混凝土試件自然裂縫產生裝置研制及應用

付傳清，金南國，金賢玉，田 野

（1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

混凝土結構是土木工程中應用最為廣泛的結構形式［1］。由于混凝土自身材料和使用環境的特點，使混凝土結構不可避免地存在耐久性問題。混凝土結構耐久性的理論與試驗研究已成為土木工程研究的熱點。

混凝土結構在使用階段通常都是帶裂縫工作的，混凝土裂縫尤其是宏觀裂縫的存在會縮短侵蝕介質到達鋼筋表面的路徑，從而加快鋼筋銹蝕速度，縮短鋼筋混凝土結構的服役壽命［2］。目前，開裂混凝土中侵蝕介質的傳輸機理尚不夠明確，可供參考的研究成果較少。究其原因，混凝土是一種準脆性材料，混凝土開裂后裂縫寬度難以控制，制作帶有自然裂縫的混凝土試件存在一定的困難。根據研究需求改進試驗方法，使開裂混凝土試件的裂縫參數與真實裂縫一致，有助于得到更有工程應用價值的試驗數據［3－5］。本文介紹的試驗裝置，可以滿足該要求，實現裂縫寬度精確控制。

1 傳統方法及分析

迄今為止，國內外學者所采用的制作開裂混凝土試件的方法主要有3種：

（1）澆筑混凝土試件時，預先插入一定厚度的薄片，預制混凝土裂縫［6－7］，如圖1（a）所示；

（2）混凝土試件達到一定強度后，采用劈拉試驗方法使混凝土形成劈拉裂縫［8－9］，如圖1（b）所示；

（3）澆筑鋼筋混凝土試件時，施加荷載使之產生彎拉應力，受拉區形成裂縫［10－12］，如圖1（c）所示。

然而，這些試驗方法也存在一些不足：采用預制裂縫法形成的裂縫是一條沿深度方向等寬的裂縫，且裂縫寬度較大；采用劈拉開裂法形成的裂縫往往同時出現多條，難以準確測量單條裂縫寬度，且裂縫為貫穿的通縫，很明顯，這與外寬內窄、裂縫壁面粗糙的真實裂縫存在很大不同；采用鋼筋混凝土試件形成的裂縫，更適合于開裂混凝土鋼筋銹蝕規律的研究。

圖1 常用于制作開裂混凝土試件的方法

2 新型試驗裝置組成

本文的素混凝土試件自然裂縫產生裝置包括混凝土試件預應力加載系統、混凝土裂縫擴展控制系統和裂縫寬度測試系統3部分，如圖2所示。其中，預應力加載系統由預應力加載鋼板、加載螺帽、預應力加載螺桿、應變片和應變測試儀組成；混凝土裂縫擴展控制系統由埋設在混凝土試件底面的預埋控制螺栓、控制螺桿和控制螺帽組成；裂縫寬度測試系統包括附著在混凝土試件側面的兩個測試螺栓、輔助桿和數字千分表。

預應力加載系統對混凝土試件施加預應力，保證素混凝土試件在加載過程中裂縫穩定擴展，防止脆性斷裂；裂縫寬度測量系統實時顯示混凝土試件加載過程中裂縫寬度大小；混凝土裂縫擴展控制系統保證裂縫到達預定寬度后，在整個實驗過程中寬度恒定不變。

圖2 試驗裝置示意圖

3 混凝土試件自然裂縫產生過程

用于制作開裂混凝土試件的小梁，其跨中底部預制寬度為0.5～2mm、深度為10～20mm的誘導縫，確保裂縫在裂縫寬度測試系統的測定范圍內產生。按照大約1/3跨度的標距布置預埋控制螺栓，大約1/4跨度的標距布置測試螺栓，在養護完成后的混凝土試件上安裝數顯千分表和控制螺桿，施加預應力荷載。

采用兩次加載法使混凝土試件產生自然裂縫：第1次加載采用萬能試驗機和三分點加載法對試件施加荷載至預定裂縫寬度。由于混凝土受拉區的預應力作用，素混凝土試件不會出現脆性斷裂，可以準確控制裂縫穩定開裂、緩慢擴展。第2次加載將試驗機卸載，預應力作用使得新形成的裂縫閉合，裂縫寬度接近零；然后卸載螺桿的預應力，去除預應力加載系統，調節控制螺桿上的控制螺帽，則混凝土裂縫可以再次穩定地達到試驗機加載時的裂縫寬度，最后固定控制螺桿的螺帽，則混凝土自然開裂裂縫可以固定在該寬度。制作具有較大裂縫寬度的試件時，由于裂縫深度幾乎貫穿整個試件高度，需要在裂縫尖端高度處增加一對控制螺桿，防止試件斷裂。

4 實際應用

為了驗證試驗裝置的有效性，加工了一套試驗裝置，用于制作裂縫寬度分別為0.05、0.10、0.15、0.2 mm的開裂混凝土試件。

4.1 混凝土試件制備

開裂混凝土試件的尺寸為75mm×150mm×400mm（寬×高×長），在混凝土試件的跨中沿高度方向預制寬度為0.80mm、深度為150mm的誘導裂縫。澆筑混凝土試件的原材料為：波特蘭P.I 52.5水泥，細骨料采用細度模數為2.64的天然河砂、粗骨料選用粒徑5～20mm連續級配的碎石、礦粉采用S95級磨細礦渣（比表面積為450m2/kg），以及采用實驗室自來水。混凝土的配合比及立方體抗壓強度見表1。

表1 混凝土配合比及力學性能

澆筑4個混凝土試件，在標準條件下養護28d，控制螺桿安裝示意圖及試件照片如圖3所示。

圖3 控制螺桿安裝示意圖及試件

4.2 試驗裝置組裝

按照圖2要求組裝試驗裝置。預應力加載螺桿由φ12mm的HRB335鋼筋加工而成，沿預應力加載螺桿長度中間位置粘貼黃巖測試儀器廠生產的6mm×4mm電阻應變片，采用上海華龍500kN的萬能試驗機施加荷載，標定預應力螺桿的彈性階段應力應變關系，采用江蘇東華DN3815型電阻應變儀和川牌成量數顯千分表，組裝完成的預應力加載裝置照片如圖4。預應力螺桿彈性階段應力與應變關系為

式中：ε為預應力加載螺桿應變（10－6）；f為預應力加載螺桿中的荷載（kN）。

圖4 預應力加載裝置照片

4.3 開裂混凝土試件制作

對預應力加載螺桿施加預應力，使混凝土試件的預壓應力達到3MPa（計算值）。采用扭矩扳手轉動控制螺帽，根據應變儀的讀數控制施加預應力值達到目標值。在距離試件底面高度15mm處粘結固定測試螺桿，并安裝輔助桿和數字千分表，千分表調零。

將預應力加載裝置連同混凝土試件置于萬能試驗機上，施加荷載，如圖5（a）。本次加載產生混凝土裂縫寬度的目標值為0.100mm，通過控制試驗機加載速度，裂縫徐徐擴展。從圖5（b）上可以看出，裂縫寬度準確達到0.100mm。

先卸載試驗機荷載，再卸載加載裝置的預應力荷載。此時，已經生成的混凝土裂縫處于閉合狀態，千分表讀數接近零。采用扭矩扳手由內向外調整控制螺桿上的控制螺帽，由于混凝土裂縫已經生成，調整控制螺帽的過程中混凝土裂縫會再次張開，裂縫寬度可以精準達到0.100mm寬度，如圖5所示。

4.4 應用效果分析

按照圖6所示的方法記錄沿裂縫深度方向裂縫寬度值的分布，目標裂縫寬度分別為0.05、0.10、0.15、0.2mm的開裂混凝土裂縫參數記錄于表2中。將其中一個混凝土試件沿裂縫折斷，混凝土裂縫斷面照片如圖7所示。

圖5 兩次加載過程及裂縫寬度讀數

從圖6和圖7可以看出，自然開裂裂縫沿裂縫深度方向路徑曲折，裂縫壁面粗糙、起伏，裂縫壁面可見粗、細骨料。從表2還可以看出：目標裂縫寬度和實際產生裂縫寬度一致，裂縫控制精確；不同縫寬的裂縫對應裂縫深度不同，裂縫外寬內窄。采用該實驗裝置制作的開裂混凝土試件，裂縫特征顯著，與自然開裂裂縫一致。

圖6 記錄裂縫寬度點位劃分

圖7 裂縫斷面照片

表2 開裂混凝土試件裂縫參數 mm

5 結束語

混凝土試件自然裂縫產生裝置原理簡單、操作方便，經試驗驗證所產生的裂縫寬度控制精度較高，生成的裂縫路徑曲折、裂縫斷面粗糙、外寬內窄，具有顯著的自然開裂裂縫特征，解決了以往研究中無法制作帶有自然裂縫混凝土試件的問題。該試驗方法可操作性強，可廣泛應用于研究開裂混凝土中侵蝕介質的傳輸問題。

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