壓力作用下混凝土滲透性與尺寸變化研究

汪曉霞

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

壓力作用下混凝土滲透性與尺寸變化研究

汪曉霞

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

滲透性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)混凝土的滲透性可以評(píng)價(jià)混凝土的耐久性。采用三軸滲透試驗(yàn)測(cè)定不同壓力條件下混凝土的滲透系數(shù)和尺寸的變化，分析混凝土滲透系數(shù)和尺寸隨壓力變化的趨勢(shì)。結(jié)果表明：混凝土的滲透性與尺寸受外部壓力影響，混凝土滲透系數(shù)隨壓力的增大而減小，其變化趨勢(shì)符合冪函數(shù)形式；混凝土的滲透系數(shù)隨試樣兩端水頭差增大而增大，呈指數(shù)函數(shù)形式遞增；試樣直徑和高度隨外部壓力的增大而減小，符合冪函數(shù)形式。

混凝土；滲透系數(shù)；三軸滲透試驗(yàn)

作為最常用的土木工程結(jié)構(gòu)形式之一，混凝土應(yīng)用于建筑工程已有150年的歷史，但大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于各種原因而提前失效。滲透性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，是指氣體、液體或者離子在壓力、化學(xué)勢(shì)或者電場(chǎng)作用下，在混凝土中滲透、擴(kuò)散或遷移的難易程度?；炷翝B透性決定了各種氣體、液體和可溶性有害物質(zhì)滲入結(jié)構(gòu)體內(nèi)的速度。故混凝土滲透性與耐久性密切相關(guān)，可以通過(guò)混凝土的滲透性來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的耐久性[1-2]。學(xué)者們對(duì)混凝土抗?jié)B性能和耐久性的關(guān)系進(jìn)行了的研究，分析了集料、水膠比、摻合料、引氣、齡期、養(yǎng)護(hù)及環(huán)境條件、孔結(jié)構(gòu)等方面對(duì)混凝土滲透性的影響[3-6]，而不同埋深(或水下深度)下壓力對(duì)混凝土滲透性的影響還未明確。本文采用滲透試驗(yàn)進(jìn)行壓力對(duì)混凝土滲透性的影響試驗(yàn)，探討其變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法及原理

混凝土材料是一種復(fù)雜的多孔材料，具有滲透性[7]。物質(zhì)(液體、氣體或離子)通過(guò)混凝土的傳輸過(guò)程可以定義為吸水性、滲透性和擴(kuò)散3 類[8]?；诓煌膫鬏斶^(guò)程，混凝土滲透性的測(cè)試方法大致可以分做 3 類，即吸水性試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)和離子擴(kuò)散試驗(yàn)[9]。

混凝土埋于土下或水下，在周?chē)鷫毫μ荻鹊淖饔孟滤畷?huì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在混凝土內(nèi)部空隙中運(yùn)動(dòng)。因此，本文主要考慮混凝土的透水性，采用直觀、可靠的水滲透性試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。目前常用的混凝土水滲透試驗(yàn)有滲水高度法、滲水標(biāo)號(hào)法和滲透系數(shù)法[10]?；炷恋臐B透性較小，采用滲水高度法、滲水標(biāo)號(hào)法用時(shí)較長(zhǎng)，也難以測(cè)試不同壓力下混凝土滲透性的變化，因此選擇滲透系數(shù)法，采用常規(guī)三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備由水壓穩(wěn)定系統(tǒng)和試樣箱密封容器兩部分組成(見(jiàn)圖1)，滲水壓力最大10 MPa。其原理：首先，對(duì)試樣預(yù)加一較小軸壓PZ，然后施加圍壓至一恒定值PW，再向試樣施加反壓PF作為進(jìn)水水頭，出水水頭由體變管提供，則試樣兩端形成滲透壓差，從而導(dǎo)致液體通過(guò)試樣進(jìn)行滲透。試樣采用乳膠膜進(jìn)行側(cè)壁止水，試驗(yàn)過(guò)程中保持PW比PF大20 kPa[11]。

混凝土的三軸滲透試驗(yàn)符合一維滲透原理，其計(jì)算公式為

(1)

式中：kt為水溫為t℃下混凝土試樣的滲透系數(shù)(需進(jìn)行溫度校正換算成20 ℃下的標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù))，cm/s；ΔV為滲流量，cm3；H為試樣的高度，cm；A為試樣的橫截面面積，cm2；Δh為試樣兩端水頭差，cm；Δt為滲透時(shí)間，s。

2 試驗(yàn)方案

取某已建地下工程所用的混凝土，選取早齡期、中齡期與晚齡期的混凝土塊，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯。試樣直徑Φ3.91 cm、高H8.00 cm。反壓設(shè)置為100 kPa，圍壓進(jìn)行200，400，…，1 200 kPa分級(jí)施加， 模擬不同埋深(或水下深度)的壓力變化； 同時(shí)為了觀測(cè)不同滲透壓對(duì)滲透系數(shù)的影響，進(jìn)行圍壓1 200 kPa、反壓分別為100，200，300，400 kPa的一組試驗(yàn)。

在滲透試驗(yàn)前需先做好試樣的飽和與密封。將試樣裝置于壓力室后，提升壓力室底座使得試樣與軸向壓力傳感器輕微接觸，將圍壓調(diào)至20 kPa進(jìn)行試樣預(yù)壓，使得乳膠膜緊貼試樣外側(cè)，然后將圍壓和反壓調(diào)至所需壓力(如圍壓200 kPa、反壓100 kPa)，觀測(cè)并記錄滲透間隔時(shí)間及體變管的水位變化，同時(shí)記錄試驗(yàn)過(guò)程中滲透水的水溫。當(dāng)水位穩(wěn)定上升時(shí)，表示試樣已經(jīng)飽和并進(jìn)行穩(wěn)定滲透，測(cè)讀3 次滲出水量。試驗(yàn)結(jié)束后將圍壓和反壓調(diào)為0 kPa，迅速取出試樣，量取試樣直徑Φ′與高度H′，按式(1)計(jì)算其滲透系數(shù)(此時(shí)試樣面積和高度應(yīng)采用試驗(yàn)后試樣的直徑Φ′與高度H′進(jìn)行計(jì)算)，取平均值。本級(jí)壓力試驗(yàn)后再進(jìn)行上述過(guò)程，進(jìn)行下一級(jí)壓力的試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系

在反壓為100 kPa、圍壓為200，400，…，1 200 kPa條件下不同齡期的混凝土試樣的滲透系數(shù)如表1所示。

表1 不同圍壓條件下試樣的滲透系數(shù) (nm/s)

由表1可知：①混凝土的滲透系數(shù)隨齡期的增大逐漸減小，晚齡期混凝土的滲透系數(shù)約為早齡期的1/3；這是由于早期混凝土硬化過(guò)程較快，水化物反應(yīng)未完全結(jié)束，混凝土內(nèi)部孔隙較多，隨著齡期的增大，混凝土水化物反應(yīng)逐步減少，混凝土內(nèi)部孔隙逐漸被填充或形成封閉空隙，滲透通道減少，則混凝土的抗?jié)B透能力隨齡期的增大逐步增強(qiáng)；②各齡期的混凝土滲透系數(shù)隨外部壓力的增大而減小，圍壓為800 kPa時(shí)的滲透系數(shù)減小到圍壓為200 kPa時(shí)的1/10；外部壓力會(huì)增加混凝土內(nèi)部應(yīng)力，混凝土體積減小，內(nèi)部孔隙被堵塞，封閉空隙增多，導(dǎo)致滲透性減弱，則混凝土抗?jié)B能力隨外部壓力的增大而增強(qiáng)； ③在相同圍壓變化值時(shí)， 早齡期混凝土的滲透系數(shù)變化幅度比晚齡期的大， 如圍壓200 kPa時(shí)早齡期混凝土的滲透系數(shù)是圍壓1 200 kPa時(shí)的14.1倍，晚齡期混凝土的則為11.9倍；外部壓力對(duì)早齡期混凝土滲透性的影響程度比晚齡期混凝土的大。

為便于分析混凝土的滲透系數(shù)與圍壓條件的關(guān)系，繪制PW～k關(guān)系圖，并根據(jù)滲透系數(shù)與外部壓力的變化趨勢(shì)，采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖2)，函數(shù)形式為k=aPWb，其中k為不同圍壓下的滲透系數(shù)，a、b為擬合參數(shù)。不同齡期的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R2如表2所示。函數(shù)的R2值皆大于0.97，計(jì)算值與試驗(yàn)觀測(cè)值相關(guān)程度較好，函數(shù)可用于擬合混凝土的滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系。各齡期混凝土的滲透系數(shù)隨圍壓的增大而呈負(fù)冪函數(shù)形式減小，在圍壓較小時(shí)(如小于400 kPa)混凝土的滲透系數(shù)受?chē)鷫河绊戯@著，減小較快，而后隨著圍壓的持續(xù)增大(如大于600 kPa)混凝土滲透系數(shù)變化趨于平緩；隨著圍壓的進(jìn)一步增大(如大于1 000 kPa)，各齡期混凝土的滲透系數(shù)差別減小，且皆趨近于0，此時(shí)滲透系數(shù)受?chē)鷫旱挠绊懖淮?，各齡期混凝土的抗?jié)B能力趨于穩(wěn)定。

表2 不同圍壓下滲透系數(shù)擬合參數(shù)值

3.2 滲透系數(shù)與反壓的關(guān)系

在圍壓1 200 kPa、 反壓為100， 200， 300， 400 kPa條件下不同齡期的混凝土的滲透系數(shù)如表3所示。 在圍壓一定的情況下，各齡期混凝土的滲透系數(shù)隨反壓的增大逐漸增大，這是由于反壓的增大使得混凝土內(nèi)部滲透壓力增大，混凝土所受有效應(yīng)力減小，同時(shí)滲透壓力的增大使得部分混凝土內(nèi)部封閉通道轉(zhuǎn)變?yōu)闈B透通道，從而增強(qiáng)混凝土的滲透性。

表3 不同反壓條件下試樣的滲透系數(shù) (nm/s)

為便于分析混凝土的滲透系數(shù)與反壓條件的關(guān)系，繪制PF～k關(guān)系圖，并根據(jù)滲透系數(shù)與反壓的變化趨勢(shì)，采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖3)，函數(shù)形式為k=cedPF，式中c、d為擬合參數(shù)。不同齡期的擬合參數(shù)與相關(guān)系數(shù)R2如表4所示。函數(shù)擬合程度較好，其R2值皆大于0.90。

表4 不同反壓下滲透系數(shù)擬合參數(shù)值

3.3 試樣尺寸與圍壓的關(guān)系

進(jìn)行不同壓力條件試驗(yàn)后混凝土試樣的尺寸變化如表5所示。

表5 不同圍壓條件下試樣的尺寸

注：圍壓為0時(shí)為試樣原尺寸。

由表5可知，隨外部壓力增大混凝土的內(nèi)部應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)更密實(shí)；試樣的直徑和高度隨外部壓力的增大而減小。繪制Φ～PW關(guān)系圖(見(jiàn)圖4)與H～PW關(guān)系圖(見(jiàn)圖5)， 根據(jù)試樣尺寸隨圍壓的變化趨勢(shì)， 采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖4～圖5)；其中試樣直徑變化函數(shù)形式：Φ=Φ0PWe，其中Φ為試驗(yàn)后試樣直徑，Φ0為試樣原直徑，e為擬合參數(shù)；試樣高度變化函數(shù)形式：H=H0PWf，其中H0為試樣原高度，f為回歸系數(shù)。不同齡期的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R2如表6所示。擬合函數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)觀測(cè)值相關(guān)程度較好，其R2值皆大于0.90，采用冪函數(shù)擬合混凝土的尺寸與圍壓的關(guān)系是可行的。各齡期混凝土的尺寸隨圍壓的增大而呈負(fù)冪函數(shù)形式減小，在圍壓較小時(shí)混凝土的尺寸受?chē)鷫河绊戄^大，直徑和高度的減小較快，而后隨著圍壓的持續(xù)增大混凝土的尺寸變化趨于平緩；隨著圍壓的進(jìn)一步增大，各齡期混凝土的尺寸受?chē)鷫旱挠绊懖淮?，尺寸變化趨近?，混凝土的體積趨于恒定值。

表6 不同圍壓下試樣尺寸擬合參數(shù)值

4 結(jié)論

混凝土耐久性與其滲透性密切相關(guān)，混凝土的滲透系數(shù)與尺寸隨外部壓力而變，在進(jìn)行混凝土耐久性評(píng)價(jià)時(shí)需考慮外部壓力條件的影響。①混凝土滲透系數(shù)隨外部壓力的增大而減小，其變化趨勢(shì)符合冪函數(shù)形式；②混凝土的滲透系數(shù)隨試樣兩端水頭差增大而增大，呈指數(shù)函數(shù)形式遞增；③試樣直徑和高度隨外部壓力的增大而減小，其變化符合冪函數(shù)形式。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Permeability and Scale Change of Concrete under Pressure

WANG Xiao-xia

(Anhui hydropower Vocational Technical College, Hefei Anhui 231603, China)

Permeability is one of the important indexes to evaluate the durability of concrete. The durability of concrete can be evaluated by the permeability of concrete. The permeability and scale change of concrete under different pressure were tested by triaxial permeability experiment. The trend of concrete permeability coefficient and scale change with pressure were analyzed. The results showed that permeability and scale change of concrete are affected by external pressure, the concrete permeability coefficient decreases with the increase of pressure, and the change trend is in the form of power function. The permeability coefficient of concrete increases with the increase of water head difference between the two ends of the sample, and the increment is in exponential function. The diameter and height of the sample decrease with the increase of the external pressure, which is in the form of power function.

concrete; permeability coefficient; triaxial permeability experiment

2015-01-19

汪曉霞(1983-)，女，安徽潛山人，講師，碩士，研究方向：土木工程建筑結(jié)構(gòu)。

TU528.041

A

1672-1098(2015)03-0067-04