混凝土乾縮與潛變之機理

2.4.2.1 乾縮

混凝土的收縮變形可以持續相當長的時間(圖 2.27(a))。，一般 而言，兩星期的收縮量會達到二十年收縮量的 20~25%；三個月約為 二十年收縮量的 50~60%；一年收縮量則約為二十年的 75~85%

【51】

(1) 塑性收縮(plastic shrinkage)

塑性收縮又稱毛細孔隙收縮(capillary shrinkage)，發生在混 凝土澆置完成的初期，主要發生的原因為混凝土表面毛細孔隙中的水

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分，因養護不當或外界環境因素的影響而移除後，使得原本水分所佔 據的孔隙產生負的孔隙壓力(negative capillary pressures)，進而 導致混凝土表面的體積收縮，這種收縮經常會使得混凝土表面產生裂 縫。

(2) 自體收縮(Autogenous Shrinkage)

在混凝土與外界無濕度交換的情況下，隨著水化作用的進行，會 消耗混凝土孔隙結構內部的水份，使混凝土產生“自乾現象”而導致 收縮，稱為自體收縮。根據其發生的原因，自體收縮可分為水解收縮 (Dehydration Shrinkage)、碳化收縮(Carbonation Shrinkage)、轉 化收縮(Conversion Shrinkage)，以上三種收縮均屬於化學收縮。一 般而言，普通混凝土因為水灰比較高，所以因為水化作用使得毛細孔 隙所產生的負孔隙壓力，可由存在於孔隙結構內多餘的水份來平衡，

因此普通混凝土的自體收縮量並不明顯，大約介於 50~100(μm/m)，

所以在計算收縮變形時，通常忽略之。但就高性能混凝土而言，由於 卜作嵐材料的添加及通常採用低水灰比高漿量，使得高性能混凝土可 能具有不可忽視的自體收縮量，這對於應用高性能混凝土於隔絕環境 或大體積之結構上時，顯然必須加以評估與考量，混凝土潛在的自體 收縮量可能導致的工程問題。

(3) 乾燥收縮(Drying Shrinkage)

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對普通混凝土而言，乾燥收縮是在所有收縮變形中最重要的，乾 燥收縮係指混凝土在未承受載重，並處於乾燥環境的情況下，混凝土 內部的水分會逐漸向外移動而散失。混凝土在乾燥的初期，所排出大 孔隙內的自由水，僅會造成非常小的收縮量，而當乾燥作用持續進行 時，就會使得存在於膠體間的吸附水與層間水被排出，導致膠體間的 相互移動，使得混凝土產生收縮變形。Neville【52】指出，當孔隙 水失去時，將引起膠體間吸附水之移動而產生乾縮，因此塑性乾縮將 伴隨產生乾燥收縮。

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(a)乾縮 (b)總潛變 (c)基本潛變

(d)乾燥潛變之示意

圖 2.27 混凝土潛變之組成與定義【54】

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2.4.2.2 潛變

混凝土在外力作用下，即產生瞬時彈性變形，而潛變(creep)是 材料在應力作用下，隨時間慢慢變形的現象(圖 2.27(b)、2.27(c))。

混凝土潛變的原因十分複雜，一般而言有下列幾種可能之機制，或由 各機制複合而成【53】：

(1) 因為層間水的潤滑，使得膠體分子之間產生滑動，而造成水泥 砂漿的黏滯流(viscous flow)。

(2) 因為吸附水的滲流或層間水化水(interlayer hydrate water) 的脫離，造成壓密變形(consolidation)。

(3) 由骨材和膠體結晶組成的架構，因為其間的水泥砂漿造成對彈 性變形的束縛，形成延滯彈性(delayed elasticity)。

(4) 永久變形(permanent deformation)，其原因是再結晶

(recrystalization)和新的鍵結產生，而形成局部破壞(微裂縫 及結晶破壞)造成永久變形。

2.4.2.3 乾燥潛變

混凝土在乾燥環境受到荷載，除瞬時應變之外，其總應變會大於 純乾縮及基本潛變的總和，如圖 2.27(d)。此額外超出的部分即稱為 乾燥潛變。

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乾燥潛變這種現象遠在 1942 年便由 Pickett 所發現，故此現象 亦稱為比克效應(Pickett effect)。除濕度外，溫度增加也會加速潛 變率。因此混凝土於加載過程中，溫度變化所產生之額外潛變量即稱 為轉變熱潛變(transitional thermal creep)【55】。