多維荷載對不同含水率混凝土滲透性的影響

張 彬，楊 碩，周軍霞

（遼寧工程技術(shù)大學土木工程學院，遼寧阜新 123000）

1 研究背景

大壩、橋墩、海上建筑物等混凝土結(jié)構(gòu)均處于水環(huán)境之中，且受到軸壓、圍壓荷載的作用，混凝土介質(zhì)的滲透性在荷載的作用下有很大差異，而混凝土的滲透性直接影響其結(jié)構(gòu)的耐久性，故混凝土的滲透性是備受關(guān)注的熱點內(nèi)容。

國內(nèi)外對混凝土滲透性進行了大量的研究。Djerbi等［1］首先提出了以O(shè)2為滲透介質(zhì)測定混凝土滲透系數(shù)的Cembureau法；桂強等［2］研究了水泥基材料氣體滲透機理、滲透性測試原理與方法以及氣體滲透性的預(yù)測模型；李新宇等［3］研究了水工碾壓混凝土滲透系數(shù)隨滲透歷時延長的變化及原因；劉洪珠等［4］研究了軸壓荷載作用對混凝土滲透性的影響；李永靖等［5］對煤矸石混凝土試件進行氣滲性能試驗，研究了煤矸石混凝土的氣滲性能變化規(guī)律；洪雷等［6］研究了素混凝土在單軸持續(xù)荷載作用下混凝土的滲透性變化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的數(shù)學模型；張朝輝等［7］分析了混凝土滲透性與耐久性之間的關(guān)系，并提出了提高和改進混凝土抗?jié)B性的方法。

上述研究主要針對單一或無應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土，但在工程中混凝土均會承受復(fù)雜的荷載作用，處于不同工況下的混凝土的含水率也有較大差異，因此研究不同含水率、承受多維荷載混凝土的滲透性是很有必要的。采用ZYS-1煤巖多功能三軸滲透儀進行三軸滲透性試驗，研究了不同含水率混凝土在多維荷載（即軸壓、圍壓、孔隙壓）上升過程中滲透系數(shù)的變化趨勢。

2 試驗方案

2.1 原材料與混凝土配合比

水泥選用阜新大鷹水泥制造有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，水為阜新自來水，粗骨料為5～40 mm連續(xù)級配碎石，細骨料為連續(xù)級配河沙。質(zhì)量配合比為m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）＝1∶0.59∶2.32∶4.60，其 28 d抗壓強度為45.6 MPa；混凝土透氣系數(shù)測試試件尺寸為50 mm×50 mm×100 mm，試件成型標準養(yǎng)護24 h后拆模，繼續(xù)標準養(yǎng)護至28 d齡期，養(yǎng)護完畢后制備成含水率為0%，1.5%，3.0%，4.5%的試樣，進行透氣性試驗。

2.2 混凝土透氣性試驗裝置及原理

本試驗采用遼寧工程技術(shù)大學自行研制的ZYS-1煤巖多功能三軸滲透儀。該試驗裝置系統(tǒng)由三軸應(yīng)力加載系統(tǒng)、氣體孔隙壓力加載系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

混凝土試樣由固、液、氣三相組成，本試驗儀器采用氣相滲透方法對混凝土的滲透性進行測試，而氣相滲透只適用于非飽和試樣，這與達西定律的飽和水相滲透不符，本文采用許越［8］修正后的達西定律，即

圖1 ZYS-1煤巖多功能三軸滲透儀Fig．1 ZYS-1 multifunction triaxial osmometer for coal-rock

式中：v為氣體流速（m／s）；K為固有滲透率（m2）；μ為氣體黏滯系數(shù)（Pa·s）；PA為進氣端壓力（Pa）；PB為出氣端壓力（Pa），即大氣壓 P0；L為試件長度（m）。

則滲透系數(shù)的表達式為

式中：K′為滲透系數(shù)（mD）；Pa，Pb為出口端氣體壓力（Pa，即大氣壓力）；Q為滲流量（cm3／s）；L′為試樣長度（cm）；μ′為氮氣動力黏度，μ′＝17.544×10-7Pa·s；P為孔隙壓（Pa）；A為試樣橫截面積（mm2）。

經(jīng)試驗測得本試驗所用混凝土的飽和含水率為4.82%。本試驗方案控制參數(shù)：圍壓范圍為3～11 MPa，軸壓范圍為4～18 MPa，孔隙壓設(shè)定為2.0 MPa和2.5 MPa。具體的試驗方案見表1。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 軸壓對混凝土滲透性的影響

分別對圖2（a）與圖2（b）混凝土試樣滲透系數(shù)變化曲線進行分析可以得出：圍壓為3 MPa時，在軸壓逐級加載過程中，混凝土試樣的滲透系數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢，且在加載前期減小較快；孔隙壓為2.0 MPa與2.5 MPa的2組混凝土試樣滲透系數(shù)變化范圍在1.25～1.68 mD，最大滲透系數(shù)改變量為0.43 mD；在軸壓作用下混凝土的滲透系數(shù)存在一個壓力閾值（本試驗為16 MPa），當軸壓逼近此閾值時，混凝土的滲透系數(shù)減小速率逐漸趨于定值，壓力閾值的大小與混凝土的配比、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、原材料的特性等因素有關(guān)。

表1 多維荷載試驗方案Table 1 Multidimensional load test schemes

圖2 軸壓加載下混凝土滲透系數(shù)變化曲線（圍壓為3 MPa）Fig．2 Curves of permeability coefficient of concrete under axial compression in the presence of 3 MPa confining pressure

軸壓作用在混凝土的2個端面，混凝土的受力面積較小，因此加載軸壓對混凝土試樣滲透性的影響程度有限。采用Origin數(shù)學處理軟件對圖2中曲線數(shù)據(jù)進行擬合可得，滲透系數(shù)與軸壓呈明顯的一階負指數(shù)關(guān)系。

滲透系數(shù)K′與軸壓P1的關(guān)系擬合公式為

式中 A，t，y0均為擬合參數(shù)。

3.2 圍壓對混凝土滲透性的影響

分別對圖3（a）與圖3（b）混凝土試樣滲透系數(shù)變化曲線進行分析可以得出：滲透系數(shù)的變化呈非線性下降趨勢，前期下降速度快，后期下降速度平緩；軸壓為12 MPa時，當圍壓從3 MPa增加到4 MPa，混凝土滲透系數(shù)數(shù)值改變量最大，下降了60%；當圍壓從4 MPa增加到8 MPa時，混凝土滲透系數(shù)變化速度相對于前一區(qū)段來說有顯著降低，下降了30%；當圍壓從8 MPa增加到11 MPa時，滲透系數(shù)的數(shù)值逐漸趨于定值；孔隙壓為2.0 MPa與2.5 MPa的2組混凝土在加載圍壓過程中滲透系數(shù)變化范圍在0.01～1.78 mD，最大滲透系數(shù)改變量為1.13 mD，為軸壓加載下最大滲透系數(shù)改變量0.43 mD的2.6倍，因此混凝土滲透系數(shù)對圍壓的敏感度更高；在圍壓作用下混凝土的滲透系數(shù)同樣也存在壓力閾值，且與軸壓作用下的變化規(guī)律相一致。

選取3個圍壓變化區(qū)段，對混凝土滲透系數(shù)的變化情況進行分析可得：混凝土在未施加圍壓時其內(nèi)部包含較多的孔隙，可供氣體滲透的路徑較多；在加載圍壓的過程中，混凝土的體積被迅速壓縮造成混凝土的孔隙迅速減小，混凝土中氣體的滲透路徑也隨之迅速減少，進而使混凝土的滲透系數(shù)驟然降低；在圍壓加載的中后期混凝土內(nèi)部的孔隙空間被壓縮得較為致密，氣體滲透路徑的變化對圍壓的敏感度降低，即混凝土的內(nèi)部孔隙逐漸趨于定值且不再隨圍壓的改變而產(chǎn)生大幅度變化，因此可供氣體滲透的路徑也趨于穩(wěn)定，所以混凝土的滲透系數(shù)最終趨于定值。

圖3 圍壓加載下混凝土滲透系數(shù)變化曲線（軸壓為12 MPa）Fig．3 Curves of permeability coefficient of concrete under confining pressure in the presence of 12 MPa axial compression

使用Origin數(shù)學處理軟件對圖3中曲線進行回歸分析可得混凝土的滲透系數(shù)與圍壓之間也呈現(xiàn)出明顯的一階負指數(shù)關(guān)系。

滲透系數(shù)K′與圍壓P2的關(guān)系擬合公式為

式中A，t，y0均為擬合參數(shù)。

3.3 孔隙壓對混凝土滲透性的影響

分別對圖4（a）與圖4（b）進行分析可得，在圍壓或軸壓一定時，在孔隙壓為2.5 MPa時混凝土滲透系數(shù)始終大于孔隙壓為2.0 MPa時的滲透系數(shù)，即在孔隙壓的作用下混凝土能夠擴大氣體滲透的有效路徑使其滲透系數(shù)增大。

圖4 不同孔隙壓下混凝土滲透系數(shù)變化曲線Fig．4 Curves of permeability coefficient of concrete under varied pore pressure

對于同一混凝土試件而言，當圍壓或軸壓增大到某值時，其滲透系數(shù)幾乎不再隨孔隙壓的增加而產(chǎn)生明顯的變化，其數(shù)值都趨于定值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：孔隙壓增大，改變了通過巖體孔隙的氣體流量，而增加圍壓，則是改變了巖體內(nèi)部氣體的滲透路徑。當圍壓逐漸增大，巖體內(nèi)氣體滲透路徑減少，即使增加再多氣體，也沒有充足的路徑可以通過，因此增加孔隙壓不會對滲透結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

3.4 含水率對混凝土滲透性的影響

通過對圖5（a）與圖5（b）混凝土滲透系數(shù)變化曲線進行分析比較可得：含水混凝土的滲透系數(shù)始終小于干燥狀態(tài)下混凝土的滲透系數(shù)，其原因為含水混凝土孔隙中的一部分被水填充，導(dǎo)致測試氣體滲透路徑減少，從而導(dǎo)致混凝土滲透系數(shù)降低。從圖6（a）與圖 6（b）可以看出：當孔隙壓為2.0 MPa時，在軸壓的作用下同一含水率混凝土的滲透系數(shù)逐漸降低且變化速率呈現(xiàn)遞減趨勢；不同含水率的混凝土滲透系數(shù)的變化速率也呈現(xiàn)出同一種變化規(guī)律，即隨著含水率的增加，混凝土在同一軸壓變化范圍內(nèi)其滲透系數(shù)的變化速率在逐漸降低，相鄰2個含水率的混凝土滲透系數(shù)在同一軸壓變化范圍內(nèi)的差值逐漸縮??；當軸壓加載至16 MPa時，不同含水率混凝土的滲透系數(shù)都趨于同一定值且彼此間數(shù)值的波動范圍在0.05 mD之內(nèi)；同樣，在圍壓的作用下也呈現(xiàn)出此規(guī)律，但與軸壓作用不同的是，不同含水率混凝土的滲透系數(shù)之間的差值存在較大的差異，以圍壓加載至11MPa時為例，干燥狀態(tài)的混凝土滲透系數(shù)為0.45 mD，而含水率為4.5%的混凝土滲透系數(shù)則為0.01 mD，因此含水率對圍壓作用下混凝土的滲透性影響較大。

圖5 不同含水率混凝土滲透系數(shù)變化曲線Fig．5 Curves of permeability coefficient of concrete with varied moisture content

圖6 不同含水率混凝土滲透系數(shù)差值變化曲線Fig．6 Curves of the difference of permeability coefficient between concretes of adjacent moisture content

4 結(jié) 論

（1）混凝土在軸壓或圍壓的作用下，其滲透系數(shù)存在壓力閾值（本試驗軸壓閾值為16 MPa，圍壓閾值為10 MPa），當壓力逼近此閾值時，混凝土的滲透系數(shù)減小速率逐漸趨于定值，混凝土的滲透系數(shù)分別與軸壓、圍壓呈現(xiàn)出明顯的負指數(shù)關(guān)系。

（2）混凝土的滲透性對圍壓的敏感度較高，混凝土在圍壓作用下滲透系數(shù)的改變量是其在軸壓作用下的2～3倍，因此圍壓對混凝土的滲透性影響顯著。

（3）軸壓或圍壓增加至某一值（本試驗軸壓增至16 MPa，圍壓增至10 MPa）時，巖體孔隙被壓密，可供氣體通過的路徑減少，即使增大孔隙壓，也沒有足夠的路徑可供氣體通過，此時孔隙壓對混凝土的滲透性的影響很小。

（4）隨著軸壓或圍壓的增大，不同含水率的混凝土滲透系數(shù)之間的差值在不斷縮小。當滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定時，混凝土滲透系數(shù)隨著其含水率的增加呈現(xiàn)遞減趨勢且對混凝土含水率的敏感度逐漸降低。