海水圍壓下混凝土抗?jié)B透性能的試驗(yàn)研究

呂 攀，王泉貴，李大望,2

(1．深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

海水圍壓下混凝土抗?jié)B透性能的試驗(yàn)研究

呂 攀1，王泉貴1，李大望1,2

(1．深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

采用深海多維壓力模擬裝置，研究不同水灰比、不同試件尺寸條件下，不同圍壓的海水在硬化混凝土及水泥砂漿中的滲透規(guī)律。結(jié)果表明：三維海水壓力下，有無圍壓對(duì)混凝土滲透吸水有很大影響，圍壓壓力值越大，其滲透吸水量越大；隨著圍壓作用時(shí)間的增加，圍壓大小對(duì)滲透吸水的影響逐漸下降；水灰比較小的混凝土試件浸水后的吸水量較小且更快趨于穩(wěn)定；混凝土試件的尺寸較小時(shí)其滲水率較高，在相同圍壓值下，尺寸較小的試件滲透較為充分；無粗骨料的砂漿吸水能力比混凝土大，硬化混凝土比相同配合比的砂漿密實(shí)，抗?jié)B透能力更強(qiáng)。

混凝土；深海模擬；圍壓滲透；耐久性；抗?jié)B性

Abstract：The seepage law of different confining pressure seawater in hardened concrete and cement mortar was studied by using deep-sea multidimensional pressure simulation device. The results show that under the three-dimensional seawater pressure, there is a great influence on the seepage of concrete, and the greater the confining pressure is, the greater the osmotic water absorption is. With the increase of confining pressure time, the influence of confining pressure on osmotic water absorption decreases gradually. The less water-cement ratio of concrete specimens is smaller and more stable after soaking. When the size of the concrete specimen is small, the seepage rate is higher, and under the same confining pressure, the small size specimen is more fully penetrated. Mortar with no coarse aggregate can absorb water more than concrete, hardened concrete is denser than the same proportion of mortar, and has stronger impermeability.

Keywords：concrete; deep-sea simulation; confining pressure infiltration; durability; impermeability

混凝土的抗?jié)B性能對(duì)混凝土的耐久性起著重要作用[1-2]，一旦混凝土的抗?jié)B性能不好，混凝土結(jié)構(gòu)將會(huì)遭受有害物質(zhì)侵蝕，其耐久性下降，影響工程的正常使用，對(duì)某些特殊工程甚至可能產(chǎn)生巨大風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。水泥基材料的耐久性很大程度上取決于有害離子能否以水為媒介進(jìn)入多孔材料[6]，滲透性則是表征混凝土耐久性的一個(gè)最基本的材料屬性，滲透能力作為混凝土宏觀性能，能夠衡量腐蝕性物質(zhì)滲入混凝土的快慢程度[7]。

目前國(guó)內(nèi)外已取得諸多研究成果。Picandet,V.等人[8]在滲透試驗(yàn)中利用可以精確測(cè)定滲透率的剛性壁滲透儀，研究了新拌水泥漿體的水化受水灰比、有效應(yīng)力等的影響，進(jìn)而確定其滲透性；Banthia N.等人[9]利用一種滲透壓力裝置，研究了壓力對(duì)混凝土早齡期滲透性的影響，得出結(jié)論：當(dāng)壓縮應(yīng)力低于某一閾值時(shí)，其滲透性會(huì)降低，但當(dāng)應(yīng)力超過該閾值，滲透性將顯著增加；張李黎等[10]在抗?jié)B試驗(yàn)中，對(duì)比研究了不同混凝土強(qiáng)度，不同水灰比等影響因素。目前用來確定材料吸水率、內(nèi)部水分遷移或者分布規(guī)律的方法主要有核磁共振(NMR)、傳感器技術(shù)、伽馬射線以及中子成像技術(shù)(NR)等。但這些方法試驗(yàn)流程和數(shù)據(jù)分析都很復(fù)雜，所需設(shè)備一般也很難實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外研究者更多采用稱重法，即測(cè)量一定時(shí)間間隔內(nèi)試件單位面積累計(jì)吸水質(zhì)量變化來評(píng)估材料的抗侵蝕性能[11]。本文也將采用稱重法，依托壓力劣化裝置[12]研究不同海水圍壓下混凝土和砂漿的滲透吸水性能，對(duì)比分析水灰比、圍壓值、尺寸大小等影響因素。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試件原材料

水：普通自來水。水泥：硅酸鹽水泥(P·Ⅱ52.5R)。骨料：細(xì)骨料為中國(guó)廣西天然粗河砂；粗骨料為粉碎型花崗巖，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13]測(cè)試其基本性能，基本參數(shù)見表1。

表1 骨料基本參數(shù)

1.2配合比

依據(jù)國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)程[14]，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]，確定混凝土配合比如表2所示，同時(shí)為了便于對(duì)比混凝土試件與砂漿試件在抗?jié)B性能上的差異，在同等配合比下，兩者應(yīng)減少不必要的變量，故砂漿試件配合比只在混凝土配合比的基礎(chǔ)上去掉石子，其余成分含量保持一致。

表2 三種不同水灰比的混凝土施工配合比方案

1.3試驗(yàn)方法

分別制作50 mm×50 mm×50 mm、100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試件和50 mm×50 mm×50 mm的立方體砂漿試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)56 d后，對(duì)試件幾何尺寸、抗壓強(qiáng)度、干濕密度、數(shù)量進(jìn)行測(cè)試與統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。對(duì)混凝土試件和砂漿試件進(jìn)行海水長(zhǎng)期滲透吸水試驗(yàn)，即取4組混凝土和砂漿試件，前3組分別放入0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa的充滿海水的壓力劣化裝置中，第4組放入無圍壓的海水中，以作對(duì)比。此后，每隔24 h取出試件，稱重，并記錄數(shù)據(jù)，隨后放入裝置，重復(fù)操作一直持續(xù)14 d。

表3 56 d養(yǎng)護(hù)后試件基本性能指標(biāo)

注：編號(hào)說明xx-yy-zz，其中xx項(xiàng)中，Cr指混凝土，M指砂漿；yy項(xiàng)指水灰比；zz項(xiàng)指立方體試件尺寸。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依托壓力劣化裝置，對(duì)混凝土和砂漿試件，分別進(jìn)行了三維海水壓力試驗(yàn)，并分析水灰比、圍壓、尺寸對(duì)其影響，同時(shí)對(duì)比分析混凝土試件與砂漿試件抗?jié)B性能的差異。

2.1水灰比影響

不同水灰比的100 mm立方體混凝土試件無圍壓情況下長(zhǎng)期浸水，其吸水量、相對(duì)浸水量隨時(shí)間的變化見圖1。

圖1 不同水灰比的混凝土試件無圍壓時(shí)的滲透吸水曲線

由圖1(a)可知：自下而上的曲線彼此分離明顯，分別對(duì)應(yīng)水灰比為0.35，0.45，0.55的混凝土立方體試件，即水灰比越小的試件，同等時(shí)間下其吸水量越大，抗?jié)B性越弱。由圖1(b)可知：各試件的相對(duì)浸水量隨著時(shí)間增加逐漸減少，3 d后，其相對(duì)浸水量快速降低，4 d后基本穩(wěn)定，逐步達(dá)到飽和狀態(tài)。綜合分析圖1可知：水灰比較小的混凝土試件因具有較高的抗壓強(qiáng)度、較為密實(shí)、浸水通道較為狹窄且滲水量較少，更易趨于穩(wěn)定；在滲透吸水試驗(yàn)中，混凝土越密實(shí)，其滲透吸水能力越弱，抗?jié)B性越好。

2.2圍壓影響

混凝土試件在4種不同圍壓下長(zhǎng)期浸水時(shí)，其單位體積滲水率隨時(shí)間的變化見圖2。自下而上各曲線分離明顯，分別對(duì)應(yīng)的圍壓值為0、0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa。這表明，圍壓值較大的混凝土試件浸水后的單位體積滲水率較大且更快的趨于穩(wěn)定；圍壓值較小的混凝土試件浸水后的單位體積滲水率較小，且隨著時(shí)間的增加逐步增大。圍壓值較大的情況下，長(zhǎng)期加載使得海水較快地進(jìn)入混凝土占據(jù)其內(nèi)部孔隙，易于飽和，這時(shí)圍壓時(shí)間對(duì)混凝土長(zhǎng)期吸水影響較為微弱(如0.9 MPa)；而圍壓值較小時(shí)，長(zhǎng)期加載使得海水緩慢地進(jìn)入混凝土并逐漸飽和，這時(shí)圍壓時(shí)間對(duì)混凝土長(zhǎng)期吸水影響較為顯著(如無圍壓時(shí))。由此可知，有無圍壓對(duì)混凝土滲透吸水有較大影響；且圍壓值越大，其滲透吸水量越大；隨著圍壓時(shí)間的延長(zhǎng)，圍壓強(qiáng)度對(duì)滲透吸水的影響在逐漸下降。結(jié)果表明，加壓對(duì)加速滲透具有明顯效果。

圖2 不同圍壓下混凝土試件滲透吸水曲線

2.3尺寸影響

不同尺寸混凝土試件的滲水率隨時(shí)間的變化見圖3。

圖3 不同尺寸混凝土試件滲透吸水曲線

由圖3可知：同一圍壓值，同等水灰比的情況下，50 mm×50 mm×50 mm立方體混凝土試件的滲水率均比100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件高，且差異明顯，這表明：長(zhǎng)期圍壓作用下，尺寸較小的試件其吸水率較高，浸水程度較高；在相同圍壓下，其滲透較為充分。可見，在長(zhǎng)期滲透吸水時(shí)，“尺寸效應(yīng)”依然存在。

2.4混凝土與水泥砂漿的區(qū)別

同一圍壓下，混凝土與砂漿試件的單位表面積滲水率隨時(shí)間的變化見圖4。

圖4 50 mm立方體混凝土試件和砂漿試件滲透吸水曲線

由圖4可知：在0.6 MPa、0.9 MPa圍壓長(zhǎng)期浸水作用下，同一尺寸、不同水灰比的立方體混凝土試件均比砂漿試件單位表面積滲水率小。表明在水泥、細(xì)骨料和用水量均相同的長(zhǎng)期浸水情況下，有無粗骨料對(duì)混合膠凝材料的吸水性能有較大影響。

3 結(jié)論

本文依托壓力劣化器，對(duì)比研究了三維海水圍壓下試件滲透吸水影響因素，主要結(jié)論如下：

(1)同一圍壓作用下，水灰比對(duì)滲透吸水影響明顯，水灰比較小的混凝土試件浸水后的吸水量較小且更快趨于穩(wěn)定。

(2)在0、0.3 MPa、0.6 MPa和0.9 MPa 4種海水圍壓作用下，有無圍壓對(duì)混凝土滲透吸水有很大影響，且圍壓值越大，其滲透吸水量越大；隨著圍壓時(shí)間的延長(zhǎng)，圍壓對(duì)滲透吸水的影響逐漸下降。

(3)長(zhǎng)期滲透吸水中存在尺寸效應(yīng)，在相同圍壓值下，尺寸較小的試件滲透更為充分。

(4)有無粗骨料對(duì)滲透吸水具有明顯影響，在同等條件下，砂漿試件滲透吸水量比混凝土試件大。

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Experimentalstudyonseepageresistanceofconcreteunderseawaterconfiningpressure

Lü Pan1, WANG Quan-gui1, LI Da-wang1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China; 2.KeyLaboratoryofDurabilityofCivilEngineeringofGuangdongProvince,Shenzhen518060,China)

2017-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278303) ；廣東省教育廳重大項(xiàng)目(2014KZDXM051)

呂 攀(1992—),男，四川德陽人，碩士研究生。

李大望(1963—),男，河南洛陽人，教授，博士生導(dǎo)師。

1674-7046(2017)04-0024-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.005

TU528.1

A