混凝土澆筑層面的滲透特性與微裂紋結(jié)構(gòu)特征

錢 鵬，李曙光，徐千軍

（1.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

混凝土澆筑層面的滲透特性與微裂紋結(jié)構(gòu)特征

錢 鵬1，李曙光2，徐千軍1

（1.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

摘要：混凝土的宏觀滲透性能與其內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文開展了一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究混凝土澆筑層面的微裂紋結(jié)構(gòu)及滲透特性。采用不同間隔時(shí)間澆筑形成有層面的混凝土方法制備了6組混凝土試件，分別進(jìn)行宏觀滲透性能試驗(yàn)和熒光顯微結(jié)構(gòu)觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著形成層面的混凝土澆筑間隔時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土的滲透系數(shù)、電通量、初始電流及交流電導(dǎo)都逐漸增大，表明混凝土澆筑層面的抗?jié)B性能逐漸降低；熒光顯微觀測(cè)結(jié)果表明微裂紋長(zhǎng)度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；表征裂紋方向的滲透變量λ曲線亦隨之由圓形逐漸趨向于橢圓，表明裂紋網(wǎng)絡(luò)由各向同性逐漸趨于各向異性，同時(shí)裂紋網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)方向逐漸趨于順澆筑層面方向；滲透變量曲線極值λmax與滲透系數(shù)、初始電流及等效電導(dǎo)隙寬呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.85、0.80和0.95，而λmax與交流電阻呈線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)程度為0.76。

關(guān)鍵詞：混凝土；澆筑層面；滲透特性；熒光顯微；微裂紋結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TV 313

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.13243/j.cnki.slxb.20171262

文章編號(hào)：0559-9350（2018）08-1007-10

收稿日期：2017-12-27；網(wǎng)絡(luò)出版日期：2018-07-24

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20180724.1652.004.html

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFC0804602）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51339003&51409284）；水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研課題（2016-KY-05）；流域水遁環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題（2016TS10&SKL2017CGS05）

作者簡(jiǎn)介：錢鵬（1989-），男，湖北孝感人，博士生，主要從事水工結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)研究。E-mail：chienp@163.com

通訊作者：徐千軍（1967-），男，上海人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水工結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)研究。E-mail：：tsinghua.edu.cn

1 研究背景

碾壓混凝土筑壩技術(shù)以其施工快、投資省等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在施工過程中，由于碾壓混凝土采用了與常態(tài)混凝土不同的施工工藝，薄層攤鋪、振動(dòng)壓實(shí)等工序使碾壓混凝土壩含有許多特殊的“層間弱面”，而澆筑層面結(jié)合情況將直接影響碾壓混凝土壩的抗?jié)B性能和安全運(yùn)行。工程經(jīng)驗(yàn)表明，澆筑層面成型的時(shí)間間隔和層面處理方式是控制層面結(jié)合的關(guān)鍵因素[1-3］。

關(guān)于澆筑層面對(duì)滲透性影響的研究，Banthia等[4］對(duì)公路碾壓混凝土芯樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明層面會(huì)顯著提高碾壓混凝土的滲透性，但養(yǎng)護(hù)條件和層面澆筑厚度對(duì)滲透性沒有明顯影響；朱岳明等[5］根據(jù)室內(nèi)外碾壓混凝土的滲透試驗(yàn)結(jié)果及光滑縫隙層流理論，推導(dǎo)出有關(guān)碾壓混凝土滲透特性分析的理論公式，結(jié)果顯示，碾壓混凝土層面切向與法向的主滲透系數(shù)比可達(dá)2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；沈洪俊[6］對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)取得的試樣進(jìn)行層面滲透特性的室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明在水頭和應(yīng)力的耦合作用下，碾壓混凝土?xí)淖冊(cè)械膶用嫣匦?，而且在高水頭條件下存在著水力劈裂的危險(xiǎn)。

混凝土的宏觀滲透性能與其內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，混凝土微裂紋圖像觀測(cè)分析方法有熒光顯微鏡、掃描電鏡、中子成像及X射線成像等，其中熒光顯微鏡具有較高的精度、較大的視域觀測(cè)范圍及較簡(jiǎn)單的試件預(yù)處理要求，得到廣泛應(yīng)用[7］。Bisschop等[8］采用熒光顯微觀測(cè)骨料對(duì)水泥基材料干縮裂紋的影響，結(jié)果表明骨料的增加會(huì)加深開裂的長(zhǎng)度和深度；Litorowicz[9］基于熒光顯微和圖像分析的方法，研究了冰凍條件下的混凝土裂紋分布形態(tài)，結(jié)果表明裂紋方向隨機(jī)均勻分布，裂紋開度大多數(shù)處于25～100μm的范圍；Li等[10］借助熒光顯微和圖像處理技術(shù)，基于微裂紋定量分析實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土堿骨料損傷的評(píng)價(jià)，結(jié)果表明混凝土損傷量與裂紋密度之間存在著對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.99；Malek等[11］采用熒光顯微技術(shù)研究不同應(yīng)力下的裂紋發(fā)展情況，結(jié)果表明裂紋在應(yīng)力超過極限強(qiáng)度的50%時(shí)才出現(xiàn)，且裂紋的長(zhǎng)度、面積及開度都隨著應(yīng)力的增加而增大。

目前關(guān)于碾壓混凝土澆筑層面影響的滲流試驗(yàn)主要是傳統(tǒng)的室內(nèi)壓水試驗(yàn)，但該試驗(yàn)過程繁瑣耗時(shí)，可以在傳統(tǒng)室內(nèi)壓水滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加直流、交流等電學(xué)測(cè)試，能簡(jiǎn)單快速地從電學(xué)特征判斷澆筑層面的滲透性能?；炷羶?nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定材料性能，物質(zhì)傳輸性能由孔隙、裂紋微結(jié)構(gòu)決定。若深入研究澆筑層面的影響，需要對(duì)澆筑間隔產(chǎn)生的微裂紋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行觀測(cè)分析，可以采用熒光顯微鏡對(duì)澆筑層面的微裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析，建立微裂紋特征參數(shù)與宏觀滲透性之間的聯(lián)系。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試樣制備試驗(yàn)采用金隅42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料為花崗巖，篩選后的最大骨料粒徑16 mm；細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，屬于中砂；水為普通自來水。混凝土配合比及初、終凝時(shí)間見表1。

表1 混凝土配合比及初、終凝時(shí)間

澆筑間隔時(shí)間是影響混凝土層面結(jié)合質(zhì)量的重要因素。本文試件采用分層澆筑方式，先澆筑至1/2，間隔一段時(shí)間之后再澆筑剩余1/2，而且澆筑剩余1/2混凝土?xí)r，在拌和物中摻入0.5%的惰性染色劑，以便于區(qū)分澆筑層面位置。根據(jù)試件的初、終凝時(shí)間，間隔時(shí)間安排為0、3、6、9、12和15 h等6種，分別代表實(shí)際施工過程中出現(xiàn)的本體、熱縫、溫縫和冷縫，不同間隔時(shí)間試件的編號(hào)分別為D0h、D3h、D6h、D9h、D12h和D15h，試件的組別和澆筑層面類型如表2所示。

表2 混凝土試件組別和澆筑層面類型

按照配合比稱取各個(gè)組份的重量并進(jìn)行混合攪拌，模具尺寸有兩種，分別為?100 mm×200 mm的圓柱和100 mm×100 mm×100 mm的立方體，靜置24 h后拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2℃，相對(duì)濕度RH≥95%）。達(dá)到7 d齡期時(shí)，取出圓柱試件進(jìn)行切割，去除首尾兩部分以消除澆筑的影響，中間部分切割成3塊?100 mm×50 mm；同樣地取出立方試件進(jìn)行切割，保留100 mm×100 mm×30 mm的含澆筑層面切片，處理后的圓柱試樣和立方試樣如圖1所示。試驗(yàn)齡期設(shè)置為28 d。

圖1 混凝土試件

圖2 混凝土壓水滲透試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方案對(duì)?100 mm×50 mm的圓柱試樣分別進(jìn)行壓水滲透、直流電通量及交流電阻率等滲透性試驗(yàn)，分析澆筑層面對(duì)宏觀滲透性能的影響。同時(shí)，使用熒光顯微鏡法觀察澆筑層面的微觀結(jié)構(gòu)，揭示澆筑層面微裂紋結(jié)構(gòu)特征。

（1）壓水滲透試驗(yàn)。試件裝置如圖2所示，水力梯度方向順著澆筑層面。試驗(yàn)開始后先設(shè)置水壓0.5 MPa，然后逐級(jí)設(shè)置水壓1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 MPa，稱量特定時(shí)間段內(nèi)流入量筒中的水量，通過下式計(jì)算滲流系數(shù)[12］：

式中：Kw為滲透系數(shù)，m/s；Q為滲流流量，m3/s；A為試件的橫截面積，m2； ?P為壓力梯度，Pa/m；η為啟動(dòng)壓力梯度，Pa/m。

（2）直流電通量試驗(yàn)。直流電通量法是關(guān)于混凝土抗氯離子滲透能力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，操作簡(jiǎn)單且應(yīng)用范圍廣。試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，在電極間施加60 V直流電，記錄測(cè)試開始1 min中時(shí)的電流作為初始電流I0，每隔5 min記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，持續(xù)6 h。在試驗(yàn)過程中，除選擇規(guī)范推薦的6 h電通量Q外，還選擇初始電流I0作為表征試件的離子傳輸性能的評(píng)價(jià)參數(shù)[13］。

（3）交流電阻試驗(yàn)。交流電阻試驗(yàn)需要在試驗(yàn)開始前對(duì)試件真空飽鹽處理（1mol/L NaCl溶液），從真空容器取出后擦拭至飽和面干狀態(tài)，后將試件夾與兩片紫銅電極之間，在電極和試件表面之間墊飽鹽1mol/NaCl濾紙，降低界面影響，最后選擇頻率為10 kHz的交流信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）熒光顯微試驗(yàn)。將混凝土試樣的切片進(jìn)行打磨、清洗和干燥后置于密封箱中，然后啟動(dòng)真空泵直至箱內(nèi)真空度達(dá)到極限真空度，最后灌入熒光環(huán)氧樹脂浸漬[10］。環(huán)氧樹脂硬化后取出切片并將其表面殘留的環(huán)氧打磨、清洗，干燥后將經(jīng)過浸漬染色的切片置于熒光顯微成像系統(tǒng)的載物臺(tái)上獲取切片內(nèi)的微裂紋圖像，并經(jīng)系統(tǒng)自帶的圖像拼接軟件完成圖像拼接。

3 滲透試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓水滲透系數(shù)混凝土滲流流速隨壓力梯度的變化規(guī)律如圖3所示，由于D0h、D3h、D6h滲透系數(shù)較小，在圖3中顯示不夠清楚，故將三者另繪制為圖4。

圖3 壓水滲透試驗(yàn)結(jié)果

圖4 壓水滲透試驗(yàn)結(jié)果局部放大

從圖3可以看出，隨著壓力梯度的增加，滲流流速有增大的趨勢(shì)。觀察D9h、D12h兩組試件的滲流規(guī)律，在0.2 MPa/cm壓力梯度時(shí)的滲流流速小于0.03 cm/h，但壓力梯度升至0.3 MPa/cm時(shí)，滲流流速出現(xiàn)陡增，其中D9h增大約10倍，D12h增大約50倍。這可能是因?yàn)闈仓g隔時(shí)間較長(zhǎng)，澆筑層面間的黏結(jié)較弱，當(dāng)壓力梯度增大到一定程度時(shí)發(fā)生水力破壞，澆筑層面出現(xiàn)損傷而使得滲流通道增加，滲流流速出現(xiàn)陡增。對(duì)于間隔時(shí)間最久的D15h試件，當(dāng)壓力梯度很小時(shí)，滲流流速也是D0h～D6h的幾十甚至上百倍，此時(shí)的澆筑層面可以看作是開度很小的裂縫。對(duì)于D9h～D15h試件，壓力梯度大于0.4 MPa后，滲流流速隨著壓力梯度的增大而降低，可能是水力破壞層面附近的微結(jié)構(gòu)后堵塞部分滲流通道所致。

從圖4可以看出，隨著壓力梯度的增加，滲流流速持續(xù)增大，而且呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。對(duì)于含有澆筑層面的D3h和D6h試件，擬合曲線經(jīng)過原點(diǎn)，服從經(jīng)典Darcy滲流；對(duì)于不含澆筑層面的D0h試件而言，擬合曲線并未經(jīng)過原點(diǎn)，存在啟動(dòng)壓力梯度η，服從非達(dá)西滲流。將D0h的擬合曲線延長(zhǎng)與橫軸相交，得到啟動(dòng)壓力梯度在0.14 MPa/cm左右，當(dāng)滲透儀設(shè)置的壓力梯度小于η時(shí)，滲流速度為零。

按式（1）計(jì)算滲流曲線直線段的斜率，得到澆筑層面的滲透系數(shù)，D0h～D15h試件的滲透系數(shù)（×10-11m/s）分別為0.15、1.78、3.04、3.59、3.88和55.86，隨著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，澆筑層面的滲透系數(shù)逐漸增大。

3.2 直流電通量及初始電流直流電通量試驗(yàn)的結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出，澆筑層面對(duì)試件電通量和初始電流的影響明顯，隨著層面澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，電通量和初始電流逐漸增大。對(duì)于電通量，以D0h作為對(duì)照組，D3h、D6h、D9h、D12h和D15h分別是對(duì)照組的1.16、1.25、1.27、1.28和1.54倍；對(duì)于初始電流，以D0h作為對(duì)照組，D3h、D6h、D9h、D12h和D15h分別是對(duì)照組的1.06、1.14、1.16、1.20和1.28倍。隨著澆筑層面間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，電通量和初始電流越大，表明澆筑層面結(jié)合情況越差，而且電通量較初始電流對(duì)澆筑層面的影響更敏感。

圖5 直流電通量試驗(yàn)結(jié)果

3.3 交流電阻及等效電導(dǎo)隙寬交流電阻試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，交流電阻隨層面澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，相應(yīng)的電導(dǎo)（電阻的倒數(shù)）緩慢增大，表明澆筑層面的滲透性逐漸提高。

表3 不同混凝土澆筑層面的交流電阻

宏觀滲透試驗(yàn)表明，澆筑間隔會(huì)形成層間薄弱面，澆筑層面可看作具有一定滲透寬度的貫穿裂縫，成為滲透的集中通道。對(duì)于壓水滲透試驗(yàn)而言，滲透寬度稱為水力隙寬[5］，而對(duì)于離子滲透試驗(yàn)而言，滲透寬度可稱為“電導(dǎo)隙寬”[14］。本文基于交流電阻率試驗(yàn)的結(jié)果得到澆筑層面的電導(dǎo)率，對(duì)應(yīng)的澆筑層面等效電導(dǎo)隙寬模型如圖6所示，其中σm表示混凝土本體的電導(dǎo)率，σc表示含澆筑層面混凝土的電導(dǎo)率，σl表示電解液的電導(dǎo)率，前兩者需要試驗(yàn)確定，而電解液電導(dǎo)率選擇特定條件下的數(shù)值，即試驗(yàn)溫度為25℃時(shí)，1 mol/L NaCl的電導(dǎo)率為5.80 S/m。試件尺寸用B表示，電導(dǎo)隙寬用b表示，根據(jù)電通量守恒可以得到：

由于試件尺寸遠(yuǎn)大于電導(dǎo)隙寬，即B?b，故有B-b≈B，則澆筑層面的等效電導(dǎo)隙寬為：

按照式（3）計(jì)算得到澆筑層面的等效電導(dǎo)隙寬，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，澆筑層面的等效寬度隨澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。對(duì)于初凝前澆筑的試件，澆筑層面的等效寬度少于10μm；對(duì)于初、終凝之間澆筑的試件，澆筑層面的等效寬度在22～38 μm；對(duì)于終凝之后澆筑的試件，澆筑層面的等效寬度在50～60 μm，接近實(shí)際混凝土的微裂紋寬度。

圖6 澆筑層面的等效電導(dǎo)隙寬模型

表4 澆筑層面的等效電導(dǎo)隙寬

4 熒光顯微試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 微裂紋分布試驗(yàn)選擇間隔時(shí)間為3 h、6 h、9 h、12 h及15 h的混凝土，將相應(yīng)的切片進(jìn)行熒光顯微鏡觀測(cè)，觀測(cè)區(qū)域100 mm×60 mm，利用熒光顯微圖像觀察及存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土微裂紋圖像的尋找、觀察和存儲(chǔ)，最后基于程序QUANSMIC實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維圖像微裂紋的識(shí)別和提取。QUANSMIC系統(tǒng)對(duì)微裂紋圖像處理流程見圖7，主要包括二值化模塊、形狀分析模塊和骨架化模塊等三個(gè)部分[17］。

圖7 微裂紋圖像的處理流程

二值化模塊的功能是利用圖像分割技術(shù)將微裂紋區(qū)域識(shí)別提取，并轉(zhuǎn)化為二值圖像；形狀分析模塊對(duì)微裂紋區(qū)域的二值圖像進(jìn)行形狀分析，去除噪聲和孔隙，只保留微裂紋；骨架化模塊用單位像素寬度的線條來表征微裂紋的形狀和尺寸。最后將骨架化后的微裂紋圖像導(dǎo)入AutoCAD系統(tǒng)中，采用線段將微裂紋標(biāo)識(shí)出來，并導(dǎo)出線段的信息，進(jìn)而分析裂紋網(wǎng)絡(luò)的幾何參數(shù)。

不同澆筑層面試件的熒光顯微圖像及微裂紋骨架如圖8所示，需要強(qiáng)調(diào)的是，在試驗(yàn)觀測(cè)過程中，D9h試樣圖像有缺損，導(dǎo)致微裂紋分布圖像比其他試件“低矮”。從圖8可以看出，隨著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，澆筑層面“痕跡”越來越明顯，特別是當(dāng)澆筑間隔時(shí)間處在初凝后，澆筑處逐漸顯示出薄弱的“痕跡”，微裂紋在澆筑層面附近逐漸趨于連通。

水泥顆粒的水化反應(yīng)順序?yàn)橛杀砑袄铮S著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，下層混凝土的凝結(jié)硬化越來越充分，澆筑層面的接觸方式越有可能變成下層硬化水泥漿表面與上層漿體的直接接觸，使得層面的化學(xué)膠結(jié)越來越差，微裂紋逐漸增多甚至連通。使用顯微鏡或掃描電鏡對(duì)澆筑層面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明相比于內(nèi)部混凝土，澆筑層面附近的水化產(chǎn)物較為松散且結(jié)晶程度較高，連通孔隙較多[4，15］。澆筑間隔時(shí)間越長(zhǎng)，澆筑層面的膠結(jié)越差，導(dǎo)致層面附近的孔隙越來越多并逐漸連通，最終形成熒光顯微試驗(yàn)中看到的澆筑層面“痕跡”。

圖8 不同試件的熒光顯微觀結(jié)果（熒光顯微圖像（左圖）；微裂紋骨架（右圖））

4.2 裂紋長(zhǎng)度在觀測(cè)二維裂紋網(wǎng)絡(luò)過程中，發(fā)現(xiàn)在微裂紋的形貌非常復(fù)雜，在統(tǒng)計(jì)裂紋網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣髦校仨毢雎粤鸭y在較小范圍內(nèi)的曲折度以簡(jiǎn)化分析，采用分段直線段來等效替換，如圖9所示。具體而言，分段直線化處理時(shí)需要關(guān)注平面內(nèi)的微裂紋“拐點(diǎn)”，圖9中A、B兩點(diǎn)為“拐點(diǎn)”。拐點(diǎn)前后的裂紋直線段夾角為α，當(dāng)α＞45°時(shí)，需要分段直線化替代實(shí)際裂紋，而當(dāng)α＜45°時(shí)，只需按裂紋直線化走向至下個(gè)“拐點(diǎn)”即可。

圖9 裂紋長(zhǎng)度的分段直線化處理

將圖8中不同混凝土澆筑層面的微裂紋骨架圖像導(dǎo)入AutoCAD中，按照分段直線化的方式處理，從0開始以0.5 mm為步長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)處于觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的微裂紋長(zhǎng)度，然后計(jì)算出相應(yīng)的分布概率并繪制頻率分布柱狀圖，結(jié)果如圖10所示。

圖10中的連續(xù)實(shí)線表示的是依據(jù)參數(shù)μ和σ的最大似然估計(jì)值及長(zhǎng)度區(qū)間的取值得到的分布概率曲線，對(duì)統(tǒng)計(jì)分布直方圖的估計(jì)效果非常好。對(duì)不同澆筑層面的微裂紋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布來描述直線裂紋的長(zhǎng)度分布效果均很好，可以認(rèn)為澆筑層面的微裂紋長(zhǎng)度分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，這與文獻(xiàn)中混凝土的損傷裂紋分布保持一致[16-17］。

圖10 澆筑層面微裂紋的長(zhǎng)度特征

微裂紋長(zhǎng)度的分布參數(shù)（均值μ、方差σ）如表5所示。從表5可以看出，隨著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，除D12h突增外，微裂紋長(zhǎng)度均值μ呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但微裂紋長(zhǎng)度方差σ對(duì)澆筑層面并不敏感。對(duì)數(shù)正態(tài)分布均值μ的結(jié)果表明，隨著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋開裂程度增大，在澆筑層面處更容易生成連通裂紋網(wǎng)絡(luò)。

表5 混凝土微裂紋的長(zhǎng)度特征參數(shù)

圖11 裂紋方向

4.3 裂紋方向裂紋的方向并不能完全體現(xiàn)裂紋對(duì)特定方向滲透性的貢獻(xiàn)，因?yàn)闈B透性的貢獻(xiàn)不僅僅取決于裂紋取向，還與裂紋長(zhǎng)度相關(guān)。單條裂紋與平面坐標(biāo)系的關(guān)系如圖11所示，x軸為壓力梯度方向，裂紋半長(zhǎng)度為ai，自x軸起逆時(shí)針的夾角θ，定義變量綜合考慮裂紋長(zhǎng)度和裂紋取向?qū)B透性的貢獻(xiàn)，沿裂紋方向的滲透變量為[18］：

按照式（4）的定義，根據(jù)識(shí)別提取的裂紋長(zhǎng)度和方向信息，可以生成裂紋λ值的極坐標(biāo)圖。當(dāng)壓力梯度方向平行于裂紋取向時(shí)，λ取最大值λmax；當(dāng)壓力梯度方向垂直于裂紋取向時(shí)，λ取最小值λmin。定義ω為裂紋網(wǎng)絡(luò)的各向異性程度，具體公式如下：

當(dāng)ω=0時(shí)，裂紋網(wǎng)絡(luò)各向同性；當(dāng)0＜ω＜1時(shí)，裂紋網(wǎng)絡(luò)沿某個(gè)方向優(yōu)勢(shì)分布；當(dāng)ω=1時(shí)，裂紋網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)微裂紋方向相同。

在平面范圍內(nèi)，以一定的角度間隔變換壓力梯度方向，計(jì)算360°范圍內(nèi)在各個(gè)角度上的λ值。滲透變量的極坐標(biāo)圖中，沿0°方向表示順澆筑層面方向，90°方向表示垂直澆筑層面方向；極坐標(biāo)圖的極徑大小反映裂紋網(wǎng)絡(luò)的開裂程度；λ值曲線越趨向于圓形，則表示裂紋網(wǎng)絡(luò)越趨于各向同性，而λ值曲線越趨向于扁橢圓形，則表示裂紋網(wǎng)絡(luò)越趨于各向異性。不同澆筑層面的λ值分布如圖12所示，相應(yīng)的裂紋方向特征參數(shù)如表6所示。

圖12 澆筑層面微裂紋的λ極坐標(biāo)

從圖12和表6可以看出，隨著澆筑層面間隔時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，λ值曲線由趨于圓形逐漸變?yōu)橼呌诒鈾E圓形，表明裂紋網(wǎng)絡(luò)方向由趨于各向同性逐漸變?yōu)橼呌诟飨虍愋?。裂紋網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)方向逐漸趨于水平零度角方向，即順著澆筑層面方向。滲透變量曲線的極值半徑λmax隨著層面間隔時(shí)間而逐漸增大，表明裂紋網(wǎng)絡(luò)開裂程度逐漸增大。

表6 混凝土微裂紋的方向特征參數(shù)

4.4 微裂紋結(jié)構(gòu)特征與宏觀滲透性能的相關(guān)性本文選擇滲透變量的極值半徑λmax表征裂紋網(wǎng)絡(luò)特征，分析裂紋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征與宏觀滲透性能參數(shù)（包括滲透系數(shù)、初始電流、交流電阻及澆筑層面等效電導(dǎo)隙寬等）之間的相關(guān)性，不同參數(shù)間的相關(guān)性如圖13所示。由于D15h的澆筑層面已接近宏觀的貫穿裂縫，已經(jīng)超出微裂紋結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性影響的考慮范疇，在處理極值半徑與滲透系數(shù)的關(guān)系時(shí)略去此點(diǎn)。

從圖13中可以看出，裂紋網(wǎng)絡(luò)的極值半徑λmax與表征滲透性能的各試驗(yàn)參數(shù)呈線性相關(guān)，λmax與滲透系數(shù)、初始電流及等效電導(dǎo)隙寬呈線性正相關(guān)，相關(guān)程度分別為0.85、0.80和0.95，而λmax與交流電阻呈線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)程度為0.76。

5 結(jié)論

圖13 裂紋網(wǎng)絡(luò)特征與滲透性能之間的相關(guān)性

澆筑間隔時(shí)間是影響混凝土層面結(jié)合質(zhì)量的重要因素，本文制備6組不同澆筑層面的試件，分別進(jìn)行宏觀滲透性能試驗(yàn)和熒光顯微結(jié)構(gòu)觀測(cè)，研究結(jié)果如下：（1）在傳統(tǒng)壓水滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加電學(xué)試驗(yàn)，以水分和離子的傳輸能力表征澆筑層面的滲透性能。隨著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土的滲透系數(shù)、電通量、初始電流逐漸增大，交流電阻逐漸降低（電導(dǎo)率增大），表明混凝土澆筑層面的滲透性越來越高，結(jié)合質(zhì)量越來越差?；陔娡渴睾憧梢缘玫降臐仓用娴刃щ妼?dǎo)隙寬，隨著澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，澆筑層面的等效電導(dǎo)隙寬逐漸增大。熱縫的等效隙寬低于10 μm，溫縫的等效隙寬范圍為22～38 μm，冷縫的等效隙寬范圍為50～60 μm。（2）熒光顯微可以觀測(cè)混凝土澆筑層面的微裂紋結(jié)構(gòu)。隨著間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，微裂紋在層面附近逐漸趨于連通；微裂紋長(zhǎng)度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，隨著層面間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，分布均值μ呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；滲透變量λ表征裂紋取向，隨著層面間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，λ值曲線由圓形逐漸趨向于橢圓，表明裂紋網(wǎng)絡(luò)由各向同性逐漸趨于各向異性，而且優(yōu)勢(shì)方向逐漸趨于澆筑層面。（3）澆筑層面的微裂紋結(jié)構(gòu)與宏觀滲透性能存在較好的線性相關(guān)性。極值半徑λmax表征微裂紋網(wǎng)絡(luò)的密集程度，λmax與滲透系數(shù)、初始電流及等效電導(dǎo)隙寬呈線性正相關(guān)，相關(guān)程度分別為0.85、0.80和0.95，而λmax與交流電阻呈線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)程度為0.76。

Permeability and micro-cracks of concrete layer interfaces

QIAN Peng1，LI Shuguang2，XU Qianjun1
（1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：The permeability of a concrete is closely related to its internal micro-cracks.This paper pres?ents an experimental study focusing on characterizing micro-cracks within concrete layer interfaces and ex?amining its effect on the permeability of the concrete.Six concrete specimens were prepared with layer inter?faces formed by placing the concrete at different time intervals.Permeability tests were performed and mi?cro-cracks of the concrete layer interfaces were characterized through fluorescence microscopic observation.The results show that the specimens will have greater permeability if they have layer interfaces formed by longer time intervals， may indicating higher opening of the layer interfaces.Consequently， higher charge passed，initial current and AC conductivity are also observed with the longer intervals.The fluorescence mi?cro-images reveal that the length of micro-cracks obeys logarithmic normal distribution.A parameter λ，quantifying the orientation of micro-cracks，indicates the micro-crack distribution changes from isotropic to anisotropic with increasing time interval of concrete placement.Meanwhile，the predominant direction of mi?cro-cracks tends to follow the layer interface.The maximum value， λmax，is positively linearly correlated with permeability coefficient，initial current and equivalent conductive width， with correlation coefficients of 0.85， 0.80 and 0.95， respectively.Whereas， λmax is negatively linearly correlated with AC resistance，with a correlation coefficient of 0.76.

Keywords：concrete；layer surface；permeability；micro-cracks；fluorescence microscopy

（責(zé)任編輯：王冰偉）