPC材料的徐变系数或徐变度会减少，对于早龄期加载，混凝土的徐变系数也会偏大。这是因为在早龄期，由于水泥水化产生的凝胶体致密性较低，且水泥石中毛细孔较多，混凝土强度较低，因而徐变较大；随着龄期的增长，水泥不断水化，凝胶体致密性提高，毛细孔减少，强度不断提高，故加载龄期越晚的混凝土徐变越小。

Ichinomiya等人的研究表明，加荷龄期为2~4天，持荷时间为150天时的徐变度为28~40 με/MPa，而加荷龄期为28天，持荷时间为120天时的徐变度下降为11 με/MPa。Fehling等人的研究表明，在加载应力为36MPa、加荷龄期为1天和28天的条件下，持荷135天后实测的UHPC材料的徐变度分别为47和22 με/MPa，而徐变系数分别为2.27和1.08。对于早龄期加载徐变系数大的问题，法国和瑞士的UHPC规范也做了相应的规定，可见本期的第四部分。

加载应力水平

Burkhart和Muller研究了加载应力水平(与抗压强度之比)对UHPC徐变的影响，如图 5所示，加载应力水平为0.3时，为线性徐变，加载应力水平为0.6时，表现为非线性徐变。

图 5 不同加载应力水平的UHPC徐变变形

国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082）规定徐变应力取混凝土棱柱体抗压强度的40%。当应力不超过强度的0.4倍时，一般假定为线性徐变，即混凝土徐变和应力成正比；当超过0.4倍时，则徐变随应力比的增长而急剧增大，表现出明显的非线性关系，为非线性徐变。另外一方面，国外最新的UHPC设计规范（包括法国NF P 18-710-2016规范、瑞士SIA-2016规范）也针对该特性作了相应的规定。法国NF P 18-710-2016规范规定徐变系数计算公式为基本徐变与干燥徐变线性叠加的形式，仅适用于UHPC压应力不超过0.45倍抗压强度的情况，即为线性徐变，叠加原理仍然适用。瑞士SIA-2016规范规定该规范的徐变系数计算公式仅适用于UHPC压应力不超过0.4倍抗压强度的情况，超过该值后应通过试验研究确定。

人们认为在高稳定的应力（长期荷载）作用下，UHPC材料强度的折减与普通混凝土或高性能混凝土相当，法国规程建议取折减系数为0.85。

持荷时间

一般而言，相同条件下随着持荷时间的增加，UHPC材料的徐变也会逐渐增加，但徐变速率随持荷时间的增长而降低。图 3和图 4所示的徐变发展曲线也说明了这一观点。

4 各国UHPC规范规定

目前，关于UHPC徐变性能的相关研究成果已被纳入UHPC规范中，下面将对目前主要的UHPC规范（或设计指南）中对UHPC的徐变系数的相关规定进行介绍。

法国NF P 18-710-2016规范

根据法国NF P 18-710-2016规范，UHPC材料若未经热养护，则其徐变类似于高性能混凝土；但是，如果采用蒸汽养护，则其徐变系数将显著降低。工程设计初步阶段若缺少试验数据，法国NF P 18-710-2016规范建议长期徐变系数ψ∞采用如下值：(a) 未采用热养护，ψ∞=0.8，若是早龄期加载，ψ∞=1.0；(b) 采用温度低于65℃的热养护，ψ∞=0.4；(c) 采用温度高于90℃的热养护处理，ψ∞=0.2。总而言之，对于受徐变影响显著的结构(挠度、应力重分布和预应力损失等)，须根据所选择的UHPC材料和典型的结构受荷时的成熟度来计算结构随时间变化的变形。此外，法国NF P18-710-2016规范建议UHPC徐变系数随时间的发展规律如下列公式所示。