海水環(huán)境下混凝土的斷裂能及其應(yīng)變軟化

張 鵬,孫志偉,趙鐵軍,W ittmann F H ,2

(1.青島理工大學耐久性與可持續(xù)發(fā)展研究中心,山東青島266033;2.Aedificat Institute Freiburg,Freiburg,Germany)

海水環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),如海港碼頭、海洋平臺、跨海大橋和隧道等,由于海水侵蝕,結(jié)構(gòu)過早破壞的現(xiàn)象非常嚴重。對于這些嚴酷環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其耐久性已引起廣泛關(guān)注。對于海水中所含的Cl-、SO42-、M g2+等有害離子對混凝土耐久性造成的耐久性破壞以及相應(yīng)的防護措施,已進行了大量試驗研究和工程實踐[1-3];然而,除了上述化學腐蝕外,海水還能夠?qū)炷恋膹姸群蛿嗔涯艿仍斐梢欢ǖ挠绊?但從這一角度來研究海水等鹽溶液對混凝土的劣化作用卻往往被忽視,相關(guān)文獻尚不多見。Cook等人[4]曾就水和甲醇浸泡對砂漿和混凝土強度和長度的影響變化進行了試驗研究,M atsushita和Onoue[5]也從液體表面張力的角度就多種液體對水泥砂漿靜態(tài)抗壓強度和疲勞強度的影響進行了試驗研究,但都沒有涉及海水等鹽溶液對混凝土斷裂能的影響。斷裂能也是混凝土材料耐久性的一個重要指標,研究海水對混凝土斷裂能及其應(yīng)變軟化的影響,有助于深入理解和重視海水對混凝土材料產(chǎn)生的嚴重劣化作用,進而對海水環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的防護措施。

該文采用帶初始切口梁的三點彎曲試驗和楔形劈拉試驗2種方法,對完全干燥、半干燥、水浸泡、海水浸泡以及不同濃度NaCl鹽溶液浸泡狀態(tài)下的混凝土試件進行了試驗研究,測定了不同含水狀態(tài)時混凝土的荷載-位移曲線,計算了各種混凝土的斷裂能值,并通過Consoft軟件進行逆向分析得到了不同狀態(tài)下混凝土的應(yīng)變軟化曲線,研究了海水對混凝土斷裂能及其應(yīng)變軟化的影響。

1 混凝土斷裂能與應(yīng)變軟化

G riffith[6]在研究玻璃等脆性材料時首先提出了斷裂理論,并根據(jù)經(jīng)典力學和熱力學能量平衡原理引入了應(yīng)力和材料表面能的關(guān)系,如式(1)所示。

式中,σ表示材料所受拉應(yīng)力;γ表示材料的表面能,即產(chǎn)生單位面積所需要的能量;E為材料的彈性模量;c為材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫寬度的一半;μ為泊松比。

對于理想的脆性材料,Griffith公式能夠有效地描述在單軸拉力作用下裂縫的形成和材料的失效過程,但對于多孔的非均質(zhì)混凝土材料,由于其斷裂過程消耗的能量取決于固體物質(zhì)的表面能和每個單位斷裂的粒子數(shù),這意味著在沒有水分和其它液體進入混凝土孔隙的情況下,只有斷裂的固體粒子表面能對能量平衡有貢獻。但當混凝土孔隙中存在一定含量的水分或其它液體時,其表面能則必須需考慮液體表面張力的影響,由式(2)進行計算[5]。

同時,大量研究也認為[7-9],混凝土并非完全脆性材料,當混凝土達到臨界應(yīng)力時,在其宏觀裂縫的端部會產(chǎn)生一個類似金屬材料塑性區(qū)的斷裂過程區(qū),并按應(yīng)變軟化曲線來傳遞應(yīng)力;只有當應(yīng)變達到混凝土的軟化極限時,混凝土才完全斷裂。混凝土斷裂能即定義為產(chǎn)生單位面積的裂縫所需要的能量,是混凝土材料單元粒子表面能的宏觀反映,表征混凝土的斷裂性能。

理論上來說,混凝土的應(yīng)變軟化曲線是高階非線性的,其數(shù)值計算一般較難實現(xiàn)。因此,針對廣泛采用的三點彎曲試驗和楔形劈拉試驗,通常采用簡化的軟化曲線來進行分析計算,如線性[10]、雙線性[11-12]和三線性[13]模型等。該文采用Consoft軟件[11]對混凝土試件的荷載-位移曲線進行了逆向分析,按雙線性模型模擬了混凝土的應(yīng)變軟化行為,同時也計算了混凝土的斷裂能值,研究討論了海水對混凝土斷裂韌性的影響作用。由于直接拉伸試驗很難實現(xiàn),不適合作為混凝土斷裂能測試的標準方法,該文采用了國際材料與結(jié)構(gòu)實驗室聯(lián)合會(RILEM)混凝土斷裂力學委員會建議的帶切口梁三點彎曲試驗[14]和楔形劈拉試驗[15]方法。

2 試驗

2.1 原材料與試件制備

試驗原材料包括：P.O 32.5級青島山水水泥;5～20 mm連續(xù)級配的花崗巖質(zhì)碎石,密度為2 620 kg/m3,壓碎指標為5.8%;青島大沽河砂,細度模數(shù)為2.7,中砂,密度為 2 610 kg/m3;自來水;萘系高效減水劑。混凝土試件的水灰比為0.5,配合比如表1所示。

表1 試驗用混凝土的配合比/(kg?m-3)

試驗用混凝土試件包括：用于三點彎曲試驗的100 mm×100 mm ×515mm棱柱體,用于楔形劈拉試驗的200mm×200 mm×40 mm試件。試件成型24 h后拆模,放入標準養(yǎng)護室(20±3℃,RH ＞90%)中養(yǎng)護至28 d齡期,隨后取出試件按三點彎曲試驗(2.2)和楔形劈拉試驗(2.3)的要求將試件加工成型。然后將所有試件放入105℃的烘箱中烘干14 d直至完全干燥,取出試件待降至室溫后將所有試件分為6組,每組6個試塊,3塊用于三點彎曲試驗,另3塊用于楔形劈拉試驗。6組試件包括：第1組為完全干燥試件;第2組試件放入相對濕度為75%的室內(nèi)環(huán)境6周,使混凝土與環(huán)境濕度達到一致而部分含水;第3組試件浸泡于水中14 d;第4組浸泡于青島地區(qū)的海水(其中NaCl的濃度為3.1%)中 14 d;另2組分別浸泡于濃度為 5%和23.4%的NaC l鹽溶液中14 d。上述處理完成后,對這6種不同含水狀態(tài)下的混凝土試件進行三點彎曲試驗和楔形劈拉試驗,每種情況取3個試塊的平均值。

2.2 三點彎曲試驗

該文三點彎曲試驗采用了RILEM推薦的帶切口梁三點彎曲測定混凝土斷裂能的試驗標準[14]。所用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×515mm,如圖1所示,2個支點跨距為500 mm,試件中心處用切割機制作初始切口,縫高比a/h為0.5。

在萬能試驗機上進行,2個引伸計固定在試件側(cè)面用來測定跨中初始缺口處的位移(撓度)變化,荷載傳感精度為0.1 N,位移傳感精度為 0.001 mm。加載采用恒定位移速率0.3 mm/min,由計算機同步記錄試件的荷載-位移曲線。混凝土試件的斷裂能G f(N/m)可根據(jù)公式(3)進行計算。

式中,M為荷載-位移曲線與坐標軸所圍成的面積;W為試件沿長度方向的線密度;δ0為試件最終破壞時的撓度變形;A lig為試件的斷裂韌帶面積。

2.3 楔形劈拉試驗

楔形劈拉試驗也采用了RILEM推薦的試驗方法[15]。試件尺寸為200 mm ×200 mm ×40 mm,在進行劈拉試驗前,在試件上表面的中心處制作一個凹槽和一個縫高比為0.5的初始裂縫,如圖2所示。加載也采用恒定位移速率0.3 mm/min,由計算機同步記錄試件的荷載-CMOD(Crack M outh Opening Disp lacement裂縫張開位移)曲線。

圖2 楔形劈拉試件示意圖

根據(jù)式(4)計算混凝土試件的斷裂能值(N/m),式中符號M和代表的意義與式(3)相同。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同含水狀態(tài)下混凝土的荷載-變形曲線和斷裂能值

對6種不同含水狀態(tài)下的混凝土進行三點彎曲試驗和楔形劈拉試驗后得到荷載-位移曲線,通過Consoft軟件逆向分析擬合后的結(jié)果如圖3和圖4所示。可以看出,無論是三點彎曲試驗還是楔形劈拉試驗,結(jié)果都顯示,混凝土在完全干燥時所能承受的荷載最大;而當混凝土處于相對濕度75%環(huán)境和浸于水中時,水泥基體吸收水分,在內(nèi)部孔隙中形成水膜,當水膜越厚時,根據(jù)多孔材料表面能的表述式(2)可以認為混凝土的表面能變小,而根據(jù)公式(1)又可以得到材料所承受荷載能力與表面能之間的關(guān)系,如式(5)所示,即相對臨界荷載的平方等于相對表面能。

式中,σh為含一定水分時混凝土的臨界荷載,σ0為完全干燥混凝土的臨界荷載,γh為一定含水狀態(tài)時混凝土的表面能,γ0為干燥混凝土的表面能,Δγ為其表面能損失。這說明,混凝土孔隙中的水分越多,其表面能就越低,進而造成混凝土的荷載承受能力隨之下降,正如圖3和圖4中完全干燥、75%RH和水浸泡3種狀態(tài)混凝土的荷載-位移曲線所示。

圖3 不同含水狀態(tài)下混凝土三點彎曲試驗的荷載-位移曲線

圖4 不同含水狀態(tài)下混凝土楔形劈拉試驗的荷載-位移曲線

根據(jù)式(3)和式(4)分別對圖3和圖4所示三點彎曲和楔形劈拉試驗得到的數(shù)據(jù)進行計算,得到6種不同狀態(tài)下混凝土的斷裂能值,如表2所示。由結(jié)果可見,混凝土在完全干燥時具有的斷裂能最大,但當混凝土吸收水、海水和高濃度鹽溶液后,斷裂能依次下降。究其原因,是由水、海水、高濃度NaCl溶液的表面張力不斷增大引起的。根據(jù)式(2),當混凝土完全干燥即液體表面張力為0時,方程左側(cè)即混凝土斷裂表面能具有最高值;一旦水分進入混凝土孔隙中,本試驗所用水的表面張力為72.1 m N/m,根據(jù)式(2)則斷裂能勢必變小;而當海水和高濃度NaCl溶液侵入混凝土時,由于試驗所用青島地區(qū)海水的表面張力為73.5mN/m,配制的5%NaCl溶液的表面張力為74.2 mN/m,23.4%NaCl溶液的表面張力則為85.5 m N/m,由式(2)可推斷,隨著進入試件開放孔隙中溶液的表面張力不斷增大,混凝土的斷裂能隨之下降,試驗結(jié)果也完全表明了這一趨勢。

并且,經(jīng)過海水和NaCl溶液浸泡后的混凝土試塊在三點彎曲和楔形劈拉試驗中所承受的最大荷載也較水浸泡時更低,水浸泡后混凝土的最大承載力較完全干燥時降低了19.6%(三點彎曲試驗)和14.5%(楔形劈拉試驗),而海水浸泡后則降低更多,分別為28.9%和21.7%。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因同樣歸結(jié)為溶液表面張力的增大引起斷裂能下降,當試件承受荷載時,積存于試件中的應(yīng)變能達到一定極限后以斷裂表面能的形式釋放形成裂縫,因此,海水和NaCl溶液浸泡后混凝土斷裂能下降的情況下,根據(jù)式(5),承載力也隨之下降。

另外,2種試驗方法得到的斷裂能值并不完全相同,這主要是由于三點彎曲試驗和楔形劈拉試驗時混凝土試件的受力方式以及裂縫擴展方式不同造成的,前者為受彎破壞,初始裂縫出現(xiàn)在試件底部,而后者為受拉破壞,裂縫由試件上部擴展;并且,三點彎曲試驗還受到支座摩擦和支座局部屈服的影響,以及試件自重在試驗過程中消耗能量等,由其得到的斷裂能值稍小。2種試驗方法所測結(jié)果的輕微差別并不影響本試驗結(jié)論。

表2 不同狀態(tài)下混凝土的斷裂能及其降低程度/(N?m-1)

由圖3和圖4還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過海水和NaCl溶液浸泡后的混凝土,在三點彎曲和楔形劈拉試驗中所承受的最大荷載比水浸泡時更低。水浸泡后混凝土的最大承載力較完全干燥時降低了19.6%(三點彎曲試驗)和14.5%(楔形劈拉試驗),而海水浸泡后則降低更多,分別為28.9%和21.7%。這是由于海水和NaCl鹽溶液的表面張力比水高引起的,21℃左右時,測定試驗中所用水的表面張力為72.1 mN/m,青島地區(qū)海水的表面張力為 73.5 mN/m,配制的5%NaCl溶液的表面張力為 74.2 mN/m,23.4%NaCl溶液的表面張力則為85.5 mN/m,由此,根據(jù)式(2)和式(5),混凝土的承載力勢必隨著液體表面張力的增大而不斷下降。當水、海水以及NaCl溶液進入混凝土內(nèi)部孔隙后,混凝土的表面能下降,這意味著形成新的面積所需要的能量減少,整個混凝土試件宏觀初始裂縫的擴展所需要的外力功就越少,表現(xiàn)為混凝土加載點變形能力變差,斷裂能降低。根據(jù)式(3)和式(4)分別對三點彎曲和楔形劈拉試驗得到的數(shù)據(jù)進行計算,得到6種不同狀態(tài)下混凝土的斷裂能值,如表2所示。可見,混凝土在完全干燥時具有的斷裂能最大,但當混凝土吸收水、海水和鹽溶液后,斷裂能依次下降。另外,2種試驗方法得到的斷裂能值并不完全相同,這主要是由于三點彎曲試驗和楔形劈拉試驗時混凝土的受力方式以及裂縫擴展方式不同造成的,前者為受彎破壞,初始裂縫出現(xiàn)在試件底部,而后者為受拉破壞,裂縫由試件上部擴展;并且,由于三點彎曲試驗還受到支座摩擦和支座局部屈服的影響,以及試件自重在試驗過程中消耗能量等,由其得到的斷裂能值稍小。

3.2 不同含水狀態(tài)下混凝土的應(yīng)變軟化曲線

需要指出的是,2種材料的斷裂能相同時,其應(yīng)變軟化曲線并不一定完全相同,因此,在判斷混凝土材料的斷裂韌性時,需要同時評價其斷裂能和應(yīng)變軟化性能。通過Consoft軟件對6種不同含水狀態(tài)的混凝土試件的荷載-位移曲線進行了逆向分析,按雙線性模型模擬了混凝土的應(yīng)變軟化行為,6種不同狀態(tài)混凝土的三點彎曲和楔形劈拉試驗的雙線性應(yīng)變軟化曲線分別如圖5和圖6所示。由結(jié)果明顯可見可以看出,完全干燥時混凝土的抗拉強度最高,軟化階段也呈現(xiàn)較好的韌性,但隨著水、海水和高濃度鹽溶液進入混凝土內(nèi)部孔隙,使得孔溶液表面張力增大,引起混凝土表面能下降,這意味著材料內(nèi)壓發(fā)生變化,固體粒子的平均拆開壓力增大,砂漿與骨料的咬合力以及骨料間的互鎖能力減弱,骨料對裂縫的延遲機制不明顯,混凝土形成新的裂縫面積所需要的能量就越少,整個混凝土試件宏觀初始裂縫的擴展所需要的外力功也就越少,并且開裂后的裂縫發(fā)展更不穩(wěn)定,混凝土表面能下降,水泥漿體和骨料之間的咬合力也變?nèi)?表現(xiàn)為混凝土加載點變形能力和韌性變差,抗拉強度相應(yīng)下降,降低,變形能力和韌性也隨之變差,裂縫更易形成和擴展。

圖5 不同含水狀態(tài)下混凝土三點彎曲試驗的應(yīng)變軟化曲線

圖6 不同含水狀態(tài)下混凝土楔形劈拉試驗的應(yīng)變軟化曲線

因此,對處于海水和除冰鹽環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)來說,除了氯離子等有害介質(zhì)的侵入能夠引起鋼筋銹蝕和耐久性失效外,水以及含有NaCl的海水和鹽溶液還能夠造成混凝土承載力、斷裂能和斷裂韌性減弱,因此,在對海水環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計和施工時,還需考慮海水對混凝土的這些影響作用并采取相應(yīng)措施。對此,W ittmann等人[16-17]提出對混凝土表面進行硅烷浸漬防水處理,一方面可以有效抑制海水和氯離子侵入混凝土內(nèi)部孔隙,減小孔隙內(nèi)水分含量;另一方面,硅烷分子能夠在混凝土孔隙壁上形成一層憎水膜,改變水與固體的接觸角,由未處理時的銳角轉(zhuǎn)變?yōu)殁g角,根據(jù)多孔材料表面能表達式(2),從而相應(yīng)提高混凝土的表面能及其斷裂韌性;但鑒于海水環(huán)境的極端惡劣性,對于該處理方法的長期有效性,還有待于進一步系統(tǒng)研究。

4 結(jié) 論

1)隨著混凝土內(nèi)部孔隙中水和海水的進入,混凝土表面能降低,造成材料荷載承受能力顯著下降,水浸泡后混凝土承載力較完全干燥時降低了19.6%(三點彎曲試驗)和14.5%(楔形劈拉試驗),海水浸泡后則降低更多,分別為28.9%和21.7%。

2)混凝土完全干燥時具有最高斷裂能,但當水、海水和高濃度鹽NaCl溶液侵入混凝土后,由于液體表面張力的增大導(dǎo)致混凝土斷裂能和斷裂韌性大幅下降;海水浸泡狀態(tài)下混凝土的斷裂能較干燥時降低了24%(三點彎曲)和35.2%(楔形劈拉)。

3)海水浸泡后,混凝土的承載力、斷裂能和軟化韌性均減弱,裂縫更容易形成和擴展,這對于海水環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工來說,應(yīng)當引起足夠重視。

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