工程17（2022）93研究土木工程材料-文章宏观裂缝混凝土表观气体渗透率的测定皮埃尔·罗西古斯塔夫·埃菲尔大学，法国运输、发展和网络科学技术研究所（IFSTTAR），法国马恩-拉-瓦莱F-77447阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年9月21日修订2020年11月9日接受2021年3月31日在线提供关键词：混凝土宏观裂缝气体迁移渗透性A B S T R A C T本文报道了一项旨在测定开裂混凝土表观透气性的试验研究的分析结果。由于难以进行可靠的气体渗透性实验测试，国际文献中缺乏对该主题的研究。这项工作的主要兴趣是提出新的和可靠的实验结果。文中还提出了视裂纹渗透率与视裂纹张开度之间的解析关系式这些功能似乎是相关的，考虑Poiffuille理论。©2021 THE CONDITOR.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍在评估核电站船舶等战略结构的耐久性和安全性时，必须考虑气体通过混凝土结构裂缝的迁移问题 为此，法国交通、发展和网络科学技术研究所（IFSTTAR）开展了一项研究，将数值模型的开发与实验研究相结合，以处理气体通过混凝土裂缝转移的问题。此前，IFSTTAR进行了类似的研究，以解决通过混凝土结构裂缝的液体传输问题[1，2]。因此，本研究可以被认为是以前工作的改编或发展与混凝土开裂过程相关的相同数值模型-即IFSTTAR[3，4]开发的半显式概率开裂模型-用于本研究的框架中对以前与液体传输有关的工作[1，2]进行修改是必要的，因为从实验上讲，使气体通过裂缝比使液体通过裂缝更微妙。本文所述的实验工作在法国国家研究机构管理的MACENA项目（ANR-11-RSNR-012）的框架内进行。大部分的实验结果已经发表（法文），电子邮件地址：pierre. univ-eiffel.fr与该项目有关的报告[5]。本文的新之处在于对实验结果的分析（以及其中提出的物理假设）。这一分析导致一个新的关系（这是没有提出的报告）之间的明显的宏观裂纹开口和明显的气体渗透率的建议。文献中关于裂缝混凝土结构中气流的少数实验研究没有提供所涉及的主要物理现象及其耦合的可靠分析。这些研究大多涉及大型钢筋混凝土结构构件[6考虑到同时存在几个局部宏观裂纹，与每个裂纹相关的气流的客观确定是困难的。因此，这些实验结果不允许识别与裂化过程相关的流动定律。因此，为了获得这种识别，实验技术，使之有可能产生一个小的混凝土试样中的单个裂纹，并确定流体传输性能是更相关的。为此，Ismail等人[13]提出了一种基于使用环形测量单元的试验，用于测量开裂中空圆柱形试样的磁导率，而分裂试验（即，Picandet等人[14]使用了巴西试验）。在该第二种情况下，实验方案可以根据以下三个阶段示意性地表示：在初始阶段，裂纹机械地产生直到给定开口。在第二阶段，样品被卸载，并使用光学仪器表征裂纹的几何形状。最后，在试验的最后阶段，通过https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.11.0082095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engP. 罗西工程17（2022）9394标准测量方法（Cembureau协议）与先前表征的裂纹开口相关。然而，应该强调的是，裂缝的几何形状在渗透性测试期间可能会发生显著变化，因为可能由于多种原因（即，试样的弹性卸载或在Cembureau方案期间施加径向密封压力）。基于这一考虑，Choinska等人[15]讨论了在机械载荷下进行实时渗透率测量的可能性。在他们提出的方案中，样品的一侧装有允许空气到达的覆盖物，而数字图像相关（DIC）技术用于实时监测样品第二侧的位移场。Ezzedine El Dandachy[16]最近提出了与该方案相关的一些结果。尽管该试验[15，16]与本实验研究中提出的试验相似（见第2节），但未详细讨论保证可靠结果的两个要点，即：宏观裂纹扩展的充分控制和裂纹张开度防止由于测试设置导致的气体泄漏，因为气体泄漏会在表观渗透率的测定中引入误差。在目前的实验工作中，这两点被精确地考虑到了（见第2）。2. 测试程序2.1. 机械方面本文所述的测试程序的机械方面涉及产生具有越来越多的受控和测量开口的单个裂纹。该机械步骤与之前的实验研究[1，2]中的机械步骤相同，在该实验中，液体通过裂缝。机械步骤可总结如下：步骤1.在混凝土圆盘（直径110 mm，厚度50 mm）上进行劈裂试验（巴西试验）该试验在配备有闭环控制系统的Tinus Olssen（±500 kN）液压机上进行步骤2.调整压力机的转向，以控制裂纹张开，并获得位于试样表面中心的单个裂纹[17]。步骤3.通过测量试样垂直于裂纹方向的直径变化来控制裂纹的张开。如图1[5]所示，该测量在正中面后15 mm和正中面前15 mm处进行（使用±1 mm的线性可变差动变压器（LVDT），±10 V）。实时计算这些数据的平均值，以便更好地控制测试。这一步可以防止在发生快速恢复现象时失去控制[18]。步骤4.将试样的直径膨胀测量与裂纹开口测量相关联。为此目的，非常概略地制定了以下战略：Fig. 1.试样直径膨胀测量示意图。LVDT的测量使得能够估计试样的径向膨胀到试样的面的右侧通过去除变形的弹性部分（即，线性定律，力的函数，在第一弹性加载中确定），从该直径膨胀估计，获得在试样的中间高度处和对于每个面的裂纹开口的估计相比之下，先前的实验研究[1，2]使用DIC技术来开发平均有效表面积与裂纹中心的平均开口裂纹之间的线性统计关系。通过DIC技术分析获得的试样中间高度处的裂纹开口与通过LVDT测量获得的相同数据进行比较。对于所有受试样本，该比较产生了可重复且一致的结果。关于采用拟定力学试验装置确定裂纹张开度，可提出以下几点意见：评论1.最大裂纹开口没有出现在试样的中间高度（沿裂纹）。这是大多数受试样本的情况这种现象很容易用混凝土的非均匀性来解释。评论2.在过去，通过观察和解释，已经证明了在混凝土结构中的裂纹扩展期间，裂纹在表面比内部扩展得更快[19，20]。此外，在裂纹结构内部，存在几个导致不连续裂纹扩展的“材料桥”。表面裂纹和内部裂纹之间的这种差异意味着表面裂纹并不代表裂纹的整体真实性。这就是为什么在讨论试样中心处的平均裂纹张开度时，通常参考表观裂纹张开度评论3.使用LVDT测量获得的裂纹开口的测量似乎比使用DIC技术的测量更全面。因此，在本研究的框架中提出了以下假设：假设1。裂纹被认为是两个平面，沿裂纹的整个长度以相同的距离假设2。两个平面之间的距离由在试样中间高度处的裂纹开口的测量给出，其被认为是裂纹沿着裂缝的开口。这一选择被认为是可以接受的，尽管已经作出了强有力的假设。这与参考文献[5]中提出的选择非常不同，参考文献[5]是本工作的基础;事实上，在以前的报告中，裂纹张开度计算为沿裂纹表面的平均裂纹张开度（使用DIC分析）[1，2，5]。2.2. 水力方面水力学方面是本实验研究的重点和难点。在之前的研究中，重点关注通过裂纹的水转移[2]，受水载荷的试样表面部分不是试样的总表面;相反，由于两个试样表面上存在水箱和接头，因此面积减小。因此，在液体渗透性试验期间，暴露于液压的表面被限制为直径（称为有效直径）等于硅酮接头内径（77 mm）的圆形表面。同样，仅认为裂纹表面的一部分代表液体的渗透面积。●●●●P. 罗西工程17（2022）9395·图二. 实验装置的照片。在本研究中使用了相同的一般设置（图2）[5]。然而，由于本研究涉及气体传输而不是液体传输，因此存在一些困难需要克服。主要困难涉及潜在的气体泄漏问题，这将在下文进一步讨论。对于渗透性测试，该装置包括两个钢罐，将其放置在样品的表面上并通过螺钉系统紧固上游压力室连接到加压、调节、过滤的空气回路，而下游室连接到 真 空 泵 [5] 。 使 用 具 有 热 效 应 的 压 力 调 节 器 和 质 量 流 量 计（Bronkhorst®，F-111 AC-50 K-AAD-33 V，1-荷兰）位于装置的上游真空泵位于下游，并允许30毫巴（3 kPa）的最小压力。热电偶用于测量腔室中的流体温度两个硅酮接头（2mm厚）插入在罐和试样的面之间以防止上游面和下游面上的空气泄漏它们的低刚性确保了没有与腔体的存在相关的机械约束作用施加在试样上。上游室中的空气入口通过浸入恒温浴中的盘管冷却，并保持在22 °C的温度。进行了以下测量：四个LVDT的直径，公制膨胀测量、气缸位移、日期和时间、上游压力、下游压力、两个腔室之间的压差、质量流量、上游和下游温度以及施加在试样上的力。与水渗透性实验研究[1，2，5]相比，该实验模式的主要不足之处在于：①使用了适合空气传输和测量流量的质量流量计;③使用真空泵;以及为供气回路制造冷却盘管，以确保气体保持在恒定温度，因此流动被认为是等温的（这仍然是一个强有力的假设）。使用该测试装置实现的第一个测试表明，尽管存在硅胶，但接头. 为解决这一问题采取了以下步骤：①在试件的圆柱形周边上使用ABM75。该产品通常用于将应变片粘贴在混凝土试件上。②用一个附加的质量流量计（与第一个质量流量计的特性相同）来验证这种新解决方案的效率。图 3给出了由两个质量流量计给出的上游和下游空气流速之间的比较，这可以被认为在测试期间基本相同[5]。下游流量测量的扰动与真空泵（隔膜泵）的技术有关当泵暂时停止时，数值更加稳定。3. 测试程序本研究中使用的混凝土配合比设计见表1。标本在内源性条件下储存，由玻璃纸膜上的两层自粘铝保护。这种保护一直保持到试验开始。将铝屏蔽从试样的表面移除以进行渗透性测试，但将其留在圆柱形周边上。机械载荷通过这种薄保护层传递这种安排导致了更好的分布，这种负载比与传统的胶合板通常用于标准化的分裂测试。在该实验活动期间进行的测试经受相对较低的比压条件，以最小化流体可压缩性的影响。所施加的压力比（在上游和下游压力之间这些压力比与标准化渗透率测试中的压力比相比可以认为是低的这种选择是由两个方面决定的：①避免必须考虑气体的可压缩性，这可能会在实验结果的分析中产生困难; ②避免气体泄漏。实际上，在使用所提出的测试装置进行的第一次测试期间，当施加更高的压力比时，观察到图三.开裂状态下上游和下游流动的比较。表1研究混凝土配合比设计成分含量（kg·m-3）沙0/4 830合计4/11 445合计8/16 550水泥高效减水剂2.4水198P. 罗西工程17（2022）93962app12 1L¼2rTqmL¼-2rTMRT2rT图4示出了在裂化过程期间施加的压力条件的循环的示例[5]。如图所示，测试期间施加的最大下游压力（通过使用真空泵获得）略大于1巴（100 kPa），这对应于平均大气压力。在试验过程中，经常施加裂缝开口。由于试验是间接控制的（作为直径膨胀和施加力的函数），因此施加的力不是恒定的，尽管其变化很小。图5[5]中给出了施加的裂缝开口。本研究期间成功测试了4个样本。4. 结果和分析示意性地，气体在裂缝中的运动可以近似为两个平板之间的流体流动。在本研究的框架内进行了以下假设：理想气体、既定流量、低压比和恒定体积流量。所有这些假设使得有可能将与裂纹体积相关的积分动量守恒以宏观和微观之间的关系的形式桥梁将是。正是这种滞留在材料桥中的空气量的增加（以及通过裂缝表面穿过未开裂混凝土的空气量），可能导致观察到的曲线的非线性。如图6所示，曲线的线性部分用于根据裂纹的表观开口确定裂纹的表观渗透率（公式10）。① ①）。图图7表示表观裂纹渗透率（Kapp）与表观裂纹张开度（Wapp）的关系曲线。该图还描绘了根据严格的理论应用所预期的曲线据观察：与开裂混凝土试样相关的曲线形状与理论曲线（幂函数）相似。开裂混凝土的表观裂缝渗透性小于存在理论裂缝时发生的渗透性，这是预期的结果。当裂纹开口变大时（对于大于200微米的裂纹开口），该差异变可以用解析关系式（等式7）拟合图7的曲线。（3））：压力梯度的平方是质量的函数Kapp¼5 ×10-16W2： 8569ð3Þ流量（q），其中p1是上游压力，p2是下游压力。这种关系（在理论上并考虑到假设框架）必须是线性的，并具有以下形式：p2-p2p2-p1。12件w2M Q很明显，Eq。（3）取决于所考虑的混凝土，特别是取决于其不均匀性和孔隙度的水平因此，对其他类型的混凝土进行相同类型的实验研究以获得更多的一般信息应该是有趣的同样重要的是要重申，Eq。（三）其中r、T、w、l、q、m和S分别表示理想气体的比常数、温度、流动平面之间的距离、动态粘度、密度和流动截面。q<$pm<$p1ð2Þ备注：方程式（1）在形式上非常接近于Poiesville图6显示了几个裂纹开口的压力梯度平方与质量流量的关系曲线。这个数字来自Ref。[5]有一个重要的变化，这是确定裂纹开口的方式（见第2）。可以注意到，这些曲线显示出小的非线性，特别是对于较大的质量流量。这一观察结果与在所作假设的框架内获得的理论关系相矛盾。这种明显的矛盾可以解释为存在的材料桥内的裂纹部分的标本。质量流量和压力梯度的平方越大，渗透到这些材料见图4。裂解过程中施加的上游和下游压力条件的示例。图五. 试验期间施加的裂缝开口。复制自Ref。[5]的文件。见图6。不同表观裂纹开度值和不同试样的平方压力梯度曲线与质量流量（Qm●●Sq1P. 罗西工程17（2022）9397必须被认为是一个近似的现实，因为事实上，裂纹的开口和空气传输的距离，在这项研究中考虑的是粗略的估计。由于这些原因，可以接受公式2.8569的近似值。（3）2.8或2.9。图8显示这两个值与拟合实验点相关。另一个需要关注的问题是，所提出的试验方案导致某些（但不是全部）下游压力低于大气压力（图4）。然而，在与核电站容器相关的实际情况下，该下游压力永远不会低于大气压力。可以说，如果这种情况对实验结果的分析有重大影响，那么图7会受到比现在更大的干扰。最后，需要注意的是，Eq。（3）可以被认为是目前有效的关于在本研究中考虑的压力和压力比的值。为了进行更全面的分析，必须开发另一种测试装置和测试方案来研究更高的压力5. 讨论和结论本文对混凝土裂缝表观气体渗透率的试验研究进行了分析。为了达到这一目的，试验装置包括：①在混凝土圆盘上进行劈裂试验110 mm直径和50 mm厚，以产生裂纹。②对试件中心裂纹张开量进行了③气体渗透性试验见图7。表观渗透率-表观裂纹张开度曲线：实验点的精确拟合曲线。见图8。视渗透率与视裂纹张开度曲线：两种近似拟合曲线。使用包括两个钢罐的装置进行，所述两个钢罐放置在试样的表面上并通过螺钉系统紧固。上游压力室连接到加压、调节和过滤的空气回路。下游室连接至真空泵。获得了以下主要结果增加的机械过程使得有可能很好地控制裂纹的产生，并测量试样中心处的平均裂纹液压程序表明，宏观压力梯度施加和测量良好，系统中没有气体泄漏视气体渗透率的演变作为视裂纹开口的函数是相关的基于Poiffille的理论。重要的是要指出，为确定作为宏观裂纹开口的函数的表观气体渗透率的演变而提出的实验方法（及其分析）必须被视为导致宏观信息的工程方法。在以下情况下使用这些信息一个数值模型是合理的，并且只有当这个模型也是宏观的并且被用作工程工具时才可以被认为是相关的。从更物理的角度来看，这种方法是开放的批评，因为它是基于一个非常强的假设，有一个已知的和恒定的压力梯度存在的裂缝。但是，由于储罐和裂缝之间的体积差异很大，这种假设并不明显。如果试验期间的最大宏观裂纹开口小于0.3 mm，则裂纹开口与试样直径（110 mm）的比率以及与加压气体罐直径的比率大于3/1000。因此，认为气体与裂纹之间的接触表面是无限大也不是不合理的。如果这种无穷大的假设被认为是相关的，那么也可以合理地接受实验测试实现了对真实核动力容器中发生的情况的充分模拟。在这些条件下，即使没有很好地确定宏观裂纹的入口和出口之间存在的实际压力梯度，也可以认为在本研究的应用范围内，在测试过程中获得的表观渗透率是可以接受的总之，可以认为，为了实现更相关的理论方法，应该有必要改变开裂和流体传输的建模尺度，并开发其他类型的测试装置。最后，应该记住的是，本文中提出的实验研究（及其分析）的目的是提供有用的信息时，外部（大气压力）和内部（在事故情况下）的压力是已知的或可预测的，但在入口和出口的宏观裂纹的压力是通过宏观裂纹核电厂容器泄漏。致谢作者感谢法国国家研究机构通过MACENA项目（ANR-11-RSNR-012）提供的资金支持。引用[1] 拉斯蒂耶洛湾Influence de la fissuration sur le transfert de fluides dans lesstructuresenbétonStratégiesdemodélisationprobabilisteetétudeexperérimentale [dissertation]. Marne la vallee：Université Paris Est; 2013.法语[2] Rastiello G，Boulay C，Dal Pont S，Tailhan JL，Rossi P.荷载作用下混凝土局部裂缝的实时透水性演化。水泥混凝土研究2014;56：20-8.●●●P. 罗西工程17（2022）9398[3] 张文，张文，等.混凝土裂缝的局部和全局概率模型.中国建筑工程学报，2001 ，13（1）：133 - 134. Ann Solid Struct Mech 2010;1（2）：103-15.[4] 张文龙，李晓梅，李晓梅.流体泄漏数值模拟的宏观概率破裂方法。Ann Solid StructMech2015;7（1-2）：1-16.[5] 杨文，杨文.实验确定在Béton中出现一个大裂缝时的空气释放量MACENA项目报告（ANR-11-RSNR-012），WP 3-任务1.3。次报告. 巴黎：国家研究机构; 2018年2月法语[6] Rizkalla SH ，Lau BL ，Simmonds SH. 钢筋混凝土的漏风 特性。J Struct Eng1984;110（5）：1149-62.[7] [10]张文，张文.裂缝混凝土墙体气体泄漏的实验研究。于：非金属材料的混凝土和特定方面的会议记录Q 05-混凝土的材料和结构方面MiRT 10; 1989年8月22-27日;美国加利福尼亚州阿纳海姆; 1989年。[8] [10]杨志，李志华.钢筋混凝土墙体残余剪切裂缝渗漏的试验研究。于：非金属材料的混凝土和特定方面的会议记录Q 05-混凝土的材料和结构方面MiRT 10; 1989年8月22-27日;美国加利福尼亚州阿纳海姆; 1989年。[9] Suzuki T，Takiguchi K，Hotta H.气体通过混凝土裂缝泄漏。核工程1992;133（1）：121-30。[10] 作者：DameronRA，Rashid YR，Tang HT. 严酷堆芯条件下混凝土安全壳概率风险评估的泄漏面积和泄漏率预测。核工程1995;156（1-2）：173-9。[11] Riva P，P. L，Contri P，Imperato L. 通过破裂的钢筋混凝土板的空气和蒸汽泄漏率的预测。核工程1999;192（1）：13-30.[12] 格兰T一种评估开裂钢筋混凝土墙渗漏的原始方法。Eng Struct2012;38：11-20.[13] Ismail M，Gagné R，François R，Toumi A.破裂砂浆中气体传输的测量与模拟。Mater Struct2007;39（1）：43-52.[14] 放 大 图 片 作 者 ： John H. 裂 缝 对 混 凝 土 透 气 性 和 透 水 性 的 影 响 。 Cem ConcrRes2009;39（6）：537-47.[15] Choinska M，Dufour F，Pijaudier-Cabot G，Huerta A，Khelidj A.如何从连续损伤有限元计算中提取裂纹开口？渗透率估算的应用。In：Shao J，Burlion N，editors. 岩土材料中的热-流体力学和化学耦合及其应用。Hoboken ：John Wiley&Sons.[16] Ezzedine El Dandachy受损混凝土渗透性的表征与建模：应用于钢筋受损混凝土结构[论文]。圣马丁法语[17] Boulay C，Dal Pont S，Belin P.裂缝混凝土电阻的实时演变。水泥混凝土研究2009;39（9）：825-31。[18] 放 大 图片 作 者 ：Aldea CM ， Shah SP ， Karr A. 裂 缝 混凝 土 的 渗 透性 。 MaterStruct1999;32（5）：370-6.[19] RossiP，Le Maou F. 利用光纤检测和定位混凝土裂缝的装置。工程机械1990;35（1-3）：303-11.[20] Rossi P.《Béton的裂缝：结构材料》。Application de la Mécanique Linéairede la Rupture [dissertation].马恩河谷：国立桥梁和桥梁学校; 1986年。法语
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