荷载作用下纤维对地下结构带裂缝混凝土抗渗性能的影响

The permeability is a significant indicator for evaluating the durability of concrete. Currently, the national standard of the concrete impermeability is based on the well specimen without crack after 28d, and this test method does not reflect the real permeability behavior of cracked concrete member under service load; especially for tunnelling and other underground or underwater structure, the impermeability and is one of the most important key factors of durability. In concrete structures (including underground structures, such as tunnel lining) in the service period, concrete is subject to service load and works with cracks, and the cracks can link liquid flow path in the matrix and increase the permeability of concrete matrix. In addition, the service load also affects the permeability of cracked concrete. The major purpose of this project is the investigation of the hybrid effect of steel fibre and plastic fibre on the permeability of cracked concrete; and the influence of fibers on the toughness, on the geometric behaviours of cracks (roughness, tortuosity, effective crack width, crack area), on the stress – permeability relationship and the crack width - permeability relationship of cracked concrete will be analyzed quantitatively. In addition, the possible threshold effect of water permeability - crack width will be also explored. In comparison with the concrete without fibers, a safe and durable composite material with higher impermeability should be found by means of the new testing method.

抗渗性能是混凝土耐久性的重要指标之一；目前国内对混凝土抗渗性能的研究多以28d龄期的无损混凝土试件进行抗渗试验，而该试验无法反映在正常使用阶段混凝土开裂后的抗渗性能，尤其是对于隧道等地下工程，抗渗性能更是影响其耐久性的关键因素之一。在隧道的正常使用阶段，混凝土是受荷且带裂缝工作的，而裂缝的存在可联通液体在基体中的流动路径且提高混凝土渗透性能；同时，在正常使用阶段混凝土所受的荷载对其渗透性能也有影响。本项目拟结合国际上的最新发展趋势，研究不同纤维及混杂纤维对带裂缝混凝土受荷时渗透性能的影响，定量分析纤维对荷载作用下混凝土的裂缝形态(粗糙度、曲折度、有效裂缝宽度、裂缝面积)、应力-渗透性的关系、裂缝的几何形态-渗透性关系的影响，并探究可能存在的渗透性能—裂缝宽度阈值；利用先进的试验技术对比传统的无纤维的混凝土，寻找更加安全、耐久与抗渗的复合材料用于隧道等地下结构。

在正常使用阶段的混凝土结构都是带裂缝工作的。结构型纤维可以提高混凝土开裂后的韧性，改变混凝土裂缝的形态，对开裂后混凝土的抗渗耐久性能产生积极作用。.1）通过对混凝土开口梁的三点弯曲试验，研究结构型钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土弯曲性能的影响；研究表明：结构型纤维可显著改善混凝土试件的弯曲韧性，随着纤维掺量的增大，混凝土抗弯性能越高。.2）通过劈裂试验和渗透试验分别研究了劈拉荷载作用下纤维对混凝土裂缝恢复率、劈裂韧性及裂缝渗透性能的影响。研究表明：结构型钢纤维和聚丙烯纤维可提高卸载后混凝土裂缝恢复率、劈裂韧性和抗渗性能。同时，通过裂缝形态影响系数修正的泊肃叶渗流模型可以用来评价开裂后混凝土的渗透性能以及不同纤维对裂后混凝土渗透系数的影响。.3）通过激光扫描装置对混凝土裂缝表面形态特征进行信息采集与分析，结果表明：结构型纤维对混凝土裂缝形态具有显著影响，纤维的加入可以提高裂缝的曲折度和粗糙度，并且随着纤维掺量增加，裂缝的曲折度和粗糙度逐渐增加。.4）借鉴RILEM试验方法研究了钢纤维混凝土的单轴受压性能，同时，通过轴压渗水试验装置研究了在压荷载作用下荷载等级、纤维种类及掺量对混凝土渗透性能的影响，同时探究了混凝土超声波波速随荷载等级的变化规律。结果表明：结构型钢纤维可改善混凝土的轴压性能，并且随着纤维掺量的增加，其改善效果更为显著。掺入结构型钢纤维可以推迟混凝土渗透系数-荷载等级曲线突变点的出现；研究还表明，因此超声波可有效评价混凝土的渗透性。.5）参照RILEM轴拉试验方法研究了结构型钢纤维混凝土的轴拉性能。同时，利用真空渗水试验装置对轴拉荷载作用下不同裂缝宽度的混凝土裂缝渗透性进行了测量与分析。研究表明，钢纤维可改善混凝土的轴拉性能，并且随着纤维掺量的增加其提高效果更为明显。同时, 在轴拉荷载作用下结构型钢纤维可通过增大裂缝表面粗糙程度以降低混凝土裂缝渗透性，随着纤维掺量的增高，混凝土裂缝渗透性随之减小。随着裂缝的扩展，混凝土裂缝渗透率更接近于泊肃叶渗流模型。