裂縫對混凝土Cl-擴散性能影響試驗研究

張 凱

天津大學仁愛學院

1 引言

正常使用狀態(tài)下的混凝土結構普遍會存在一定寬度和深度的裂縫，因此按照均質材料會高估混凝土結構的使用壽命[1]，而同時Cl-的擴散作用會造成鋼筋產生一定的銹蝕，從而導致混凝土結構耐久性的下降[2]。因此，通過研究分析Cl-在混凝土內的實際擴散過程，能夠為混凝土結構耐久性評估提供相應的理論支撐。

Yuyasakai[3]通過實驗測定了膠凝材料的孔隙結構狀態(tài)，給出了Cl-與孔隙結構間的相對應關系，同時修正了相關系數(shù)。Kwon等[4]以裂縫寬度為研究對象，推導出了開裂混凝土中Cl-擴散系數(shù)的均值，對于實際工程具有較強的指導作用。Bjorn[5]則著重分析了垂直于裂縫方向上的Cl-擴散情況，并給出了相應的計算方法。然而，在進行相關試驗時，為定量分析裂縫對混凝土Cl-擴散性能的影響，制備帶裂縫工作的混凝土試件是需要解決的首要問題。通過總結相關文獻，目前國內外學者常采用開裂法產生裂縫，可以歸納為以下四種，即劈裂法[6]、楔入劈拉法[7]、彎曲加載法[8]及膨脹核法[9]。通過應用開裂法制備出現(xiàn)的裂縫同實際狀態(tài)裂縫相比，雖然有相似的曲折度和連通性，但是這種方法并不利于精確控制所出現(xiàn)裂縫的形成和擴展，對于開展定量研究工作存在一定的難度。另外通過這種方法，對于隨同主裂縫發(fā)展過程中而產生的各種微裂縫和內部損傷亦難以避免。鑒于以上原因，提出一種微創(chuàng)制備裂縫的方法來進行定量試驗研究，以分析裂縫寬度與裂縫深度對混凝土Cl-擴散性能的影響。

2 裂縫產生方法及試件制備

為產生不同寬深的裂縫，定制不同尺寸的高強度不銹鋼鋼片，繼而在Φ100mm×50mm的混凝土圓柱體上產生相應裂縫，裂縫寬度分別為0.1mm、0.15mm、0.2mm 及0.25mm，裂縫深度分別為3mm、7mm、11mm 及15mm。利用鑄鐵模具，小心把鋼片精準嵌固于能夠方便拆卸的試驗模具中央，在模具逐漸夾緊的同時，鋼片亦隨之被牢固定位，待實驗所采用的試件達到齡期后將鋼片拔出，繼而利用切割機分別切出不同裂縫深度的試件，制備完成的試件見圖1。

圖1 試驗試件

3 試驗過程

試驗材料選用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，混凝土配合比見表1，28d 抗壓強度均值為49.0MPa。依照規(guī)范[10]進行試驗，試驗過程見圖2。

表1 C40混凝土配合比/（kg/m3）

圖2 試驗過程

試件電通量通過下式計算得出：

式中：

Q——為通過試件的總電通量（C）；

I0——初始電流（A）；

It——為在t時刻的電流（A）。

計算結果見表2。

表2 電通量計算結果

4 試驗結果分析

4.1 裂縫寬度與Cl-電通量的關系

根據(jù)表2 中的試驗數(shù)據(jù)可知，縫寬在0.1-0.2mm 范圍內時，伴隨著縫寬的不斷增加，Cl-擴散性能亦逐步增強。但當縫寬超過0.2mm 時，Cl-電通量增長并不明顯，可見縫寬對Cl-電通量的影響閾值為0.2mm，分析原因是當縫寬大于0.2mm 時，裂縫橫向空間相對于Cl-而言已經足夠寬闊，此時影響Cl-擴散性能的關鍵因素是縱向，也即沿縫深方向的阻礙作用。同時推測當縫寬超過一定范圍時，裂縫深度對于Cl-擴散性能影響的重要程度要大于裂縫寬度，下文將對該推測進行驗證。

4.2 裂縫深度與Cl-電通量的關系

根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù)可知，與裂縫寬度不同的是，裂縫深度對Cl-電通量的影響并未出現(xiàn)明顯的閾值，其影響曲線呈明顯上升趨勢，分析原因是伴隨著縫深的不斷增加為Cl-的通過提供了縱向更為便捷的通道，減少了Cl-通過時縱向的阻礙作用，據(jù)此推斷，當裂縫更深時，Cl-的擴散性能也會進一步增強。

4.3 影響評價分析

選用SPSS軟件進行主體間效應檢驗，置信度為95%，分析結果可知，縫寬與縫深的Sig.值均處于0.01～0.05范圍內，由此說明縫寬、縫深對Cl-電通量的影響均是顯著的。采用SPSS軟件中的線性回歸功能，分析縫寬、縫深二者對Cl-擴散性能重要性影響情況，裂縫深度影響系數(shù)達到了0.59，而裂縫寬度為0.41，證明裂縫深度對于Cl-擴散性能影響的重要性要大于裂縫寬度，裂縫深度是影響Cl-擴散性能的主要因素，從而驗證了上文的試驗結果和分析。

5 結束語

針對國內外應用開裂法制備出現(xiàn)的裂縫存在的問題，提出了一種微創(chuàng)制備裂縫的新方法，利用這種方法可以使裂縫寬、深均可控。通過改變試驗模具的尺寸、形狀及鋼片的寬度、厚度，可以實現(xiàn)不同試驗研究中不同寬、深的裂縫制備，以便于進行定量分析。試驗過程中，縫寬對Cl-擴散性能的影響閾值為0.2mm，而縫深對Cl-擴散性能的影響并未出現(xiàn)明顯閾值，其影響曲線呈明顯上升趨勢。利用SPSS軟件分析表明，縫寬與縫深對Cl-擴散性能的影響均是顯著的，縫深對于Cl-擴散性能影響的重要性系數(shù)達到了0.59，而縫寬為0.41，從而證明了縫深是影響Cl-擴散性能的主要因素，研究成果為混凝土結構耐久性評估提供了相應的理論支撐。

但是，由于試驗條件及時間的限制，試驗過程只考慮了Cl-單一因素對混凝土結構的影響，然而在現(xiàn)實環(huán)境及實際工程中，絕大多數(shù)混凝土結構還常常伴有其他環(huán)境作用影響，比如碳化作用、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕等，后續(xù)將對以上因素的耦合作用進行進一步研究分析。