混凝土的潜变与收缩

混凝土的潜变与收缩是混凝土的两种物理性质，是应用混凝土时需要考量的变因。混凝土如果长时间受应力，便会缓慢变形，移除持续施予的力之后，变形只有部分会恢复，可以恢复的变形称为弹性变形，不能恢复、永久的变形称为潜变^[1]。而在没有受力的情况下，混凝土水含量变多或变少也会使混凝土的体积变化，称为膨胀与收缩。

机制

潜变

混凝土的潜变为其中水泥的硅酸钙水合物（C-S-H）在持续受应力下缓慢流动引起。

水泥浆浆体由固体的水泥凝胶（cement gel）组成，水泥凝胶又由硅酸钙水合物形成的薄片以及薄片之间大量的空隙（大约占凝胶40%至55%的体积）组成。^[2] 这些空隙中含有会蒸发的层间水，水会对孔壁施加分离压力（disjoining pressure），并削弱薄片与薄片之间的结合力。^[3] 混凝土受力造成薄片之间滑动可能就是潜变的原因。

同样的应力下，潜变（永久变形）通常是弹力变形（去除载荷后可恢复的变形）的三倍。^[1]

收缩

混凝土中的水泥硬化过程会产生收缩。水泥中的硅酸钙水合物薄片间的水分减少之后，薄片与薄片之间的间隔因为缺乏水分的流体静拉力（hydrostatic tension）支撑而缩小，导致混凝土体积变小。 混凝土的收缩依水分减少的方式或发生收缩的部位不同可以分为：

• 干燥收缩（Drying Shrinkage）：水分蒸发到混凝土外部导致总体的体积收缩。^[4]只要将干燥收缩的混凝土泡水一段时间就可以回复部分体积^[5]。干燥收缩的机制与潜变关系密切^[6]
• 塑性收缩（Plastic Shrinkage）：混凝土表面与内部蒸发速率不一致^[7]，导致收缩的速率也不一致，造成开裂的现象，称为塑性收缩。
• 自体收缩（Autogenous Shrinkage）：水分被混凝土中的水泥吸收，导致孔隙中的水分减少而收缩。水灰比过低的混凝土特别容易因自收缩而开裂。^[8]

并非因为水分变化造成体积变小的收缩：

• 碳化收缩（Carbonation Shrinkage）：硅酸钙水合物会与大气中的二氧化碳发生反应产生碳酸钙、二氧化硅和水^[9]。碳酸钙晶体的排列方式使混凝土体积缩小。

变因

如果在混凝土中混入足够多的骨料的话，可以抑制水泥凝胶的潜变和收缩，因为骨料的蠕变较不明显。^[10] 孔隙水含量小或孔隙湿度低时的潜变较小^[11]，而完全干燥的混凝土不会潜变。

混凝土加载（受应力）时，材料年龄越大，潜变越小^[12]，这是因为混凝土会随着时间越来越干燥的关系。大部分的应变都发生在受力前期，大约有四分之一到三分之一的潜变发生在第一个月，并且大约一半到四分之三的总潜变会发生在持续载荷的前半年。^[1]

理论上温度越高，潜变的程度也要越大，但实务上升温增加的潜变会与混凝土失去水分减少的潜变互相抵消。升温会加速层间水与其他物质发生水化，使混凝土孔隙中的水分减少。没有水分施加的分离压力，硅酸钙薄片与薄片之间就难以滑动，使增加的潜变抵消。^[13]

另外，干燥过程的水分变化越剧烈，从湿润到完全干燥中间的潜变总量也会越多。较大试体干燥较缓慢，因水分含量变化引起的潜变较小，所以潜变总量会较少，收缩总量也较少。^[14]

本构方程

混凝土的本构方程中可以出现的变量有温度、材料年龄、水化程度、孔隙湿度（与环境湿度有关）和孔隙水含量。这些变量被称为状态变量（state variables），是可以用来描述材料中任何一点的点属性的变量。^[15] 试体尺寸虽然也会影响潜变，但不列在本构方程中。环境湿度是影响孔隙湿度的条件之一，因为本构方程中已经包含孔隙湿度了，所以环境湿度就不会出现在本构方程中。^[16]

应用