4 　服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化

　　前面已经提到，对于混凝土结构而言，并非是仅仅满足了一些外加剂、掺合料及水灰比方面的要求，就能够保证耐久性能。这是因为混凝土在工作中要承受各种荷载和变形；混凝土在荷载、变形和气候作用下，微结构性能会逐步劣化，表面及内部产生微裂纹；而混凝土的开裂通常导致渗流通道相互连接并且增加混凝土的渗透性，这种由于裂纹扩张导致的渗透性的增加使得更多的水和有害化学成分渗入混凝土中，引起混凝土性能的进一步劣化、开裂。这样一个链式反应: 劣化———开裂———可渗性增加———进一步劣化，终将导致混凝土结构的毁灭性破坏。Shah and Wang 根据一个目前仍在进行的广泛研究的初步结果，给出了混凝土微结构、渗透性能、开裂和耐久性之间的关系。指出在耐久混凝土配合比设计中要考虑三个标准：强度、渗透性和抗裂能力[ 24 ] 。

4.1 　静载荷下微裂纹扩展对混凝土抗渗性的影响

    在定性分析荷载与变形作用对混凝土抗渗性能的影响机理方面，人们是很容易达成共识的。比较权威的观点是：在外加荷载施加之前，在砂浆与骨料界面之间就存在粘结裂缝，在砂浆和骨料本身，也存在微裂纹，但这些微裂纹与粘结裂纹相比是微不足道的； Slate ， F1O1 ，and K1C1Hover1 在文献[25 ]认为：在所施加的荷载不超过极限荷载的30 %之前，粘结裂纹的增量可以忽略不计；如果荷载进一步增加，粘结裂纹不论是在宽度还是在长度方面都将随之增加。荷载达到70 %～ 90 %极限荷载时，在砂浆内部的微裂纹已经发展延伸，开始连接粘结裂纹；如果是高强混凝土，此时在骨料中也已经开始产生微裂纹；这样就在混凝土内部形成了一个复杂的裂纹网络。T1Hsu 等在文献[26 ]中指出，连续裂纹在混凝土内部的散布延伸导致混凝土体积的增加。这意味着混凝土内部形成了大于毛细管尺寸的内部孔、空隙系统。这将为气体、液体及可溶解固体在混凝土内部迁移提供了潜在的通道。

    如此看来，似乎受到载荷作用的混凝土的抗渗性能受到极大地削弱是确定无疑的了。其实不然，定性分析是一回事，要得到为工程界承认的定量的结论又是另一回事。目前不同的研究者根据各自试验结果得到的结论还不十分一致。Samaha ，H1R1 ，and K1C1Hover 在文献[27 ]得出结论，砂浆裂纹发展的严重程度决定了混凝土对水流通过其内部的抵抗能力。当压缩静荷载值小于75 %极限荷载时，荷载引起的微裂纹对混凝土的输送性能( transportproperty) 的影响不大。当荷载超出此值后，混凝土对水流及离子运动的抵抗能力减小20 %左右。Ludirdja ，D1 ， R1L1Berger ， and J1F1Young 在文献[28 ]进行了加载及渗透性试验来评价外荷载造成的混凝土内部损伤。在对试件进行水渗透性试验之前，试件受到90 %极限荷载作用；结果表明:虽然此时已经在混凝土内部产生了显著的微裂纹，但水渗透性的增加值却不高。Abdy Kermanit[ 29 ] 对三种配合比的圆柱体试件在应力水平S = 0 、0.3 、0.4 、0.5 、0.6 、017 的情况下进行了压缩试验，施压时持荷五分钟，然后对试件进行压力水渗透试验；结果发现:在应力水平为0.4 时， 混凝土的渗透性最小，应力水平超过014 ，混凝土渗透性急剧增加，当应力水平从0.4 变化到0.7 时，渗透系数从小于4 × 10 - 13变化到大于5 ×10 - 11ms - 1 。

    笔者认为，上述研究结论之所以相差如此悬殊，试验条件的不同是一个重要原因。不同的荷载形式对抗渗性能的影响是不同的。举例说，圆柱形试件在径向受压力的情况下，其纵轴方向的抗渗性能将由于上述荷载的存在而提高，因为径向荷载使得材料内部纵向的毛细孔受到压缩，水流通过纵向毛细孔变得更困难了。由此不难想象，同样研究压缩荷载对抗渗性能的影响，实验机压头对试件横向变形的约束程度不同，对试验结果的影响会很大。

4.2 　疲劳荷载下微裂纹扩展对混凝土抗渗性能的影响

    由于疲劳试验与抗渗试验都是非常复杂的试验，将二者复合起来研究更是难上加难，鲜见有这方面研究的报导，所以Kamal Tawfiq 等人的研究就显得尤为珍贵。Kamal Tawfiq 等人在文献[ 30 ]中进行了循环荷载作用对混凝土渗透性能的影响研究， 该研究项目采用了尺寸为150mm ×150mm ×550mm 的单侧缺口梁，缺口高度为25mm ， 在弯曲循环荷载作用下缺口根部一定范围内将出现微裂纹。研究人员事先在缺口根部附近贴有应变片并且埋设有空气渗透性探测探头，在试验中测试空气渗透性随循环次数的变化关系，并且对一些承受了循环荷载产生微裂纹的试件在缺口根部附近钻孔取芯，得到圆饼状的带缝混凝土试件，然后以该种试件测试水渗透性。研究获得的主要结论为: 安设在混凝土应力区的空气渗透仪气压表上显示出负压的不断损失，能够很好地表示疲劳裂纹的扩展。在裂纹扩展的初始(第一) 阶段，循环初期的压力损失速率很高；在第二阶段(裂纹扩展阶段) ，下降速率极大地降低；在第三阶段，试件即将破坏前，气压损失迅速直至测试值为0 。在该阶段(开裂阶段) ，混凝土处于非常不稳定的状态，随时会发生结构破坏。混凝土的破坏可以由结构内部的大量开裂为表征，开裂则可通过空气渗透值所检测。持续的零读数表明不连续裂纹的严重发展和混凝土基体的破坏。像硅灰和粉煤灰这样的火山灰成分通常减少混凝土在加载期间初始裂纹的形成及其扩展的范围。对于给定的应力水平S ，空气渗透率Kair与循环率NR 之间存在指数关系，这表明随着循环次数增加，应力区的抗渗透能力呈指数规律递减。

4.3 　微裂纹宽度对混凝土抗渗性能的影响

    我们已经定性地确知混凝土渗透系数Kf 会随着微裂纹宽度的增加而增大；但二者之间定量关系如何? 是研究人员关注的目标之一。

    理论上讲，带裂隙块体的渗透能力与裂纹宽度w 的关系可以由著名的裂隙水流立方定律来描述，也称为Poiseuille 定律；这个关系来自于人们对不变形块体中理想单裂隙的渗流规律的研究[ 31 ，32 ] 。

q = ρw³J_f/12μ    (3)

    式中，q 为通过裂隙断面的单位时间流量；ρ为流体的密度；μ 为流体黏度；Jf 为裂隙中水力梯度。该式适用条件中，不变形块体是指裂隙形状、体积不受应力及渗透压力的影响；所谓理想裂隙是指假定裂隙两壁面光滑且相互平行，裂隙长度远大于裂隙宽度w ，即所谓平行板状窄裂缝。Alan F1Karr 和S1P1Shah 等人在文献[33～35 ]中考察了混凝土裂缝对渗透性能的影响。他们采用截面尺寸为φ100 × 25mm 的圆柱体试件，在伺服试验机作用下进行劈裂试验，在接近圆柱体垂直直径方向形成了劈裂裂纹，由于采用了反馈控制加载(feed backcontrol) ，试件并不发生劈裂破坏而仅仅产生不同宽度的劈裂裂纹，通过事先安设的千分表，可以读取并且控制裂纹开展位移(COD) ；对于所试验的各个试件，取裂纹开展位移(COD) 为20～500 微米不等。在卸除荷载后，部分裂纹宽度将愈合并保留残余开裂宽度。在此残余开裂宽度下，进行抗水渗透性试验，根据达西定律求出渗透系数，并且可以建立开裂宽度COD 与渗透系数K 之间的关系。该项研究对普通混凝土(NSC) 与高强混凝土(HSC) 的开裂前后抗渗性能进行比较后发现，未开裂的高强混凝土渗透性小于普通混凝土；对于宽度小于200μm 的裂纹，高强混凝土与普通混凝土有几乎一致的渗透系数，但总体来说，HSC 的渗透系数略低于NSC ， 对于大于200μm 的COD ，渗透系数迅速增加，且NSC 的增加速度比HSC 快，开裂后材料渗透性能的差距部分来自于卸载行为的不同。

    研究荷载产生的微裂纹对渗透性的影响，往往是加载后卸载，再测量渗透性。但也有观察加载过程中抗渗性能变化的情况。例如日本学者研究了混杂纤维增强混凝土( Hybrid Fiber Reinforced Concrete ，简称HFRC) 在受压缩荷载作用下抗渗性能产生的影响[ 36 ] ；所谓混杂纤维是钢纤维和聚丙烯纤维的混合物。在这项研究中使用了特殊的实验装置，混凝土试件为空心圆管状，沿着圆管纵向施加荷载的同时，在圆管外施加径向水压，测量穿越管壁的流量。该项研究的试验设计虽复杂，遗憾的是试验所获得的有意义的结论却不多，只是认为:在低于应力水平45 %的情况下，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；在纤维掺量低于015 % 时情况下，纤维长径比和纤维体积率对混凝土抗渗性能的影响不大；当抗压强度大于17MPa、单位体积重量大于2.13g/ cm3 ， HFRC 就能获得足够水密性。

    出于对抑制混凝土微裂纹扩展因素及其对混凝土耐久性影响的关注，笔者在文献[37 ]中研究了力学损伤对混凝土与纤维混凝土抗渗性能的影响；在研究中，通过对素混凝土与纤维混凝土进行劈裂试验，分别获得了混凝土与纤维混凝土(纤维率1.2 %) 的P —COD 关系曲线和具有不同裂纹宽度(COD) 的试件；在对试件的力学行为进行研究之后，对带裂隙试件进行了渗透试验，主要研究结论如下:

(1) 对带裂纹试件进行的渗透试验结果表明:渗透流量与裂纹宽度之间不服从Poiseuille 立方定律(对文献[33 ]中的数据进行分析，结果也证实了这一结论) 。这充分说明了混凝土裂隙渗流问题的复杂性；

(2) 掺入钢纤维后，混凝土卸载后的残余裂宽小；由于高强混凝土与纤维之间的粘结强度高，同样COD 下高强混凝土的纤维所受的拉应力大，纤维弹性伸长所占的比重也大，卸载后COD 的恢复值也就大，残余CODr 小。本文分别给出了随COD 的发展，普通强度混凝土和高强度混凝土掺1.2 %钢纤维后残余CODr 所受到的影响，据此可以推算钢纤维对开裂混凝土抗渗性能的影响；

(3) 经过分析，纤维混凝土的裂纹扩展随着纤维掺量的增加从宽而疏趋向于窄而密， 尤其能够抑制疲劳荷载下的裂纹扩展；因此，掺入纤维后混凝土的裂纹扩展方式更有利于混凝土抗渗。此外，研究中初步建立了适合描述抗渗性能所受到的损伤的损伤模型；提出:对于抗渗问题应该以裂纹的失稳扩展作为极限状态；有钢纤维增强的试件，由于钢纤维的有效抑制，极大地延缓了裂纹的失稳扩展，因此，从这个角度也证实了钢纤维有利于混凝土抗渗。

4.4 　时间因素对带裂隙混凝土抗渗性能的影响

    与龄期对混凝土抗渗性能的影响略有不同，带裂隙混凝土的渗透性随时间递减是由于裂孔隙逐渐被水流带动的物质所堵塞。文献[29 ]在对试件施以高水压后在试件底部发现了水泥和其它淤积粒子，说明内部开裂面产生了脱落粒子，部分被冲出裂隙，剩余部分将使水流通道逐渐狭窄。文献[29 ，3 ，37 ] 的试验结果都证实:渗透持续时间对渗流量有很大影响，总体上说渗流量随时间由大趋小。文献[38 ]专门研究了混凝土裂纹随时间增长自动愈合的问题，认为:渗透流量与裂纹宽度之间在考虑修正系数后是服从Poiseuille 立方定律的，但随着渗流时间的增长，渗流规律会发生变化；该文对裂纹断面进行了化学和矿物学分析，结果表明混凝土内部的结晶状碳酸钙粒子逐渐析出，堵塞了渗流通道，最终流量只有原流量的1 %～ 20 % ，最终流量取决与裂纹宽度和水压。

    笔者认为，混凝土内物质的析出固然降低渗透性，但物质析出可能降低混凝土内部的碱环境，这对耐久性本身是不利的；而且物质大量析出会影响强度。如何综合评价混凝土裂缝自动愈合现象对混凝土耐久性的影响，是一个值得进一步研究的问题。目前，我国试验标准给出了混凝土抗冻试验指标与耐久性指标之间的关系，但抗渗性能指标与耐久性之间却没有建立联系；可以考虑进行这方面的研究，使得非寒带地区评价混凝土耐久性更加有章可寻。

4.5 　其它因素

    此外，还有关于混凝土的养护条件、孔结构等因素对抗渗性能影响的文献[ 39 ，40 ] 。但这些文献往往只能进行定性的探讨，且这些定性的结论又往往是人们所熟知的，令人振奋的结论不多。产生这些问题的原因之一是影响因素难以定量描述；因此，有待于适合的数学工具与这些问题进行结合研究。笔者认为，对于混凝土孔结构对抗渗性能的影响问题，如果与适合于描述杂乱无章事物的分形几何理论进行结合，可能获得进展。

5 　总结

    本文回顾了混凝土抗渗性能研究的研究历程，对研究现状进行了阐述，并对研究中出现的某些问题的产生原因进行了分析，此外，对某些可能取得突破的发展方向进行了展望，主要结论如下:

(1) 目前各种试验测试方法各有优缺点，不存在某种方法绝对强于另一种方法的说法。近年来，国外在一项研究中同时进行水渗透性、氯化物渗透性、空气渗透性测试、然后分别讨论试验结果的情况增多，可以认为这是一种趋势；

(2) 由于高效减水剂等的广泛应用，混凝土水灰比趋低，混凝土在服役初期其抗渗性能往往是有保障的。混凝土的抗渗性能研究应该进一步关注荷载作用和微裂纹扩展的影响；在研究材料组分、尤其是比较传统的组分对抗渗性能的影响时，也要更多地结合时间因素和服役环境来考虑才更有意义；总之，考虑混凝土在服役环境中抗渗性能的劣化，是混凝土抗渗性能研究的一个发展方向。对于混凝土孔结构对抗渗性能的影响问题，如果与适合于描述杂乱无章事物的分形几何理论进行结合，可能获得进展；

(3) 在研究荷载作用对混凝土抗渗性能的影响这一问题的过程中，荷载的作用形式对试验结果的影响非常大，目前不同研究人员的研究结论之所以相差如此悬殊，试验条件不同是一个主要原因；因此，在研究具体问题时应尽可能使试验边界条件与实际相符合；

(4) 应该建立抗渗性能指标与耐久性指标之间的联系，为用抗渗实验结果科学评价混凝土耐久性提供依据。

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