表面能理論在水泥基材料中的應用研究

陳 黎 陽

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

表面能理論在水泥基材料中的應用研究

陳 黎 陽

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

基于表面能理論，對水泥基材料表面能的測試方法及各方法的測試原理進行了介紹，探討了國內外表面能在水泥基材料中的應用與研究現狀，最后對表面能在水泥基材料中的后續研究進行了展望。

水泥基材料，表面能，測試方法

表面能是在創造物質表面時，物質分子間化學鍵破壞的度量值，它是物體單位面積表面分子作用力的量化表征[1]，在表面化學中具有重要的地位。目前，表面能理論應用較多的領域為能源化學、膠體以及涂料等領域。在水泥基材料方面的相關研究雖然較早，但研究成果相對較少且多數研究集中在水泥基材料開裂問題上[2,3]。

筆者基于表面能理論，首先對水泥基材料表面能的測試方法進行詳細介紹，并分析各方法的測試原理；進一步綜述國內外表面能理論在水泥基材料中的應用與研究現狀，并對表面能理論在水泥基材料中的后續研究進行了展望。

1 水泥基材料表面能測試方法

由于水泥基材料如水泥砂漿、硬化水泥石以及水泥混凝土是一種多相復合型材料[4]，其內部結構較為復雜，影響因素較多導致其表面能測試困難。目前水泥基材料表面能測試方法主要有：慢彎法、壓力鋼環法、楔形劈裂試驗法。

1.1 慢彎法

早在1980年，Petersson P E就采用慢彎法[5]進行水泥基材料的表面能測試，該方法所需設備較為常規，適合于一般條件的實驗室，后續被眾多學者所采用[6]。

慢彎法主要采用帶有切口的水泥基材料梁式試件(如圖1所示)，在萬能試驗機上進行三點彎曲試驗[7]。該方法基于能量平衡原理，建立外力做功與材料斷裂能之間的關系，通過試驗測定材料斷裂能并結合Griffith斷裂理論，進一步求解材料表面能。

系統加載至試件斷裂過程中，系統總貯藏應變能為：

Q0=QB+Qm

(1)

(2)

(3)

式中：Q0——系統貯藏的總應變能；

QB——水泥基材料梁式試件貯藏應變能；

Qm——試驗機貯藏應變能；

b——梁寬；

h——梁高；

L——梁跨；

S——應力集中因子；

E——楊氏彈性模量；

Km——機器剛度。

而體系消耗于斷裂的能量為：

U=2γfA

(4)

γf=γs+γp

(5)

式中：U——消耗于斷裂的能量；

2A——斷裂面積；

γf——試件斷裂能；

γs——試件表面能；

γp——試件塑形能。

當試件處于斷裂零界狀態時，體系總貯存能量與斷裂消耗能相等，因此建立能量方程，進行試件表面能求解。

葉枝榮[7]指出采用慢彎法時，正確選用試驗設備和試驗參數是慢彎法試驗成敗的關鍵；建議試件尺寸為25 mm×25 mm×30 mm，切高比h1/h=0.5，梁跨高比6～8；試驗機建議剛性試驗機。

慢彎法測試水泥基材料表面能過程中，所涉及的參數較多且計算復雜，另外測試結果受試驗設備性能的影響較大，對試驗結果產生一定的影響。因此，研究者努力開創更適用于水泥基材料表面能的測試方法。

1.2 壓力鋼環法

1985年日本鈴木先生發表了關于“依據能量變換原理測試材料表面自由能”及“與水泥水化產物的斷裂應力有關的物性測定”的研究，并采用表面能壓力鋼環測定裝置(如圖2所示)進行水泥砂漿表面自由能測定[3]。該方法基本原理為：水泥砂漿由于干縮現象，其內部產生壓應力，壓應力作用于鋼環且達到一定極限值時，鋼環向外進行擴展，從而使水泥砂漿發生斷裂，通過測定水泥砂漿斷裂瞬間鋼環釋放的勢能，來進行水泥砂漿表面能的計算。水泥砂漿表面能計算：

(6)

其中，γs為水泥砂漿表面能；H為鋼環釋放出的勢能；S為水泥砂漿斷裂面的面積。

針對采用壓力鋼環測定水泥基材料表面能這一方法，唐明[8]認為水泥基材料為多孔材料，其孔隙中含有一定比例的自由水，自由水含量直接影響到水泥基材斷裂表面能的準確測試，必須對自由水的影響進行修正；另外指出若要正確評價水泥硬化物表面能，必須有效地控制養護齡期和養護條件。

1.3 楔形劈裂試驗

隨著材料學的不斷發展，國際結構與材料研究所聯合會[9]對材料斷裂能測定的簡化方法及測試精度進行了討論；且提出采用楔形劈裂試件進行水泥基材料斷裂能測試，并推薦楔形劈裂試驗為測定混凝土斷裂能的另一種標準方法[10]。

孫志偉[11]依托國家十一五科技支撐計劃項目“海洋工程鋼筋混凝土結構防腐蝕關鍵技術及示范工程”，采用楔形劈裂試驗、三點彎曲試驗兩種方法對比測定水泥砂漿與混凝土的斷裂能。兩種方法的基本原理為：通過加載測定材料裂縫張開位移與水平荷載的關系曲線，進一步求得材料的斷裂能。試驗采用楔形試件及壓頭示意圖如圖3所示。

(7)

其中，γf為材料斷裂能；A為斷裂韌帶面積；W為荷載—位移曲線與X軸的面積。

2 水泥基材料表面能影響因素

水泥基材料表面能直接影響其宏觀力學性能，而水泥基材料表面能又受諸多因素影響。目前，對水泥基材料表面能影響因素的研究主要有兩大類：水泥基材料本身參數(如孔隙率、水灰比、骨料粒徑等)的影響，以及外界條件如水分、鹽分侵蝕對其表面能的影響。

葉枝榮[7]采用慢彎法研究水泥基材料斷裂能(表面能)，得出水泥石斷裂能與水灰比、總空隙率的關系，以及水泥混凝土斷裂能與骨料含量、骨料粒徑及水灰比的關系為：

γf=γ0·e-2.16w/c

(8)

γf=γ0p·e-3.75p

(9)

(10)

同時，也有研究認為，對于如水泥混凝土、水泥砂漿等多孔的水泥基材料，其斷裂的整個過程中，能量的耗散直接取決于單位面積上斷裂的粒子數以及無孔材料的表面能；因此Brandt[12]，F.H.Wittmann[13]提出水泥混凝土等多孔材料的表面能與孔隙率關系為：

γc=γ·(1-P)

(11)

其中，γ為材料基體斷裂的表面能；P為材料孔隙率；γc為材料斷裂表面能。

此外，外界條件對水泥基材料表面能也產生一定影響，進一步影響其水泥基材料力學強度。該方面的研究具有較好的工程意義，如長時間浸泡于海水中的水泥混凝土樁基，其表面能受到海水的影響，進一步影響樁基強度的衰減及服役壽命。

當水泥基材料的孔隙中含有水分或者其他不同表面張力液體時，空隙中的液體對水泥基材料斷裂表面也產生影響，其斷裂表面能[14]計算如下：

γsl=γs-γlcosθ

(12)

其中，γsl為水泥基材料斷裂表面能；γs為固體表面能；γl為液體表面張力；θ為固體與液體的接觸角。

從式(12)中可知，干燥水泥基材料在吸收水分或者鹽水后，其斷裂表面能會降低，進一步說明水泥基材料空隙中所含水分越多，水泥基材料表面能越小，強度越低的結論。

3 結語

筆者對水泥基材料表面能測試方法及其原理進行了綜述，其次總結了材料表面能參數與水泥基材料性能的關系，后續可考慮水分侵蝕對材料表面自由能衰減作用的影響，進行水泥基復合材料的防水研究，尤其是在跨江(河、海)樁基礎混凝土、含水量較高隧道及地下通道混凝土防水及耐久性研究。

[1] 張世舉,程延海,邢方方,等.接觸角與表面自由能的研究現狀與展望[J].煤礦機械,2011,32(10):8-10.

[2] 鈴木要.ェネルギ—變換にヨル表面自由能ェネルギ—測定[A].日本建筑學會構造論文報告集[C].1985(1):9-16.

[3] 岡島達雄.コンクリ—トの力學的性質と水分[J].セメント,コンクリ—ト,1985,464(10):18-26.

[4] 劉根生,李明軍,畢 鵬,等.改性乳化瀝青水泥基復合材料處治路面板下脫空效果評價[J].山西交通科技,2012(1):8-10.

[5] Petersson P E.Fracture energy of concrete:Practical performance and experimental results[J].Cement & Concrete Research,1980,10(1):91-101.

[6] 梅迎軍,王培銘,李志勇,等.SBR乳液改性水泥砂漿斷裂性能[J].武漢理工大學學報，2009,31(2):77-81.

[7] 葉枝榮.用緩慢彎曲試驗法研究水泥復合材料斷裂能[J].混凝土，1983(6):41-45.

[8] 唐 明.關于修正“水泥硬化物表面自由能測試方法”的探討[J].沈陽建筑工程學院學報,1988,4(2):93-98.

[9] Bruhwileer E,Witmann F H.The wedge splitting test,a new method of performing stable fracture mechanics tests[J].Journal of Engineering Fracture Mechanics,1988(5):117-125.

[10] AAC13.1,Determination of the specific fracture energy and strain softening of AAC,RILEM Recommended Practice,Autoclaved Aerated Concrete,Properties,Testing,and Design,E&FN Spon,1993:333-339.

[11] 孫志偉.表面能對水泥基材料斷裂能及強度的影響[D].青島:青島理工大學碩士論文,2008.

[12] Andrzej M Brandt.Cement based Composites:materials,mechanical Properties and Performance[M].E&FN spon,UK,1995.

[13] F H Wittmann.Fracture mechanics of concrete[M].Elsevier Science Ltd,1983.

[14] Matsushita,H Onoue K.Influence of Surface Energy on Compressive Strength of Concrete under Static and Dynamic Loading[J].Advanced Concrete Technology,2006(4):409-421.

Applied research of surface energy theory in cement-based materials

Chen Liyang

(RoadandBridgeShanxiGroupCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

Based on principles of surface energy, the test methods and its principles of surface energy in cement-based material are introduced, the subsequent studies on the surface energy in the future are prospected by reviewing the current situation about application and research of surface energy in cement-based material at home and abroad.

cement-based material, surface energy, test measure

1009-6825(2017)21-0092-03

2017-05-13

陳黎陽(1974- )，男，高級工程師

TU502

A