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混凝土在水中的力学性质与在空气中的一样吗

放大字体  缩小字体 发布日期:2008-04-17  来源:清华大学学报(自然科学版)2007 年第9 期  作者:王海龙,李庆斌
核心提示:混凝土在水中的力学性质与在空气中的一样吗

  我们常说的混凝土的抗压强度、延性、变形、裂缝等指的都是空气中的,但是,如果混凝土是用在水中的,这些特性会发生变化吗?

  混凝土在围压下的破坏状态主要取决于轴向主压应力σ1 与围压σ2 的比例。σ2/ σ1 ≤ 0.1 时,混凝土试件发生柱状破坏,在σ1的作用下,垂直于σ2的拉应变超过了混凝土的抗拉强度,在试件上形成了平行于主压应力轴方向的裂缝;当σ2/ σ1 ≥ 0.2 时,混凝土试件发生挤压流动破坏,由于围压较大,微裂缝在围压作用下不能继续发展,因此,试件不会形成受拉或劈裂裂缝,此时不能简单地用断裂力学来讨论混凝土的强度问题,需要借助塑性力学的方法;剪切破坏介于这二者之间,剪切破坏主要是由于轴向主压应力较大而围压较小,破坏后试件表面出现斜裂缝,但此时仍属于受压破坏,因为决定混凝土抗压强度的仍是纵向劈裂裂缝,破坏仍然是由弯折裂缝串通形成的,斜裂缝只是一种表现形式,为次生破坏。

  静水压力对混凝土的作用在围压作用下,饱和混凝土裂缝及孔隙中的自由水受混凝土压缩变形的影响,会对裂缝面产生水压力,孔隙水压力会随着外部荷载的增长而呈线性增长;随着损伤的发展,混凝土体积发生膨胀,混凝土中的孔隙水压力有所减少。由于在静水压力下,加载速度较慢,裂缝中的自由水很容易到达裂缝尖端,并对混凝土的开裂起促进作用。

  在低围压下,混凝土材料发生宏观轴向劈裂时,裂缝的最终展开方向与主压应力轴方向平行,可用图1 (b )所示的等效裂缝来分析混凝土中的弯折扩展裂缝。图1(a)所示的翼型裂缝、斜裂缝和分支裂缝面上所受的水压力是相同的,相当于对裂缝施加了一个劈裂应力,可以计算出斜裂缝面上的正应力和剪应力。

  当裂缝很多时,还要考虑裂缝之间的相互影响。通常混凝土的破坏是由其中的部分主控裂缝导致的,而考虑两个主控裂缝和考虑多个主控裂缝的结果相差不超过5 % ,因此在围压下计算混凝土的强度采用图2 所示的裂缝模型。

  混凝土中的裂缝开始开裂时总是从最容易开裂的角度开始,然后发展到混凝土的破坏。《脆性材料细观损伤力学》( 冯西桥,余寿文,高等教育出版社,1995)对裂缝的统计平均半径取为0.81cm,摩擦因数为0.25,无围压时最易开裂的角度为4 2 °,围压为2MPa 时,最易开裂的角度为4 4 °。求得饱和与干燥混凝土在不同裂缝间距下的抗压强度如图3 所示。

  由图3 可见,随着围压的增大,混凝土的静力抗压强度提高;而裂缝中的水使静力抗压强度有所降低。

  动力下自由水对混凝土的作用动力条件下饱和混凝土裂缝中的水压力不仅与混凝土的体积变形有关,还与裂缝的展开速度有关。快速加载时,由于裂缝的扩展速度较快,裂缝中的自由水不易到达裂缝尖端,在表面张力的作用下,裂缝尖端的自由水形成了一个弯月面,对裂缝尖端产生一种收缩力,阻止裂缝的进一步扩展。当裂缝发生快速滑移时,水的粘性会对裂缝的滑移产生黏滞阻力,减少促使裂缝扩展的劈裂力。因此在研究围压下饱和混凝土的动力强度时,要考虑这两种自由水的作用。

  大量试验表明,动力荷载作用下混凝土的破坏形式与静力荷载相似,但是在动力条件下混凝土的抗压强度提高,且混凝土的动力抗压强度不仅与围压有关,还与加载速度和混凝土的湿度有关。

 
 
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