孔隙水对混凝土静力特性的影响研究综述.pdf
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1、第 3 l 卷第 1 期 V o 1 3 1 N o 1 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 1 年 2月 F e b2 0l 1 D O I : 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 - 7 6 4 7 2 0 1 1 O 1 0 2 1 孔隙水对混凝土静力特性的影响研究综述 郑 丹 , 李鑫鑫 ( 重庆 交通 大学 河海 学院 , 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要: 对现有孔隙水对
2、混凝土静力特性影响的试验和理论研 究成果进行综述。总结 目前 的试验研 究方法和结论, 分析湿度梯度 、 孔 隙水压力以及液体表面张力等 因素对混凝土弹性模量和强度的影 响机理, 指 出孔 隙水对混凝土特性的影响应是 多种 因素共同作 用的结果。 关键词: 混凝土结构 ; 孔隙水 ; 湿度梯度 ; 表 面张力 ; 结构强度 ; 综述 中图分类号: T U 5 2 8 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 1 ) O l o o 9 o 一 0 5 R e v i e w o f r e s e a r c h e s o n i n fl u e
3、 n c e s o f p o r e w a t e r o n s t a t i c p r o p e r t i es o f c o n c ret e Z H E N G D a n , L I X i n - x i n ( D e p a r t m e n t o f l v e r& O c e a n E n g i n e e r i n g,C h o n g q i ng J i a o t o n g U n i v e r s i t y,C h o ngq i n g 4 0 0 0 7 4 ,C h i n a) Abs t r a c t : e c
4、u r r e n t e x p e ri me n t a l an d t h e o r e t i c a l r e s e a r c h e s o n i l ff l u e nc e s o f p o r e wa t e r o n s t a t i c p rope r t i e s o f c o n c r e t e we r e r e v i e we d 硼1 e e x i s t i r i g e x pe r i me n t al me t h o d s an d c o n c l u s i o n s w e re s t mm a
5、 a fi z e d T h e me c h a n i s m o f i n fl u e n c e s o f mo i s t u r e g r a d i e n t 。 p o r e wa t e r p res s ur e and wa t e r s u r f a c e t e n s io n o n e l a s t i c mo d u l u s an d s t ren g t h o f c o n c r e t e wa s a n a l y z e dA c o nc l u s i o n i S d r a wn tha t 山e i
6、n fl u e n c e s o f po r e wa t e r o n t h e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a r e ma d e b y v a ri o u s f a c t o r s Ke y wo r ds:c o n c r e t e s t ruc t u r e;p o r e wa t e r;mo i s t u r e gra d i e n t ;s u rfa c e t e n s i o n;s t r u c t u r a l s t r e n g t h;rev i e w 在水环境
7、中工作的混凝土结构 , 如大坝 、 桥墩、 近海及海岸建筑物等 , 外界水会渗入混凝土 中, 影响 其力学性能。水不仅影 响混凝土 内部 的湿度分布, 同时也作为一种荷载作用于混凝土结构上 , 尤其在 高水头作用下 , 混凝土局部将承受较大的水压力 , 混 凝土结构的应力可能达到或超过其承载能力 , 导致 原有结构局部破坏 和部分功能退化 , 甚 至影响结构 整体功能。现有的研究多数不能反映孔隙水对混凝 土力学性能影响这一特征。因此 , 开展孔 隙水作用 下混凝土力学性质 的研究 , 为混凝土结构设计提供 更为准确 的力学参数显得尤为重要 。 1 水对混凝土弹性性能的影响 大量试验研究表明,
8、在孔隙率相同的条件下 , 混 凝土含水量越大 , 弹性模量越高_ 1 J 。一般认为 , 相 对于空气而言水为不可压缩 的液体 , 因此混凝 土中 的孔 隙水在应力作用 下变形很小 , 使得含水量 高的 混凝土弹性模量增加 。Y a m a n等l 4 J 根据混凝土孔 隙是否与外界连通 , 将孔隙分为活性孔隙和非活性 孔隙, 并认 为非活性孔 隙水不 能渗入 , 不受湿度影 响, 而活性孔隙影 响混凝土的弹性力学性能。在此 基础上 , Y a ma n等考虑混凝土基体 中夹杂有空气和 水等, 采用细观力学理论方法计算 了混凝土的等效 弹性模量 , 但 由于模型 中未考虑孔 隙水黏滞性等因 素
9、 , 模型计算值和试验值有较大差异。Wa n g 等 J 考 虑了水泥后期水化和水 的黏滞力对湿态混凝土弹性 模量 的影响 , 采用 M o r i T a n a k a 模型分析 了水对混凝 土弹性模量的影 响。计算结果表明 , 该模型计算结 果和试验结果吻合较好 ( 图 1 ) , 可以有效地预测湿 态混凝土的弹性模量。 从上述研究可以看 出, 由于孔隙水对混凝土弹 性模量的影响研究较为深入 , 而且细观力学关 于各 向异性复合材料 的弹性理论发展较为充分 , 可 以较 为准确地分析各种含水量下混凝土的弹性模量。 2 水对 混凝 土强度的影响 相对于弹性性能而言 , 工程设计和研究人员对
10、 混凝土的强度更为关心 , 因为强度直接关 系到工程 结构的安全可靠性 。众所周知, 水对 混凝土强度的 影响主要体现在两方面l 7 J : 一方面是水泥的水化 , 是 稳步增长且不可逆的; 另一方面是水分迁移 , 是随着 介质湿度的不同而变化的, 是可逆的。 基金项 目: 国家 自然科学基金( 5 0 8 0 9 0 7 9 ) 作者简介 : 郑丹 ( 1 9 7 9 一) , 男 , 重庆人 , 副教授 , 博士 , 从事混凝土性能的研 究。E - m a i l : z h e n g d a n c q u c e d u c n 9 0 水利水 电科技 进展 , 2 0 1 1 ,
11、3 l ( 1 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l : j z h h u e d u c a h t t p : k k b h h u m 一 山 散 一 饱 和混 凝一 卜 一 饱和度为 8 0 的混凝土 图 1 不同饱和度的混凝土弹性模量和孑 L 隙率 的关 系 2 1 水对混凝土强度影响的试验研究 研究人 员开展 了不 同含水量 的混凝 土强度试 验, 试验结果表明E 8 - 1 4 J : 湿态混凝土的强度比干燥混 凝土强度低 , 即使是原材料和养 护条件完全相 同的 混凝土 , 临时改变其饱和度 , 混凝土的强度也会随之 改变。但
12、 由于研究人员采用 的养护方式和试验条件 不同, 所得到的试验结论也有所差异。 L i 8 J 通过试验研究了混凝土强度和含水量之 间 的关系。试验中先将试件 自然养 护 2 8 d , 干燥后将 试件浸入水 中, 经过不 同时间的浸泡后取 出测量其 强度 , 试验结果如图 2所示 。试验结果表 明, 干燥混 凝土的强度要明显高于普通混凝土 , 并且随着浸水 时间的增加 , 混凝土强度逐渐降低 ; 湿度变化对水灰 比( W C) 高的混凝土强度影响更加明显 。 鼎 骤 图 2 不 同浸 水时间对 混凝土抗压强度的影响 慧 _ H 廷 图 3 外 围水压与混凝 土抗压 强度之间的关系 水利水电科
13、技进展 , 2 0 1 1 , 3 1 ( 1 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 杜守来等_ 9 J 也进 行了类似 的试验 , 试验 中先将 混凝土试件进行养护 , 然后浸入不同水压力的水 中, 经过一段时间后取 出测量其抗压强度 。试验结果表 明: 经过水压力作用的混凝土强度有所 降低 , 并且随 着水压力和作用时间的增加 , 混凝土强度的降低程 度增大 , 如图 3 、 图 4所示 。 在 C a d o n i 等【 l O l 的试验中, 先将混凝土在温度为 2 0、 相对湿度为 9 5 的条件下养护 9 0 d , 再用5 0 c I = 的烘箱干燥 ,
14、 然后将试件浸入水中并密封 , 之后取 出 试件进行试验 , 试验结果表明, 混凝土的抗拉强度从 干燥时的 3 2 8 MP a下降到饱和时的 3 0 2 M P a , 下降 了 7 6 2 。闫东明等【 1 1 J 将 3 0 0 d龄期的试件浸泡在 水 中6 0 d 后取出进行直接拉伸试验 , 试验结果表明, 当混凝土的含水量从 0 3 1 增加到 4 8 0 时 , 强度 降低了 4 1 2 。王海龙等 1 2 - 1 4 在试验中, 先将试件 在水 中养护 4 8 d得到饱和混凝土 , 然后将试件取出 烘干至质量恒定 , 得到干燥混凝土 , 随后测量各 自的 强度。试验表明饱 和混凝
15、土与干燥混凝土相 比, 抗 压强度下降了 4 5 , 劈拉强度下降了 1 1 4 1 。V u 等 、 Wi t t m a n n等 1 6 - 1 7 3 进行的试验也得到 了类似 的 结论 , 同时试验还表明浸泡 N a C 1 溶液后的混凝土强 度降低更 明显 。 对于多轴情况 , 研究人员也进行 了相应的试验 研究工作 , 所得到的试验结果和单轴情况基本一致。 I m r a n等_ 1 8 _ 进 行 了不同水灰 比的干燥 、 饱和混凝 土 三轴压缩试验 , 试验结果表 明, 饱和混凝土的三轴强 度 比干燥混凝土略低 , 高水灰 比混凝土 的强度弱化 更加 明 显。V u等【 J
16、进 行 了 围 压 从 5 0 M P a到 6 5 0M P a 下混凝土的三轴抗压试验 , 结果表 明围压下 的混凝土强度大幅降低 , 在 6 5 0 MP a的围压作用下 , 干燥混凝土的强度为 9 0 0 M P a , 而饱 和混凝土的强度 仅为 2 0 0 MP a 。 在上述试验中, 围压 的施加方法是将试件密封 , 然后再施加周 向围压。但对于在水环境中工作的混 凝土结构 , 水是直接作用于混凝土上 , 因此研究人员 也开展了真实水压力下孔 隙水对混凝土强度影响的 +经水压作用 +朱经 7 k腰作 用 酸 赠 图 4 浸水 时间对 混凝土抗压 强度的影响 E - m a i l
17、 : j z h e d u c n h t tp: k k b h h u e d u C lt 91 。 试验研究。B i e r k e i 等l I 9 J 通过试验 研究了处于水压 力下混凝土的强度及变形发展规律 , 试验结果表明 : 在水压力作用下 , 混凝土内会产生孔隙水压力 , 其大 小和混凝土渗透系数 和吸附水的能力有关 ; 处在水 压力( 水头小于 8 o 0 m) 作用下的混凝土 , 如果养护条 件和试验条件相同 , 那么孔隙水不会影响混凝土 的 抗压强度。C h e n等 2 0 、 李 庆斌 等E 2 1 以混凝 土 内部 湿度和水荷载作用方式为可变参数 , 研究 了
18、混凝土 在水压力作用下 的多轴强度 。试验结果表明 , 密封 条件下干燥和饱和混凝土的抗压强度都随着 围压的 增加而增加 , 但饱和混凝土围压效应较小。在不密 封条件下 , 干燥和饱和混凝土抗压强度较密封条件 下均有大幅度降低 , 与单轴强度相 比, 干燥混凝土抗 压强度降低较大 , 而饱和混凝土抗压强度 降低很小 。 2 2 水对混凝土强度影响的理论研究 从上述试验结果可 以看出, 孔 隙水对混凝土的 强度有较大影响 , 这在结构设计 中不容忽视 , 国内外 专家学者对此进行了广泛而深入的研究。但 由于混 凝土 内部含有很多微裂缝和孔洞 , 当水浸入后使其 内部情况发生变化。同时在荷载作用下
19、随着裂纹 、 孔洞的发展演化 , 混凝土内部水分也会发生迁移, 使 得受力情况更加复杂。因此, 虽然 已经开展了大量 的研究工作 , 但对湿态混凝土强度降低 的物理机理 仍没有较完善的解释。现有文献中关于孔 隙水对混 凝土强度影响的理论解释主要有以下几种 。 2 2 1 湿度梯 度对 混凝 土 强度 的影响 研究表明 2 2 J , 由于混凝土中凝胶体 的毛细孔处 于饱和状态 , 吸附水分 的能力较差 , 因此水分在混凝 土中的扩散较 慢 , 混凝 土在 常压下很难达 到饱 和。 d e I a r r a r d等 j 测量了直径为 1 6 c m的混凝土圆柱形 试件的湿度分布情况 , 试验
20、结果表明, 在空气 中干燥 2 7 d的试件仅外层 的 2 5 e m湿度发生了改变 , 经过 4年 后混凝土试件中的湿度才达到较均匀的状 态。 因此 , 对于试验和实际结构中的混凝土而言, 很难达 到真正的完全饱 和状态 , 混凝土 内部不可避免地会 产生湿度梯度 , 这个梯度也会对混凝土的性能造成 一 定影响。 P o p o v i c s 2 4 _ 认为当混凝土试件外部和 内部湿度 存在差异时 , 水分较高的部分产生膨胀 , 而水分的失 去会产生收缩 , 这些不均匀变形在混凝土 内部产生 不均匀 的 拉 、 压 应 力, 使 得 混 凝 土 的强 度 降低 。 B a a l e t
21、 t 等l 巧 J 认为凝胶孔 吸水后将 引起试件 内部膨 胀 , 当外荷载增加时, 吸收的水分不能马上排 出, 使 试件固体基质内部产生超静水压力 , 引起横向挤压 效应 , 从而导致混凝土抗压强度降低。 由于混凝土中湿度扩散较慢 , 试验存在一定 的 湿度分布不均匀现象 , 这会对混凝土 的性能产生一 定影响。但是试验中发现在不存在湿度梯度的情况 下 , 水仍然会影响混凝土的强度 , 如完全干燥的混凝 土比完全饱和的混凝 土强度要高 , 因此这种理论 只 能在一定程度上解释现有试验现象。 2 2 2孔 隙水压 力对混 凝土 强度 的影 响 根据 B i o t 的孔隙力学理论 , 多孔材料
22、 中的孔 隙 水在荷载作用下会产生一定 的水压力 , 因此混凝土 中的孔隙和微裂缝 内的 自由水受压会产生超孔隙水 压力 , 并对混凝土的性能产生影响。 徐世烛等 2 6 - 2 7 通 过进行 不同水压下混凝土试 件断裂试验 , 认为静水压力的增加使 同等条件下裂 缝内的水压力逐渐增大, 造成试件的抗裂能力降低 , 峰值荷载减小 。O s h i t a 等 - 2 9 通过测量混凝土中孔 隙水压力的发展发现 , 当湿态混凝土 的体积变形处 于压缩状态时, 孔隙水压力逐渐增长且与外部压力 和变形呈线性关系。因此认为孔隙水压力对混凝土 的开裂有促进作用 。G u o等 j 利用弹性力学方法 计
23、算混凝土受轴 向压应力 , 发现完全充满水 的孔隙 最大环向应力 比在充满空气时要 大 6 7 , 环向应力 会促进混凝土破坏 , 进而减小混凝土的抗压强度。 王海龙 等【 1 3 , 3 1 - 3 2 利用 断裂力学 方法探讨 了湿 态混凝土在承受单轴压缩荷载时孔隙水压力对混凝 土开裂 、 扩展和抗压强度的影 响。认为混凝土 中的 孔隙水压力减小 了阻碍混凝 土开裂 的摩阻力 , 相当 于楔体的“ 楔人” 作用 , 加速 了混凝 土的损伤和微裂 纹 的扩 展 , 因此 湿 态 混 凝 土 强 度 降 低 。 白卫 峰 等 3 3 - M 假设混凝土 中的孔 隙水压力和活性孔 隙率 及外荷载
24、成正比, 并假设湿态情况下水泥砂浆基体 的断裂韧度和裂纹扩展特征长度 , 采用细观夹杂理 论和断裂力学方法计算 了混凝土强度和孑 L 隙率 、 砂 浆和骨料弹性模量比之间的关系。 对于围压情况 , I 嗍等【 培 J 对此的解释是: 在三 轴试验过程 中, 饱和混凝土试样 内部孔 隙水压力发 展 , 降低 了有效侧 向应力 , 因此强度的围压增加效应 要小 于 干燥混 凝 土。在 直接 水压 力作 用 下, C h e n 等【 加l 、 李庆斌等 2 J 认 为干燥混凝 土强度在 围压下 降低较大的主要原 因是 : 当加载速率较慢时 , 裂纹的 扩展速率也较慢, 在不密封条件下外部水压总能及
25、 时到达裂缝尖端, 形成“ 楔入” 作用, 促使裂纹的开 展 , 降低了混凝土的强度 。 采用孔隙水压力理论可以在一定程度上解释湿 度对混凝土强度 的影响 , 但 由于孔隙水压力很难测 量 , 因此较难定量分析其实际影 响。同时因为孔隙 水压力的大小和体积变形成正比, 但试验表 明混凝 土的劈拉强度随湿度 的增加也减小 , 也就是说在受 。 9 2 水利水电科技进展 , 2 0 1 1 , 3 1 ( 1 ) : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - ff: _豇 C n地p : 从M m 拉荷载下 , 混凝土中较难产生孔隙水压力的情况时 , 湿度对混凝土的强度也有影响。并且 ,
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