自由水对率效应的影响

水对混凝土的力学特性产生重要影响。水在混凝土或水泥浆体中存在以下几种形式（周继凯，2007）：

（1）毛细管水，存在于毛细孔中。

（2）吸附水，水分子在物理作用下吸附于水泥浆体固体表面，当干燥至相对湿度30%时，会失去大部分吸附水，引起收缩。

（3）层间水（凝胶孔隙水），这种水与水泥凝胶C—S—H结构有关，当相对湿度小于11%时才会失去，导致C—S—H结构明显收缩。

（4）化学结合水，是水化产物的一部分，仅当化合物受热分解或发生其他化学反应时才会释放。

（5）气态水，存在于混凝土内孔隙的气体中，会随着相连通外部空气的湿度变化。

Spooner（1971）研究发现在水中养护的混凝土强度对加载速率敏感性显著，而加载速率对在空气中养护的混凝土强度影响可以忽略。Jones（1936）、Wastein（1953）、Dhir（1972）、Reinhardt等（1990）分别对不同干、湿混凝土进行的试验观察得到了与Spooner类似的结论。

Kaplan（1980）对不同湿度、龄期、养护条件以及加载方式下的混凝土抗压强度对加载速率的敏感性进行了较系统的研究。下面选择比较有代表性的试验结果进行分析。

首先，介绍含水量对混凝土（素混凝土，即纯固化水泥砂浆体）动强度的影响：如图3.4所示，三种试件含水量分别为39%、88%和96%，在0.01～100MPa/s加载速率范围内，显然，含水量为39%的试件的强度变化量最小，其次为88%的试件，强度变化最大的为含水量最高的试件。从不同养护条件下的试件得到的试验结果（图3.5）也可看出类似的规律，即养护在水中的试件动强度随加载率直线上升，在正常试验室条件下养护的试件对加载率最不敏感。不同龄期的混凝土试件强度随加载率变化规律如图3.6所示，龄期增长，准静态强度增长，但对加载速率的敏感性降低，强度越高，率敏感性越差。

图3.4　自由水效应对固化水泥砂浆动压强度影响（Rossi，1996）

图3.5　不同养护条件对固化水泥砂浆动压强度影响（Rossi，1996）

Kaplan认为当试件受压时，混凝土基相内的孔隙和通道，特别是垂直于加载方向的孔隙和通道将趋于闭合，使得毛细水在试件内部流动。由于黏性，这种运动将在液相中产生压力梯度。在高加载速率时孔隙水体压力增大，延迟了固相中过量裂缝的发生，抗压强度增加。显然Kaplan这些解释比较模糊。1994年Rossi和Van Mier等利用Hopkinson杆对混凝土湿试件和干试件以及不同水灰比的试件进行了不同加载速率的单轴抗拉试验研究。

不同水灰比的混凝土的抗拉强度与加载速率的关系（ft～lg.σ）曲线如图3.7所示，随着水灰比提高，动态抗拉强度与静态抗拉强度的比值（ftd/fts）提高，水灰比对弹性模量的影响也有类似的规律，但Ed/Es相对于ftd/fts提高较少。

图3.6　水泥砂浆龄期对其抗压强度的影响（Kaplan，1980）

图3.7　水灰比对混凝土试件抗拉强度的影响（Rossi，1994）(www.xing528.com)

图3.8分别是Reinhardt（1990）和Rossi（1994）等给出的抗拉强度与加载速率的关系曲线。图3.8（a）显示，湿混凝土表现出明显的应变率敏感效应，其强度随着应变率增加而提高，而干混凝土的强度随着应变率增加几乎保持不变。在图3.8（b）中，尽管干混凝土试件较湿混凝土试件对加载速率表现出较弱的率敏感性，但这种率效应也确实存在。Rossi给出了以下假设性解释：①除混凝土中的毛细水外，可能还存在能够说明低荷载率下率效应的其他物理机制；②惯性力作用；③干试件中仍然存在毛细水。Rossi等认为硬化的水泥浆体内的孔隙按尺度可以分为两个部分，毛细孔和微孔。毛细孔的最大直径可以达到1×10－6m，微孔的最大直径可以达到1×10－9m。这些孔隙的50%空间可被水填充，水在毛细孔内以半月形存在。在干燥过程中，首先是毛细孔内的毛细水失去，然后是微孔内的水。但由于微孔直径太小，脱水时，水在孔内表现出强烈的黏结特性，将微孔内的水完全脱去非常困难，将需要更多的能量。

图3.8　水对混凝土试件抗拉强度的影响

（a）Reinhardt，1990；（b）Rossi，1994

图3.9　干—湿混凝土抗压强度与应变率的关系曲线（Ross，1995）

Ross等（1995）的研究表明，混凝土抗拉强度较抗压强度有较强的应变率敏感性，在较低应变率的水平下抗拉强度就有较大增长。湿混凝土较干混凝土具有较强的应变率效应。尽管该项研究将较高的率效应推测地归结为混凝土材料中毛细水作用，与Spooner等的研究结果不同，从该文献给出的试验结果（图3.9）也发现干混凝土在较低的应变率水平下，即应变率在10－7～101的范围内，也产生率效应。

1996年Ross等为了研究混凝土应变率与含水量的耦合效应对混凝土动强度的影响，利用SHPB杆对系列湿试件、半干试件和干混凝土试件以低应变率和高应变率进行轴压和劈拉试验，试验结果分别如图3.10和图3.11所示。

图3.10　干—半干—湿混凝土抗拉强度与应变率的关系曲线（劈拉试验，抗压强度26MPa）（Ross，1996）

图3.11　干—半干—湿混凝土抗压强度与应变率的关系曲线（轴压试验，抗压强度26MPa）（Ross，1996）

湿和半干试件抗拉强度和抗压强度在高应变率下比在低应变率下都有较大增长，湿试件、半干试件的静抗拉强度和静抗压强度都低于相应的干试件，但湿试件的动强度一般高于半干试件的动强度。湿试件、半干试件和干试件的动抗拉强度随应变率关系的试验结果如图3.12所示。

通过观察各个试件断裂机制发现：在劈拉试验中，无论在低应变率还是在高应变率条件下各种干湿不同的试件断裂破坏面外观相同，即大部分骨料没有断裂，只是骨料与水泥砂浆剥离，低应变率下轴压断裂破坏面与劈拉试件的断裂面相似，而高应变率下骨料显示多重断裂面。

图3.12　干—半干—湿混凝土动抗拉强度与应变率的关系曲线（劈拉试验，抗压强度26 MPa）（Ross，1996）

Wittmann（1972）将湿试件的静强度低于干试件的静强度归结为水的存在使得凝胶体粒子分离而降低了范德华力（Van Der Waals Force），从而降低了与之成正比的比表面能，所以裂缝临界应力降低，试件强度降低。同时认为低应变率下裂缝有时间寻找胶凝体以及骨料与固化水泥砂浆界面的最弱阻止力的路径，而在高应变率下毛细水提高了混凝土的动强度。

Weerheijm（1992）把 高 应 变 率下混凝土强度的增强归于惯性效应，并认为混凝土存在最大临界开裂速率。试图迫使裂缝以更高速度发展的惯性力直接导致变形的增加和强度的增长。在混凝土中毛细水又加大了湿混凝土试件的惯性效应，使得湿混凝土的强度高于干混凝土的强度。另外，水的存在也增加了混凝土材料的刚度，导致更高的断裂韧度，并预示湿混凝土有较高的强度增长。