Page 26 - 水利学报2021年第52卷第6期

收缩、热应力、钢筋腐蚀等多种外界因素的影响，造成混凝土不同程度上的损伤，其内部存在大量
的空隙和裂缝等缺陷。因此可从细观角度出发，将开裂混凝土视为由骨料、水泥砂浆、界面过度区
（ITZ） 和裂缝组成的四相非均质材料，研究和揭示裂缝对混凝土中水分传输规律的影响机理。
王立成等 ［83-86］ 建立了开裂混凝土的细观格构网络模型（Mesoscale lattice network model），考虑裂缝
表面粗糙度和迂曲度等因素，采用折减系数将裂缝宽度简化为等效裂缝宽度，且裂缝具有独立的水
分传输系数，分析了水分在含单条等宽度裂缝混凝土中的传输规律。
Li 等 ［88-89］ 建立了具有不同裂缝几何参数（裂缝密度、宽度、长度和粗糙度）的三维离散网络数值模
型，采用有限元方法模拟了混凝土中水分的传输过程。图 4 显示了水分渗透情况下，不同裂缝形态参
数对数值结果的敏感性分析，可见对于开裂混凝土试件，裂缝密度和宽度的影响尤为显著。
以上研究工作从宏观/细观角度采用数值方法加深了人们关于裂缝对混凝土水分传输规律影响的
认识。但混凝土内部真实裂缝往往具有三维空间复杂网络结构，现有模型无法反映真实的裂缝形
态，需进一步建立准确的数值模型分析裂缝几何形态对水分传输规律的影响机理。

5 结语

水分传输是导致钢筋混凝土结构使用寿命和承载力降低的重要原因，研究裂缝对混凝土中水分
传输规律的影响对准确开展钢筋混凝土结构的耐久性设计和使用寿命预测具有重要意义。本文从裂
缝观测方法、裂缝形态表征、裂缝自愈合及水分传输过程的数值模拟等方面综述了近年来国内外文
献中关于开裂混凝土水分传输的研究进展。已有研究表明，裂缝形态对开裂混凝土水分传输产生不
同程度的影响，混凝土水分传输系数与裂缝宽度的二次或三次方成正比；裂缝粗糙度的变化对水分
传输速度影响很小，裂缝迂曲度的增大和裂缝自愈合会导致开裂混凝土水分传输系数的降低，增加
裂缝密度能够提高混凝土的吸水量。虽然目前对于开裂混凝土中水分传输的研究发表了很多研究成
果，但除了与裂缝宽度建立了定量关系外，其他关于裂缝形态的表征参数以及裂缝自愈合对水分传
输速度的影响尚未有明确的量化关系，特别是试验与数值模拟中仍有很多亟需解决的问题，主要包
括以下 5 个方面：（1）开裂混凝土内部水分的一维传输理论已相对成熟，但关于水分的二维或三维传
输理论及试验研究却鲜有报道。（2）由于裂缝的诱导产生方式和水传输测试的方法不同，不同试验获
得的裂缝宽度阈值结果具有很大的离散性。实际工程中裂缝宽度往往与深度有关，这与试验条件下
诱导产生的等宽度裂缝有较大差异，如何将试验结果应用到实际工程结构中是一个较大的难点。（3）
混凝土内部真实裂缝往往是三维的复杂形态，而现有的多数水分传输研究中仅对平面的裂缝进行分
析。目前关于裂缝对水分传输规律的影响已经进行了大量试验研究和数值模拟，但在解释裂缝加快
水分传输方面的机理上仍存在局限性，包括不同裂缝形态参数的相关性及其与水分传输系数的定量
关系，目前没有明确的共识和完整的数据库。（4）混凝土基体自身的自愈合能力较低，而裂缝的自主
愈合效果取决于混凝土配合比中矿物掺和料的类型和掺量，还与修复环境有密切关系。此外，裂缝
宽度变化、混凝土组成材料的化学成分和水流速等对裂缝自愈合也会产生重要影响，需进一步建立
裂缝自愈合效果的评价指标。（5）开裂混凝土中水分传输过程数值模拟的关键是在离散裂缝或弥散裂
缝网络中追踪水分的运动及分布规律，但混凝土中裂缝通常分布密集、宽度范围较大，现有研究主
要针对单条平直裂缝，或将曲折裂缝进行平直等效简化处理，因此数值方法仍存在较多不足。
针对以上问题，作者认为关于开裂混凝土的水分传输规律可从以下 4 个方面深入研究：（1）将开
裂混凝土在细观层次上视为由水泥浆体、骨料、界面过渡区（ITZ）、裂缝和损伤区（DZ）组成的五相复
合材料，建立水分二维或三维传输的细观数值模型，以便准确合理地模拟开裂混凝土内部水分传输
规律。（2）不同裂缝形态参数之间往往具有相关性，比如裂缝宽度与深度、裂缝密度与深度等，综合
考虑不同裂缝形态参数的影响，建立不同裂缝形态参数与裂缝中水分传输系数的定量关系，为数值
模拟提供基础性条件。（3）为了改进开裂混凝土的水分传输模型，需深入了解混凝土组分、构件截面

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