混凝土損傷自愈的機理
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)護期后的自然愈合現(xiàn)象．混凝土受損后的自愈合實質(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損傷閾值：當(dāng)混凝土的損傷低于損傷閾值時，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，自愈合率隨著損傷量的增大而降低．
關(guān)鍵詞 無機非金屬材料，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、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，受損時的齡期，自愈合的環(huán)境條件（濕度，溫度）以及愈合期等．同時，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)及其機理．
1 實驗方法
主要實驗用材料有：ISO~32．5普硅水泥，I級粉煤灰，中砂（石子最大粒徑31．5 mm），萘系減水劑和聚丙烯腈微細纖維（表1）．
為了使實驗結(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，加載實驗中分別選擇養(yǎng)護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)護室中養(yǎng)護30 d．進行超聲實驗前將試件從養(yǎng)護室后在通風(fēng)良好處放置2 h，以使其含水率基本一致．實驗中用穿透法對試件進行探傷分析．一個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度的提高，穿過混凝土的超聲波速度也隨之提高．但是在強度較低（例如10~15 MPa）時，穿過混凝土的超聲波聲速變化的規(guī)律性比較差（圖1）．因為超聲波聲速的變化能反映出物體的基本物理性質(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，與強度只有相關(guān)關(guān)系，不能單獨使用超聲波波速的絕對量來檢驗．
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、擴展等）會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重要因素．混凝土的整體超聲波速是三個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數(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?。?/DIV>
，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數(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?。?/DIV>
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?。虼耍軗p后材料的超聲波速急劇下降．受損后的混凝土自然養(yǎng)護30 d后，由于未水化和未完全水化水泥顆粒的進一步水化，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，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度的增量與未損傷時抗壓強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度，S為不同齡期受損時的抗壓強度．
混凝土材料損傷程度較低時其愈合率也較低，如D=0．16時（圖3）．隨著損傷程度的增大，混凝土相應(yīng)的強度增長率提高，但是當(dāng)D>0．6之后材料的強度增長率稍有下降．當(dāng)D>0．7時混凝土的愈合率大幅度下降，而損傷為0．45 ~0．55時材料的愈合率基本持平（圖4）．損傷0．2~ 0．5時，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存在著損傷的閾值：超過了損傷閾值材料的愈合率會大大降低，而損傷小于損傷閾值時，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€最主要原因是混凝土中未水化的水泥顆粒的進一步水化．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一步水化，填補了因受損而產(chǎn)生的微細裂縫．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，自愈合有一個損傷閾值． 當(dāng)混凝土損傷小于損傷閾值時，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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