黃兵

摘 要：本文通過(guò)試驗(yàn)方式對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)試件在劈拉作用下的開(kāi)裂變化過(guò)程以及混凝土裂縫的形態(tài)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)混凝土劈拉應(yīng)力與裂縫張開(kāi)形成的位移變化規(guī)律，為有關(guān)工程實(shí)踐及研究提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土;劈拉開(kāi)裂;裂縫;自愈合;機(jī)理

混凝土工程施工中，由于不同荷載作用以及環(huán)境變化因素的影響，容易引起混凝土裂縫產(chǎn)生，從而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及整個(gè)工程的安全性造成影響，是有關(guān)工程施工與管理中研究和關(guān)注的重要內(nèi)容之一。此外，有研究顯示，混凝土裂縫存在一定的自愈合機(jī)理，并且混凝土裂縫的自愈合機(jī)理能有效減緩環(huán)境中的有害物質(zhì)入侵對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞影響，從而促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)及其工程的使用壽命方面具有十分積極的作用和意義。為此，下文將通過(guò)試驗(yàn)分析，對(duì)混凝土構(gòu)件的劈拉作用下開(kāi)裂變化過(guò)程及裂縫形態(tài)等進(jìn)行研究，以明確混凝土劈拉開(kāi)裂與裂縫自愈合的作用機(jī)理。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與試件制作

本次混凝土劈拉開(kāi)裂與裂縫自愈合試驗(yàn)分析中所應(yīng)用的混凝土試件原材料主要包括水泥/粗骨料/細(xì)骨料/減水劑以及水等。其中，進(jìn)行混凝土配制的水泥為P？O42.5R的普通硅酸鹽水泥，該水泥材料的氧化鎂與三氧化硫含量分別為2.83%和2.59%，水泥的使用量為420kg/m3;混凝土配制使用的粗骨料為粒徑在5至10mm之間的花崗巖碎石，其用量為1250kg/m3;細(xì)骨料為粒徑為0至5mm的中砂，其堆積密度為1450kg/m3，細(xì)度模數(shù)設(shè)計(jì)為2.55;減水劑采用聚羧酸鹽類高效減水劑。

此外，根據(jù)上述混凝土配制原材料及其配合比設(shè)計(jì)，在進(jìn)行混凝土試件配制中，以直徑100mm×高度50mm尺寸大小的鋼制試模為工具，完成混凝土試件澆筑操作24h后再進(jìn)行模板拆除，并將制備完成的混凝土試件（圓盤(pán)試件）與試驗(yàn)分析中所準(zhǔn)備的標(biāo)準(zhǔn)試件（規(guī)范立方體）根據(jù)混凝土養(yǎng)護(hù)的有關(guān)條件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28d，確保標(biāo)準(zhǔn)試件養(yǎng)護(hù)完成后的抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C50以上，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)試件的上下面厚度控制為45mm，誤差范圍為±1mm。在進(jìn)行混凝土試件制備過(guò)程中，還需要確保制備后的混凝土試件表面浮漿去除徹底，且兩表面平整/并保持平行，以避免對(duì)試驗(yàn)分析產(chǎn)生影響。

1.2試驗(yàn)方法

對(duì)上述混凝土試件進(jìn)行劈拉加載試驗(yàn)分析中，以MTS Landmark電液伺服試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)操作平臺(tái)，通過(guò)位移控制與力控制進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中的加載與卸載操作管理，對(duì)加載速率分別為0.012以及0.024/0.05/0.1/0.2/0.3mm/min時(shí)的劈拉加載試驗(yàn)情況進(jìn)行分析，從加載時(shí)間以及加載試驗(yàn)中的混凝土試件裂縫口張開(kāi)位移變化等因素層面，對(duì)其加載速率進(jìn)行確定，最終選取0.2mm/min的加載速率為試驗(yàn)參數(shù)。此外，試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)試件的兩側(cè)需分別進(jìn)行LVDT安裝，以對(duì)其試驗(yàn)過(guò)程中的裂縫張開(kāi)位移情況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析，其結(jié)果以兩個(gè)裝置測(cè)量的平均值為準(zhǔn)。

在對(duì)混凝土試件劈拉加載試驗(yàn)中的裂縫測(cè)量分析中，主要應(yīng)用設(shè)備為Supereyes數(shù)碼顯微鏡，測(cè)量過(guò)程中為避免誤差影響，需要對(duì)試驗(yàn)試件從加載軸方向進(jìn)行表面等分設(shè)置，并選取對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)，取各測(cè)點(diǎn)裂縫的平均值以及兩表面主裂縫寬度平均值作為最終結(jié)果。此外，對(duì)試驗(yàn)混凝土試件的內(nèi)部孔隙率與孔隙連通性分析，則需要通過(guò)滲透試驗(yàn)進(jìn)行，本文實(shí)驗(yàn)中是通過(guò)氮?dú)鉂B透試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行混凝土裂縫自愈合作用機(jī)理研究，其具體操作步驟為：首先，將試驗(yàn)試件置于50℃的溫度環(huán)境中進(jìn)行烘干處理12h后，再將處理后的試件進(jìn)行冷卻至室溫狀態(tài)，其中，烘干處理的溫度需根據(jù)自愈合產(chǎn)物分解溫度進(jìn)行合理確定，并且對(duì)試件進(jìn)行烘干處理后其裂縫表面能夠滿足相應(yīng)的干燥狀態(tài)要求;其次，需要將試驗(yàn)試件置入試件盒中，然后將螺栓對(duì)稱擰緊，以確保試驗(yàn)分析中的氣密性;最后，將氣壓降低至特定壓值后，使氣體從試件的下表面進(jìn)入，并從試件上表面流出，對(duì)試驗(yàn)裝置與試件的接觸部位在試驗(yàn)過(guò)程中需要噴灑肥皂水，以對(duì)試驗(yàn)裝置的氣密性進(jìn)行檢測(cè)，確保其試驗(yàn)操作的有效性。根據(jù)上述操作步驟進(jìn)行試驗(yàn)操作后，結(jié)合流量計(jì)測(cè)量計(jì)取的氣體流量，通過(guò)有關(guān)計(jì)算公式即可對(duì)混凝土的氣體滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲取。

本文進(jìn)行混凝土劈拉開(kāi)裂與裂縫自愈合機(jī)理試驗(yàn)分析中，對(duì)混凝土自愈合機(jī)理的試驗(yàn)環(huán)境，分別以海水與淡水/標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室環(huán)境為條件，對(duì)不同愈合環(huán)境下的試件裂縫自愈合變化規(guī)律進(jìn)行分析，以對(duì)其裂縫自愈合機(jī)理進(jìn)行探析。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1混凝土試件劈拉裂縫形態(tài)與裂口張開(kāi)位移變化分析

根據(jù)上述試驗(yàn)分析方法，首先，在對(duì)混凝土試件的劈拉加載裂縫形態(tài)試驗(yàn)分析中顯示，混凝土試件在劈拉加載作用下的裂縫具有一定的連通性與粗糙性/曲折性特點(diǎn)，其試驗(yàn)分析中的裂縫形態(tài)變化對(duì)混凝土劈裂的真實(shí)裂縫形態(tài)具有較好的體現(xiàn)。其中，混凝土試件劈拉加載試驗(yàn)中，由于其試件中部所承載的拉應(yīng)力表現(xiàn)最為顯著，并且其作用分布較為均勻，因此，混凝土裂縫形成過(guò)程中多會(huì)從試驗(yàn)混凝土試件的中部先發(fā)生開(kāi)裂變化，并根據(jù)劈拉加載的應(yīng)力變化沿垂直方向向上下各邊緣部分進(jìn)行不斷擴(kuò)展，最終在形成混凝土試件的表面主裂縫后，根據(jù)劈拉荷載變化，繼續(xù)產(chǎn)生各種分支與細(xì)小的附屬裂縫。此外，混凝土試件劈拉開(kāi)裂過(guò)程中的裂縫形成與擴(kuò)展速度，和混凝土試件的強(qiáng)度之間也存在較為密切的聯(lián)系，一般情況下，混凝土劈拉加載試驗(yàn)初期由于試件內(nèi)部積累的劈拉應(yīng)力作用與混凝土裂縫開(kāi)裂所需的作用相比較小，因此，其開(kāi)裂變化主要表現(xiàn)為混凝土損傷，對(duì)混凝土試件的滲透性影響基本較小，在混凝土劈拉加載的內(nèi)應(yīng)力作用超出混凝土裂縫所需作用時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂形成，并且混凝土試件的脆性與裂縫擴(kuò)展速度具有一定的一致性。

此外，根據(jù)上述試驗(yàn)方法對(duì)混凝土試件的劈拉加載應(yīng)力與混凝土裂縫張開(kāi)位移變化規(guī)律進(jìn)行分析顯示，混凝土試件的劈拉加載最大位移與卸載位移之間具有相應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，并且能夠根據(jù)這一關(guān)系實(shí)現(xiàn)混凝土試件的劈拉卸載時(shí)間準(zhǔn)確控制，從而對(duì)不同卸載位移的混凝土劈拉應(yīng)力與混凝土裂縫張開(kāi)位移變化關(guān)系進(jìn)行明確，即混凝土試件劈拉開(kāi)裂試驗(yàn)中，在混凝土裂縫達(dá)到預(yù)定寬度時(shí)進(jìn)行卸載，其卸載位移變化呈直線狀態(tài)，這一變化規(guī)律與卸載定律相符合，而在應(yīng)力不斷增加至峰值應(yīng)力前，其位移變化將不呈直線狀態(tài)，并且在該階段進(jìn)行卸載的位移基本能夠得到恢復(fù)。

2.2混凝土試件裂縫自愈合機(jī)理分析

在對(duì)混凝土試件裂縫自愈合機(jī)理試驗(yàn)分析中，通過(guò)開(kāi)展卸載條件下的混凝土裂縫自愈合試驗(yàn)，并對(duì)開(kāi)裂混凝土愈合前后的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，結(jié)果顯示混凝土劈拉強(qiáng)度恢復(fù)與自愈合之間的關(guān)系不夠明顯，由此可見(jiàn)，混凝土劈拉自愈合產(chǎn)物與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度關(guān)系較小，而混凝土裂縫自愈合前后的初始加載剛度和卸載剛度變化較大，表明混凝土裂縫自愈合對(duì)試件剛度恢復(fù)具有一定積極作用，但是其恢復(fù)值和初始剛度相比較小。

3結(jié)束語(yǔ)

總之，對(duì)混凝土劈拉開(kāi)裂和裂縫自愈合機(jī)理研究，有利于促進(jìn)對(duì)混凝土劈拉應(yīng)力下的開(kāi)裂變化及其裂縫形成進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，同時(shí)促進(jìn)對(duì)混凝土裂縫自愈合作用機(jī)理的理解，為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裂縫控制提供參考。

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