陳 黎 陽

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

表面能理論在水泥基材料中的應(yīng)用研究

陳 黎 陽

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

基于表面能理論，對水泥基材料表面能的測試方法及各方法的測試原理進(jìn)行了介紹，探討了國內(nèi)外表面能在水泥基材料中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，最后對表面能在水泥基材料中的后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

水泥基材料，表面能，測試方法

表面能是在創(chuàng)造物質(zhì)表面時(shí)，物質(zhì)分子間化學(xué)鍵破壞的度量值，它是物體單位面積表面分子作用力的量化表征[1]，在表面化學(xué)中具有重要的地位。目前，表面能理論應(yīng)用較多的領(lǐng)域?yàn)槟茉椿瘜W(xué)、膠體以及涂料等領(lǐng)域。在水泥基材料方面的相關(guān)研究雖然較早，但研究成果相對較少且多數(shù)研究集中在水泥基材料開裂問題上[2,3]。

筆者基于表面能理論，首先對水泥基材料表面能的測試方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，并分析各方法的測試原理；進(jìn)一步綜述國內(nèi)外表面能理論在水泥基材料中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，并對表面能理論在水泥基材料中的后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

1 水泥基材料表面能測試方法

由于水泥基材料如水泥砂漿、硬化水泥石以及水泥混凝土是一種多相復(fù)合型材料[4]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響因素較多導(dǎo)致其表面能測試?yán)щy。目前水泥基材料表面能測試方法主要有：慢彎法、壓力鋼環(huán)法、楔形劈裂試驗(yàn)法。

1.1 慢彎法

早在1980年，Petersson P E就采用慢彎法[5]進(jìn)行水泥基材料的表面能測試，該方法所需設(shè)備較為常規(guī)，適合于一般條件的實(shí)驗(yàn)室，后續(xù)被眾多學(xué)者所采用[6]。

慢彎法主要采用帶有切口的水泥基材料梁式試件(如圖1所示)，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)[7]。該方法基于能量平衡原理，建立外力做功與材料斷裂能之間的關(guān)系，通過試驗(yàn)測定材料斷裂能并結(jié)合Griffith斷裂理論，進(jìn)一步求解材料表面能。

系統(tǒng)加載至試件斷裂過程中，系統(tǒng)總貯藏應(yīng)變能為：

Q0=QB+Qm

(1)

(2)

(3)

式中：Q0——系統(tǒng)貯藏的總應(yīng)變能；

QB——水泥基材料梁式試件貯藏應(yīng)變能；

Qm——試驗(yàn)機(jī)貯藏應(yīng)變能；

b——梁寬；

h——梁高；

L——梁跨；

S——應(yīng)力集中因子；

E——楊氏彈性模量；

Km——機(jī)器剛度。

而體系消耗于斷裂的能量為：

U=2γfA

(4)

γf=γs+γp

(5)

式中：U——消耗于斷裂的能量；

2A——斷裂面積；

γf——試件斷裂能；

γs——試件表面能；

γp——試件塑形能。

當(dāng)試件處于斷裂零界狀態(tài)時(shí)，體系總貯存能量與斷裂消耗能相等，因此建立能量方程，進(jìn)行試件表面能求解。

葉枝榮[7]指出采用慢彎法時(shí)，正確選用試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)參數(shù)是慢彎法試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵；建議試件尺寸為25 mm×25 mm×30 mm，切高比h1/h=0.5，梁跨高比6～8；試驗(yàn)機(jī)建議剛性試驗(yàn)機(jī)。

慢彎法測試水泥基材料表面能過程中，所涉及的參數(shù)較多且計(jì)算復(fù)雜，另外測試結(jié)果受試驗(yàn)設(shè)備性能的影響較大，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，研究者努力開創(chuàng)更適用于水泥基材料表面能的測試方法。

1.2 壓力鋼環(huán)法

1985年日本鈴木先生發(fā)表了關(guān)于“依據(jù)能量變換原理測試材料表面自由能”及“與水泥水化產(chǎn)物的斷裂應(yīng)力有關(guān)的物性測定”的研究，并采用表面能壓力鋼環(huán)測定裝置(如圖2所示)進(jìn)行水泥砂漿表面自由能測定[3]。該方法基本原理為：水泥砂漿由于干縮現(xiàn)象，其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力作用于鋼環(huán)且達(dá)到一定極限值時(shí)，鋼環(huán)向外進(jìn)行擴(kuò)展，從而使水泥砂漿發(fā)生斷裂，通過測定水泥砂漿斷裂瞬間鋼環(huán)釋放的勢能，來進(jìn)行水泥砂漿表面能的計(jì)算。水泥砂漿表面能計(jì)算：

(6)

其中，γs為水泥砂漿表面能；H為鋼環(huán)釋放出的勢能；S為水泥砂漿斷裂面的面積。

針對采用壓力鋼環(huán)測定水泥基材料表面能這一方法，唐明[8]認(rèn)為水泥基材料為多孔材料，其孔隙中含有一定比例的自由水，自由水含量直接影響到水泥基材斷裂表面能的準(zhǔn)確測試，必須對自由水的影響進(jìn)行修正；另外指出若要正確評價(jià)水泥硬化物表面能，必須有效地控制養(yǎng)護(hù)齡期和養(yǎng)護(hù)條件。

1.3 楔形劈裂試驗(yàn)

隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，國際結(jié)構(gòu)與材料研究所聯(lián)合會(huì)[9]對材料斷裂能測定的簡化方法及測試精度進(jìn)行了討論；且提出采用楔形劈裂試件進(jìn)行水泥基材料斷裂能測試，并推薦楔形劈裂試驗(yàn)為測定混凝土斷裂能的另一種標(biāo)準(zhǔn)方法[10]。

孫志偉[11]依托國家十一五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“海洋工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕關(guān)鍵技術(shù)及示范工程”，采用楔形劈裂試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)兩種方法對比測定水泥砂漿與混凝土的斷裂能。兩種方法的基本原理為：通過加載測定材料裂縫張開位移與水平荷載的關(guān)系曲線，進(jìn)一步求得材料的斷裂能。試驗(yàn)采用楔形試件及壓頭示意圖如圖3所示。

(7)

其中，γf為材料斷裂能；A為斷裂韌帶面積；W為荷載—位移曲線與X軸的面積。

2 水泥基材料表面能影響因素

水泥基材料表面能直接影響其宏觀力學(xué)性能，而水泥基材料表面能又受諸多因素影響。目前，對水泥基材料表面能影響因素的研究主要有兩大類：水泥基材料本身參數(shù)(如孔隙率、水灰比、骨料粒徑等)的影響，以及外界條件如水分、鹽分侵蝕對其表面能的影響。

葉枝榮[7]采用慢彎法研究水泥基材料斷裂能(表面能)，得出水泥石斷裂能與水灰比、總空隙率的關(guān)系，以及水泥混凝土斷裂能與骨料含量、骨料粒徑及水灰比的關(guān)系為：

γf=γ0·e-2.16w/c

(8)

γf=γ0p·e-3.75p

(9)

(10)

同時(shí)，也有研究認(rèn)為，對于如水泥混凝土、水泥砂漿等多孔的水泥基材料，其斷裂的整個(gè)過程中，能量的耗散直接取決于單位面積上斷裂的粒子數(shù)以及無孔材料的表面能；因此Brandt[12]，F(xiàn).H.Wittmann[13]提出水泥混凝土等多孔材料的表面能與孔隙率關(guān)系為：

γc=γ·(1-P)

(11)

其中，γ為材料基體斷裂的表面能；P為材料孔隙率；γc為材料斷裂表面能。

此外，外界條件對水泥基材料表面能也產(chǎn)生一定影響，進(jìn)一步影響其水泥基材料力學(xué)強(qiáng)度。該方面的研究具有較好的工程意義，如長時(shí)間浸泡于海水中的水泥混凝土樁基，其表面能受到海水的影響，進(jìn)一步影響樁基強(qiáng)度的衰減及服役壽命。

當(dāng)水泥基材料的孔隙中含有水分或者其他不同表面張力液體時(shí)，空隙中的液體對水泥基材料斷裂表面也產(chǎn)生影響，其斷裂表面能[14]計(jì)算如下：

γsl=γs-γlcosθ

(12)

其中，γsl為水泥基材料斷裂表面能；γs為固體表面能；γl為液體表面張力；θ為固體與液體的接觸角。

從式(12)中可知，干燥水泥基材料在吸收水分或者鹽水后，其斷裂表面能會(huì)降低，進(jìn)一步說明水泥基材料空隙中所含水分越多，水泥基材料表面能越小，強(qiáng)度越低的結(jié)論。

3 結(jié)語

筆者對水泥基材料表面能測試方法及其原理進(jìn)行了綜述，其次總結(jié)了材料表面能參數(shù)與水泥基材料性能的關(guān)系，后續(xù)可考慮水分侵蝕對材料表面自由能衰減作用的影響，進(jìn)行水泥基復(fù)合材料的防水研究，尤其是在跨江(河、海)樁基礎(chǔ)混凝土、含水量較高隧道及地下通道混凝土防水及耐久性研究。

[1] 張世舉,程延海,邢方方,等.接觸角與表面自由能的研究現(xiàn)狀與展望[J].煤礦機(jī)械,2011,32(10):8-10.

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Applied research of surface energy theory in cement-based materials

Chen Liyang

(RoadandBridgeShanxiGroupCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

Based on principles of surface energy, the test methods and its principles of surface energy in cement-based material are introduced, the subsequent studies on the surface energy in the future are prospected by reviewing the current situation about application and research of surface energy in cement-based material at home and abroad.

cement-based material, surface energy, test measure

1009-6825(2017)21-0092-03

2017-05-13

陳黎陽(1974- )，男，高級(jí)工程師

TU502

A