單軸受壓混凝土的微裂縫和氯離子侵入性

萬小梅，蘇 卿，趙鐵軍，任心波

（1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.同濟大學 土木學院，上海 200092）

荷載對混凝土傳輸性的影響，主要是通過荷載引起的混凝土微裂縫來作用。由于泌水、收縮、溫度梯度、凍融和堿骨料反應等原因，澆筑后未經使用的混凝土中就存在微裂縫。而外部荷載或其它環境條件則會使混凝土產生更多的微裂縫并促使混凝土中的原始微裂縫擴展和相互貫通。這些微裂縫可以形成潛在的傳輸通道，使侵蝕性鹽類或離子更容易進入混凝土內部。目前，已有不少圍繞荷載、微裂縫與混凝土傳輸性及各種劣化機理的相關關系研究及成果報道［1－7］。這些研究表明裂縫的存在會使材料的滲透率（或吸水率）產生變化。

Samaha等［8］檢測從壓力試驗后的圓柱體上切取的混凝土切片，確定微裂縫的裂縫長度。然后將裂縫長度與根據ASTM C1202測得的電荷通量進行比較。他們發現，在低于75%抗壓強度的應力水平下，混凝土中的微裂縫不會影響混凝土的整體滲透性。Loo［9］在單軸壓力下混凝土圓柱體試驗中報道了混凝土中的微裂縫在應力達到70%～90%的抗壓強度時變得不穩定，此時在荷載作用下微裂縫開始快速擴展。Lim等［10］對混凝土圓柱體加載單軸壓力至極限強度的30%～95%，在此過程中采用與Loo類似的微裂縫估算方法來研究混凝土圓柱體中微裂縫的擴展。壓力試驗后，在此圓柱體上切取試件進行快速氯離子滲透性試驗（RCPT）。試驗表明，用比裂縫面積表示的微裂縫特征在混凝土加載和卸載時有很大不同。Lim等認為混凝土卸載后的氯離子滲透性受一定的應力水平即所謂臨界應力的達到與否的影響。當混凝土試件超過臨界應力時，量測到一個比較大的氯離子滲透性。當試件沒有超過臨界應力時，雖然微裂縫有較大的增長，但是滲透性的增長微乎其微。

有研究指出，當荷載引起的微裂縫寬度小于50μm時，微裂縫對滲透性影響很小；但當荷載引起的微裂縫寬度增大到50～200μm時，混凝土的滲透性大大增加；裂縫寬度大于200μm后，混凝土的滲透性加速增大，并趨于穩定。總的說來，裂縫平均寬度、裂縫長度、裂縫面積、裂縫網絡的連續性等參數對材料的滲透性都有程度不同的影響。文獻［11］則指出，盡管硅烷凝膠表面防水處理對提高混凝土抗碳化性和抗氯離子滲透性均有顯著作用，但如果經表面處理的試塊出現裂縫，其碳化程度和氯離子滲透情況均會有所回升。

總體而言，盡管微裂縫對混凝土滲透性影響的重要性已受到人們的重視，但已有研究結果中常常出現沖突的觀點，試驗方法和理論還有待進一步完善。為此，本文將通過試驗，以一種無損估算方法研究單軸壓力作用的混凝土的微裂縫發展，分析微裂縫與氯離子傳輸性能間的相關性，基于試驗深入研究荷載及微裂縫對混凝土滲透性的影響。

1 微裂縫評價方法

用于測定微裂縫的試驗方法可以分為2類，一類是借助一定輔助手段的視覺觀測法，也可稱為直接法，包括表面裂縫的微觀觀測以及加載中或加載后對混凝土薄片或鋸片上的裂縫的觀測，以及X射線成像技術；另一類是通過一些容易觀測的指標如變形、泊松比、彈性模量等，借助裂縫形成與這些指標之間的內在關系量化混凝土內部的微裂縫，這類方法可稱為間接法，包括表面應變的量測、超聲脈沖法、聲發射技術、在循環加載中測定能量的累積耗散和變形模量的變化、全息干涉測量法等。Antonaci等［12］利用一種分層削減法（Scaling Subtraction Method）的非線性超聲技術，可以辨別混凝土中的不連續性是屬于裂縫類型還是屬于密實度低等低質量類型。

這2類方法也可結合使用，Elaqra等［13］就使用聲發射和三維X射線斷面攝像術來探明混凝土試塊在受壓中的破壞機理和斷裂過程。

直接觀測單軸受壓下混凝土內部裂縫的方法又具體分為在加載前將試塊切片和加載后將試塊切片2種方式。加載前切片可以觀察到裂縫在加載過程中的發展，但是卻觀察不到橫向裂縫的發展。加載后切片雖然可以觀測到橫向裂縫的情況，但是加載后對試塊進行切片需特別謹慎，因為鋸切、著色和打磨都可能引起試塊中新的微細裂縫生成。而且，卸載后在薄片中觀測到的裂縫一般都與荷載下的裂縫有很大不同。

基于Loo［9］提出的比裂縫面積無損估算方法來評價軸壓混凝土的微裂縫發展情況。這是一種可以結合混凝土應變測試結果量化混凝土微裂縫發展程度的方法。公式建立在以下假設基礎上：單軸壓力下混凝土試件的截面積變化等于由于泊松比影響產生的截面積的彈性變化和由于微裂縫引起的膨脹之和，也就是假定線彈性應變之外的部分是由于微裂縫的擴展而產生的，因此，

式中：ΔAT為混凝土受載后截面積的總變化；ΔAC為由于裂縫開展引起的截面積變化；ΔAPR為由于泊松比影響產生的截面積的變化。定義單位截面面積上的裂縫開展面積為比裂縫面積，用εcr表示：

在上述假定的基礎上，本文給出了對于棱柱體試塊在軸壓時平行于荷載方向的側表面的裂縫開展面積估算公式，

式中：A為混凝土受力變形前的橫截面面積；εx、εy分別為橫向和軸向應變，可在加載和卸載過程中由應變計測量得到；a為棱柱體橫截面的邊長；h為棱柱體所取計算側面的高度。所以，棱柱體試塊側表面的比裂縫面積：

其中μe為彈性泊松比。通常意義的泊松比是指在材料受力在彈性極限以下時橫向應變與縱向應變的絕對比值［14］。筆者前期有關試驗研究表明［15］，當加載處于應力與應變呈線性發展的彈性階段（30%～50%應力水平以下）時，泊松比都保持在0.15～0.24范圍內，平均值約為0.20。之后，隨著應力進一步增大，橫向變形的增長速度比縱向變形的增長速度越來越大，故即時測取的泊松比隨應力增加也適當增大，泊松比不再穩定，混凝土的應力應變發展進入到非彈性階段。為避免受非線性變形帶來的泊松比誤差影響，式（6）中的μe值是在應力泊松比曲線上取用靠近初始階段且已穩定的泊松比值。

2 試驗方案

2.1 原材料及試塊制備

試驗采用TC1和TC2兩種混凝土配合比，試塊的原材料包括：山東東岳水泥廠的42.5普通硅酸鹽水泥、青島四方電廠的二級粉煤灰、青島大沽河的中砂、最大粒徑為25mm的碎石、萘系高效減水劑。混凝土試塊的配合比如表1所示。試塊規格為100mm×100mm×400mm的棱柱體，成型后的試塊放置在氫氧化鈣飽和溶液中養護至規定齡期。

表1 混凝土試塊的配合比 （kg·m－3）

2.2 試塊加載及暴露環境

試塊養護至28d齡期時，分別測得TC1和TC2棱柱體試塊抗壓強度平均值為43.5、46.0MPa。完成強度測定后在電液伺服試驗機上對試塊進行單軸靜力加壓，調節進油閥使壓力機勻速加載，直至應力水平分別達到混凝土棱柱體抗壓強度的0、20%、30%、50%、80%。加載達到預定應力水平后持載5分鐘，再勻速卸載。每個試塊在相對的兩個成型面上的中間高度位置沿橫向及縱向粘貼應變計各一對，加載、持載和卸載期間同時進行應變測量。應變測量采用膠基應變計和北戴河電子儀器廠生產的CM－1A－20數字靜態應變儀組成的應變測試系統進行。

卸載結束后，從混凝土試塊上取走應變計并清理表面，切割并保留原應變計所在區域的部分試塊（約100mm的試塊高度），以該局部表面為暴露面，將試塊其余面涂敷環氧樹脂，將試塊浸泡在5%的NaCl溶液中。當試塊浸泡一定時期（1個月或2個月）后，逐層磨粉取樣，采用《混凝土結構耐久性設計規范》［16］規定的硝酸銀滴定法檢測混凝土中水溶性氯離子含量，得出混凝土中不同深度的氯離子含量分布。

3 比裂縫面積

用加載、卸載過程采集到的應力應變數據，根據公式（6）計算得到各混凝土試塊的比裂縫面積。圖1是加載、卸載過程中的混凝土比裂縫面積變化的部分試驗結果，圖中加載和卸載階段分別用黑色和灰色線表示。從各曲線整體發展來看，在加載初期應力水平不超過0.4的時候，比裂縫面積發展較小，意味著本試驗中的混凝土中微裂縫在低應力水平范圍內沒有大的發展，卸載后比裂縫面積幾乎全部恢復為0。當應力比超過一定水平時，比裂縫面積迅速增大，這意味著此時混凝土內的裂縫開始有了較大發展。總體來看，這些突變點對應的應力水平基本出現在0.3～0.7的較大范圍內。Loo［9］曾認為，混凝土比裂縫面積的突變點對應的應力或應力水平與混凝土的強度以及彈性模量并沒有明顯規律。但從實驗全部結果來看，TC1和TC2兩種配合比的混凝土的比裂縫面積突變應力水平并不一致，摻加粉煤灰的TC1的微裂縫突變應力水平在0.5～0.7范圍內（圖1（d）中該值約為0.7），而TC2微裂縫突變應力水平在0.3～0.5范圍內（圖1（g）中該值約為0.5）。可見，摻加粉煤灰有提高混凝土裂縫發展突變應力水平的趨勢。試驗中，比裂縫面積在加載初始階段數值和變化波動都較小，部分試塊因初始加載條件不穩定造成泊松比初期較大，之后才略有下降達到穩定階段，所以加載初期比裂縫面積有負值且出現波動。

圖1 加載和卸載中的混凝土比裂縫面積

在卸載階段，隨著試塊應力水平的下降，比裂縫面積也有所回退，當應力降為零時，所對應的比裂縫面積就是由混凝土中未能恢復的殘余變形造成的。從圖1的試驗結果可以看出，卸載后剩余的比裂縫面積與加載達到的最高應力水平有一定關系。對TC1而言，加載到0～0.5的應力水平后卸載的剩余比裂縫面積均為0，加載到0.8的應力水平后卸載的剩余比裂縫面積為23.2×10－6；TC2加載到0～0.5的應力水平后卸載的剩余比裂縫面積也為0，但加載到0.8的應力水平后卸載的剩余比裂縫面積為137.5×10－6。顯然，同樣是0.8應力水平，摻加適量粉煤灰的混凝土卸載后剩余的比裂縫面積較純水泥混凝土試塊明顯偏小。

結合前期的研究結果［17］可以認為，對普通混凝土來說，當應力水平達到0.7以上時，卸載后的殘余損傷已不可忽視，即使混凝土不再繼續承受荷載，其殘余損傷對混凝土長期性能的影響也應謹慎對待。文獻［10］也給出了類似的結論，認為加壓到0.7～0.95應力水平再卸載后混凝土的殘余損傷已比較明顯。但不同強度、配合比的混凝土其對剩余比裂縫面積產生突變影響的應力水平值各有差異。

4 氯離子含量分布

TC1和TC2在5%的氯化鈉溶液里浸泡1個月和2個月后，測得其氯離子含量（占混凝土的質量百分比）分布見圖2。可以看出，同樣的浸泡暴露條件下摻加粉煤灰的TC1混凝土的氯離子侵入情況總體上低于未摻加粉煤灰的TC2混凝土。這是由于，在適量添加粉煤灰的條件下，粉煤灰微細顆粒均勻分布在水泥漿體中，可有效填充初始微裂隙，改善混凝土孔結構。隨著軸向壓荷載應力水平的增加，混凝土中氯離子的侵入總體含量出現了先降低，之后又隨應力水平增加而進一步增加的趨勢。其中，荷載對未摻加粉煤灰的TC2混凝土的氯離子傳輸性的影響效應要大于荷載對摻加粉煤灰的TC1混凝土的氯離子傳輸性的影響效應。

圖2 混凝土的氯離子含量分布

因為本試驗采用自然浸泡的方式，根據Fick第二定律的解析公式（式5），在一定時間t的暴露之后，由不同深度的氯離子含量曲線C（x，t），采用誤差函數可以計算出混凝土在該段時間內的表觀氯離子擴散系數，試驗計算結果見表2，表中括號里的數值是加載過的試塊相對于未加載的基準試塊的氯離子擴散系數變化情況。

表2 單軸受壓后混凝土的表觀氯離子擴散系數

從表2中反映出的一致規律是，混凝土的表觀氯離子擴散系數同樣隨著壓應力水平先減小后增大，這是由于低應力水平的壓荷載使混凝土中初始的微裂縫適當閉合，內部趨于密實，氯離子傳輸性下降，但隨著壓應力水平繼續增大，混凝土內的界面裂縫和砂漿裂縫重新發展，導致混凝土的氯離子傳輸性能重新增大。但本試驗中，比裂縫面積結果無法反映荷載對混凝土初始裂縫的閉合效應。

同時，表2的試驗結果中，2個月浸泡的混凝土表觀氯離子擴散系數比1個月浸泡得到的混凝土表觀氯離子擴散系數降低了17%～27%，體現了自然暴露條件下混凝土表觀氯離子擴散系數隨時間衰減的效應。

5 荷載、微裂縫與氯離子傳輸的相關關系

根據得到的試驗結果，將不同應力水平作用并卸載后的混凝土剩余比裂縫面積和氯離子擴散系數繪制在圖3中。可以看出，在大約0.3的應力水平范圍內，受壓并卸載后的試塊表觀氯離子擴散系數普遍降低，但隨著應力水平的繼續提高，氯離子擴散性能開始提高并超過未加載時的氯離子擴散系數，說明較高水平的壓應力使混凝土表層及內部產生新的裂縫并發展，由此改變了混凝土的氯離子傳輸性能。以浸泡2個月的TC1試驗結果為例，加載0.2、0.3應力水平的試塊表觀氯離子擴散系數分別降至未加載時的90%和95%，加載0.5應力水平的氯離子擴散系數則已回升至未加載時的情況，當加載0.8應力水平時其表觀氯離子擴散系數已增至未加載時的1.08倍。

圖3 不同應力水平作用并卸載后的混凝土剩余比裂縫面積與氯離子擴散系數

如前所述，試驗中的混凝土在單軸受壓并卸載的情況下，其微裂縫的發展和恢復與應力水平關系密切。當應力水平在0.5以下時，2種混凝土的剩余比裂縫面積均基本保持為0，試塊相應的表觀氯離子擴散系數也保持在低于或基本持平于未加載時氯離子擴散系數的水平。當應力水平達到0.8時，2種混凝土的比裂縫面積分別為23.2×10－6，137.5×10－6，試塊相應的表觀氯離子擴散系數則分別達到了未加載時氯離子擴散系數的1.08倍和1.17倍。與TC1相比，單軸壓力下TC2混凝土的微裂縫在水泥漿中的擴展較為嚴重，剩余比裂縫面積較大，因而氯離子含量也多于未加載時的氯離子含量。說明比裂縫面積能夠較好地表征混凝土中微裂縫的發展，它的大小與混凝土材料組成及應力水平有關，有助于分析混凝土在荷載作用下產生的微裂縫對氯離子滲透性的影響。但是，比裂縫面積不能反映出混凝土在較低應力水平的壓荷載下趨于密實、從而降低傳輸性的情況。

6 結 論

通過試驗分析了單軸壓力下混凝土微裂縫的發展以及荷載、微裂縫和氯離子滲透性的相關規律。

1）混凝土在單軸受壓并卸載的情況下，其微裂縫的發展和恢復與應力水平關系密切。在單軸受壓加載初期應力水平不超過0.4時，比裂縫面積發展較小，卸載后比裂縫面積幾乎全部恢復為0。當應力比超過一定水平時，比裂縫面積迅速增大。

2）卸載后剩余的比裂縫面積與加載達到的最高應力水平有一定關系。在0.8應力水平下，摻加適量粉煤灰的混凝土卸載后剩余的比裂縫面積較純水泥混凝土試塊明顯偏小。

3）在大約0.3的應力水平范圍內，受壓并卸載后的試塊表觀氯離子擴散系數普遍降低，但隨著應力水平的繼續提高，氯離子擴散性能開始提高并超過未加載時的氯離子擴散系數。這與不同應力水平下剩余比裂縫面積的發展有一致性。但比裂縫面積不能反映出混凝土在較低應力水平的壓荷載下趨于密實、從而降低傳輸性的情況。

4）主要理論假設是將微裂縫引起的截面變化簡化為混凝土的總截面變化與因泊松比影響產生的截面積的彈性變化之差。在該理論假設基礎上，提出了估算軸壓下混凝土棱柱體側表面的裂縫開展估算公式。與氯離子的滲透性試驗結果對照表明，該公式和相應計算得到的比裂縫面積能夠較好地提供混凝土中微裂縫開展的連續信息，有助于分析混凝土在荷載作用下產生的微裂縫對氯離子傳輸性能的影響。

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