水泥基材料滲透系數(shù)測定方法及試驗裝置

戴　維, 付傳清,2,3, 劉佳敏, 黃彥鑫, 金南國

(1. 浙江大學 建筑工程學院, 浙江 杭州　310058; 2. 浙江工業(yè)大學 建筑工程學院,浙江 杭州　310014;3. 浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災減災技術(shù)研究重點實驗室, 浙江 杭州　310014)

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水泥基材料滲透系數(shù)測定方法及試驗裝置

戴維1, 付傳清1,2,3, 劉佳敏1, 黃彥鑫1, 金南國1

(1. 浙江大學 建筑工程學院, 浙江 杭州310058; 2. 浙江工業(yè)大學 建筑工程學院,浙江 杭州310014;3. 浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災減災技術(shù)研究重點實驗室, 浙江 杭州310014)

介紹了一種基于Darcy定律測定水泥基材料滲透系數(shù)的測定方法和試驗裝置。該試驗裝置包括試驗筒體、注水增壓單元、滲水量測定單元和帶有控制面板的控制器。該裝置能夠有效保證密封性能,準確控制恒定壓力,可以用于研究試件高度和截面面積對滲透系數(shù)的影響,適用于不同孔隙率水泥基材料的滲透性試驗,真正達到用穩(wěn)定流動法測定滲透系數(shù)的要求。

水泥基材料； 滲透系數(shù)； 孔隙率； 試驗裝置

混凝土是一種非均質(zhì)多孔材料,其滲透性與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性密切相關(guān)[1-2]。混凝土的滲透性決定了侵蝕介質(zhì)侵入混凝土的難易程度,直接決定著水泥基材料的碳化、離子侵蝕、鋼筋銹蝕和抗凍融等性能,是影響混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性的重要因素之一[3-5]。研究水泥基材料的滲透性能,可為基于全壽命周期的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)支持,具有重要意義。

1　混凝土滲透性測定簡述

國內(nèi)外測定多孔材料滲透性的方法主要基于達西定律(Darcy’s Law),且測定主要針對巖土材料[6-7]。李守臣等[8]采用有限元模擬研究了巖土材料滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系；Deek等[9]采用試驗方法研究了含有有機物和礦物的多孔非均質(zhì)土層的滲流和溶質(zhì)傳輸問題；Morin[10]根據(jù)現(xiàn)場滲流觀測數(shù)據(jù)研究了砂土和砂礫含水層的滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系；Hunt[11-12]研究了非飽和土壤滲透系數(shù)的分形特征,并利用連續(xù)逾滲理論建立了非飽和土滲流的分形模型本構(gòu)關(guān)系。然而,與巖土材料相比,水泥基材料的孔隙率卻低得多,通常其孔徑尺寸在微米和納米尺度,孔隙迂曲度高、連通性低。因此,若要將水分從水泥基材料試件一側(cè)滲透到另一側(cè),有非常大的難度,即使在高壓水的作用下,孔隙水要滲透過一定厚度的水泥基材料需要十幾天甚至數(shù)十天。水滲透過水泥基材料到達另一側(cè)后,其滲流流量非常小,單位時間內(nèi)滲流流量很難收集并精確測定。基于此,國內(nèi)外目前尚無測定水泥基材料滲透系數(shù)的標準方法和裝置。

我國《混凝土質(zhì)量控制標準》(GB50164)給出了半定量評價混凝土抗?jié)B性能的方法——滲透深度法和抗?jié)B標號法,即在施加水壓一定時間后將混凝土劈開量取水分滲入混凝土的深度,或記錄水分由試件一側(cè)滲透到另一側(cè)的時間,以判斷該混凝土是否符合工程應用要求。由于上述方法屬于半定量分析,無法精確測定水泥基材料的滲透系數(shù),該法主要針對工程應用,不足以用于測定材料的滲透系數(shù)等科學研究。張禾等[13]介紹了一種新研制的適用于測定塑性混凝土滲透系數(shù)的方法,但與《混凝土質(zhì)量控制標準》(GB50164)中測定混凝土抗?jié)B透性方法類似,也屬于半定量法。錢吮智等[14]發(fā)明了一套恒定壓力下測定混凝土中水滲透系數(shù)的測試裝置,由于采用空壓機壓縮空氣間接施加水壓并采用電子天平稱量滲透水的質(zhì)量,難以適用于孔隙率低或不同尺寸的混凝土等材料滲透系數(shù)的測定，通常考慮荷載作用對水泥基材料滲透性的影響,主要是考慮垂直于荷載方向的滲透性。顧沖時等[15]發(fā)明了一種荷載作用下水分滲透系數(shù)的測定方法,該方法對低孔隙率試樣同樣存在局限性。

本文設(shè)計了測定水泥基材料滲透系數(shù)的試驗裝置并給出具體測定方法,可用于測定某種水泥基材料的滲透系數(shù),特別是測定具有尺寸效應或不同孔隙率的水泥基材料滲透系數(shù),可滿足用穩(wěn)定流動法測定不同尺度和不同密實度的水泥基材料滲透系數(shù)的要求。

2　設(shè)計框架

本水泥基材料滲透系數(shù)試驗裝置由試驗桶體、注水增壓單元、滲水量測定單元和帶有控制面板的控制器4部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。試驗桶體內(nèi)裝有試件,試驗桶體的進水口與注水增壓單元連通；滲水量測定單元與試驗桶體的出水閘閥連接；控制器包括時間控制單元和壓力控制單元,壓力控制單元信號輸入端與設(shè)置在試驗桶體內(nèi)的壓力傳感器相連,控制器的信號輸出端與注水增壓單元的增壓泵的控制端相連。

圖1　結(jié)構(gòu)框圖

3　裝置構(gòu)成

為了滿足不同孔隙率水泥基材料滲透系數(shù)測定的要求,設(shè)計了如圖2(a)和圖2(b)兩套系統(tǒng),分別用于測定低孔隙率和高孔隙率水泥基材料的滲透系數(shù)。

3.1試驗桶體

試驗桶體包括支架、兩端帶有蓋板的壓力桶以及裝于壓力桶內(nèi)的壓盤。壓力桶的蓋板示意圖及試驗桶體示意圖分別見圖3和圖4(圖中零部件的編號與圖2聯(lián)排)。試驗桶體上下放置,方向不同,對應向上和向下滲水,分別對應低孔隙率和高孔隙率的試件,并采用高精度測水表測定滲水水量。

試驗桶體包括兩端敞口的桶體、第1蓋板和第2蓋板。第1蓋板上設(shè)有出水閘閥和第1排氣泄水閘閥,第2蓋板上設(shè)有第2排氣泄水閘閥；第1蓋板、第2蓋板密封夾在壓力桶兩端,第1蓋板、第2蓋板通過帶有第1螺母的第1螺栓密封固接；第1蓋板、第2蓋板內(nèi)表面均設(shè)有一圈環(huán)形凹槽,環(huán)形凹槽內(nèi)配有相應的第1密封圈,且環(huán)形凹槽內(nèi)有若干道同心條狀凸起。環(huán)形凹槽的寬度為20 mm,深度為6 mm；第1密封圈、第2密封圈均采用5 mm厚的高韌度硅膠加工而成。壓力桶內(nèi)的試驗水壓力范圍為0～5 MPa。

壓盤通過帶有第2螺母的第2螺栓與第1蓋板內(nèi)表面固接,壓盤與第1蓋板之間夾有試件,保持試件與壓盤以及第1蓋板接觸處密封；壓盤與試件之間、第1蓋板與試件之間均夾有可以根據(jù)試件大小進行調(diào)整的第2密封圈。壓力桶安裝在支架上,蓋板上設(shè)有用于與滲水量測定單元連通的出水閘閥和排氣泄水閥；壓盤中心設(shè)有通孔,并且壓盤與其中一塊蓋板固接,試件夾在壓盤與蓋板之間；壓力桶桶壁上設(shè)有連通壓力桶內(nèi)外的進水管,進水口通過三通閥與注水增壓單元連通。

3.2增壓系統(tǒng)

增壓系統(tǒng)包括與外界水源連通的進水管、進水箱、增壓泵、高壓貯水箱、連接管。進水箱與增壓泵的進水口管道連接,增壓泵的出水口與高壓貯水箱管道連接,高壓貯水箱的出水口通過連接管與三通閥其中一個接口連通,進水管與三通閥的另一個接口相連接。

圖2　水泥基材料滲透系數(shù)測定裝置示意圖

圖3　試驗桶體蓋板示意圖

圖4　試驗桶體示意圖

3.3滲水量測定系統(tǒng)

滲水量測定系統(tǒng)包括用于測量低孔隙率試件的裝置(第1測試裝置)和測量高孔隙率試件的裝置(第2測試裝置),第1蓋板裝在試驗桶體上端時對應安裝第1測試裝置；第1蓋板裝在試驗桶體下端時對應安裝第2測試裝置。第1測試裝置包括連接軟管、用于固定測水表的鐵架臺、測水表閥門和測水表,第一蓋板安裝在壓力測試桶上端開口處,連接軟管的下端與出水閘閥連接,上端與測水表連接；并且測水表的下部安裝一個測水表閥門。第2測試裝置包括連接軟管、收集瓶和電子天平,第一蓋板安裝在壓力測試桶下端開口處,連接軟管的上端與出水閘閥連接,下端伸入收集瓶內(nèi),收集瓶放置在電子天平上。

4　試驗裝置的工作過程

本測定試驗裝置的工作過程包括以下步驟:

(1) 試件預處理:將養(yǎng)護后的待測試件側(cè)壁用石蠟密封。

(2) 安裝試驗桶體:將預處理后的試件裝在試驗桶體內(nèi),保證試件與試驗桶體接觸處以及整個試驗桶體完全密封；然后將試驗桶體的進水口通過三通閥與注水增壓單元連通,將試驗桶體的出水閘閥與滲水量測定單元連通。

(3) 試驗桶體安裝完畢后,通過進水管向試驗桶體中注水至排氣泄水閥有水流出時,停止注水,在控制器面板中設(shè)置壓力參數(shù)后啟動程序,增壓泵啟動,等到滲水量測定單元中的讀數(shù)增加速率達到穩(wěn)定狀態(tài)后開始記錄一定時間間隔內(nèi)滲水量測定單元讀數(shù)差值,所得結(jié)果取平均值即為流量Q。

根據(jù)Darcy定律,滲透系數(shù)計算公式為

(1)

式中,Q為指定試件內(nèi)單位時間內(nèi)透過試件水流量(cm3/s)；L為試件的厚度(cm)；A為水流通過試件的總截面積(cm2)；ΔP為壓力差,因不考慮出水端壓力,此處壓力差值即為試驗設(shè)定的施加水壓力(MPa)。

(4) 試驗結(jié)束后,先關(guān)閉增壓泵,待壓力全部卸載完成,再將試驗桶體的水排出,取下試件。

測定低孔隙率混凝土材料的滲透系數(shù)時，由于低孔隙率水泥基材料滲水速率低,采用精度較高的測水表測定滲水量。對于高孔隙率的水泥基材料如輕質(zhì)混凝土,只需將試驗桶體方向上下顛倒,如圖2(b)所示。滲水量測定由收集瓶和電子天平測定。

5　結(jié)語

本試驗裝置可以有效保證密封性能,能準確控制恒定壓力,且水壓力能達到低孔隙率水泥基材料滲透性試驗的要求,從而實現(xiàn)用穩(wěn)定流動法測定滲透系數(shù)的目的。該試驗裝置還可以用于研究試件高度和截面面積對滲透系數(shù)的影響,從而確定水泥基材料滲透性的尺寸效應,且適用于不同孔隙率水泥基材料的滲透性試驗。試驗方法在一定程度上克服了目前國內(nèi)外在水泥基材料滲透性測試方法上的不足,可以真正達到用穩(wěn)定流動法測定滲透系數(shù)的要求,從而滿足水泥基材料滲透系數(shù)測定的實驗教學或科研需求。

References)

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Methods and test apparatus of permeability coefficient determination with cement-based materials

Dai Wei1, Fu Chuanqing1,2,3, Liu Jiamin1, Huang Yanxin1, Jin Nanguo1

(1. College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2. College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;3. Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology of Zhejiang Province,Hangzhou 310014, China)

A test method based on Darcy’s law and test apparatus utilized for determination of the permeability coefficient with cement-based materials were introduced. Test apparatus is assembled by a cylinder,a water injection booster unit,a water percolating capacity measurement unit and a controller with control panel. The apparatus is designed with good tightness and accurate control of constant pressure,and can be used to study the influence of specimen height and cross-section area on permeability,then the size-effect of cement-based materials on permeability coefficient can be determined. The used test method in permeability determination can overcome the shortage in some degree existed in previous study,and it can be used to determine the permeability coefficient of cement-based materials by the steady flow method.

cement-based material; permeability coefficient; porosity; test apparatus

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.025

TU528-33

A

1002-4956(2016)6-0094-04

2015-12-16修改日期：2016-01-30

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助(973計劃)項目(2015CB655103)；國家自然科學基金資助項目(51308503，514784192016)；中國博士后基金特等資助項目(2015T80615)；中國博士后基金面上項目(2014M551743)

戴維(1991—)，男，浙江嘉興，碩士研究生，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

E-mail：chqfu@zju.edu.cn

付傳清(1982—)，男，山東濰坊，博士，講師，碩士生導師，主要從事混凝土材料及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究.

E-mail：chuanqingfu@126.com