鄧友生，閆衛(wèi)玲，楊 敏，黃恒恒

(1.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092;2.湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常在水環(huán)境中工作，例如水電站、跨海橋或過河橋的基礎(chǔ)及墩臺、海上采油平臺、海岸及河口結(jié)構(gòu)物等?；炷两Y(jié)構(gòu)膨脹、收縮、徐變、不均勻沉降及周圍環(huán)境溫度的變化，都能使結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂縫，同時混凝土中具有大量的毛細管，在外圍水壓和液體表面張力的共同影響下，外界水會進入到混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙或裂縫中，引起混凝土濕度的升高，從而形成濕態(tài)混凝土。濕態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)長期工作在水環(huán)境中，所以長期處于水飽和狀態(tài)，并且混凝土孔隙中的自由水在各種荷載的作用下會對孔壁形成一定的水壓力，進而影響到混凝土的靜力強度。目前對于混凝土強度的研究大多是以自然干燥條件下的混凝土試件為基礎(chǔ)的，而對于環(huán)境水作用下混凝土抗壓、抗拉、彎曲、剪切等靜力強度的變化研究還比較少。因此，本文針對環(huán)境水條件下環(huán)境水對混凝土靜力強度影響的研究成果進行總結(jié)，分析濕態(tài)混凝土靜力強度降低的物理機理。

1 環(huán)境水對混凝土靜力強度影響的試驗研究

混凝土在干燥的情況下，其強度與混凝土孔隙率、水灰比、水泥、集料、加載速率、溫度、齡期等諸多因素相關(guān)，但是長期工作在水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)的含水量、外界水壓的大小和作用時間都會對混凝土的靜力強度產(chǎn)生很大影響。

1.1 含水量對混凝土靜力強度的影響

眾多試驗研究［1－6］均表明:在混凝土材料及試驗條件都相同的情況下，混凝土的靜力強度隨著混凝土內(nèi)含水量的增加而趨于降低，濕態(tài)混凝土的靜力強度比干燥混凝土的靜力強度低。對于孔隙率、水灰比、水泥、集料、加載速率、溫度、齡期等完全相同的混凝土，臨時增加其內(nèi)部的含水量，混凝土的靜力強度會迅速降低。

Cadoni等［1］將混凝土在一定的濕度與溫度下養(yǎng)護90 d，然后用烘箱干燥，取一部分試件完全浸入水中并密封一段時間，分別對干燥及從水中取出的試件進行了抗拉強度試驗，結(jié)果表明干燥混凝土試件的抗拉強度為3.28 MPa，浸水混凝土試件的抗拉強度下降到3.02mPa，即浸水混凝土試件的抗拉強度降低了7.62%。

王海龍等［2］試驗研究了飽和混凝土與干燥混凝土在不同加載速率下劈拉強度的變化，飽和混凝土在準靜態(tài)加載時劈拉強度比干燥混凝土低，孔隙及裂縫中的自由水會影響混凝土劈拉強度，干燥混凝土的劈拉強度為1.49 MPa，隨著自由水的不斷進入，劈拉強度下降到1.32mPa，降低了11.41%。

Vu等［3］將養(yǎng)護好的混凝土試件分別放在空氣、烘箱中以改變混凝土飽和度，再對試件進行抗壓強度試驗，結(jié)果表明當混凝土的飽和度分別為11%、42%和100%時，抗壓強度分別為42mPa、34 MPa和32mPa，即混凝土抗壓強度隨著飽和度的升高而降低。

閆東明等［4］將300 d齡期的試件浸泡在水中60 d之后取出進行了直接拉伸試驗，當混凝土的含水量為0.31%時，混凝土的擬靜態(tài)強度為2.21 MPa，當含水量增加到4.8%時，擬靜態(tài)強度下降到1.30mPa，混凝土擬靜態(tài)強度總共降低了41.2%。

劉保東等［5］通過改變混凝土浸泡時間來改變混凝土試塊的含水量，對于相同標號的混凝土試塊，測試抗壓強度隨著含水量的增大而降低;對于自然養(yǎng)護的試塊，測試抗壓強度隨著含水量的增大而下降的速度大于標準養(yǎng)護試塊。

李林［6］將邊長100mm的C30混凝土立方體試塊放在標準條件下養(yǎng)護，之后把試件放入水中浸泡直至飽和并測試其抗壓強度，隨后取出試件進行不同程度的烘干，并分別測試其抗壓強度，結(jié)果表明標準養(yǎng)護條件下混凝土試件抗壓強度隨著含水率的增大而下降，飽和試件強度值只有干燥時強度值的71.3%，強度下降明顯。

混凝土的含水量會影響混凝土中微孔隙和微裂縫中的水飽和度，并在水化產(chǎn)物表層形成水膜。水泥凝膠的膠體粒子通過范德華力結(jié)合，結(jié)合力通過薄的水膜起作用，降低含水量使水膜變薄或者消失，結(jié)合力增大，從而增加了對受荷時混凝土內(nèi)部滑移的約束，進而提高混凝土的強度［6］。對于具有不同微觀結(jié)構(gòu)的混凝土，膠體粒子間范德華力不同，結(jié)合力也不同，含水量的減少對混凝土靜力強度的影響存在差異。另外，混凝土中水泥漿體和骨料之間存在界面過渡區(qū)，過渡區(qū)內(nèi)又存在大量的裂縫和孔隙，水進入凝膠體中的微小孔隙引起膨脹，加上凝膠體和骨料吸水后膨脹系數(shù)不一樣，從而導(dǎo)致過渡區(qū)應(yīng)力集中，故過渡區(qū)混凝土強度有一定的削弱［7］。

混凝土內(nèi)的含水量和孔隙率的大小相關(guān)，而混凝土水灰比和引氣劑的摻入量都會影響到混凝土孔隙率的大小。水灰比越大混凝土內(nèi)孔隙也就越多，水就越容易滲入混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土受外界環(huán)境水的影響也就越大。而加入引氣劑后，引氣劑不但會增大混凝土孔隙率對結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生的負效應(yīng)，而且會增大混凝土中非活性孔隙體積的比重，能夠在其中產(chǎn)生均勻、封閉、互不連通的微小氣泡，從而減少毛細管道的形成，緩和孔隙水對混凝土強度的影響［8］。因此，在建設(shè)水下混凝土建筑物時，適當調(diào)整混凝土水灰比及引氣劑的摻入量將會減小環(huán)境水對混凝土靜力強度的影響。

1.2 外界水壓對混凝土靜力強度的影響

對于深海采油平臺和混凝土高壩等混凝土結(jié)構(gòu)，水壓力成為混凝土結(jié)構(gòu)的主要荷載，因此，將混凝土結(jié)構(gòu)周圍工作環(huán)境以及承受的荷載有效地結(jié)合起來，開展水荷載作用下混凝土靜力強度的試驗研究，具有一定的工程意義。

杜守來等［9］對不同外界水壓下和同等水壓下不同浸泡時間對混凝土強度的影響進行了研究。研究結(jié)果表明:未經(jīng)外圍水壓作用的混凝土強度大于外圍水壓作用后的混凝土強度，并且混凝土強度隨著外圍水壓的增加而逐漸降低;隨著試塊浸泡時間的增加，混凝土抗壓強度逐漸降低。

對于水環(huán)境中工作的混凝土結(jié)構(gòu)，水直接作用于混凝土，能夠影響混凝土內(nèi)部的飽和度，從而使混凝土局部強度發(fā)生變化，進而造成損傷破壞。同時，在其他外部荷載作用下，水也同時成為荷載，水的效應(yīng)是變化的。

Bjerkei等［10］研究了混凝土在水壓力下的強度及變形規(guī)律，認為處于水壓力作用下的混凝土，當試驗時的水壓力與混凝土浸泡時的水壓力相同時，混凝土的抗壓強度并不會因為水壓力的存在而降低。但是，Bjerke的試驗條件和實際工程中混凝土的養(yǎng)護條件相差較遠，因為混凝土的養(yǎng)護時間比較長或者基本為無水壓潮濕養(yǎng)護。因此需結(jié)合混凝土在環(huán)境水中工作的實際情況進行真實水壓力下環(huán)境水影響混凝土靜力強度的試驗研究。例如，李慶斌等［11］做了相關(guān)試驗來研究機械圍壓(試件密封)和真實水圍壓(試件不密封)兩種情況對混凝土強度的影響，圍壓大小分別為2mPa和4 MPa。試驗研究結(jié)果表明:機械圍壓下，隨著圍壓的增加，干燥和飽和混凝土均出現(xiàn)了一定的圍壓效應(yīng)，即混凝土的強度都有所增加，且干燥混凝土的圍壓效應(yīng)明顯強于飽和混凝土的圍壓效應(yīng);機械圍壓下的混凝土三軸強度高于真實水圍壓下的混凝土三軸強度。

李宗利等［12］模擬了高壩混凝土工作環(huán)境，將混凝土標準試件浸沒于高壓水體中，在混凝土內(nèi)造成高滲透孔隙水壓，研究高水壓作用后混凝土產(chǎn)生的強度變化情況。試驗結(jié)果表明:隨著外圍水壓的增加，混凝土抗壓強度和抗拉強度都逐漸降低，其強度損失率逐漸增加，外界水壓隨著強度損失率的增大而增大。在同一外界水壓下，外界水壓對混凝土抗拉強度的影響程度要大于對抗壓強度的影響程度，最大抗壓強度和抗拉強度損失率分別為32.6%和28.7%，可見外界水壓對混凝土強度影響很大。

2 濕態(tài)混凝土靜力強度降低的物理機理

一般來說，濕態(tài)混凝土內(nèi)的濕度并不是均勻分布的。Neville［13］將直徑10.16cm(4英寸)的混凝土圓柱體試件在水中浸沒2 d，然后測量其濕度的分布情況，發(fā)現(xiàn)只有占橫截面約12%的區(qū)域內(nèi)濕度發(fā)生了一定的變化。de Larrard等［14］測量了直徑為16cm的混凝土圓柱型試件的濕度分布，結(jié)果表明當試件在空氣中干燥27 d以后，只有外層中厚2.5cm的濕度區(qū)域發(fā)生了變化，整個試件中的濕度在4 a之后才分布均勻。這是由于在凝膠體自密實作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的吸水率隨著混凝土在水中浸沒時間的增加而逐漸降低，而水分在混凝土中的擴散較慢，使混凝土不能完全飽和，導(dǎo)致其內(nèi)部不可避免地存在濕度梯度。對于試驗和實際結(jié)構(gòu)中的混凝土而言，混凝土內(nèi)濕度梯度會對混凝土的性能造成一定的影響。

Popovics［15］認為當混凝土試件內(nèi)外濕度不同時，試件中濕度大的部分水分較多，將會發(fā)生體積膨脹，混凝土在滲透作用下失去水分時體積收縮。不均勻的收縮與膨脹在混凝土中也產(chǎn)生了不均勻的拉、壓應(yīng)力，使混凝土強度降低。

此外，由于混凝土是多孔水泥凝膠體，其內(nèi)部通常有大量的孔洞和微裂縫。各種荷載作用促使孔洞和微裂紋不斷發(fā)生變化，混凝土內(nèi)的水分隨之進行相應(yīng)的遷移，導(dǎo)致混凝土受力復(fù)雜化?？v觀國內(nèi)外現(xiàn)有研究，濕度影響混凝土強度的原因主要有孔隙水壓力作用和填充液體表面張力作用。

2.1 孔隙水壓力作用

濕態(tài)混凝土中微裂縫和孔隙內(nèi)存在大量的自由水，這些自由水在受壓時會在混凝土中形成一定的孔隙水壓力，從而對混凝土的性能產(chǎn)生一定的影響。混凝土的養(yǎng)護濕度、變形、飽和度和裂縫的開展速度等都會影響孔隙水壓力。飽和混凝土中的孔隙水壓力大于非飽和混凝土，尤其在受到外界壓力的作用時，飽和混凝土內(nèi)會產(chǎn)生更大的孔隙水壓力。

裂縫發(fā)展速度較慢時，裂縫中的自由水比較容易到達裂縫的末端，進一步加快裂縫的發(fā)展;裂縫發(fā)展速度較快時，裂縫中的水壓力較弱，導(dǎo)致裂縫的開展受水的影響相對較小。不同研究者的理論分析結(jié)果均表明，對于材料及養(yǎng)護條件相同的混凝土，濕態(tài)混凝土的靜力強度低于干燥混凝土的靜力強度［16－20］。

白衛(wèi)峰等［16］將混凝土中活性孔隙、非活性孔隙及水泥砂漿作為等效基體，粗骨料作為硬化夾雜，基于等效夾雜理論和 Mori－Tanaka平均場的思想建立了一類雙重夾雜模型，分析不同孔隙率及不同飽和度情況對濕態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響。理論分析結(jié)果表明:濕態(tài)環(huán)境中，由于孔隙水的存在，在外界壓力作用下，所產(chǎn)生的水壓力對混凝土基體的開裂起促進作用。同干燥混凝土相比，由于孔隙水壓力的存在，使得濕態(tài)混凝土抗壓強度減小，并且隨著飽和度的增大，抗壓強度減小的趨勢更加顯著。

Guo等［17］利用彈性力學(xué)方法計算了混凝土孔隙的最大環(huán)向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)完全充滿水的孔隙最大環(huán)向應(yīng)力比充滿空氣時大，環(huán)向應(yīng)力的出現(xiàn)會加速混凝土的破壞，使得混凝土的抗壓強度降低。

王海龍等［18－20］認為孔隙水壓力的產(chǎn)生是引起濕態(tài)混凝土強度降低的主要因素，并利用斷裂力學(xué)的方法來討論濕態(tài)混凝土在荷載作用下孔隙水壓力對混凝土斷裂強度和抗壓強度的影響。研究結(jié)果表明:混凝土的強度與混凝土孔隙水壓力的大小有關(guān)，裂紋面上的正應(yīng)力在孔隙水壓力的作用下降低，導(dǎo)致阻止混凝土開裂的摩阻力減小，這種類似于楔體的“楔入”作用促進了微裂紋的擴展和混凝土的開裂，導(dǎo)致濕態(tài)混凝土的斷裂強度和抗壓強度都低于干燥混凝土。

孔隙水壓力理論一定程度上可以解釋濕度對混凝土強度的影響，但是孔隙水壓力并不會在所有荷載情況下都產(chǎn)生，比如在拉力荷載下，混凝土中孔隙水壓力將降低或消散。此外，由于混凝土具有剪脹特性，混凝土的體積在壓縮荷載接近其峰值時產(chǎn)生膨脹，這時混凝土中也難以產(chǎn)生較大的孔隙水壓力。

2.2 填充液體表面張力作用

表面張力是液體表面空穴作用的結(jié)果，而表面能是液體分子間的作用力做功的結(jié)果。由于液體分子易于遷移，表面被張拉時，液體分子間的距離并不改變，只是將本體相的分子遷移到液面上來，因此，液體中的表面張力和表面能在數(shù)值上是相等的［21］。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了大量的理論與試驗研究來分析填充液體表面張力與混凝土靜力強度之間的關(guān)系。

液體與固體在非真空條件下接觸時，整個體系同時受到固體表面能γsv、液體表面能γlv以及固液界面能γsl的作用，使液體在固體的表面呈現(xiàn)一定的接觸角θ?？梢圆捎脳钍戏匠?Young’s Equation)來描述固體表面能、液體表面能與固液界面能及接觸角 θ之間的關(guān)系［22］:

可以看出，要計算γsv，只需要知道式(1)中γlv與γsl及接觸角θ這3個變量，其中θ和γlv可以通過實驗儀器測得，而γsl無法測出，但可通過3個變量之間的關(guān)系及其他方式計算出γsv和γsl。因此可通過測定不同飽和度的濕態(tài)混凝土中接觸角和液體表面張力，根據(jù)楊氏方程來計算出濕態(tài)混凝土表面能，從而得到表面能隨混凝土飽和度的變化趨勢。

當液體在固體表面濕潤并鋪展開來，在固體表面形成一層液膜時，會導(dǎo)致固體的表面能下降，固體表面能的下降程度隨混凝土飽和度增大而增大［31］。

王海龍等［23］根據(jù)Griffith的斷裂力學(xué)理論，分析了裂紋及孔隙中的自由水降低混凝土的靜力抗拉強度機理，通過模型與試驗驗證了這一理論的合理性，并提出對于濕潤的混凝土，材料的理論抗拉強度σs可以表示為

式中:E為濕態(tài)混凝土彈性模量;c為控制裂紋長度;γ'為濕態(tài)混凝土的表面能。由式(2)可知，濕態(tài)混凝土的理論抗拉強度與材料的表面能有關(guān)?；炷林兄挥袧穸劝l(fā)生改變時，可認為其控制裂紋長度沒有變化，混凝土強度的變化主要由彈性模量和表面能的變化所引起。當測量出濕態(tài)混凝土的彈性模量、接觸角和液體表面張力時，先通過式(1)等計算出濕態(tài)混凝土的理論表面能，再由式(2)計算出濕態(tài)混凝土的理論抗拉強度，便可以得出濕態(tài)混凝土的理論抗拉強度與填充液體表面張力之間的關(guān)系。

Wittmann［24-25］認為濕態(tài)混凝土強度的降低主要由混凝土顆粒的表面能變化所引起，混凝土中水的侵入使材料微觀粒子間的范德華力減小，從而降低了混凝土的表面能，由Griffith準則可得:

式中:γ0為混凝土的表面能;Δl/l0為混凝土試件的長度改變量;o為混凝土的初始表面能;ρ為混凝土材料的理論密度;E為混凝土彈性模量。隨著混凝土試件含水率的增加，γ0降低，Δl/l0稍有增加，由式(3)(4)可看出混凝土的相對強度(σ/σ0)2減小，即混凝土的濕度增加時，其強度減小。

Griffith理論只適應(yīng)于尖銳的裂縫并且材料為理想脆性材料，但是利用該理論來預(yù)測混凝土抗拉強度時數(shù)值相差較?。?3］。所以該理論可以用來合理地說明濕態(tài)混凝土抗拉強度降低機理。

Matsushita等［26］人工配制了與海水類似的溶液，測得其表面張力為0.090 N/m，而水在20℃時的表面張力為0.073 N/m，低于海水表面張力。孫志偉等［27］通過楔形劈裂試驗和三點彎曲試驗對干燥混凝土試件、水浸泡的混凝土試件及海水浸泡的混凝土試件分別進行了測試，得到海水浸泡后的混凝土靜力強度低于水浸泡后的混凝土靜力強度，并認為混凝土靜力強度的變化是浸泡液體表面能及表面張力的變化引起的?；谝陨涎芯浚瑢O志偉等［28］通過對全干燥、半干燥、水浸泡和海水浸泡4組混凝土試件的測試，表明浸泡混凝土的液體表面張力增大時，混凝土的表面能減小，混凝土抗折強度也減小。所以，浸泡液體表面張力變化可以用來解釋濕態(tài)混凝土靜力強度的變化。

王海龍等［2］把準靜態(tài)荷載作用下飽和混凝土的劈拉強度降低機理解釋為:混凝土中的水在液體表面張力的作用下有足夠的時間通過凝膠孔、凝膠體和骨料之間的界面至縫端，裂縫中的自由水不但使裂紋異向張開，而且使混凝土尖端的黏聚力降低，最終導(dǎo)致飽和混凝土靜力劈拉強度降低。該解釋本質(zhì)為混凝土的靜力劈拉強度降低是液體表面張力降低所引起的。

填充液體對混凝土表面能的削弱是導(dǎo)致混凝土靜力強度降低的重要原因，但試驗中表面能的大小難以測定，因此仍需開展大量的研究工作來準確定量分析填充液體對混凝土靜力強度的削弱。

3 結(jié)語

環(huán)境水對混凝土靜力強度的影響是一個非常復(fù)雜的問題，大量試驗研究及理論分析結(jié)果表明:①混凝土內(nèi)部含水量及外界水壓對其靜力強度有一定的影響，含水量的增加及外界水壓的作用都會降低混凝土靜力強度，外界水壓越大，作用時間越長，混凝土靜力強度降低越明顯;②孔隙水壓力的產(chǎn)生及填充液體表面張力的變化是引起濕態(tài)混凝土靜力強度降低的主要原因，混凝土中表面能的變化導(dǎo)致濕態(tài)混凝土表面能低于干燥混凝土，使得混凝土靜力強度降低。

現(xiàn)有的研究大多為定性的解釋，定量的研究較少，并且對單個影響因素研究較多，多因素相互作用對混凝土的靜力強度產(chǎn)生影響的研究較少。隨著水下混凝土建筑的不斷修筑，還要進行大量研究來對比驗證環(huán)境水對混凝土強度的影響，應(yīng)從細微觀的角度出發(fā)，利用超聲波、磁分析、光纖等先進技術(shù)來觀測水在混凝土破壞過程中的作用;采用有限元分析軟件來模擬濕態(tài)混凝土各個界面的連接耦合，以加深對不同環(huán)境水下混凝土靜力強度變化的認識;開展一系列試驗來研究不同混凝土水灰比、孔隙率、齡期、加載速率、溫度、骨料級配、滲透系數(shù)、骨料粒徑等條件下水對混凝土靜力強度的影響，以及進行不同填充液體條件下混凝土靜力強度的對比試驗。

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