骨料參數(shù)對(duì)混凝土滲透性影響的試驗(yàn)研究

史衍慧

（博樂(lè)市農(nóng)村飲水安全供水總站，新疆 博樂(lè) 833400）

混凝土是當(dāng)前最重要的建筑工程材料，在水利、鐵路、建筑、橋梁等領(lǐng)域具有愈加廣泛的應(yīng)用[1]。一般來(lái)說(shuō)，混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性愈高，耐久性也就更好。但是，在水利工程等嚴(yán)酷使用環(huán)境下，高強(qiáng)度混凝土未必具有高耐久性[2]。基于此，近年來(lái)水工混凝土研究逐漸由高強(qiáng)度轉(zhuǎn)向耐久性方面。顯然，對(duì)水工混凝土，特別是寒區(qū)環(huán)境下的水工混凝土而言，滲透性對(duì)混凝土的耐久性存在重要影響[3]。混凝土是由骨料、水泥、砂等基本材料以及裂隙和空洞組成的，具有顯著的非均質(zhì)復(fù)合材料，因此其組成材料和相關(guān)缺陷對(duì)混凝土的滲透性存在顯著影響[4]。但是，目前關(guān)于水工混凝土滲透性的研究主要集中于宏觀層面，也就是將其視為單一、均質(zhì)的材料，而難以對(duì)細(xì)觀層面上的材料不均勻性造成的滲流特征差異[5]。因此，本文利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，分析骨料特征參數(shù)對(duì)混凝土滲流影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本次試驗(yàn)的滲透系數(shù)測(cè)定采用的是南通市測(cè)量?jī)x器儀表廠(chǎng)生產(chǎn)的SL352-01滲透系數(shù)測(cè)定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩(wěn)定平衡兩大系統(tǒng)組成，測(cè)量誤差在5%以?xún)?nèi)，完全可以滿(mǎn)足試驗(yàn)測(cè)定要求。

試驗(yàn)材料為不同骨料參數(shù)的混凝土試件，每組不同參數(shù)制作3個(gè)試件。在試件制備過(guò)程中首先按配比稱(chēng)量好水泥、石子和砂并干拌至均勻，然后加入減水劑和纖維材料繼續(xù)攪拌，最后加入自來(lái)水?dāng)嚢杈鶆颉柚凭鶆虻幕炷恋谷肽＞邠v振成型，最后放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)[6]。

試驗(yàn)用密封材料為瀝青和AB膠[7]。其中，瀝青為唐山永豐防水材料有限公司生產(chǎn)的一級(jí)防水瀝青；AB膠為上海華宇化工有限公司生產(chǎn)的高性能結(jié)構(gòu)AB膠。試驗(yàn)中使用的密封圈為廣州威寧橡膠廠(chǎng)生產(chǎn)的135 mm×5 mm規(guī)格O型橡膠密封圈。

1.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)設(shè)備的使用要求，確定如下試驗(yàn)步驟：

（1）實(shí)驗(yàn)前將混凝土試件放入水中浸泡2 d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和雜質(zhì)。

（2）將試件放入試驗(yàn)容器，在其下部瀝入80℃的瀝青并在四周涂抹均勻，高度應(yīng)為試件高度的2/3，在上部填入AB膠，保證試驗(yàn)中的密封防水作用。

（3）在密封材料徹底冷卻之后，將容器置于試驗(yàn)儀器的支撐框架內(nèi)，并在頂面凹槽部位放好密封圈，然后旋緊緊固螺栓，使容器具有良好的密閉性。

（4）接通水源管線(xiàn)和壓力源，對(duì)容器注水排出容器內(nèi)的空氣，待空氣完全排出后關(guān)閉排氣閥，將壓力調(diào)節(jié)至恒定值。

（5）試驗(yàn)壓力從0.2 MPa開(kāi)始，每間隔1 min增加0.1 MPa的壓力，直至試件底部全部滲水[8]。然后保持壓力值不變，每隔1 min讀取一次滲透水量。當(dāng)單位時(shí)間滲透水量不再增加時(shí)停止試驗(yàn)。

（6）所有試驗(yàn)結(jié)束之后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，獲得滲透系數(shù)。

1.3 計(jì)算原理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以達(dá)西定律為依據(jù)，不同組別的開(kāi)裂纖維混凝土滲透系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：K為滲透系數(shù)，cm/s；L為試件厚度，mm，這里為200 mm；A試件上表面面積cm2，這里為78.5 cm2；ΔH為水位差，mm，這里為500 mm；Q為單位時(shí)間滲流量，cm3/s；V為滲流體積，mL；T為對(duì)應(yīng)的滲流時(shí)間，s。

1.4 計(jì)算方案

混凝土骨料的主要細(xì)觀特征參數(shù)有骨料形狀、同級(jí)配骨料粒徑、骨料含量、骨料級(jí)配以及最大骨料粒徑等。為了獲得各個(gè)參數(shù)對(duì)混凝土滲透性的影響，研究中采用正交試驗(yàn)的方法，固定其余參數(shù)，對(duì)其中一個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)不同的因素水平并進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同參數(shù)的具體影響展開(kāi)分析。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 骨料形狀和粒徑的影響

為了研究骨料形狀與單級(jí)配骨料粒徑這兩個(gè)混凝土骨料的主要參數(shù)特征對(duì)混凝土滲透性的影響，研究中固定骨料含量為30%、對(duì)骨料形狀為圓形、橢圓形以及不規(guī)則卵型，單級(jí)配骨料粒徑為5 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～30 mm、30 mm～40 mm等不同水平下的混凝土滲透性進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 骨料形狀和粒徑正交模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1的計(jì)算結(jié)果可知，在其他參數(shù)不變的情況下，圓形骨料混凝土的滲透率最大，橢圓形次之，不規(guī)則卵型的滲透率最小。原因是骨料的形狀越規(guī)則，滲透水流繞行的阻力就越小，因此混凝土的滲透性就越強(qiáng)。但是，三種不同形狀骨料的混凝土滲透率相差不大，說(shuō)明骨料的形狀對(duì)混凝土的滲透性的影響極為有限。基于此，出于簡(jiǎn)化研究過(guò)程的考慮，后續(xù)模擬計(jì)算僅針對(duì)圓形骨料展開(kāi)。

從骨料粒徑的影響來(lái)看，混凝土的滲透率隨著骨料粒徑的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。究其原因，主要是小粒徑骨料的數(shù)量相對(duì)較多，因而界面過(guò)渡區(qū)面積增大，鑒于該區(qū)域的滲透率較大，因此最終造成混凝土滲透率增大。但是，隨著骨料粒徑的進(jìn)一步增大，混凝土內(nèi)部滲流路徑的曲折度會(huì)顯著降低，因此總體滲透性會(huì)明顯提高。因此，過(guò)大或過(guò)小的骨料粒徑都不利于提高混凝土的抗?jié)B性，要提高混凝土的抗?jié)B性，就需要選擇合適的骨料粒徑。

2.2 骨料含量的影響

研究中針對(duì)圓形骨料，選擇10 mm～20 mm單級(jí)配骨料粒徑，設(shè)定10%、20%、30%、40%、50%、60%等6種不同的骨料含量進(jìn)行混凝土試件滲透率的進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在其余參數(shù)不變的情況下，隨著骨料含量的增加，混凝土模型的滲透率呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)，但是在骨料含量超過(guò)50%的情況下，滲透率的下降速率會(huì)有所降低。究其原因，骨料含量有十分明顯的稀釋、曲折和界面過(guò)渡效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)混凝土的滲透率產(chǎn)生比較明顯的影響。隨著骨料含量的增加，不僅可以有效阻斷滲透水流，還可以增加水流的曲折度，延長(zhǎng)水流路徑，因此混凝土的滲透性會(huì)顯著降低。當(dāng)骨料含量超過(guò)50%以后，界面過(guò)渡區(qū)的效應(yīng)會(huì)明顯提升，因此滲透率的降低顯著趨緩。

表2 不同骨料含量滲透率模擬計(jì)算結(jié)果

2.3 骨料級(jí)配的影響

骨料級(jí)配不僅會(huì)對(duì)水工混凝土的和易性和經(jīng)濟(jì)性存在十分顯著的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)混凝土的滲透性造成影響。為了研究這一影響的具體特征，研究中選擇5 mm～40 mm的粗骨料進(jìn)行不同級(jí)配的混凝土滲透率研究，不同骨料級(jí)配的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3。

表3 骨料級(jí)配設(shè)計(jì)

對(duì)不同級(jí)配、不同骨料含量下的混凝土滲透率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖1。混凝土中的骨料在影響滲透率方面存在正反兩方面的作用。根據(jù)前文論述，骨料的邊界曲折性及其自身的不透水性可以起到顯著的減緩水流滲透作用，有助于降低混凝土的滲透率；另一方面，相鄰界面的連通性以及骨料表面過(guò)渡區(qū)的高滲性則有助于加速滲透水流的流動(dòng)，進(jìn)而提升混凝土的滲透率。顯然，當(dāng)?shù)谝环矫嫫鹬饕饔脮r(shí)，混凝土的滲透率就會(huì)隨著骨料含量的增加而減小，圖1的結(jié)果也從側(cè)面印證了這一點(diǎn)。此外，在骨料含量小于50%的情況下，如果骨料含量不變，滲透系數(shù)最小、抗?jié)B性能最佳的是連續(xù)級(jí)配，而間斷級(jí)配2的滲透系數(shù)最大，抗?jié)B性能最差。究其原因，連續(xù)級(jí)配混凝土的骨料顆粒從大到小連續(xù)存在，大骨料被小骨料擠開(kāi)進(jìn)而形成良好的密實(shí)度和堆積密度，孔隙空間密集而復(fù)雜，不利于水流的滲流。間斷級(jí)配2以小粒徑骨料為主，因此造成界面數(shù)量較多，滲流系數(shù)較大。綜上，骨料級(jí)配是混凝土滲透性的重要影響因素，在實(shí)際工程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的級(jí)配。

圖1 不同級(jí)配混凝土滲透率計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

混凝土的滲透性是影響工程耐久的重要因素，是水利工程設(shè)計(jì)必須要考慮的重要方面。本文以數(shù)值模擬的方法，研究了骨料特征參數(shù)對(duì)混凝土滲流影響，并獲得如下主要結(jié)論：

（1）在其他參數(shù)不變的情況下，圓形骨料混凝土的滲透率最大，橢圓形次之，不規(guī)則卵型最小，但是骨料形狀對(duì)混凝土的滲透性的影響極為有限。

（2）混凝土的滲透率隨著骨料粒徑的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，要提高混凝土的抗?jié)B性，就需要選擇合適的骨料粒徑。

（3）在其余參數(shù)不變的情況下，隨著骨料含量的增加，混凝土模型的滲透率呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)，但是在骨料含量超過(guò)50%的情況下，滲透率的下降速率會(huì)有所降低。

（4）在骨料含量小于50%的情況下，抗?jié)B性能最佳的是連續(xù)級(jí)配，建議在工程設(shè)計(jì)中選擇。