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 = ρw3Jf/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。

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