不同水膠比和不同粉煤灰摻量下混凝土滲透性試驗(yàn)研究

王曉凡

(河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056001)

1 概 述

水利工程中混凝土大壩常常分區(qū)澆筑，不同區(qū)域內(nèi)的混凝土所要求的性能不一樣，壩體底部混凝土由于長(zhǎng)期處于應(yīng)力與水壓力的共同荷載作用下，所以其底部要求混凝土的抗?jié)B性更高。大壩混凝土在應(yīng)力與水壓力的作用下，其滲透性表現(xiàn)出很大的差異，水膠比和粉煤灰兩種因素對(duì)混凝土的抗?jié)B性能也具有一定的影響，所以研究不同水膠比和不同粉煤灰摻量的混凝土在應(yīng)力和水壓力作用下的滲透性變化具有一定的工程指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)混凝土的滲透性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，夏才初[1]等采用測(cè)定巖石滲透系數(shù)的方法——瞬態(tài)法成功測(cè)定混凝土的滲透系數(shù)，并得到混凝土滲透系數(shù)與應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式。王鳳波[2]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出混凝土試件在相同滲壓、不同圍壓作用下的滲透率特征曲線，以及在圍壓升降循環(huán)過(guò)程中混凝土試件滲透率的變化曲線。趙鐵軍[3]等研究了高性能混凝土的強(qiáng)度與滲透性的關(guān)系，得出純水泥混凝土的強(qiáng)度與滲透性之間有很大的相關(guān)性，礦渣混凝土和粉煤灰混凝土的強(qiáng)度與滲透性之間相關(guān)性很差，換句話說(shuō)，高性能混凝土的強(qiáng)度通常不能反映其滲透性。李在允[4]通過(guò)混凝土試件凍融循環(huán)試驗(yàn)和交流電滲透性電阻試驗(yàn)探究不同水灰比和不同粉煤灰摻率對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響。陳立軍[5]等測(cè)試了混凝土在常壓狀態(tài)下不同水泥粒度和水膠比對(duì)混凝土滲透性的影響。研究表明在一定氣干條件下，水泥粒度越細(xì)，水膠比越低，混凝土在毛細(xì)孔壓力作用下的滲透性越大。方永浩[6]等用以受壓彈簧為荷載的壓力-滲透實(shí)驗(yàn)裝置研究持續(xù)單向荷載作用對(duì)混凝土的水滲透性的影響，結(jié)果表明混凝土的滲透系數(shù)與其抗壓強(qiáng)度存在較好的相關(guān)性。前人做了大量與混凝土滲透性有關(guān)的試驗(yàn)，所研究的影響因素和試驗(yàn)方法各不相同。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)定巖石滲透系數(shù)的方法來(lái)探究不同水膠比和不同粉煤灰摻量對(duì)施加恒定軸向應(yīng)力、相同孔壓以及相同圍壓作用下混凝土試件滲透性的影響。

2 測(cè)量原理及試驗(yàn)方法

國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土滲透系數(shù)或滲透率測(cè)定的研究很多，有關(guān)混凝土滲透系數(shù)的測(cè)定方法也有很多，常見的有傳統(tǒng)透水法、滲透深度法、直流電量法和CH2Cl2浸泡法。這些測(cè)定評(píng)價(jià)方法均有其各自的局限性，且試驗(yàn)起來(lái)比較繁瑣。迄今為止，對(duì)混凝土滲透性的評(píng)價(jià)方法尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榛炷林破放c巖石類材料具有相似的物理力學(xué)性質(zhì)，所以可以采用測(cè)定巖石滲透率的方法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗?jié)B性能。實(shí)驗(yàn)室關(guān)于測(cè)定巖石滲透系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法也有很多種，大致可歸為兩類方法：瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法又稱常壓頭法，即在一定壓頭下測(cè)量流出的水量，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)試件的滲水量用滲流理論計(jì)算材料的滲透系數(shù)或滲透率；瞬態(tài)法是在試件上施加一定壓力差，測(cè)定在一定時(shí)間間隔內(nèi)壓力差的衰減規(guī)律,根據(jù)壓力差-時(shí)間曲線計(jì)算材料的滲透率或滲透系數(shù)。對(duì)于滲透率較高的材料，因其流量較大而易于測(cè)定，用穩(wěn)態(tài)法較好；對(duì)于中低滲透率的材料，常因流量微小而難以測(cè)定，宜用瞬態(tài)法。因?yàn)榛炷翝B透性較小，本試驗(yàn)采用瞬態(tài)法[1]。根據(jù)經(jīng)典的達(dá)西定律，可以采用下式計(jì)算試件的固有滲透率k：

(1)

式中：μ為流體的動(dòng)力黏滯系數(shù)；△P為試件上下游的水頭壓力差；Q為注入水的流量；L和A分別為試樣的長(zhǎng)度和橫截面積。

3 物理實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料及物理性能參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)所用材料及物理性能參數(shù)

3.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)15組不同水膠比(0.4、0.5、0.6)和不同粉煤灰摻量(0%、5%、10%、15%、20%)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案，采用粉煤灰等量替代水泥作為膠凝材料，細(xì)骨料選用河砂，篩分粒徑小于2.5 mm，粗骨料選用邯鄲市采石場(chǎng)生產(chǎn)的碎石，篩分粒徑為5～10 mm，具體配合比設(shè)計(jì)見表2。

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

3.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)試件采用巖石試驗(yàn)機(jī)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體(50 mm×100 mm)，根據(jù)配合比設(shè)計(jì)方案按照混凝土試件澆筑規(guī)范制備15組試件，因模具有限，分4次澆筑，每組澆筑4個(gè)相同試塊，共計(jì)60個(gè)。制備好的試件放置混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，因?yàn)橛梅€(wěn)態(tài)法測(cè)定混凝土滲透系數(shù)必須保證混凝土的含水量是飽和的，所以采用水中養(yǎng)護(hù)方式，既滿足了混凝土養(yǎng)護(hù)條件濕度在95%以上，又使試件處于飽和狀態(tài)。待達(dá)到混凝土28 d養(yǎng)護(hù)齡期后準(zhǔn)備進(jìn)行滲透試驗(yàn)，先每組選取一個(gè)試件做混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出28 d的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，為混凝土滲透試驗(yàn)施加軸壓提供一個(gè)可估的應(yīng)力加載區(qū)間。

3.4 試驗(yàn)儀器的原理與簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在TAW-2000電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，見圖1、圖2。該系統(tǒng)有3套獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng),在計(jì)算機(jī)控制下,該系統(tǒng)可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)軸壓、圍壓和孔壓的加載控制和穩(wěn)壓。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中用計(jì)算機(jī)程序來(lái)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集,試驗(yàn)過(guò)程如下[8]:

圖1 TAW-2000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)示意圖

圖2 滲透性實(shí)驗(yàn)示意圖

①將巖石試件(直徑50 mm,高度100 mm)裝到加載架上,手動(dòng)控制使試件上端輕微接觸上壓頭(顯示器上載荷讀數(shù)為0.05～0.5 kN)；②運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序,使試件在載荷控制方式下以一定的加載速率加載到5～10 kN；③落下三軸缸，向三軸缸充油直到充滿；④在計(jì)算機(jī)程序控制下,電液伺服系統(tǒng)按一定加壓速率先施加圍壓到一預(yù)定值,并在以后的全過(guò)程保持不變,再施加試件兩端的孔壓到一預(yù)定值；⑤降低試件一端的孔壓,以便在試件兩端形成滲透壓差,在滲透壓差作用下液體通過(guò)試件兩端滲流,滲透壓隨之減少,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄滲透壓差的變化；⑥根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算試件滲透率K；⑦增加軸壓,使軸壓達(dá)到預(yù)定的加載值。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

在參考夏才初[1]等的試驗(yàn)加載方案上采用施加軸向應(yīng)力15MP，圍壓5MP，孔壓4MP，滲透壓在1.5～2.0MP，試驗(yàn)過(guò)程中保持軸壓、圍壓、孔壓不變，15組試件均分別進(jìn)行滲透試驗(yàn)。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，本試驗(yàn)只對(duì)試樣軸向方向滲透率進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理見圖3。

圖3 單軸壓縮試驗(yàn)試件最大應(yīng)力圖

從圖3中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加試件的最大應(yīng)力值變化很小，但總體上粉煤灰摻量的增加使試件的強(qiáng)度降低。當(dāng)粉煤灰摻量增加到20%時(shí)，試件的最大應(yīng)力值降低得比較明顯，這是因?yàn)椴捎玫攘糠勖夯掖嫠嗪?，粉煤灰的?qiáng)度沒(méi)有水泥大，導(dǎo)致試件的整體強(qiáng)度降低。通過(guò)對(duì)比3種水膠比的最大應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn)，試件水膠比為0.4的最大應(yīng)力值最大，水膠比為0.6的最大應(yīng)力值最小，可以得出隨著水膠比的增大，試件的最大應(yīng)力在減小，即強(qiáng)度在降低，這是由于水泥用量過(guò)大，水泥不能夠充分水化，從而試件強(qiáng)度較低。

不同水膠比試件的滲透率變化見圖4-圖6。

圖4 水膠比為0.4試件的滲透率變化

圖5 水膠比為0.5試件的滲透率變化

圖6 水膠比為0.6的試件滲透率變化

1) 從圖4、圖5、圖6對(duì)比中可以看出，隨著水膠比的增大，試件的滲透率在增大，由于水膠比的變化對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響很大，水膠比越小，混凝土水泥水化反應(yīng)較徹底，使得其內(nèi)部孔隙較少，從而滲透率相對(duì)較低。在軸壓、孔壓和圍壓共同作用下，滲透率先是隨時(shí)間上升到一個(gè)峰值，然后下降趨于穩(wěn)定?；炷猎嚰旧砭哂泻芏辔⑿】紫叮?dāng)滲透水隨初始時(shí)間在試件表面流動(dòng)時(shí)，試件表面上微小孔裂隙由于受到水壓的作用，孔隙變大，使得試件的滲水量變大，從而試件在前期的滲透率急劇上升；隨試件滲流的進(jìn)行，混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于水中，其內(nèi)部孔隙已被水分子填滿，試件滲流遇到較大阻力，從而滲透率上升較緩慢。另一方面，滲透水在滲流過(guò)程中攜帶著的一些微小物質(zhì)填充了混凝土的孔隙以及內(nèi)部裂縫，從而改善了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使得試件的滲透率降低；而隨著試件滲流的繼續(xù)，滲透率的變化趨于穩(wěn)定，這是由于混凝土內(nèi)部的密實(shí)度較強(qiáng)，滲透水流進(jìn)試件內(nèi)部后產(chǎn)生了穩(wěn)定的滲流通道。

2) 從圖4、圖5、圖6中可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻與不摻以及摻量多少對(duì)試件的滲透率具有很大的影響，并且隨著粉煤灰摻量的增加，試件的滲透率明顯在減小，當(dāng)摻量為20%時(shí)試件的滲透率減小得尤為顯著。由于粉煤灰本身的顆粒性質(zhì)與水泥水化共同作用下，填充在水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)中，使混凝土試件的孔徑明顯變小，孔隙率降低，使得試件的礦物組成得到改善并加強(qiáng)了自身的密實(shí)度，從而降低了試件的滲透率，加強(qiáng)了試件的抗?jié)B性能。從粉煤灰摻量為0%、5%、10%、15%、20%對(duì)改善試件的滲透性來(lái)看，摻量越大，試件的滲透率越低。

4 試驗(yàn)結(jié)論

1) 在軸壓、孔壓和圍壓3種荷載的共同作用下，隨著水膠比的增大，試件的滲透率在增大，從而試件的抗?jié)B性能變差。

2) 在軸壓、孔壓和圍壓3種荷載的共同作用下，粉煤灰摻與不摻對(duì)試件的滲透率影響很大。隨著粉煤灰摻量的增加，試件的滲透率明顯減小，而且摻量為20%時(shí)試件的滲透率較不摻降低的更為顯著。

3) 對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到試件各水膠比對(duì)應(yīng)下粉煤灰摻量的極限荷載強(qiáng)度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水膠比越大，試件極限荷載強(qiáng)度越低；粉煤灰摻量的大小對(duì)試件的強(qiáng)度有一定影響，尤其粉煤灰摻量達(dá)到20%時(shí)試件的極限荷載強(qiáng)度降低比較明顯。所以，對(duì)具有強(qiáng)度要求和抗?jié)B要求的實(shí)際工程要合理選取水膠比和粉煤灰摻量。

5 展 望

用測(cè)定巖石滲透率的方法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的滲透性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，但得出的結(jié)果較為直接、精確?；炷恋臐B透性與施加在其上的應(yīng)力荷載有很大關(guān)系，而且實(shí)際工程中，大多的混凝土結(jié)構(gòu)都處于較大的應(yīng)力荷載下。比如混凝土大壩經(jīng)常承受由于水位變化產(chǎn)生的水壓升降循環(huán)荷載，這時(shí)考慮這種條件下的大壩混凝土滲透性能對(duì)評(píng)價(jià)大壩安全穩(wěn)定很有必要。因?yàn)闇y(cè)定巖石滲透率的滲流系統(tǒng)可以對(duì)軸壓、圍壓、孔壓進(jìn)行單獨(dú)控制，所以可以在此套系統(tǒng)上進(jìn)行試件的軸壓水平控制、孔壓水平控制以及圍壓水平控制，還可以在試件極限荷載內(nèi)進(jìn)行軸壓、孔壓、圍壓的升降循環(huán)，測(cè)定試件在3種荷載控制條件下對(duì)應(yīng)的滲透率或者滲透系數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)實(shí)際工程的安全穩(wěn)定具有指導(dǎo)意義。