干濕循環作用對混凝土力學性能的影響

康春祥，張芳源，劉彥可

(滄州交通學院，河北 黃驊 061100)

沿海地區的海水噴灑和暴雨會影響混凝土結構的耐久性。鹽溶液對混凝土構件的侵蝕很常見，濕度不僅會引起混凝土耐久性問題，還會引起混凝土力學性能的變化，在荷載作用下，混凝土會受到破壞，從而使水的抗遷移能力和滲透深度對薄壁結構的承載能力產生很大影響[1]。在混凝土含水率變化較快的外部環境中，最常見的環境是干燥與潤濕循環交替。研究表明，相較于長期浸泡、凍融循環等，干濕循環對混凝土力學性能劣化的影響最大。

1 混凝土強度變化反應機理

混凝土早期水化過程中，水的分布和轉化對混凝土水化速率有很大影響，故而可以用來解釋混凝土抗壓強度的形成機制。混凝土硬化時會消耗一些物理結合水，從而再產生化學結合水。干燥時脫水不可避免地對混凝土試件造成損傷，這種損傷主要來源于物理和化學變化。

物理變化體現在兩個方面：一是干燥過程中，混凝土內部水分蒸發，不可避免地產生新的裂縫。水占據的空間變成了新的縫隙，水沿著弱縫隙表面的損失產生了一個新的“通道”，從而形成了新的裂縫。二是混凝土是一種多相材料，干燥過程中，各成分熱膨脹下的系數有差別，導致物理熱開裂。干燥過程中也會出現化學變化，混凝土于100℃時開始進行脫水，部分結合水由于溫度升高被消耗，從而導致新的裂縫出現。化學反應引起的裂縫加劇了物理變化，因此損壞主要由較低干燥溫度下的物理變化引起，而損壞是較高干燥溫度下物理和化學變化的結果。干燥過程中產生的損傷可以用每個相的體積變化和干燥前后超聲波速度的變化來表示。

根據混凝土材料分層模型，混凝土試樣主要組成為固相、液相和氣相，具體內容如圖1(a)。干燥后，固相收縮，體積減小，密度增加，先前被液體占據的區域被氣體占據，如圖1(b)。一般情況下，固體、液體和氣體在混凝土中混合呈不規則分布。超聲波在混凝土試樣中的傳播時間總是小于三相材料的時間和，因此衰減系數(n)被描述為具有三相模型的混凝土中超聲波的傳播時間與天然混凝土中超聲波傳播時間的比值。根據試驗條件獲得了干燥前后混凝土中超聲波的傳播，如式(1)和(2)所示。

圖1 混凝土三相模型及其干燥前后的變化Fig.1 Three-phase model of concrete and its changes before and after drying

(1)

(2)

式中，A表示固相厚度(mm)，B表示液相厚度(mm)，C表示氣相厚度(m)，C′表示干燥后固相收縮的厚度(mm)。D表示混凝土試樣的總長度(mm，D=A+B+C)。n為衰減系數(分析后，范圍為1～4)。υ1和υ2分別是干燥前后超聲波在混凝土中的傳播速度。x1和x2分別是干燥前和干燥后超聲波在固相中的傳播速率。y和z分別是超聲波在水和空氣中的傳播流速。

2 干濕循環作用對混凝土力學性能的影響

大多數混凝土在役結構都經歷了干濕循環和溫度變化，因此混凝土結構很少完全干燥、完全飽和或處于恒定溫度條件。烘干溫度、相對濕度、雨水沖刷等因素影響著混凝土的力學性能和結構的耐久性。然而，沒有單一的參數來確定混凝土結構的耐久性，特別是在受到潛在侵蝕性環境作用時，因此可以通過機械性能(如抗壓強度和彈性模量)考慮耐久性問題。

2.1 相對濕度對混凝土的力學影響

相對濕度(RH)在混凝土材料中特別重要，因為它對基本材料性能有很大影響。如，它會直接影響強度和彈性性能，而這又與體積變形和裂紋敏感性密切相關。混凝土結構通常暴露于環境中，主要是由于相對濕度較低時向環境蒸發而導致水分損失。干燥導致的水分損失導致材料性能(如運輸和機械性能)發生顯著變化，同時導致體積減少。一般而言，強度和彈性模量方面的機械性能取決于含水量。在計算自由體積變形和約束變形引起的應力時，在混凝土結構的設計階段，深入了解混凝土材料強度和彈性模量與內部相對濕度的關系很重要。一方面，孔隙內的毛細壓力隨著含水量的減少而增加，施加體積壓力，壓縮材料并導致整體宏觀硬化效應。另一方面，由于差異干燥或基質中存在骨料作為約束，導致的微裂紋會使彈性性能退化。毛細壓力和微裂紋之間的相互作用是基于機械性能對含水量的依賴。然而，其他過程也可能有助于確定彈性模量如何隨著干燥導致的含水量減少而變化。

高原等[2]通過干濕交替試驗對C30、C80這兩個強度等級的混凝土進行了相對濕度探討，具體內容如圖2所示。結果表明，混凝土相對濕度的發展遵循兩個階段：濕相對度飽和階段和衰減階段。在相同的干濕交替條件下，不同強度等級的混凝土受到的沖擊深度也不同，低含量水泥混凝土具有高強度等級，且影響深度較小。

圖2 養護28 d后混凝土斷面相對濕度的分布Fig.2 Relative humidity distribution of concrete cross section after 28 d maintenance

2.2 干濕循環下混凝土彈性模量變化

周茗如等[3]通過干濕循環實驗對C30、C40、C50三個強度等級的混凝土試塊進行研究，結果如圖3所示。經不同侵蝕時間后，只要混凝土的強度越高，隨著干濕循環次數的增加，影響就越小。水溶液干濕循環過程中，混凝土的干濕循環影響程度要比硫酸鹽溶液的小。

圖3 干濕循環實驗對混凝土彈性模量的影響Fig.3 Influence of drying and watering cycle experiment on elasticity modulus of the concrete

2.3 干濕循環下混凝土的抗壓強度變化

抗壓強度的變化也反映了干濕循環實驗對混凝土力學性能的影響。抗壓強度值的計算公式如式(3)。

(3)

式中，fcc為試件的立方抗壓強度(MPa)；F為試件的失效載荷(N)；A是試件的承壓面積(mm2)。由于干濕循環對混凝土起到的是劣化作用，因此邵化建等[4]揭示了混凝土在干濕循環作用下的劣化機理，探討了干濕循環對混凝土力學性能的影響。混凝土強度會隨著干濕循環次數的增加先升高后降低。由圖4(a)可知，混凝土的強度等級越高，其抵御干濕循環作用的能力越強。圖4(b)顯示了不同強度等級的混凝土劈裂強度分別增加了25.93%、23.06%、20.59%和19.03%。混凝土的相對劈裂抗拉強度低于抗壓強度，這表明混凝土的劈裂抗拉強度對破壞更為敏感。

圖4 干濕循環對混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Influence of drying and watering cycle on concrete compression strength

3 纖維混凝土最新研究進展

低抗拉強度和較差的能量吸收能力是混凝土的顯著缺點。與混凝土一起使用的纖維可以是金屬纖維、聚合物纖維、天然纖維，其中竹纖維在所有植物纖維中具有相對較大的機械強度(如表1所示)，這使得它得到大量的應用。竹纖維在較高纖維負載下的增強效果較少依賴于初始聚合物強度，Kumarasamy等[5]就竹纖維特點進行研究，在混凝土體積中添加0%、0.5%、1.0%、1.5%、2%和2.5%的竹纖維后測試混凝土的抗壓強度，將結果與常規混凝土和竹纖維混凝土進行比較。結果如圖5所示。其顯示了不同纖維配合比的混凝土在7 d、14 d和28 d的抗壓強度。結果表明，竹纖維量達到2%后略有降低，說明竹纖維混凝土比普通混凝土具有更高的抗壓強度。

表1 不同植物纖維的機械性能比較Tab.1 Comparison of mechanical property of the fiber of different plants

圖5 不同纖維配合比的混凝土在7 d、14 d和28 d的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of the concrete under different fiber mix proportion on 7d, 14d and 28d

4 結語

干濕循環是使混凝土結構性能衰退的主要原因之一，因此在研究混凝土力學性能影響時進行干濕循環實驗可以很好地預估其使用壽命。可以將金屬纖維、聚合物纖維、天然纖維與混凝土摻雜使用，將在混凝土表面各種應力水平產生的裂縫方面起著至關重要的作用。天然纖維或纖維素纖維的可用性、可再生性、無碳排放特征、具有吸引力的物理機械性能等可作為傳統建筑材料的替代物，使建筑材料具有綠色及可持續特征。