混凝土蠕变

在水利工程中，一般采用线性蠕变理论来估计混凝土蠕变对结构应力和变形的影响。通常将单位应力作用下的总应变δ(t,τ)表示成：

式中E(τ)为与加载龄期τ对应的瞬时弹性模量；C (t,τ)为蠕变度，即龄期τ作用单位应力引起的时刻t的蠕变。

在中国水工混凝土结构的蠕变分析中，对瞬时弹性模量和蠕变度常采取下述简单的表达式：

式中参数E0、β、α与C0、A、r等均由试验决定。

为了将常应力下混凝土的蠕变规律推广到变应力情况，主要有两种方法──叠加法和徐变速率法。由叠加法导出的蠕变规律是水工中常用的混凝土弹性蠕变理论的基础。以徐变速率法导出的蠕变规律为基础的混凝土蠕变计算方法称为老化理论。

在大体积水工混凝土结构中，考虑蠕变将使因温度变化和材料干缩等因素引起的应力比按弹性状态计算得到的应力显著减小；在钢筋混凝土结构中，混凝土蠕变将引起构件应力的重分布,混凝土中应力减小,钢筋中应力增大；而在预应力钢筋混凝土结构中，混凝土蠕变将引起预应力的衰减，发生预应力松弛现象。

普通混凝土由水泥、骨料和水三者所制成。它们混合后，其中水与水泥化合，形成“水泥石”。水泥石的组成，包括结晶体和凝胶体两部分。凝胶体受力后具有粘滞流动的性质，是混凝土蠕变的主要原因。混凝土蠕变,除了随单位体积内水泥用量的增加而增大外,还与原料性质、养护条件和工作状态等有显著关系。因此，对于重要的水利工程，需要根据实际情况进行混凝土蠕变试验，了解材料蠕变的特点。

混凝土与其他材料的最大区别，在于它的力学性质（包括蠕变性质在内）与材料的龄期有关。当混凝土的龄期较小时，材料受力后，蠕变发展得很快，只有当它的龄期相当大时（例如一年以上），才可以近似地认为蠕变与龄期无关。因此,在建立混凝土的蠕变理论时,应该考虑材料龄期的影响。

岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。

蠕变机制有扩散和滑移两种。在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴扩散而产生的蠕变称为纳巴罗－赫林蠕变；质点沿晶体边界扩散而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。由晶内滑移或者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。蠕变作用解释了岩石大变形在低应力下可以实现的原因。

蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著,称该温度为蠕变温度。对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超过300-350℃，合金钢在400-450℃以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等，在室温下就会发生蠕变。

根据蠕变实验可以得到不同温度和应力水平下的蠕变曲线，使用方程来描述这些曲线并不困难。但是蠕变物理机制复杂，导致蠕变变形的原因较多。蠕变应变量、蠕变应变速率、蠕变应力、变形时间以及环境温度之间关系复杂，建立一致的关系式不太容易。针对蠕变问题学者们大胆假设，使用较少的物理量来反应蠕变关系，得出相应的蠕变理论。比较经典的成果为：陈化理论、时间硬化理论、应变硬化理论、塑形滞后理论等。其中时间硬化理论主要思路是：材料进入硬化导致蠕变变形率下降的因素是时间，和蠕变应变没有关系。应变硬化理论指出：受时间控制的蠕变与塑性变形作用不一致，导致硬化的因素是蠕变阶段的应变量。