（水利水电工程专业论文）孔隙水对混凝土静力特性的影响研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 机及 p日期：珈，年歹月z 步日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在 其他媒体发表论文的权利。 指导教师签名：射 日期：v f 年5 与始日 i l l q l l 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学雠文作者躲祝纪 日期：勿i f 年厂月7 易日 指导教师签名：匆扭 日期：v 7 7 年r 月诒日 摘要 大坝等混凝土结构的设计是否安全、合理，很大程度上取决于材料力学参数 指标选取的正确合理性。大坝、桥墩和近海结构物等混凝土结构经常在水环境中 工作，研究表明不同湿度情况下混凝土的力学性能会有较大差异。因此，分析孔 隙水对混凝土力学特性的影响规律，提供更为准确的混凝土材料力学参数，为在 水环境中的混凝土结构设计和安全性评价提供参考，意义重大。本文结合国家自 然科学基金项目“考虑孔隙水影响的混凝土静动力损伤演化及破坏机理研究 ( 5 0 8 0 9 0 7 9 ) ，以湿态混凝土在静力荷载下的力学性能为主要研究对象，分析了 湿态混凝土强度降低的物理机理，取得了以下主要研究成果： ( 1 ) 为了研究浸没时间、孔隙率以及液体表面张力对混凝土强度的影响，论文 开展了在水中不同浸没时间下，不同强度混凝土的单轴抗压试验，以及不同含气 量混凝土在不同表面张力液体中浸泡后混凝土的单轴抗压试验。文中详细介绍了 试验过程，并对试验结果进行了分析。 ( 2 ) 论文从分析影响混凝土强度的各种因素出发，认为湿态混凝土强度降低的 主要原因是浸没液体降低了材料的表面能。在湿度扩散、断裂力学和统计强度理 论基础上，分析了混凝土内湿度分布情况以及存在湿度梯度时的混凝土抗压强度， 并对各参数的影响进行了讨论。 ( 3 ) 论文利用a n s y s 有限元软件的热分析模块计算了三维湿度扩散情况下的 混凝土内部湿度场，在统计强度理论基础上，利用可靠度分析方法研究了不同湿 度下混凝土的抗压强度。 ( 4 ) 论文在已有湿态混凝土弹性模量研究工作的基础上，考虑微裂纹对整体变 形的影响，计算了不同孔隙率下饱和混凝土的弹性模量，并讨论分析了微裂纹密 度、孔隙水、孔隙率变化和水的粘滞力对饱和混凝土弹性模量的影响大小。 ( 5 ) 论文在单轴压缩下混凝土应力一应变试验基础上，考虑不同加载阶段湿态 混凝土弹性模量的变化，利用w e i b u l l 统计损伤模型建立了湿态混凝土的本构关 系。 关键词：混凝土强度表面张力本构模型孔隙水 a b s t r a c t t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a l sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nc o n c r e t es t r u c t u r a l d e s i g n c o n c r e t es t r u c t u r e ss u c ha sd a m s ，p i e r sa n ds e a s h o r es t r u c t u r e sa l w a y sw o r ki n w a t e re n v i r o n m e n t , a n dt h ee x t e r n a lw a t e rw i l lp e n e t r a t ei n t ot h ec o n c r e t e t h ee x i s t i n g r e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h ep o r ew a t e ri nw e tc o n c r e t eh a st r e m e n d o u se f f e c t so n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t e s oa n a l y z m gt h ei n f l u e n c er u l e so fp o r ew a t e rt o c o n c r e t em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dp r o v i d i n ga c c u r a t em e c h a n i c a lp a r a m e t e r sw i l lh a v e g r e a ts i g n i f i c a n c et os t r u c t u r a ld e s i g na n ds a f e t ye v a l u a t i o no fc o n c r e t ew o r k i n gi n w a t e re n v i r o n m e n t w i t ht h es u p p o r tf r o mn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d e rg r a n t sn o 5 0 8 0 9 0 7 9 ，r e s e a r c h e so fw e tc o n c r e t em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f u n d e rs t a t i c l o a d i n g a r ec o n d u c t e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h em i c r o m e c h a n i c s ， c o m p r e s s i v es t r e n g t hr e d u c t i o no fw e tc o n c r e t ei sa n a l y z e d 1 1 1 em a i nr e s u l t sc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fw a t e rc o n t e n t ，p o r o s i t ya n dl i q u i ds u r f a c et e n s i o n o nc o n c r e t es t r e n g t h , u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t so fd i f f e r e n ts t r e n g t hc o n c r e t e u n d e rd i f f e r e n ti m m e r s i o nt i m e ，a n dc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n ta i rc o n t e n ts o a k i n ga t d i f f e r e n ts u r f a c et e n s i o nl i q u i dw e r ec a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 1 ee x p e r i m e n t a l p r o c e s si si n t r o d u c e d ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r ea l s oa n a l y z e d ( 2 ) b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo f v a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r st oc o n c r e t es t r e n g t h , i t i sc o n s i d e r e dt h a ti m m e r s i o nl i q u i dr e d u c i n gc o n c r e t es u r f a c ee n e r g yi st h em a i nf a c t o r c a u s i n gt h ew e tc o n c r e t es t r e n g t hd e c r e a s e b a s e do ns o l i dd i f f u s i o n , f r a c t u r em e c h a n i c s a n ds t a t i s t i c ss t r e n g t ht h e o r y , t h em o i s t u r ed i s t r i b u t i o na n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f c o n c r e t eu n d e rd i f f e r e n tm o i s t u r eg r a d i e n ta r ea n a l y z e d n l ei n f l u e n c ep a r a m e t e r so n c o n c r e t es t r e n g t ha r ea l s od i s c u s s e d ( 3 ) t h et h e r m a lo fa n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei sa d o p t e dt oa n a l y z et h e m o i s t u r ef i e l di nc o n c r e t eu n d e rt h r e e d i m e n s i o n a lm o i s t u r ed i f f u s i o n i nt e r m so ft h e s t a t i s t i c ss t r e n g t ht h e o r y , t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o di se m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h e c o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t hu n d e rd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t ( 4 ) b a s e do nt h ee x i s t e dr e s e a r c hw o r kf o rw e tc o n c r e t ee l a s t i cm o d u l u sa n d c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c e so fm i c r o c r a c kt od e f l e c t i o n , t h ee l a s t i cm o d u l u so fw e t c o n c r e t eu n d e rd i f f e r e n tp o r ep o r o s i 够a r ec a l c u l a t e d ，t h ei n f l u e n c e so fm i c r o c r a c k d e n s i t y , p o r ew a t e r , p o r ep o r o s i t ya n dw a t e rv i s c o s i t yi nc r a c k so nt h ee l a s t i cm o d u l u s 目录 第一章绪论。l 1 1 选题背景和研究意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 水对混凝土弹性性能的影响l 1 2 2 水对混凝土强度的影响3 1 3 本文的研究思路与结构安排1 1 第二章湿态混凝土的单轴抗压试验。1 3 2 1 概述13 2 2 试验设计1 3 2 2 1 配合比设计。13 2 2 2 试验过程设计1 4 2 3 试件的成型及养护1 5 2 3 1 试件的成型1 5 2 3 2 试件的干燥1 7 2 3 3 试件的浸泡与密封1 8 2 4 单轴抗压试验19 2 5 数据结果和分析1 9 2 5 1 浸没时间的影响。1 9 2 5 2 湿度传导方向的影响一2 1 2 5 3 含气量的影响2 3 2 5 4 液体表面张力的影响2 4 2 6 刀、结2 5 第三章湿态混凝土强度降低的物理机理分析。2 7 3 1 概述2 7 3 2 影响混凝土强度的因素分析2 7 3 2 1 水灰比2 7 3 2 2 温度2 8 3 2 3 龄期2 9 3 2 4 含气量和孔隙率2 9 3 3 湿态混凝土单轴抗压强度计算模型3 2 3 3 1 湿度对混凝土强度影响的机理分析3 2 3 3 2 基于w e i b u l l 分布的湿态混凝土强度计算模型3 5 3 3 3 混凝土内相对含水量计算3 9 3 3 4 计算结果和讨论4 3 3 4 ，j 、结4 6 第四章基于可靠度分析湿态混凝土的抗压强度4 8 4 1 概述。4 8 4 2 混凝土湿度场模型及计算4 8 4 2 1 湿度场数学模型4 8 4 2 2a n s y s 应用有限元软件进行参数化建模51 4 2 3a n s y s 热分析基本原理5 2 4 2 4 利用a n s y s 计算混凝土湿度场分布5 4 4 3 基于可靠度分析的湿态混凝土强度计算。5 8 4 3 1 基于a n s y s 的可靠度分析5 8 4 3 2a n s y s 湿结构耦合分析5 9 4 3 3a n s y s 概率设计6 0 4 4 计算结果及分析6 1 4 5 结论6 8 第五章湿态混凝土的本构关系。6 9 5 1 概述6 9 5 2 湿态混凝土的初始弹性模量6 9 5 2 1 混凝土细观力学模型7 l 5 2 2 受压荷载下微裂纹引起的柔度张量7 2 5 2 3 湿态混凝土微裂纹引起的柔度张量7 3 5 2 4 湿态混凝土基体弹性模量的确定7 4 5 2 5 水泥后期水化对混凝土基体弹性模量的影响7 5 5 2 6 计算结果及分析7 5 5 3 湿态混凝土的本构模型7 8 5 4 计算结果8 2 5 5 湿态混凝土的峰值弹性模量。8 2 5 6 结论一8 3 第六章结论与展望。8 4 6 1 主要结论8 4 6 2 研究展望8 5 致 谢8 6 参考文献。8 7 在校期间发表的论文及取得的科研成果9 l 第一章绪论 1 1 选题背景和研究意义 第一章绪论 在水环境中工作的混凝土结构，湿度是引起混凝土材料强度降低的一个重要 因素，人们对此给予了越来越多的重视和研究。混凝土结构由于温度、收缩、不 均匀变形等，其表面和内部产生了大量的裂缝。在外界水压和液体表面张力的影 响下，外界水渗入结构中，湿度升高，混凝土的力学特性发生改变。 大坝等混凝土结构的设计是否安全合理，很大程度上取决于材料力学参数指 标选取的正确合理性。通常在水环境中工作的混凝土结构，尤其是在高水头下， 局部水压力构成了结构的主要荷载，大坝承受的库水和地震作用将达到千万吨级 的水平，坝体最大静、动拉应力可能达到或超过混凝土的承载能力，导致原有结构 局部破坏和部分功能退化，甚至结构整体功能受到影响。研究表明n 3 在水环境中工 作的混凝土结构，如大坝，桥墩，近海及海岸建筑物等，在不同湿度情况下混凝 土的力学性能会有较大的差异。但现有研究多数不能反映这一特征，因此研究孔 隙水对混凝土力静力特性的影响，并提供更为准确的材料力学参数显得尤为重要， 意义重大。 本文拟通过试验及理论研究相结合的方法对湿态混凝土静荷载下的力学性能 进行研究。分析湿态混凝土强度降低的主要原因，利用理论分析和有限元数值方 法分析混凝土试件内部的湿度场，对不同湿度场下的混凝土强度进行可靠度计算， 并对饱和混凝土的本构模型进行研究，为水环境下工作的混凝土结构的建设提供 参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水对混凝土弹性性能的影响 大量试验研究表明，在孔隙率相同的条件下，含水量高的混凝土的弹性模量 要高于含水量低的混凝土【。一般认为，由于水相对于空气而言为不可压缩的液体， 含水量高的混凝土内孔隙水在应力作用下变形很小，使得混凝土实际的弹性模量 增加。g u o 等【4 】采用弹性力学方法计算得出，混凝土在单轴压缩下，充满水的孔隙 单元变形比充满空气或水蒸气的孔隙单元变形要小，应变值的大小由孔隙率决定。 对于一般混凝土孔隙率为5 1 6 ，增加的弹性模量估算为7 0 o - - 2 2 ，这与观察到 的结果非常吻合。 2 第一章绪论 弹性模量是混凝土的重要力学参数，对混凝土结构变形、裂缝扩展等具有重大 影响。然而在水环境下工作的混凝土，受到外界湿度的影响，弹性模量却发生了 较大改变。y a m a n 等【5 】的试验研究表明在同一孔隙率情况下，与干燥混凝土相比， 饱和混凝土的泊松比和弹性模量有所增大，尤其是弹性模量的增量在6 2 5 之 间。由于混凝土为多项复合材料，许多学者主要利用等效夹杂理论来预测混凝土 的弹性性能。现提出的模型主要有： 1 、y a m a n 5 】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，而活性孔隙影响着混凝 土的弹性力学性能。按照活性孔隙和非活性孔隙对混凝土弹性模量的影响提出了 弹性模量的计算模型： = 4 6 6 - 0 6 8 1 见咖一o 5 4 3 删。( 1 1 ) = 5 4 4 一1 0 1 8 一o 5 7 2 咖 ( 1 2 ) 其中屯为湿态混凝土弹性模量，为干燥混凝土弹性模量，儿舢为活性孔 隙率，见。一一为非活性孔隙率。通过对上式的观察可以发现，非活性孔隙不受外 界湿度的影响。在干燥混凝土中，尽管活性孔隙和非活性孔隙都被空气填充，但 是活性孔隙的孔隙率系数是非活性孔隙的两倍。然而对于湿态混凝土，活性孔隙 的孔隙率系数下降，两种孔隙对弹性模量的影响程度相差不大。但是，式( 1 1 ) 与试 验值的相关系数为8 1 ，不能很好反应湿态混凝土弹性模量的变化。 2 、k - t 模型【6 】 y a m a n 等通过对各种理论模型进行计算比较，认为k - t ( k u s t e r t o k s o z ) 模型 能够较好地对饱和混凝土的弹模量进行描述，如式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 所示。k - t 模型虽然 可以反映干湿条件下混凝土活性孔隙形状的变化，但由于未考虑孔隙水的粘滞性 对剪切模量的影响，模型的计算值和试验值有较大差异。 茎二坠：c ，玉二坠 (13) 3 k + 4 g 肼_ f a a t , + 4 g 肼 、 丽i 丽6 - 面6 丽= 车丽西篙篙法面m 4 )6 g ( k + 2 g 埘) + q ( 9 k + 8 g 坍) 午6 g j ( 吒+ 2 g 。) + g 。( 9 k 肿+ 8 g 。) r 一7 3 、w a n g 等【7 】利用夹杂、等效弹性模量的思想和m o i l t a n a k a ( m t ) 方法研究孔 隙水对混凝土弹性模量的影响。该模型考虑了水影响下的水泥后期水化和孔隙水 的粘滞力对湿态混凝土弹性模量的影响，模型如式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 所示。 乙嘶两击 ( 1 5 ) 奸赤端 6 ， 第一章绪论 3 舯层= 帮( 1 - q8 g 1 丽+ 丽4 g l 卜= 专绛和 g ：删分别是湿态混凝土的体积和剪切模量，口是纵横比，q 和包分别是不同孔隙 的最短和最长轴向长度，n 为孔的总个数。如图1 1 所示，该模型和试验结果吻合较 好，可用来有效预测湿态混凝土的弹性模量。 山 皇 皿噩! 辎 掣 教 孔隙率 图1 1 湿态混凝土弹性模量【7 】 f i g 1 1y o u n g sm o d u l u so fw e t c o n c r e t e 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。 1 2 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1 8 ，一方面是水泥的水化，是稳步增长的，是不可逆的；另方面是水 分迁移，是随着介质湿度的不同而变化的，是可逆的。 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混凝土的强度试验，试验研究表明【9 一1 5 】：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 4 第一章绪论 时改变其饱和度，混凝土的强度也会随之改变。但由于目前各国的混凝土试验规 程中并未统一确定不同湿度下混凝土强度试验方法，因此研究人员采用的养护方 式和试验条件也不同，所得到的试验结论也有所差异。 l i 【9 j 通过试验研究了混凝土强度和含水量之间的关系。试验时先将试件放入饱 和石灰水和空气中分别养护2 8 天，然后将试件放入烤箱中以1 1 0 _ _ _ 5 的温度干燥 1 4 天，待试件完全干燥后重新放入水中浸泡。经过不同时间后取出测量其强度， 试验结果如图所示。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；湿度变化对水灰比高的混凝土 强度影响更加明显。 籁 楚 转 蜊 嘿 1 0 0 0 9 5 0 9 0 0 8 5 0 8 0 024681 01 21 4 浸水时间( d ) 图1 2 混凝土抗压强度折减与浸没时间的关系 f i g 1 2r e d u c t i o no fc o n c r e t ec o m p r e s s i v es 仃e n g t ha n di m m e r s i o nt i m e 杜守来等【l o 】也进行了类似的试验，试验中先将混凝土试件放入养护室进行养 护，然后将试件直接浸入不同水压力的容器中，浸泡一段时间后取出并测量其抗 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越大，试验结果如图1 3 、1 4 所示。 第一章绪论5 1 5 o 母 山 至 越1 4 5 慧 出 篓1 4 o 1 1 癸 廷 0 81 01 2 混凝土所加水头m p a 图1 3 外围水压与混凝土抗压强度之间的关系【l o 】 f i g 1 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n de x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e 1 5 0 爵 山 盏 遗1 4 5 慧 鹾 辖1 4 0 葵 赠 j o4 56 07 5 时问h 图1 4 浸水时间与混凝土抗压强度的关裂1 0 】 f i g 1 4r e h t i o n s h i pb e t w e e n c o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n di m m e r s i o nt i m e 在c a d o n i 1 1 】的试验中，先将混凝土在温度2 0 。，相对湿度9 5 的条件下养护 9 0 天，再用5 0 0 的烘箱干燥，然后并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 m p a 下降到饱和时的 3 0 2 m p a ，下降了7 6 2 。闰东吲1 2 】等将3 0 0 d 龄期的试件浸泡在水中6 0 天后取出 6 进行直接拉伸试验，试验结果表明 度降低了4 1 2 。王海龙等吲进行 混凝土，然后将试件取出烘干至重量恒定得到干燥混凝土，随后测量各自的强度。 试验结果表明饱和混凝土和干燥混凝土相比较，抗压强度下降了4 5 ；劈拉强度 下降了1 1 4 1 。v “1 6 】的试验中将混凝土试件在水中养护，然后分别将试件置于空 气、烘箱中改变其饱和度再进行强度试验，试验结果表明，当混凝土的饱和度分 别为1 l ，4 2 和1 0 0 时，其抗压强度分别为4 2 m p a ，3 4 m p a 和3 2 m p a 。 w i t t m 锄n 【1 7 】【l8 】等进行的试验也得到了类似的结论，同时该试验还表明混凝土浸泡 在n a c l 溶液后，强度降低得更为明显。 以上试验的研究对象均为混凝土单轴强度，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【l9 】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强 度比干燥混凝土的三轴强度略低，高水灰比的混凝土的强度弱化则更加明显。v r u 【1 6 】 进行了围压从5 0 m p a 到6 5 0 m p a 下混凝土的三轴抗压试验，试验结果表明孔隙水 的存在使得围压下的混凝土强度大幅降低，在6 5 0 m p a 的围压作用下，干燥混凝土 的强度可达1 5 0 0 m p a ，而饱和混凝土的强度刚过9 0 0 m p a 。如图1 5 所示，图( a ) 和图( b ) 分别为干燥与饱和混凝土在不同围压下的应力应变曲线。 图i 5 干燥与饱和混凝土在不同围压下的应力应变曲线图 1 6 1 f i g 1 5s t r e s s - s t r a nc u r v eo fd r ya n ds a t u r a t e dc o n c r e t eu n d e rd i f f e r e n tl a t e r a lc o n f i n e m e n t 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试验研究。b j e r k e i 等【2 0 】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，压力的大小和混凝土渗透系数和吸附水的能 力有关；处在水压力( 8 0 0 m 水头) 作用下的混凝土，如果养护条件和试验条件 第一章绪论7 相同，那么孔隙水压力的存在不会影响混凝土的抗压强度。c h e n 等【2 1 】【捌以混凝土 内部湿度和水荷载作用方式为可变参数，研究了混凝土在水压力作用下的多轴强 度，如图1 6 、图1 7 所示。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的降低，与单轴强度相比， 干燥混凝土抗压强度降低较大，而饱和混凝土降低很小。 图1 6 干燥混凝土抗压强度【2 2 】 f i g 1 6c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fo t yc o n c r e t e 图1 7 饱和混凝土抗压强度【2 2 】 f i g 1 7c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs a t u r a t e dc o n c n ：t e 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，孔隙水对混凝土的拉压强度均有着较大影响，这 8 第一章绪论 在混凝土结构设计中不容忽视。因此，国内外专家学者对此给以了高度 进行了广泛而深入的研究。但由于混凝土是多孔水泥凝胶体，内部含有 缝和孔洞，当水浸入后使其内部情况发生变化。同时在荷载作用下随着 洞的发展演化，混凝土内部的水分也会发生迁移，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： 1 、湿度梯度对混凝土强度的影响 研究表明 2 3 1 ，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 l a r r a r d t 2 4 】测量了直径为1 6 c m 的混凝土圆柱型试件的湿度分布情况，试验结果表 明，在空气中干燥2 7 天的试件仅外层的2 5 c 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情况，混凝土内部不可避免的会产生湿度梯度，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 5 】他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 r t l e t t 2 6 】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，引起了横向挤压效应，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，试验的确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。但是试验中发现对于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 、孔隙水压力对混凝土强度影响 根据在b i o t 孔隙力学理论，多孔材料中的孔隙水在荷载作用下会产生一定的 水压力，孔隙压力值与孔隙率、材料和水的体积模量有关。因此混凝土中的孔隙 和微裂缝内的自由水在受压会产生超孔隙水压力，并对混凝土的性能产生影响。 徐世娘等【2 7 】【2 8 】通过进行不同水压下混凝土试件断裂试验，得出了水压力的增 加会导致试件所能承受的最大荷载减小的结论，并认为静水压力的增加使得同等 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。李 宗利【2 9 】从流体质量守恒和动量守恒原理出发，假定水力劈裂裂缝形态为半椭圆形， 推导除了任意时刻缝内水压分布微分方程式，并得到了裂缝扩展处于稳定状态时 缝内水压分布理论计算式。 o s h i t a 3 0 3 1 】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 第一章绪论 9 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 为混凝土的孔隙水压力对混凝土的开裂有促进作用。g u o 等【4 】利用弹性力学方法计 算出在单轴压缩试验中完全闭合充分饱和的球体孔隙，分析了当混凝土受轴向压 应力时，完全充满水的空隙的最大环向应力比在同一条件下充满空气的孔隙要大 6 7 ，这个环向应力会对混凝土的破坏起促进作用，从而减小混凝土的抗压强度。 王海龙等【1 4 】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。模型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“楔入”作用，加速了混凝土的损 伤和微裂纹的扩展，使得湿态混凝土强度降低。自卫掣3 4 1 1 3 5 】等假设混凝土中的孔 隙水压力和活性空隙率及外荷载成正比，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 和孔隙率、砂浆和骨料弹性模量比之间的关系。 对于围压情况，h m 【1 7 】对此的解释是：在三轴试验过程中，饱和试样内部孔 隙水压力发展，降低了有效侧向应力，使其比施加的名义围压小。在直接水压力 作用下，c h e n 等【2 1 】【捌认为干燥混凝土强度与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 于混凝土内的孔隙水压力很难测量，使得较难定量分析孔隙水的实际影响。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，混凝土等准脆性材料实际上具有剪胀特性【l 】， 即当混凝土发生单轴压缩破坏时，随着荷载的逐渐增加体积先减小然后增加，在 外荷载接近其抗压强度时，混凝土的体积实际上是膨胀的，此时混凝土内也很难 产生较大的孔隙水压力。因此孔隙水压力理论并不能完全体现水对混凝土强度的 影响机理，仅采用孔隙水压力理论很难解释现有的试验现象。 3 、填充液体表面张力对混凝土强度的影响 根据g r i f f i t h 的断裂力学理论，材料中裂缝的产生和发展需克服其表面能，对 于脆性体固体而言，表面能就是材料的抗裂阻力，也决定了材料的断裂韧度和强 度【3 6 】。因此混凝土的强度与裂纹面的表面能高度相关，表面能是裂缝形成的必要 条件，而液体和固体的接触面其表面能要比固体原表面能小。根据物理化学中的 杨氏方程( y o u n g se q u a t i o n ) 3 7 j ，固液面的表面能可以表示为： r , i = 以一乃c o s o ( 1 7 ) 式中以，为固液面的表面能，以为干燥固体的表面能，力为饱和液体的表面能，秒 1 0第一章绪论 为固体液体的接触角，如图1 8 所示。 始移液体、 始， 固体 图1 8 固液面表面能示意图 f i g 1 8s u r f a c ee n e r g yo fs o l i d - l i q u i ds u r f a c es c h e m a t i cd i a g r a m 由于混凝土凝胶颗粒极度亲水，新形成的裂缝在高能状态下，任何液体都可 以流动传输，所以可以认为目为零【3 8 】。因此由式( 1 7 ) 可以看出，当自由液体进入混 凝土后，使得混凝土凝胶颗粒间的粘聚力减小，材料表面能降低，因此混凝土的 强度的随之降低，降低程度与液体的表面张力成正比。 第一章绪论 l l 试验和理论研究表明，浸入液体对混凝土表面能的削弱是使得材料强度降低 的重要原因。但由于在试验中很难测量表面能的大小，尤其是混凝土等含孔隙材 料在液体侵入后，不同饱和度下材料表面能的降低情况更难测量。因此，如何准 确定量的分析浸入液体对混凝土强度的削弱仍需要开展大量的研究工作。 4 、水分子及凝胶体与水发生化学反应对混凝土强度的影响 混凝土中水泥浆体和骨料之间存在界面过渡区( i n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n e ) ，过渡 区内又存在大量的裂缝和孔隙，因此过渡区是混凝土中的强度限制相。当水进入 凝胶体中的微小孔隙引起膨胀，加上凝胶体和骨料吸水后膨胀系数不一样从而导 致过渡区应力集中，对强度有一定的削弱。 f e l d m a l l 【3 9 】认为水泥凝胶颗粒吸水后s i o 化学键容易断裂形成s i o hh o s i 化学键，导致强度降低，并且当水分子的浓度足以维持水分传递给传播裂纹，强 度将会进一步降低。王少明 4 0 1 和邢林生【4 l l 等认为当外界水浸入后，混凝土中未反 应完的熟料继续发生水化反应，新生成的水化物膨胀，造成混凝土强度降低；同 时由于渗透压会增加让更多的水进入凝胶体，造成c a ( o h ) 2 、c a o 等会不断溶出， 。 使混凝土中形成较大的空隙，导致混凝土强度不断降低。 但是，由于在试验中自由水分与混凝土的作用时间有限，同时现有工程监测 数据表明，在水中工作的混凝土的强度并未显著降低【4 2 】，因此水分与混凝土中凝 。 胶体发生反应在多大程度上会影响混凝土的强度，还值得进一步研究。 1 3 本文的研究思路与结构安排 论文第一章论述了本文的选题背景和意义，通过对文献资料的调研分析，介 绍了孔隙水对混凝土静力特性影响的国内外研究现状及存在问题。 为了研究湿度的变化以及液体表面张力对混凝土抗压强度的影响，第二章开 展了在水中不同浸没时间下，不同孔隙率混凝土试件的单轴抗压试验以及在不同 浸没液体下混凝土的单轴抗压试验，主要对试验仪器、试验内容进行了详细介绍。 对试验数据进行了归纳和比较，为后文进一步的理论研究提供了强大的试验数据 支撑。 对湿态混凝土强度降低的物理机理进行分析是本文研究的基础。第三章主要 阐述了影响混凝土强度的各种因素，并以现有数据及理论为基础分析湿态混凝土 强度降低的物理机理。本章在断裂力学理论基础上，推导出了不同湿度下混凝土 单元的抗压强度。 第四章首先推导了混凝土内部湿度传导的数学模型，接着利用a n s y s 有限元 软件模拟了在水中不同浸没时间下混凝土试件的湿度场，并提取了各个单元的湿 度。随后，本章建立了不同湿度下混凝土的强度期望。并再一次利用a n s y s 有限 1 2第一章绪论 元软件对混凝土强度进行可靠度分析，最后计算出了不同 度。 第五章从剖析湿态混凝土弹性模量随湿度升高的物理机理出发，将混凝土整 体柔度张量分解为基体相的柔度张量和微裂纹引起的非弹性柔度张量。在考虑了 孔隙水作为夹杂、水泥颗粒的后期水化及混凝