水利工程混凝土抗滲方法試驗研究

趙金鳳

(盤錦市大洼區水利技術推廣中心，遼寧 盤錦 124200)

目前混凝土廣泛地應用在我國的工程建設中，無論是房屋建筑工程、地下結構工程還是水利水電工程，混凝土都是重要的建筑原材料，因此對于工程中混凝土的質量檢測試驗研究具有很重要的作用。如圖1所示，在工程上由于混凝土滲透性的作用，導致路面、橋梁破壞的情況比比皆是。滲透性是混凝土這一類多孔介質的主要性質，混凝土內部的裂紋和孔洞的大小、數量、聯通和分布情況，對水在混凝土中滲透具有重要的影響作用。目前已經有眾多學者對混凝土的滲透性能進行了研究，并取得了一定的研究成果。胡曉鵬等學者對受凍混凝土進行了研究，研究了不同的起凍時刻對混凝土的強度、損傷、彈性模量等的影響規律和機理。陸春奇等學者對不同涂層的混凝土進行了防水抗滲研究，研究表明進行涂層的混凝土的防水性能有了大幅度的提高。陳立軍等學者通過對不同孔徑尺寸的的混凝土進行研究，探討了不同的孔徑尺寸對混凝土的抗滲性能的影響。易成等學者對混凝土的抗滲性能進行了介紹，對今后混凝土的發展前景進行了探討，提出了抗滲性能應該更加關注由于荷載、微裂紋等導致抗滲性能劣化的問題。吳紹章分析了影響混凝土抗滲性能的因素，提出了采用混凝土滲透系數評定混凝土抗滲性的問題。陳雯龍對水工混凝土的耐久性問題進行了研究，從材料選擇、工程設計等方面給出了具體的措施。任倉鈺、王強、戴龍、張林明等學者也對這方面的工作進行了研究。

1 透氣法滲透試驗研究

1.1 透氣法理論分析

混凝土“Torrent滲透法”適用的假設條件：①假設混凝土為均質混凝土，且混凝土塊中孔隙均處于大氣壓下。②測試中壓力沿孔隙流過的路徑均為線性分布。③空氣在空腔之間的流動是線性分布的按Poiseuille方程計算：

(1)

PV=nRT

(2)

式中，dV—進入內室空腔中的空氣容量；L與PⅠ和時間t—線性關系；Pa—大氣壓；μ—流體的黏性系數。

由公式(1)、(2)得：

(3)

進行化簡得：

(4)

將公式(4)兩邊同時對t0到t1上進行積分，得：

(5)

1.2 透水法理論分析

達西通過分析大量數據，發現滲流量q與圓筒斷面積A和水頭損失△h呈以下關系：

(6)

式中，i=Δh/l—水力梯度；k—滲透系數。

(7)

(8)

式中，D—滲水距離，cm；H—壓力水頭，cm。

許多學者根據Darcy定律進行積分，得出恒壓滲透的滲透系數表達式：

(9)

式中，Kr—相對滲透系數，cm/h；D—平均滲水高度，cm；H—水壓力；T—恒壓時間，h；a—混凝土吸水率。

相對滲透系數按下式計算：

(10)

式中，Di—第i個試件的平均滲水高度，mm。

1.3 試件制作

混凝土采用水泥、粗骨料、細骨料、粉煤灰、減水劑和膨脹劑制成，配合比詳見表1。

表1 混凝土試塊配合比 單位：kg/m3

對混凝土塊進行立方體抗壓強度試驗，如圖2所示，測試結果見表2。

表2 混凝土立方體抗壓強度

圖2 抗壓強度試驗

2 試驗結果

2.1 滲水法試驗結果

通過試驗研究發現，試塊從中部斷裂，試驗結束后打開試件，采用記號筆對水痕進行標記，如圖3所示，大部分水痕呈拋物線型，也有一部分水痕呈直線型，加載速度對實驗的影響較大。

圖3 水痕形狀試驗圖

由圖3可知，混凝土的水痕主要分為拋物線型和直線型兩種水痕形狀，拋物線型水痕主要呈現中間低兩邊高的形式，主要是兩方面的原因造成的：①由于振搗方式不均勻，導致混凝土中孔洞和裂隙分布不均勻，致使在混凝土中心位置孔隙較為集中，因此導致在滲水試驗中出現拋物線型水痕。②由試驗裝載方式導致的，裝載時密封接觸不嚴實，出現側向滲漏。

直線型水痕與拋物線型水痕正好相反，直線型水痕分布均勻，水痕從左到右高差不大，說明混凝土振搗較為均勻，混凝土塊中孔洞和裂隙分布較為均勻，因此在進行滲水試驗中混凝土試塊水痕較為均勻。兩種水痕與實際情況也較為相似。

通過采用Minitab對試驗數據進行統計分析可知，試驗數據基本呈正態分布，C30P6混凝土試塊直方圖呈孤島型，最大值和最小值與一四和三四分位數區間都較短，說明數據分布較為集中，混凝土試塊深度分布在50～100mm的范圍內。

C30P8混凝土試塊分布呈雙峰形態分布，數據分布較為分散。中位數分布于矩形中間偏左位置，數據總體分布偏右，滲透深度大致分布在24～55mm的范圍內，由此發現C30P6混凝土和C30P8混凝土試塊滲透深度分布范圍具有重疊的部分。

2.2 透氣法試驗統計分析

如圖4所示，通過Minitab對壓力差最大值與影響深度進行線性和非線性擬合，分析發現二者之間大體呈線性關系，如下式所示：

Lg=-0.2806+2.116ΔPmax

(11)

式中，ΔPmax—壓力差最大值；Lg—影響深度，m。

圖4 壓力差最大值與影響深度的關系

如圖5所示，由Minitab擬合結果可知，最大壓力差和滲透系數呈指數關系，對試驗數據進行擬合，如下式所示：

(12)

式中，ΔPmax—壓力差最大值；k—滲透系數。

圖5 最大壓力差與滲透系數關系曲線圖

3 結論

(1)混凝土試塊滲水試驗發現混凝土的水痕主要分為拋物線型和直線型兩種形狀，拋物線型水痕主要是由于振搗方式不均勻，導致混凝土中孔洞和裂隙分布不均勻和試驗裝載方式導致的，裝載時密封接觸不嚴實，出現側向滲漏導致。直線型水痕表明混凝土振搗較為均勻，混凝土塊中孔洞和裂隙分布較為均勻，因此在進行滲水試驗中混凝土試塊水痕較為均勻。

(2)C30P6和C30P8混凝土試塊試驗數據主要呈正態分布，C30P6混凝土試塊直方圖呈孤島型，數據分布較為集中，混凝土試塊深度分布在50～100mm范圍內。C30P8混凝土試塊分布呈雙峰形態分布，數據分布較為分散，滲透深度大致分布在24～55mm的范圍內。

(3)透氣法得到壓力差最大值與影響深度之間大體呈線性關系，最大壓力差和滲透系數呈指數關系。