混凝土抗渗性能研究的现状与进展（五）

4.2疲劳荷载作用下微裂纹扩展对混凝土抗渗性的影响
由于疲劳试验和抗渗试验都是非常复杂的试验，将两者结合起来就更加困难。这方面的报道很少，所以Kamal Tawfiq等人的研究显得尤为珍贵。Kamal Tawfiq等人在参考文献[30]中对循环荷载对混凝土渗透性的影响进行了研究。本研究项目采用了尺寸为150mm ×150mm ×550mm的单边缺口梁，缺口高度为25mm。在弯曲循环载荷下，缺口根部一定范围内会出现微裂纹。研究人员在缺口根部附近预先贴上应变片并埋设空透气性检测探头，在试验中测试空透气性与循环次数的关系，并在缺口根部附近对一些承受循环荷载并产生微裂纹的试件进行钻孔取芯，得到一个带有节理的饼形混凝土试件，然后用这个试件进行透水性测试。研究的主要结论如下:空安装在混凝土应力区的空气渗透计显示出负压的持续损失，可以很好地指示疲劳裂纹的扩展。在裂纹扩展的初始(第一)阶段，早期循环的压力损失率很高；在第二阶段(裂纹扩展阶段)，下降速率大大降低；第三阶段，在试件即将被破坏之前，气压迅速损失，直到测试值为0。在这个阶段(开裂阶段)，混凝土处于非常不稳定的状态，结构随时会被破坏。混凝土的损伤可以表征为结构内部出现大量裂缝，裂缝可以通过空气体渗透值来检测。连续的零读数表明不连续裂缝的严重发展和混凝土基体的破坏。硅灰和粉煤灰等火山灰组分通常会在加载过程中减少混凝土中初始裂缝的形成和扩展范围。对于给定的应力水平S，气体渗透率Kair与循环速度NR之间存在指数关系，表明应力带的渗透阻力随着循环次数的增加呈指数下降。
4.3微裂缝宽度对混凝土抗渗性的影响
我们定性地知道，混凝土渗透系数Kf会随着微裂缝宽度的增大而增大；但是它们之间的数量关系是什么呢？它是研究者关注的焦点之一。
理论上，裂隙块体的渗透率与裂隙宽度W的关系可以用裂隙水流的立方定律来描述，也称为泊肃叶定律；这个关系式来源于人们对未变形块体中理想单裂纹的渗流规律的研究[31，32]。
Q = ρ W3JF/12μ (3)
其中Q为单位时间内通过裂纹截面的流量；ρ是流体的密度；μ是流体粘度；Jf是裂缝中的水力梯度。在这种适用条件下，未变形的块体意味着裂缝的形状和体积不受应力和渗透压力的影响；所谓理想裂纹是指假设裂纹的两壁光滑且相互平行，裂纹长度远大于裂纹宽度W，即所谓平行板状窄裂纹。Alan F1Karr和S1P1Shah在参考文献[33 ~ 35]中研究了混凝土裂缝对渗透性的影响。他们用一个横截面为φ100 × 25mm的圆柱形试件在伺服试验机的作用下进行劈裂试验，在接近圆柱体垂直直径的方向上形成劈裂裂纹。作为反馈控制加载的结果，试样没有分裂，仅产生不同宽度的分裂裂纹，裂纹发展位移(COD)可以通过预先安装的千分表读取和控制。每个试样的裂纹扩展位移(COD)为20 ~ 500微米。荷载撤除后，部分裂缝宽度愈合，剩余裂缝宽度保留。在此残余裂缝宽度下，进行透水试验，根据达西定律得出渗透系数，即可建立裂缝宽度COD与渗透系数K的关系。通过对比普通混凝土和高强混凝土开裂前后的抗渗性能，发现未开裂的高强混凝土的抗渗性能低于普通混凝土。对于宽度小于200μm的裂缝，高强混凝土的渗透系数与普通混凝土几乎相同，但总体来看，HSC的渗透系数略低于NSC。对于大于200μm的COD，NSC的渗透系数增加很快，且NSC的增加速度快于HSC。破裂后渗透率的差异部分是由于不同的卸载行为。
研究荷载引起的微裂纹对渗透率的影响，往往是先加载后卸载，再测渗透率。然而，在加载过程中也观察到不渗透性的变化。例如，日本学者研究了抗压荷载对混杂纤维增强混凝土(HFRC)抗渗性的影响[36]；所谓混杂纤维，就是钢纤维和聚丙烯纤维的混合物。在这项研究中，使用了一种特殊的实验装置。混凝土试件是一个空心形圆管。当载荷沿管的纵向施加时，径向水压施加在管外，以测量通过管壁的流量。虽然这项研究的实验设计很复杂，但遗憾的是从实验中没有得出多少有意义的结论。仅考虑当应力水平低于45%时，素混凝土的渗透性会降低，当应力水平超过45%时，其渗透性会略有增加。当纤维含量低于0.15%时，纤维长径比和纤维体积比对混凝土的抗渗性影响不大。当抗压强度大于17MPa并且单位体积重量大于2.13g/ cm3时，HFRC可以获得足够的水密性。
为了关注抑制混凝土微裂纹扩展的因素及其对混凝土耐久性的影响，作者在文献[37]中研究了机械损伤对混凝土和纤维混凝土抗渗性的影响。通过对素混凝土和纤维混凝土的劈裂试验，分别获得了混凝土和纤维混凝土(纤维掺量1.2%)的P-COD曲线以及不同裂缝宽度(COD)的试件。在研究了试件的力学行为后，进行了带裂缝试件的渗透试验，主要结论如下:
(1)带裂缝试件的渗透试验结果表明，渗流流量与裂缝宽度的关系不服从泊肃叶立方定律(对文献[33]中的数据进行了分析，结果也证实了这一结论)，充分说明了混凝土裂缝渗流的复杂性；
(2)加入钢纤维后，卸载后混凝土的残余裂缝宽度较小；由于高强混凝土与纤维的粘结强度高，相同COD下高强混凝土纤维的拉应力大，纤维弹性伸长比例也大。卸载后COD恢复值大，剩余CODr小。本文随着化学需氧量的发展，分别给出了掺1.2%钢纤维的普通强度混凝土和高强混凝土对残余化学需氧量的影响。在此基础上，可以计算钢纤维对开裂混凝土抗渗性的影响。
(3)通过分析，纤维混凝土的裂缝扩展随着纤维含量的增加而趋于狭窄和密集，特别是在疲劳荷载作用下能够抑制裂缝的扩展；因此，掺纤维混凝土的裂缝扩展模式更有利于混凝土的抗渗性。此外，初步建立了适合描述抗渗性损伤的损伤模型。建议以裂缝的失稳和扩展作为抗渗的极限状态。钢纤维增强的试件，由于钢纤维的有效抑制，大大延缓了裂纹的失稳扩展。因此，从这个角度来看，也证实了钢纤维有利于混凝土的抗渗性。