混凝土損傷自愈的機(jī)理
2006-07-21 00:00
摘 要 研究了不同齡期受損混凝土經(jīng)過相同養(yǎng)護(hù)期后的自然愈合現(xiàn)象．混凝土受損后的自愈合實(shí)質(zhì)上是損傷部位未水化或水化不充分的膠凝材料加速水化或進(jìn)一步水化生成新的水化產(chǎn)物彌合裂縫的過程．以超聲波速的變化表征混凝土受壓開裂后的損傷程度，建立了混凝土損傷量與愈合狀況之間的關(guān)系．結(jié)果表明，混凝土材料存在一個(gè)損傷閾值：當(dāng)混凝土的損傷低于損傷閾值時(shí)，自愈合率隨著損傷量的增大而增大；當(dāng)混凝土損傷超過損傷閾值時(shí)，自愈合率隨著損傷量的增大而降低．
關(guān)鍵詞 無機(jī)非金屬材料，混凝土，損傷，自愈合，水化
在水泥混凝土的使用過程中，溫、濕度的變化、不均勻沉陷或外加（動(dòng)、靜）荷載引起的直接應(yīng)力以及次應(yīng)力等原因，都可能導(dǎo)致混凝土的開裂．裂縫的存在及其發(fā)展，不僅影響到混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用性能和耐久性，而且危及結(jié)構(gòu)的安全．但是，并非所有的初始裂縫都會(huì)演變?yōu)橛泻Φ幕蚴Х€(wěn)的裂縫．J．Stefan（1995）發(fā)現(xiàn)，將混凝土試件凍融破壞之后放置一段時(shí)間后，混凝土恢復(fù)了一部分共振頻率，并且在裂紋中有鈣礬石晶體和氫氧化鈣晶體．有些防水結(jié)構(gòu)的裂縫（寬0．1~ 0．2 mm，經(jīng)過一段時(shí)間后完全封閉．有些學(xué)者甚至發(fā)現(xiàn)寬度0．3 mm的裂縫經(jīng)過一段時(shí)間后都可以完全恢復(fù)．一些研究表明：受損混凝土的力學(xué)性能在相當(dāng)大的程度上都可以恢復(fù)，但是這種自愈合能力取決于多方面因素，包括混凝土的組成，受損時(shí)的齡期，自愈合的環(huán)境條件（濕度，溫度）以及愈合期等．同時(shí)，混凝土的受損程度也是影響自愈合效果的重要因素．雖然寬度0．1~ 0．3 mm的裂縫能夠愈合，但是實(shí)際上絕大多數(shù)的裂縫最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞．如何定量表征混凝土的自愈合過程?本文研究混凝土自愈合過程的損傷修復(fù)及其機(jī)理．
1 實(shí)驗(yàn)方法
主要實(shí)驗(yàn)用材料有：ISO~32．5普硅水泥，I級(jí)粉煤灰，中砂（石子最大粒徑31．5 mm），萘系減水劑和聚丙烯腈微細(xì)纖維（表1）．
為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，配制了纖維混凝土和素混凝土，其配合比列于表2．新拌混凝土的坍落度為（200±20）mm．成型立方體試件的尺寸為100 m m *100 mm *100 mm 。
為了區(qū)分在不同齡期受損對混凝土愈合的影響，加載實(shí)驗(yàn)中分別選擇養(yǎng)護(hù)7 d，14 d，28 d齡期的混凝土．將加載開裂的試件放入溫度20℃、相對濕度95% 的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)30 d．進(jìn)行超聲實(shí)驗(yàn)前將試件從養(yǎng)護(hù)室后在通風(fēng)良好處放置2 h，以使其含水率基本一致．實(shí)驗(yàn)中用穿透法對試件進(jìn)行探傷分析．一個(gè)方向的損傷不僅與本方向的波速降低線性相關(guān)，還與另外兩個(gè)方向的波速降低線性相關(guān)．因此，采用對測法用CTS一25型非金屬超聲波檢測儀測量側(cè)向超聲波速在加載前后的變化，加載方向和測量超聲波速方向垂直．
2 結(jié)果與討論
從表3可以看出，隨著未損傷混凝土強(qiáng)度的提高，穿過混凝土的超聲波速度也隨之提高．但是在強(qiáng)度較低（例如10~15 MPa）時(shí)，穿過混凝土的超聲波聲速變化的規(guī)律性比較差（圖1）．因?yàn)槌暡曀俚淖兓芊从吵鑫矬w的基本物理性質(zhì)，如物體孔洞、裂縫、密度等，可用于檢測混凝土的強(qiáng)度、孔洞、裂縫等．但是，由于聲速與混凝土密度、彈性模量等有密切關(guān)系，與強(qiáng)度只有相關(guān)關(guān)系，不能單獨(dú)使用超聲波波速的絕對量來檢驗(yàn)．
混凝土試件經(jīng)過30 d的自愈合之后，不僅其力學(xué)性能有所恢復(fù)，超聲波速也有不同程度的恢復(fù)（圖2）．在初始損傷之后超聲波速較大的混凝土試件在愈合30 d之后超聲波速仍然較大，損傷后和愈合后的超聲波速具有比較好的一致性．這表明，用超聲波聲速比值的變化可以比較好的表示混凝土材料的受損狀況．
混凝土的超聲波速主要決定于其彈性參數(shù)．將混凝土視為宏觀裂縫、分散微裂區(qū)和具有穩(wěn)定缺陷的基體組成的復(fù)合材料．在混凝土承受荷載前后，具有穩(wěn)定缺陷的基體的變形是線彈性的，其彈性常數(shù)保持不變，因而對混凝土的聲學(xué)特性沒有影響；而微裂隙在單軸受荷后的變形（閉合、張開、擴(kuò)展等）會(huì)引起混凝土的彈性常數(shù)改變，因而是改變混凝土聲學(xué)特性的主要因素；宏觀裂縫是在承受荷載之后出現(xiàn)的，也是影響混凝土材料超聲波速的一個(gè)重要因素．混凝土的整體超聲波速是三個(gè)因素的耦合作用的結(jié)果．對于在受載條件下的脆性固體材料，聲學(xué)特性研究結(jié)果表明：若假定其母質(zhì)具有線彈性，在其內(nèi)部隨機(jī)分布了大量微裂紋，則聲速隨單軸應(yīng)力呈非線性變化關(guān)系． 這種關(guān)系可以簡略的表示為 VP=g（ 
，σ 1），其中VP 為超聲波傳播速度； = （E0，v ，KIc，φ ，ao，α，∈），其中Eo，v 分別為母體的彈性模量和泊松比，KIc，φ分別為材料的斷裂韌度和內(nèi)摩擦角，a0，α，∈分別為微裂紋半長度、形狀比和裂紋密度；σ 1為單軸應(yīng)力．
，σ 1），其中VP 為超聲波傳播速度； = （E0，v ，KIc，φ ，ao，α，∈），其中Eo，v 分別為母體的彈性模量和泊松比，KIc，φ分別為材料的斷裂韌度和內(nèi)摩擦角，a0，α，∈分別為微裂紋半長度、形狀比和裂紋密度；σ 1為單軸應(yīng)力． 本文所研究的混凝土的超聲波速僅限于受載前后和自愈合之后，可以不考慮受載時(shí)應(yīng)力對波速的影響．這樣，超聲波速的變化與材料母體的彈性模量、泊松比、斷裂韌度、內(nèi)摩擦角、微裂紋半長度、形狀比和裂紋密度等細(xì)觀參數(shù)有關(guān)．混凝土超聲波速應(yīng)為超聲在基體，微裂區(qū)，宏觀裂縫三相中傳播速度的組合效應(yīng)，可表示為 
，其中 Vc為超聲波在混凝土中的傳播速度， i1， i2， i3和V1 ，V2 ，V3分別為基體、微裂區(qū)和宏觀裂縫在混凝土中的體積分?jǐn)?shù)以及超聲波在三者中的傳播速度．其中V3 即為超聲波在空氣中的速度340 m／s，V1= 
1（Eo，v ，KIc，φ），V2=
2（ao，α，∈），其中Eo、KIc的增大將導(dǎo)致V1 的增大，ao，α，∈的增大則導(dǎo)致V2 的減小．
，其中 Vc為超聲波在混凝土中的傳播速度， i1， i2， i3和V1 ，V2 ，V3分別為基體、微裂區(qū)和宏觀裂縫在混凝土中的體積分?jǐn)?shù)以及超聲波在三者中的傳播速度．其中V3 即為超聲波在空氣中的速度340 m／s，V1= 1（Eo，v ，KIc，φ），V2= 2（ao，α，∈），其中Eo、KIc的增大將導(dǎo)致V1 的增大，ao，α，∈的增大則導(dǎo)致V2 的減小． 在混凝土加載之前，超聲波在混凝土中的傳播速度主要取決于V1，基體的彈性參數(shù)影響超聲波在混凝土中的傳播速度，混凝土的強(qiáng)度越高，其彈性模量較大，超聲波速也越大．但是聲速還與V2 有關(guān)（完好混凝土試件i3=0），并非完全隨強(qiáng)度線性變化（圖1）．當(dāng)混凝土受載損傷后，內(nèi)部的一些初始微裂紋發(fā)展成宏觀裂紋，同時(shí)又產(chǎn)生大量的微裂紋，完好基體所占比例i1急劇減少，i2，i3則相應(yīng)增加；同時(shí)微裂區(qū)內(nèi)的a0，α和∈增大，導(dǎo)致超聲波在微裂區(qū)傳播速度減?。虼?，受損后材料的超聲波速急劇下降．受損后的混凝土自然養(yǎng)護(hù)30 d后，由于未水化和未完全水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化，重新生成的水化產(chǎn)物將填充在裂縫處．J．Stefan看到在微裂縫邊緣有明顯的生成產(chǎn)物，并且新的水化產(chǎn)物在裂縫的邊緣最為密實(shí)，在裂縫中央部分則稀疏．新水化物的填充減小了宏觀裂縫的寬度，i3減小．同時(shí)水化產(chǎn)物在微裂紋中生成一方面減小了i 2，另一方面改善了混凝土裂縫的結(jié)構(gòu)，使a0，α，∈均減小，從而導(dǎo)致在微裂紋區(qū)中超聲波的速度增大．因此，自愈合后的混凝土超聲波速上升很快，有些試件愈合后的超聲波速甚至超過了受載之前的超聲波速，如0#-2，1#-3．
由于超聲波速與材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，超聲波速的變化能反映材料內(nèi)部微損傷區(qū)的變化．為了建立損傷程度與混凝土自愈合程度之間的定量關(guān)系，定義材料受載前后超聲波速衰減的相對值為混凝土的損傷D=1一v/v0 和材料愈合后抗壓強(qiáng)度的增量與未損傷時(shí)抗壓強(qiáng)度的比值為混凝土的自愈合率H=（Sh-S）/S，其中D為材料的損傷，v 為受載后材料的超聲波速，v0為受載前材料的超聲波速，H為材料的愈合率，Sh 為愈合后材料的抗壓強(qiáng)度，S為不同齡期受損時(shí)的抗壓強(qiáng)度．
混凝土材料損傷程度較低時(shí)其愈合率也較低，如D=0．16時(shí)（圖3）．隨著損傷程度的增大，混凝土相應(yīng)的強(qiáng)度增長率提高，但是當(dāng)D>0．6之后材料的強(qiáng)度增長率稍有下降．當(dāng)D>0．7時(shí)混凝土的愈合率大幅度下降，而損傷為0．45 ~0．55時(shí)材料的愈合率基本持平（圖4）．損傷0．2~ 0．5時(shí)，D~ H關(guān)系比較一致，愈合率基本上隨著損傷的增大而增大（圖5）．這些結(jié)果說明，混凝土材料在愈合時(shí)存在著損傷的閾值：超過了損傷閾值材料的愈合率會(huì)大大降低，而損傷小于損傷閾值時(shí)，材料的愈合率隨著損傷的增大而增大，而不是隨著損傷的增大而減?。湓蚩赡苁牵夯炷磷杂系囊粋€(gè)最主要原因是混凝土中未水化的水泥顆粒的進(jìn)一步水化．在受損過程中混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生大量的微細(xì)裂紋，可能導(dǎo)致大量被水化產(chǎn)物包裹的未水化水泥顆粒暴露出來．在潮濕環(huán)境中，這些未水化水泥顆粒進(jìn)一步水化，填補(bǔ)了因受損而產(chǎn)生的微細(xì)裂縫．若損傷過小，能夠暴露的未水化水泥顆粒數(shù)量較少，不利于混凝土的自愈合；但是若損傷超過一定限度，新的水化產(chǎn)物不能完全填充受損裂縫，導(dǎo)致愈合率大幅度下降．
圖3~ 5表明，混凝土的受載齡期對自愈合效果有顯著的影響．在損傷程度相同的情況下，早齡期受損的混凝土自愈合能力更好．在早齡期，混凝土內(nèi)部還存在大量未水化的水泥顆粒，能夠修復(fù)損傷和繼續(xù)提高強(qiáng)度．
3 結(jié) 論
受損傷的混凝土存在自愈合能力，自愈合有一個(gè)損傷閾值． 當(dāng)混凝土損傷小于損傷閾值時(shí)，材料的自愈合率隨著損傷的增大而增大；當(dāng)損傷超過損傷閾值，材料的自愈合率隨著損傷的增大而減?。猿惺芎奢d前后超聲波速的變化來表征混凝土的損傷程度，本文研究的混凝土損傷閾值為0．6~ 0．7．
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