4.2疲劳荷载下微裂纹扩展对混凝土抗渗性能的影响

由于疲劳试验与抗渗试验都是非常复杂的试验，将二者复合起来研究更是难上加难，鲜见有这方面研究的报导，所以KamalTawfiq等人的研究就显得尤为珍贵。KamalTawfiq等人在文献中进行了循环荷载作用对混凝土渗透性能的影响研究，该研究项目采用了尺寸为150mm×150mm×550mm的单侧缺口梁，缺口高度为25mm，在弯曲循环荷载作用下缺口根部一定范围内将出现微裂纹。研究人员事先在缺口根部附近贴有应变片并且埋设有空气渗透性探测探头，在试验中测试空气渗透性随循环次数的变化关系，并且对一些承受了循环荷载产生微裂纹的试件在缺口根部附近钻孔取芯，得到圆饼状的带缝混凝土试件，然后以该种试件测试水渗透性。研究获得的主要结论为：安设在混凝土应力区的空气渗透仪气压表上显示出负压的不断损失，能够很好地表示疲劳裂纹的扩展。在裂纹扩展的初始（第一）阶段，循环初期的压力损失速率很高；在第二阶段（裂纹扩展阶段），下降速率极大地降低；在第三阶段，试件即将破坏前，气压损失迅速直至测试值为0.在该阶段（开裂阶段），混凝土处于非常不稳定的状态，随时会发生结构破坏。混凝土的破坏可以由结构内部的大量开裂为表征，开裂则可通过空气渗透值所检测。持续的零读数表明不连续裂纹的严重发展和混凝土基体的破坏。像硅灰和粉煤灰这样的火山灰成分通常减少混凝土在加载期间初始裂纹的形成及其扩展的范围。对于给定的应力水平S，空气渗透率Kair与循环率NR之间存在指数关系，这表明随着循环次数增加，应力区的抗渗透能力呈指数规律递减。

4.3微裂纹宽度对混凝土抗渗性能的影响

我们已经定性地确知混凝土渗透系数Kf会随着微裂纹宽度的增加而增大；但二者之间定量关系如何？是研究人员关注的目标之一。

理论上讲，带裂隙块体的渗透能力与裂纹宽度w的关系可以由著名的裂隙水流立方定律来描述，也称为Poiseuille定律；这个关系来自于人们对不变形块体中理想单裂隙的渗流规律的研究.

q=ρw3Jf/12μ（3）

式中，q为通过裂隙断面的单位时间流量；ρ为流体的密度；μ为流体黏度；Jf为裂隙中水力梯度。该式适用条件中，不变形块体是指裂隙形状、体积不受应力及渗透压力的影响；所谓理想裂隙是指假定裂隙两壁面光滑且相互平行，裂隙长度远大于裂隙宽度w，即所谓平行板状窄裂缝。AlanF1Karr和S1P1Shah等人在文献中考察了混凝土裂缝对渗透性能的影响。他们采用截面尺寸为φ100×25mm的圆柱体试件，在伺服试验机作用下进行劈裂试验，在接近圆柱体垂直直径方向形成了劈裂裂纹，由于采用了反馈控制加载（feedbackcontrol），试件并不发生劈裂破坏而仅仅产生不同宽度的劈裂裂纹，通过事先安设的千分表，可以读取并且控制裂纹开展位移（COD）；对于所试验的各个试件，取裂纹开展位移（COD）为20～500微米不等。在卸除荷载后，部分裂纹宽度将愈合并保留残余开裂宽度。在此残余开裂宽度下，进行抗水渗透性试验，根据达西定律求出渗透系数，并且可以建立开裂宽度COD与渗透系数K之间的关系。该项研究对普通混凝土（NSC）与高强混凝土（HSC）的开裂前后抗渗性能进行比较后发现，未开裂的高强混凝土渗透性小于普通混凝土；对于宽度小于200μm的裂纹，高强混凝土与普通混凝土有几乎一致的渗透系数，但总体来说，HSC的渗透系数略低于NSC，对于大于200μm的COD，渗透系数迅速增加，且NSC的增加速度比HSC快，开裂后材料渗透性能的差距部分来自于卸载行为的不同。

研究荷载产生的微裂纹对渗透性的影响，往往是加载后卸载，再测量渗透性。但也有观察加载过程中抗渗性能变化的情况。例如日本学者研究了混杂纤维增强混凝土（HypidFiberReinforcedConcrete，简称HFRC）在受压缩荷载作用下抗渗性能产生的影响；所谓混杂纤维是钢纤维和聚丙烯纤维的混合物。在这项研究中使用了特殊的实验装置，混凝土试件为空心圆管状，沿着圆管纵向施加荷载的同时，在圆管外施加径向水压，测量穿越管壁的流量。该项研究的试验设计虽复杂，遗憾的是试验所获得的有意义的结论却不多，只是认为：在低于应力水平45%的情况下，素混凝土的渗透性会降低，当应力水平超过45%时，其渗透性会略有增加；在纤维掺量低于015%时情况下，纤维长径比和纤维体积率对混凝土抗渗性能的影响不大；当抗压强度大于17MPa、单位体积重量大于2.13g/cm3，HFRC就能获得足够水密性。