Page 42 - 水利学报2021年第52卷第1期

例逐渐增加，从而导致了 C-S-H 层间区域稳定性的快速下降。

（a）Ca-O 键连接 （b）O-H 键连接

1.00
1.0 O h-H o O s-H w
0.95 0.9 O h-H w O w-H o
（Ca-O） 0.90 Ca w-O s Ca s-O s （O-H） 0.8 O s-H o O w-H w
Ca w-O w
Ca s-O w
0.7
0.85
TCF 0.80 Ca w-O h Ca s-O h TCF 0.6
0.75 0.5
0.4
0.70 0.3
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
t/ps t/ps
（c）Ca-O 键的 TCF 曲线 （d）O-H 键的 TCF 曲线
图 5 不同含水量 C-S-H 凝胶的化学键连接方式及稳定性

3.3 力学性能 应力应变关系可以用来评价不同含水率的 C-S-H 凝胶在拉伸荷载作用下的力学性
能。不同含水率 C-S-H 凝胶在 x、y、z 方向的应力应变曲线如图 6 所示。当在 x 方向上施加单轴作用
力时，应力首先随应变呈线性增加到最大值；对于含水率小于 50%的情况，应力达到最大值后会急
剧降低到约 7 GPa，随后缓慢降低，应变达到 0.8 时应力依旧保持在 5 GPa 水平，这一现象对应于
C-S-H 中微小裂缝的出现、扩展与合并；而当含水率大于 50%时，应力达到最大值后则会较快的衰
减至 0。然而，随着含水率持续增加，结构的抗拉强度降低且脆性显著增加。在 y 方向，应力应变关
系呈现为锯齿状，以饱和 C-S-H 为例，应变在 0.12 ~ 0.15 范围内，应力迅速下降，随后应力缓慢降
低，直至应变达到 0.22，这种增强的塑性来源于 C-S-H 中钙硅层的重新排列。含水率的增加降低了
结构在 y 方向上的抗拉强度及延性。此外，当处于拉伸荷载下，C-S-H 凝胶更容易在 z 方向发生破
坏，而水分子的侵入进一步降低了 C-S-H 凝胶在 z 方向的抗拉强度。

15 10
0% 16 0% 0%
25%
25% 14 25%
50% 50% 8 50%
75%
75% 12 100% 75%
应力/GPa 应力/GPa 10 8 应力/GPa 6 4
10
100%
100%
5
4 6
2
2
0 0 0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
应变 应变 应变
（a）x 方向 （b）y 方向 （c）z 方向
图 6 不同含水量 C-S-H 沿 x、y 和 z 方向的单轴拉伸应力应变曲线
破坏强度和弹性模量是评估 C-S-H 凝胶力学性能的重要指标，其值可以通过应力应变曲线获
得。含水率对 C-S-H 凝胶的抗拉强度和弹性模量的影响如图 7 所示，5 种 C-S-H 凝胶展现出各向异性
的力学性能，z 方向的凝聚力和刚度小于 xy 平面。随着含水率由 0%增加到 100%，y 方向的抗拉强度
由 15 GPa 变为 12 GPa，抗拉性能最差的 z 方向抗拉强度由 8.1 GPa 变为 5.3 GPa，这种差异来源于层间
区域化学键的演变。z 方向的杨氏模量随含水率变化由 33 GPa 增加到 56 GPa，与第一性原理计算和纳

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