宏觀裂縫狀態及滲透介質對混凝土滲透性的影響

蔣小旦，韓依璇，陳偉

（1.常州市公路事業發展中心，江蘇 常州 213024；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.湖北工業大學，湖北 武漢 430068）

0 引言

外部侵蝕介質進入混凝土內部，與混凝土材料和鋼筋發生物理或化學反應[1-3]，導致混凝土內部結構破壞、鋼筋銹蝕、耐久性下降，從而對結構安全造成巨大危害。由此可見，密實性對混凝土材料的耐久性能具有重要的影響。抗滲性反映了侵蝕介質進入混凝土內部的難易程度，可用于評價混凝土的密實性，與混凝土的抗腐蝕、抗凍融、抗裂能力密切相關[4]。混凝土的氣體滲透性反映了氣體等外部介質進入混凝土內部的能力，它與混凝土的孔隙結構有著密切的關系。裂縫在混凝土中的產生和發展通過改變混凝土的孔隙結構影響其氣體滲透性，總的來說，裂縫寬度越大，滲透性越大[5-6]。許多研究結果表明，宏觀裂縫會導致滲透率增加幾個數量級，對于復雜預應力結構并不能保證所有結構均勻封閉現有的裂縫，甚至在某些情況下會加劇裂縫的產生[7-8]。應用氣體來評估滲透率的變化比液態水更適合于精確反應應力對于傳輸性能的影響[9-10]。這主要是由于流過混凝土（或其他低孔隙度巖石）的水所存在的物理化學作用，會導致水滲透率比氣體低2～3個數量級，這種現象通常會掩蓋裂紋的增長或閉合[9]。Hoseini等[10]開發了用于研究在巴西劈裂試驗過程中測量水流演變的試驗裝置，將宏觀裂縫近似為2個不光滑的平行板之間的空間。研究結果顯示，隨著軸向荷載裂縫中水流強度單調增加，平均裂紋寬度區域15～160μm，然而由于受力不均勻試件中高部位存在最大為300μm的裂縫。Aldea等、Picandet等和Wang等的研究均表明存在宏觀裂縫的混凝土材料，對于傳輸性而言，存在所謂“閾值開裂效應”的裂縫，通常假定在25～100μm作為極限值，在該值以下水的流動不受裂縫存在的影響。目前國內外對宏觀裂縫混凝土中水和氣體的流動研究較多，但現有的試驗方法無法充分證明該閾值的存在。

因此，本文對宏觀裂縫的測量采用全新的方法，并采用氣體和液態水作為流體進行滲透性的測量，分析在不同圍壓下裂縫的開合度與氣體滲透性之間的關系，以及圍壓對液態水滲透性的影響，為研究宏觀裂縫提供可參考依據和技術方面的拓展。

1 實驗

1.1 原材料與配合比

水泥：P·Ⅱ52.5，南京江南小野田水泥有限公司。膨脹劑：江蘇博特生產的HME-IV混凝土高效膨脹劑，其化學組成如表1所示。細集料：江西彭澤中砂，細度模數2.68，含泥量2.2%。粗集料：江西贛江石子，由粒徑5～16 mm的小石子和16～25 mm的大石子按4∶6質量比混合，含泥量0.8%，針片狀顆粒含量6.3%，壓碎值17.6%。減水劑：上海卜賽特有限公司生產的SUPLA RMB-1高性能聚羧酸高效（HPWR-R）減水劑，減水率27%，泌水率比38%。聚丙烯纖維：江蘇博特生產的潤強絲粗聚丙烯纖維，密度1.60 g/cm3，直徑1 mm，長度30.0 mm，斷裂強度509 MPa，初始模量12.11 GPa。

表1 HME膨脹劑化學組成 %

試驗混凝土水膠比為0.30，砂率為39%，減水劑摻量為0.65%，聚丙烯纖維體積摻量0.75%，配合比如表2所示。

表2 混凝土材料用量 kg/m3

1.2 試樣制備

按表2配比澆筑成邊長為150 mm的立方體試件，試件澆筑成型后立即用塑料薄膜覆蓋以防硬化期間水分蒸發，在（20±5）℃環境下靜置24 h后拆模并移至溫度（20±2）℃，相對濕度（60±5）%的養護室中養護至28 d，在水磨機上進行鉆芯取樣。混凝土氣體滲透性試驗采用統一的直徑為50 mm，高為100 mm的圓柱體試件。

1.3 實驗方法

1.3.1 試驗設備

將圓柱形試件在60℃烘箱加熱至質量恒定后，確定此時為干燥狀態。取其中編號為1、2、3的3個試件進行巴西劈裂試驗（見圖1）可知，混凝土試件沿徑向平面宏觀開裂。

圖1 巴西劈裂試驗

1.3.2 閉合裂縫測量裝置

試驗利用特別設計的LVDT裝置測量閉合裂縫的振幅。為了測量裂縫在不同圍壓作用下的開閉情況，采用4臺處在垂直于試件縱軸平面內且沿徑向相對放置并互成90°角的LVDT位移傳感器進行測量。4臺LVDT位移傳感器安裝在特制臺架上，置于壓力室內，位移計觸頭與試件外橡膠套接觸，如圖2所示。

圖2 LVDT位移傳感器測量裂縫開閉情況示意

如果對應傳感器1、2、3、4的相對位移分別為δ1、δ2、δ3、δ4，則裂縫的開合度CC通過式（1）計算得到。

1.3.3 滲透性試驗

采用基于準定常流動的混凝土氣體滲透試驗方法進行，試驗裝置如圖3所示，該裝置用于測量不同環境溫度和濕度條件下的氣體滲透率[9，11-12]。將試件放置于三軸壓力室內部，采用高壓伺服泵維持穩定靜水壓力（圍壓），氣體以單向準定常狀態沿x方向在試件內部流動，上游（x=0）氣壓為Pi，下游（x=h）與大氣相連，即為大氣壓P0。試驗過程中氣體流動滿足達西定律，平均進氣壓為Pm=Pi-（△Pi/2），沿x方向一維氣體滲透率表達式為：

式中：μ——氣體黏度系數，氬氣在20℃下的取2.2×10-5Pa·s。

圖3 準定常方法測量氣體滲透性示意

在試驗過程中，上游氣體注入壓力選擇為1.5 MPa，使用LVDT設備對每個大裂紋試件進行了裂紋位移測量，最大限制水平為45 MPa。

液態水滲透試驗同樣采用準定常流動方法進行，高壓伺服泵提供穩定注水壓力0.5 MPa，置于壓力室內部的試件承受3MPa靜水壓力，以確保液態水沿x方向一維流動。出口端采用封閉式水收集系統，利用精度為0.01 g的天平測量每天出水量。液態水滲透性k按式（3）計算：

式中：μ——水動力黏度系數。

2 結果與討論

2.1 氣體滲透性隨圍壓的變化情況（見圖4）

圖4 試件1、2和3氣體滲透率隨圍壓變化曲線

由圖4可知，3個試件的初始氣體滲透率不同，其中試件3氣體滲透率最大，試件1和試件2氣體滲透率接近，這與3個試件的初始裂縫寬度規律相同。各試件氣體滲透率在圍壓加載段均隨著圍壓的增大而降低，卸載段氣體滲透率呈增大趨勢，但增大幅度較小。

試件1的氣體滲透率在圍壓從2.4 MPa增大到20.6 MPa階段內大幅減小，由2.56×10-15m2降至3.68×10-17m2，降低了2個數量級。此后隨著圍壓的增大，氣體滲透率繼續呈降低趨勢，但降低幅度非常小。圍壓卸載階段試件氣體滲透率有微小程度的增大，例如圍壓從45 MPa降至2.4 MPa時試件氣體滲透率從1.82×10-17m2增加至3.4×10-17m2，但總體上卸載段氣體滲透率變化幅度較小，這與裂縫寬度在圍壓加卸載情況下的變化規律基本一致。試件2的氣體滲透率在圍壓從2.3 MPa增大到22.5 MPa階段內大幅減小，由2.42×10-15m2降至5.00×10-17m2，同樣降低了2個數量級。此后隨著圍壓的增大試件氣體滲透率仍呈降低趨勢，但降低幅度很小。卸載階段試件氣體滲透率增大幅度較小。試件3的氣體滲透率在圍壓從1.9 MPa增大到22.2 MPa階段內大幅減小，由3.40×10-14m2降低到4.60×10-16m2，也降低了2個數量級。繼續增大圍壓試件氣體滲透率仍保持降低趨勢，但降低幅度很小。卸載階段試件氣體滲透率增大幅度較小。

綜上所述，不同初始裂縫寬度貫穿裂縫試件氣體滲透率在圍壓加卸載作用下的變化規律基本相似。在圍壓從初始值增大到20 MPa左右時均降低2個數量級，繼續增大圍壓試件氣體滲透率雖然繼續降低，但降低幅度很小。圍壓卸載階段試件氣體滲透率上升幅度遠小于加載段下降幅度。這一結論與裂縫開合度隨圍壓變化規律基本相似，同時可以說明，圍壓在20 MPa時試件氣體滲透率達到閾值，超過這一圍壓氣體滲透率很難繼續降低。卸載圍壓試件氣體滲透率變化很小，這主要是由于裂縫2個粗糙面在圍壓作用下發生錯動和相互擠壓，產生塑性形變，造成2個粗糙面“粘結”，即使卸載圍壓，這部分形變也難以恢復，因此，試件氣體滲透率在卸載段維持在一個較低的水平。類似地，氣體滲透率與圍壓之間也不存在一一對應的關系，同一個圍壓值可能對應2個氣體滲透率值。

2.2 氣體滲透率隨裂縫開合度的變化情況

3個試件在圍壓加卸載全過程的氣體滲透率對應裂縫開合度曲線如圖5所示。

圖5 試件氣體滲透率隨裂縫開合度變化曲線

由圖5可見：

（1）在加載階段，各試件氣體滲透率隨裂縫的閉合呈平滑降低趨勢，降低速率均呈現先較快后逐漸減慢的過程；而卸載階段氣體滲透率隨裂縫開合度的變化較為不均勻，氣體滲透率隨著裂縫的張開先緩慢平滑上升，隨后在某一范圍內呈折線式上升趨勢，最后以遠大于前2個階段的速率大幅上升。造成這種變化形式的原因可能是：（1）卸載過程中裂縫寬度變化值小于LVDT測量最小精度，造成測量數據不夠平滑；（2）加載段最大圍壓達到45 MPa，在較高的圍壓作用下裂縫兩表面之間可能產生“粘合效應”，造成卸載時氣體滲透率可能在某一裂縫開合度下發生突變。

（2）試件3初始裂縫寬度遠大于試件1、試件2，在加載階段其裂縫閉合了0.13 mm，但其氣體滲透率變化趨勢和其他2個試件相同；且試件3初始氣體滲透率遠大于試件1、試件2，但加載結束后3個試件氣體滲透率的數量級均在10-17左右，因此，為了研究裂縫寬度變化對氣體滲透率的影響，選用變化幅度差異較小的卸載階段研究更為可靠。

3個試件在圍壓卸載階段氣體滲透率對應裂縫開合度曲線如圖6所示。

圖6 試件卸載段氣體滲透率隨裂縫開合度的變化曲線

由圖6可見，在卸載段試件氣體滲透率隨裂縫開合度減小（裂縫張開）而呈現的3個變化階段：緩慢平滑上升、折線式上升、急劇上升階段。可見雖然試件具有不同的初始裂縫寬度，但在卸載段氣體滲透率與裂縫開合度之間的變化關系是相似的。

圖7 混凝土試件3濕氣注入后表觀氣體滲透性隨圍壓的變化

2.3 相對濕度對氣體滲透性的影響

宏觀裂縫的存在為外部流體提供了侵入混凝土內部的通路，使得外部環境中具有一定溫濕度的氣體更容易進入，在裂縫表面形成水蒸氣蒸發凝結的動態過程。通過上述采用惰性干燥氬氣進行氣滲試驗后，在50℃的條件下進行相對濕度為92%的濕空氣注入試驗，并且持續2、12和22d。在濕空氣持續注入階段結束后，進行干燥氬氣的氣體滲透試驗，結果見圖7。

由圖7（a）可以看出，試件3的第1次試驗結果表明持續的潮濕氣體滲透階段對氣體滲透性沒有顯著的影響，這說明氣體滲透性主要受圍壓變化的影響，試件氣體滲透性變化的整體趨勢是在圍壓不斷增大的過程中會顯著減小。濕空氣注入22d后，氣體滲透性稍低于前2個注入階段，宏觀裂縫內部通路附著部分液態水而改變流體流動路徑。為了驗證裂縫內部水分對氣體滲透的影響，首先將注入50℃濕空氣22 d的試件自然冷卻至常溫，并繼續注入常溫下同等相對濕度的空氣，然后將試件環境溫度升至60℃停止注入濕空氣，促使裂縫內部水分快速蒸發。在上述2種操作之后分別測量宏觀裂縫的氣體滲透性，由圖7（b）可見，常溫下和60℃干燥后的滲透性均大于之前的結果，裂縫中的水分被充分蒸發。通過比較圖7（a）和（b），氣體滲透性變化始終受圍壓的影響最顯著，也就是說裂縫寬度對滲透性起到主導作用，環境的溫濕度的變化對裂縫內部造成的滲流通路的影響是暫時的。

2.4 液態水滲透率隨圍壓的變化情況

潮濕氣體未引起大裂縫混凝土滲透率的顯著變化，裂縫表面吸附水蒸氣僅僅改變通路形貌，沒有形成液態水的液面。實際工程環境中裂縫有可能被完全濕潤，內部形成阻斷氣體流通的水膜，當外加靜水壓力梯度或者材料內部孔隙彎液面導致的毛細壓力梯度的驅動下，液態水分將發生滲透傳輸。對于大多數非飽和水泥基材料來說，毛細壓力梯度往往起主要作用。毛細壓力梯度是由于含水率存在梯度而產生的，從數學上近似地將含水率梯度視作水分傳輸的驅動力，此時液態水分傳輸的速度可以采用水分擴散率來描述，且水分傳輸的控制方程與嚴格意義上的擴散方程在數學表達形式上完全一致。依據多孔介質非飽和流動理論，水分在多孔介質內部的滲透傳輸速度可以采用水分滲透率來表征。為此，對60℃干燥后的混凝土試件3在3 MPa的圍壓下，使用0.5 MPa的水壓進行水滲透試驗（見圖8、圖9）。

圖8 混凝土試件3液態水滲透過程中流量變化曲線

圖9 混凝土試件3液態水滲透性變化曲線

由圖8可以看出，體積流量變化分為3個階段，滲流初期是液態水飽和宏觀裂縫的過程，因此第1 d的體積流量呈明顯下降的趨勢；中期滲流過程中體積流量基本保持穩定，裂縫內部已經充分飽和；后期，從第8 d開始，體積流量呈現有規律的遞減。結合圖9中液態水滲透性變化曲線，滲透率和體積流量有規律地遞減，14d后液態水滲透性從9×10-17m2下降到2×10-17m2，并且液態水滲透性遠低于氣體滲透性（1×10-15m2）。混凝土試件3在前期已經經過了多個圍壓加卸載循環的試驗，在液態水滲透性中的低圍壓不會造成宏觀裂縫的徐變效應，即開合度基本保持不變，因此滲透率（和體積流量）的持續下降與混凝土中未水化的水泥顆粒產生新的水化反應，并改變裂縫形貌有關。

3 結論

（1）雖然巴西劈裂試驗產生的隨機裂縫寬度難于控制，但是裂縫合并程度在20 MPa圍壓下最大，此后變化非常小。氣體滲透性在20 MPa前后變化率差別很大，圍壓卸載后氣體滲透性無法回到初始值。裂縫開合度在圍壓加卸載循環中的“滯回效應”反應出裂縫存在一定的塑性變形。

（2）裂縫開合度與圍壓之間不存在一一對應的關系，同一圍壓可能對應不同的裂縫開合度。同時，試件氣體滲透率與圍壓之間也不存在一一對應關系，同一個圍壓值可能對應不同的氣體滲透率值。

（3）環境溫濕度的改變，在宏觀裂縫內部可形成一定量的水蒸氣的吸附，但是對氣體滲透性的影響無法起到關鍵性作用。