钱 鹏，李曙光，徐千军

（1.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

混凝土浇筑层面的渗透特性与微裂纹结构特征

钱 鹏1，李曙光2，徐千军1

（1.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

摘要：混凝土的宏观渗透性能与其内部微裂纹结构密切相关。本文开展了一系列室内试验研究混凝土浇筑层面的微裂纹结构及渗透特性。采用不同间隔时间浇筑形成有层面的混凝土方法制备了6组混凝土试件，分别进行宏观渗透性能试验和荧光显微结构观测。试验结果表明：随着形成层面的混凝土浇筑间隔时间延长，混凝土的渗透系数、电通量、初始电流及交流电导都逐渐增大，表明混凝土浇筑层面的抗渗性能逐渐降低；荧光显微观测结果表明微裂纹长度服从对数正态分布；表征裂纹方向的渗透变量λ曲线亦随之由圆形逐渐趋向于椭圆，表明裂纹网络由各向同性逐渐趋于各向异性，同时裂纹网络的优势方向逐渐趋于顺浇筑层面方向；渗透变量曲线极值λmax与渗透系数、初始电流及等效电导隙宽呈线性正相关，相关系数分别为0.85、0.80和0.95，而λmax与交流电阻呈线性负相关，相关程度为0.76。

关键词：混凝土；浇筑层面；渗透特性；荧光显微；微裂纹结构

中图分类号：TV 313

文献标识码：A

doi：10.13243/j.cnki.slxb.20171262

文章编号：0559-9350（2018）08-1007-10

收稿日期：2017-12-27；网络出版日期：2018-07-24

网络出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20180724.1652.004.html

基金项目：国家重点研发计划课题（2017YFC0804602）；国家自然科学基金重点项目（51339003&51409284）；水沙科学与水利水电工程国家重点实验室自主科研课题（2016-KY-05）；流域水遁环模拟与调控国家重点实验室课题（2016TS10&SKL2017CGS05）

作者简介：钱鹏（1989-），男，湖北孝感人，博士生，主要从事水工结构和岩石力学研究。E-mail：chienp@163.com

通讯作者：徐千军（1967-），男，上海人，教授，博士，博士生导师，主要从事水工结构和岩石力学研究。E-mail：：tsinghua.edu.cn

1 研究背景

碾压混凝土筑坝技术以其施工快、投资省等优点，在世界范围内得到广泛应用。在施工过程中，由于碾压混凝土采用了与常态混凝土不同的施工工艺，薄层摊铺、振动压实等工序使碾压混凝土坝含有许多特殊的“层间弱面”，而浇筑层面结合情况将直接影响碾压混凝土坝的抗渗性能和安全运行。工程经验表明，浇筑层面成型的时间间隔和层面处理方式是控制层面结合的关键因素[1-3］。

关于浇筑层面对渗透性影响的研究，Banthia等[4］对公路碾压混凝土芯样进行室内渗透试验，结果表明层面会显著提高碾压混凝土的渗透性，但养护条件和层面浇筑厚度对渗透性没有明显影响；朱岳明等[5］根据室内外碾压混凝土的渗透试验结果及光滑缝隙层流理论，推导出有关碾压混凝土渗透特性分析的理论公式，结果显示，碾压混凝土层面切向与法向的主渗透系数比可达2～3个数量级；沈洪俊[6］对施工现场取得的试样进行层面渗透特性的室内试验，结果表明在水头和应力的耦合作用下，碾压混凝土会改变原有的层面特性，而且在高水头条件下存在着水力劈裂的危险。

混凝土的宏观渗透性能与其内部微裂纹结构密切相关，混凝土微裂纹图像观测分析方法有荧光显微镜、扫描电镜、中子成像及X射线成像等，其中荧光显微镜具有较高的精度、较大的视域观测范围及较简单的试件预处理要求，得到广泛应用[7］。Bisschop等[8］采用荧光显微观测骨料对水泥基材料干缩裂纹的影响，结果表明骨料的增加会加深开裂的长度和深度；Litorowicz[9］基于荧光显微和图像分析的方法，研究了冰冻条件下的混凝土裂纹分布形态，结果表明裂纹方向随机均匀分布，裂纹开度大多数处于25～100μm的范围；Li等[10］借助荧光显微和图像处理技术，基于微裂纹定量分析实现对混凝土碱骨料损伤的评价，结果表明混凝土损伤量与裂纹密度之间存在着对数相关关系，相关系数为0.99；Malek等[11］采用荧光显微技术研究不同应力下的裂纹发展情况，结果表明裂纹在应力超过极限强度的50%时才出现，且裂纹的长度、面积及开度都随着应力的增加而增大。

目前关于碾压混凝土浇筑层面影响的渗流试验主要是传统的室内压水试验，但该试验过程繁琐耗时，可以在传统室内压水渗透试验的基础上，增加直流、交流等电学测试，能简单快速地从电学特征判断浇筑层面的渗透性能。混凝土内部的微观结构决定材料性能，物质传输性能由孔隙、裂纹微结构决定。若深入研究浇筑层面的影响，需要对浇筑间隔产生的微裂纹网络进行观测分析，可以采用荧光显微镜对浇筑层面的微裂纹结构进行量化分析，建立微裂纹特征参数与宏观渗透性之间的联系。

2 试验过程

2.1 试样制备试验采用金隅42.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料为花岗岩，筛选后的最大骨料粒径16 mm；细骨料采用天然河砂，细度模数2.9，属于中砂；水为普通自来水。混凝土配合比及初、终凝时间见表1。

表1 混凝土配合比及初、终凝时间

浇筑间隔时间是影响混凝土层面结合质量的重要因素。本文试件采用分层浇筑方式，先浇筑至1/2，间隔一段时间之后再浇筑剩余1/2，而且浇筑剩余1/2混凝土时，在拌和物中掺入0.5%的惰性染色剂，以便于区分浇筑层面位置。根据试件的初、终凝时间，间隔时间安排为0、3、6、9、12和15 h等6种，分别代表实际施工过程中出现的本体、热缝、温缝和冷缝，不同间隔时间试件的编号分别为D0h、D3h、D6h、D9h、D12h和D15h，试件的组别和浇筑层面类型如表2所示。

表2 混凝土试件组别和浇筑层面类型

按照配合比称取各个组份的重量并进行混合搅拌，模具尺寸有两种，分别为ϕ100 mm×200 mm的圆柱和100 mm×100 mm×100 mm的立方体，静置24 h后拆模并放入标准养护室（温度20±2℃，相对湿度RH≥95%）。达到7 d龄期时，取出圆柱试件进行切割，去除首尾两部分以消除浇筑的影响，中间部分切割成3块ϕ100 mm×50 mm；同样地取出立方试件进行切割，保留100 mm×100 mm×30 mm的含浇筑层面切片，处理后的圆柱试样和立方试样如图1所示。试验龄期设置为28 d。

图1 混凝土试件

图2 混凝土压水渗透试验装置

2.2 试验方案对ϕ100 mm×50 mm的圆柱试样分别进行压水渗透、直流电通量及交流电阻率等渗透性试验，分析浇筑层面对宏观渗透性能的影响。同时，使用荧光显微镜法观察浇筑层面的微观结构，揭示浇筑层面微裂纹结构特征。

（1）压水渗透试验。试件装置如图2所示，水力梯度方向顺着浇筑层面。试验开始后先设置水压0.5 MPa，然后逐级设置水压1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 MPa，称量特定时间段内流入量筒中的水量，通过下式计算渗流系数[12］：

式中：Kw为渗透系数，m/s；Q为渗流流量，m3/s；A为试件的横截面积，m2； ∇P为压力梯度，Pa/m；η为启动压力梯度，Pa/m。

（2）直流电通量试验。直流电通量法是关于混凝土抗氯离子渗透能力的标准试验方法，操作简单且应用范围广。试验准备就绪后，在电极间施加60 V直流电，记录测试开始1 min中时的电流作为初始电流I0，每隔5 min记录试验数据，持续6 h。在试验过程中，除选择规范推荐的6 h电通量Q外，还选择初始电流I0作为表征试件的离子传输性能的评价参数[13］。

（3）交流电阻试验。交流电阻试验需要在试验开始前对试件真空饱盐处理（1mol/L NaCl溶液），从真空容器取出后擦拭至饱和面干状态，后将试件夹与两片紫铜电极之间，在电极和试件表面之间垫饱盐1mol/NaCl滤纸，降低界面影响，最后选择频率为10 kHz的交流信号进行试验。

（4）荧光显微试验。将混凝土试样的切片进行打磨、清洗和干燥后置于密封箱中，然后启动真空泵直至箱内真空度达到极限真空度，最后灌入荧光环氧树脂浸渍[10］。环氧树脂硬化后取出切片并将其表面残留的环氧打磨、清洗，干燥后将经过浸渍染色的切片置于荧光显微成像系统的载物台上获取切片内的微裂纹图像，并经系统自带的图像拼接软件完成图像拼接。

3 渗透试验结果与分析

3.1 压水渗透系数混凝土渗流流速随压力梯度的变化规律如图3所示，由于D0h、D3h、D6h渗透系数较小，在图3中显示不够清楚，故将三者另绘制为图4。

图3 压水渗透试验结果

图4 压水渗透试验结果局部放大

从图3可以看出，随着压力梯度的增加，渗流流速有增大的趋势。观察D9h、D12h两组试件的渗流规律，在0.2 MPa/cm压力梯度时的渗流流速小于0.03 cm/h，但压力梯度升至0.3 MPa/cm时，渗流流速出现陡增，其中D9h增大约10倍，D12h增大约50倍。这可能是因为浇筑间隔时间较长，浇筑层面间的黏结较弱，当压力梯度增大到一定程度时发生水力破坏，浇筑层面出现损伤而使得渗流通道增加，渗流流速出现陡增。对于间隔时间最久的D15h试件，当压力梯度很小时，渗流流速也是D0h～D6h的几十甚至上百倍，此时的浇筑层面可以看作是开度很小的裂缝。对于D9h～D15h试件，压力梯度大于0.4 MPa后，渗流流速随着压力梯度的增大而降低，可能是水力破坏层面附近的微结构后堵塞部分渗流通道所致。

从图4可以看出，随着压力梯度的增加，渗流流速持续增大，而且呈现很好的线性关系。对于含有浇筑层面的D3h和D6h试件，拟合曲线经过原点，服从经典Darcy渗流；对于不含浇筑层面的D0h试件而言，拟合曲线并未经过原点，存在启动压力梯度η，服从非达西渗流。将D0h的拟合曲线延长与横轴相交，得到启动压力梯度在0.14 MPa/cm左右，当渗透仪设置的压力梯度小于η时，渗流速度为零。

按式（1）计算渗流曲线直线段的斜率，得到浇筑层面的渗透系数，D0h～D15h试件的渗透系数（×10-11m/s）分别为0.15、1.78、3.04、3.59、3.88和55.86，随着浇筑间隔时间的延长，浇筑层面的渗透系数逐渐增大。

3.2 直流电通量及初始电流直流电通量试验的结果如图5所示，从图5可以看出，浇筑层面对试件电通量和初始电流的影响明显，随着层面浇筑间隔时间的延长，电通量和初始电流逐渐增大。对于电通量，以D0h作为对照组，D3h、D6h、D9h、D12h和D15h分别是对照组的1.16、1.25、1.27、1.28和1.54倍；对于初始电流，以D0h作为对照组，D3h、D6h、D9h、D12h和D15h分别是对照组的1.06、1.14、1.16、1.20和1.28倍。随着浇筑层面间隔时间的延长，电通量和初始电流越大，表明浇筑层面结合情况越差，而且电通量较初始电流对浇筑层面的影响更敏感。

图5 直流电通量试验结果

3.3 交流电阻及等效电导隙宽交流电阻试验结果如表3所示。从表3中可以看出，交流电阻随层面浇筑间隔时间的延长而降低，相应的电导（电阻的倒数）缓慢增大，表明浇筑层面的渗透性逐渐提高。

表3 不同混凝土浇筑层面的交流电阻

宏观渗透试验表明，浇筑间隔会形成层间薄弱面，浇筑层面可看作具有一定渗透宽度的贯穿裂缝，成为渗透的集中通道。对于压水渗透试验而言，渗透宽度称为水力隙宽[5］，而对于离子渗透试验而言，渗透宽度可称为“电导隙宽”[14］。本文基于交流电阻率试验的结果得到浇筑层面的电导率，对应的浇筑层面等效电导隙宽模型如图6所示，其中σm表示混凝土本体的电导率，σc表示含浇筑层面混凝土的电导率，σl表示电解液的电导率，前两者需要试验确定，而电解液电导率选择特定条件下的数值，即试验温度为25℃时，1 mol/L NaCl的电导率为5.80 S/m。试件尺寸用B表示，电导隙宽用b表示，根据电通量守恒可以得到：

由于试件尺寸远大于电导隙宽，即B≫b，故有B-b≈B，则浇筑层面的等效电导隙宽为：

按照式（3）计算得到浇筑层面的等效电导隙宽，结果如表4所示。从表4可以看出，浇筑层面的等效宽度随浇筑间隔时间的延长而逐渐增大。对于初凝前浇筑的试件，浇筑层面的等效宽度少于10μm；对于初、终凝之间浇筑的试件，浇筑层面的等效宽度在22～38 μm；对于终凝之后浇筑的试件，浇筑层面的等效宽度在50～60 μm，接近实际混凝土的微裂纹宽度。

图6 浇筑层面的等效电导隙宽模型

表4 浇筑层面的等效电导隙宽

4 荧光显微试验结果与分析

4.1 微裂纹分布试验选择间隔时间为3 h、6 h、9 h、12 h及15 h的混凝土，将相应的切片进行荧光显微镜观测，观测区域100 mm×60 mm，利用荧光显微图像观察及存储系统实现对混凝土微裂纹图像的寻找、观察和存储，最后基于程序QUANSMIC实现对纤维图像微裂纹的识别和提取。QUANSMIC系统对微裂纹图像处理流程见图7，主要包括二值化模块、形状分析模块和骨架化模块等三个部分[17］。

图7 微裂纹图像的处理流程

二值化模块的功能是利用图像分割技术将微裂纹区域识别提取，并转化为二值图像；形状分析模块对微裂纹区域的二值图像进行形状分析，去除噪声和孔隙，只保留微裂纹；骨架化模块用单位像素宽度的线条来表征微裂纹的形状和尺寸。最后将骨架化后的微裂纹图像导入AutoCAD系统中，采用线段将微裂纹标识出来，并导出线段的信息，进而分析裂纹网络的几何参数。

不同浇筑层面试件的荧光显微图像及微裂纹骨架如图8所示，需要强调的是，在试验观测过程中，D9h试样图像有缺损，导致微裂纹分布图像比其他试件“低矮”。从图8可以看出，随着浇筑间隔时间的延长，浇筑层面“痕迹”越来越明显，特别是当浇筑间隔时间处在初凝后，浇筑处逐渐显示出薄弱的“痕迹”，微裂纹在浇筑层面附近逐渐趋于连通。

水泥颗粒的水化反应顺序为由表及里，随着浇筑间隔时间的延长，下层混凝土的凝结硬化越来越充分，浇筑层面的接触方式越有可能变成下层硬化水泥浆表面与上层浆体的直接接触，使得层面的化学胶结越来越差，微裂纹逐渐增多甚至连通。使用显微镜或扫描电镜对浇筑层面的微结构进行观测，结果表明相比于内部混凝土，浇筑层面附近的水化产物较为松散且结晶程度较高，连通孔隙较多[4，15］。浇筑间隔时间越长，浇筑层面的胶结越差，导致层面附近的孔隙越来越多并逐渐连通，最终形成荧光显微试验中看到的浇筑层面“痕迹”。

图8 不同试件的荧光显微观结果（荧光显微图像（左图）；微裂纹骨架（右图））

4.2 裂纹长度在观测二维裂纹网络过程中，发现在微裂纹的形貌非常复杂，在统计裂纹网络的拓扑特征中，必须忽略裂纹在较小范围内的曲折度以简化分析，采用分段直线段来等效替换，如图9所示。具体而言，分段直线化处理时需要关注平面内的微裂纹“拐点”，图9中A、B两点为“拐点”。拐点前后的裂纹直线段夹角为α，当α＞45°时，需要分段直线化替代实际裂纹，而当α＜45°时，只需按裂纹直线化走向至下个“拐点”即可。

图9 裂纹长度的分段直线化处理

将图8中不同混凝土浇筑层面的微裂纹骨架图像导入AutoCAD中，按照分段直线化的方式处理，从0开始以0.5 mm为步长统计处于观测区域内的微裂纹长度，然后计算出相应的分布概率并绘制频率分布柱状图，结果如图10所示。

图10中的连续实线表示的是依据参数μ和σ的最大似然估计值及长度区间的取值得到的分布概率曲线，对统计分布直方图的估计效果非常好。对不同浇筑层面的微裂纹进行统计分析，结果表明采用对数正态分布来描述直线裂纹的长度分布效果均很好，可以认为浇筑层面的微裂纹长度分布服从对数正态分布，这与文献中混凝土的损伤裂纹分布保持一致[16-17］。

图10 浇筑层面微裂纹的长度特征

微裂纹长度的分布参数（均值μ、方差σ）如表5所示。从表5可以看出，随着浇筑间隔时间的延长，除D12h突增外，微裂纹长度均值μ呈现逐渐增大的趋势，但微裂纹长度方差σ对浇筑层面并不敏感。对数正态分布均值μ的结果表明，随着浇筑间隔时间的延长，裂纹开裂程度增大，在浇筑层面处更容易生成连通裂纹网络。

表5 混凝土微裂纹的长度特征参数

图11 裂纹方向

4.3 裂纹方向裂纹的方向并不能完全体现裂纹对特定方向渗透性的贡献，因为渗透性的贡献不仅仅取决于裂纹取向，还与裂纹长度相关。单条裂纹与平面坐标系的关系如图11所示，x轴为压力梯度方向，裂纹半长度为ai，自x轴起逆时针的夹角θ，定义变量综合考虑裂纹长度和裂纹取向对渗透性的贡献，沿裂纹方向的渗透变量为[18］：

按照式（4）的定义，根据识别提取的裂纹长度和方向信息，可以生成裂纹λ值的极坐标图。当压力梯度方向平行于裂纹取向时，λ取最大值λmax；当压力梯度方向垂直于裂纹取向时，λ取最小值λmin。定义ω为裂纹网络的各向异性程度，具体公式如下：

当ω=0时，裂纹网络各向同性；当0＜ω＜1时，裂纹网络沿某个方向优势分布；当ω=1时，裂纹网络中的各个微裂纹方向相同。

在平面范围内，以一定的角度间隔变换压力梯度方向，计算360°范围内在各个角度上的λ值。渗透变量的极坐标图中，沿0°方向表示顺浇筑层面方向，90°方向表示垂直浇筑层面方向；极坐标图的极径大小反映裂纹网络的开裂程度；λ值曲线越趋向于圆形，则表示裂纹网络越趋于各向同性，而λ值曲线越趋向于扁椭圆形，则表示裂纹网络越趋于各向异性。不同浇筑层面的λ值分布如图12所示，相应的裂纹方向特征参数如表6所示。

图12 浇筑层面微裂纹的λ极坐标

从图12和表6可以看出，随着浇筑层面间隔时间的逐渐延长，λ值曲线由趋于圆形逐渐变为趋于扁椭圆形，表明裂纹网络方向由趋于各向同性逐渐变为趋于各向异性。裂纹网络优势方向逐渐趋于水平零度角方向，即顺着浇筑层面方向。渗透变量曲线的极值半径λmax随着层面间隔时间而逐渐增大，表明裂纹网络开裂程度逐渐增大。

表6 混凝土微裂纹的方向特征参数

4.4 微裂纹结构特征与宏观渗透性能的相关性本文选择渗透变量的极值半径λmax表征裂纹网络特征，分析裂纹网络结构特征与宏观渗透性能参数（包括渗透系数、初始电流、交流电阻及浇筑层面等效电导隙宽等）之间的相关性，不同参数间的相关性如图13所示。由于D15h的浇筑层面已接近宏观的贯穿裂缝，已经超出微裂纹结构对渗透性影响的考虑范畴，在处理极值半径与渗透系数的关系时略去此点。

从图13中可以看出，裂纹网络的极值半径λmax与表征渗透性能的各试验参数呈线性相关，λmax与渗透系数、初始电流及等效电导隙宽呈线性正相关，相关程度分别为0.85、0.80和0.95，而λmax与交流电阻呈线性负相关，相关程度为0.76。

5 结论

图13 裂纹网络特征与渗透性能之间的相关性

浇筑间隔时间是影响混凝土层面结合质量的重要因素，本文制备6组不同浇筑层面的试件，分别进行宏观渗透性能试验和荧光显微结构观测，研究结果如下：（1）在传统压水渗透试验的基础上增加电学试验，以水分和离子的传输能力表征浇筑层面的渗透性能。随着浇筑间隔时间的延长，混凝土的渗透系数、电通量、初始电流逐渐增大，交流电阻逐渐降低（电导率增大），表明混凝土浇筑层面的渗透性越来越高，结合质量越来越差。基于电通量守恒可以得到的浇筑层面等效电导隙宽，随着浇筑间隔时间的延长，浇筑层面的等效电导隙宽逐渐增大。热缝的等效隙宽低于10 μm，温缝的等效隙宽范围为22～38 μm，冷缝的等效隙宽范围为50～60 μm。（2）荧光显微可以观测混凝土浇筑层面的微裂纹结构。随着间隔时间的延长，微裂纹在层面附近逐渐趋于连通；微裂纹长度服从对数正态分布，随着层面间隔时间的延长，分布均值μ呈现逐渐增大的趋势；渗透变量λ表征裂纹取向，随着层面间隔时间的延长，λ值曲线由圆形逐渐趋向于椭圆，表明裂纹网络由各向同性逐渐趋于各向异性，而且优势方向逐渐趋于浇筑层面。（3）浇筑层面的微裂纹结构与宏观渗透性能存在较好的线性相关性。极值半径λmax表征微裂纹网络的密集程度，λmax与渗透系数、初始电流及等效电导隙宽呈线性正相关，相关程度分别为0.85、0.80和0.95，而λmax与交流电阻呈线性负相关，相关程度为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

（责任编辑：王冰伟）