混凝土裂缝产生及分布特征研究

王 军

（厦门大学嘉庚学院， 福建 龙海 363100）

在混凝土高pH环境下，埋置钢筋(钢筋)表面形成一层以氧化物和氧-氢氧化物为主的热力学稳定薄膜，以保护钢筋不受腐蚀。如氯离子等侵蚀剂的渗透能够将钝化膜转变为较高的氧化物和电化学稳定性较差的非晶态，从而破坏钝化膜，从而导致钢筋随后的脱氮和腐蚀引发。随着腐蚀过程的进行，钢筋混凝土构件受到物理和机械损伤，导致结构损伤和早期破坏。由于混凝土本身体积的变化或机械载荷的作用，裂纹的存在大大缩短了腐蚀起始阶段，为侵蚀离子和水分快速到达钢筋表面提供了通道。结果表明，与之相交的钢筋区域具有较高的腐蚀活性。混凝土的横向或弯曲裂缝 。裂缝类型(横向或纵向)、裂缝频率、混凝土覆盖层、周围混凝土基体质量、裂缝宽度等因素对钢筋锈蚀的影响较大。

到目前为止是相当矛盾的。虽然有几位研究人员发现，钢筋在开裂混凝土中的腐蚀速率随着裂缝宽度的增加而增加，但其他人发现这两种性能之间的相关性很差。结果表明，随着裂纹宽度的增大，钢筋去钝化时间缩短，但随着监测时间的延长，该参数对钢筋腐蚀活性的控制作用不明显。

Ebrahimkhanlou, Arvin等[1]研究了预应力混凝土梁裂缝形态的分布和特征。它主要集中在预应力梁端部区域形成的裂缝，形成的原因主要是因为预应力传递作用（即端部区域裂缝）以及在随后的测试中机械荷载的作用而形成的剪切裂缝。在他们的研究中采用制备了大型梁试件并通过弯曲试验所收集的综合裂缝模式及实验数据。证明了通过分形分析能够量化预应力混凝土构件中出现的裂缝程度。通过实验证明分形和多重分形分析都可以用来识别不同裂缝产生和发展的发展。

Zhang, Hongru; Zhao, Yuxi等[2]试验研究了再生钢筋混凝土梁在氯离子腐蚀和荷载作用下的梁表面和梁内开裂现象，并与天然骨料混凝土梁进行了对比。再生钢筋混凝土梁的横向裂纹比天然骨料混凝土梁表面的横向裂纹多，且这些裂纹的平均扩展深度和宽度均小于天然骨料混凝土梁。在氯离子进入的荷载作用下，由钢筋腐蚀引起的表面裂纹在再生钢筋混凝土梁上比在天然骨料混凝土梁上起裂早，扩展快，裂纹宽度明显增大。在加固梁内，发现荷载/腐蚀引起的裂缝的宽度沿其扩展路径以一定的速度发展：梁内的宽度发展模型可能解释了再生钢筋混凝土梁和天然骨料混凝土梁在梁表面开裂行为方面的差异。研究还发现，载荷引起的裂纹与钢的腐蚀相互影响。尽管在裂缝宽度控制方面，钢筋混凝土梁的抗荷载开裂能力可接受，但考虑到荷载作用下氯离子的严重腐蚀开裂损伤，钢筋混凝土梁在氯离子环境中的结构使用应谨慎。

Hay, Rotana; Ostertag等[3]研究了素混凝土及混杂纤维混凝土中的横向裂缝及其相关的界面钢-混凝土损伤对钢筋腐蚀活性的影响。实验中的横向裂纹和界面损伤均是在实验室条件中引起的。腐蚀速率和腐蚀损伤随着横向裂纹的出现而增加，并随着界面扰动而进一步加剧。混凝土中掺入混杂纤维降低了钢筋的腐蚀比例和质量损失，限制了腐蚀引起的劈裂裂缝的扩展和张开。

Aghajanzadeh, S.M.; Mirzabozorg等[4]提出了一种将扩展有限元法与固定涂抹裂纹模型相结合的方法来模拟混凝土材料的断裂过程。利用Griffith能量准则对断裂过程区的性质进行了描述，并基于断裂过程区中的能量耗散，利用弥散裂纹概念对断裂过程区内部的分布微裂纹进行了建模。在刚度矩阵中加入了一个新的项，采用扩展有限元法方法和固定涂抹裂纹法对位移变化进行了建模。该模型预测了裂纹的张开和滑动位移，模拟了裂纹的张开和混合模式，并考虑了裂纹的完全分离。该方法描绘了混凝土非线性行为的各个阶段，即断裂过程区的发展、微裂纹的分布和宏观裂纹的形成。结果表明，该模型虽然采用了固定弥散裂纹的概念，而且克服了应力锁定现象，但仍改善了应力传递的描述。此外，该模型还能够模拟混合型断裂的应变软化行为。

Mikulik, Dean; Linderman等[5]混凝土的退化检测有可能改善混凝土结构和路面的长期性能和完整性。作为裂纹检测系统的一部分，导电涂料涂抹后的导电表面传感器，已被证明是有效和适用的。如果这些传感器将用于暴露在环境变化中的结构或路面，则必须了解环境影响对导电表面传感器本身的影响。Mikulik, Dean;Linderman等通过两个实验来评估温度和相对湿度对银基导电涂料和更经济的镍基导电涂料性能的影响。同时也评价了环境因素对裂纹敏感性和抗裂性的影响。另一个实验是考虑了不同的导电涂料在裂纹定位应用中的模式。结果表明，镍基和银基导电涂料在裂纹检测方面性能相当，可以在一定的温度和相对湿度条件下使用。结果表明，所使用的镍基和银基导电涂料涂抹后的导电表面传感器对局部区域的裂纹具有较好的定位效果，对该技术的应用具有广阔的前景。

尽管混凝土性能在过去20年中有了显著提高，但混凝土结构的耐久性仍然是一个主要问题。事实上，虽然混凝土的渗透性已经显著降低，但侵蚀剂仍然可以通过由于收缩或拉伸应力造成的裂缝渗透混凝土结构。传统钢筋加固结构构件裂缝控制的一种解决方案是纤维混凝土。事实上，纤维增强改善了裂缝之间混凝土部分的拉伸硬化，并允许拉伸应力在裂缝面之间传递，这使得裂缝距离减少了，并因此减小了裂缝宽度。Tiberti, Giuseppe; Trabucchi, Ivan等[6]对钢纤维混凝土与钢筋相结合，具有较高的强度的裂缝控制进行新的探讨。实验中测试了32个直接张力下的张力带，特别是钢纤维混凝土后开裂性能对裂缝形成和发展的影响。结果证实，与单纯的钢筋混凝土构件相比，平均裂缝间距有所减小。然而，超过 5兆帕左右的裂缝残余强度，没有发现平均裂纹间距明显减少。

钢筋锈蚀是混凝土结构劣化的主要原因之一。腐蚀等级的测量通常用于评估钢与混凝土粘结的后续减少，但结果缺乏准确性。Mak, Michele Win Tai等[7]研究了一种利用外加电流对试样进行加速腐蚀测试表面裂纹的方法。采用一种新的密封方法，将混凝土的质量损失与裂缝分离开来。结果表明，与腐蚀程度相比，表面裂纹宽度可以更好地反映混凝土粘结性能的退化。这些发现使得在道路等评估测试中，并降低基础设施的维护成本。

Dong, Wei; Yuan, Wenyan等[8]约束收缩椭圆环试验是评价混凝土早期开裂可能性的一种有效方法，因为椭圆环比圆形环能提供更高的约束程度。以不同厚度之钢圈为约束，在顶底面干燥或外周面干燥下，对一系列圆形及椭圆形混凝土环进行测试。通过对比不同几何条件和干燥条件下的混凝土开裂龄期，揭示了环几何条件、约束钢环厚度和干燥条件对混凝土环开裂过程的影响。此外，还利用温度变化模拟混凝土的收缩效应，对圆环和椭圆环的断裂机理进行了数值分析。结果表明，钢环厚度的增加可以提高约束程度，从而缩短环和椭圆环的开裂时间。然而，对于圆环来说，这种改进更为显著。两种干燥条件下，即顶底面干燥和外周面干燥的断裂过程是完全不同的：对于外周面干燥，裂纹从外周面开始向内表面扩展；对于顶底面干燥，裂纹从外周面开始向内表面扩展。沿混凝土环内圆周的高度方向，逐步沿径向扩展，直至裂纹扩展到整个环壁。在这两种情况下，混凝土不均匀收缩引起的自约束和内钢圈的外约束都对裂纹扩展产生了驱动作用。一般来说，与圆环相比，椭圆环具有提供更高约束度的优点。椭圆环试验方法可以补充传统的环试验方法，用于评价抗裂性较高的混凝土的开裂倾向。

Ding, Yining; Liu, Genjin等[9]研究了含钢纤维（SF）、炭黑（CB）和碳纤维（CF）的混凝土梁在受弯时的力学性能和自监测性能。研究了多相导电材料的使用对混凝土抗压强度的影响，以及混凝土梁的荷载-挠度-阻抗分数变化（FCI）关系。研究了裂纹张开位移（COD）与灵敏度（应变因子）之间的关系。此外，利用分形几何方法对荷载-挠度-阻抗分数变化裂纹张开位移曲线中的信号噪声进行了定量分析。结果表明，对于具有挠曲软化（A组和B组试样）和挠曲硬化（C组试样）行为的梁，可以观察到混凝土梁的荷载-挠度-阻抗分数变化和 cod之间的单调线性和双线性增长关系。与单相导电掺合料（SF）和三相导电掺合料（SF+CB+CF）相比，双相导电掺合料（SF+CB）提高了FCI-COD曲线的灵敏度，降低了噪声信号。

钢筋混凝土等复合材料复杂结构的非线性有限元建模仍然是一个挑战，因为迄今为止，考虑钢筋与复合材料脆性基体之间滑动的重要现象的唯一方法是明确地对钢筋及其界面进行网格化。这种方法虽然被证明是正确的，但在计算非常复杂而且花费较多，因此只能用它来模拟复合材料结构的关键小单元。Sellier, Alain等[10]用一个钢筋微分公式直接处理为一个叠加在基体位移场上的连续场。该方法需要对有限元程序进行少量修改，利用有限元程序与各向异性热公式的相似性。在分析了该方法的基础上，给出了两个理论研究实例，以验证该方法在不划分钢筋网的情况下所得到的结果，并参考了采用完整的矩阵、钢筋和界面网格所得到的结果。

结论

本文通过介绍混凝土裂缝产生的原因，以及混凝土裂缝对混凝土内部钢筋和锈蚀影响。研究对比了在不同裂缝宽度，不同裂缝深度，不同材料混凝土中裂缝影响，以及纤维加入混凝土中后对混凝土裂缝的控制和减缓裂缝变大的作用。主要结论如下：裂缝的产生会对钢筋的锈蚀有一定的促进作用。在再生混凝土比普通混凝土更容易在相同外力作用下产生裂缝。纤维的加入对裂缝的进一步扩大有很好的限制作用。