裂缝对混凝土Cl-扩散性能影响试验研究

张 凯

天津大学仁爱学院

1 引言

正常使用状态下的混凝土结构普遍会存在一定宽度和深度的裂缝，因此按照均质材料会高估混凝土结构的使用寿命[1]，而同时Cl-的扩散作用会造成钢筋产生一定的锈蚀，从而导致混凝土结构耐久性的下降[2]。因此，通过研究分析Cl-在混凝土内的实际扩散过程，能够为混凝土结构耐久性评估提供相应的理论支撑。

Yuyasakai[3]通过实验测定了胶凝材料的孔隙结构状态，给出了Cl-与孔隙结构间的相对应关系，同时修正了相关系数。Kwon等[4]以裂缝宽度为研究对象，推导出了开裂混凝土中Cl-扩散系数的均值，对于实际工程具有较强的指导作用。Bjorn[5]则着重分析了垂直于裂缝方向上的Cl-扩散情况，并给出了相应的计算方法。然而，在进行相关试验时，为定量分析裂缝对混凝土Cl-扩散性能的影响，制备带裂缝工作的混凝土试件是需要解决的首要问题。通过总结相关文献，目前国内外学者常采用开裂法产生裂缝，可以归纳为以下四种，即劈裂法[6]、楔入劈拉法[7]、弯曲加载法[8]及膨胀核法[9]。通过应用开裂法制备出现的裂缝同实际状态裂缝相比，虽然有相似的曲折度和连通性，但是这种方法并不利于精确控制所出现裂缝的形成和扩展，对于开展定量研究工作存在一定的难度。另外通过这种方法，对于随同主裂缝发展过程中而产生的各种微裂缝和内部损伤亦难以避免。鉴于以上原因，提出一种微创制备裂缝的方法来进行定量试验研究，以分析裂缝宽度与裂缝深度对混凝土Cl-扩散性能的影响。

2 裂缝产生方法及试件制备

为产生不同宽深的裂缝，定制不同尺寸的高强度不锈钢钢片，继而在Φ100mm×50mm的混凝土圆柱体上产生相应裂缝，裂缝宽度分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm 及0.25mm，裂缝深度分别为3mm、7mm、11mm 及15mm。利用铸铁模具，小心把钢片精准嵌固于能够方便拆卸的试验模具中央，在模具逐渐夹紧的同时，钢片亦随之被牢固定位，待实验所采用的试件达到龄期后将钢片拔出，继而利用切割机分别切出不同裂缝深度的试件，制备完成的试件见图1。

图1 试验试件

3 试验过程

试验材料选用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，混凝土配合比见表1，28d 抗压强度均值为49.0MPa。依照规范[10]进行试验，试验过程见图2。

表1 C40混凝土配合比/（kg/m3）

图2 试验过程

试件电通量通过下式计算得出：

式中：

Q——为通过试件的总电通量（C）；

I0——初始电流（A）；

It——为在t时刻的电流（A）。

计算结果见表2。

表2 电通量计算结果

4 试验结果分析

4.1 裂缝宽度与Cl-电通量的关系

根据表2 中的试验数据可知，缝宽在0.1-0.2mm 范围内时，伴随着缝宽的不断增加，Cl-扩散性能亦逐步增强。但当缝宽超过0.2mm 时，Cl-电通量增长并不明显，可见缝宽对Cl-电通量的影响阈值为0.2mm，分析原因是当缝宽大于0.2mm 时，裂缝横向空间相对于Cl-而言已经足够宽阔，此时影响Cl-扩散性能的关键因素是纵向，也即沿缝深方向的阻碍作用。同时推测当缝宽超过一定范围时，裂缝深度对于Cl-扩散性能影响的重要程度要大于裂缝宽度，下文将对该推测进行验证。

4.2 裂缝深度与Cl-电通量的关系

根据表2中的试验数据可知，与裂缝宽度不同的是，裂缝深度对Cl-电通量的影响并未出现明显的阈值，其影响曲线呈明显上升趋势，分析原因是伴随着缝深的不断增加为Cl-的通过提供了纵向更为便捷的通道，减少了Cl-通过时纵向的阻碍作用，据此推断，当裂缝更深时，Cl-的扩散性能也会进一步增强。

4.3 影响评价分析

选用SPSS软件进行主体间效应检验，置信度为95%，分析结果可知，缝宽与缝深的Sig.值均处于0.01～0.05范围内，由此说明缝宽、缝深对Cl-电通量的影响均是显著的。采用SPSS软件中的线性回归功能，分析缝宽、缝深二者对Cl-扩散性能重要性影响情况，裂缝深度影响系数达到了0.59，而裂缝宽度为0.41，证明裂缝深度对于Cl-扩散性能影响的重要性要大于裂缝宽度，裂缝深度是影响Cl-扩散性能的主要因素，从而验证了上文的试验结果和分析。

5 结束语

针对国内外应用开裂法制备出现的裂缝存在的问题，提出了一种微创制备裂缝的新方法，利用这种方法可以使裂缝宽、深均可控。通过改变试验模具的尺寸、形状及钢片的宽度、厚度，可以实现不同试验研究中不同宽、深的裂缝制备，以便于进行定量分析。试验过程中，缝宽对Cl-扩散性能的影响阈值为0.2mm，而缝深对Cl-扩散性能的影响并未出现明显阈值，其影响曲线呈明显上升趋势。利用SPSS软件分析表明，缝宽与缝深对Cl-扩散性能的影响均是显著的，缝深对于Cl-扩散性能影响的重要性系数达到了0.59，而缝宽为0.41，从而证明了缝深是影响Cl-扩散性能的主要因素，研究成果为混凝土结构耐久性评估提供了相应的理论支撑。

但是，由于试验条件及时间的限制，试验过程只考虑了Cl-单一因素对混凝土结构的影响，然而在现实环境及实际工程中，绝大多数混凝土结构还常常伴有其他环境作用影响，比如碳化作用、冻融循环、硫酸盐侵蚀等，后续将对以上因素的耦合作用进行进一步研究分析。