塑性混凝土滲透系數(shù)檢測技術

姚學健,毛錫玉，韓　峰

(1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013；2.山東水利技師學院，山東 淄博 255130；

3.山東水務混凝土外加劑有限公司，山東 濟南 250210)

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塑性混凝土滲透系數(shù)檢測技術

姚學健1,毛錫玉2，韓峰3

(1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013；2.山東水利技師學院，山東 淄博 255130；

3.山東水務混凝土外加劑有限公司，山東 濟南 250210)

摘要：塑性混凝土作為新型高性能混凝土材料由于發(fā)展時間晚，其滲透性能檢測和評價尚待完善。本文針對塑性混凝土的性能特點，在實踐經驗的基礎上，就滲透原理、試驗設備裝置設計、過程參數(shù)選擇以及結果處理進行分析論證，提出了先確定極限滲透坡降，后檢測滲透系數(shù)，合理取值，以真實反應其滲透性能。該法可對工程實體取芯、塑性混凝土配合比設計進行檢測和確認。

關鍵詞：塑性混凝土；滲透系數(shù)；技術要素

塑性混凝土是一種以膨潤土、黏土等摻和材料取代普通混凝土中的大部分水泥而形成的具有一定柔性的混凝土。塑性混凝土具有彈性模量低、極限應變大、彈強比小等優(yōu)點。在水利電力工程上，設計指標范圍如下：抗壓強度1～5 MPa，彈性模量小于3 000 MPa,允許滲透比降50～60，滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。近幾年來，塑性混凝土防滲墻施工技術日臻成熟，被廣泛用于河道堤防、水庫圍壩等地下加固防滲工程。由于塑性混凝土發(fā)展時間晚，抗?jié)B性能的檢測還沒有建立相應的方法和技術標準。根據(jù)近些年來對塑性混凝土檢測案例，分析總結了穩(wěn)定滲流法檢測滲透系數(shù)的技術要素，該法具有應力狀態(tài)、滲透條件明確，結果準確，簡便快捷等優(yōu)點。

1滲透系數(shù)檢測原理

塑性混凝土為一種多孔介質，組份主要包括水泥、膨潤土或黏土、粉煤灰、水、外加劑以及砂石骨料等材料，力學特性介于土和普通混凝土之間。經驗證明在多孔介質中，達西定律也是適用的[1]，其物理意義為單位高度的塑性混凝土在單位水頭作用下，單位時間內透過單位面積的水量,或表示單位水力梯度下水在塑性混凝土孔隙中的平均滲流速度(單位時間內的滲透深度)。穩(wěn)定滲流法是利用達西定律，通過對塑性混凝土試件或芯樣采用滲透檢測裝置取得通過試件的水量，進而得出滲透系數(shù)。

達西定律的公式

(1)

式中:K為滲透系數(shù)，cm/s；Q為t時間內通過試件的水量，cm3；L為試件高度，cm；A為試件截面積， cm2；H為作用水頭，cm；t為滲透時間，s。

滲透比降的公式

(2)

(3)

式中：J為水力比降；J極為滲透破壞極限水力比降。

將式(2)帶入(1)可寫為

(4)

對同一種規(guī)格型號的塑性混凝土材料來說，在滲透破壞極限水力比降(最大水力比降)范圍內，滲透系數(shù)應該是一個常量。

2滲透系數(shù)測試裝置設計

常規(guī)土工滲透試驗運用的是達西穩(wěn)定滲流原理[2]，但是常規(guī)的土工滲透試驗儀施加的滲透壓力有限，滲透試驗時間極長(一般試驗至少需要300 h以上)也很難解決試樣側壁的滲漏問題[3]。普通混凝土滲透試驗方法有兩種，逐級加壓法和相對滲透系數(shù)法?；炷林鸺壖訅悍ㄔ囼灲Y果粗略，不能準確地反映塑性混凝土的實際抗?jié)B能力，并且試驗的最終結果得不到滲透系數(shù)。相對滲透系數(shù)法，其物理意義不明確，是由滲透高度折算得到，滲透高度測量偏差較大，該法更多是用來對普通混凝土抗?jié)B性能的復核比較，用作評價塑性混凝土的滲透系數(shù)并不恰當[4]。

由于滲透系數(shù)的物理意義非常明確,國內許多學者針對塑性混凝土穩(wěn)定滲流試驗設備及方法進了大量研究,清華大學等很多科研機構開發(fā)研制了不同型式的滲透檢測裝置。該儀器功能應具備以下特性：①結構功能符合達西定律；②試樣密封后的滲透條件、應力狀態(tài)明確；③提供穩(wěn)定、可控的壓力源，量程0～0.5 MPa,分辨率0.01 MPa；④準確測量單位時間段的試樣滲出水量。經過測試證明在塑性混凝土滲透極限水力坡降范圍內，滲透流量與水力坡降基本上呈線性關系，符合塑性混凝土的一般滲透規(guī)律，測得滲透系數(shù)是可靠的，塑性混凝土滲透儀試驗原理見圖1、圖2。

圖1　塑性混凝土滲透儀試驗原理圖

圖2　試樣受力狀態(tài)示意圖

3過程參數(shù)的選取

3.1試件形狀與尺寸

塑性混凝土試件形狀應與設備裝置相吻合，方便安裝拆卸，側表面易于密封，不能產生繞滲或側滲。參照土工滲透試驗和全級配普通混凝土滲透系數(shù)試驗方法，試件應為圓柱形。試件的尺寸方面，試樣直徑和高度應不小于最大骨料粒徑的3.5倍[5]，現(xiàn)場鉆孔取芯的試件，其直徑應為100 mm，且不宜小于骨料最大粒徑的3倍；也可采用小直徑的芯樣試件，但其直徑應70～75 mm,且不得小于骨料最大粒徑的2倍[6]。目前，塑性混凝土均為泵送施工工藝，粗骨料為一級配，粒徑范圍5～20 mm,因此滲透系數(shù)試樣直徑優(yōu)選為100 mm，高度100 mm?？紤]到粗骨料多級配，試樣直徑可選用150 mm,高度120 mm或150 mm。

3.2滲透壓力與加壓時間

由于塑性混凝土強度較低，如果加載的滲透壓力小，試件不滲水，測不到檢測結果。如滲透壓力大，在塑性混凝土達到臨界比降前，所加載的水壓力可能已超過其抗壓強度，導致試件被壓碎，因此滲透壓力的選取對滲透系數(shù)影響極大。

滲透壓力選取計算公式

(5)

式中：H為試驗作用水頭；K為取值系數(shù)，取0.6；J極、L同式(1)。

在實踐中發(fā)現(xiàn)，隨著滲透壓力的增加，當K>0.6時，滲透系數(shù)有減小的趨勢，呈現(xiàn)不穩(wěn)定數(shù)值，主要原因是滲透壓力改變了塑性混凝土內不穩(wěn)定的毛細管道。根據(jù)中國水利水電基礎工程局及清華大學的研究成果，塑性混凝土的極限水力坡降可達 286～500?？紤]到塑性混凝土強度低，試驗中滲透壓力大小的選取不一定合適，建議先做試件的極限滲透坡降(破壞試驗)，再做滲透系數(shù)，該法參數(shù)相互銜接，結果更趨合理，可全面評價塑性混凝土的滲透性能。塑性混凝土試驗過程中滲透壓力和滲透時間的選取參考值見表1。

表1　塑性混凝土滲透系數(shù)試驗過程壓力、時間參考值

3.3滲透流量

經上述滲透壓力調試，當3個試件全部滲水后，連接好積水瓶，測量單位時間內的出水量，即滲透流量。

(6)

式中：q為滲透流量，其他同上。

每4～8 h讀取一次積水量，直至每個試件等時段內出水量相近時方可停止試驗。將式(6)帶入式(4)

(7)

(8)

從式(8)可以看出，對于截面積一定的試件，滲透流量q與水力比降J成線性關系，當滲透壓力增加到一定數(shù)值時，如果滲水量急劇變化，滲水中出現(xiàn)顆粒物或顏色混濁導致試件破碎，表示已經達到最大水力降或滲透破壞水力比降。

3.4結果處理

塑性混凝土制作試件和現(xiàn)場鉆孔芯樣滲透系數(shù)的結果處理應區(qū)別對待，目的是以反映真實情況。制作試件，可參照普通混凝土試件制作和養(yǎng)護規(guī)定執(zhí)行，每組3塊試件，3塊試件測值的平均值作為該組試件的滲透系數(shù)。當3個試件中的滲透系數(shù)最大值或最小值之一與中間值之差超過100%，取其他2塊的平均值。當3個試件中的滲透系數(shù)最大值或最小值與中間值之差均超過100%，該組試驗應重做。制作試件主要是考慮制作或養(yǎng)護過程中的人為失誤因素，同時考慮到影響滲透系數(shù)因素多，差值在1個量級內是可取的。對于鉆孔芯樣，應按照每組3塊試件測值的平均值作為該組試件的滲透系數(shù)，因為反映的是實際質量情況。

4結論

(1) 穩(wěn)定滲流檢測法建立在科學的基礎上，利用達西定律能夠定量分析塑性混凝土的抗?jié)B指標，對指導塑性混凝土參數(shù)設計，改善材料配合比，評價工程質量起到了技術支撐。

(2) 提出了塑性混凝土檢測系數(shù)檢測設備裝置設計的基本要求：壓力源穩(wěn)定、可控、準確，試件圍封好，滲水量計量準確，操作簡便、快捷，易于掌握。

(3) 根據(jù)塑性混凝土抗壓強度低的特點，先做塑性混凝土極限水力比降，然后再合理確定試驗所采用的滲透壓力和穩(wěn)壓時間，該法操作性更趨合理，可全面反應出塑性混凝土的滲透性能指標。

(4) 塑性混凝土滲透系數(shù)檢測技術日趨成熟，盡快編制水利行業(yè)檢測規(guī)范，以促進高性能混凝土的發(fā)展。

參考文獻：

[1]Scheidegger A E.The Physics of Flow through Porous Media(王鴻勛等譯，多孔介質中的滲流物理) [M].北京石油工業(yè)出版社，1982.

[2]中華人民共和國水利部.土工試驗規(guī)程：SL 237—1999[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3]宿輝．塑性混凝土抗?jié)B測試方法及性能評價研究[J]．農村水利水電，2007( 10)：91-93．

[4]張禾，姚坤，王飛.一種測定塑性混凝土滲透系數(shù)的試驗裝置[J].水利水電技術,2012(6):97-99.

[5]中華人民共和國水利部.水工混凝土試驗規(guī)程：SL 352—2006[S].北京：中國水利水電出版社1999.

[6]中國建設標準化協(xié)會.鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程：CECS 03:2007[S].北京:中國計劃出版社,2007.

Detection technique of plastic concrete permeability coefficient

YAO Xuejian1, MAO Xiyu2, HAN Feng3

(1.ShandongSurveyandDesigninstituteofWaterConservancy,Ji’nan250013,China;2.ShandongTechnicianCollegeofWaterConservancy,Zibo255130,China;3.ShandongShuiwuConcreteAdmixtureCo.,Ltd,Ji’nan250210,China)

Abstract：As a new type of high performance concrete materials, the permeability testing and evaluation of plastic concrete is yet to be improved due to the later development time. In this paper, the osmosis principle, the testing equipment design ,the process parameter selection and the result processing are analyzed for the performance characteristics of plastic concrete on the basis of practical experience. It is proposed to test permeability coefficient and reasonable value after determining the limit seepage slope in order to reflect its permeability. It is used to test and conform the engineering entity core and the design of plastic concrete mixture ratio.

Key words：plastic concrete；permeability coefficient；technical elements

中圖分類號：TU528.32

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)01-0035-03

作者簡介：姚學健(1970-)，男，高級工程師，主要從事水利工程質量檢測與評價方面的工作。E-mail:13306406033@126.com