混凝土收縮裂縫幾何特征及其對氯離子滲透的影響

朱紅光，易 成，孫輔延，謝永蘭，周家杰，吳凱波，劉 宏

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京100083； 2.華能煤業有限公司，北京100070)

?

混凝土收縮裂縫幾何特征及其對氯離子滲透的影響

朱紅光1，易 成1，孫輔延2，謝永蘭1，周家杰1，吳凱波1，劉 宏1

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京100083； 2.華能煤業有限公司，北京100070)

為準確表達收縮裂縫的幾何特征并分析其對混凝土中氯離子滲透規律的影響，通過對干縮開裂混凝土板進行取樣，觀測和統計分析了收縮裂縫的幾何特征，并采用ASTM法研究了裂縫對混凝土中氯離子滲透的影響規律.結果表明：混凝土收縮裂縫存在顯著的深寬比特征，其均值約為44.31，開裂角度均值約為2.6度；對比不同的裂縫寬度表征參量如最大寬度、最小寬度、平均寬度以及比表面積等與ASTM法6 h電通量關系后發現，最大寬度是表征裂縫對開裂混凝土滲透性影響的適宜參量；開裂混凝土中氯離子的滲透系數與裂縫最大寬度成正線性關系，并且當收縮裂縫寬度小于0.18 mm時，裂縫對滲透系數影響可以忽略.收縮裂縫的寬度變化會顯著影響混凝土的抗滲性能，實際工程中應該根據混凝土保護層厚度來確定其容許的最大裂縫寬度.關鍵詞: 收縮裂縫；深寬比；氯離子滲透；開裂尖端角度；裂縫寬度

氯離子滲透是導致混凝土耐久性失效的一個重要因素，混凝土材料抗壓強度很高，抗拉強度卻很低，在混凝土水化過程和荷載作用下極易產生裂縫，因此在實際混凝土結構中，混凝土構件通常是帶裂縫服役的.混凝土表面裂縫的存在，增大了混凝土與外界氯離子介質的接觸面積，并且減小了混凝土保護層的有效厚度，因此外界離子更容易滲入內部引發鋼筋銹蝕[1].

很多研究者都發現了裂縫對氯離子滲透的巨大影響.張士萍等[2]評估了帶裂縫混凝土的滲透性質,發現氯離子質量分數隨裂縫寬度增加而增加；金祖權等[3]、Zhang S等[4]和Zhang R等[5]發現混凝土的氯離子質量分數和滲透系數都隨裂縫寬度呈二次函數影響關系；陳小榮等[6]通過模擬發現氯離子擴散系數隨著裂紋張開角度的增大而增大；國外Marsavina等[7]用插片構造裂縫的方法研究了試驗時間對氯離子侵入深度的影響；Jang等[8]、 Park等[9]通過對圓柱形試件進行劈裂式循環加卸載獲得破損試件，研究了試驗時間和劈裂帶變形-COD對氯離子滲透性的影響；Yoon等[10]發現骨料對裂縫發展和滲透的傳輸有很大影響.

現有研究多數基于荷載裂縫(張拉、劈裂)或者插片預制裂縫來進行討論，而實際工程中混凝土主要為養護不良而失水產生的收縮裂縫[11]，二者在幾何形態上存在顯著差別；由于存在離子吸附的問題[12]，采用混凝土內部的氯離子質量分數來分析滲透性并不可靠；這些研究所得結論的可靠性值得商榷.也有研究表明裂縫深度對混凝土的氯離子滲透性是有影響的，但是對裂縫寬度和深度這兩個因素的影響研究都是孤立的，事實上收縮所產生的自然裂縫，其深度和寬度是存在某種關系的.本文采用混凝土大板養護收縮開裂的方法獲取了收縮裂縫試件，對裂縫形貌進行觀測和統計，分析了收縮裂縫的寬度-深度規律；用電遷移試驗方法研究了收縮裂縫對混凝土抗氯離子滲透性能的影響規律.本文研究結果能為混凝土結構的耐久性設計和防控提供參考.

1 試驗方法

1.1 氯鹽環境下的混凝土強度要求及相關規定

《混凝土結構耐久性設計規范》規定處于氯離子環境下的結構，混凝土強度等級應在C40及以上.同時，《普通混凝土配合比設計規程》對除冰鹽環境混凝土水膠比的規定，最大值為0.50.

1.2 試件制備

根據以上規定確定試件水灰比和強度，本文按照最低要求選擇強度等級為C40的混凝土，水灰比為0.50，配合比為水泥∶河沙∶碎石=1∶2∶3.48，其28 d抗壓強度為40.5 MPa.

裂縫的制取參考了周邊約束誘導混凝土產生收縮裂縫的方法[15]，鑒于這里只為獲取試驗所需的收縮裂縫而不關注混凝土的早期抗裂性，因此進行了方案改進.采用500 mm×500 mm×50 mm帶底板的方形模具，澆筑完成后對混凝土板中心Ф 300 mm區域進行加溫、吹風以加速收縮，外圍區域正常養護，持續3 d獲得開裂的混凝土板.中心區域的混凝土受到兩方面的約束：由于養護條件不同，板外圍混凝土與中心區域不均勻收縮而產生的周邊約束；由于上下層收縮不均勻而產生的上下層間的約束作用.這與實際工程中大面積混凝土現澆底板、側墻以及路橋現場施工混凝土所處的情形相似.帶模養護28 d后取芯Ф100 mm開裂混凝土圓柱形試件，再將試件標準養護90 d，以使裂縫充分發展.試件的典型裂縫形態見圖1.

圖1 圓柱形混凝土試件典型裂縫圖像

1.3 氯離子滲透試驗

參考張士萍等[2]的結論，本試驗采用ASTM C1202電通量法測試了完整試件和收縮裂縫試件的滲透性.試驗前先對試件進行真空飽水，然后用石蠟將試件四周密封，只暴露上下兩個滲透面，試驗測試裝置見圖2.試驗最終得到的結果為試件6 h電流值和電通量值.

圖2 ASTM法試驗裝置原理

2 混凝土收縮裂縫的幾何特征

2.1 裂縫幾何參數的測量

本文對裂縫幾何參數的測量主要從寬度、深度以及裂縫比表面積3個方面進行.

2.1.1 寬度w

采用裂縫寬度監測儀，精度為0.01 mm.對每個試件沿著裂縫長度方向每隔5～10 mm取一個測點，依次進行寬度測量，并對測量結果進行統計分析，得到了各測點裂縫寬度、試件的最大縫寬、最小縫寬及平均寬度.

2.1.2 深度d

對裂縫深度采用硝酸銀顯色法測定.由于自然浸泡中氯離子滲透進入混凝土試件內部所需時間較長(通常是數天)，如果只浸泡2 h，那么氯離子只會進入裂縫并在其表面附著，因此采用硝酸銀顯色法測定的劈裂面顯色深度可以認為是裂縫深度.

將真空飽水后的混凝土試件置于5%的氯化鈉溶液中浸泡2 h，試件開裂面朝下，氯化鈉溶液以剛沒過上表面為好.然后將試件置于壓力機上沿裂縫方向進行劈裂，對劈裂面立即噴涂0.1 mol/L的AgNO3溶液，測定劈裂面的顯色深度，取劈裂左右兩部分測定的深度平均值為該點的顯色深度.圖3為硝酸銀顯色法測試裂縫深度典型圖像.

圖3 硝酸銀顯色法測試裂縫深度

2.1.3 裂縫比表面積KA

為考慮裂縫長度對氯離子滲透的可能影響，本文引入裂縫比表面積KA，定義為試件表面裂縫面積Acr與試件面積A的比值.

通過Photoshop對開裂試件的裂縫圖像進行閾值處理，處理后的典型圖像見圖4，然后在Auto CAD中對裂縫求面積，與試件表面積比值即得到裂縫比表面積.

圖4 開裂試件閾值處理后的典型圖像

Fig.4 Typical images of cracking specimen after threshold processing

2.2 裂縫深寬比統計規律

假設收縮裂縫呈三角形，對收縮裂縫令

(1)

式中：d為裂縫某點深度，w為裂縫在該點寬度，λ為裂縫深寬比.

實驗獲得有效數據點位56個，符合一般統計學要求的樣本數(>30).將這些點位數據采用SPSS軟件和excel統計功能進行分析.統計學參數見表1.

表1 深寬比數據的統計學參數結果

對測試結果的數據進行正態分布擬合檢驗分析，本文采用卡方檢驗法，檢驗原理簡述為：

把隨機變量X的值域劃分為k個不相交的區間，設vi是樣本觀察值落入區間Ai的頻數，那么有∑vi=n，pi為事件A發生的理論頻率.當事件為真時，∑(vi/n-pi)2應該較小，此時應予以肯定 ，否則∑(vi/n-pi)2應該較大.

圖5直方圖柱數=13，故自由度n=13-2-1=10，求得χ2=4.48<χ2(10,0.95)=18.307，接受檢驗，認為收縮裂縫深寬比的分布符合正態分布規律.

圖5 裂縫深寬比統計直方圖

根據前面提出的裂縫三角形假設，選上述預期正態分布的均值44.31為深寬比均值，由此可以推算，裂縫尖端角度均值約2.6°.圖5中處于均值點左右的4個柱形所占數據量為33個，超過總數據量的50%.因此從統計學上說，裂縫尖端開裂角度是在2～3°的范圍.

以上統計結果說明，混凝土收縮裂縫的深度與寬度之間存在相關性，越寬的裂縫其深度也越大，反之亦然.因此，對于不同寬度的收縮裂縫，其對混凝土氯離子滲透性的影響有可能是深度或者寬度和深度的耦合作用，但可以通過單一因素如寬度來反映.同時，這也證明了本文在引言中的觀點，使用插片預制裂縫或者荷載裂縫并不能代表混凝土由于收縮產生的裂縫(插片裂縫深寬比可人為控制，荷載裂縫深寬比由加載方式和試件形狀決定).

產生深寬比關系的物理機制：混凝土板某區域由于養護問題產生非均勻收縮變形，當該變形超過了抗拉極限就會產生收縮裂縫；混凝土板的上表面自由，下表面受到底板的約束，沿厚度方向的上下層混凝土之間由于黏結應力而相互約束，逐漸抵消非均勻收縮，使得收縮值沿板厚逐漸減少[13].本文認為正是這種厚度方向不同混凝土層之間的相互約束使得收縮裂縫呈現深寬比關系.對于不同種類的混凝土，雖然自由表面的非均勻收縮變形是不同的，即可能產生的收縮裂縫寬度不一樣，但混凝土內部的黏結應力相差不大(參考普通混凝土的抗拉強度)，即厚度方向的不同層間約束作用是相似的，由此縫寬沿深度減小的幅度是相近的(等比例減少)，因此非均勻收縮的不同會引起裂縫深度的變化，但深寬比關系卻是相似的.Benboudjema等[14]也有相似的結論，試件尺寸不影響混凝土的收縮特征.

混凝土收縮裂縫角度的確定，可用于確定導致混凝土保護層失效的裂縫寬度.當裂縫寬度達一定值后，裂縫便會穿透保護層，蔓延至鋼筋表面的位置.因此，開裂深寬比的研究，有助于根據混凝土表面開裂情況對工程結構有效保護層厚度及時提出預警.

3 裂縫對混凝土氯離子滲透性能的影響

通過ASTM氯離子電遷移試驗，觀測了開裂混凝土試件的裂縫最大寬度、最小寬度、平均寬度以及比表面積等參量對氯離子滲透的影響.

3.1 裂縫參量對ASTM法電通量試驗結果的影響

裂縫參量與電通量關系的分析結果見圖6～9.圖6、7中存在一個誤差較大的數據點，通過檢查該數據點的測試試件后發現，其裂縫發展與其他試件稍有區別，該試件裂縫一側是水泥漿體，另一側是混凝土的粗骨料.由于受到粗骨料的限制，裂縫只能在水泥漿體一側單側收縮，致使該試件裂縫寬度偏小，結果出現較大偏差(若將該試件裂縫寬度翻倍，其結果在圖中就能處于較合理的位置).

圖6 電通量-裂縫平均寬度

圖7 電通量-裂縫最大寬度

Fig.7 The relationship of electric flux and crack’s maximum width

圖8 電通量-裂縫最小寬度

Fig.8 The relationship of electric flux and crack’s minimum width

綜合對比圖6～8可發現，裂縫寬度，無論是平均寬度、最大寬度還是最小寬度，均與電通量呈正線性關系；說明裂縫寬度的增大會導致ASTM法測試電通量的增加.但平均寬度和最大寬度與電通量的正線性關系顯著，而最小寬度則不夠明顯.

圖9 電通量-裂縫比表面積

Fig.9 The relationship of electric flux and crack’s specific surface area

由圖9可看出， ASTM電通量與裂縫比表面積正相關，可以認為裂縫比表面積增大會加快混凝土氯離子滲透，但相較于裂縫寬度的表達方式，這種對應關系不夠顯著，數據點的離散明顯偏大.

綜合上述分析可以認為，裂縫的平均寬度或者最大寬度是適合分析混凝土氯離子滲透性的裂縫參量，其與電通量基本呈線性關系.

3.2 裂縫對混凝土氯離子滲透系數的影響

根據Nernst-Planck方程

(2)

(3)

(4)

式中：L為試件厚度，L=0.05 m；J是離子流量(mol/(m2·s));D為擴散系數(m2/s);c為濃度(mol/m3);F是法拉第常數(F=96 480 J/(V·mol));R是氣體摩爾常數(R=8.314 J/(mol·K));V為電壓(V);z為電荷載子帶電量絕對值，氯離子z=1;e為基元電荷(1.602×10-19C);N為電荷載子數;A為試件橫截面積;NA阿伏伽德羅常數(6.02×1023).將各量數值代入式(4)，便可以由電通量Q計算出滲透系數D.選擇最大寬度來進行結果分析，見圖10.

圖10 滲透系數-裂縫最大寬度

Fig.10 The relationship of permeability coefficient and crack’s maximum width

將圖10中氯離子滲透系數D與裂縫最大寬度ωmax進行描述，關系為

(5)

式中D的單位為10-10m2/s.

4 討論與工程應用

相比于圖6、7及圖10中裂縫寬度與開裂混凝土氯離子滲透參量之間較好的線性關系，圖9中比表面積與氯離子滲透參量的關系并不顯著，鑒于比表面積耦合了裂縫寬度和長度兩個幾何參數的影響，因此試驗結果說明裂縫長度可能對開裂混凝土的氯離子滲透影響并不顯著，其相較于裂縫寬度來說，是次一級的影響參數.

式(5)中裂縫寬度與混凝土中氯離子滲透系數的關系，從表面看似乎是裂縫寬度直接影響混凝土中氯離子的滲透；但由節2收縮裂縫的深寬比特征也可得到裂縫深度與氯離子滲透系數之間的關系.因此，式(5)可能只是對應規律而非物理關系，究竟是裂縫的寬度還是深度實質地影響了混凝土中氯離子滲透還需深入探討.

將圖10中的擬合直線向下延伸，與未開裂試件所測數據點的水平線相交，得到裂縫影響氯離子滲透的下限寬度為0.18 mm.此數值比Djerbi等[15]和Kwon等[16]的下限值(分別為0.08 mm和0.10 mm)稍大.本文認為是由于不同的裂縫幾何特征所導致.Djerbi等[15]通過加載得到裂縫，其并無深寬比特征；Kwon等[16]的試件來源于港口工程，但為早齡期混凝土，裂縫發展遠未充分，深寬比關系不顯著.而本文是養護時間較長的收縮開裂試件，與工程實際的服役混凝土較為相符.因此，即使采用相同的幾何參數-最大寬度來表達對開裂混凝土中氯離子滲透的影響，但是由于裂縫深度不同，便得到不一致的結果.較為合理的解釋就是，裂縫深度可能是比寬度更為實質的影響參數，結合本文關于收縮裂縫深寬比關系的結論，這一解釋則更為充分.

中國GB 50010—2002《混凝土結構設計規范》規定，對于氯鹽影響環境，最大裂縫寬度限值為0.2 mm.根據本文研究結果，當裂縫最大寬度為0.2 mm時，相對無裂縫混凝土其滲透系數增大了約20%.根據GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》對于處于氯鹽環境下的普通混凝土結構，設計使用年限為50 a時，保護層厚度最低要求為40～60 mm.當最大寬度為0.2 mm時，根據本文的深寬比研究結果推算裂縫深度約為9 mm，混凝土保護層厚度損失率同樣達20%.也就是說，中國相關規范中對氯離子環境條件下混凝土結構裂縫最大寬度和最小保護層厚度的規定限值都是以損失率達到20%為控制條件的.那么，對于保護層厚度處于非常規范圍，如<40 mm或>60 mm，則應該根據本文研究結果，相應的加大或者減小對最大縫寬的限制.

5 結 論

1)混凝土收縮裂縫存在顯著的深寬比特征.通過對混凝土收縮裂縫的幾何特征進行統計分析，確定了裂縫深寬比均值大約為44.31，其尖端開裂角度約為2.6°.

2) 裂縫寬度對混凝土氯離子滲透系數有正線性的影響關系.對于收縮裂縫，采用平均縫寬和最大縫寬可以較好描述其影響，最小寬度與裂縫比表面積描述準確性較差.本文建議采用最大縫寬描述裂縫對混凝土氯離子滲透性能的影響.

3) 通過不同裂縫幾何參數對開裂混凝土氯離子滲透的描述結果對比，以及本文試驗結果與前人結論的比較分析，得出裂縫深度是影響開裂混凝土氯離子滲透的本質參數.而裂縫長度對開裂混凝土中氯離子滲透的影響并不顯著.目前中國相關規范中對氯離子環境條件下混凝土結構裂縫最大寬度和最小保護層厚度的規定限值都是以損失率達到20%為控制條件.若實際工程中混凝土保護層厚度處于非常規范圍時(如<40 mm或>60 mm)，應該根據保護層厚度來確定容許的最大裂縫寬度.

目前混凝土收縮裂縫產生的物理機制尚待明確，本文相關結論有待進一步研究與驗證.

[1] 楊建森, 王培銘. 鹽堿溶液對混凝土氯離子滲透性能的影響[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2008, 40(12): 2048-2053. YANG Jiansen, WANG Peiming. Influence of saline-alkaline solution on chloride permeability of concrete [J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2008, 40(12): 2048-2053.

[2] 張士萍, 劉加平, 董良峰. 收縮裂縫對混凝土中氯離子傳輸的影響[J]. 武漢理工大學學報, 2011, 33(6): 90-92. ZHANG Shiping, LIU Jiaping, DONG Liangfeng. Influence of shrinkage cracking on chloride ions transport of concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2011, 33(6): 90-92.

[3] 金祖權, 侯保榮, 趙鐵軍, 等. 收縮裂縫對混凝土氯離子滲透及碳化的影響[J]. 土木建筑與環境工程, 2011, 33(1): 7-11. JIN Zuquan, HOU Baorong, ZHAO Tiejun, et al. Influence of shrinkage cracks on chloride penetration and crabonation of concrete [J].Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering, 2011, 33(1): 7-11.

[4] ZHANG Shaofeng, LU Chunhua, LIU Ronggui. Experimental determination of chloride penetration in cracked concrete beams[J]. Procedia Engineering, 2011, 24(8): 380-384.

[5] ZHANG Ruijin, CASTEL A, FRANCOIS R. Concrete cover cracking with reinforcement corrosion of RC beam during chloride-induced corrosion process[J]. Cement and Concrete Research, 2010, 40(3): 415-425.

[6] 陳小榮, 毛科峰, 鄭建軍. 界面裂紋對混凝土氯離子擴散系數的影響[J]. 水利水電科技進展, 2007, 27(4): 30-33. CHEN Xiaorong, MAO Kefeng, ZHENG Jianjun. Effect of interfacial cracks on chloride diffusion coefficient of concrete[J].Advances in Science and Technology of Water Resources， 2007, 27(4): 30-33.

[7] MARSAVINA L, AUDENAERT K, DE SCHUTTER G, et al. Experimental and numerical determination of the chloride penetration in cracked concrete[J]. Construction and Building Materials, 2009, 23(1): 264-274.

[8] JANG S Y, KIM B S, OH B H. Effect of crack width on chloride diffusion coefficients of concrete by steady-state migration tests[J]. Cement and Concrete Research, 2011, 41(1): 9-19.

[9] PARK S S, KWON S J, JUNG S H. Analysis technique for chloride penetration in cracked concrete using equivalent diffusion and permeation[J]. Construction and Building Materials, 2012, 29(4): 183-192.

[10]YOON I S. Chloride penetration through cracks in high-performance concrete and surface treatment system for crack healing[J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2012, 2012(2):1-8.DOI:10.1155/2012/294571.

[11]王鐵夢. 鋼筋混凝土結構的裂縫控制[J]. 混凝土, 2000, 22(5):3-6. WANG Tiemeng. Cracking control of reinforced concrete construction[J]. Concrete, 2000, 22(5):3-6.

[12]COPUROGLU O, SCHLANGEN E. Modeling of frost salt scaling[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(1): 27-39.

[13]高小建,何忠茂,楊英姿,等.周邊約束狀態下板式混凝土早期開裂及收縮應變的分布[J].硅酸鹽學報, 2004, 32(3):334-339. GAO Xiaojian, HE Zhongmao, YANG Yingzi, et al. Distribution of shrinkage strain and induced cracks of a round restrained concrete plate at early age[J].Journal of The Chinese Ceramic Society, 2004, 32(3):334-339.

[14]BENBOUDJEMA F, TORRENTI J M. Prediction of drying shrinkage in concrete structures: study of size effect[C]//International RILEM Conference on Advances in Construction Materials Through Science and Engineering. Hong Kong, China: RILEM Publications SARL, 2011:288-293.

[15]DJERBI A, BONNET S, KHELIDJ A, et al. Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(6): 877-883.

[16]KWON S J, NA U J, PARK S S, et al. Service life prediction of concrete wharves with early-aged crack: Probabilistic approach for chloride diffusion[J]. Structural Safety, 2009, 31(1): 75-83.

(編輯 趙麗瑩)

Geometrical characteristic of concrete shrinkage crack and its effect on chloride ion permeability

ZHU Hongguang1, YI Cheng1, SUN Fuyan2, XIE Yonglan1, ZHOU Jiajie1, WU Kaibo1, LIU Hong1

(1.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;2.Huaneng Coal Industry Co., Ltd., Beijing 100070, China)

To accurately describe the geometrical characteristic of shrinkage crack and determine the influence on chloride ion permeability in concrete, by taking samples of shrinkage cracking concrete slab and observing the morphology, the characteristics of shrinkage cracks was statistically analyzed, and the effect law of cracks on chloride ion permeability, tested with ASTM method, was studied. The experimental result shows that the depth and width of shrinkage cracks in concrete are obviously related, which the depth-to-width ratio is 44.31, and the crack tip angle is 2.6 by average. Based on the comparative analysis of the relationship between width parameters e.g. maximum width, minimum width, average width, specific surface area etc. and 6 h electric flux, the maximum width is a suitable parameter for describing the effect of shrinkage crack on permeability of concrete. The permeability coefficient of cracked concrete has a positive linear relation with cracks’ maximum width, and the impact of cracks on the permeability coefficient can be neglected when the width is less than 0.18 mm. The width changes of shrinkage cracks significantly affect the impermeability of the concrete, in practical project the allowed maximum width should be determined in accordance with the thickness of concrete cover.

shrinkage crack; depth-to-width ratio; chloride ion permeability; crack tip angle; crack width

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.020

2015-08-31

國家自然科學基金(51578539);北京市自然科學基金(8164061)

朱紅光(1984—)，男，博士(后)，講師； 易 成(1962—)，男，教授，博士生導師

易 成，uu_gr@qq.com

TU528.0

A

0367-6234(2016)12-0142-06