裂縫對混凝土中水分傳輸影響研究進展

王立成，穆林鈞，鄒 凱

（大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024）

1 研究背景

實際工程中混凝土結構往往承受干燥收縮、熱應力、鋼筋銹蝕、溫濕度變化及施工不良、靜/動荷載作用等多種不利外界因素的影響，導致混凝土存在不同程度的損傷，這些損傷主要體現在混凝土內部產生的裂縫或微裂縫［1-4］。裂縫的存在不僅直接降低混凝土結構的力學性能，而且不同程度上造成混凝土內部孔隙結構的相互連通，加快水分和侵蝕性介質（如硫酸根離子、氯離子等）的傳輸速度［5-7］，進而導致混凝土結構的劣化損傷以及內部鋼筋的銹蝕。近年來，國內外學者針對開裂混凝土的水分傳輸問題開展了大量的研究，其出發點可歸結于以下兩點［8-9］：（1）水的存在是混凝土大多數劣化反應（化學、物理）的先決條件；（2）水是有害物質（氯離子等）侵入混凝土內部的傳輸載體。混凝土結構的服役壽命在“裂縫→吸水性增加→性能降低”的周期循環和“劣化-開裂-透水性增強-進一步劣化”的連鎖反應下不斷降低［9］。因此，準確地分析裂縫對混凝土中水分傳輸規律的影響是開展復雜環境條件下混凝土結構耐久性分析和使用壽命評估的重要前提條件。

混凝土中水分傳輸包括滲透、毛細吸水、蒸發等多種機制，水分在混凝土內部主要通過氣相和液相兩種形式進行傳輸，而不同尺度的微觀結構和含水量導致水分在混凝土內部可能發生一種或者多種機制的傳輸。裂縫形態參數（包括裂縫寬度、密度、長度、粗糙度和迂曲度等）是影響混凝土裂縫中水分傳輸速度的重要因素［10-11］。由于裂縫誘導產生方式、養護條件以及水傳輸測試方法等存在較大差異，獲得的混凝土水分傳輸系數和裂縫寬度閾值（Threshold crack width）等結論尚不統一，甚至存在較多相互矛盾之處。本文在對國內外相關文獻分析的基礎上，系統評述液態水在開裂混凝土中以滲透和毛細吸水為主要傳輸形式的研究進展，討論裂縫寬度、粗糙度、迂曲度和連通性、裂縫密度和裂縫自愈合等對裂縫或開裂混凝土中水分傳輸的影響規律，分析目前研究中存在的問題，并對未來的研究方向給出建議。

2 混凝土裂縫觀測方法

為了確保混凝土結構服役期間的安全性，裂縫觀測是結構維護中不可缺少的手段。目前研究者常采用掃描電子顯微鏡法、X 射線斷層掃描成像法（CT）、數字圖像處理技術等對裂縫形貌進行觀測，這些方法主要是從試件或材料表面辨識裂縫形貌，進而量化表征裂縫形態參數（包括裂縫寬度、長度、密度等）并建立其與混凝土滲透性的關系［12］。現代化的觀測技術避免了試驗測試過程中對混凝土裂縫的二次破壞，混凝土裂縫觀測的主要方法可歸納為以下4種。

2.1 染色侵入法（Dye-impregnation method）為獲得清晰的混凝土裂縫幾何形態，在觀測時可采用染料浸漬處理混凝土裂縫表面。例如：Bisschop 等［13］采用熒光環氧樹脂浸漬裂縫并通過熒光顯微鏡觀測混凝土的裂縫形態。Zhou 等［14］采用極細碳黑染料（約0.5 nm）浸漬混凝土裂縫表面，并利用數字光學顯微鏡觀察裂縫的幾何形狀。Berrocala 等［15］開展了鋼筋混凝土梁（RC）和纖維增強混凝土梁（R/FRC）彎曲裂縫的試驗，在裂縫中浸漬染色的環氧樹脂之后，完成圖像處理和分析，進而研究混凝土內部裂縫的形態。Li 等［16］在混凝土加熱后將環氧樹脂浸漬進入其裂縫中并在室溫下硬化，采用碳化硅紙拋光試件表面和背散射電子圖像分析技術（Backscattered electron image analysis），通過場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察超高性能混凝土的裂縫，并通過圖像分析進行了表征。染色侵入法的缺點主要是需要在試件表面進行切割、打磨、拋光等操作，表面處理時易造成試件內部的損傷，引入新的裂縫并對水分傳輸結果產生干擾。

2.2 掃描電子顯微鏡法（SEM）掃描電子顯微鏡（SEM）是觀察微觀結構變化的有力工具，可以動態觀察原始試件裂縫的產生以及擴展過程［13］，且可忽略三維顯微圖像和高放大倍率等的影響，測試分辨率比較高。缺點在于試件的制備過程比較繁瑣，顯微鏡掃描區域過小。

2.3 X 射線斷層掃描成像法（X-ray CT）X 射線計算機斷層掃描法（X-ray CT）是一種有效的無損檢測方法，可真實評估完整的三維裂縫幾何形態，從而確定裂縫在何處以及如何開始、擴展和合并。Landis 等［17-18］采用X-ray CT 研究了砂漿試件的開裂過程。Fan 等［19］和Isaka 等［20］通過X-ray CT 和三維（3D）圖像重建方法分析了花崗巖的微觀孔隙網絡變化規律。Wang 等［21］利用X-ray CT 探索了軸向壓縮下頁巖的裂縫演變過程。目前斷層掃描成像法的觀測范圍受到設備分辨率的影響，試件尺寸越大，觀測精度就會降低。

2.4 數字圖像處理技術與傳統的手動觀測方法相比，圖像處理技術可提供精確的裂縫幾何形態或相關參數結果。裂縫觀測的處理難度往往取決于圖像的尺寸，提高分辨率可獲取混凝土裂縫表面的詳細圖像。Yang等［22］提出了圖像分析方法用于捕捉裂縫，該方法可在肉眼看不到裂縫之前檢測出混凝土的表面裂縫。Rimkus 等［23］利用開發的數字圖像處理算法獲得對應于裂縫的像素坐標，該算法的主要貢獻是實現了裂縫檢測的自動化，可以消除傳統試驗的主觀判斷誤差。Talab等［24］提出了圖像處理的二值化方法（OTSU），利用光學熒光顯微鏡檢測圖像中的裂縫。Kim 等［25］基于計算機視覺方法，采用OTSU自動從圖像中提取裂縫形態信息。Valen?a等［26］綜合了圖像處理和地面激光掃描（TLS）技術（簡稱MCrack-TLS），用于評估混凝土橋梁中的裂縫。Mohan 等［27］評述了與裂縫觀測相關的50 篇文獻，總結出圖像處理技術自動識別混凝土裂縫形態參數的多種方法。Bayar等［28］根據數字圖像處理技術（DIP）和Voronoi 圖，利用機器學習算法（MLA）測量、監視混凝土裂縫的寬度、長度、深度和幾何形狀。這種新穎的現代化技術對裂縫觀測具有精確、快速、價格低廉的優點，是一種無損觀測方法。

3 開裂混凝土水分傳輸試驗研究

混凝土的耐久性與材料孔隙中的水分傳輸密切相關。裂縫的存在不僅能促使水分流動的路徑相互連通，并且裂縫擴展導致混凝土滲透性不斷提高，使得更多水及侵蝕性離子侵入混凝土內部而加速其劣化。混凝土裂縫中的水分傳輸與多種因素有關，其中裂縫形態（如裂縫寬度、密度、粗糙度等）被認為是影響開裂混凝土中水分傳輸的主要因素。因此，對裂縫形態參數及其對水分傳輸規律的影響進行定量分析可為研究開裂混凝土結構在服役條件下的耐久性評估提供理論支撐。

3.1 裂縫粗糙度粗糙裂縫表面會導致按裂縫寬度計算得出的裂縫面積與水通過的真實面積存在差異。實際混凝土的裂縫表面往往呈現凹凸不平的形貌，給水的流動帶來較大摩擦，進而阻礙水分傳輸。然而部分學者卻得出了相反的試驗結果。比如，Akhavan等［29］采用劈裂拉伸方法產生裂縫，并利用Darcian flow-thru cell 測試了普通砂漿和摻纖維砂漿圓盤試件的水分傳輸系數，發現兩者之間并不存在顯著差異。另外，Akhavan 等［30］采用有機玻璃制備了寬度為10～220 μm 的裂縫近似模擬開裂的混凝土，采用恒定水頭滲透試驗測量混凝土的滲透率，光滑裂縫表面試件（絕對粗糙度為1.70 μm）與粗糙裂縫表面試件（絕對粗糙度為0.34 μm）測試的水分滲透率相差不超過5.6%。

Li 等［31］通過三點彎曲法將砂漿圓盤試件劈裂，對開裂試件開展了水分滲透試驗，利用激光輪廓儀掃描試件斷裂面的形貌，并通過3D 分形維數定量分析裂縫表面的粗糙度。試驗結果表明，水主要在裂縫重新閉合后的殘余裂縫開口中滲透，由于裂縫表面的溝道效應優于表面摩擦效應，導致較粗糙的表面具有較大的（初始）水流量，比如相同水灰比（w/c=0.6）時摻558 kg/m3碎石的初始水流量比未摻碎石時提高了83%，且相對于水灰比0.4時提高了約7.7倍。

3.2 裂縫迂曲度和連通性裂縫的迂曲延長了水分傳輸路徑，降低了開裂混凝土的水分傳輸速度。Ahmad 等［32］的試驗數據表明，當裂縫的迂曲度（定義為等效直裂縫長度和彎曲裂縫長度之比的平方）小于150時，混凝土的水分滲透系數隨迂曲度的增大而減小，但當裂縫的迂曲度超過150時，減小的幅度很小，混凝土可視為具有低滲透性，比如迂曲度τ=149、200、245、275 時，水分滲透系數分別為5.2×10-12、4.8×10-12、4.5×10-12、4.1×10-12m/s。Bear［33］發現開裂混凝土的滲透系數與裂縫迂曲度的二次方成反比。Darma 等［34］借助X-ray CT 在原位擴散測試中利用碳酸銫（Cs2CO3）作為示蹤劑，研究了開裂混凝土中溶質的傳輸過程，根據裂縫中示蹤粒子的分布給出了溶質的擴散系數。由于擴散過程中溶液不能傳輸進入所有的裂縫，故引入裂縫氣泡參量ξ，建立的擴散系數計算公式為：

式中：D0為溶液中離子的自由擴散系數，m2/s；τ為裂縫的迂曲度；δ為裂縫的連通性。

3.3 裂縫寬度裂縫寬度是影響開裂混凝土水分傳輸的主要因素，目前的研究主要集中于建立混凝土滲透性的裂縫寬度閾值以及其與水分傳輸系數之間的定量關系。Akhavan等［29-30］考慮混凝土裂縫的迂曲度和粗糙度，建立了水分傳輸系數與裂縫寬度之間的關系式如下：

式中：weff為有效裂縫寬度，μm；Rr為裂縫表面的相對粗糙度，，Ra為絕對粗糙度，定義為試件表面凸起的平均高度，μm。

Li 等［35］對裂縫寬度為80～260 μm 的開裂混凝土試件開展了恒定水頭滲透試驗（水壓0.1 MPa），測量了試件的水分傳輸系數，并基于式（2）將Rr替換為新的參數Rs（即相對粗糙度，定義為裂縫表面的實際面積與投影面積之比），結果發現試驗值與預測值的相關系數R2均大于0.8，因此采用修正后的表達式來預測開裂混凝土的水分傳輸系數：

Aldea等［36］應用反饋-控制劈裂加載試驗在混凝土中引入寬度w=50～400 μm不等的裂縫，研究了開裂混凝土在300 mm 水頭水壓下的滲透性。研究發現，對于普通混凝土，當w=200 μm 時，開裂混凝土的水分滲透系數（約為6.17×10-9cm/s）比未開裂混凝土（約為3.66×10-8cm/s）增加了6 倍，而當w>200 μm 時，水分滲透系數迅速增加，w=350 μm 時的水分傳輸系數達到1.0×10-5cm/s，此外還發現水分傳輸系數與裂縫寬度的三次方成正比，這與Van Mullem 等［37］得出的結論類似。Picandet等［9］采用同樣的方法開展了混凝土氣、水滲透性試驗，基于開裂巖石的平行板理論模型建立了混凝土的水分傳輸系數與裂縫寬度之間的關系，其表達式為：

式中：λ為裂縫粗糙折減系數；w為裂縫寬度，μm；Δ為裂縫密度，μm/μm2。

先進的成像技術為可視化研究水泥基材料中裂縫寬度對水分傳輸影響提供了條件。張苑竹等［38］利用紅外熱像儀可視化實時追蹤水分在開裂混凝土中的運動過程（裂縫寬度w=300、500、1000 μm），并基于Richards 方程及立方定律提出了外水壓力作用下（0.1～0.6 MPa）非飽和開裂混凝土的水分傳輸方程。結果表明，在相同裂縫寬度下，混凝土的縱向裂縫滲透性比橫向裂縫滲透性高，且裂縫寬度與水分傳輸系數呈正相關。另外，Yang 等［39-40］采用X-ray CT 對具有不同裂縫寬度的不飽和砂漿水分傳輸過程進行了可視化實時監測，發現開裂砂漿中水分為二維傳輸，且裂縫寬度越大，毛細吸水高度越低；裂縫寬度從0 增加到100 μm 時，開裂砂槳的吸水速率呈線性增加；當w>100 μm 時，吸水速率逐漸下降，但減小的速度相對慢；w=100 μm 時，吸水速率達到最大，為2.7×10-2mm/s。

部分學者［30-32，36，41-42］在試驗和理論分析的基礎上，獲得了裂縫寬度閾值（下限值w1，上限值w2）及其對水分傳輸的影響規律，發現水分傳輸系數與混凝土本身的材料組成無關，僅與裂縫寬度和外界環境條件有關。本文收集了部分試驗結果匯總在表1中，主要結論總結如下：（1）ww2時，由于裂縫壁及CaCO3沉淀等的阻滯效應很小，水分很快貫穿裂縫，裂縫中水分與基體混凝土的接觸面積增大，此時可忽略水分沿裂縫方向的傳輸，只考慮沿垂直裂縫面的滲透，開裂混凝土吸水量穩步增加并最終趨于穩定。

以上研究有助于認識混凝土裂縫寬度對水分傳輸的影響規律，但不同文獻中的試驗數據具有很大的離散性，主要體現在兩方面：（1）試驗中獲得的水分滲透系數（K）的量級存在較大差異，例如當裂縫寬度w=100 μm 時，Aldea 等［36］和Liu 等［45］獲得的K值分別約為1.58×10-8m/s 和2.73×10-8m/s，而Park 等［46］的結果K值卻僅為5.57×10-11m/s；（2）裂縫寬度閾值不同。由于混凝土組成成分、裂縫誘導產生方式、養護條件以及水傳輸測試方法等的不同，大量學者在試驗中得出的或在計算中采用的w1和w2值具有較大的離散性，如表1所示。

3.4 裂縫密度實際工程結構中，混凝土內部存在多條裂縫。目前關于裂縫密度對混凝土水分傳輸規律影響的研究報道較少。Torrijos 等［48］對暴露于低濕度（干燥室）或高溫條件及受堿-硅反應（ASR）影響的混凝土開展了水滲透試驗，得出混凝土滲透性隨裂縫密度的增大而逐漸增加的結論，當裂縫密度為0.43 cm/cm2時，水分滲透系數達到1.2×10-9m/s。

Ebigbo 等［49］研究發現，多條裂縫的存在能夠增大混凝土的吸水量。由于裂縫網絡的交織，水分潤濕鋒可貫穿整個試件，并通過水泥基體較容易地在未連接的裂縫之間建立“橋梁”。另外，Van Bel?leghem 等［50］對帶有單條或多條人工裂縫的砂漿試件開展了吸水試驗，并利用X 射線掃描獲得了水分分布圖；研究發現，在初始時刻，水分在單條裂縫中傳輸直至裂縫被水完全充滿，隨著時間的推延，水分侵入前鋒逐漸向前延伸，但由于相鄰裂縫之間水分滲透區開始重疊，在存在4條裂縫時，單位面積砂漿的總吸水量比在單條裂縫情況下小。

3.5 裂縫自愈合膠凝材料的自愈合，是一個復雜的物理和化學過程。在一定裂縫寬度和理想養護條件下，裂縫在較長時間內的自愈合會降低水和侵蝕性離子進入混凝土內部的速度。據報道［7，51-52］，開裂混凝土的內在自愈合包含三個主要機理：物理、化學和力學過程，見圖1。

圖1 水泥基材料內部自愈合可能存在的機理［7，51，52］

3.5.1 混凝土基體自愈合能力 混凝土基體本身的自愈合取決于開裂混凝土內部修復化合物的含量和修復能力，例如混凝土基質中的游離鈣離子和未水化水泥顆粒。當裂縫出現后，水泥漿體顆粒釋放出來，水泥水化產物通過接觸自然環境的水和二氧化碳反應生成碳酸鈣、C-S-H凝膠等填充裂縫。

現有研究表明［7，53-55］，混凝土的裂縫寬度越小，較高溫度和堿性環境能促進裂縫的自愈合。Rein?hardt等［53］利用自主研發的裝置開展了開裂高性能混凝土在不同溫度下的自愈合試驗（溫度范圍為20～80°C，裂縫寬度范圍為50～200 μm），發現裂縫寬度越小自愈合速率越快，較高的溫度有利于裂縫的自愈合。例如在溫度T= 20°C 時，25 h 后裂縫寬度w=50 μm 試件的水流量僅為初始流量的45%，而w=150 μm 試件的水流量為初始流量的75%。Jiang 等［54］研究發現，早期出現的裂縫在靜水中的愈合效果優于流動水中，高pH 和溫度T>25°C 會加速裂縫的自愈合。Roig-Flores 等［55］發現，30°C 水中的混凝土比在15°C 時具有更好的自愈合能力。王立成等［7］研究發現海水養護環境中的裂縫自愈合效果優于淡水養護，主要與離子的種類、數量等有關。

關于能夠實現混凝土基體本身自愈合的最大裂縫寬度，由于試驗方法的不同，不同學者在試驗中觀察到的結果存在很大差異，文獻中給出的自愈合最大裂縫寬度有5～10 μm［56］、100 μm［57］、200 μm［58］、205 μm［59］和300 μm［60］。Edvardsen研究證實［61］，處于100～200 μm 寬度范圍內的混凝土裂縫中的水，在14 d 后不再流動，而w=300 μm 時混凝土裂縫中的水流速與初始流速相比減少80%。另外，Maes等［62］的結果發現，在模擬海洋環境中養護的砂漿試件能夠依靠自身愈合最大裂縫寬度為100 μm。

3.5.2 摻入含自修復化合物的混凝土裂縫自愈合 在混凝土中摻入含自修復化合物的膠囊或者礦物質能夠促進裂縫的愈合速度和愈合效果。混凝土開裂時，膠囊破碎，自修復化合物在裂縫位置處釋放，立即有效地對裂縫進行修復。雖然該方法在修復效率上具有明顯優勢，但隨著裂縫的發展和擴大，所需的自修復膠囊數量也會迅速增加，導致成本增加［63］。很多學者［54，64-72］考慮在混凝土中添加礦物質以提高裂縫自愈合的速率。例如，Suleiman 等［64］通過定量分析發現，添加石灰石微填料、普通硅酸鹽水泥、膨潤土和偏高嶺土的混凝土裂縫愈合率分別為32.26%、27.27%、25.6%和24.1%。而Qureshi等［65-66］研究了膨脹礦物（氧化鎂、膨潤土和生石灰）對硅酸鹽水泥基（PC）材料早期自愈合能力的影響。結果表明，膨脹礦物的水化產物有效促進了愈合產物（CaCO3等）的形成，在28 d內修復了寬度為180 μm范圍內的裂縫，降低了混凝土的滲透性。Chindasiriphan等［67］研究表明，裂縫寬度隨粉煤灰替代率的增加而減小，裂縫中水分傳輸速度隨高吸水性聚合物（SAP）含量的增大而降低，粉煤灰和SAP的耦合作用在28 d內實現了100%的裂縫自愈合。

多個研究團隊的試驗結果表明［68-69］，在一定礦渣含量和堿性環境條件中，存在一個可完全愈合的最大裂縫寬度，裂縫寬度超過最大值后只能部分愈合或不愈合，部分試驗結果如圖2所示。

圖2 含礦渣ECC能實現自愈合的裂縫寬度與爐渣取代率之間的關系

表2總結了關于添加的礦物質種類、摻量對改善混凝土自愈合的效果。從表2可以看出，裂縫自愈合的效果與添加的礦物類型密切相關，不同研究人員采用的常見礦物主要包括硫鋁酸鈣、石灰石粉、膨潤土、粉煤灰（FA）、硅灰（SF）和高爐礦渣（BFS）等。

表2 礦物質改善混凝土自愈合效果

4 開裂混凝土水分傳輸數值模擬

由于不同裂縫形態參數之間存在內在關系，試驗研究往往很難針對單一因素討論其對水分傳輸的影響。隨著有限元技術的發展，以及COMSOL、ABAQUS等商業軟件的應用，國內外學者在試驗研究的基礎上建立了開裂混凝土水分傳輸過程分析的數值模擬方法，目前主要采用的數值模型包括3D有限元模型、細觀格構網絡模型、兩相吸水模型等。數值模擬可從宏觀/細觀角度有針對性地研究裂縫幾何形態對開裂混凝土中水分傳輸規律的影響。

宏觀上，混凝土可視為連續均勻介質。Huang等［77］將開裂后的砂漿視為兩相吸水模型（裂縫和水泥砂漿），考慮裂縫和砂漿中水的質量平衡，采用數值方法模擬了含單條裂縫砂漿試件的吸水和潤濕過程。結果表明，開裂砂漿與水接觸時，裂縫中立即充滿水，水分在裂縫中呈二維傳輸并繼續滲透到砂漿內部。Luan 等［78］基于多孔介質傳輸理論和質量守恒定律建立了帶裂縫ECC（Enginneered Ce?mentitious Composite）兩相吸水模型，分析了裂縫密度對混凝土水分傳輸的影響，發現隨著裂縫空間體積的增大，水從裂縫進入ECC基體的速度大大加快，吸水量隨著裂縫密度的增加而增大。

Van Belleghem 等［79］結合達西方程和質量守恒定律考慮非飽和砂漿的毛細吸附作用以及水分的蒸發過程，并用有限元方法建立了數值模型并求解3D Richard 方程，得到的數值模擬結果見圖3所示。由圖3可知，在1 min 時，裂縫已被水完全充滿，在吸水后的40～50 min 之間，水分在兩條相鄰裂縫間的砂漿區域開始重疊。

圖3 水分分布［79］

Smyl等［80-81］建立了開裂砂漿和混凝土的雙滲透和經典等溫吸附模型，采用HYDRUS 3D有限元分析平臺進行數值求解。數值仿真結果表明，雙滲透模型很好地模擬后期階段的水分傳輸過程，而經典等溫吸附模型可更好地預測初始階段的水分傳輸規律。

劉兆麟［82］將曲折走向的裂縫等效簡化為光滑平直裂縫，建立了帶裂縫砂漿數值模型，利用COM?SOL 商業軟件模擬了不同裂縫寬度、長度、條數、方向的水分傳輸過程，并開展了再生混凝土的水分傳輸數值仿真模擬。

以上數值方法從宏觀尺度揭示了開裂混凝土的水分傳輸規律，但未能考慮混凝土微/細觀結構對水分傳輸的影響。實際上，混凝土是由粗、細骨料和水泥砂漿拌和而成的多相復合材料，由于干燥收縮、熱應力、鋼筋腐蝕等多種外界因素的影響，造成混凝土不同程度上的損傷，其內部存在大量的空隙和裂縫等缺陷。因此可從細觀角度出發，將開裂混凝土視為由骨料、水泥砂漿、界面過度區（ITZ）和裂縫組成的四相非均質材料，研究和揭示裂縫對混凝土中水分傳輸規律的影響機理。

王立成等［83-86］建立了開裂混凝土的細觀格構網絡模型（Mesoscale lattice network model），考慮裂縫表面粗糙度和迂曲度等因素，采用折減系數將裂縫寬度簡化為等效裂縫寬度，且裂縫具有獨立的水分傳輸系數，分析了水分在含單條等寬度裂縫混凝土中的傳輸規律。

Li 等［88-89］建立了具有不同裂縫幾何參數（裂縫密度、寬度、長度和粗糙度）的三維離散網絡數值模型，采用有限元方法模擬了混凝土中水分的傳輸過程。圖4顯示了水分滲透情況下，不同裂縫形態參數對數值結果的敏感性分析，可見對于開裂混凝土試件，裂縫密度和寬度的影響尤為顯著。

圖4 不同裂縫形態參數對水分滲透數值結果的敏感性分析［89］

以上研究工作從宏觀/細觀角度采用數值方法加深了人們關于裂縫對混凝土水分傳輸規律影響的認識。但混凝土內部真實裂縫往往具有三維空間復雜網絡結構，現有模型無法反映真實的裂縫形態，需進一步建立準確的數值模型分析裂縫幾何形態對水分傳輸規律的影響機理。

5 結語

水分傳輸是導致鋼筋混凝土結構使用壽命和承載力降低的重要原因，研究裂縫對混凝土中水分傳輸規律的影響對準確開展鋼筋混凝土結構的耐久性設計和使用壽命預測具有重要意義。本文從裂縫觀測方法、裂縫形態表征、裂縫自愈合及水分傳輸過程的數值模擬等方面綜述了近年來國內外文獻中關于開裂混凝土水分傳輸的研究進展。已有研究表明，裂縫形態對開裂混凝土水分傳輸產生不同程度的影響，混凝土水分傳輸系數與裂縫寬度的二次或三次方成正比；裂縫粗糙度的變化對水分傳輸速度影響很小，裂縫迂曲度的增大和裂縫自愈合會導致開裂混凝土水分傳輸系數的降低，增加裂縫密度能夠提高混凝土的吸水量。雖然目前對于開裂混凝土中水分傳輸的研究發表了很多研究成果，但除了與裂縫寬度建立了定量關系外，其他關于裂縫形態的表征參數以及裂縫自愈合對水分傳輸速度的影響尚未有明確的量化關系，特別是試驗與數值模擬中仍有很多亟需解決的問題，主要包括以下5 個方面：（1）開裂混凝土內部水分的一維傳輸理論已相對成熟，但關于水分的二維或三維傳輸理論及試驗研究卻鮮有報道。（2）由于裂縫的誘導產生方式和水傳輸測試的方法不同，不同試驗獲得的裂縫寬度閾值結果具有很大的離散性。實際工程中裂縫寬度往往與深度有關，這與試驗條件下誘導產生的等寬度裂縫有較大差異，如何將試驗結果應用到實際工程結構中是一個較大的難點。（3）混凝土內部真實裂縫往往是三維的復雜形態，而現有的多數水分傳輸研究中僅對平面的裂縫進行分析。目前關于裂縫對水分傳輸規律的影響已經進行了大量試驗研究和數值模擬，但在解釋裂縫加快水分傳輸方面的機理上仍存在局限性，包括不同裂縫形態參數的相關性及其與水分傳輸系數的定量關系，目前沒有明確的共識和完整的數據庫。（4）混凝土基體自身的自愈合能力較低，而裂縫的自主愈合效果取決于混凝土配合比中礦物摻和料的類型和摻量，還與修復環境有密切關系。此外，裂縫寬度變化、混凝土組成材料的化學成分和水流速等對裂縫自愈合也會產生重要影響，需進一步建立裂縫自愈合效果的評價指標。（5）開裂混凝土中水分傳輸過程數值模擬的關鍵是在離散裂縫或彌散裂縫網絡中追蹤水分的運動及分布規律，但混凝土中裂縫通常分布密集、寬度范圍較大，現有研究主要針對單條平直裂縫，或將曲折裂縫進行平直等效簡化處理，因此數值方法仍存在較多不足。

針對以上問題，作者認為關于開裂混凝土的水分傳輸規律可從以下4 個方面深入研究：（1）將開裂混凝土在細觀層次上視為由水泥漿體、骨料、界面過渡區（ITZ）、裂縫和損傷區（DZ）組成的五相復合材料，建立水分二維或三維傳輸的細觀數值模型，以便準確合理地模擬開裂混凝土內部水分傳輸規律。（2）不同裂縫形態參數之間往往具有相關性，比如裂縫寬度與深度、裂縫密度與深度等，綜合考慮不同裂縫形態參數的影響，建立不同裂縫形態參數與裂縫中水分傳輸系數的定量關系，為數值模擬提供基礎性條件。（3）為了改進開裂混凝土的水分傳輸模型，需深入了解混凝土組分、構件截面形狀、配筋和應力狀態等對裂縫形態的影響，試驗中應生成與真實幾何形態盡可能相近的裂縫，以便對開裂混凝土中水分的多維傳輸開展深入研究。（4）在荷載和環境耦合作用下，裂縫寬度、長度、方向等參數隨時間變化對水分傳輸規律的影響；對于非荷載因素，包括混凝土初期的自收縮和干縮裂縫，與荷載產生的宏觀裂縫形態完全不同，對混凝土內部水分和介質傳輸及耐久性影響較大，應是未來研究工作的重點之一。