干湿循环作用对混凝土力学性能的影响

康春祥，张芳源，刘彦可

(沧州交通学院，河北 黄骅 061100)

沿海地区的海水喷洒和暴雨会影响混凝土结构的耐久性。盐溶液对混凝土构件的侵蚀很常见，湿度不仅会引起混凝土耐久性问题，还会引起混凝土力学性能的变化，在荷载作用下，混凝土会受到破坏，从而使水的抗迁移能力和渗透深度对薄壁结构的承载能力产生很大影响[1]。在混凝土含水率变化较快的外部环境中，最常见的环境是干燥与润湿循环交替。研究表明，相较于长期浸泡、冻融循环等，干湿循环对混凝土力学性能劣化的影响最大。

1 混凝土强度变化反应机理

混凝土早期水化过程中，水的分布和转化对混凝土水化速率有很大影响，故而可以用来解释混凝土抗压强度的形成机制。混凝土硬化时会消耗一些物理结合水，从而再产生化学结合水。干燥时脱水不可避免地对混凝土试件造成损伤，这种损伤主要来源于物理和化学变化。

物理变化体现在两个方面：一是干燥过程中，混凝土内部水分蒸发，不可避免地产生新的裂缝。水占据的空间变成了新的缝隙，水沿着弱缝隙表面的损失产生了一个新的“通道”，从而形成了新的裂缝。二是混凝土是一种多相材料，干燥过程中，各成分热膨胀下的系数有差别，导致物理热开裂。干燥过程中也会出现化学变化，混凝土于100℃时开始进行脱水，部分结合水由于温度升高被消耗，从而导致新的裂缝出现。化学反应引起的裂缝加剧了物理变化，因此损坏主要由较低干燥温度下的物理变化引起，而损坏是较高干燥温度下物理和化学变化的结果。干燥过程中产生的损伤可以用每个相的体积变化和干燥前后超声波速度的变化来表示。

根据混凝土材料分层模型，混凝土试样主要组成为固相、液相和气相，具体内容如图1(a)。干燥后，固相收缩，体积减小，密度增加，先前被液体占据的区域被气体占据，如图1(b)。一般情况下，固体、液体和气体在混凝土中混合呈不规则分布。超声波在混凝土试样中的传播时间总是小于三相材料的时间和，因此衰减系数(n)被描述为具有三相模型的混凝土中超声波的传播时间与天然混凝土中超声波传播时间的比值。根据试验条件获得了干燥前后混凝土中超声波的传播，如式(1)和(2)所示。

图1 混凝土三相模型及其干燥前后的变化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表示气相厚度(m)，C′表示干燥后固相收缩的厚度(mm)。D表示混凝土试样的总长度(mm，D=A+B+C)。n为衰减系数(分析后，范围为1～4)。υ1和υ2分别是干燥前后超声波在混凝土中的传播速度。x1和x2分别是干燥前和干燥后超声波在固相中的传播速率。y和z分别是超声波在水和空气中的传播流速。

2 干湿循环作用对混凝土力学性能的影响

大多数混凝土在役结构都经历了干湿循环和温度变化，因此混凝土结构很少完全干燥、完全饱和或处于恒定温度条件。烘干温度、相对湿度、雨水冲刷等因素影响着混凝土的力学性能和结构的耐久性。然而，没有单一的参数来确定混凝土结构的耐久性，特别是在受到潜在侵蚀性环境作用时，因此可以通过机械性能(如抗压强度和弹性模量)考虑耐久性问题。

2.1 相对湿度对混凝土的力学影响

相对湿度(RH)在混凝土材料中特别重要，因为它对基本材料性能有很大影响。如，它会直接影响强度和弹性性能，而这又与体积变形和裂纹敏感性密切相关。混凝土结构通常暴露于环境中，主要是由于相对湿度较低时向环境蒸发而导致水分损失。干燥导致的水分损失导致材料性能(如运输和机械性能)发生显著变化，同时导致体积减少。一般而言，强度和弹性模量方面的机械性能取决于含水量。在计算自由体积变形和约束变形引起的应力时，在混凝土结构的设计阶段，深入了解混凝土材料强度和弹性模量与内部相对湿度的关系很重要。一方面，孔隙内的毛细压力随着含水量的减少而增加，施加体积压力，压缩材料并导致整体宏观硬化效应。另一方面，由于差异干燥或基质中存在骨料作为约束，导致的微裂纹会使弹性性能退化。毛细压力和微裂纹之间的相互作用是基于机械性能对含水量的依赖。然而，其他过程也可能有助于确定弹性模量如何随着干燥导致的含水量减少而变化。

高原等[2]通过干湿交替试验对C30、C80这两个强度等级的混凝土进行了相对湿度探讨，具体内容如图2所示。结果表明，混凝土相对湿度的发展遵循两个阶段：湿相对度饱和阶段和衰减阶段。在相同的干湿交替条件下，不同强度等级的混凝土受到的冲击深度也不同，低含量水泥混凝土具有高强度等级，且影响深度较小。

图2 养护28 d后混凝土断面相对湿度的分布Fig.2 Relative humidity distribution of concrete cross section after 28 d maintenance

2.2 干湿循环下混凝土弹性模量变化

周茗如等[3]通过干湿循环实验对C30、C40、C50三个强度等级的混凝土试块进行研究，结果如图3所示。经不同侵蚀时间后，只要混凝土的强度越高，随着干湿循环次数的增加，影响就越小。水溶液干湿循环过程中，混凝土的干湿循环影响程度要比硫酸盐溶液的小。

图3 干湿循环实验对混凝土弹性模量的影响Fig.3 Influence of drying and watering cycle experiment on elasticity modulus of the concrete

2.3 干湿循环下混凝土的抗压强度变化

抗压强度的变化也反映了干湿循环实验对混凝土力学性能的影响。抗压强度值的计算公式如式(3)。

(3)

式中，fcc为试件的立方抗压强度(MPa)；F为试件的失效载荷(N)；A是试件的承压面积(mm2)。由于干湿循环对混凝土起到的是劣化作用，因此邵化建等[4]揭示了混凝土在干湿循环作用下的劣化机理，探讨了干湿循环对混凝土力学性能的影响。混凝土强度会随着干湿循环次数的增加先升高后降低。由图4(a)可知，混凝土的强度等级越高，其抵御干湿循环作用的能力越强。图4(b)显示了不同强度等级的混凝土劈裂强度分别增加了25.93%、23.06%、20.59%和19.03%。混凝土的相对劈裂抗拉强度低于抗压强度，这表明混凝土的劈裂抗拉强度对破坏更为敏感。

图4 干湿循环对混凝土抗压强度的影响Fig.4 Influence of drying and watering cycle on concrete compression strength

3 纤维混凝土最新研究进展

低抗拉强度和较差的能量吸收能力是混凝土的显著缺点。与混凝土一起使用的纤维可以是金属纤维、聚合物纤维、天然纤维，其中竹纤维在所有植物纤维中具有相对较大的机械强度(如表1所示)，这使得它得到大量的应用。竹纤维在较高纤维负载下的增强效果较少依赖于初始聚合物强度，Kumarasamy等[5]就竹纤维特点进行研究，在混凝土体积中添加0%、0.5%、1.0%、1.5%、2%和2.5%的竹纤维后测试混凝土的抗压强度，将结果与常规混凝土和竹纤维混凝土进行比较。结果如图5所示。其显示了不同纤维配合比的混凝土在7 d、14 d和28 d的抗压强度。结果表明，竹纤维量达到2%后略有降低，说明竹纤维混凝土比普通混凝土具有更高的抗压强度。

表1 不同植物纤维的机械性能比较Tab.1 Comparison of mechanical property of the fiber of different plants

图5 不同纤维配合比的混凝土在7 d、14 d和28 d的抗压强度Fig.5 Compressive strength of the concrete under different fiber mix proportion on 7d, 14d and 28d

4 结语

干湿循环是使混凝土结构性能衰退的主要原因之一，因此在研究混凝土力学性能影响时进行干湿循环实验可以很好地预估其使用寿命。可以将金属纤维、聚合物纤维、天然纤维与混凝土掺杂使用，将在混凝土表面各种应力水平产生的裂缝方面起着至关重要的作用。天然纤维或纤维素纤维的可用性、可再生性、无碳排放特征、具有吸引力的物理机械性能等可作为传统建筑材料的替代物，使建筑材料具有绿色及可持续特征。