表面能理论在水泥基材料中的应用研究

陈 黎 阳

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

表面能理论在水泥基材料中的应用研究

陈 黎 阳

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

基于表面能理论，对水泥基材料表面能的测试方法及各方法的测试原理进行了介绍，探讨了国内外表面能在水泥基材料中的应用与研究现状，最后对表面能在水泥基材料中的后续研究进行了展望。

水泥基材料，表面能，测试方法

表面能是在创造物质表面时，物质分子间化学键破坏的度量值，它是物体单位面积表面分子作用力的量化表征[1]，在表面化学中具有重要的地位。目前，表面能理论应用较多的领域为能源化学、胶体以及涂料等领域。在水泥基材料方面的相关研究虽然较早，但研究成果相对较少且多数研究集中在水泥基材料开裂问题上[2,3]。

笔者基于表面能理论，首先对水泥基材料表面能的测试方法进行详细介绍，并分析各方法的测试原理；进一步综述国内外表面能理论在水泥基材料中的应用与研究现状，并对表面能理论在水泥基材料中的后续研究进行了展望。

1 水泥基材料表面能测试方法

由于水泥基材料如水泥砂浆、硬化水泥石以及水泥混凝土是一种多相复合型材料[4]，其内部结构较为复杂，影响因素较多导致其表面能测试困难。目前水泥基材料表面能测试方法主要有：慢弯法、压力钢环法、楔形劈裂试验法。

1.1 慢弯法

早在1980年，Petersson P E就采用慢弯法[5]进行水泥基材料的表面能测试，该方法所需设备较为常规，适合于一般条件的实验室，后续被众多学者所采用[6]。

慢弯法主要采用带有切口的水泥基材料梁式试件(如图1所示)，在万能试验机上进行三点弯曲试验[7]。该方法基于能量平衡原理，建立外力做功与材料断裂能之间的关系，通过试验测定材料断裂能并结合Griffith断裂理论，进一步求解材料表面能。

系统加载至试件断裂过程中，系统总贮藏应变能为：

Q0=QB+Qm

(1)

(2)

(3)

式中：Q0——系统贮藏的总应变能；

QB——水泥基材料梁式试件贮藏应变能；

Qm——试验机贮藏应变能；

b——梁宽；

h——梁高；

L——梁跨；

S——应力集中因子；

E——杨氏弹性模量；

Km——机器刚度。

而体系消耗于断裂的能量为：

U=2γfA

(4)

γf=γs+γp

(5)

式中：U——消耗于断裂的能量；

2A——断裂面积；

γf——试件断裂能；

γs——试件表面能；

γp——试件塑形能。

当试件处于断裂零界状态时，体系总贮存能量与断裂消耗能相等，因此建立能量方程，进行试件表面能求解。

叶枝荣[7]指出采用慢弯法时，正确选用试验设备和试验参数是慢弯法试验成败的关键；建议试件尺寸为25 mm×25 mm×30 mm，切高比h1/h=0.5，梁跨高比6～8；试验机建议刚性试验机。

慢弯法测试水泥基材料表面能过程中，所涉及的参数较多且计算复杂，另外测试结果受试验设备性能的影响较大，对试验结果产生一定的影响。因此，研究者努力开创更适用于水泥基材料表面能的测试方法。

1.2 压力钢环法

1985年日本铃木先生发表了关于“依据能量变换原理测试材料表面自由能”及“与水泥水化产物的断裂应力有关的物性测定”的研究，并采用表面能压力钢环测定装置(如图2所示)进行水泥砂浆表面自由能测定[3]。该方法基本原理为：水泥砂浆由于干缩现象，其内部产生压应力，压应力作用于钢环且达到一定极限值时，钢环向外进行扩展，从而使水泥砂浆发生断裂，通过测定水泥砂浆断裂瞬间钢环释放的势能，来进行水泥砂浆表面能的计算。水泥砂浆表面能计算：

(6)

其中，γs为水泥砂浆表面能；H为钢环释放出的势能；S为水泥砂浆断裂面的面积。

针对采用压力钢环测定水泥基材料表面能这一方法，唐明[8]认为水泥基材料为多孔材料，其孔隙中含有一定比例的自由水，自由水含量直接影响到水泥基材断裂表面能的准确测试，必须对自由水的影响进行修正；另外指出若要正确评价水泥硬化物表面能，必须有效地控制养护龄期和养护条件。

1.3 楔形劈裂试验

随着材料学的不断发展，国际结构与材料研究所联合会[9]对材料断裂能测定的简化方法及测试精度进行了讨论；且提出采用楔形劈裂试件进行水泥基材料断裂能测试，并推荐楔形劈裂试验为测定混凝土断裂能的另一种标准方法[10]。

孙志伟[11]依托国家十一五科技支撑计划项目“海洋工程钢筋混凝土结构防腐蚀关键技术及示范工程”，采用楔形劈裂试验、三点弯曲试验两种方法对比测定水泥砂浆与混凝土的断裂能。两种方法的基本原理为：通过加载测定材料裂缝张开位移与水平荷载的关系曲线，进一步求得材料的断裂能。试验采用楔形试件及压头示意图如图3所示。

(7)

其中，γf为材料断裂能；A为断裂韧带面积；W为荷载—位移曲线与X轴的面积。

2 水泥基材料表面能影响因素

水泥基材料表面能直接影响其宏观力学性能，而水泥基材料表面能又受诸多因素影响。目前，对水泥基材料表面能影响因素的研究主要有两大类：水泥基材料本身参数(如孔隙率、水灰比、骨料粒径等)的影响，以及外界条件如水分、盐分侵蚀对其表面能的影响。

叶枝荣[7]采用慢弯法研究水泥基材料断裂能(表面能)，得出水泥石断裂能与水灰比、总空隙率的关系，以及水泥混凝土断裂能与骨料含量、骨料粒径及水灰比的关系为：

γf=γ0·e-2.16w/c

(8)

γf=γ0p·e-3.75p

(9)

(10)

同时，也有研究认为，对于如水泥混凝土、水泥砂浆等多孔的水泥基材料，其断裂的整个过程中，能量的耗散直接取决于单位面积上断裂的粒子数以及无孔材料的表面能；因此Brandt[12]，F.H.Wittmann[13]提出水泥混凝土等多孔材料的表面能与孔隙率关系为：

γc=γ·(1-P)

(11)

其中，γ为材料基体断裂的表面能；P为材料孔隙率；γc为材料断裂表面能。

此外，外界条件对水泥基材料表面能也产生一定影响，进一步影响其水泥基材料力学强度。该方面的研究具有较好的工程意义，如长时间浸泡于海水中的水泥混凝土桩基，其表面能受到海水的影响，进一步影响桩基强度的衰减及服役寿命。

当水泥基材料的孔隙中含有水分或者其他不同表面张力液体时，空隙中的液体对水泥基材料断裂表面也产生影响，其断裂表面能[14]计算如下：

γsl=γs-γlcosθ

(12)

其中，γsl为水泥基材料断裂表面能；γs为固体表面能；γl为液体表面张力；θ为固体与液体的接触角。

从式(12)中可知，干燥水泥基材料在吸收水分或者盐水后，其断裂表面能会降低，进一步说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，强度越低的结论。

3 结语

笔者对水泥基材料表面能测试方法及其原理进行了综述，其次总结了材料表面能参数与水泥基材料性能的关系，后续可考虑水分侵蚀对材料表面自由能衰减作用的影响，进行水泥基复合材料的防水研究，尤其是在跨江(河、海)桩基础混凝土、含水量较高隧道及地下通道混凝土防水及耐久性研究。

[1] 张世举,程延海,邢方方,等.接触角与表面自由能的研究现状与展望[J].煤矿机械,2011,32(10):8-10.

[2] 铃木要.ェネルギ—变换にヨル表面自由能ェネルギ—测定[A].日本建筑学会构造论文报告集[C].1985(1):9-16.

[3] 冈岛达雄.コンクリ—トの力学的性质と水分[J].セメント,コンクリ—ト,1985,464(10):18-26.

[4] 刘根生,李明军,毕 鹏,等.改性乳化沥青水泥基复合材料处治路面板下脱空效果评价[J].山西交通科技,2012(1):8-10.

[5] Petersson P E.Fracture energy of concrete:Practical performance and experimental results[J].Cement & Concrete Research,1980,10(1):91-101.

[6] 梅迎军,王培铭,李志勇,等.SBR乳液改性水泥砂浆断裂性能[J].武汉理工大学学报，2009,31(2):77-81.

[7] 叶枝荣.用缓慢弯曲试验法研究水泥复合材料断裂能[J].混凝土，1983(6):41-45.

[8] 唐 明.关于修正“水泥硬化物表面自由能测试方法”的探讨[J].沈阳建筑工程学院学报,1988,4(2):93-98.

[9] Bruhwileer E,Witmann F H.The wedge splitting test,a new method of performing stable fracture mechanics tests[J].Journal of Engineering Fracture Mechanics,1988(5):117-125.

[10] AAC13.1,Determination of the specific fracture energy and strain softening of AAC,RILEM Recommended Practice,Autoclaved Aerated Concrete,Properties,Testing,and Design,E&FN Spon,1993:333-339.

[11] 孙志伟.表面能对水泥基材料断裂能及强度的影响[D].青岛:青岛理工大学硕士论文,2008.

[12] Andrzej M Brandt.Cement based Composites:materials,mechanical Properties and Performance[M].E&FN spon,UK,1995.

[13] F H Wittmann.Fracture mechanics of concrete[M].Elsevier Science Ltd,1983.

[14] Matsushita,H Onoue K.Influence of Surface Energy on Compressive Strength of Concrete under Static and Dynamic Loading[J].Advanced Concrete Technology,2006(4):409-421.

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

陈黎阳(1974- )，男，高级工程师

TU502

A