蔣小旦，韓依璇，陳偉

（1.常州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 常州 213024；2.在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

0 引言

外部侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土材料和鋼筋發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)[1-3]，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、鋼筋銹蝕、耐久性下降，從而對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成巨大危害。由此可見，密實(shí)性對(duì)混凝土材料的耐久性能具有重要的影響?？?jié)B性反映了侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的難易程度，可用于評(píng)價(jià)混凝土的密實(shí)性，與混凝土的抗腐蝕、抗凍融、抗裂能力密切相關(guān)[4]?；炷恋臍怏w滲透性反映了氣體等外部介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的能力，它與混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。裂縫在混凝土中的產(chǎn)生和發(fā)展通過改變混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)果表明，宏觀裂縫會(huì)導(dǎo)致滲透率增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于復(fù)雜預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)并不能保證所有結(jié)構(gòu)均勻封閉現(xiàn)有的裂縫，甚至在某些情況下會(huì)加劇裂縫的產(chǎn)生[7-8]。應(yīng)用氣體來評(píng)估滲透率的變化比液態(tài)水更適合于精確反應(yīng)應(yīng)力對(duì)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(xué)作用，會(huì)導(dǎo)致水滲透率比氣體低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，這種現(xiàn)象通常會(huì)掩蓋裂紋的增長(zhǎng)或閉合[9]。Hoseini等[10]開發(fā)了用于研究在巴西劈裂試驗(yàn)過程中測(cè)量水流演變的試驗(yàn)裝置，將宏觀裂縫近似為2個(gè)不光滑的平行板之間的空間。研究結(jié)果顯示，隨著軸向荷載裂縫中水流強(qiáng)度單調(diào)增加，平均裂紋寬度區(qū)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(duì)于傳輸性而言，存在所謂“閾值開裂效應(yīng)”的裂縫，通常假定在25～100μm作為極限值，在該值以下水的流動(dòng)不受裂縫存在的影響。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)宏觀裂縫混凝土中水和氣體的流動(dòng)研究較多，但現(xiàn)有的試驗(yàn)方法無法充分證明該閾值的存在。

因此，本文對(duì)宏觀裂縫的測(cè)量采用全新的方法，并采用氣體和液態(tài)水作為流體進(jìn)行滲透性的測(cè)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(guān)系，以及圍壓對(duì)液態(tài)水滲透性的影響，為研究宏觀裂縫提供可參考依據(jù)和技術(shù)方面的拓展。

1 實(shí)驗(yàn)

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(chǎn)的HME-IV混凝土高效膨脹劑，其化學(xué)組成如表1所示。細(xì)集料：江西彭澤中砂，細(xì)度模數(shù)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)的潤(rùn)強(qiáng)絲粗聚丙烯纖維，密度1.60 g/cm3，直徑1 mm，長(zhǎng)度30.0 mm，斷裂強(qiáng)度509 MPa，初始模量12.11 GPa。

表1 HME膨脹劑化學(xué)組成 %

試驗(yàn)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(zhǎng)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(fā)，在（20±5）℃環(huán)境下靜置24 h后拆模并移至溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d，在水磨機(jī)上進(jìn)行鉆芯取樣?；炷翚怏w滲透性試驗(yàn)采用統(tǒng)一的直徑為50 mm，高為100 mm的圓柱體試件。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備

將圓柱形試件在60℃烘箱加熱至質(zhì)量恒定后，確定此時(shí)為干燥狀態(tài)。取其中編號(hào)為1、2、3的3個(gè)試件進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)（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(yàn)

1.3.2 閉合裂縫測(cè)量裝置

試驗(yàn)利用特別設(shè)計(jì)的LVDT裝置測(cè)量閉合裂縫的振幅。為了測(cè)量裂縫在不同圍壓作用下的開閉情況，采用4臺(tái)處在垂直于試件縱軸平面內(nèi)且沿徑向相對(duì)放置并互成90°角的LVDT位移傳感器進(jìn)行測(cè)量。4臺(tái)LVDT位移傳感器安裝在特制臺(tái)架上，置于壓力室內(nèi)，位移計(jì)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(cè)量裂縫開閉情況示意

如果對(duì)應(yīng)傳感器1、2、3、4的相對(duì)位移分別為δ1、δ2、δ3、δ4，則裂縫的開合度CC通過式（1）計(jì)算得到。

1.3.3 滲透性試驗(yàn)

采用基于準(zhǔn)定常流動(dòng)的混凝土氣體滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖3所示，該裝置用于測(cè)量不同環(huán)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(nèi)部，采用高壓伺服泵維持穩(wěn)定靜水壓力（圍壓），氣體以單向準(zhǔn)定常狀態(tài)沿x方向在試件內(nèi)部流動(dòng)，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(yàn)過程中氣體流動(dòng)滿足達(dá)西定律，平均進(jìn)氣壓為Pm=Pi-（△Pi/2），沿x方向一維氣體滲透率表達(dá)式為：

式中：μ——?dú)怏w黏度系數(shù)，氬氣在20℃下的取2.2×10-5Pa·s。

圖3 準(zhǔn)定常方法測(cè)量氣體滲透性示意

在試驗(yàn)過程中，上游氣體注入壓力選擇為1.5 MPa，使用LVDT設(shè)備對(duì)每個(gè)大裂紋試件進(jìn)行了裂紋位移測(cè)量，最大限制水平為45 MPa。

液態(tài)水滲透試驗(yàn)同樣采用準(zhǔn)定常流動(dòng)方法進(jìn)行，高壓伺服泵提供穩(wěn)定注水壓力0.5 MPa，置于壓力室內(nèi)部的試件承受3MPa靜水壓力，以確保液態(tài)水沿x方向一維流動(dòng)。出口端采用封閉式水收集系統(tǒng)，利用精度為0.01 g的天平測(cè)量每天出水量。液態(tài)水滲透性k按式（3）計(jì)算：

式中：μ——水動(dòng)力黏度系數(shù)。

2 結(jié)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(gè)試件的初始?xì)怏w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(gè)試件的初始裂縫寬度規(guī)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(shì)，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(nèi)大幅減小，由2.56×10-15m2降至3.68×10-17m2，降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。此后隨著圍壓的增大，氣體滲透率繼續(xù)呈降低趨勢(shì)，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(shí)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(guī)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(nèi)大幅減小，由2.42×10-15m2降至5.00×10-17m2，同樣降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。此后隨著圍壓的增大試件氣體滲透率仍呈降低趨勢(shì)，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(nèi)大幅減小，由3.40×10-14m2降低到4.60×10-16m2，也降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。繼續(xù)增大圍壓試件氣體滲透率仍保持降低趨勢(shì)，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(guī)律基本相似。在圍壓從初始值增大到20 MPa左右時(shí)均降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，繼續(xù)增大圍壓試件氣體滲透率雖然繼續(xù)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(yuǎn)小于加載段下降幅度。這一結(jié)論與裂縫開合度隨圍壓變化規(guī)律基本相似，同時(shí)可以說明，圍壓在20 MPa時(shí)試件氣體滲透率達(dá)到閾值，超過這一圍壓氣體滲透率很難繼續(xù)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(gè)粗糙面在圍壓作用下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和相互擠壓，產(chǎn)生塑性形變，造成2個(gè)粗糙面“粘結(jié)”，即使卸載圍壓，這部分形變也難以恢復(fù)，因此，試件氣體滲透率在卸載段維持在一個(gè)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(duì)應(yīng)的關(guān)系，同一個(gè)圍壓值可能對(duì)應(yīng)2個(gè)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(gè)試件在圍壓加卸載全過程的氣體滲透率對(duì)應(yīng)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(shì)，降低速率均呈現(xiàn)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(nèi)呈折線式上升趨勢(shì)，最后以遠(yuǎn)大于前2個(gè)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(cè)量最小精度，造成測(cè)量數(shù)據(jù)不夠平滑；（2）加載段最大圍壓達(dá)到45 MPa，在較高的圍壓作用下裂縫兩表面之間可能產(chǎn)生“粘合效應(yīng)”，造成卸載時(shí)氣體滲透率可能在某一裂縫開合度下發(fā)生突變。

（2）試件3初始裂縫寬度遠(yuǎn)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(shì)和其他2個(gè)試件相同；且試件3初始?xì)怏w滲透率遠(yuǎn)大于試件1、試件2，但加載結(jié)束后3個(gè)試件氣體滲透率的數(shù)量級(jí)均在10-17左右，因此，為了研究裂縫寬度變化對(duì)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(gè)試件在圍壓卸載階段氣體滲透率對(duì)應(yīng)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?。芽p張開）而呈現(xiàn)的3個(gè)變化階段：緩慢平滑上升、折線式上升、急劇上升階段?？梢婋m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(guān)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(duì)濕度對(duì)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(nèi)部的通路，使得外部環(huán)境中具有一定溫濕度的氣體更容易進(jìn)入，在裂縫表面形成水蒸氣蒸發(fā)凝結(jié)的動(dòng)態(tài)過程。通過上述采用惰性干燥氬氣進(jìn)行氣滲試驗(yàn)后，在50℃的條件下進(jìn)行相對(duì)濕度為92%的濕空氣注入試驗(yàn)，并且持續(xù)2、12和22d。在濕空氣持續(xù)注入階段結(jié)束后，進(jìn)行干燥氬氣的氣體滲透試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。

由圖7（a）可以看出，試件3的第1次試驗(yàn)結(jié)果表明持續(xù)的潮濕氣體滲透階段對(duì)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(shì)是在圍壓不斷增大的過程中會(huì)顯著減小。濕空氣注入22d后，氣體滲透性稍低于前2個(gè)注入階段，宏觀裂縫內(nèi)部通路附著部分液態(tài)水而改變流體流動(dòng)路徑。為了驗(yàn)證裂縫內(nèi)部水分對(duì)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(xù)注入常溫下同等相對(duì)濕度的空氣，然后將試件環(huán)境溫度升至60℃停止注入濕空氣，促使裂縫內(nèi)部水分快速蒸發(fā)。在上述2種操作之后分別測(cè)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(jié)果，裂縫中的水分被充分蒸發(fā)。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(duì)滲透性起到主導(dǎo)作用，環(huán)境的溫濕度的變化對(duì)裂縫內(nèi)部造成的滲流通路的影響是暫時(shí)的。

2.4 液態(tài)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(tài)水的液面。實(shí)際工程環(huán)境中裂縫有可能被完全濕潤(rùn)，內(nèi)部形成阻斷氣體流通的水膜，當(dāng)外加靜水壓力梯度或者材料內(nèi)部孔隙彎液面導(dǎo)致的毛細(xì)壓力梯度的驅(qū)動(dòng)下，液態(tài)水分將發(fā)生滲透?jìng)鬏?。?duì)于大多數(shù)非飽和水泥基材料來說，毛細(xì)壓力梯度往往起主要作用。毛細(xì)壓力梯度是由于含水率存在梯度而產(chǎn)生的，從數(shù)學(xué)上近似地將含水率梯度視作水分傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力，此時(shí)液態(tài)水分傳輸?shù)乃俣瓤梢圆捎盟謹(jǐn)U散率來描述，且水分傳輸?shù)目刂品匠膛c嚴(yán)格意義上的擴(kuò)散方程在數(shù)學(xué)表達(dá)形式上完全一致。依據(jù)多孔介質(zhì)非飽和流動(dòng)理論，水分在多孔介質(zhì)內(nèi)部的滲透?jìng)鬏斔俣瓤梢圆捎盟譂B透率來表征。為此，對(duì)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(jìn)行水滲透試驗(yàn)（見圖8、圖9）。

圖8 混凝土試件3液態(tài)水滲透過程中流量變化曲線

圖9 混凝土試件3液態(tài)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(gè)階段，滲流初期是液態(tài)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(shì)；中期滲流過程中體積流量基本保持穩(wěn)定，裂縫內(nèi)部已經(jīng)充分飽和；后期，從第8 d開始，體積流量呈現(xiàn)有規(guī)律的遞減。結(jié)合圖9中液態(tài)水滲透性變化曲線，滲透率和體積流量有規(guī)律地遞減，14d后液態(tài)水滲透性從9×10-17m2下降到2×10-17m2，并且液態(tài)水滲透性遠(yuǎn)低于氣體滲透性（1×10-15m2）。混凝土試件3在前期已經(jīng)經(jīng)過了多個(gè)圍壓加卸載循環(huán)的試驗(yàn)，在液態(tài)水滲透性中的低圍壓不會(huì)造成宏觀裂縫的徐變效應(yīng)，即開合度基本保持不變，因此滲透率（和體積流量）的持續(xù)下降與混凝土中未水化的水泥顆粒產(chǎn)生新的水化反應(yīng)，并改變裂縫形貌有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）雖然巴西劈裂試驗(yàn)產(chǎn)生的隨機(jī)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(huán)中的“滯回效應(yīng)”反應(yīng)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(duì)應(yīng)的關(guān)系，同一圍壓可能對(duì)應(yīng)不同的裂縫開合度。同時(shí)，試件氣體滲透率與圍壓之間也不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，同一個(gè)圍壓值可能對(duì)應(yīng)不同的氣體滲透率值。

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