付传清，金南国，金贤玉，田 野

（1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

混凝土结构是土木工程中应用最为广泛的结构形式［1］。由于混凝土自身材料和使用环境的特点，使混凝土结构不可避免地存在耐久性问题。混凝土结构耐久性的理论与试验研究已成为土木工程研究的热点。

混凝土结构在使用阶段通常都是带裂缝工作的，混凝土裂缝尤其是宏观裂缝的存在会缩短侵蚀介质到达钢筋表面的路径，从而加快钢筋锈蚀速度，缩短钢筋混凝土结构的服役寿命［2］。目前，开裂混凝土中侵蚀介质的传输机理尚不够明确，可供参考的研究成果较少。究其原因，混凝土是一种准脆性材料，混凝土开裂后裂缝宽度难以控制，制作带有自然裂缝的混凝土试件存在一定的困难。根据研究需求改进试验方法，使开裂混凝土试件的裂缝参数与真实裂缝一致，有助于得到更有工程应用价值的试验数据［3－5］。本文介绍的试验装置，可以满足该要求，实现裂缝宽度精确控制。

1 传统方法及分析

迄今为止，国内外学者所采用的制作开裂混凝土试件的方法主要有3种：

（1）浇筑混凝土试件时，预先插入一定厚度的薄片，预制混凝土裂缝［6－7］，如图1（a）所示；

（2）混凝土试件达到一定强度后，采用劈拉试验方法使混凝土形成劈拉裂缝［8－9］，如图1（b）所示；

（3）浇筑钢筋混凝土试件时，施加荷载使之产生弯拉应力，受拉区形成裂缝［10－12］，如图1（c）所示。

然而，这些试验方法也存在一些不足：采用预制裂缝法形成的裂缝是一条沿深度方向等宽的裂缝，且裂缝宽度较大；采用劈拉开裂法形成的裂缝往往同时出现多条，难以准确测量单条裂缝宽度，且裂缝为贯穿的通缝，很明显，这与外宽内窄、裂缝壁面粗糙的真实裂缝存在很大不同；采用钢筋混凝土试件形成的裂缝，更适合于开裂混凝土钢筋锈蚀规律的研究。

图1 常用于制作开裂混凝土试件的方法

2 新型试验装置组成

本文的素混凝土试件自然裂缝产生装置包括混凝土试件预应力加载系统、混凝土裂缝扩展控制系统和裂缝宽度测试系统3部分，如图2所示。其中，预应力加载系统由预应力加载钢板、加载螺帽、预应力加载螺杆、应变片和应变测试仪组成；混凝土裂缝扩展控制系统由埋设在混凝土试件底面的预埋控制螺栓、控制螺杆和控制螺帽组成；裂缝宽度测试系统包括附着在混凝土试件侧面的两个测试螺栓、辅助杆和数字千分表。

预应力加载系统对混凝土试件施加预应力，保证素混凝土试件在加载过程中裂缝稳定扩展，防止脆性断裂；裂缝宽度测量系统实时显示混凝土试件加载过程中裂缝宽度大小；混凝土裂缝扩展控制系统保证裂缝到达预定宽度后，在整个实验过程中宽度恒定不变。

图2 试验装置示意图

3 混凝土试件自然裂缝产生过程

用于制作开裂混凝土试件的小梁，其跨中底部预制宽度为0.5～2mm、深度为10～20mm的诱导缝，确保裂缝在裂缝宽度测试系统的测定范围内产生。按照大约1/3跨度的标距布置预埋控制螺栓，大约1/4跨度的标距布置测试螺栓，在养护完成后的混凝土试件上安装数显千分表和控制螺杆，施加预应力荷载。

采用两次加载法使混凝土试件产生自然裂缝：第1次加载采用万能试验机和三分点加载法对试件施加荷载至预定裂缝宽度。由于混凝土受拉区的预应力作用，素混凝土试件不会出现脆性断裂，可以准确控制裂缝稳定开裂、缓慢扩展。第2次加载将试验机卸载，预应力作用使得新形成的裂缝闭合，裂缝宽度接近零；然后卸载螺杆的预应力，去除预应力加载系统，调节控制螺杆上的控制螺帽，则混凝土裂缝可以再次稳定地达到试验机加载时的裂缝宽度，最后固定控制螺杆的螺帽，则混凝土自然开裂裂缝可以固定在该宽度。制作具有较大裂缝宽度的试件时，由于裂缝深度几乎贯穿整个试件高度，需要在裂缝尖端高度处增加一对控制螺杆，防止试件断裂。

4 实际应用

为了验证试验装置的有效性，加工了一套试验装置，用于制作裂缝宽度分别为0.05、0.10、0.15、0.2 mm的开裂混凝土试件。

4.1 混凝土试件制备

开裂混凝土试件的尺寸为75mm×150mm×400mm（宽×高×长），在混凝土试件的跨中沿高度方向预制宽度为0.80mm、深度为150mm的诱导裂缝。浇筑混凝土试件的原材料为：波特兰P.I 52.5水泥，细骨料采用细度模数为2.64的天然河砂、粗骨料选用粒径5～20mm连续级配的碎石、矿粉采用S95级磨细矿渣（比表面积为450m2/kg），以及采用实验室自来水。混凝土的配合比及立方体抗压强度见表1。

表1 混凝土配合比及力学性能

浇筑4个混凝土试件，在标准条件下养护28d，控制螺杆安装示意图及试件照片如图3所示。

图3 控制螺杆安装示意图及试件

4.2 试验装置组装

按照图2要求组装试验装置。预应力加载螺杆由φ12mm的HRB335钢筋加工而成，沿预应力加载螺杆长度中间位置粘贴黄岩测试仪器厂生产的6mm×4mm电阻应变片，采用上海华龙500kN的万能试验机施加荷载，标定预应力螺杆的弹性阶段应力应变关系，采用江苏东华DN3815型电阻应变仪和川牌成量数显千分表，组装完成的预应力加载装置照片如图4。预应力螺杆弹性阶段应力与应变关系为

式中：ε为预应力加载螺杆应变（10－6）；f为预应力加载螺杆中的荷载（kN）。

图4 预应力加载装置照片

4.3 开裂混凝土试件制作

对预应力加载螺杆施加预应力，使混凝土试件的预压应力达到3MPa（计算值）。采用扭矩扳手转动控制螺帽，根据应变仪的读数控制施加预应力值达到目标值。在距离试件底面高度15mm处粘结固定测试螺杆，并安装辅助杆和数字千分表，千分表调零。

将预应力加载装置连同混凝土试件置于万能试验机上，施加荷载，如图5（a）。本次加载产生混凝土裂缝宽度的目标值为0.100mm，通过控制试验机加载速度，裂缝徐徐扩展。从图5（b）上可以看出，裂缝宽度准确达到0.100mm。

先卸载试验机荷载，再卸载加载装置的预应力荷载。此时，已经生成的混凝土裂缝处于闭合状态，千分表读数接近零。采用扭矩扳手由内向外调整控制螺杆上的控制螺帽，由于混凝土裂缝已经生成，调整控制螺帽的过程中混凝土裂缝会再次张开，裂缝宽度可以精准达到0.100mm宽度，如图5所示。

4.4 应用效果分析

按照图6所示的方法记录沿裂缝深度方向裂缝宽度值的分布，目标裂缝宽度分别为0.05、0.10、0.15、0.2mm的开裂混凝土裂缝参数记录于表2中。将其中一个混凝土试件沿裂缝折断，混凝土裂缝断面照片如图7所示。

图5 两次加载过程及裂缝宽度读数

从图6和图7可以看出，自然开裂裂缝沿裂缝深度方向路径曲折，裂缝壁面粗糙、起伏，裂缝壁面可见粗、细骨料。从表2还可以看出：目标裂缝宽度和实际产生裂缝宽度一致，裂缝控制精确；不同缝宽的裂缝对应裂缝深度不同，裂缝外宽内窄。采用该实验装置制作的开裂混凝土试件，裂缝特征显著，与自然开裂裂缝一致。

图6 记录裂缝宽度点位划分

图7 裂缝断面照片

表2 开裂混凝土试件裂缝参数 mm

5 结束语

混凝土试件自然裂缝产生装置原理简单、操作方便，经试验验证所产生的裂缝宽度控制精度较高，生成的裂缝路径曲折、裂缝断面粗糙、外宽内窄，具有显著的自然开裂裂缝特征，解决了以往研究中无法制作带有自然裂缝混凝土试件的问题。该试验方法可操作性强，可广泛应用于研究开裂混凝土中侵蚀介质的传输问题。

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［1］赵国藩，金伟良，贡金鑫.结构可靠度理论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［2］Rodriguez O G，Hooton R D.Influence of cracks on chloride ingress into concrete［J］.ACI Materials Journal，2003，100（2）：120－126.

［3］Fu Chuanqing，Jin Xianyu，Jin Nanguo.Modeling of chloride ions diffusion in cracked concrete［C］//Earth and Space 2010.Hawaii，USA ，2010：14－17.

［4］Ye Hailong，Jin Nanguo，Jin Xianyu，et al.Model of chloride penetration into cracked concrete subject to drying wetting cycles［J］.Construction and Building Material：Construction and Building Materials，2012（36）：259－269.

［5］Ye Hailong，Ye Tian，Jin Nanguo，et al.Influence of cracking on chloride diffusivity and moisture influential depth in concrete subjected to simulated environmental conditions［J］.Construction and Building Materials，2013（47）：66－79.

［6］Marsavina L，Audenaert K，Schutter De G，et al.Experimental and numerical determination of the chloride penetration in cracked concrete［J］.Construction and Building Materials，2009（23）：264－274.

［7］延永东，金伟良，王海龙.饱和状态下开裂混凝土内的氯离子输运［J］.浙江大学学报：工学版，2011（12）：2127－2133.

［8］Wang Kejin，Jansen C Daniel，Shah P Surendra.Permeability study of cracked concrete ［J］.Cement and Concrete Research，1997（27）：381－393.

［9］Djerbi A，Bonnet S，Khelidj A，et al.Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete［J］.Cement and Concrete Research，2008（38）：877－883.

［10］Jaffer S J，Hansson C M.The influence of cracks on chloride－induced corrosion of steel in ordinary portland cement and high performance concretes subjected to different loading conditions［J］.Corrosion Science，2008（50）：3343－3355.

［11］Wittmann H Folker，Zhao Tiejun，Guo Pinggong，et al.Penetration of chloride into cracked concrete［C］//International Conference on Durability of Concrete Structures.Hangzhou，China，2008，172－181.

［12］Win P P，Watanabe M，Machida A.Penetration profile of chloride ion in cracked reinforced concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（7）：1073－1079.