混凝土裂縫產(chǎn)生及分布特征研究

王 軍

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院， 福建 龍海 363100）

在混凝土高pH環(huán)境下，埋置鋼筋(鋼筋)表面形成一層以氧化物和氧-氫氧化物為主的熱力學(xué)穩(wěn)定薄膜，以保護鋼筋不受腐蝕。如氯離子等侵蝕劑的滲透能夠?qū)⑩g化膜轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的氧化物和電化學(xué)穩(wěn)定性較差的非晶態(tài)，從而破壞鈍化膜，從而導(dǎo)致鋼筋隨后的脫氮和腐蝕引發(fā)。隨著腐蝕過程的進行，鋼筋混凝土構(gòu)件受到物理和機械損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷和早期破壞。由于混凝土本身體積的變化或機械載荷的作用，裂紋的存在大大縮短了腐蝕起始階段，為侵蝕離子和水分快速到達鋼筋表面提供了通道。結(jié)果表明，與之相交的鋼筋區(qū)域具有較高的腐蝕活性?；炷恋臋M向或彎曲裂縫 。裂縫類型(橫向或縱向)、裂縫頻率、混凝土覆蓋層、周圍混凝土基體質(zhì)量、裂縫寬度等因素對鋼筋銹蝕的影響較大。

到目前為止是相當(dāng)矛盾的。雖然有幾位研究人員發(fā)現(xiàn)，鋼筋在開裂混凝土中的腐蝕速率隨著裂縫寬度的增加而增加，但其他人發(fā)現(xiàn)這兩種性能之間的相關(guān)性很差。結(jié)果表明，隨著裂紋寬度的增大，鋼筋去鈍化時間縮短，但隨著監(jiān)測時間的延長，該參數(shù)對鋼筋腐蝕活性的控制作用不明顯。

Ebrahimkhanlou, Arvin等[1]研究了預(yù)應(yīng)力混凝土梁裂縫形態(tài)的分布和特征。它主要集中在預(yù)應(yīng)力梁端部區(qū)域形成的裂縫，形成的原因主要是因為預(yù)應(yīng)力傳遞作用（即端部區(qū)域裂縫）以及在隨后的測試中機械荷載的作用而形成的剪切裂縫。在他們的研究中采用制備了大型梁試件并通過彎曲試驗所收集的綜合裂縫模式及實驗數(shù)據(jù)。證明了通過分形分析能夠量化預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中出現(xiàn)的裂縫程度。通過實驗證明分形和多重分形分析都可以用來識別不同裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的發(fā)展。

Zhang, Hongru; Zhao, Yuxi等[2]試驗研究了再生鋼筋混凝土梁在氯離子腐蝕和荷載作用下的梁表面和梁內(nèi)開裂現(xiàn)象，并與天然骨料混凝土梁進行了對比。再生鋼筋混凝土梁的橫向裂紋比天然骨料混凝土梁表面的橫向裂紋多，且這些裂紋的平均擴展深度和寬度均小于天然骨料混凝土梁。在氯離子進入的荷載作用下，由鋼筋腐蝕引起的表面裂紋在再生鋼筋混凝土梁上比在天然骨料混凝土梁上起裂早，擴展快，裂紋寬度明顯增大。在加固梁內(nèi)，發(fā)現(xiàn)荷載/腐蝕引起的裂縫的寬度沿其擴展路徑以一定的速度發(fā)展：梁內(nèi)的寬度發(fā)展模型可能解釋了再生鋼筋混凝土梁和天然骨料混凝土梁在梁表面開裂行為方面的差異。研究還發(fā)現(xiàn)，載荷引起的裂紋與鋼的腐蝕相互影響。盡管在裂縫寬度控制方面，鋼筋混凝土梁的抗荷載開裂能力可接受，但考慮到荷載作用下氯離子的嚴(yán)重腐蝕開裂損傷，鋼筋混凝土梁在氯離子環(huán)境中的結(jié)構(gòu)使用應(yīng)謹(jǐn)慎。

Hay, Rotana; Ostertag等[3]研究了素混凝土及混雜纖維混凝土中的橫向裂縫及其相關(guān)的界面鋼-混凝土損傷對鋼筋腐蝕活性的影響。實驗中的橫向裂紋和界面損傷均是在實驗室條件中引起的。腐蝕速率和腐蝕損傷隨著橫向裂紋的出現(xiàn)而增加，并隨著界面擾動而進一步加劇?；炷林袚饺牖祀s纖維降低了鋼筋的腐蝕比例和質(zhì)量損失，限制了腐蝕引起的劈裂裂縫的擴展和張開。

Aghajanzadeh, S.M.; Mirzabozorg等[4]提出了一種將擴展有限元法與固定涂抹裂紋模型相結(jié)合的方法來模擬混凝土材料的斷裂過程。利用Griffith能量準(zhǔn)則對斷裂過程區(qū)的性質(zhì)進行了描述，并基于斷裂過程區(qū)中的能量耗散，利用彌散裂紋概念對斷裂過程區(qū)內(nèi)部的分布微裂紋進行了建模。在剛度矩陣中加入了一個新的項，采用擴展有限元法方法和固定涂抹裂紋法對位移變化進行了建模。該模型預(yù)測了裂紋的張開和滑動位移，模擬了裂紋的張開和混合模式，并考慮了裂紋的完全分離。該方法描繪了混凝土非線性行為的各個階段，即斷裂過程區(qū)的發(fā)展、微裂紋的分布和宏觀裂紋的形成。結(jié)果表明，該模型雖然采用了固定彌散裂紋的概念，而且克服了應(yīng)力鎖定現(xiàn)象，但仍改善了應(yīng)力傳遞的描述。此外，該模型還能夠模擬混合型斷裂的應(yīng)變軟化行為。

Mikulik, Dean; Linderman等[5]混凝土的退化檢測有可能改善混凝土結(jié)構(gòu)和路面的長期性能和完整性。作為裂紋檢測系統(tǒng)的一部分，導(dǎo)電涂料涂抹后的導(dǎo)電表面?zhèn)鞲衅?，已被證明是有效和適用的。如果這些傳感器將用于暴露在環(huán)境變化中的結(jié)構(gòu)或路面，則必須了解環(huán)境影響對導(dǎo)電表面?zhèn)鞲衅鞅旧淼挠绊憽ikulik, Dean;Linderman等通過兩個實驗來評估溫度和相對濕度對銀基導(dǎo)電涂料和更經(jīng)濟的鎳基導(dǎo)電涂料性能的影響。同時也評價了環(huán)境因素對裂紋敏感性和抗裂性的影響。另一個實驗是考慮了不同的導(dǎo)電涂料在裂紋定位應(yīng)用中的模式。結(jié)果表明，鎳基和銀基導(dǎo)電涂料在裂紋檢測方面性能相當(dāng)，可以在一定的溫度和相對濕度條件下使用。結(jié)果表明，所使用的鎳基和銀基導(dǎo)電涂料涂抹后的導(dǎo)電表面?zhèn)鞲衅鲗植繀^(qū)域的裂紋具有較好的定位效果，對該技術(shù)的應(yīng)用具有廣闊的前景。

盡管混凝土性能在過去20年中有了顯著提高，但混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性仍然是一個主要問題。事實上，雖然混凝土的滲透性已經(jīng)顯著降低，但侵蝕劑仍然可以通過由于收縮或拉伸應(yīng)力造成的裂縫滲透混凝土結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)鋼筋加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制的一種解決方案是纖維混凝土。事實上，纖維增強改善了裂縫之間混凝土部分的拉伸硬化，并允許拉伸應(yīng)力在裂縫面之間傳遞，這使得裂縫距離減少了，并因此減小了裂縫寬度。Tiberti, Giuseppe; Trabucchi, Ivan等[6]對鋼纖維混凝土與鋼筋相結(jié)合，具有較高的強度的裂縫控制進行新的探討。實驗中測試了32個直接張力下的張力帶，特別是鋼纖維混凝土后開裂性能對裂縫形成和發(fā)展的影響。結(jié)果證實，與單純的鋼筋混凝土構(gòu)件相比，平均裂縫間距有所減小。然而，超過 5兆帕左右的裂縫殘余強度，沒有發(fā)現(xiàn)平均裂紋間距明顯減少。

鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因之一。腐蝕等級的測量通常用于評估鋼與混凝土粘結(jié)的后續(xù)減少，但結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性。Mak, Michele Win Tai等[7]研究了一種利用外加電流對試樣進行加速腐蝕測試表面裂紋的方法。采用一種新的密封方法，將混凝土的質(zhì)量損失與裂縫分離開來。結(jié)果表明，與腐蝕程度相比，表面裂紋寬度可以更好地反映混凝土粘結(jié)性能的退化。這些發(fā)現(xiàn)使得在道路等評估測試中，并降低基礎(chǔ)設(shè)施的維護成本。

Dong, Wei; Yuan, Wenyan等[8]約束收縮橢圓環(huán)試驗是評價混凝土早期開裂可能性的一種有效方法，因為橢圓環(huán)比圓形環(huán)能提供更高的約束程度。以不同厚度之鋼圈為約束，在頂?shù)酌娓稍锘蛲庵苊娓稍锵拢瑢σ幌盗袌A形及橢圓形混凝土環(huán)進行測試。通過對比不同幾何條件和干燥條件下的混凝土開裂齡期，揭示了環(huán)幾何條件、約束鋼環(huán)厚度和干燥條件對混凝土環(huán)開裂過程的影響。此外，還利用溫度變化模擬混凝土的收縮效應(yīng)，對圓環(huán)和橢圓環(huán)的斷裂機理進行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，鋼環(huán)厚度的增加可以提高約束程度，從而縮短環(huán)和橢圓環(huán)的開裂時間。然而，對于圓環(huán)來說，這種改進更為顯著。兩種干燥條件下，即頂?shù)酌娓稍锖屯庵苊娓稍锏臄嗔堰^程是完全不同的：對于外周面干燥，裂紋從外周面開始向內(nèi)表面擴展；對于頂?shù)酌娓稍?，裂紋從外周面開始向內(nèi)表面擴展。沿混凝土環(huán)內(nèi)圓周的高度方向，逐步沿徑向擴展，直至裂紋擴展到整個環(huán)壁。在這兩種情況下，混凝土不均勻收縮引起的自約束和內(nèi)鋼圈的外約束都對裂紋擴展產(chǎn)生了驅(qū)動作用。一般來說，與圓環(huán)相比，橢圓環(huán)具有提供更高約束度的優(yōu)點。橢圓環(huán)試驗方法可以補充傳統(tǒng)的環(huán)試驗方法，用于評價抗裂性較高的混凝土的開裂傾向。

Ding, Yining; Liu, Genjin等[9]研究了含鋼纖維（SF）、炭黑（CB）和碳纖維（CF）的混凝土梁在受彎時的力學(xué)性能和自監(jiān)測性能。研究了多相導(dǎo)電材料的使用對混凝土抗壓強度的影響，以及混凝土梁的荷載-撓度-阻抗分?jǐn)?shù)變化（FCI）關(guān)系。研究了裂紋張開位移（COD）與靈敏度（應(yīng)變因子）之間的關(guān)系。此外，利用分形幾何方法對荷載-撓度-阻抗分?jǐn)?shù)變化裂紋張開位移曲線中的信號噪聲進行了定量分析。結(jié)果表明，對于具有撓曲軟化（A組和B組試樣）和撓曲硬化（C組試樣）行為的梁，可以觀察到混凝土梁的荷載-撓度-阻抗分?jǐn)?shù)變化和 cod之間的單調(diào)線性和雙線性增長關(guān)系。與單相導(dǎo)電摻合料（SF）和三相導(dǎo)電摻合料（SF+CB+CF）相比，雙相導(dǎo)電摻合料（SF+CB）提高了FCI-COD曲線的靈敏度，降低了噪聲信號。

鋼筋混凝土等復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性有限元建模仍然是一個挑戰(zhàn)，因為迄今為止，考慮鋼筋與復(fù)合材料脆性基體之間滑動的重要現(xiàn)象的唯一方法是明確地對鋼筋及其界面進行網(wǎng)格化。這種方法雖然被證明是正確的，但在計算非常復(fù)雜而且花費較多，因此只能用它來模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵小單元。Sellier, Alain等[10]用一個鋼筋微分公式直接處理為一個疊加在基體位移場上的連續(xù)場。該方法需要對有限元程序進行少量修改，利用有限元程序與各向異性熱公式的相似性。在分析了該方法的基礎(chǔ)上，給出了兩個理論研究實例，以驗證該方法在不劃分鋼筋網(wǎng)的情況下所得到的結(jié)果，并參考了采用完整的矩陣、鋼筋和界面網(wǎng)格所得到的結(jié)果。

結(jié)論

本文通過介紹混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，以及混凝土裂縫對混凝土內(nèi)部鋼筋和銹蝕影響。研究對比了在不同裂縫寬度，不同裂縫深度，不同材料混凝土中裂縫影響，以及纖維加入混凝土中后對混凝土裂縫的控制和減緩裂縫變大的作用。主要結(jié)論如下：裂縫的產(chǎn)生會對鋼筋的銹蝕有一定的促進作用。在再生混凝土比普通混凝土更容易在相同外力作用下產(chǎn)生裂縫。纖維的加入對裂縫的進一步擴大有很好的限制作用。