水工混凝土微觀結(jié)構(gòu)與水滲透性的關(guān)系探究

董麗秋

(阜蒙縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜蒙 123100)

混凝土滲透性是耐久性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要參數(shù)，其多孔特性決定了混凝土多孔體系的滲透性能。而混凝土宏觀的行為機(jī)制則取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，所以混凝土基體界面區(qū)-骨料的礦物組成、孔徑分布、孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)與其滲透性能具有一定關(guān)系[1]。一般地，隨孔隙率的減少混凝土的滲透性能而減小，Das等研究認(rèn)為孔徑的連通狀態(tài)和分布特征是決定混凝土滲透性能的關(guān)鍵因素，孔隙率與滲透性能密切相關(guān)。根據(jù)孔徑大小可以將混凝土內(nèi)部的孔隙劃分成直徑d>1 000nm的大孔、100nm

1 試驗(yàn)方法

1.1 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)使用到的的材料主要包括：細(xì)骨料為級(jí)配合理表面密度為2650km/m3、細(xì)度模數(shù)為2.4的中細(xì)河砂；粗骨料為表面密度2750km/m3、最大粒徑40mm的礫石；以大連地區(qū)的自來(lái)水作為養(yǎng)護(hù)用水以及試驗(yàn)所用拌和水；水泥為P·O42.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性統(tǒng)一用水量為190km/m3，各試件砂率均為34%以消除砂率的影響，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，見表1。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)配合比每組制備2個(gè)混凝土試件，試件規(guī)格為150mm×150mm×550mm。同時(shí)，每種配合比制備3個(gè)尺寸150mm×150mm×150mm的混凝土強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試件，在相對(duì)濕度95%、溫度20±5℃的環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d測(cè)試強(qiáng)度，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范制備和測(cè)試混凝土。

1.2 水滲透性測(cè)試

采用SCQ-U自動(dòng)切石機(jī)將按表1制備標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的混凝土試件切割制備成水滲透測(cè)試樣本，對(duì)規(guī)格相同的兩個(gè)試件分別切出3片，即水滲透測(cè)試每個(gè)規(guī)格的混凝土試件共6片，從而降低測(cè)試結(jié)果受材料隨機(jī)性的影響。水滲透性試件切割圖，見圖1。

圖1 水滲透性試件切割圖

文章參照文獻(xiàn)[3]完成混凝土水滲透試驗(yàn)，試件的水滲透系數(shù)Kw利用達(dá)西定律計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中：μw為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，10-6kPa·s；h、A為試件厚度，m及其過(guò)水截面面積，m2；p為混凝土的平均過(guò)水流量，m3/s及其上下表面的水壓差，MPa。

1.3 微觀孔結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用AUTO PORE 9500型壓汞儀測(cè)定混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)與孔隙率，測(cè)試前用YE101-2A型鼓風(fēng)干燥箱設(shè)定恒溫105±5℃將試樣干燥2h，從而減少內(nèi)部水分對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，然后立即開展壓汞試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

根據(jù)前文所述流程和方法，測(cè)定混凝土的孔徑分布、孔隙率、水滲透系數(shù)及抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，見表2。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.1 混凝土水膠比、孔隙率與水滲透系數(shù)的關(guān)系

隨水膠比變化混凝土的孔隙率和水滲透系數(shù)變化趨勢(shì)，混凝土水膠比與水系率、滲透系數(shù)間的關(guān)系，見圖2。從圖2可以看出，隨水膠比的增大混凝土的孔隙率和水滲透系數(shù)均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，水膠比自0.35增加至0.55時(shí)水滲透系數(shù)快速增加，而孔隙率的增大幅度較為緩慢。這是由于發(fā)生水化反應(yīng)后，混凝土的主要構(gòu)成包括界面、水泥石和骨料三部分，骨料相對(duì)于界面和水泥石而言是不可滲透的，所以界面和水泥石為決定混凝土滲透性的關(guān)鍵。有研究認(rèn)為，界面孔徑的平方與水泥石水滲透系數(shù)呈正比，隨水膠比的增大水泥石的臨界孔徑快速增加，這可能就是混凝土水滲透系數(shù)隨水膠比0.45增大至0.55而快速增大的根本原因。

(a)W/B與Kw的關(guān)系 (b)W/B與P的關(guān)系

2.2 混凝土滲透性與孔徑分布的關(guān)系

一般地，隨總孔隙率的增加混凝土滲透性而增強(qiáng)，但總孔隙率高的混凝土滲透性不一定高，這是由于混凝土具有相同的孔隙率時(shí)其孔徑分布不盡不同，而滲透性受孔徑分布的影響更大。貢獻(xiàn)孔隙率是指對(duì)應(yīng)空間區(qū)間占比與孔隙率的乘積，代表材料總體積中該孔徑區(qū)間的孔隙體積所占百分比，各孔徑區(qū)間的混凝土試驗(yàn)貢獻(xiàn)孔隙率，各孔徑區(qū)間的貢獻(xiàn)孔隙率，見表3。

從表3可以看出，10nm以下的貢獻(xiàn)孔隙率和孔徑受水膠比的影響變化不大。總體上，隨水膠比的增大100-1000nm、10-100的貢獻(xiàn)孔隙率以及孔徑分布不斷增大，即大孔范圍內(nèi)的孔徑分布受不同水膠比的影響較大，該研究結(jié)論與Powers等提出的水的吸附力特征保持一致[4]。水泥水化產(chǎn)物凝膠體為混凝土內(nèi)孔隙的主要來(lái)源，膠凝材料水泥用水量隨水膠比的增大而減小，由此使得凝膠材料包裹骨料表面的厚度減少，結(jié)構(gòu)內(nèi)容更易形成孔隙[5-8]。

經(jīng)擬合計(jì)算，確定MIP測(cè)得的不同孔徑貢獻(xiàn)率與混凝土水滲透系數(shù)的相關(guān)系數(shù)及關(guān)系，不同孔徑貢獻(xiàn)率與水滲透系數(shù)的關(guān)系，見表4。從表4可以看出，隨10-100nm、100-1000nm孔徑貢獻(xiàn)率的增大混凝土水滲透系數(shù)不斷增加，兩者表現(xiàn)出較好的正相關(guān)性。其中，100-1000nm孔徑貢獻(xiàn)率與水滲透系數(shù)具有更高的相關(guān)度，這是由于重力勢(shì)能明顯小于毛細(xì)孔的微觀勢(shì)能，所以能夠顯著影響滲透性。所以，混凝土滲透性評(píng)價(jià)以100-1000nm孔徑貢獻(xiàn)率為主。

表4 不同孔徑貢獻(xiàn)率與水滲透系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 論

文章利用MIP法及穩(wěn)定滲流法分析了混凝土的孔徑分布、孔隙率、水滲透系數(shù)等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)探討了混凝土水膠比對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及水滲透性的影響，揭示了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與水滲透性之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

在水膠比較高時(shí)混凝土的水滲透性呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，總孔隙率與水滲透性具有較好相關(guān)性，孔徑分布對(duì)滲透性的影響占主導(dǎo)作用。混凝土的水滲透性與100-1000nm的孔徑空閑率存在較高相關(guān)度，混凝土滲透性評(píng)價(jià)以100-1000nm孔徑貢獻(xiàn)率為主。