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裂缝对混凝土中水分传输影响研究进展

发表时间：2021/4/15 来源：《建筑科技》2021年1月下作者：谢庆元

[导读] 为了确保混凝土结构服役期间的安全性，裂缝观测是结构维护中不可缺少的手段。目前研究者常采用扫描电子显微镜法、X射线断层扫描成像法（CT）、数字图像处理技术等对裂缝形貌进行观测，这些方法主要是从试件或材料表面辨识裂缝形貌，进而量化表征裂缝形态参数并建立其与混凝土渗透性的关系。

身份证号：4527021982101****6 谢庆元

摘要：为了确保混凝土结构服役期间的安全性，裂缝观测是结构维护中不可缺少的手段。目前研究者常采用扫描电子显微镜法、X射线断层扫描成像法（CT）、数字图像处理技术等对裂缝形貌进行观测，这些方法主要是从试件或材料表面辨识裂缝形貌，进而量化表征裂缝形态参数并建立其与混凝土渗透性的关系。最后，在总结已有研究成果的基础上，分析了开裂混凝土中水分传输研究存在的问题，并对未来可能的研究方向给出了建议。
关键词：混凝土；水分传输；裂缝；耐久性；研究进展
        引言
        混凝土中水分传输包括渗透、毛细吸水、蒸发等多种机制，水分在混凝土内部主要通过气相和液相两种形式进行传输，而不同尺度的微观结构和含水量导致水分在混凝土内部可能发生一种或者多种机制的传输。裂缝形态参数（包括裂缝宽度、密度、长度、粗糙度和迂曲度等）是影响混凝土裂缝中水分传输速度的重要因素。由于裂缝诱导产生方式、养护条件以及水传输测试方法等存在较大差异，获得的混凝土水分传输系数和裂缝宽度阈值等结论尚不统一，甚至存在较多相互矛盾之处。
        1混凝土裂缝观测方法
        1.1染色侵入法
        为获得清晰的混凝土裂缝几何形态，在观测时可采用染料浸渍处理混凝土裂缝表面。采用荧光环氧树脂浸渍裂缝并通过荧光显微镜观测混凝土的裂缝形态。采用极细碳黑染料浸渍混凝土裂缝表面，并利用数字光学显微镜观察裂缝的几何形状。Berrocala开展了钢筋混凝土梁和纤维增强混凝土梁弯曲裂缝的试验，在裂缝中浸渍染色的环氧树脂之后，完成图像处理和分析，进而研究混凝土内部裂缝的形态。Li等在混凝土加热后将环氧树脂浸渍进入其裂缝中并在室温下硬化，采用碳化硅纸抛光试件表面和背散射电子图像分析技术，通过场发射扫描电子显微镜观察超高性能混凝土的裂缝，并通过图像分析进行了表征。染色侵入法的缺点主要是需要在试件表面进行切割、打磨、抛光等操作，表面处理时易造成试件内部的损伤，引入新的裂缝并对水分传输结果产生干扰。
        1.2X射线断层扫描成像法
        X射线计算机断层扫描法是一种有效的无损检测方法，可真实评估完整的三维裂缝几何形态，从而确定裂缝在何处以及如何开始、扩展和合并。Landis等采用X-rayCT研究了砂浆试件的开裂过程。Fan等和Isaka等通过X-rayCT和三维图像重建方法分析了花岗岩的微观孔隙网络变化规律。Wang利用X-rayCT探索了轴向压缩下页岩的裂缝演变过程。
        1.3数字图像处理技术
        与传统的手动观测方法相比，图像处理技术可提供精确的裂缝几何形态或相关参数结果。裂缝观测的处理难度往往取决于图像的尺寸，提高分辨率可获取混凝土裂缝表面的详细图像。Yang等提出了图像分析方法用于捕捉裂缝，该方法可在肉眼看不到裂缝之前检测出混凝土的表面裂缝。Rimkus等利用开发的数字图像处理算法获得对应于裂缝的像素坐标，该算法的主要贡献是实现了裂缝检测的自动化，可以消除传统试验的主观判断误差。Talab提出了图像处理的二值化方法，利用光学荧光显微镜检测图像中的裂缝。Kim基于计算机视觉方法，采用OTSU自动从图像中提取裂缝形态信息。Valen?a综合了图像处理和地面激光扫描技术，用于评估混凝土桥梁中的裂缝。Mohan评述了与裂缝观测相关的50篇文献，总结出图像处理技术自动识别混凝土裂缝形态参数的多种方法。Bayar根据数字图像处理技术，利用机器学习算法测量、监视混凝土裂缝的宽度、长度、深度和几何形状。这种新颖的现代化技术对裂缝观测具有精确、快速、价格低廉的优点，是一种无损观测方法。

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        2混凝土裂缝的类型及形成因素
        2.1干缩裂缝
        干缩裂缝通常出现在混凝土养护两周后，混凝土在外界因素影响下，其内部水分损失较多，造成严重形变，其内部湿度变化较小，其形变程度越小。此类型裂缝多以网状细小裂缝呈现，其宽度约为0.05~0.2mm，针对较薄梁板中，主要以短向延伸分布。干缩裂缝降低混凝土渗透能力，进一步损伤钢筋，使混凝土承载能力、持久性大幅度下降。形成此类裂缝的因素较多，如水泥成分、剂量、水灰比等。
        2.2塑性收缩裂缝
        混凝土凝结冷却之前，若其表面损失水分速率过快，易发生塑性收缩裂缝，此类裂缝多在干热或大风季节，主要形态为中间较宽、两边细长，且没有连续性，长短不一，最短为20~30cm，最长为200~300cm。其主要由于混凝土在完全凝结前，自身未有较强的强度，在外界因素影响下，使其表面水分丢失速率过快，内部湿度短期内发生变化，使混凝土发生较大收缩形变，其强度难以抵挡自身收缩，形成塑性收缩裂缝。其与凝结时间、水灰比、温度等均有关。
        3开裂混凝土水分传输试验研究
        3.1裂缝粗糙度粗糙
        裂缝表面会导致按裂缝宽度计算得出的裂缝面积与水通过的真实面积存在差异。实际混凝土的裂缝表面往往呈现凹凸不平的形貌，给水的流动带来较大摩擦，进而阻碍水分传输。然而部分学者却得出了相反的试验结果。Akhavan采用有机玻璃制备了宽度为10～220μm的裂缝近似模拟开裂的混凝土，采用恒定水头渗透试验测量混凝土的渗透率，光滑裂缝表面试件与粗糙裂缝表面试件测试的水分渗透率相差不超过5.6%。3.2裂缝迂曲度和连通性裂缝的迂曲延长了水分传输路径，降低了开裂混凝土的水分传输速度。Ahmad的试验数据表明，当裂缝的迂曲度小于150时，混凝土的水分渗透系数随迂曲度的增大而减小，但当裂缝的迂曲度超过150时，减小的幅度很小，混凝土可视为具有低渗透性，比如迂曲度τ=149、200、245、275时，水分渗透系数分别为5.2×10-12、4.8×10-12、4.5×10-12、4.1×10-12m/s。Bear发现开裂混凝土的渗透系数与裂缝迂曲度的二次方成反比。Darma借助X-rayCT在原位扩散测试中利用碳酸铯作为示踪剂，研究了开裂混凝土中溶质的传输过程，根据裂缝中示踪粒子的分布给出了溶质的扩散系数。
        3.4裂缝密度
        实际工程结构中，混凝土内部存在多条裂缝目前关于裂缝密度对混凝土水分传输规律影响的研究报道较少。Torrijos对暴露于低湿度或高温条件及受碱－硅反应（ASR）影响的混凝土开展了水渗透试验，得出混凝土渗透性随裂缝密度的增大而逐渐增加的结论，当裂缝密度为0.43cm/cm2时，水分渗透系数达到1.2×10-9m/s。由于裂缝网络的交织，水分润湿锋可贯穿整个试件，并通过水泥基体较容易地在未连接的裂缝之间建立“桥梁”。
        结束语
        水分传输是导致钢筋混凝土结构使用寿命和承载力降低的重要原因，研究裂缝对混凝土中水分传输规律的影响对准确开展钢筋混凝土结构的耐久性设计和使用寿命预测具有重要意义。已有研究表明，裂缝形态对开裂混凝土水分传输产生不同程度的影响，混凝土水分传输系数与裂缝宽度的二次或三次方成正比；裂缝粗糙度的变化对水分传输速度影响很小，裂缝迂曲度的增大和裂缝自愈合会导致开裂混凝土水分传输系数的降低，增加裂缝密度能够提高混凝土的吸水量。
参考文献
[1]穆松，刘建忠.基于混凝土裂缝特征的氯离子传输性质研究进展［J］.硅酸盐学报，2015，43（6）：829-838.
[2]鲍玖文.持载及裂缝对混凝土中水分和氯离子传输性能的影响［D］.大连：大连理工大学，2018.
[3]王海龙，金伟良，孙晓燕.基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型［J］.水利学报，2008，39（7）：863-869.