徐變試驗：揭示材料在長期荷載下的變形行為

副標題：原理、方法與關鍵影響因素探析

引言
在工程結構，特別是混凝土結構、預應力結構及巖土工程的設計與長期性能評估中，材料在持續應力作用下的時間依賴性變形——徐變，是一個極其關鍵的因素。徐變可能導致結構撓度增大、預應力損失、應力重分布，甚至影響結構的長期安全性和耐久性。因此，科學、準確地測定材料的徐變特性，對于優化設計、預測長期變形和控制結構性能至關重要。徐變試驗正是為此目的而設計的標準化測試方法。

一、 徐變現象及其工程意義

• 定義與本質： 徐變是指固體材料在承受恒定應力（低于其比例極限）時，隨時間增長而產生的緩慢、持續的附加塑性變形。即使應力保持不變，變形也會持續增加。卸載后，一部分變形可瞬時恢復（彈性恢復），一部分隨時間緩慢恢復（徐變恢復），但仍會留下不可恢復的永久變形（殘余變形）。
• 形成機理（以混凝土為例）： 主要源于內部水泥漿體中吸附水的黏性流動、水泥凝膠體的滑移、微裂縫的擴展以及內部應力的重新調整等復雜物理化學過程。
• 核心影響：
  • 結構變形增大： 顯著增加梁、板等構件的長期撓度，可能影響使用功能和外觀。
  • 預應力損失： 在預應力混凝土結構中，混凝土的徐變和鋼筋（鋼絞線）的松弛共同作用，導致有效預應力降低。
  • 應力重分布： 在超靜定結構或復合結構中，徐變引起的內力重分布可能改變結構的受力狀態。
  • 開裂敏感性： 徐變能部分緩解由約束引起的拉應力，對減少早期收縮開裂有一定益處；但長期過大的徐變也可能加劇某些情況下的開裂。
  • 長期性能預測： 是評估結構服役數十年乃至上百年后性能的基礎。

二、 徐變試驗的核心目的與基本原理

• 核心目的： 在受控的實驗室條件下，測定特定材料（主要是混凝土）試件在恒定軸向壓應力（有時為拉應力或彎應力）和恒定環境溫濕度下，其變形隨時間增長的規律。目標是獲取材料的徐變系數、徐變度或徐變函數，為理論模型和設計規范提供依據。
• 基本原理： 對標準養護后的試件施加恒定荷載（通常為軸心抗壓強度ƒ_c的某個百分比，如20%-40%），并維持此荷載恒定直至試驗結束。在整個加載期間（通常長達數月甚至數年），持續、高精度地監測試件在荷載方向上的總變形（包含初始瞬時彈性變形和隨時間增長的徐變變形），同時監測未加載的對比試件在相同環境下的自由變形（主要為收縮變形）。通過數據處理，分離出純徐變變形。

三、 試驗依據的主要規程與標準

徐變試驗的實施嚴格遵循國家或國際通行的技術標準，確保結果的可比性和可靠性。常用標準包括：

• 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082）
• 《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150）中的相關章節
• 美國材料與試驗協會標準《混凝土試件徐變試驗方法》（ASTM C512）
• 國際標準《混凝土試驗方法 第9部分：收縮和徐變試驗》（ISO 1920-9）

四、 試驗裝置與關鍵要求

一套標準的徐變試驗裝置需滿足以下關鍵要求：

• 加載框架： 具備足夠的剛度和穩定性，確保施加的荷載恒定且方向對中（軸心受壓）。通常采用彈簧式、杠桿式或液壓伺服式加載系統，并配備精密的穩壓裝置以抵消混凝土收縮等因素引起的應力松弛。
• 測變形系統： 核心設備。需使用高精度（分辨率通常在1微米或更?。㈤L期穩定性好的位移傳感器（如電子千分表、線性可變差動變壓器LVDT）或接觸式引伸計。測點通常布置在試件兩側對稱位置，取平均值以減少彎曲影響。
• 恒溫恒濕環境室： 嚴格控制試驗環境至關重要。溫度通?？刂圃?0±2°C，相對濕度控制在60±5%（或根據標準要求設定特定濕度，如50%或95%）。環境室需具備良好的均勻性和穩定性。
• 長期數據采集系統： 能夠自動、連續或定時記錄荷載、變形（試驗試件和對比試件）、環境溫濕度等數據。
• 標準試件： 通常采用棱柱體（如100mm×100mm×400mm）或圓柱體（如Φ150mm×300mm）。試件的制作、養護（標準養護至規定齡期，如28天）需嚴格符合標準要求。

五、 標準試驗步驟

1. 試件制備與養護： 按規定配合比拌制混凝土，制作標準試件并編號。在標準條件（溫度20±2°C，相對濕度≥95%）下養護至規定的試驗齡期（通常為28天）。
2. 環境適應： 在試驗開始前，將養護好的試件（包括加載試件和同批成型的對比收縮試件）移入恒溫恒濕室（如20°C, 60% RH）。放置足夠時間（通常≥24小時）使其溫度、濕度與試驗環境達到平衡。
3. 初始測量： 精確測量并記錄所有試件的初始長度（通常測量多次取平均值）。
4. 加載： 將加載試件小心、準確地對中安裝在加載框架內。以規定速率施加荷載至目標應力水平（如0.4ƒ_c），并在加載完成的瞬間記錄初始變形讀數（對應瞬時彈性變形）。
5. 維持荷載與監測：
   • 啟動穩壓裝置，確保在整個試驗期間荷載波動極?。ㄍǔＲ蟛▌釉?plusmn;2%以內）。
   • 按照標準規定的時間間隔（初期密集，后期稀疏）持續讀取并記錄加載試件的總變形（ε_total(t)）和對比試件的自由收縮變形（ε_sh(t)）。
   • 同時連續記錄環境溫度和濕度。
6. 卸載與恢復觀測（可選）： 部分試驗在持續加載預定時間（如180天或360天）后卸載。卸載后立即測量瞬時恢復變形，并在隨后一段時間內繼續觀測徐變恢復變形。
7. 結束試驗： 達到預定的試驗持續時間或滿足研究目的后，結束試驗。記錄最終數據。

六、 數據處理與結果表達

1. 徐變應變（ε_c(t, t0)）計算： 核心結果。它是加載后任意時刻t相對于加載齡期t0的純徐變變形。
   ε_c(t, t0) = ε_total(t) - ε_instant - ε_sh(t)
   • ε_total(t)：時刻t加載試件的實測總應變。
   • ε_instant：加載瞬間產生的瞬時彈性應變（通常由初始荷載除以加載前測得的彈性模量估算，或直接由加載瞬間的變形讀數計算）。
   • ε_sh(t)：時刻t時，與加載試件同條件養護的對比試件的自由收縮應變。
2. 徐變系數（φ(t, t0)）： 常用無量綱參數，定義為徐變應變與初始瞬時彈性應變的比值。
   φ(t, t0) = ε_c(t, t0) / ε_instant
3. 徐變度（C(t, t0)）： 定義為徐變應變與所施加的持續應力的比值。單位常用με/MPa或10??/MPa。
   C(t, t0) = ε_c(t, t0) / σ
4. 徐變函數： 描述徐變隨持荷時間發展的完整曲線（ε_c 或 φ vs log(t - t0)）。
5. 結果表達： 最終試驗報告應包含：
   • 詳細的材料信息（配合比、強度等級、彈性模量等）。
   • 試件信息（尺寸、加載齡期）。
   • 試驗環境條件（溫濕度）。
   • 施加的持續應力水平。
   • 徐變應變隨時間發展的數據表。
   • 徐變系數或徐變度隨時間發展的數據表。
   • 徐變函數曲線圖。
   • 卸載恢復數據（如果進行）。

七、 影響徐變的主要因素

試驗結果受多種因素影響，解讀時需充分考慮：

• 材料組成： 水泥種類與用量、水膠比（最關鍵因素之一，水膠比越高徐變越大）、骨料特性（彈性模量高、級配好、用量多的骨料可抑制徐變）、摻合料（如粉煤灰、礦粉的影響復雜，通常后期降低徐變）。
• 加載條件： 加載齡期（加載越早，后期徐變越大）、施加應力的大?。☉λ皆礁?，徐變越大，尤其在應力比>0.5時可能進入非線性徐變）、應力狀態（壓、拉、彎）。
• 環境條件： 環境濕度（濕度越低，徐變越大）、環境溫度（溫度升高加速徐變發展，但可能降低最終徐變值）。
• 試件尺寸（理論上有影響，標準試件可減小影響）。

結語
徐變試驗是一項復雜、耗時但對理解材料長期行為至關重要的基礎性試驗。通過嚴謹遵循標準規程、精確控制試驗條件和細致的數據處理，獲得的徐變參數是預測混凝土結構長期變形、計算預應力損失、分析應力重分布以及評估結構耐久性與服役性能不可或缺的科學依據。深入理解徐變現象的本質和影響因素，對于指導工程實踐、優化結構設計、保障重大工程的安全與長效服役具有深遠意義。

參考文獻示例格式 (根據實際引用選擇)

1. 國家標準. GB/T 50082-2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2009.
2. ASTM International. ASTM C512/C512M-21 Standard Test Method for Creep of Concrete in Compression[S]. West Conshohocken, PA, 2021.
3. Neville, A. M., Dilger, W. H., & Brooks, J. J. Creep of Plain and Structural Concrete[M]. London: Construction Press, 1983.
4. Bazant, Z. P., & Baweja, S. Creep and Shrinkage Prediction Model for Analysis and Design of Concrete Structures: Model B3[J]. Materials and Structures, 1995, 28(6): 357-365.