海水环境下混凝土的断裂能及其应变软化.pdf

第 3 2卷第 1 期 2 0 1 0年 O 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo L 32 No 1 Fe b201 0 海 水环境下混凝土 的断裂能及其应变软化 张 ( 1 青 岛 鹏 ， 孙 志伟 ， 赵铁 军 。 Wi t t ma n n F H ， 。 理工大学 耐久性与可持 续发展研 究中心 ， 山东 青 岛 2 6 6 0 3 3 ； 2 Ae d i f i c a t I n s t i t u t e Fr e i bu r g，Fr e i bu r g，Ge r ma n y ) 摘 要 ： 通过 带切 口梁的三 点 弯曲试 验 和楔 形 劈拉 试 验 ， 对 完全 干 燥 、 半干 燥 、 水 浸 泡、 海水 浸 泡和 5 、 2 3 4 Na C1 溶 液浸 泡的 6种不 同含 水状 态的混 凝 土试 件 进 行 了测试 ， 根 据 荷 载一 位 移 曲线 和 逆向分析 ， 计算得到混凝土的断裂能及其应 变软化曲线。结果表 明， 随着混凝土 中水、 海水和 高浓 度盐溶 液的侵入 ， 孔 隙溶 液 中液 体 的表 面张力 不断增 大 ， 造成 表 面能 下 降 ， 承 载 力 随之 降低 ， 水浸 泡 后 混凝 土 的最大承 载 力较 干 燥 时 降低 1 9 6 ( 三点 弯 曲) 和 1 4 5 ( 楔 形 劈 拉 ) ， 海 水浸 泡后 下 降 2 8 9 和 2 1 7 ， 高浓度 盐溶液 浸泡后 降幅 更大 ； 海水和 盐溶 液浸 泡时后 ， 混 凝 土断 裂 能损 失 2 4 以上 ， 软 化 阶段 的开裂韧 性也 明显 降低 ， 裂缝 更 易形 成 和 扩展 。从 表 面 能 、 断裂 能和 应 变软 化 的 角 度研 究 了海水侵入 对混 凝 土材 料造 成 的不利影 响 。 关键词 ： 海水环境 ； 三 点弯 曲 ； 楔形 劈拉 ； 表 面能 ； 断 裂能 ； 应 变软 化 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 7 2 0 6 ( 1 Ce nt e r f or Fr a c t u r e En e r g y a n d S t r a i n S o f t e n i n g o f ZHANG Du r a b i l i t v Ae di f i c a t I n s t i t u t e Fr e i bu r g， Co nc r e t e u nd e r S e a wa t e r En v i r o n me n t P e n g 。S U N Zh i we i ，Z H AO T i e - j u n ，WI T T MAN N S u s t a i n a b i l i t y S t u d i e s ，Qi n g d a o Te c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ，Qi n g d a o Fr e i b ur g，Ge r ma ny ) F H ， 26 6 03 3， P R Ch i n a； 2 Abs t r a c t ：Bo t h Thr e e Po i n t s Be nd i n g ( TPB)t e s t o n n o t c he d be a m s a nd W e d ge Spl i t t i ng Te s t( W ST)we r e c a r r i e d o ut o n c o n c r e t e s p e c i me ns u nd e r s i x d i f f e r e n t c o nd i t i on s， u nd e r whi c h t he y w e r e t o t a l l y d r y， D a r t i a 1 1 v d r v，wa t e r i mm e r s e d，s e a wa t e r i mm e r s e d，5 a nd 2 3 4 Na Cl s o l ut i o n i mm e r s e d，r e s p e c t i v e l y The f r a c t u r e e n e r gy of e a c h t yp e o f c o nc r e t e a n d t he i r s t r a i n s o f t e ni n g c u r v e s we r e c a l c ul a t e d a c c o r di n g t o t h e f o r c e - d i s pl a c e m e nt di a gr a m s a nd i n ve r s e a na l y s i s m e t ho dI t wa s i nd i c a t e d t ha t wi t h wa t e r，s e a wa t e r o r s a i t s o l u t i o n p e n e t r a t i ng i n t o c on c r e t e， t he s u r f a c e t e ns i o n o f po r e l i qu i d s i n c on c r e t e i n c r e a s e d， whi c h r e s ul t e d i n t he de c r e a s e of t he s ur f a c e e ne r gy a nd l o a d b e a r i n g c a p a c i t y o f c o nc r e t e Af t e r wa t e r i m me r s e d， t h e m a x i mu m be a r i ng l o a d s o f s p e c i m e ns we r e r e d uc e d b y 1 9 6 ( TPB) a nd 1 45 ( W ST) c o mpa r e d wi t h t ho s e of t ot al l v d r v c o nc r e t e An d f o r t h os e of s e a wa t e r i mm e r s e d，2 8 9 a nd 21 7 we r e r e du c e d r e s De c t i v e 1 v Fu r t he r mo r e， f r a c t ur e e n e r gy o f c o nc r e t e wa s de c r e a s e d m o r e t ha n 2 4 a nd f r a c t ur e t o ug hn e s s wa s r e du c e d s i gn i f i c a n t l y a s we l l f o r c on c r e t e wi t h h i gh c o nc e nt r a t i o n s a l t s o l ut i on，wh i c h ma d e c r a c k f o r m a t i o n i n c on c r e t e e a s i e r The a d v e r s e i nf l u e n c e o f s e a wa t e r o n c on c r e t e m a t e r i a l s ha d be e n i nv e s t i ga t e d i n d e t a i l f r o m t h e a s p e c t s o f s u r f a c e e n e r g y，f r a c t ur e e n e r g y a n d s t r a i n s o f t e ni ng 收 稿 日期 ： 2 0 0 9 0 9 0 3 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 7 3 9 0 0 1 ) ； 山东 省 自然科学基 金( Z R2 0 0 9 F Q 0 1 4 ) ； 国家重点基 础研究 发展计划 ( 9 7 3计 划 2 0 0 9 CB 6 2 3 2 0 3 ) 作者简介 ： 张鹏 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 博士生 ， 主要从事混凝土结构耐久性研究 ， ( E ma i l ) z h p 0 2 2 1 1 6 3 c o rn。 赵铁军 ( 联系人) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， ( E ma i l )z t j g F 2 6 3 n e t 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张鹏 ， 等 ： 海水环 境 下混凝 土的 断裂能及 其应 变软化 Ke y wo r d s ：s e a wa t e r e nv i r on m e nt ；t hr e e p o i nt s be nd i n g；we dg e s pl i t t i n g；s u r f a c e e ne r gy；f r a c t u r e e n e r g y； s t r a i n s o f t e n i ng 海水 环境 下的钢 筋混凝 土结 构 ， 如海港 码 头 、 海 洋平 台 、 跨海 大桥 和 隧道 等 ， 由于 海 水侵 蚀 ， 结构 过 早 破坏 的现象非 常严重 。对 于这些 严酷 环境 下 的钢 筋混凝 土结构 ， 其 耐 久性 已引 起 广 泛 关注 。对 于海 水 中所 含 的 C r 、 S ( ) 、 Mg 。 一 等有 害离 子 对混 凝 土 耐久性 造成 的耐 久性 破 坏 以及 相 应 的 防 护措 施 ， 已 进行 了大 量 试 验研 究 和 工程 实 践u ； 然 而 ， 除 了上 述化学腐 蚀外 ， 海 水 还能 够 对 混凝 土 的强 度 和 断裂 能等造 成一定 的 影 响 ， 但 从 这 一 角度 来 研 究 海 水 等 盐溶液 对混凝 土 的 劣化 作 用 却往 往 被 忽 视 ， 相关 文 献 尚不 多见 。C o o k等 人 曾 就 水 和 甲 醇 浸泡 对 砂 浆 和混凝 土 强 度 和 长 度 的 影 响 变 化 进 行 了试 验 研 究 ， Ma t s u s h i t a和 On o u e 也 从 液 体 表 面 张 力 的 角 度就 多种 液体 对水 泥砂浆 静态抗压 强 度 和疲 劳强 度 的影 响进 行 了试 验研 究 ， 但 都 没有 涉 及 海 水 等 盐溶 液对混凝 土断裂 能 的影 响 。断裂能 也 是混凝 土材料 耐久性 的一个 重要 指 标 ， 研 究 海 水对 混 凝 土 断裂 能 及其应 变软化 的影 响 ， 有助 于 深入 理 解 和 重 视 海水 对混凝 土材料 产 生 的严 重 劣化 作 用 ， 进 而 对 海 水环 境下 的混 凝 土结 构采 取相 应的防护 措施 。 该 文采用 带初始 切 口梁的三点 弯 曲试 验 和楔形 劈拉试 验 2 种 方法 ， 对完全 干燥 、 半 干燥 、 水浸 泡 、 海 水浸 泡以及不 同浓 度 Na C I 盐溶 液 浸 泡状 态 下 的 混 凝土 试件进行 了试 验研 究 ， 测 定 了不 同含 水 状 态 时 混凝土 的荷载一 位 移 曲线 ， 计算 了各 种混 凝 土 的断裂 能值 。 并 通 过 C o n s o f t 软 件进 行 逆 向分 析 得 到 了不 同状 态下混凝 土 的应 变 软 化 曲线 。 研 究 了海 水对 混 凝土 断裂能 及其应 变软化 的影响 。 1 混凝土断裂能与应变软化 Gr i f f i t h l 6 在研 究玻 璃 等脆 性 材 料 时 首 先 提 出 了断 裂理论 ， 并根 据 经典 力 学 和 热 力学 能 量 平 衡 原 理引入 了应力 和材料 表面 能的关 系 ， 如式 ( 1 ) 所 示 。 程消耗 的能量 取决 于 固体 物质 的表 面能和 每个 单位 断裂 的粒子数 ， 这 意 味着 在 没 有水 分 和 其 它 液体 进 入 混凝 土孔 隙的 情况 下 ， 只有 断 裂 的 固体 粒 子表 面 能 对能量 平衡 有贡献 。但 当混凝 土孔 隙 中存在 一定 含量 的水分 或其 它 液体 时 ， 其 表 面 能则 必 须 需 考虑 液体表 面张力 的影 响 ， 由式 ( 2 ) 进 行计算 。 式 中， y f 为混凝 土 的断 裂 表 面 能 ； y 为 混 凝 土 中 固 体物质 表面 能 ； 为孔隙液 体 表 面张 力 ； 为液 体 与 固体物 质 的接 触 角 ( 水 和盐 溶 液 与 水泥 基 材 料 的接 触 角均 为较小 的锐 角 ) 。 同时 ， 大量 研 究 也认 为 j ， 混 凝 土 并非 完 全瞻 性材料 ， 当混 凝土 达到临 界应力 时 ， 在 其宏 观 裂缝 的 端部会 产 生 一 个 类 似 金 属 材 料 塑 性 区 的断 裂 过 程 区 ， 并 按应变 软化 曲线来传 递应 力 ； 只有 当应变 达 到 混 凝土 的软化 极 限时 ， 混凝 土才 完 全 断 裂 。混凝 土 断裂能 即定 义 为 产 生 单 位 面 积 的 裂 缝 所 需 要 的能 量 ， 是 混凝土材 料单 元粒子 表面 能 的宏 观 反映 ， 表征 混凝土 的断裂 性能 。 理 论上来 说 ， 昆 凝 土 的应 变 软化 曲线 是 高 阶非 线性 的 ， 其数值 计算 一般较 难实 现 。因此 ， 针对 广泛 采用 的三点 弯 曲试 验 和楔 形 劈拉 试 验 ， 通 常 采 用 简 化 的软 化 曲 线 来 进 行 分 析 计 算 ， 如 线 性 ” 、 双 线 性 “ 和三 线 性口 。 模 型 等 。该 文 采 用 C o n s o f t 软 件 “ 对混 凝土试 件 的荷 载一 位 移 曲线 进 行 逆 向分 析 ， 按 双线性 模型模 拟 了混凝土 的应 变软 化行 为 ， 同 时也计 算 了混 凝 土 的断 裂 能值 ， 研 究 讨 论 了海水 对 混凝 土断裂 韧性 的影响作 用 。由于直 接拉 伸试 验很 难实现 ， 不适 合作 为混凝 土断裂 能测试 的标准 方法 ， 该 文 采 用 了 国 际 材 料 与 结 构 实 验 室 联 合 会 ( R I I E M) 混 凝 土 断 裂力 学 委 员会 建 议 的 带 切 口梁 三点弯 曲试验 1 和楔 形劈拉 试验 方 法 。 一 ( 1 )2试 验 式 中 ， 表示 材料 所受拉 应力 ； y表示 材 料 的表 面能 ， 即产 生单位 面积 所 需要 的能 量 ； E 为材 料 的 弹 性模 量； r 为材料在应力作用下产生的裂缝宽度的一半 ； 为泊 松 比。 对于理 想的脆性 材料 ， G r i f f i t h公 式能 够 有效 地 描述 在单 轴拉 力作用 下裂缝 的形成 和 材料 的失 效 过 程 ， 但对 于多孔 的非 均质混 凝土材 料 ， 由于 其 断裂 过 2 1原材 料与试 件制备 试验原材料包括： P O 3 2 5级青岛山水水 泥； 5 2 O mF n连续 级 配 的花 岗岩 质碎 石 ， 密度 为 2 6 2 0 k g m。 ， 压 碎指标 为 5 8 ； 青 岛大沽 河砂 ， 细 度模数 为 2 7 ， 中砂 ， 密 度 为 2 6 t 0 k g m。 ； 自来 水 ； 萘 系 高 效减 水 剂 。混 凝 土试 件 的水 灰 比为 0 5 ， 配 合 比如 表 1所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 土 木 建 筑 与 环 境 _T -程 第 3 2 卷 表 1 试验用混凝土的配合比 ( k g m ) 试验用 混凝 土 试 件包 括 ： 用 于三 点 弯 曲试 验 的 1 0 0 mm 1 0 0 mm 5 1 5 mm 棱 柱体 ， 用 于楔形 劈 拉试 验 的 2 0 0 mit t 2 0 0 mm 4 0 mm 试 件 。试 件成 型 2 4 h后 拆 模 ， 放 人标 准 养 护 室 ( 2 O 3 ， RH 9 O ) 中养护 至 2 8 d龄 期 ， 随后 取 出试 件 按 三点弯 曲试 验 ( 2 2 ) 和 楔形劈 拉试 验 ( 2 3 ) 的 要求 将 试件 加工成 型 。然后将所 有试 件放 人 1 0 5 的烘 箱 中烘干 1 4 d 直 至完 全干燥 ， 取 出试件 待 降 至 室温 后 将所 有试 件分 为 6组 ， 每组 6个 试块 ， 3块 用 于三 点 弯 曲试 验 ， 另 3块 用 于 楔 形 劈 拉 试 验 。6组 试 件 包 括 ： 第 1 组 为完全 干燥试 件 ； 第 2 组 试 件放 入 相对 湿 度为 7 5 的室 内环境 6周 ， 使混 凝 土 与环境 湿 度 达 到一致 而部 分含水 ； 第 3组试 件浸 泡于水 中 1 4 d ； 第 4组浸泡 于青 岛 地 区 的海 水 ( 其 中 Na C 1 的浓 度 为 3 1 ) 中 1 4 d ； 另 2组 分 别 浸 泡 于 浓 度 为 5 和 2 3 4 的 Na C 1 盐 溶液 中 1 4 d 。上述处 理完成 后 ， 对 这 6 种 不 同含水状 态下 的混凝 土试 件进 行 三点 弯 曲 试验 和 楔 形 劈 拉 试 验 ， 每 种 情 况 取 3个 试 块 的 平 均值 。 2 2三点 弯 曲试 验 该 文三 点弯 曲试 验采 用 了 R I L E M 推 荐 的带 切 口梁 三 点 弯 曲测 定 混 凝 土 断 裂 能 的试 验 标 准 L 1 。 所用试 件 尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 mm 5 1 5 mm， 如 图 1所示 ， 2个 支 点跨 距 为 5 0 0 mi l l ， 试 件 中心 处 用 切割机 制作初 始切 口， 缝 高 比 a h为 0 5 。 图 1三 点 弯 曲试 验 示 意 图 在万能试 验 机 上进 行 ， 2个 引伸 计 固定 在试 件 侧 面用来测 定跨 中初 始 缺 口处 的位 移 ( 挠 度 ) 变化 ， 荷载传感 精 度为 0 1 N， 位 移传 感 精度 为 0 0 0 1 mm。加 载采 用恒定 位移 速 率 0 3 mm mi n ， 由计算 机 同步记 录试 件 的荷 载一 位 移 曲线 。混 凝 土 试 件 的 断裂能 G ( N m) 可根据公式( 3 ) 进行计算 。 M + 啪0 ， 一 式 中 ， M 为荷载一 位 移 曲线 与 坐 标 轴所 围成 的 面积 ； w 为试件 沿长 度方 向 的线 密度 ； 为试 件最 终 破坏 时的挠度变形 ； A。 。 为试件 的断裂韧带面积 。 2 3楔 形劈拉 试验 楔形 劈拉试 验也 采 用 了 R I L E M 推 荐 的试 验 方 法l_ 1 。试件 尺寸 为 2 0 0 mm 2 0 0 mm 4 0 mm， 在进 行劈 拉试 验 前 ， 在试 件 上 表 面 的 中心 处 制作 一 个 凹槽 和一个缝 高 比为 o 5的初 始 裂 缝 ， 如 图 2所 示。加载也采用恒定 位移速率 0 3 mm mi n ， 由计 算机 同 步 记 录 试 件 的荷 载一C MOD( C r a c k Mo u t h Op e n i n g Di s p l a c e me n t 裂缝张 开位 移) 曲线 。 图 2楔 形 劈 拉 试 件 示 意 图 根据 式 ( 4 ) 计算混 凝 土试件 的断 裂能值 ( N m) ， 式中符号 M 和 A。 代表的意义与式( 3 ) 相同。 Gr= 3结果分析与讨论 3 1 不 同含水 状态 下混凝 土 的荷 载一 变 形 曲线 和 断 裂 能值 对 6种不 同含水 状态 下 的? 昆 凝 土进 行 三点 弯 曲 试验 和 楔 形 劈 拉 试 验 后 得 到荷 载 一 位 移 曲 线 ， 通 过 C o n s o f t 软件 逆 向分 析 拟 合 后 的结 果 如 图 3和 图 4 所示 。可 以看 出 ， 无论 是 三 点 弯 曲试 验 还 是 楔形 劈 拉试验 ， 结 果都 显示 ， 混 凝 土在完 全 干燥 时所 能 承受 的荷 载最 大 ； 而 当混 凝 土处 于相 对湿 度 7 5 环境 和 浸 于水 中时 ， 水 泥基体 吸 收水分 ， 在 内部孔 隙 中形成 水膜 ， 当水 膜越 厚时 ， 根据 多孑 L 材 料 表面 能 的表 述式 ( 2 ) 可 以认 为混 凝土 的表 面 能 变 小 ， 而 根 据 公 式 ( 1 ) 又可以得到材料所承受荷载能力与表面能之 间的关 系 ， 如 式 ( 5 ) 所 示 ， 即相 对 临界 荷 载 的平方 等 于相 对 表 面能 。 f 1 一 一1 ( 5 ) rY o Yo Yo 式 中 为 含一定 水分 时混凝 土 的临界荷 载 ， O o 为完 全干燥混凝土的I 临界荷载， y h 为一定含水状态时混 凝土 的 表 面能 ， y 。为干 燥 混凝 土 的 表 面能 ， A y为其 表面 能损失 。这 说 明 ， 混 凝 土孔 隙 中的水 分 越多 ， 其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张鹏 ， 等 ： 海 水环境 下混凝 土 的断裂 能及 其应 变软化 表 面能就越 低 ， 进 而造 成 混凝 土 的荷 载 承受 能 力 随 之下降， 正如图 3和图 4中完全干燥、 7 5 RH和水 浸泡 3种状态 混凝 土的荷 载一 位移 曲线所 示 。 图 3不同含水状态下混凝三点弯曲试验 的 荷 载一位 移 曲线 图 4不 同含 水 状 态 下 混 凝 土 楔 形 劈拉 试 验 的 荷 载一位移 曲线 根 据式 ( 3 ) 和式 ( 4 ) 分 别对 图 3和 图 4所示 三 点 弯 曲和楔形 劈拉 试 验 得 到 的数 据 进 行 计 算 ， 得 到 6 种不 同状态下 混 凝 土 的断 裂 能值 ， 如表 2所 示 。由 结果可 见 ， 混凝 土在完 全干燥 时具 有 的断裂 能最 大 ， 但 当混 凝土 吸收水 、 海 水 和高浓 度盐溶 液 后 ， 断裂能 依次下 降 。究 其原 因 ， 是 由水 、 海 水 、 高浓 度 N a C 1 溶 液的表 面张力 不断增 大引起 的 。根据式 ( 2 ) ， 当混凝 土完 全干燥 即液 体表 面 张 力 为 0时 ， 方 程 左 侧 即混 凝土断 裂表 面能 具有 最 高 值 ； 一旦 水 分 进 人 混凝 土 孔隙 中 ， 本试 验 所 用水 的表 面 张 力 为 7 2 1 mN m， 根据式( 2 ) 则断裂能势必变小； 而 当海水 和高浓度 Na C 1 溶液侵 入混凝 土时 ， 由于 试验 所用 青 岛地 区 海 水的表 面张力 为 7 3 5 mN m， 配制 的 5 Na C 1 溶液 的表 面张 力 为 7 4 2 mN m， 2 3 4 Na C 1 溶 液 的 表 面张 力则为 8 5 。 5 mN m， 由式 ( 2 ) 可 推断 ， 随 着进入 试件开 放孑 L 隙中 溶液 的表 面 张力 不 断 增 大 ， 混凝 土 的断裂 能 随 之 下 降 ， 试 验 结 果 也 完 全 表 明 了 这 一 趋势 。 并 且， 经过 海水 和 Na C 1 溶液 浸泡后 的混 凝土试 块 在三 点弯 曲和楔形劈 拉试验 中所 承受 的 最大 荷载 也较 水浸泡 时更 低 ， 水 浸 泡后 混 凝 土 的最 大 承 载 力 较完 全 干 燥 时 降 低 了 l 9 6 ( 三 点 弯 曲 试 验 ) 和 1 4 5 V oo ( 楔形 劈拉试 验 ) ， 而海水 浸泡后 则 降低 更 多 ， 分别 为 2 8 9 和 2 1 7 。这 一现 象 出现 的原 因 同 样 归结 为溶 液表 面 张 力 的增 大 引起 断裂 能 下 降 ， 当 试件 承受荷 载 时 ， 积 存 于试 件 中的应 变能 达 到 一定 极限 后 以断裂表面 能 的形 式释放 形 成裂 缝 ， 因此 ， 海 水和 Na C I 溶液 浸泡后 混凝土 断裂能 下降 的情况 下 ， 根据式 ( 5 ) ， 承载力也 随之 下降 。 另外， 2种试验方法得到的断裂能值并不 完全 相同， 这主要是由于三点弯曲试验 和楔形劈拉试验 时混凝 土试 件 的受 力方式 以及 裂缝扩 展方 式不 同造 成 的 ， 前 者为 受 弯破 坏 ， 初 始 裂缝 出现 在 试 件底 部 ， 而后 者为受 拉破 坏 ， 裂 缝 由试 件 上 部 扩 展 ； 并且 ， 三 点弯 曲试 验 还 受 到 支 座 摩 擦 和 支 座 局 部 屈 服 的影 响 ， 以及 试件 自重在 试验过 程 中消耗 能量 等 ， 由其得 到的断裂能值稍小 。2种试验方法所测结果 的轻微 差别并 不影 响本试 验结论 。 表 2不同状态下混凝土的断裂能及 其降低程度 ( N m ) 由图 3和图 4还 发现 ， 经 过海水 和 Na C I 溶液浸 泡后 的混凝土 ， 在 三 点 弯 曲和 楔形 劈 拉 试 验 中所 承 受的最 大荷 载 比水 浸泡 时更低 。水浸 泡后 混凝 土 的 最大 承载 力较 完 全干燥 时 降低 了 1 9 6 ( 三点 弯 曲 试 验 ) 和 1 4 5 ( 楔 形 劈 拉 试 验 ) ， 而 海 水 浸 泡后 则 降低更 多 ， 分 别为 2 8 9 和 2 1 7 。这 是 由于海 水 和 Na C 1 盐溶液的表 面张力 比水高 弓 l 起 的， 2 l左 右 时 ， 测定试 验 中所 用水 的 表面 张力 为 7 2 1 m N m， 青 岛地 区 海 水 的 表 面 张 力 为 7 3 5 mN m， 配 制 的 5 Na C 1 溶 液 的 表 面 张 力 为 7 4 2 mN m， 2 3 4 N a C 1 溶液 的表面 张力则 为 8 5 5 mN m， 由此 ， 根据 式 ( 2 ) 和式 ( 5 ) ， 昆 凝 土 的承 载 力 势 必 随着 液 体 表 面 张力的增大而不断下降。当水 、 海水以及 Na C 1 溶液 进入混凝土内部孔隙后， 混凝土的表面能下降 ， 这意 味着形 成新 的面 积所 需 要 的能 量 减 少 ， 整 个 混凝 土 试 件宏 观初 始裂 缝 的扩 展 所 需要 的外 力 功 就越 少 ， 表 现 为混 凝 土 加 载 点 变 形 能 力 变 差 ， 断 裂 能 降 低 。 根 据式 ( 3 ) 和 式 ( 4 ) 分 别对 三点弯 曲和楔 形劈 拉 试验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 2卷 得 到 的数 据进 行计 算 ， 得 到 6种 不 同状 态 下 混 凝 土 的断裂能值 ， 如 表 2 所 示 。可见 ， 混凝 土 在完 全干 燥 时具有的断裂能最大 ， 但当混凝土吸收水 、 海水和盐 溶液后 ， 断裂能依次下降。另外 ， 2种试验方法得到 的断裂 能值 并 不 完全 相 同 ， 这 主要 是 由 于三 点 弯 曲 试 验和楔 形劈 拉试验 时混凝 土 的受力 方 式 以及裂 缝 扩展 方式 不 同造 成 的 ， 前者 为受 弯破 坏 ， 初 始 裂缝 出 现在试件 底部 ， 而后者 为受 拉破 坏 ， 裂 缝 由试 件上 部 扩 展 ； 并且 ， 由于三点 弯 曲试 验还 受到 支 座摩 擦 和支 座局部 屈服 的影 响 ， 以及 试 件 自重 在 试 验过 程 中消 耗 能量 等 ， 由其 得到 的断裂 能值 稍小 。 3 2不 同含 水状态 下混 凝土 的应变 软化 曲线 需要指出的是 ， 2种材料的断裂能相同时， 其应 变软化 曲线并 不一定 完全 相 同 ， 因此 ， 在 判 断混凝 土 材 料 的断裂韧 性 时 ， 需要 同 时评 价其 断裂 能 和 应 变 软化性 能 。通 过 C o n s o r t 软 件对 6种不 同含 水状 态 的混 凝土试 件 的荷载一 位移 曲线 进行 了逆 向分析 ， 按 双线性模 型模 拟 了混 凝 土 的应 变 软 化 行 为 ， 6种 不 同状 态混 凝土 的三点 弯 曲和楔形 劈拉 试 验 的双线 性 应 变软化 曲线 分别如 图 5和 图 6所 示 。 由结 果 明显 可见 可 以看 出 ， 完全 干燥 时混凝 土 的抗拉 强 度最 高 ， 软化 阶段 也呈 现较好 的韧 性 ， 但 随着 水 、 海水 和 高浓 度 盐溶液 进入 混 凝 土 内部 孔 隙 ， 使得 孔 溶 液 表 面 张 力 增大 ， 引起混 凝土 表面 能下降 ， 这 意味 着材 料 内压 发 生变化 ， 固体 粒子 的平均拆 开 压力 增大 ， 砂 浆 与骨 料 的 咬合 力 以及 骨 料 问 的互 锁 能力 减 弱 ， 骨料 对 裂 缝 的延迟 机制 不 明显 ， 混凝 土 形 成新 的裂 缝 面积 所 需 要 的能量就 越 少 ， 整个 混凝 土 试 件 宏 观初 始 裂 缝 的扩展所 需要 的外 力功 也 就 越少 ， 并 且 开裂 后 的裂 缝 发展更 不稳 定 ， 混凝 土 表面能 下 降 ， 水 泥浆 体 和骨 料 之 间的咬合 力 也 变弱 ， 表现 为 混 凝 土加 载点 变 形 能力 和韧性变 差 ， 抗 拉 强 度相 应 下 降 ， 降低 ， 变 形 能 力 和 韧性也 随之变差 ， 裂缝 更 易形成 和扩展 。 图 5不同含水状态 下混凝土 三点弯 曲试验的 应 变软化 曲线 图 6不同含水状态下混凝土楔 形劈拉试验 的 应 变 软化 曲 线 因此 ， 对 处于 海水 和 除 冰盐 环 境 下 的混 凝 土 结 构 来说 ， 除 了氯离 子 等 有 害介 质 的侵 入 能 够 引 起 钢 筋 锈蚀 和耐久 性失 效外 ， 水 以及含 有 Na C 1 的海水 和 盐 溶液还 能 够造 成 混凝 土承 载 力 、 断 裂 能 和 断 裂 韧 性 减弱 ， 因此 ， 在对 海水 环境下 的混 凝 土结 构进 行 耐 久 性设计 和施 工 时 ， 还 需 考 虑海 水 对 混 凝 土 的这 些 影 响 作 用 并 采 取 相 应 措 施 。 对 此 ， Wi t t ma n n等 人 _ 】 。 提 出对混 凝 土表 面进 行 硅 烷 浸 渍 防 水 处 理 ， 一 方 面可 以有效抑 制海 水和 氯离 子侵入 混 凝 土 内部 孔 隙 ， 减 小孔 隙 内水 分 含 量 ； 另 一 方 面 ， 硅 烷 分 子 能 够 在混 凝土 孔 隙壁 上形 成 一 层 憎 水 膜 ， 改 变 水 与 固 体 的接 触角 ， 由未处 理 时的锐 角转 变 为钝 角 ， 根据 多 孔 材料 表面 能表达 式 ( 2 ) ， 从 而相 应提 高 混凝 土 的表 面 能及 其断 裂韧性 ； 但鉴 于海 水环 境 的极 端恶 劣性 ， 对 于该 处理 方法 的长期 有效 性 ， 还 有 待 于进 一 步 系 统 研究 。 4 结 论 1 ) 随着 混凝 土 内部 孔 隙 中水 和 海 水 的进 入 ， 混 凝 土表 面能 降低 ， 造 成材 料荷 载 承受 能 力显 著 下降 ， 水 浸泡后混 凝 土承 载力 较 完全 干 燥 时 降低 了 1 9 6 ( 三点 弯 曲试 验 ) 和 1 4 5 ( 楔 形 劈拉 试 验 ) ， 海水 浸 泡 后则 降低 更多 ， 分别 为 2 8 9 和 2 1 7 。 2 ) 混凝土完全干燥时具有最高断裂能， 但 当水、 海 水 和高浓 度盐 Na C 1 溶 液侵入 混凝 土后 ， 由于 液体 表面张力的增大导致混凝土断裂能和断裂韧性大幅 下降 ； 海水浸泡状态下混凝土的断裂 能较干燥时降 低了 2 4 ( 三点弯曲) 和 3 5 2 ( 楔形劈拉) 。 3 ) 海水浸泡后 ， 混凝土的承载力 、 断裂能和软化 韧 性均 减弱 ， 裂缝 更容 易形成 和扩 展 ， 这对 于 海水 环 境 下 的混凝 土结 构 设 计 和施 工 来 说 ， 应 当 引起 足 够 重 视 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张鹏 ， 等 ： 海水环境 下混凝土 的断裂 能及其 应 变软 化 参 考文献 ： 1 赵铁军混 凝 土 渗 透 性 M 北 京 ：科 学 出 版 社 ， 2 00 6： l 一 6 2 ( R V O E D u r a b i l i t y d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n s e v e r e e n v i r o n me n t M 1 s t e d ( ) x o n ：T a y l o r& Fr a n c i s ，20 09 3 G - E H I E N C D u r a b i l i t y d e s i g n a c c o r d i n g t o t h e n e w mo d e l c o d e f o r s e r v i c e l i f e d e s ig n ( ： T( ) UTI EM ( ) NDE K S AKAI K a n d GJ RV ( ) E Fi f t h I nt e r na t t o na l Co nf e r e n c e o n Co nc r e t e Un de r Se v e r e Con di t i on s： En vi r on me nt a nd I oa di n g Pa r i s， Fr a n c e： La bo r at oi r e c e nt r a l d e s po nt s e t e ha us s e s， 2 0 07：3 5 - 5 0 4 C OO K D J ，HAQUE M N S t r e n g t h r e d u c t i o n a n d l e ngt h c ha n ge s i n c o n cr e t e a nd mor t a r on wa t e r a nd me t h a n o l s o r p t i 0 n J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 97 4，4( 5 )：7 35 7 44 5 MAq 、 S US H I TA H，O NO UE KI n f l u e n c e o f s u r f a c e e n e r g y on c o mpr e s s i v e s t r e ng t h o f c o nc r e t e un de r s t a t i c a n d d y n a mi c l o a d i n g J j o u r n a l o f Ad v a n c e d C o n c r e t e Te c hn