混凝土劈拉開裂和裂縫自愈合機理探究

黃兵

摘 要：本文通過試驗方式對混凝土結構試件在劈拉作用下的開裂變化過程以及混凝土裂縫的形態進行研究，以實現混凝土劈拉應力與裂縫張開形成的位移變化規律，為有關工程實踐及研究提供參考。

關鍵詞：混凝土;劈拉開裂;裂縫;自愈合;機理

混凝土工程施工中，由于不同荷載作用以及環境變化因素的影響，容易引起混凝土裂縫產生，從而對混凝土結構及整個工程的安全性造成影響，是有關工程施工與管理中研究和關注的重要內容之一。此外，有研究顯示，混凝土裂縫存在一定的自愈合機理，并且混凝土裂縫的自愈合機理能有效減緩環境中的有害物質入侵對混凝土結構的破壞影響，從而促進混凝土結構及其工程的使用壽命方面具有十分積極的作用和意義。為此，下文將通過試驗分析，對混凝土構件的劈拉作用下開裂變化過程及裂縫形態等進行研究，以明確混凝土劈拉開裂與裂縫自愈合的作用機理。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料與試件制作

本次混凝土劈拉開裂與裂縫自愈合試驗分析中所應用的混凝土試件原材料主要包括水泥/粗骨料/細骨料/減水劑以及水等。其中，進行混凝土配制的水泥為P？O42.5R的普通硅酸鹽水泥，該水泥材料的氧化鎂與三氧化硫含量分別為2.83%和2.59%，水泥的使用量為420kg/m3;混凝土配制使用的粗骨料為粒徑在5至10mm之間的花崗巖碎石，其用量為1250kg/m3;細骨料為粒徑為0至5mm的中砂，其堆積密度為1450kg/m3，細度模數設計為2.55;減水劑采用聚羧酸鹽類高效減水劑。

此外，根據上述混凝土配制原材料及其配合比設計，在進行混凝土試件配制中，以直徑100mm×高度50mm尺寸大小的鋼制試模為工具，完成混凝土試件澆筑操作24h后再進行模板拆除，并將制備完成的混凝土試件（圓盤試件）與試驗分析中所準備的標準試件（規范立方體）根據混凝土養護的有關條件和技術標準進行養護28d，確保標準試件養護完成后的抗壓強度等級達到C50以上，同時對試驗試件的上下面厚度控制為45mm，誤差范圍為±1mm。在進行混凝土試件制備過程中，還需要確保制備后的混凝土試件表面浮漿去除徹底，且兩表面平整/并保持平行，以避免對試驗分析產生影響。

1.2試驗方法

對上述混凝土試件進行劈拉加載試驗分析中，以MTS Landmark電液伺服試驗機為試驗操作平臺，通過位移控制與力控制進行試驗過程中的加載與卸載操作管理，對加載速率分別為0.012以及0.024/0.05/0.1/0.2/0.3mm/min時的劈拉加載試驗情況進行分析，從加載時間以及加載試驗中的混凝土試件裂縫口張開位移變化等因素層面，對其加載速率進行確定，最終選取0.2mm/min的加載速率為試驗參數。此外，試驗過程中，對試驗試件的兩側需分別進行LVDT安裝，以對其試驗過程中的裂縫張開位移情況進行準確測量和分析，其結果以兩個裝置測量的平均值為準。

在對混凝土試件劈拉加載試驗中的裂縫測量分析中，主要應用設備為Supereyes數碼顯微鏡，測量過程中為避免誤差影響，需要對試驗試件從加載軸方向進行表面等分設置，并選取對應的測量點，取各測點裂縫的平均值以及兩表面主裂縫寬度平均值作為最終結果。此外，對試驗混凝土試件的內部孔隙率與孔隙連通性分析，則需要通過滲透試驗進行，本文實驗中是通過氮氣滲透試驗來進行混凝土裂縫自愈合作用機理研究，其具體操作步驟為：首先，將試驗試件置于50℃的溫度環境中進行烘干處理12h后，再將處理后的試件進行冷卻至室溫狀態，其中，烘干處理的溫度需根據自愈合產物分解溫度進行合理確定，并且對試件進行烘干處理后其裂縫表面能夠滿足相應的干燥狀態要求;其次，需要將試驗試件置入試件盒中，然后將螺栓對稱擰緊，以確保試驗分析中的氣密性;最后，將氣壓降低至特定壓值后，使氣體從試件的下表面進入，并從試件上表面流出，對試驗裝置與試件的接觸部位在試驗過程中需要噴灑肥皂水，以對試驗裝置的氣密性進行檢測，確保其試驗操作的有效性。根據上述操作步驟進行試驗操作后，結合流量計測量計取的氣體流量，通過有關計算公式即可對混凝土的氣體滲透系數進行計算獲取。

本文進行混凝土劈拉開裂與裂縫自愈合機理試驗分析中，對混凝土自愈合機理的試驗環境，分別以海水與淡水/標準養護室環境為條件，對不同愈合環境下的試件裂縫自愈合變化規律進行分析，以對其裂縫自愈合機理進行探析。

2實驗結果分析

2.1混凝土試件劈拉裂縫形態與裂口張開位移變化分析

根據上述試驗分析方法，首先，在對混凝土試件的劈拉加載裂縫形態試驗分析中顯示，混凝土試件在劈拉加載作用下的裂縫具有一定的連通性與粗糙性/曲折性特點，其試驗分析中的裂縫形態變化對混凝土劈裂的真實裂縫形態具有較好的體現。其中，混凝土試件劈拉加載試驗中，由于其試件中部所承載的拉應力表現最為顯著，并且其作用分布較為均勻，因此，混凝土裂縫形成過程中多會從試驗混凝土試件的中部先發生開裂變化，并根據劈拉加載的應力變化沿垂直方向向上下各邊緣部分進行不斷擴展，最終在形成混凝土試件的表面主裂縫后，根據劈拉荷載變化，繼續產生各種分支與細小的附屬裂縫。此外，混凝土試件劈拉開裂過程中的裂縫形成與擴展速度，和混凝土試件的強度之間也存在較為密切的聯系，一般情況下，混凝土劈拉加載試驗初期由于試件內部積累的劈拉應力作用與混凝土裂縫開裂所需的作用相比較小，因此，其開裂變化主要表現為混凝土損傷，對混凝土試件的滲透性影響基本較小，在混凝土劈拉加載的內應力作用超出混凝土裂縫所需作用時，則會導致混凝土開裂形成，并且混凝土試件的脆性與裂縫擴展速度具有一定的一致性。

此外，根據上述試驗方法對混凝土試件的劈拉加載應力與混凝土裂縫張開位移變化規律進行分析顯示，混凝土試件的劈拉加載最大位移與卸載位移之間具有相應的數量關系，并且能夠根據這一關系實現混凝土試件的劈拉卸載時間準確控制，從而對不同卸載位移的混凝土劈拉應力與混凝土裂縫張開位移變化關系進行明確，即混凝土試件劈拉開裂試驗中，在混凝土裂縫達到預定寬度時進行卸載，其卸載位移變化呈直線狀態，這一變化規律與卸載定律相符合，而在應力不斷增加至峰值應力前，其位移變化將不呈直線狀態，并且在該階段進行卸載的位移基本能夠得到恢復。

2.2混凝土試件裂縫自愈合機理分析

在對混凝土試件裂縫自愈合機理試驗分析中，通過開展卸載條件下的混凝土裂縫自愈合試驗，并對開裂混凝土愈合前后的力學性能進行計算對比，結果顯示混凝土劈拉強度恢復與自愈合之間的關系不夠明顯，由此可見，混凝土劈拉自愈合產物與混凝土基體的黏結強度關系較小，而混凝土裂縫自愈合前后的初始加載剛度和卸載剛度變化較大，表明混凝土裂縫自愈合對試件剛度恢復具有一定積極作用，但是其恢復值和初始剛度相比較小。

3結束語

總之，對混凝土劈拉開裂和裂縫自愈合機理研究，有利于促進對混凝土劈拉應力下的開裂變化及其裂縫形成進行準確掌握，同時促進對混凝土裂縫自愈合作用機理的理解，為混凝土結構設計及裂縫控制提供參考。

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