海水环境下混凝土的断裂能及其应变软化.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、 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
6、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
7、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
8、 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
9、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
10、( 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
11、 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
12、 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
13、 ) ; 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
14、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
15、 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
16、 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
17、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
18、 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
19、 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
20、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
21、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
22、 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
23、 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
24、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
25、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
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- 海水 环境 混凝土 断裂 及其 应变 软化
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