水工混凝土抗滲性能的影響因素探討

肖延亮，李光偉，張 洋

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

混凝土的耐久性，與水和其它有害液體、氣體向其內部流動的數量和范圍等有關，所以抗滲性被認為是評價混凝土耐久性的重要指標。一般認為，滲透性是導致混凝土品質惡化的主要因素，大多數造成混凝土劣化的物理的、化學的侵蝕都是有害介質通過水的侵入而發生的［1］。混凝土滲透性越低，抵抗水和侵蝕性介質侵入的能力就越強，其耐久性就越好，所以低滲透性是混凝土耐久性的第一道防線［2］。水利水電工程，通過修筑攔河大壩抬高河流的水位，從而達到發電、灌溉、防洪等目的。要求大壩具有較高的水密性，防止水工結構漏水是工程建設所要達到的目標。然而水工混凝土上游面承受較高的水頭，而下游面承受的水頭則較小，在水力梯度作用下，水會沿著滲透通道遷移，一方面會造成水量的損失，另一方面會對混凝土結構產生侵蝕作用，使結構的耐久性降低。

2 水工混凝土抗滲性能的影響因素

水泥完全水化所需的水量折算成水灰比大致為0.23，而水工混凝土幾乎不可能采用如此小的水灰比。由于水灰比過小，混凝土的自收縮很大，混凝土容易開裂，且混凝土拌和物和易性較難滿足施工性能要求，因此水工混凝土實際采用的水灰(膠)比遠高于0.23。混凝土用水量超過混凝土水化極限用水量的1～3倍，大量的水是水化反應所不需要的，多余的水分在混凝土水化過程中會形成孔隙，成為庫水的滲透通道。本文將從混凝土本體與施工質量兩方面論述影響水工混凝土抗滲性能的因素。

2.1 混凝土本體抗滲性能的影響因素

2.1.1 混凝土密實度

提高混凝土密實度可以提高混凝土抗滲性。在混凝土生產、施工的各個環節要采取正確、有效的措施來提高混凝土的密實度。

當砂率為最佳砂率時，可使混凝土在較低用水量時獲得最佳的施工和易性。混凝土最佳砂率可通過室內試驗和現場配合比調整試驗獲得。如果混凝土使用砂率過小，則不能在粗骨料的周圍形成足夠的砂漿層起到潤滑和填充作用，也會降低混凝土的施工和易性，混凝土不易振搗密實;混凝土粘聚性、保水性變差，容易使混凝土在澆筑過程中出現較大的泌水，從而導致混凝土抗滲性降低。如果砂率過大，會使骨料的總表面積及空隙率增大，要使混凝土達到相同的坍落度，需增加混凝土的單位體積用水量，從而提高混凝土的膠凝材料的用量，增加了混凝土因溫升過高而產生裂縫的風險。如不改變用水量，則混凝土的流動性降低，造成施工振搗不密實，影響抗滲性。由于水工混凝土常常采用較大粒徑的粗骨料，容易出現骨料與砂漿的分離現象，如不做好平倉工作，會造成混凝土拌和物分布不均勻，影響水工混凝土的澆筑密實度，從而影響混凝土的抗滲性能。

粉煤灰是水工混凝土最常用的摻合料，一般摻量在30%左右。由于粉煤灰的早期水化程度較低，因此摻粉煤灰混凝土的早期抗滲性能比不摻粉煤灰混凝土略低。粉煤灰的以下三種效應均能使混凝土孔隙減少:①形態效應，粉煤灰混凝土的鋁硅酸鹽玻璃微珠，可填充水泥漿體孔隙，提高混凝土的抗滲性;②活性效應，粉煤灰中活性成分SiO2、Al2O3在后期與水泥的水化物反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，降低了混凝土的孔隙率，改善了孔結構，提高了混凝土的抗滲性;③微集料反應，粉煤灰中的微細顆粒分布于水泥顆粒之間，有利于水泥的水化反應，增加了混凝土的密實性，提高混凝土的抗滲性。水工混凝土的設計齡期一般采用90d或180d，因此摻粉煤灰水工混凝土設計齡期時的抗滲性比不摻粉煤灰混凝土優。

2.1.2 水膠比

一般情況下，骨料的抗滲性較高，水泥砂漿的抗滲性是影響混凝土抗滲性能的主要因素。吳中偉教授曾將混凝土中的孔隙劃分為四級［2］:孔徑在20nm以下為無害孔級;孔徑在20～50nm為少害孔級;孔徑在50～200nm為有害孔級;孔徑在200nm以上為多害孔級。孔徑小于50nm的孔數量可能反映凝膠數量的多少，而凝膠數量越多則混凝土的強度越高，抗滲性越好。隨著混凝土水膠比的增加，混凝土中的孔隙率會增加，且無害孔和少害孔的比例降低，而有害孔和多害孔的比例增加。混凝土的抗滲性能會隨著混凝土水膠比的增加而降低。有研究表明(如圖1所示)［3］，水灰比從0.5增加到0.7，滲透系數增加100多倍甚至更多;水灰比從0.65降至0.55，滲透系數降至原來的1/3。在水工混凝土設計中，有耐久性要求的混凝土常常對最大水膠比作出限制。在滿足施工要求且控制膠材用量的情況下，應盡量選擇較低的水膠比，高效減水劑的使用是達到這一目的的好辦法。

圖1 混凝土抗滲系數與水灰比的關系

2.1.3 骨料粒徑

在水膠比相同情況下，骨料的最大粒徑越大，混凝土的滲透系數越高，抗滲性能越低。水在一定的水力梯度作用下，會沿著混凝土中水泥漿體的連通孔隙滲透，在滲透過程中遇到粗骨料，由于通常情況下骨料的滲透性極低，水會繞著骨料與水泥漿體的界面運動。其一，骨料粒徑越大，混凝土滲透的平均路徑越短，混凝土的抗滲性能越低;其次，濕篩混凝土的界面結合比全級配混凝土好，可使二級配混凝土抗滲性能比四級配混凝土優，由于水的密度低于水泥漿體，在混凝土振搗施工時，水會在浮力作用下向上運動，水在上浮過程中遇到粗骨料時，會在骨料下方形成水隙而影響界面粘結性能，骨料粒徑越大，界面的粘結性能越低。如表1的抗滲試驗，全級配采用φ450mm×450mm的圓柱體試件，濕篩混凝土采用φ150mm×150mm的圓柱體試件，試驗研究成果表明，在相同水壓力作用下，全級配滲透系數比濕篩二級配混凝土的高一個數量級。

表1 混凝土滲透系數影響試驗結果

2.1.4 含氣量

研究表明［4］，引氣劑的摻入，能夠在混凝土中引入適量的細小、均勻且獨立而不相通的氣泡，有效隔斷了混凝土中的毛細孔通道，防止水分滲透，從而增強混凝土的抗滲性能。氣泡的形態和大小對混凝土抗滲性能有較大影響。如果引入的含氣量過高，反而會導致混凝土抗滲性能的下降，當混凝土含氣量達到6%～8%時，混凝土抗滲性能出現急劇下降。這主要是因為引入過多的氣孔，難以完全封閉，它們相互之間會形成連通孔隙。采用聚羧酸配制有抗凍要求的混凝土時，混凝土含氣量較難控制，且容易引入直徑較大的有害氣泡，會使混凝土中孔隙連通，對混凝土的抗滲不利。室內試驗發現，引氣劑摻量稍微提高，混凝土含氣量急劇增加，混凝土會在1MPa水壓力下1h左右即被擊穿。因此，如何控制混凝土中的含氣量和氣泡大小是混凝土引氣技術的關鍵。

2.2 施工質量

2.2.1 濕養護齡期

合理的養護可使混凝土的強度更高、抗滲性更好。早期養護條件的不同，對混凝土后期的抗滲透性能影響顯著，說明在不同的養護條件下，混凝土的水化硬化過程發生了不同的變化［5］。根據 Mehta的研究，只有100nm以上的連通孔才對混凝土的抗滲性有害。在混凝土早期水化階段，如果養護不及時，水分迅速蒸發，可由外向內引發混凝土內部的水分遷移，這種遷移作用和持續的遷移過程，勢必在硬化混凝土中形成了大量100nm以上的連通孔甚至出現微裂縫，必然會降低混凝土的抗滲性能;而對于標準養護或及時水養護的混凝土，由于水泥可以持續得到水化所需要的水，水化物不斷消耗孔隙中的水而降低混凝土的孔隙率，增加密實性，從而提高混凝土的抗滲透能力。

另有研究成果表明，按抗滲要求設計的混凝土，如果沒有及時充分的養護，抗滲等級僅達到P3;而按不抗滲設計的混凝土，如果加強早期養護，其抗滲等級可達到P14。可見，及時充分的濕養護，對混凝土抗滲性能的影響明顯。

2.2.2 裂縫控制

裂縫的產生，不但會使結構的承載力下降，還將大大提高建筑物的透水性。由于裂縫的滲透能力遠遠高于混凝土孔隙，裂縫產生可能影響水工建筑物的正常蓄水。因此，設計合理的水工混凝土配合比，在水工混凝土施工過程中，做好混凝土表面的保護，降低混凝土因內外溫差過大而產生裂縫;采用適當的溫控措施，通過控制混凝土的最高溫升和溫降幅度，降低混凝土因溫度應力過大而產生裂縫;進行較好的濕養護，防止混凝土因干縮過大而出現裂縫;通過以上措施，可以降低裂縫出現的幾率。如出現裂縫，需采取適當的修補措施;如處理不當，會成為水滲漏的路徑，影響水利水電工程正常蓄水。

2.2.3 層面結合

受混凝土運輸能力和施工強度的限制，水工混凝土每倉澆筑需分幾層才能完成。為保證澆筑塊內的各澆筑層能夠形成一個整體，應在下層混凝土未初凝之前覆蓋上層混凝土;否則，已初凝的混凝土表面將產生乳皮，在振搗中無法消失，上、下層混凝土間形成薄弱結合面，則抗滲性能將會明顯降低［6］。

為了防止混凝土因溫度應力而產生裂縫，對水工大體積混凝土采用分縫分塊澆筑。3m澆筑層厚是目前水工混凝土常采用的層厚，層與層之間存在一定的澆筑間歇時間，間歇時間的長短需進行專門的論證。混凝土每倉澆筑完畢或因其他原因不能繼續澆筑時，則應立即封倉停止澆筑，待混凝土強度達2.5MPa后，可用壓力水、風砂槍等將表面混凝土刷成毛面，清洗干凈，繼續澆筑。然而由于各種原因，上下層混凝土的澆筑時間間隔超過了規定的間歇時間，需用水泥砂漿對層面進行處理，改善層面的抗滲性能;否則，混凝土的澆筑層面將成為混凝土的滲漏通道。

3 結論與建議

通過本文對水工混凝土抗滲性能影響因素的論述，可以得出以下提高水工混凝土抗滲性能的措施:

(1)采用科學合理的配合比，提高混凝土拌和物和易性，提高混凝土的密實性;

(2)在保證膠材用量不增加的前提下，降低混凝土的水膠比，改善混凝土的孔隙結構;

(3)根據工程特點，選用合適的骨料粒徑;

(4)引入一定量的微氣泡，降低混凝土毛細孔的連通性，從而提高混凝土的抗滲性;

(5)做好混凝土的濕養護，特別是早期的濕養護;

(6)采用適當的溫控措施，防止裂縫產生;

(7)采用合適的澆筑工藝，提高混凝土層面結合性能。

［1］肖延亮.高早強微膨脹自密實高強混凝土的配制及其性能研究［D］.武漢:武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，2004.

［2］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［3］陳文峰，劉芳玲.影響混凝土抗滲性能主要因素分析［J］.淮南職業技術學院學報，2008(4):109－111.

［4］李紀連，武振剛，李學安.提高混凝土抗滲性的技術途徑［J］.河北水利，2003(7):44－46.

［5］葛兆慶，周岳年，等.早期養護對混凝土結構抗滲性能的影響分析［J］.施工技術，2010(4):91－93.

［6］孟凡濱.淺析水工混凝土澆筑與養護［J］.科技資訊，2009(25):92.