1、兰州交通大学毕业设计(论文)1普通强度混凝土裂缝的愈合程度摘要这里研究的目的是检测混凝土裂缝愈合的程度。用劈裂拉伸试验在混凝土样本内生成一定宽度的裂缝。低压水渗透试验(WPT)在此用来测试混凝土样本的水渗透性。使混凝土裂化和重复 100 天 WPT 试验后立即进行弹性波信号传输试验, 随着初始裂缝宽度减小，水的渗透性显著增加,而信号传输性能则随时间降低。值得注意的是，原本已经裂化的样本的水渗透性会降低，但是信号传输会随时间而加强。无论是水渗透性试验还是信号传输试验，最好在样本裂缝的自发愈合情况下进行。然而,随着裂缝愈合，信号传输的恢复却不如渗透性恢复的好,因此推断这只是样本裂缝发生了一部分机械
2、愈合的原因。关键词：混凝土；裂缝；自愈合引言1925，艾布拉姆斯第一次提出,有文献表明:水通过混凝土裂缝的流动性随时间降低。最可能的原因是混凝土裂缝的自发性愈合,赫恩（1992 ）和莫理（1997)提出的自封无裂缝的材料也说明了这一观点。可能的愈合原因是化学沉淀的氢氧化钙、碳酸钙、机械阻塞以及极其细微的材料在细小裂缝内的阻塞和产生裂缝的混凝土表层的膨胀和再水化。裂缝愈合率取决于初始有效裂缝宽度。例如,初始裂缝有效宽度小于 50 微米时，裂缝宽度能在 24 小时内降低至 20 微米,而初始裂纹有效宽度在 50 到 100 微米时裂缝宽度会在 7 天内降低到 20 微米(1985)。其他研究表明
3、,初始有效宽度在 200 微米左右的裂缝经长时间在水体外暴露后能在 7 周完全愈合(Ed-vardsen 1996)。各种各样的方法已被用来研究裂缝的愈合。大部分的研究主要集中在通过使用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、x 射线衍射分析、或通过对化学和矿物学的研究来观察沉积在裂纹之间的水化产物。除了机械测试，基于超声波脉冲速度的无损评价测量技术(UPV)也被用来评估裂纹的愈合程度 (Munday et al。1974;阿卜杜勒贾瓦德和哈达德 1992)。虽然利用 UPV 试验可以探测到裂纹愈合的发生,但结果表明，这种方法不能准确地确定裂纹愈合的程度。反馈控制拉伸试验,用于诱导混凝土标本的细
4、微裂缝的产生。之后用 低压水渗透试兰州交通大学毕业设计(论文)2验来评价裂缝样本的水渗透性。它是一个无损评价技术,利用应力波传输测量技术, 来量化水泥块裂缝的愈合程度。目前的研究结果表明,考虑到开裂范围 ,水通过裂缝样本的程度几乎趋近于无裂缝样本。因为混凝土裂缝随着时间的推移慢慢的愈合，从而长期的渗透率表现出降低的趋势,另外，应力波传输测量被证明是一个量化裂缝愈合的有效方法。1 实验方案这项研究在这里呈现了部分长期性研究混凝土透水性的计划，这个实验完全是由Aldea（1990 ）等策划的。这封报告将专注于对普通强度混凝土的研究结果。1.1 测试项目和混凝土的配合比例表 1 和 2 表明了材料的
5、混合比例和混凝土材料的特性。试验采用了 100*200 毫米圆柱形浇筑试件。圆柱形试件存储在一个 20 摄氏度的环境中，在 100% RH 的环境下养护 28 天 ,然后锯成 25 或 50 毫米厚片，中间片用于测试。样品在切开后立即在室温条件下浸泡在水中。切割是在通过反馈控制拉伸试验诱导裂缝的前一天进行的。一般的诱导裂缝宽度范围为 14 至 350 微米。一个试件只用来测试一种宽度的裂缝。裂缝样品随后进行信号传输测量,然后根据美国实验材料学会 C1202-94(1994 年标准)建立透水性试验(WPT)。共有 12 个样本用于透水性和信号传输测量。1.2 反馈控制测试根据王等(1997) 和
6、 Aldea 等的描述， 反馈控制分割测试用来对每个样本进行诱导产生可控制宽度的裂缝。(1999)。 由于样本的几何形状 ,很可能使每个样品沿加载取向产兰州交通大学毕业设计(论文)3生单一裂纹。位移监测是由两边的标本和两个线性变量位移传感器(线性差动变换器)控制记录的(Gettu 等。1996)。 标本在反馈控制条件下被加载 ,直到平均裂缝宽度达到预期的值,然后卸载。部分裂缝在卸载时闭合。 1.3 透水性试验兰州交通大学毕业设计(论文)4对开裂的样品的 WPT 试验 包括监测吸管内的水位 ,然后用注射器将水位添加到初始位置, 见图 1(王等。1997;Aldea et al . 1999)。
7、在测试期间,只测量流入量。整个装置是基于轴向水流通过样本的想法,导致产生约 30 厘米低压水头。依据卸载后平均裂纹张开程度和实验开始后所对应的时间，水头变化被定期记录。水渗透率是从监控多达 90 - 100天的所有标本检测得出的。水渗透率被用来量化水在裂缝样本内的流动性,基于达西定律, 使用连续性水流的假设，这计算是假设层流水从裂了缝的材料流过的,( 王 et al.1997;Aldeaet 艾尔.1999)2 实验结果2.1 通过 WPT 实验研究裂缝的自愈合水渗透率是通过监控样本多达 90 - 100 天后检测而得出的。水的流动性随时间急剧下降; 因此, 渗透率大幅度降低,见图 2。在一般
8、情况下,渗透率降低几个数量级, 然而渗透率降低取决于初始裂纹的张开程度。目前的研究结果表明,对于所有破碎的标本, 渗透率降低的程度基本与无裂缝的材料相接近。这种现象揭示了破裂的混凝土的及时自愈能力。实验结果(90 - 100 天)表明了有裂缝和无裂缝的材料对渗透率变化的影响( 图 2)。然兰州交通大学毕业设计(论文)5而, 有裂缝的混凝土样本与无裂缝样本的水渗透性的降低程度是很接近的。2.2 通过无损评价技术研究裂缝的自愈合有实验证明，在实验室条件下进行超声信号传输测量时,若混凝土中存在开裂损伤，实验时会产生一个非常敏感的信号 (Sellick.1998)。 然而,在对混凝土样本进行实际信号传
9、输测量实验时，由于信号源源,信号接收器受到干扰以及耦合方式的可变性，这个性能的测量受到了一定的限制。实际上，对金属的信号传输测量由于使用一个“自补偿式”过程，已获得通过。最近,西北大学研发出了对混凝土进行实际信号传输测量的自动补偿技术,(Popovics 等.1998)。 已经证实，信号传输测量对开裂混凝土的敏感性大于波速对其的敏感性(宋等.1999)。使用无损评价技术是为了监控纹愈合的程度。弹性(应力)波是由一个集中荷载作用于实验样本表面而产生的,且通过接收器检测(微型加速度计),用蜡涂在实验对象表面的沿直径线源头。实验装置呈现在图 3。虽然其他直接波和矩形波同样可以捕获，但瞬态响应的获得主
10、要是表面波的形成。随着波在两个接收器之间传播,一部分的总信号传播和其余信号会不断衰减。接收器之间的信号传输计算是在频域间进行的,这是应用程序自动补偿的方案, 从而最大限度地减少加速度计的变化及耦合等实验误差造成的影响。传输响应是一个函数的频率，并可以显示为振幅的比值，信号从较远的加速度计到较近的加速度计。因此,一个传输值为- 1 表示完成信号传输(无信号振幅损失),而一个值 0表示没有信号传输(完整的信号幅度损失) 。兰州交通大学毕业设计(论文)6片面的应力波传输测量被用来测试裂缝产生后材料的性质,然后经过 100 天的 WPT试验，一种电磁驱动的影响源生成一个频率的电波,频谱的波 0 - 6
11、0 kHz 被用来产生这些波。信号被一个数字示波器发送到计算机 GPIB 接口后进行进一步的信号处理。两个信号接收器之间的距离为 20 毫米。源接收器和接收器位置被标定且所有执行的测试在每个样本保持不变的条件下进行。五个信号的各自测试被分别记录。所有从样本获得的信号显示出了良好的一致性，频率范围为 30 - 60 kHz。因此,对数据进行了分析。信号传输值对存在裂纹的所有标本测试是十分敏感的(图 4)。初始裂缝宽于 100 微米时,与无裂缝的材料相比较,信号传输值会大幅下跌。传输测量清楚地区分了裂缝宽度阈值;裂缝宽度小于 100 微米的样本比大于 100 微米的样本显示出了更大的信号传输能力。
12、传输测量无法明确区分在裂纹宽度范围内超过 100 微米的裂缝,然而传输测量 100 天后被施行的 WPT 试验显示出破解样本传输性能会增加,从而接近于无裂缝的样品(如图 5 所示) 。观察发现，对混凝土的信号传输试验证明混凝土的裂缝会发生自体愈合。兰州交通大学毕业设计(论文)7通过开裂混凝土的渗透率和信号传输测量可以确定，混凝土的裂缝会发生自体愈合，初始裂纹宽度不同的样品的渗透率的恢复情况(包括无裂缝的样本)如图 6 所示。初始渗透率(k,1)对比渗透率 100 天后 WPT 试验中的(k,100)几个初始裂纹宽度。WPT 试验之后破碎的混凝土渗透性以几个数量级降低。事实上, 破裂的混凝土的渗
13、透性在 100 天的 WPT 试验后结果和未破裂的几乎是一样的。几个有初始裂缝的混凝土样本在 WPT 试验时信号传输性能的增加如图 7 所示。兰州交通大学毕业设计(论文)8传输区域用于在混凝土样本（图 7）中进行信号传输,传输信号在可用频率范围(30 - 60 kHz)之内 ,信号传输区域开裂后立即对比了 100 天之后 WPT 试验(A,100)。在信号传输区域，样品经 100 天后 WPT 实验结果变得更接近那些无裂缝的样本。然而, 裂纹愈合后的信号传输性能的改变与先前观察到的渗透率的改变并不是一样可观的,; 混凝土裂纹的信号传输未恢复到 WPT 试验后的无裂缝的混凝土的信号传输值。这表明
14、,虽然愈合裂纹使得产品大大减少水分,但这些产品都是比消声材料更机械兼容的材料。3 结论下面的结论基于以上论文的数据得出的:（1）开裂混凝土的渗透性随时间显著降低。（2）弹性波信号传输测量对混凝土裂缝宽度的大小是敏感的;裂缝宽度较大导致信号传输降低。（3）开裂混凝土样本经过 100 天水浸作用后信号传输性能有所增加。（4）对开裂混凝土的渗透率和信号传输测量表明混凝土裂缝会发生自动愈合。然而, 破裂再愈合之后混凝土信号传输的恢复程度并不如渗透率的的恢复程度那样可观，这可能是由于这些材料比无裂缝混凝土更机械兼容的原因。4 致谢本研究进行于西北大学 ACBM 中心,为此，美国国家科学基金会(NSF)
15、对美国国家统兰州交通大学毕业设计(论文)9计科学研究院（NISS）在数据库管理系统（DMS / 9313013）方面给予了很大的支持。在此表示感激.5 参考文献【 1】 Abdel-Jawad, Y., and Haddad, R. (1992). Effect of early overloading of concrete on strength at later ages. Cement and Concrete Res., 22(5),927936.【 2】 Abrams, D. (1925). Autogeneous healing of concrete. Concrete, 27
16、(2),50.【 3】 Aldea, C., Shah, S. P., and Karr, A. (1999). Permeability of cracked concrete. Mat. and Struct., Paris, 32(219), 370376.【 4】 Clear, C. A. (1985). The effects of autogenous healing upon the leakage of water through cracks in concrete. Tech. Rep. 559, Cement and Concrete Association, Londo
17、n.Edvardsen, C. (1996). Water permeability and autogenous healing of separation cracks in concrete. Concrete Precasting Plant and Tech-nol., 62(November), 7785.【 5】 Gettu, R., Mobasher, S., Carmona, S., and Jansen, D. (1996). Testing of concrete under closed-loop control. Advanced Cement-Based Mat.,
18、3(2), 5471.【 6】 Hearn, N. (1992). Saturated permeability of concrete as inuenced by cracking and self-sealing, PhD thesis, University of Cambridge, Cam-bridge, U.K.【 7】 Hearn, N., and Morley, C. T. (1997). Self-sealing property of concreteexperimental evidence. Mat. and Struct., Paris, 30(AugustSep-
19、tember), 404411.【 8】 Munday, J. C. L., Sangha, C. M., and Dhir, R. K. (1974). Comparative study of autogeneous healing of different concretes. Proc., 1st Aus-tralian Conf. on Engrg. Mat., Sydney, 177189.【 9】 Popovics, J. S., Song, W., and Achenbach, J. D. (1998). A study of surface wave attenuation
20、measurement for application to pavement characterization. Proc., Struct. Mat. Technol.: An NDT Conf.,R.D.Medlock and D. C. Laffrey, eds., International Society for Optical En-gineering, Bellingham, Wash., 300308.【 10】 Sellick, S. F., Landis, E. N., Peterson, M. L., Shah, S. P., and Achenbach,J. D. (
21、1998). Ultrasonic investigation of concrete with distributed damage. ACI Mat. J., 95(1), 2736.【 11】 Song, W., Popovics, J. S., and Achenbach, J. D. (1999). Crack depth determination in concrete slabs using wave propagation measure-ments. Proc., FAA Airport Technol. Transfer 99 Conf., Federal Avi-ati
22、on Administration, Washington, D.CStandard test method for electrical indication of concretes ability to resist chloride ion penetration, designation C 120294. (1994). An-nual book of ASTM standards, Vol. 04.02, ASTM, West Conshohocken,Pa., 620625.兰州交通大学毕业设计(论文)10【 12】 Wang, K., Jansen, D., Shah, S. P., and Karr, A. (1997). Permeability study of cracked concrete. Cement and Concrete Res., 27(3), 381393
