張 凱

天津大學(xué)仁愛學(xué)院

1 引言

正常使用狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)普遍會存在一定寬度和深度的裂縫，因此按照均質(zhì)材料會高估混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[1]，而同時(shí)Cl-的擴(kuò)散作用會造成鋼筋產(chǎn)生一定的銹蝕，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的下降[2]。因此，通過研究分析Cl-在混凝土內(nèi)的實(shí)際擴(kuò)散過程，能夠?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性評估提供相應(yīng)的理論支撐。

Yuyasakai[3]通過實(shí)驗(yàn)測定了膠凝材料的孔隙結(jié)構(gòu)狀態(tài)，給出了Cl-與孔隙結(jié)構(gòu)間的相對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)修正了相關(guān)系數(shù)。Kwon等[4]以裂縫寬度為研究對象，推導(dǎo)出了開裂混凝土中Cl-擴(kuò)散系數(shù)的均值，對于實(shí)際工程具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。Bjorn[5]則著重分析了垂直于裂縫方向上的Cl-擴(kuò)散情況，并給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。然而，在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，為定量分析裂縫對混凝土Cl-擴(kuò)散性能的影響，制備帶裂縫工作的混凝土試件是需要解決的首要問題。通過總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)，目前國內(nèi)外學(xué)者常采用開裂法產(chǎn)生裂縫，可以歸納為以下四種，即劈裂法[6]、楔入劈拉法[7]、彎曲加載法[8]及膨脹核法[9]。通過應(yīng)用開裂法制備出現(xiàn)的裂縫同實(shí)際狀態(tài)裂縫相比，雖然有相似的曲折度和連通性，但是這種方法并不利于精確控制所出現(xiàn)裂縫的形成和擴(kuò)展，對于開展定量研究工作存在一定的難度。另外通過這種方法，對于隨同主裂縫發(fā)展過程中而產(chǎn)生的各種微裂縫和內(nèi)部損傷亦難以避免。鑒于以上原因，提出一種微創(chuàng)制備裂縫的方法來進(jìn)行定量試驗(yàn)研究，以分析裂縫寬度與裂縫深度對混凝土Cl-擴(kuò)散性能的影響。

2 裂縫產(chǎn)生方法及試件制備

為產(chǎn)生不同寬深的裂縫，定制不同尺寸的高強(qiáng)度不銹鋼鋼片，繼而在Φ100mm×50mm的混凝土圓柱體上產(chǎn)生相應(yīng)裂縫，裂縫寬度分別為0.1mm、0.15mm、0.2mm 及0.25mm，裂縫深度分別為3mm、7mm、11mm 及15mm。利用鑄鐵模具，小心把鋼片精準(zhǔn)嵌固于能夠方便拆卸的試驗(yàn)?zāi)＞咧醒?，在模具逐漸夾緊的同時(shí)，鋼片亦隨之被牢固定位，待實(shí)驗(yàn)所采用的試件達(dá)到齡期后將鋼片拔出，繼而利用切割機(jī)分別切出不同裂縫深度的試件，制備完成的試件見圖1。

圖1 試驗(yàn)試件

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)材料選用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，混凝土配合比見表1，28d 抗壓強(qiáng)度均值為49.0MPa。依照規(guī)范[10]進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程見圖2。

表1 C40混凝土配合比/（kg/m3）

圖2 試驗(yàn)過程

試件電通量通過下式計(jì)算得出：

式中：

Q——為通過試件的總電通量（C）；

I0——初始電流（A）；

It——為在t時(shí)刻的電流（A）。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 電通量計(jì)算結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 裂縫寬度與Cl-電通量的關(guān)系

根據(jù)表2 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，縫寬在0.1-0.2mm 范圍內(nèi)時(shí)，伴隨著縫寬的不斷增加，Cl-擴(kuò)散性能亦逐步增強(qiáng)。但當(dāng)縫寬超過0.2mm 時(shí)，Cl-電通量增長并不明顯，可見縫寬對Cl-電通量的影響閾值為0.2mm，分析原因是當(dāng)縫寬大于0.2mm 時(shí)，裂縫橫向空間相對于Cl-而言已經(jīng)足夠?qū)掗煟藭r(shí)影響Cl-擴(kuò)散性能的關(guān)鍵因素是縱向，也即沿縫深方向的阻礙作用。同時(shí)推測當(dāng)縫寬超過一定范圍時(shí)，裂縫深度對于Cl-擴(kuò)散性能影響的重要程度要大于裂縫寬度，下文將對該推測進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 裂縫深度與Cl-電通量的關(guān)系

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與裂縫寬度不同的是，裂縫深度對Cl-電通量的影響并未出現(xiàn)明顯的閾值，其影響曲線呈明顯上升趨勢，分析原因是伴隨著縫深的不斷增加為Cl-的通過提供了縱向更為便捷的通道，減少了Cl-通過時(shí)縱向的阻礙作用，據(jù)此推斷，當(dāng)裂縫更深時(shí)，Cl-的擴(kuò)散性能也會進(jìn)一步增強(qiáng)。

4.3 影響評價(jià)分析

選用SPSS軟件進(jìn)行主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，置信度為95%，分析結(jié)果可知，縫寬與縫深的Sig.值均處于0.01～0.05范圍內(nèi)，由此說明縫寬、縫深對Cl-電通量的影響均是顯著的。采用SPSS軟件中的線性回歸功能，分析縫寬、縫深二者對Cl-擴(kuò)散性能重要性影響情況，裂縫深度影響系數(shù)達(dá)到了0.59，而裂縫寬度為0.41，證明裂縫深度對于Cl-擴(kuò)散性能影響的重要性要大于裂縫寬度，裂縫深度是影響Cl-擴(kuò)散性能的主要因素，從而驗(yàn)證了上文的試驗(yàn)結(jié)果和分析。

5 結(jié)束語

針對國內(nèi)外應(yīng)用開裂法制備出現(xiàn)的裂縫存在的問題，提出了一種微創(chuàng)制備裂縫的新方法，利用這種方法可以使裂縫寬、深均可控。通過改變試驗(yàn)?zāi)＞叩某叽纭⑿螤罴颁撈膶挾?、厚度，可以?shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)研究中不同寬、深的裂縫制備，以便于進(jìn)行定量分析。試驗(yàn)過程中，縫寬對Cl-擴(kuò)散性能的影響閾值為0.2mm，而縫深對Cl-擴(kuò)散性能的影響并未出現(xiàn)明顯閾值，其影響曲線呈明顯上升趨勢。利用SPSS軟件分析表明，縫寬與縫深對Cl-擴(kuò)散性能的影響均是顯著的，縫深對于Cl-擴(kuò)散性能影響的重要性系數(shù)達(dá)到了0.59，而縫寬為0.41，從而證明了縫深是影響Cl-擴(kuò)散性能的主要因素，研究成果為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估提供了相應(yīng)的理論支撐。

但是，由于試驗(yàn)條件及時(shí)間的限制，試驗(yàn)過程只考慮了Cl-單一因素對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境及實(shí)際工程中，絕大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)還常常伴有其他環(huán)境作用影響，比如碳化作用、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕等，后續(xù)將對以上因素的耦合作用進(jìn)行進(jìn)一步研究分析。