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，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。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的裂縫同實際狀態裂縫相比，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

根據表2 中的試驗數據可知，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

根據表2中的試驗數據可知，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的裂縫存在的問題，提出了一種微創制備裂縫的新方法，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，然而在現實環境及實際工程中，絕大多數混凝土結構還常常伴有其他環境作用影響，比如碳化作用、凍融循環、硫酸鹽侵蝕等，后續將對以上因素的耦合作用進行進一步研究分析。